JP2695872B2 - Semiconductor optical device and recording device using the same - Google Patents
Semiconductor optical device and recording device using the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、励起子の吸収飽和現象を利用した半導体光
学装置に係り、特に波長多重記録をする半導体光学装置
に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical device utilizing the absorption and saturation phenomenon of excitons, and more particularly to a semiconductor optical device for performing wavelength multiplex recording.
励起子の吸収飽和現象を利用したものとして種種の装
置を考えることができるが、その中で光学記録装置とし
て優れた性能を有することが近年注目を集めている。こ
の励起子の吸収飽和現象を半導体超格子構造を用いて実
現することによつて書き換え可能で、高速かつ高密度の
不揮発性情報記録装置の実現が室温において可能とな
る。Various devices can be considered as those utilizing the absorption saturation phenomenon of excitons, and among them, attention has been paid in recent years to have excellent performance as an optical recording device. By realizing this exciton absorption saturation phenomenon by using a semiconductor superlattice structure, rewritable and high-speed and high-density nonvolatile information recording devices can be realized at room temperature.
吸収飽和現象を利用して記録密度を増加させる方法と
して、米国特許第4,101,976号に波長次元を用いた光学
データ記録方式が記載されている。この従来方式は、均
一吸収線の飽和を起こし、かつ不均一吸収線広がりを示
すバルクな材料を含んでいる。光学記録材料としてポル
フイリン、重水素置換ポルフイリン、フタロシアニン、
テトラジン、およびテトラフエニルポリフイリンが挙げ
られている。データビツトは狭バンド高出力レーザによ
る選択的吸収飽和を利用して記録される。すなわち、上
記記録は、光光学的ホールバーニング（PHB）と呼ばれ
る現象を利用しており、幅広い不均一吸収線中に特定の
波長部分に、幅が狭い吸収を生じさせる方法である。こ
の吸収飽和現象は微妙に異なつた環境下に置かれた同一
種の基底状態分子を、特定波長の光照射を行なうことに
よつて、位相およびエネルギー的に励起状態分子に変換
し、その結果、基底状態分子の漂白現象（ブリーチン
グ）を生じさせることにより達成される。したがつて、
原理的に上記現象は20K以下程度の極低温下でのみ動作
可能な現象であり、かつ高強度の光照射によつてのみ生
じさせることが可能である。そのため、ビツト情報の記
録に際しては、例えば10W/μm2程度の高出力レーザ光
を、少なくとも1msec以上の時間に渡つて照射し、記録
された情報の書き換えは加熱により行なわれるので、完
全消去のためには５〜10分間の時間を要することが知ら
れている。As a method of increasing the recording density using the absorption saturation phenomenon, US Pat. No. 4,101,976 describes an optical data recording system using a wavelength dimension. This conventional approach involves bulk materials that cause saturation of the uniform absorption line and exhibit non-uniform absorption line broadening. Porphyrin, deuterated porphyrin, phthalocyanine,
Tetrazine and tetraphenylpolyfurin are mentioned. Data bits are recorded using selective absorption saturation with a narrow band high power laser. That is, the above-mentioned recording utilizes a phenomenon called photo-optical hole burning (PHB), and is a method of producing a narrow absorption at a specific wavelength portion in a wide non-uniform absorption line. This absorption saturation phenomenon converts the same type of ground state molecule placed in a slightly different environment into an excited state molecule in terms of phase and energy by irradiating light of a specific wavelength. It is achieved by causing bleaching of ground state molecules. Therefore,
In principle, the above phenomenon is a phenomenon that can be operated only at an extremely low temperature of about 20 K or less, and can be caused only by high-intensity light irradiation. Therefore, when recording bit information, a high-output laser beam of, for example, about 10 W / μm 2 is irradiated for at least 1 msec or more, and the recorded information is rewritten by heating. Is known to take 5-10 minutes.
なお、従来の情報記録技術は、米国特許第4,546,244
号公報、及びオプティカル・エンジニアリング誌第24巻
第１号（1985年）第68頁〜第73頁（Optical Engineerin
g,Vol.24,No.1（1985）,pages68−73）にも開示されて
いる。The conventional information recording technology is disclosed in U.S. Pat. No. 4,546,244.
And Optical Engineering Magazine, Vol. 24, No. 1 (1985), pp. 68-73 (Optical Engineerin)
g, Vol. 24, No. 1 (1985), pages 68-73).
以上で述べた通り、PHBを利用した光学情報記録にお
いては、本質的に20K以下、好ましくは絶対零度の極低
温下の現象を用いること、また、情報の書き込みに大き
な光パワーを要するうえ、加熱により情報の消去・書き
込みを行なうので装置が大型化・複雑化するという問題
を有するものであつた。As described above, in optical information recording using PHB, a phenomenon at an extremely low temperature of 20K or less, preferably, absolutely zero, is used. Erasing and writing information, the device becomes large and complicated.
一方、現行の不揮発性メモリの記録密度は、１×106
〜４×106bits/cm2と比較的小さく、将来、人工知能等
に使用され得る超大型コンピユータを挙げるまでもな
く、現行の大型コンピユータにおいても、記憶容量につ
いて満足できるものではなく、高性能不揮発性メモリの
出現が待望されていた。On the other hand, the recording density of the current nonvolatile memory is 1 × 10 6
It is relatively small, up to 4 × 10 6 bits / cm 2, and there is no need to mention a super-large computer that can be used for artificial intelligence in the future. The emergence of non-volatile memory has been anticipated.
本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解決
し、室温付近においても、また低い強度の光照射によつ
ても拘束の記録・再生・消去が可能な超高密度不揮発情
報記録を実現する光学記録装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and realize an ultra-high-density non-volatile information recording capable of recording, reproducing and erasing restraint at around room temperature or even with low-intensity light irradiation. To provide an optical recording device.
本発明は量子井戸超格子構造を有する半導体光学装置
における励起子吸収飽和現象で利用することにより、室
温で書き換え可能で、高速かつ高密度の不揮発性情報記
録装置を実現するものである。The present invention realizes a high-speed and high-density nonvolatile information recording device that can be rewritten at room temperature by using the phenomenon of exciton absorption saturation in a semiconductor optical device having a quantum well superlattice structure.
本発明の半導体光学装置において、量子井戸超格子構
造は、直接遷移型半導体のみ、あるいは直接遷移型半導
体と間接遷移型半導体により形成され、直接遷移型半導
体の励起子吸収線の吸収波長に共鳴する光を、本発明に
係る半導体光学装置の上記量子井戸超格子構造に照射す
ることにより、情報を高速で記録再生することが可能と
なる。本発明の半導体光学装置は、量子井戸超格子構造
を有するので、その超格子の膜厚、組成を制御すること
により、バルクでは低温でしか発生しない励起子吸収現
像を室温においても生起することが可能となり、室温、
低い強度の光によつても情報の記録、再生が可能とな
る。また本発明の半導体光学装置では逆バイアスを印加
することにより容易に高速で記憶された情報を消去する
ことが可能である。また本発明の半導体光学装置の記憶
密度は、108〜1010bits/cm2程度になる。In the semiconductor optical device of the present invention, the quantum well superlattice structure is formed of only a direct transition semiconductor or a direct transition semiconductor and an indirect transition semiconductor, and resonates with the absorption wavelength of the exciton absorption line of the direct transition semiconductor. By irradiating light to the quantum well superlattice structure of the semiconductor optical device according to the present invention, information can be recorded and reproduced at high speed. Since the semiconductor optical device of the present invention has a quantum well superlattice structure, by controlling the thickness and composition of the superlattice, exciton absorption development that occurs only at low temperatures in bulk can occur at room temperature. Room temperature,
Information can be recorded and reproduced even with low intensity light. Further, in the semiconductor optical device of the present invention, it is possible to easily erase information stored at high speed by applying a reverse bias. The storage density of the semiconductor optical device of the present invention is about 10 8 to 10 10 bits / cm 2 .
