(57)【要約】【課題】光信号を直接不揮発的に記憶する光不揮発性メモリを提供すること。【解決手段】第１導電型を有する第１半導体層１２と、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２半導体層１６と、前記第１半導体層と前記第２半導体層とに挟まれ、逆バイアスが印加されることにより受光し、順バイアスが印加されることにより発光する活性層１４と、前記活性層の受光する光の強さによって磁化方向が変化する強磁性体層２０と、を具備する光不揮発性メモリ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する第１半導体層と、
前記第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層とに挟まれ、逆バイアスが印加されることにより受光し、順バイアスが印加されることにより発光する活性層と、
前記活性層の受光する光の強さによって磁化方向が変化する強磁性体層と、
を具備することを特徴とする光不揮発性メモリ。
【請求項２】
前記磁化方向によって前記活性層の発光する光の偏光方向が変化することを特徴とする請求項１記載の光不揮発性メモリ。
【請求項３】
前記第１半導体層、前記活性層、前記第２半導体層および前記強磁性体層は、この順に積層されていることを特徴とする請求項１または２記載の光不揮発性メモリ。
【請求項４】
前記強磁性体層の前記第２半導体層と反対側に設けられた電極を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の光不揮発性メモリ。
【請求項５】
前記活性層が受光する際は、前記第２半導体層と前記電極との間の電界に応じ、前記磁化方向が変化することを特徴とする請求項４記載の光不揮発性メモリ。
【請求項６】
前記活性層が発光する際は、前記電極から前記強磁性体層に注入されたキャリアが前記磁化方向に応じスピン偏極し、前記第２半導体層に注入されることを特徴とする請求項４または５記載の光不揮発性メモリ。
【請求項７】
前記強磁性体層と前記第２半導体層との間に設けられたトンネル絶縁膜を具備することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の光不揮発性メモリ。
【請求項８】
前記強磁性体層と前記電極との間に設けられた絶縁膜を具備することを特徴とする請求項４から６のいずれか一項記載の光不揮発性メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光不揮発性メモリに関し、特に強磁性体層を有する光不揮発性メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を用いた光回路技術が開発されている。光回路においては、電気回路に比べ高速動作が可能である。一方、電気回路においては、多くのメモリが用いられている。例えば、強磁性体の磁化方向により、データを不揮発的に記憶するＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が開発されている。
【０００３】
非特許文献１においては、強磁性半導体に電界を加えることにより磁化方向を変化させること可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Nature Vol. 455 pp. 515-518
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光回路において、光信号を直接不揮発的にメモリする光不揮発性メモリが求められている。本発明は、光信号を直接不揮発的に記憶する光不揮発性メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１導電型を有する第１半導体層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層とに挟まれ、逆バイアスが印加されることにより受光し、順バイアスが印加されることにより発光する活性層と、前記活性層の受光する光の強さによって磁化方向が変化する強磁性体層と、を具備することを特徴とする光不揮発性メモリである。本発明によれば、光信号を直接不揮発的に記憶する光不揮発性メモリを提供することができる。
【０００７】
