JPS6059593A - 光記録及び光読出し方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアモルファス（無定形）構造を含む非単結晶半
導体を用いた不揮発性の光メモリを構成せしめるための
半導体メモリ装置に関する。

この発明は水素または酸素が添加された珪素またはゲル
マニュームを主成分とする非単結晶半導体であって、か
かる半導体が５００ｎｍ以下の短波長光の光照射により
、吸収係数が特に７５０ｎｍ　（１，６５ｅＶ）〜５μ
（約０．３ｅＶ　）の近赤外または赤外光で増大し、ま
た１μ以上の長波長光または１２０〜３００℃の熱アニ
ールによりかかる光の吸収係数を小さくする可逆性を利
用した、書き換え可能な光読み（２） 出し方式のメモリ装置に関する。

本発明ばかがる珪素、ゲルマニ：Ｌ　ＪＡを主成分とす
る■族の非単結晶半導体において、そのエネルギバンド
（ｌＥｇという）の禁１１二帯（［！ｇ内という）に存
在する再結合中心密度（以下１７ｃという）が増加する
と光吸収係数が大きくなり、その結果、光の透過量特に
７５０ｎｍ〜５μ（好ましくは８００ｎｍ〜２μ）の近
赤外または赤外光の透過量が悪くなり、また逆にこのＩ
？Ｃが減少するとかかる近赤外または赤外光の光吸収係
数が小さくなり、読み出し用の光の透過量が向−１ニす
る特性を利用した光読み出しを行う不揮発性メモリ装置
に関する。

本発明はこの光の透過光を、または裏面に反射面を設け
ることによる反射光を、フォトセンサにて検出し、光読
み出し用の半導体メモリ装置を構成せしめる。

従来、光電変換装置等をアモルファス珪素を用いて作ら
んとすると、その光電変換装置が光照射により劣化して
電気伝導度が減少し７てしまい、これがステブラ・ロン
スキ効果として知られている。

（３） この要因を本発明人が詳しく調べた結果、珪素半導体中
においてＭ素と水素がＯ１ｌ基を作り、これが珪素不対
結合手と結合したり、または分離をしたりして、再結合
中心を増加または減少させていることを明らかにするこ
とができた。

そのモデルとして、 １１］Ｉ の可逆反応過程を提案している。即ち短波長光の照射に
より＋１°レベルがＤ−またはＤｌに変化する。即ち、
」二式で左方向に反応が移行する。その結果［！ｇ内に
深いレベルでＲＣが形成される。このＲＣにより電気伝
導度が低下する。しかしＤ−、Ｄ＋は遠赤外光または１
２０〜３００℃の加熱処理でＤｏに可逆的に変化する。

即ち上式で右方向の反応がおきる。本発明はかかるＩ？
Ｃが可逆的に増加したり減少したりする特性を積極的に
利用している。このため本発明の真性の半導体または実
質的に真性の半導体（Ｐ（４） またはＢが］　Ｘ　１０１”　ｃｍ−：’以下の濃度で
添加された半導体、以下単に１層またはＩ型半導体とい
う）には、酸素および水素を積極的に添加している。

具体的には酸素はｌＸ１０２０〜５　Ｘ　１０”　ｃｍ
−ヨ例えばｌＸｌ０”ｃｍ−ヨ、また水素は１〜４０原
子％例えば１５原子％を含有せしめた。

本発明において、記憶された情報の読み出しはこの電気
伝導度の大小を特定の番地に対し特定の強さの近赤外ま
たは赤外光（１００〜１００００　］χ）を１〜１００
μφ、例えば２μφとし、このスポットをＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｌ＾Ｓ（発光ａＭ７８０〜９０５ｎｍ　）またはＩ
ｎＧａＡｓＰ　（１１００〜１６００ｎｍ）の半導体レ
ーザにより照射し、その透過または反射光の大小をフォ
トセンサ例えばアバランシェ型シリコン・フォトセンサ
により「０」、「１」を読み出している。

本発明はかくのごとく光照射効果（ステブラ・ロンスキ
効果という）を用い、光書込み、光書き消しを行うに加
えて、光読み出しを行う非接触型の不揮発性半導体メモ
リ装置である。

このため光ディスクへの応用が大きく、特にそ（５） の主成分が珪素であるため、公害材料ではなく、また酸
化テルルまたは光磁気ディスク用等の高価な材料を用い
ないことにより、低コスト化、高信頼性化を実施するこ
とができるという大きな特長を有す。

従来、珪素を用いて非単結晶半導体不揮発性メモリとし
た本発明人の出願になる特許願「半導体装置Ｊ　５５−
６９７７２　（Ｓ　５５．５．２６出願＞、　５５−８
８７７４（Ｓ５５．６．３０出願）が知られている。

かかる半導体装置においては、非単結晶半導体であるア
モルファス（ＡＳという）と、結晶性または秩序性を有
するセミアモルファス（ＳＡＳという）との結晶構造的
変化を利用して半導体メモリ装置を作らんとしている。