上記のように本発明の半導体光学装置は、室温で高
速、高密度で記録・再生・消去が可能な記憶装置を実現
する。As described above, the semiconductor optical device of the present invention realizes a storage device capable of recording, reproducing, and erasing at high speed and high density at room temperature.
また、上記目的は、半導体構造体にある複数の励起子
吸収線により、入射光をそのエネルギーに従つて吸収
し、少なくとも上記エネルギーの一部を上記半導体構造
体内の間接遷移を利用して保持することを特徴とする半
導体光学装置により、解決される。Further, the object is to absorb incident light according to its energy by a plurality of exciton absorption lines in a semiconductor structure, and retain at least a part of the energy by using indirect transition in the semiconductor structure. The problem is solved by a semiconductor optical device characterized in that:
更に、前記間接遷移の緩和時間を小さくすることによ
り、前記エネルギーの一部を放出することを特徴とする
半導体光学装置により解決される。Further, the problem is solved by a semiconductor optical device in which a part of the energy is emitted by reducing the relaxation time of the indirect transition.
更には、第１の半導体と第２の半導体と第３の半導体
とが積層され、これらの半導体は量子井戸構造を形成
し、かつこれらの半導体のエネルギーバンド構造は伝導
帯の電子に対するエネルギーが階段状であり、かつ価電
子帯の正孔に対するエネルギーおよびバンドギヤツプが
上記第２の半導体において上記第１および第３の半導体
におけるよりも小さい一組の量子井戸構造を複数層積層
し、これらの量子井戸構造の上記量子井戸は上記半導体
の層厚を変化させることにより異なる励起子吸収線を有
することを特徴とする半導体光学装置により解決され
る。Further, the first semiconductor, the second semiconductor, and the third semiconductor are stacked, these semiconductors form a quantum well structure, and the energy band structure of these semiconductors is such that the energy for electrons in the conduction band is stepwise. And a plurality of pairs of quantum well structures in the second semiconductor, the energy and band gap of which are smaller than those in the first and third semiconductors. The problem is solved by a semiconductor optical device characterized in that the quantum wells of the structure have different exciton absorption lines by changing the thickness of the semiconductor.
本発明は直接遷移型半導体の励起子生成による光の吸
収を利用する。この励起子生成では、その吸収端に鋭い
吸収ピークが存在する。これは直接遷移型半導体では励
起子バンドの底が運動量零の点にあつて、この運動量が
零の励起子が光の照射により生成されるためである。The present invention utilizes the absorption of light by exciton generation of a direct transition semiconductor. In this exciton generation, a sharp absorption peak exists at the absorption edge. This is because, in a direct transition type semiconductor, the bottom of the exciton band is at a point where the momentum is zero, and an exciton whose momentum is zero is generated by light irradiation.
この様な半導体として、ZnSe,ZnS,ZnTe,CdSe,CdS,CdT
e,ZnSexS1_X（０＜ｘ＜１）,CdSeXS1_X（０＜ｘ＜１）,
GaAs,InP,InGaAsP等のII−VI族,III−Ｖ族化合物半導体
がある。Such semiconductors include ZnSe, ZnS, ZnTe, CdSe, CdS, and CdT.
e, ZnSexS 1_X (0 <x <1), CdSe X S 1_X (0 <x <1),
There are II-VI and III-V compound semiconductors such as GaAs, InP, and InGaAsP.
上記励起子による吸収ピーク位置は、量子井戸超格子
構造を形成することによつて、任意の波長に設定するこ
とができる。例えば、第１図に示すような10nmのZnS層
をバリヤ層２として、任意の膜厚を量子井戸層を光吸収
層３とする超格子構造を形成した場合、量子井戸層の膜
厚（LW）が2nmのものと10nmのものとで、励起子吸収線
１は、第1A図および第1B図に示す如く、数百meVのエネ
ルギーシフトが起こる。同様に、30nm厚のGa0.3Al0.7As
をバリヤ層として、任意の膜厚のGaAs層を光吸収層とす
る超格子構造を作成した場合、GaAs膜厚の減少に伴つて
励起子吸収線は高エネルギーへシフトする。又、このよ
うな吸収ピーク位置の制御は、量子井戸を形成する化合
物半導体若しくは、その化合物半導体を構成する元素の
組成を変化させることによつても成し得ることはもちろ
んである。The absorption peak position of the exciton can be set to an arbitrary wavelength by forming a quantum well superlattice structure. For example, when a 10 nm ZnS layer as shown in FIG. 1 is used as the barrier layer 2 and a quantum well layer having a desired thickness is formed as the light absorbing layer 3, the quantum well layer has a thickness (L When W ) is 2 nm or 10 nm, the exciton absorption line 1 has an energy shift of several hundred meV as shown in FIGS. 1A and 1B. Similarly, a 30 nm thick Ga 0.3 Al 0.7 As
When a superlattice structure in which a GaAs layer having an arbitrary thickness is used as a light absorbing layer is formed as a barrier layer, the exciton absorption line shifts to higher energy as the GaAs thickness decreases. In addition, it is needless to say that the absorption peak position can be controlled by changing the composition of the compound semiconductor forming the quantum well or the elements constituting the compound semiconductor.
このような量子井戸超格子構造においては、励起子の
結合エネルギーがバルク中のものに比べて増加し、その
ため、室温下においてもバルク中では不安定であつた励
起子が、熱的解離を逃れて安定に存在し、バンド端近傍
に吸収線を示すようになる。このように、量子井戸超格
子構造中では、励起子による吸収線の振動子強度を102
〜104倍増加できる。このことは、また振動子強度の総
和側からも知られるように、本半導体光学装置にとつて
好ましくないバンド間の吸収遷移の振動子強度を減少さ
せるように働く。また例えば第２図に示す、超格子構造
の層厚LW（＝LW1＋LW2）を20nm以下の値にして励起子結
合エネルギーを増大させた場合、振動子強度を励起子の
1s状態への遷移に集中させ得るので、量子井戸超格子構
造を作成することによつて、バンド間遷移に基づく吸収
端よりも低エネルギー側に、第１図に示す如き鋭い単一
の吸収遷移からなる励起子吸収線１を出現させることが
できる。このようにして出現させた励起子の吸収波長に
共鳴する波長の光を照射した場合、バルクの例えばZnSe
やGaAs等の化合物半導体に比べて、それらの超格子構造
では１桁以上低い入射光強度で、吸収係数の減少が起こ
る。上記現像は、超格子構造中では、いわゆる閉じ込め
効果によつて自由電子−正孔による励起子のクローン相
互作用の遮蔽が起こりやすくなるために生じると解され
る。In such a quantum well superlattice structure, the exciton binding energy increases compared to that in the bulk, so that excitons that were unstable in the bulk at room temperature escape thermal dissociation. And presents an absorption line near the band edge. Thus, in the quantum well superlattice structure, the oscillator strength of the absorption line by the exciton is 10 2
It can be increased to 10 four times. This also serves to reduce the oscillator strength of the absorption transition between bands, which is undesirable for the present semiconductor optical device, as is also known from the sum of oscillator strengths. Also, for example, when the exciton binding energy is increased by setting the layer thickness L W (= L W1 + L W2 ) of the superlattice structure to a value of 20 nm or less as shown in FIG.