上記構成において、前記磁化方向によって前記活性層の発光する光の偏光方向が変化する構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記第１半導体層、前記活性層、前記第２半導体層および前記強磁性体層は、この順に積層されている構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記強磁性体層の前記第２半導体層と反対側に設けられた電極を具備する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記活性層が受光する際は、前記第２半導体層と前記電極との間の電界に応じ、前記磁化方向が変化する構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記活性層が発光する際は、前記電極から前記強磁性体層に注入されたキャリアが前記磁化方向に応じスピン偏極し、前記第２半導体層に注入される構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記強磁性体層と前記第２半導体層との間に設けられたトンネル絶縁膜を具備する構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記強磁性体層と前記電極との間に設けられた絶縁膜を具備する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光信号を直接不揮発的に記憶する光不揮発性メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施例に係る光不揮発性メモリの断面図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１に係る光不揮発性メモリのエネルギーバンド図、図２（ｂ）は、キャパシタで示した光不揮発性メモリの等価回路である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、活性層が受光した際のそれぞれエネルギーバンド図および等価回路である。
【図４】図４は、活性層が発光する際のエネルギーバンド図である。
【図５】図５は、各層の材料と膜厚の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００１７】
図１は、実施例に係る光不揮発性メモリの断面図である。図１のように、第１電極２６、第１半導体層１２、活性層１４、第２半導体層１６、トンネル絶縁膜１８、強磁性体層２０、絶縁膜２２および第２電極２４が順次積層されている。第１半導体層１２は第１導電型を有する。第２半導体層１６は第１導電型とは異なる第２導電型を有する。活性層１４は、第１半導体層１２と第２半導体層１６とに挟まれている。活性層１４は、例えば量子井戸構造であり、例えば多重量子井戸構造でもよい。第１半導体層１２、活性層１４および第２半導体層１６は、ダイオード１０を形成する。活性層１４は、ダイオード１０に逆バイアスが印加されることにより光３０を受光する。また、活性層１４は、ダイオード１０に順バイアスが印加されることにより光５０を発光する。なお、光３０および５０は、図１のように、活性層１４の側面から入射および出射してもよいが、第２半導体層１６または強磁性体層２０から入射および出射してもよい。また、第１半導体層１２を介し入射および出射してもよい。また、光３０の入射と光５０の出射とは別の方向から行ってもよい。第１電極２６は、第１半導体層１２とオーミック接触している。第１電極２６は、第１半導体層１２にキャリアを注入する、または第１半導体層１２らキャリアを受ける。第１半導体層１２、活性層１４および第２半導体層１６は、例えばIII−Ｖ族半導体からなることが好ましい。
【００１８】
強磁性体層２０は、非特許文献１のＧａＭｎＡｓのように、印加される電界の強さに応じ磁化方向が変化する。これにより、強磁性体層２０は、活性層１４が受光する光の強さにより磁化方向が変化する。さらに、強磁性体層２０の磁化方向に依存し活性層１４が発光する光の偏光方向が異なる。これらについては、図３（ａ）から図５において詳細に説明する。トンネル絶縁膜１８は、キャリアがトンネル伝導する程度の膜厚を有しており、スピン偏極したキャリアを強磁性体層２０から第２半導体層１６に注入する。第２電極２４は絶縁膜２２を介し強磁性体層２０に電界を印加する。
【００１９】
図２（ａ）は、実施例１に係る光不揮発性メモリのエネルギーバンド図、図２（ｂ）は、キャパシタで示した光不揮発性メモリの等価回路である。図２（ａ）を参照し、この例では、第１半導体層１２はｐ型であり、第２半導体層１６はｎ型である。また、強磁性体層２０は半導体である。Ｅｃは伝導帯の底（または単に伝導帯ともいう）、Ｅｖは価電子帯の頂点（または単に価電子帯ともいう）を示している。第１半導体層１２および第２半導体層１６に比べ活性層１４のバンドギャップエネルギーは小さい。トンネル絶縁膜１８および絶縁膜２２は、第２半導体層１６および強磁性体層２０の伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖに対し障壁となっている。強磁性体層２０は磁化方向４０に磁化している。電源６０より第１電極２６と第２電極２４とにダイオード１０が逆バイアスとなるように電圧が印加されている。すなわち、第１電極２６に負電圧、第２電極２４に正電圧が印加されている。