Since a quantum well superlattice structure can be concentrated on the transition to the 1s state, a sharp single absorption transition as shown in FIG. Exciton absorption line 1 consisting of When irradiated with light having a wavelength that resonates with the absorption wavelength of the excitons thus appeared, the bulk of, for example, ZnSe
As compared with compound semiconductors such as GaAs and GaAs, their superlattice structures cause a decrease in the absorption coefficient at an incident light intensity lower by one digit or more. It is understood that the above-mentioned development occurs in the superlattice structure because the so-called confinement effect makes it easier for the free electrons-holes to shield the exciton clonal interaction.
その結果、0.1〜10mW/μm2の低い強度の孔照射によつ
ても数10-12秒の短時間内に、励起子吸収線を消失させ
ることができ、これにより波長多重光学情報記録が可能
になる。しかし、このままでは、揮発性記録であるの
で、不揮発性記録に関する作用を以下に説明する。As a result, 0.1 to 10 MW / [mu] m the number be cowpea the holes irradiation of 2 low intensity 10 -12 seconds in a short period of time, it is possible to eliminate the exciton absorption line, thereby enabling the wavelength-multiplexed optical information recording become. However, since the recording is volatile as it is, the operation relating to the non-volatile recording will be described below.
第２図に無電界（Ｅ＝０）の時の、本発明のバンド模
型の一例を示す。縦軸はエネルギー、横軸は場所を示
す。物質Ａ（例えば第１の半導体）と物質Ｂ（例えば第
２の半導体）と物質Ｃ（例えば第３の半導体）とがヘテ
ロ接合を形成し、物質Ａは電子、正孔に対する電位障
壁、物質Ｂは電子に対する電位障壁、及び物質Ｃは正孔
に対する電位障壁を形成する。物質A,B,Cは共に近似的
に真性の半導体である。物質Ｂ或はＣの伝導帯に存在す
る自由電子は物質Ａの形成する電位障壁のためA,B,C、
及びA,C間のヘテロ接合を通つては動けない。同時に、
物質Ｂの価電子帯に存在する自由正孔は物質Ａ及び物質
Ｃの形成する電位障壁のためヘテロ接合を通つては動け
ない。また物質Ｃの伝導帯の電子は、その占有し得る最
低エネルギーが、物質Ｂ中の最低エネルギーより小さ
く、物質Ｂの形成する電位障壁のためヘテロ接合より第
２図中左へは動けない。又、この様なキヤリアの移動を
制限する電位障壁は、少なくともKT（約26meV）の高
さ、好ましくは数KT、より好ましくは約10KT（約0.26e
V）以上の高さを有するものである。FIG. 2 shows an example of the band model of the present invention when there is no electric field (E = 0). The vertical axis indicates energy, and the horizontal axis indicates location. A substance A (for example, a first semiconductor), a substance B (for example, a second semiconductor) and a substance C (for example, a third semiconductor) form a heterojunction, and the substance A is a potential barrier against electrons and holes, and the substance B Represents a potential barrier for electrons, and substance C forms a potential barrier for holes. The substances A, B, and C are all approximately intrinsic semiconductors. Free electrons existing in the conduction band of substance B or C are A, B, C, due to the potential barrier formed by substance A.
And cannot move through the heterojunction between A and C. at the same time,
Free holes existing in the valence band of the substance B cannot move through the heterojunction due to a potential barrier formed by the substances A and C. Electrons in the conduction band of the substance C have the lowest energy that can be occupied is smaller than the lowest energy in the substance B, and cannot move to the left in FIG. 2 from the heterojunction due to the potential barrier formed by the substance B. In addition, the potential barrier restricting the movement of the carrier is at least KT (about 26 meV), preferably several KT, more preferably about 10 KT (about 0.26 eV).
V).
物質Ｂの禁制帯幅は、物質Ａ及び物質Ｃの禁制帯幅に
較べて、小さいので、物質Ｂの禁制帯幅近傍のエネルギ
ーの光によつて、先ず物質Ｂ中に励起子が生成される。
物質Ｂの価電子帯から物質Ｃの伝導帯へのヘテロ接合間
での励起子遷移は、正孔、電子それぞれの波動関数の重
なりがほとんどないので、無視できる。物質Ｂの伝導帯
の電子は、励起子内の電子−正孔間のクローン相互作用
で促進されて、物質Ｃ中の深い量子井戸の底へ緩和す
る。これに要する時間は、原子振動周期約10-13〜10-12
秒以下である。Since the bandgap of the substance B is smaller than the bandgap of the substance A and the substance C, excitons are first generated in the substance B by light having energy near the bandgap of the substance B. .
The exciton transition between the heterojunction from the valence band of the substance B to the conduction band of the substance C can be neglected because there is almost no overlap between the wave functions of holes and electrons. The electrons in the conduction band of substance B are promoted by the electron-hole clonal interaction in the exciton and relax to the bottom of the deep quantum well in substance C. The time required for this is about 10 -13 to 10 -12
Seconds or less.
第5A図は第２図のヘテロ接合に順バイアスを印加した
時のバンド模型を示す。すなわち、物質Ａが物質Ｂ側に
対して負となる極性である。FIG. 5A shows a band model when a forward bias is applied to the heterojunction of FIG. That is, the polarity is such that the substance A is negative with respect to the substance B side.
物質Ａ、物質Ｂ及び物質Ｃとも近似的に真性であり、
自由キヤリアの掃き寄せによるバンドの曲がり（空乏層
の形成）は無視できる程度である。従つて電界は一様に
生じるものとして図示する。物質Ｂの伝導帯に電子が生
じると、電界の作用により電子は、物質ＣとＡとのヘテ
ロ接合近傍のポテンシヤルの低い所に集められる。他方
正孔は、物質ＢとＡとのヘテロ接合近傍のポテンシヤル
の低い所に集められる。これらの自由キヤリアの移動は
電界によるドリフトであるので十分高速に行なわれる。
さらに電界の影響で電子および正孔の波動関数は、十分
引き離されるので、遷移確率を極端に低く抑えることが
できる。これにより電子一正孔対の再結合を抑制するこ
とにより、第4B図に示す如き、ブリーチング状態を数ケ
月以上の期間に従つて保持できるようになる。Substance A, substance B and substance C are also substantially intrinsic,
Band bending (depletion layer formation) due to sweeping of free carriers is negligible. Accordingly, the electric field is illustrated as being generated uniformly. When electrons are generated in the conduction band of the substance B, the electrons are collected at a low potential near the heterojunction between the substances C and A due to the action of the electric field. On the other hand, holes are collected at a low potential near the heterojunction between substances B and A. These free carriers move at a sufficiently high speed because of drift caused by the electric field.
Further, the wave functions of electrons and holes are sufficiently separated by the influence of the electric field, so that the transition probability can be extremely reduced. Thus, by suppressing the recombination of the electron-hole pairs, the bleaching state can be maintained for several months or more as shown in FIG. 4B.
次に、記録情報の消去に関する作用を説明する。 Next, an operation related to erasure of recorded information will be described.
第5B図は第２図のヘテロ接合に逆バイアスを印加した
時のバンド模型を示す。すなわち物質Ａが物質Ｂ側に対
して正となる極性である。第5A図の状態から第5B図の状
態へ印加電界の極性を逆転させると、電界の作用により
電子、正孔とも、物質ＢとＣとの間のヘテロ接合近傍の
ポテンシヤルの低い所に集められる。さらに、電界の影
響で電子及び正孔の波動関数はヘテロ接合を越えて電位
障壁内に浸み込み、電子と正孔それぞれの波動関数が重
なりを生じる。この為遷移確率を増大するので、電子−
正孔の再結合過程を促進できる。これにより、情報の高
速消去が可能となる。FIG. 5B shows a band model when a reverse bias is applied to the heterojunction of FIG. That is, the polarity is such that the substance A is positive with respect to the substance B side. When the polarity of the applied electric field is reversed from the state of FIG. 5A to the state of FIG. 5B, both the electrons and the holes are collected at a low potential near the heterojunction between the substances B and C by the action of the electric field. . Further, the wave functions of electrons and holes penetrate into the potential barrier beyond the heterojunction under the influence of the electric field, and the wave functions of the electrons and holes overlap each other. Therefore, the transition probability increases,
The hole recombination process can be promoted. Thereby, high-speed erasing of information becomes possible.
つぎに、第４図および第５図によつて、上記の書き込
み、記録保持、消去と各作用により構成される不揮発正
波長選択高額情報記録の方法を説明する。吸収ピーク波
長が異なり、かつ半値幅が狭い励起子吸収線を発現す
る。第２図に示した量子井戸構造を有する超格子層の組
をｎ層積層する。すなわちｎビツトの情報記録層を作成
する。このとき、１ビツトは励起子吸収線の有無を0,1
に対応させる二値論理情報を意味している。この超格子
層の組からなる光吸収部を、記録光に対して透明な絶縁
膜ではさむ。さらにその両面を透明電極22ではさみ、該
電極間に典型的には０〜106V/cmの順バイアスを印加す
る。しかる後、室温下に於いてレーザ光源17より発する
波長ν1,ν2,ν３のレーザ光により、ν1,ν2,ν３に吸
収帯を有するi,j,k各超格子層中の励起子の吸収飽和を
起こさせ、情報記録が達成される。記録保持時間は数ケ
月以上に及ぶ。しかる後、第4C図のΔλ＝λ２−λ１よ
り広い波長幅を持つ、十分弱い強度のプロープ光を照射
し、吸収スペクトルを観測する。観測されるスペクトル
は第4C図に示すように、吸収飽和波長を二値論理におけ
る１に対応させ、励起子吸収線が存在する波長を０に対
応させると、例えば情報 の再生が達成される。しかる後、該電極間に約０〜106V
/cmの逆バイアスを印加すと、励起子吸収線が、回復
し、情報の消去が達成される。この様に、例えば該半導
体光学装置において、情報の書き込みは、20mWエネルギ
ーで2msで完了し、その後、数ケ月以上に渡つて、１万
回以上の読み出しができる。この記録密度は最大1010bi
ts/cm2程度である。この値は現行の最大記録密度のもの
に比べ、３桁高い記録密度である。又、該プローブ光を
用いなくとも情報の読み出しは可能である。この場合、
第5B図に示す様に、逆バイアスを印加し、発光線を利用
する。該発光線は価電帯に設けられた、正孔に対する量
子井戸の量子準位の相違にしたがつて、記録情報に１対
１に対応する情報を発光シグナルで示すことになる。こ
の場合の読み出し回数は印加する逆バイアスの強度によ
つて異なり、最大10回までの読み出しができる。Next, referring to FIGS. 4 and 5, a method of recording non-volatile positive wavelength-selective high-priced information composed of the above-described operations of writing, recording, holding and erasing will be described. An exciton absorption line having a different absorption peak wavelength and a narrow half width is exhibited. A set of superlattice layers having the quantum well structure shown in FIG. 2 is stacked in n layers. That is, an n-bit information recording layer is formed. At this time, one bit indicates the presence or absence of the exciton absorption line by 0,1.
Means the binary logic information corresponding to. The light absorbing portion composed of the set of superlattice layers is sandwiched between insulating films transparent to recording light. Further, both surfaces thereof are sandwiched between transparent electrodes 22, and a forward bias of typically 0 to 10 6 V / cm is applied between the electrodes. Thereafter, the laser light of wavelengths ν 1 , ν 2 , ν 3 emitted from the laser light source 17 at room temperature causes the i, j, k superlattice layers having absorption bands at ν 1 , ν 2 , ν 3 , The absorption saturation of excitons is caused, and information recording is achieved. Record retention times extend over several months. Thereafter, probe light having a wavelength width wider than Δλ = λ 2 −λ 1 in FIG. 4C and sufficiently weak intensity is irradiated, and an absorption spectrum is observed. As shown in FIG. 4C, when the observed spectrum is made to correspond to the absorption saturation wavelength to 1 in binary logic and the wavelength at which the exciton absorption line exists to 0, for example, Is achieved. Thereafter, about 0 to 10 6 V is applied between the electrodes.
When a reverse bias of / cm is applied, the exciton absorption line is restored, and erasure of information is achieved. Thus, for example, in the semiconductor optical device, writing of information is completed in 2 ms with 20 mW energy, and thereafter, reading can be performed 10,000 times or more over several months or more. This recording density is up to 10 10 bi
It is about ts / cm 2 . This value is three orders of magnitude higher than the current maximum recording density. Further, information can be read without using the probe light. in this case,
As shown in FIG. 5B, a reverse bias is applied, and a light emitting line is used. According to the difference in the quantum level of the quantum well with respect to the holes provided in the valence band, the light emission line indicates information corresponding to the recorded information on a one-to-one basis by a light emission signal. In this case, the number of times of reading differs depending on the strength of the applied reverse bias, and up to 10 times of reading can be performed.
以上、本発明の半導体光学装置の情報の記録、記憶保
持、再生、消去について量子井戸超格子構造のバンド図
によりその作用を説明した。次に本発明の半導体光学装
置の他の例を示す。第７図は本発明の半導体光学装置の
他の例を示す概念図である。第７図の半導体光学装置に
おいて物質Ｂは直接遷移型半導体、物質Ｃは間接遷移型
半導体によつて構成される。第７図の半導体光学装置に
おいて、情報の記録は上述した本発明の半導体光学装置
と同様に、物質Ｂの禁制帯幅近傍のエネルギーの光によ
る物質Ｂ中の励起子遷移によつておこなわれる。物質Ｂ
の伝導帯の励起された電子は励起子内の電子−正孔間の
クローン相互作用で促進されて物質Ｃ中の深い量子井戸
の底へ緩和する。物質Ｃは間接遷移型半導体により構成
されており間接遷移型半導体では、電子−正孔の再結合
が抑制され、無電界においても長期間記録が保持され
る。第７図の半導体光学装置においても第5B図に示すよ
うに逆バイアスを印加することにより記憶されている情
報を消去することができる。The operation of recording, storing, holding, reproducing, and erasing information in the semiconductor optical device of the present invention has been described with reference to the band diagram of the quantum well superlattice structure. Next, another example of the semiconductor optical device of the present invention will be described. FIG. 7 is a conceptual diagram showing another example of the semiconductor optical device of the present invention. In the semiconductor optical device shown in FIG. 7, the substance B is composed of a direct transition type semiconductor, and the substance C is composed of an indirect transition type semiconductor. In the semiconductor optical device shown in FIG. 7, information is recorded by exciton transition in the material B by light having energy near the band gap of the material B, similarly to the semiconductor optical device of the present invention described above. Substance B
The excited electrons in the conduction band of are promoted by the electron-hole clonal interaction in the exciton and relax to the bottom of the deep quantum well in the material C. The substance C is composed of an indirect transition semiconductor. In the indirect transition semiconductor, recombination of electrons and holes is suppressed, and recording is maintained for a long time even in the absence of an electric field. Also in the semiconductor optical device shown in FIG. 7, the stored information can be erased by applying a reverse bias as shown in FIG. 5B.
上記、超格子構造を形成する手段としては、モレキユ
ラービーム（MBE）法、有機金属分子線（MOMBE）法、有
機金属化学蒸着（MOCVD）法、及び、原子層エピタキシ
ー（ALE）法等が知られている。Means for forming the superlattice structure include a molecular beam (MBE) method, a metal organic molecular beam (MOMBE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and an atomic layer epitaxy (ALE) method. Are known.