【００２０】
図２（ｂ）のように、トンネル絶縁膜１８から絶縁膜２２は等価的にはキャパシタＣ１とみなせる。同様に、ダイオード１０は等価的にキャパシタＣ２とみなせる。キャパシタＣ１およびＣ２には、それぞれ、電荷＋Ｑおよび−Ｑが蓄積されている。
【００２１】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、活性層が受光した際のそれぞれエネルギーバンド図および等価回路である。図３（ａ）のように、活性層１４に光３０が照射されると、活性層１４内に電子３２−ホール３４対が生成される。ダイオード１０に逆バイアスが印加されているため、電子３２は第２電極２４側に、ホール３４は第１電極２６側に伝導する。第２電極２４側に伝導した電子３６は、トンネル絶縁膜１８によりせき止められる。これにより、図３（ｂ）のように、キャパシタＣ１には、＋Ｑ＋δｑ、−Ｑ−δｑの電荷が蓄積される。また、キャパシタＣ２にも、＋Ｑ＋δｑ、−Ｑ−δｑの電荷が蓄積される。これにより、キャパシタＣ１に印加される電界が変調される。強磁性体層２０に印加される電界の強さが変調されると、非特許文献１に記載されているように強磁性体層２０の磁化方向４０が変化する。これにより、活性層１４が受光した光の強度の情報を強磁性体層２０に不揮発的に記憶することができる。
【００２２】
図４は、活性層が発光する際のエネルギーバンド図である。図４のように、ダイオード１０が順バイアスとなるように、第１電極２６と第２電極２４とに電圧を印加する。すなわち、第１電極２６に正電圧、第２電極２４に負電圧を印加する。第２電極２４から絶縁膜２２を介して強磁性体層２０に注入された電子は、強磁性体層２０の磁化方向に依存しスピン偏極する。スピン偏極した電子４４はトンネル絶縁膜１８を介し第２半導体層１６に注入される。順バイアスのため、スピン偏極した電子４６と第１電極２６から注入されたホール４８は活性層１４に伝導する。活性層１４において、電子４６とホール４８とが結合し光５０が発光する。このとき、電子４６のスピン偏極方向に依存し、発光する光５０の右回りと左回りの円偏光の割合が変化する。これにより、強磁性体層２０に記憶されている情報を読み出すことができる。このように、発光における円偏光度から磁化の情報を読み取ることができる。
【００２３】
図５は、各層の材料と膜厚の例を示す図である。図５のように、第１電極２６は、第１半導体層１２側からＣｒ膜およびＡｕＺｎ膜の積層膜であり、膜厚は２５０ｎｍである。第１電極２６は、第１半導体層１２とオーミック接触していることが好ましい。第１半導体層１２は、膜厚が２００ｎｍのｐ型のＩｎＰと膜厚が２００ｎｍのＩｎＡｌＡｓである。活性層１４は、膜厚が１００ｎｍのｐ型のＩｎＧａＡｓ、膜厚が６０ｎｍのｎ型のＩｎＧａＡｓ（ドーパント濃度は１×１０１７ｃｍ−３）および膜厚が３０ｎｍのｎ型のＩｎＧａＡｓ（ドーパント濃度は１×１０１８ｃｍ−３）である。第２半導体層１６は、膜厚が３０ｎｍのｎ型のＩｎＡｌＡｓ（ドーパント濃度は１×１０１８ｃｍ−３）である。
【００２４】
トンネル絶縁膜１８は、膜厚が２−３ｎｍの規則性ＭｇＯである。強磁性体層２０は、膜厚が５ｎｍのＧａＭｎＡｓまたはＦｅＰｔである。絶縁膜２２は、膜厚が２０ｎｍのＺｒＯ２（酸化ジルコニウム）である。第２電極２４は、絶縁膜２２側からＣｒ膜（１０ｎｍ）およびＡｕ膜（２０ｎｍ）の積層膜であり、膜厚は３０ｎｍである。強磁性体層２０をＧａＭｎＡｓとすることにより、非特許文献１のように、電界により磁化方向を変化させやすいが、ＭｇＯ等の絶縁膜上の成長が難しい。そこで、強磁性体層２０は、ＦｅＰｔ等の金属またはハーフメタルを用いることもできる。
【００２５】
図５の例以外にも、例えば第１半導体層１２をＧａＡｓ基板とＡｌＧａＡｓ層、活性層１４をＧａＡｓ層、第２半導体層１６をＡｌＧａＡｓ層、トンネル絶縁膜１８を第２半導体層１６よりバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓ層、強磁性体層２０をＧａＭｎＡｓ層、絶縁膜２２を酸化ジルコニウムとすることができる。ＡｌＧａＡｓ層等の半導体をトンネル絶縁膜１８とすることにより、強磁性体層２０としてＧａＭｎＡｓ等の半導体強磁性体を簡単に成長することもできる。