別々の場所に電子、正孔に対する量子井戸を生じさせ
るヘテロ接合を形成する物質としては、II−VI族化合物
及びIII−Ｖ族化合物が知られている。例えば物質ＡがZ
nSXSe1_X（０ｘ１）、物質ＢがCdTe、物質ＣがCd
S、又は物質ＡがZnSXSe1_X（０ｘ１）、物質ＢがGa
As、物質ＣがCdS等である。電界強度は所望の作用を果
すものであればよいが、典型的にはＯ−106V/cmであ
る。II-VI compounds and III-V compounds are known as materials that form heterojunctions that generate quantum wells for electrons and holes at different locations. For example, if substance A is Z
nS X Se 1_X (0x1), substance B is CdTe, substance C is Cd
S or substance A is ZnS X Se 1_X (0x1), substance B is Ga
As and substance C are CdS and the like. Field strength as long as it fulfills the desired effect, but is typically O-10 6 V / cm.
デバイス構造の例を第6A図，第６図Ｂ図に示す。第6A
図において基板24上に透明電極22と絶縁物質23を積層し
た後、基板24の逆面上に物質A,B,Cからなるヘテロ接合
を作り、最後に、再び絶縁物質23を介して、透明電極2
2′が設けられている。電極22は、所望の光を透過させ
るためのインジウム−錫酸化物（ITO）や薄膜金等を用
いる。また絶縁物質は、物質Ａ同様、ワイドバンドギヤ
ツプのII−VI族半導体でもよいし、AlXGa1_X（０ｘ
１）,CaF2,BaF2等の物質乃至はSiO2,Ta2O5などの物質で
あつてもよい。又、基板は、物質Ａ同様、ワイドバンド
ギヤツプのII−VI族半導体でもよいし、CaF2,BaF2等の
物質であつてもよい。又各同一の励起子吸収線を示す吸
収層毎に絶縁層と電極ではさんだ構造の第6B図に示すデ
バイス例では、各ビツトを構成する層毎に、独立した電
圧を印加し得るので、各ビツト毎の情報の消去・再記録
を行なえば、記録情報の修正ができる。Examples of the device structure are shown in FIGS. 6A and 6B. 6A
In the figure, after the transparent electrode 22 and the insulating material 23 are laminated on the substrate 24, a heterojunction made of the materials A, B, and C is formed on the opposite surface of the substrate 24, and finally, the transparent junction is again performed via the insulating material 23. Electrode 2
2 'is provided. The electrode 22 uses indium-tin oxide (ITO), thin-film gold, or the like for transmitting desired light. Further, the insulating material may be a II-VI group semiconductor of a wide band gap , as in the case of the substance A, or Al X Ga 1_X (0x
1) Substances such as CaF 2 and BaF 2 or substances such as SiO 2 and Ta 2 O 5 may be used. The substrate may be made of a II-VI semiconductor of a wide bandgap or a substance such as CaF 2 or BaF 2 , similarly to the substance A. In the device example shown in FIG. 6B having a structure in which an insulating layer and an electrode are sandwiched for each absorption layer showing the same exciton absorption line, an independent voltage can be applied to each layer constituting each bit. If information is erased and re-recorded for each bit, the recorded information can be corrected.
つぎに本発明の実施例として具体的なデバイスを例と
して図面とともに詳細に説明する。Next, a specific device will be described in detail with reference to the drawings as an example of the present invention.
実施例１ 第6A図において、片面に透明電極22と膜厚400nmのTa2
O5絶縁層23とを蒸着したZnS単結晶基板（0.5×10×10mm
3）24の（111）面上に、MOCVD（有機金属蒸着）法ない
しはMBE法などによつて、膜厚10nmのZnS層、膜厚LW1のC
dTe及び膜厚LW2のCdSを、この順にくり返し積層して記
録層25を形成した。データビツト数ｎ＝12とする。まず
上記記録層25の第１層（ｎ＝１）では、CdTe光吸収層の
厚さLW1＝13nmとし、CdS層の厚さLW2＝3nmとして、ZnS
（10nm）−CdTe（13nm）−CdS（3nm）をこの３層の組合
せで20組積層して、合計520nmの膜厚の１データビツト
に対応する第１層を形成する。以下、ZnS層の膜厚を10n
m、CdSの膜厚を3nm（＝LW2）一定として、第２層〜第12
層を形成した。第２層目は、CdTe光吸収層の厚さLW1＝1
2nmとし、ZnS（10nm）−CdTe（12nm）−CdS（3nm）の組
合せで、22組積層して、CdTe光吸収層の膜厚が約260nm
になるようにして、２番目のデータビツトに対応する第
２層を形成する。同様にCdTe層を1nmずつ減少させて、
第２図に示す超格子構造からなる第３層，第４層，…第
12層を形成する。各層中のCdTe光吸収層の合計膜厚を約
260nmとした。したがつて、例えば第12層はZnS（10nm）
−CdTe（2nm）−CdS（3nm）が130層積層された膜厚1.95
μｍの超格子膜になる。第12図形成後に、膜厚100nmのZ
nS層を積層した後、Ta2O5絶縁層23を膜厚400nm積層し、
その上に、透明電極22′を形成し、電極の両面を、光学
情報記録層25に０〜106V/cmの任意の電界を印加でき、
かつ順逆両バイアス切り換え回路を設けた電源４に接続
した。この様にして作製された材料を光学記録素子５と
して用いる。In Figure 6A embodiment 1, the transparent electrode 22 and the thickness of 400nm on one surface Ta 2
O 5 ZnS single crystal substrate formed by depositing an insulating layer 23 (0.5 × 10 × 10mm
3) 24 (111) plane, MOCVD (metal organic deposition) method or by the like MBE method connexion, ZnS layer having a thickness of 10 nm, C of the film thickness L W1
The CdS of dTe and thickness L W2, to form a recording layer 25 by repeatedly laminated in this order. The number of data bits is assumed to be n = 12. First, in the first layer (n = 1) of the recording layer 25, the thickness of the CdTe light absorbing layer is set to L W1 = 13 nm, and the thickness of the CdS layer is set to L W2 = 3 nm.
Twenty sets of (10 nm) -CdTe (13 nm) -CdS (3 nm) are stacked in a combination of these three layers to form a first layer corresponding to one data bit having a total thickness of 520 nm. Hereinafter, the thickness of the ZnS layer is 10 n
m, the thickness of CdS is constant at 3 nm (= L W2 ),
A layer was formed. The second layer has a thickness L W1 = 1 of the CdTe light absorbing layer.
The thickness of the CdTe light-absorbing layer is about 260 nm, with 22 combinations of ZnS (10 nm) -CdTe (12 nm) -CdS (3 nm).
Then, a second layer corresponding to the second data bit is formed. Similarly, reducing the CdTe layer by 1 nm,
The third, fourth,... Layers having the superlattice structure shown in FIG.
Form 12 layers. The total thickness of the CdTe light absorbing layer in each layer is approximately
260 nm. Thus, for example, the twelfth layer is ZnS (10 nm)
-CdTe (2 nm) -CdS (3 nm) 130-layer thickness 1.95
It becomes a super lattice film of μm. After the formation of FIG. 12, a 100 nm thick Z
After laminating the nS layer, a Ta 2 O 5 insulating layer 23 is laminated to a thickness of 400 nm,
A transparent electrode 22 ′ is formed thereon, and an arbitrary electric field of 0 to 10 6 V / cm can be applied to the optical information recording layer 25 on both sides of the electrode,
In addition, it was connected to a power supply 4 provided with a forward and reverse bias switching circuit. The material thus manufactured is used as the optical recording element 5.
第３図において、11は記録用レーザ光源でレーザ制御
系10により制御され、光ビーム制御系12でビーム制御
し、上記光学記録素子５に照射する。照射光スポツトサ
イズは約１μｍである。レーザ光源11として、複数個の
GaAsMQW半導体レーザを用いる。該半導体レーザの半値
幅が0.5meV以下、出力50mWの波長808.21nm（1.533eV,ν
１）,806.12nm（1.537eV,ν２）および802.96nm（1.543
eV,ν３）の３種のレーザ光を同時に2msの時間照射して
情報記録を行なつた。情報記録後の上記光学記録素子の
吸収スペクトルを第4B図に示す。次に、770nm（λ１）
〜920nm（λ２）にわたる幅広いスペクトルからなる、
出力10μＷの記録読み出し光13により、光路制御系14を
介して読み出し、データ読み出し系15により出力した結
果が第4C図に示す図である。該記録素子の記録密度は7.
2×109bits/cm2である。又、データ記録後、２年後に於
いてもデータは保持される。In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a recording laser light source, which is controlled by a laser control system 10, performs beam control by a light beam control system 12, and irradiates the optical recording element 5. The irradiation light spot size is about 1 μm. A plurality of laser light sources 11
A GaAs MQW semiconductor laser is used. The semiconductor laser has a half width of 0.5 meV or less and a wavelength of 808.21 nm (1.533 eV, ν) with an output of 50 mW.
1 ), 806.12 nm (1.537 eV, v 2 ) and 80.96 nm (1.543
Information recording was performed by simultaneously irradiating three types of laser beams (eV, ν 3 ) for a period of 2 ms. FIG. 4B shows an absorption spectrum of the optical recording element after information recording. Next, 770 nm (λ 1 )
Consisting of a broad spectrum ranging from 920920 nm (λ 2 ),
FIG. 4C shows a result read out by the recording / reading light 13 having an output of 10 μW via the optical path control system 14 and output by the data reading system 15. The recording density of the recording element is 7.
2 × 10 9 bits / cm 2 . Also, the data is retained even two years after data recording.
また、無電界下に於いても動作可能である。その場合
の記録保持時間は、数週間に及ぶ。Further, it can be operated under no electric field. The record keeping time in that case extends for several weeks.
実施例２ 第6A図において、片面に透明電極22と膜厚400nmのTa2
O5絶縁層23とを積層したZnSe単結晶基板（0.5×10×10m
m3）24の（111）面上に、MOCVD法ないしはMBE法などの
周知の方法によつて、膜厚10nmのZnSe層、膜厚LW1のGaA
s及び膜厚LW2のCdSを、この順にくり返し積層して記録
層25を形成した。データビツト数ｎ＝12とする。まず上
記記録層25の第１層（ｎ＝１）では、GaAs光吸収層の厚
さLW1＝13nmとし、CdS層の厚さLW2＝3nmとして、ZnS（1
0nm）−GaAs（13nm）−CdS（3nm）をこの３層の組合せ
で５組積層して、合計130nmの膜圧の１データビツトに
対応する第１層を形成する。以下、ZnS層厚を10nm,CdS
層厚を3nm（LW2）一定として第２〜第12層を形成した。
第２層目は、GaAs光吸収層厚LW1＝12nmとして、ZnS（10
nm）−GaAs（12nm）−CdS（3nm）の組合せで、６組積層
して、GaAs層厚が約65nmになるようにして、２番目のデ
ータビツトを記録する第２層を形成する。同様にGaAs層
を1nmずつ減少させて、第２図に示す超格子構造からな
る第３層，第４層，…第12層を形成する。例えば、第12
層はZnS（10nm）−GaAs（2nm）−CdS（3nm）が33層積層
された膜厚約560nmの超格子構造からなる膜になる。第1
2層形成後に100nm厚さのZnS層を積層した後、Ta2O5絶縁
層23を膜厚400nm積層し、その上に透明電極22を形成
し、電極両面を電源４に接続した。これにより、情報記
録層21に０〜106V/cmの任意の、順逆両バイアスの電界
を印加できる。この様にして作製した材料を光学記録素
子５として用いる。次に、複数個の異なる発振波長の光
を発するGaAs MQW半導体レーザーを記録用光源として用
いる。該レーザの半値幅0.5meV以下、出力10mWの、波長
837.16nm（1.480eV,ν１）,831.54nm（1.490eV,ν２）
の２種のレーダ光を同時に、1msの間照射して情報記録
を行なつた。次に830nm（λ１）から890nm（λ２）にわ
たるブロードなスペクトルからなる出力10μＷの読み出
し光13を照射し、情報の読み出しを行なう。データ記録
密度は約109bit/cm2であり、２年経過した後もなおデー
タの読み出しが行なえる。無電界下で動作させた場合
も、良好な記録・再生特性を示す。この場合の記録保持
時間は、２週間である。In Example 2 Figure 6A, the transparent electrode 22 and the thickness of 400nm on one surface Ta 2
O 5 ZnSe and the insulating layer 23 laminated monocrystalline substrate (0.5 × 10 × 10m
m 3 ) A ZnSe layer having a thickness of 10 nm and a GaAs having a thickness of L W1 are formed on the (111) plane of 24 by a known method such as MOCVD or MBE.
s and CdS film thickness L W2, to form a recording layer 25 by repeatedly laminated in this order. The number of data bits is assumed to be n = 12. First, in the first layer (n = 1) of the recording layer 25, the thickness of the GaAs light absorption layer is set to L W1 = 13 nm, the thickness of the CdS layer is set to L W2 = 3 nm, and ZnS (1
Five sets of 0 nm) -GaAs (13 nm) -CdS (3 nm) are stacked to form a first layer corresponding to one data bit having a total film thickness of 130 nm. Below, the ZnS layer thickness is 10 nm, CdS
The second to twelfth layers were formed with a constant layer thickness of 3 nm (L W2 ).
The second layer is a GaAs optical absorption layer thickness L W1 = 12nm, ZnS (10
A second layer for recording a second data bit is formed by stacking six sets of a combination of (nm) -GaAs (12 nm) -CdS (3 nm) so that the GaAs layer thickness is about 65 nm. Similarly, the GaAs layer is reduced by 1 nm to form third, fourth,..., Twelfth layers each having a superlattice structure shown in FIG. For example, twelfth
The layer is a film having a super lattice structure with a thickness of about 560 nm in which 33 layers of ZnS (10 nm) -GaAs (2 nm) -CdS (3 nm) are laminated. First
After laminating a ZnS layer having a thickness of 100 nm after the formation of the two layers, a Ta 2 O 5 insulating layer 23 was laminated with a thickness of 400 nm, a transparent electrode 22 was formed thereon, and both surfaces of the electrode were connected to a power supply 4. As a result, an arbitrary electric field having a forward and reverse bias of 0 to 10 6 V / cm can be applied to the information recording layer 21. The material produced in this manner is used as the optical recording element 5. Next, a GaAs MQW semiconductor laser emitting a plurality of light beams having different oscillation wavelengths is used as a recording light source. The laser has a half width of 0.5 meV or less, an output of 10 mW, and a wavelength of
837.16 nm (1.480 eV, ν 1 ), 831.54 nm (1.490 eV, ν 2 )
The two types of radar light were simultaneously irradiated for 1 ms to record information. Next, readout light 13 having an output of 10 μW and having a broad spectrum from 830 nm (λ 1 ) to 890 nm (λ 2 ) is irradiated to read out information. The data recording density is about 10 9 bit / cm 2 , and data can be read even after two years have passed. Even when operated under no electric field, it shows good recording / reproducing characteristics. The record holding time in this case is two weeks.