【００２６】
実施例によれば、図３（ａ）において説明したように、活性層１４の受光する光の強さによって強磁性体層２０の磁化方向４０が変化する。これにより、光信号の情報を強磁性体層２０の磁化方向４０により不揮発的に記憶することができる。このように、光信号の情報を直接不揮発性メモリに記憶させることができる。よって、光信号を電気信号に変換し、電気信号の情報を不揮発性メモリに記憶するのに比べ、簡単な構成で光信号の記憶を行なうことができる。
【００２７】
また、図４において説明したのように、強磁性体層２０の磁化方向４０によって活性層１４の発光する光の偏光方向が変化する。例えば、強磁性体層２０の磁化方向４０が異なると、活性層１４が発光する光の偏光方向が異なる。これにより、強磁性体層２０に記憶された情報を光信号として読み出すことができる。このように、不揮発性メモリ内の情報を直接光信号として読み出すことができる。よって、不揮発性メモリの情報を電気信号で読み出し、光信号に変換するのに比べ、簡単な構成で不揮発性メモリの情報を光信号として読み出すことができる。
【００２８】
さらに、図１のように、第１半導体層１２、活性層１４、第２半導体層１６および強磁性体層２０は、この順に積層して形成されている。これにより、光不揮発性メモリの小型化が可能となる。
【００２９】
さらに、強磁性体層２０の第２半導体層１６と反対側に第２電極２４が設けられている。これにより、図３（ａ）のように、第２半導体層１６と第２電極２４との間の電界が、活性層１４において受光した光の強さにより変化する。よって、活性層１４が受光した際に、第２半導体層１６と第２電極２４との間の電界に応じ、強磁性体層２０の磁化方向４０を変更できる。さらに、図４のように、活性層１４が発光する際に、第２電極２４から強磁性体層２０に注入されたキャリアが磁化方向４０に応じスピン偏極する。このスピン偏極したキャリアは第２半導体層１６に注入される。
【００３０】
さらに、強磁性体層２０と第２半導体層１６との間には、トンネル絶縁膜１８が設けられていることが好ましい。これにより、強磁性体層２０から第２半導体層１６へのスピン偏極したキャリアの注入効率を向上できる。
【００３１】
さらに、強磁性体層２０と第２電極２４との間に絶縁膜２２が設けられていることが好ましい。これにより、強磁性体層２０と第２電極２４とを電気的に分離できる。トンネル絶縁膜１８および絶縁膜２２の膜厚は、図３（ａ）のように、ダイオード１０に逆バイアスを印加した際には、キャリアがトンネル伝導せず、図４のように、ダイオード１０に順バイアスを印加した際には、キャリアがトンネル伝導する程度の膜厚であることが好ましい。
【００３２】
図２（ａ）から図５においては、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型の例を説明したが、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型でもよい。この場合、スピン偏極するキャリアはホールである。また、第１半導体層１２、活性層１４および第２半導体層１６は、例示した半導体以外の半導体を用いることもできる。例えば、第１半導体層１２、活性層１４および第２半導体層１６として、III−Ｖ族化合物半導体を用いることができる。第１半導体層１２、活性層１４および第２半導体層１６は、光信号の波長に応じ選択することができる。例えば、光通信によく用いられる波長が１．３μｍまたは１．５５μｍの光信号を記憶するためには、活性層１４としてＩｎＧａＡｓを用いることが好ましい。さらに、短波長の光信号を記憶するためには、活性層１４としてＧａＡｓを用いることが好ましい。より短波長の光信号を記憶するためには、活性層１４としてＧａＮ等の窒化物半導体を用いることが好ましい。このように、活性層１４の材料を適宜選択することにより、活性層１４が受光する光および発光する光を、赤外線、可視光および紫外線の中から所望の波長の光とすることができる。
【００３３】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０        ダイオード
１２        第１半導体層
１４        活性層
１６        第２半導体層
１８        トンネル絶縁膜
２０        強磁性体層
２２        絶縁膜
２４        第２電極
２６        第１電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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