実施例３ 第6A図において、片側に透明電極22と膜厚400nmのTa2
O5絶縁層23とを蒸着したZnS単結晶基板（0.5×10×10mm
3）24の（111）面上に、MOCVD（有機金属蒸着）法ない
しはMBE法などによつて、膜厚10nmのZnS層、膜厚LW1のG
aAs及び膜厚LW2のGaPを、この順にくり返し積層して記
録層25を形成した。データビツト数ｎ＝12とする。まず
上記記録層25の第１層（ｎ＝１）では、GaAs光吸収層の
厚さLW1＝13nmとし、CdS層の厚さLW2＝3nmとして、ZnS
（10nm）−GaAs（13nm）−GaP（3nm）をこの３層の組合
せで20組積層して、合計520nmの膜厚の１データビツト
に対応する第１層を形成する。以下、ZnS層の膜厚を10n
m、GaPの膜厚を3nm（＝LW2）一定として、第２層〜第12
層を形成した。第２層目は、GaAs光吸収層の厚さLW1＝1
2nmとし、ZnS（10nm）−GaAs（12nm）−GaP（3nm）の組
合せで、22組積層して、GaAs光吸収層の膜厚が約260nm
になるようにして、２番目のデータビツトに対応する第
２層を形成する。同様にGaAs層を1nmずつ減少させて、
第２図に示す超格子構造からなる第３層，第４層，…第
12層を形成する。各層中のGaAs光吸収層の合計膜厚を約
260nmとした。したがつて、例えば第12層はZnS（10nm）
−GaAs（2nm）−GaP（3nm）が130層積層された膜厚1.95
μｍの超格子膜になる。第12層形成後に、膜厚10nmのZn
S層を積層した後、Ta2O5絶縁層23を膜厚400nm積層し、
その上に、透明電極22′を形成し、電極の両面を、光学
情報記録層25に０〜106V/cmの任意の電界を印加でき、
かつ順逆両バイアス切り換え回路を設けた電源４に接続
した。この様にして作製された材料を光学記録素子５と
して用いる。Example 3 In Figure 6A, the transparent electrode 22 and the thickness of 400nm on one side Ta 2
O 5 ZnS single crystal substrate formed by depositing an insulating layer 23 (0.5 × 10 × 10mm
3) 24 (111) plane, MOCVD (metal organic deposition) method or by the like MBE method connexion, ZnS layer having a thickness of 10 nm, G of thickness L W1
The GaP of aAs and thickness L W2, to form a recording layer 25 by repeatedly laminated in this order. The number of data bits is assumed to be n = 12. First, in the first layer (n = 1) of the recording layer 25, the thickness of the GaAs light absorbing layer L W1 = 13 nm, the thickness of the CdS layer L W2 = 3 nm, and the ZnS
Twenty sets of (10 nm) -GaAs (13 nm) -GaP (3 nm) are stacked in combination of these three layers to form a first layer corresponding to one data bit having a total thickness of 520 nm. Hereinafter, the thickness of the ZnS layer is 10 n
m, the film thickness of GaP is fixed at 3 nm (= L W2 ),
A layer was formed. The second layer has a thickness of the GaAs light absorption layer L W1 = 1
2 nm, 22 layers of ZnS (10 nm) -GaAs (12 nm) -GaP (3 nm) combination, and the thickness of the GaAs light absorbing layer is about 260 nm
Then, a second layer corresponding to the second data bit is formed. Similarly, reduce the GaAs layer by 1 nm,
The third, fourth,... Layers having the superlattice structure shown in FIG.
Form 12 layers. The total thickness of the GaAs light absorbing layer in each layer is
260 nm. Thus, for example, the twelfth layer is ZnS (10 nm)
-GaAs (2 nm)-GaP (3 nm) 130-layer thickness 1.95
It becomes a super lattice film of μm. After forming the twelfth layer, a Zn
After stacking the S layer, a Ta 2 O 5 insulating layer 23 is stacked with a thickness of 400 nm,
A transparent electrode 22 ′ is formed thereon, and an arbitrary electric field of 0 to 10 6 V / cm can be applied to the optical information recording layer 25 on both sides of the electrode,
In addition, it was connected to a power supply 4 provided with a forward and reverse bias switching circuit. The material thus manufactured is used as the optical recording element 5.
第３図において、11は記録用レーザ光源でレーザ制御
系10により制御され、光ビーム制御系12でビーム制御
し、上記光学記録素子５に照射する。照射光スポットサ
イズは約１μｍである。レーザ光源11として、複数個の
GaAs MQW半導体レーザを用いる。該半導体レーザの半値
幅が0.5meV以下、出力50mWの波長866.36nm（1.430eV,ν
１）、863.95nm（1.434eV,ν２）および861.54nm（1.43
8eV,ν３）の３種のレーザ光を同時に2msの時間照射し
て情報記録を行なつた。情報記録後の上記光学記録素子
の吸収スペクトルを第4B図に示す。次に、800nm
（λ１）〜940nm（λ２）にわたる幅広いスペクトルか
らなる、出力10μＷの記録読み出し光13により、光路制
御系14を介して読み出し、データ読み出し系15により出
力した結果が第4C図に示す図である。該記録素子の記録
密度は7.2×109bins/cm2である。In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a recording laser light source, which is controlled by a laser control system 10, performs beam control by a light beam control system 12, and irradiates the optical recording element 5. The irradiation light spot size is about 1 μm. A plurality of laser light sources 11
A GaAs MQW semiconductor laser is used. The semiconductor laser has a half width of 0.5 meV or less and a wavelength of 866.36 nm (1.430 eV, ν) with an output of 50 mW.
1 ), 863.95 nm (1.434 eV, ν 2 ) and 861.54 nm (1.43 eV, v 2 )
Information recording was performed by simultaneously irradiating three types of laser beams (8 eV, ν 3 ) for a period of 2 ms. FIG. 4B shows an absorption spectrum of the optical recording element after information recording. Next, 800nm
FIG. 4C shows a result obtained by reading through the optical path control system 14 with the recording / reading light 13 having an output of 10 μW and having a wide spectrum ranging from (λ 1 ) to 940 nm (λ 2 ) and outputting by the data reading system 15 in FIG. 4C. is there. The recording density of the recording element is 7.2 × 10 9 bins / cm 2 .
無電界下に於ける記録保持時間は数ケ月に及び、104V
/cmが電界印加下で１年以上に及ぶ。Record retention time in the absence of an electric field is several months, and 10 4 V
/ cm for more than one year under applied electric field.
本発明の量子井戸構造を有する半導体装置によれば、
室温付近においても、また低い強度の光照射によつても
高速の記録・再生・消去が可能な高密度不揮発性の情報
記録を行うことができる。記録密度は108〜1010bits/cm
2程度を実現可能である。According to the semiconductor device having the quantum well structure of the present invention,
High-density non-volatile information recording capable of high-speed recording, reproduction, and erasing can be performed even at around room temperature or by irradiation with low-intensity light. Recording density is 10 8 to 10 10 bits / cm
About 2 is feasible.
本発明の半導体光学装置は、情報記録装置として上記
のように優れた性能を有するが、その他に波長変換素
子、入出力スイツチング素子としても使用できる。The semiconductor optical device of the present invention has excellent performance as described above as an information recording device, but can also be used as a wavelength conversion element and an input / output switching element.
第1A図，第1B図は量子井戸構造と励起子吸収線の一例を
示す図。 第２図は、本発明による光学情報記録方法の一実施例を
示す概念図。 第３図は、本発明による光学情報記録方式を示す概念
図。 第4A、4B及び4C図は、上記実施例における記録データビ
ツトを示す図。 第5A図，第5B図は、本発明による光学情報記録方法の一
実施例を示す概念図。 第6A図は、本発明の一実施例を示す素子構造に関する概
念図。 第6B図は、本発明の他の実施例を示す素子構造に関する
概念図。 第７図は、本発明による光学情報記録方法の他の実施例
を示す概念図。 １……励起子吸収線、４……電源、５……半導体構造
体、６……量子井戸層。1A and 1B are diagrams showing an example of a quantum well structure and exciton absorption lines. FIG. 2 is a conceptual diagram showing one embodiment of the optical information recording method according to the present invention. FIG. 3 is a conceptual diagram showing an optical information recording system according to the present invention. FIGS. 4A, 4B and 4C are diagrams showing recording data bits in the embodiment. 5A and 5B are conceptual diagrams showing an embodiment of the optical information recording method according to the present invention. FIG. 6A is a conceptual diagram relating to an element structure showing one embodiment of the present invention. FIG. 6B is a conceptual diagram relating to an element structure showing another embodiment of the present invention. FIG. 7 is a conceptual diagram showing another embodiment of the optical information recording method according to the present invention. 1 exciton absorption line, 4 power supply, 5 semiconductor structure, 6 quantum well layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 椎木 正敏 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−85227（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−267361（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−74638（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−225236（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−281235（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−284786（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−177131（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Masatoshi Shiiki 1-280 Higashi Koikebo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-62-85227 (JP, A) JP-A-61 JP-A-267361 (JP, A) JP-A-61-74638 (JP, A) JP-A-63-225236 (JP, A) JP-A-63-281235 (JP, A) JP-A-62-284786 (JP, A) ) JP-A-63-177131 (JP, A)
Claims (4)
半導体層とを積層してなる量子井戸超格子構造を含む光
学記録素子と、 該光学記録素子に電界を印加する手段と、 該光学記録素子に光を照射する手段を有し、 上記光学記録素子は上記第３の半導体層に電子を閉じ込
めるように上記第１の半導体層から該第３の半導体層に
向けて階段状に変化した伝導帯と上記第２の半導体層に
正孔を閉じ込めるように設定された価電子帯からなるエ
ネルギーバンド構造を有する上記量子井戸超格子構造を
複数積層してなり、 該第２の半導体層は該第１及び第３の半導体層より小さ
いバンドギャップを有する直接遷移型の半導体からなり
且つ該複数の量子井戸超格子量毎に異なる膜厚を有し、 上記電界印加手段は上記量子井戸超格子構造の積層方向
に印加する電界の方向を逆転するように構成され、 上記光照射手段は該第２の半導体層の電子を直接励起す
る光を照射するように構成されたことを特徴とする半導
体光学装置。An optical recording element including a quantum well superlattice structure in which a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer are stacked, and means for applying an electric field to the optical recording element Means for irradiating the optical recording element with light, wherein the optical recording element is stepped from the first semiconductor layer toward the third semiconductor layer so as to confine electrons in the third semiconductor layer. A plurality of the quantum well superlattice structures having an energy band structure composed of a conduction band changed into a shape and a valence band set to confine holes in the second semiconductor layer; The semiconductor layer is made of a direct transition type semiconductor having a band gap smaller than that of the first and third semiconductor layers, and has a different film thickness for each of the plurality of quantum well superlattices. In the stacking direction of the well superlattice structure Is configured to reverse the direction of the electric field to be pressurized, the above light irradiating means a semiconductor optical device characterized in that is configured to irradiate light to excite electrons of the second semiconductor layer directly.
半導体層とを積層してなる量子井戸超格子構造と、 該量子井戸超格子構造に電界を印加する手段と、 該量子井戸超格子構造に光を照射する手段を有し、 上記第２の半導体層は上記第１及び第３の半導体層より
小さいバンドギャップを有する直接遷移型の半導体から
なり、 該第３の半導体層は間接遷移型の半導体からなり、 上記量子井戸超格子構造は該第３の半導体層に電子を閉
じ込めるように該第１の半導体層から該第３の半導体層
に向けて階段状に変化した伝導帯と該第２の半導体層に
正孔を閉じ込めるように設定された価電子帯からなるエ
ネルギーバンド構造を有し、 上記電界印加手段は上記量子井戸超格子構造の積層方向
に印加する電界の方向を逆転するように構成され、 上記光照射手段は該第２の半導体層の電子を直接励起す
る光を照射するように構成されたことを特徴とする半導
体光学装置。2. A quantum well superlattice structure in which a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer are stacked, means for applying an electric field to the quantum well superlattice structure, Means for irradiating the quantum well superlattice structure with light, wherein the second semiconductor layer comprises a direct transition type semiconductor having a band gap smaller than that of the first and third semiconductor layers; The layer is made of an indirect transition type semiconductor, and the quantum well superlattice structure changes stepwise from the first semiconductor layer to the third semiconductor layer so as to confine electrons in the third semiconductor layer. The semiconductor device has an energy band structure including a conduction band and a valence band set to confine holes in the second semiconductor layer, and the electric field applying unit is configured to control an electric field applied in a stacking direction of the quantum well superlattice structure. Configured to reverse direction, on A semiconductor optical device, wherein the light irradiating means is configured to irradiate light for directly exciting electrons of the second semiconductor layer.
半導体層とを積層してなる量子井戸超格子構造を複数積
層した積層構造を含めて構成され、 上記第２の半導体層は上記第１及び第３の半導体層より
小さいバンドギャップを有する直接遷移型の半導体から
なり且つ該複数の量子井戸超格子層毎に異なる膜厚を有
し、 該第３の半導体層は間接遷移型の半導体からなり、 上記量子井戸超格子構造は該第３の半導体層に電子を閉
じ込めるように該第１の半導体層から該第３の半導体層
に向けて階段状に変化した伝導帯と該第２の半導体層に
正孔を閉じ込めるように設定された価電子帯からなるエ
ネルギーバンド構造を有することを特徴とする半導体光
学装置。3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second semiconductor layer includes a stacked structure in which a plurality of quantum well superlattice structures formed by stacking a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer are stacked. The layer is made of a direct transition type semiconductor having a band gap smaller than that of the first and third semiconductor layers, and has a different film thickness for each of the plurality of quantum well superlattice layers. The quantum well superlattice structure is composed of a transition type semiconductor, and has a conduction band changed stepwise from the first semiconductor layer toward the third semiconductor layer so as to confine electrons in the third semiconductor layer. A semiconductor optical device having an energy band structure including a valence band set to confine holes in the second semiconductor layer.
子井戸超格子構造の積層方向に電界を印加する手段と、 該半導体光学装置に該量子井戸超格子構造の積層方向に
光を照射する手段とを含み、 上記電界印加手段は電界の印加方向を逆転するように構
成され、 上記光照射手段は上記半導体光学装置の上記第２の半導
体層の電子を直接励起するように光を照射することを特
徴とする記録装置。4. A means for applying an electric field to the semiconductor optical device according to claim 3 in the stacking direction of the quantum well superlattice structure, and irradiating the semiconductor optical device with light in the stacking direction of the quantum well superlattice structure. The electric field applying means is configured to reverse the direction of application of the electric field, and the light irradiating means irradiates light so as to directly excite electrons of the second semiconductor layer of the semiconductor optical device. A recording device, comprising:
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63287675A JP2695872B2 (en) | 1987-11-18 | 1988-11-16 | Semiconductor optical device and recording device using the same |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62-289322 | 1987-11-18 | ||
| JP28932287 | 1987-11-18 | ||
| JP63287675A JP2695872B2 (en) | 1987-11-18 | 1988-11-16 | Semiconductor optical device and recording device using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02818A JPH02818A (en) | 1990-01-05 |
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Family
ID=26556833
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2695872B2 (en) |
Families Citing this family (1)
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Family Cites Families (6)
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| JPH07117674B2 (en) * | 1987-03-16 | 1995-12-18 | 富士通株式会社 | Quantum well type nonlinear optical thin film |
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-
1988
- 1988-11-16 JP JP63287675A patent/JP2695872B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH02818A (en) | 1990-01-05 |
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