しかしかかる結晶構造的変化をめる時は、一方はＡＳの
再結晶中心密度がＳＡＳのそれと比べて大きいことによ
る電気伝導度の差を利用することが可能である。

しかし他方、本発明は短波長光の照射により発生するＲ
Ｃの増加、熱アニールまたは長波長光の照（６） 射によるＲＣの減少が電気抵抗の変化をもたらすが、の
みならず、近赤外または赤外領域でのその半導体の光吸
収係数が増大または減少ずあ。即ち再結合中心の増加ま
たは減少により、このＲＣ間またはＲＣと伝導帯（ＣＢ
）、価電子帯（ＶＢ）との間の光励起による照射光の吸
収で透過光または反射光の減少という特性を用いたもの
である。

本発明はかくのごとく半導体それ自体の結晶構造の変換
を利用するのではなく、半導体自体の光吸収係数の増大
、減少を利用して赤外または近赤外光での光読み出しを
可能とした非接触型方式の半導体メモリ装置を提案する
にある。

以下に図面に従ってその内容を記す。

第１図は透光性絶縁性基板（４）十に珪素を主成分とす
る非単結晶半導体を水素および酸素を添加した真性また
は実質的に真性の導電型を有して形成した。さらにその
上に反射防止用保護膜を窒化珪素により作製し、半導体
」二に積層した。

図面において、半導体（１）はまずシラン（ＳｉＨＨｚ
ｚ＋１ｎ≧１、等の珪化物気体をプラズマグロー放電法
（７） （ｐｃｖａ法）により０．１〜１０μ例えば３μの厚さ
に形成した。図面では基板は反射性金属（４）であり、
この上面に酸素または水を同時に添加して、ＰＣＶＤ法
で非晶質珪素膜を作製した。この中には水素力筒〜３０
原子％、さらに酸素をｌＸ１０２０〜５×１０”　ｃｍ
’混入させ、光照射効果による光吸収係数の変化の感度
を向上させた。この半導体膜はスパッタ法、光プラズマ
ＣｖＤ法、真空蒸着法、減圧ＣＶＤ法を用いてもよい。

以下においては、プラズマグロー放電法を用いているが
、その温度は１００〜４００℃例えば２００℃とし、圧
力は０．１　ｔｏｒｒとして０．１〜１０μ例えば３μ
の厚さに形成した。

さらにこの半導体を形成する工程の後工程にて反射防１
１二を兼ねた機械保護膜を作製した。ここでは窒化珪素
または透光性導電膜を作製した。その作製にあたり、半
導体中の水素が脱気しないように３００℃以下の温度で
プラズマＣｖＤ法によりこの被膜を形成して第１図（Ａ
）の構造を得た。

第２図は第１図に対応したエネルギハンド図を（８） 示す。このエネルギバンド図において、半導体（１）に
可視または紫外光（Ｅｇよりも大きい光エネルギの光）
を照射すると、この照射光によりＲＣが形成される。そ
してこの後にこの′−１６導体にり・１し光の波長を連
続的に変化させて、その光吸収の程度を測った。すると
この連続光に対し、ＣＢ、、ｌ？Ｃ，ＩＩＣ−ＲＣ，Ｉ
？Ｃ−ＶＢでの光吸収がおき、さらにこのＩｉＣの増大
により光吸収係数を大きくする。即ちｌ？ｃの密度の大
きさにより光の透過率が減少または増大することが判明
した。

第３図はかかる光の吸収係数と５００ｎｍ以下の可視ま
たは紫外光の照射量との関係を示している。

即ち、初期状態において、曲線（１１）であったものが
、５００ｎｍ以下の波長の光例えば窒素レーザ（３３７
ｒ＋ｍ　）　、ヘリューム・カドミューム・レーデ（４
４２ｎｍ、３２５ｎｍ　）またはキセノンランプ（３０
０ｎｍ〜２μ）による照射、例えばキセノンランプ（１
００ｍＷ／ｃＪ）により５分、２０分、２時間と照射す
ると、曲線（１１）は（１２＞、（１３）、＜　１４　
）と変化して、７５０ｎｍ（１，６５ｅＶ）〜５μ（約
０．３ｅＶ　）における光の吸収（９） 係数（αｈ　ｖ）′ｌが大きくなる。

これは光学的ｔａｇが変化するのではなく、エネルギバ
ンドの禁止帯内に再結合中心（ＲＣ＞＜１７）が第２図
に示すごとく連続的に発生、存在し、このＲＣとＣＩＯ
，ＶＢまたはＩＩＣ間にて光が吸収されるため、曲線（
１４）、（１３）、（１２）が（１］）よりも大きい吸
収係数を示すものと推定される。

かくのごとき高い光吸収特性を示す曲線（１４）に１μ
以上の長波長光または１３０℃以上例えば１５０℃の熱
アニールを行うと、逆にその曲線は（１１）または（１
２）に減少し、ＲＣが減少していくことが判明した。

本発明は、かくのごとく吸収係数の大きく変化する領域
である赤外または近赤外光の０．３〜１．６５ｎｍ　（
０，７７ｅＶ）　）を用い、この光を読み出し光として
この２つの曲線例えば（１１＞、＜　１４　）のそれぞ
れに照射して、その透過光量を調べた。

曲線（１４）ではその透過光量は少なくなり、曲（１０
） 線（１１）では大きい。この２つの度いをそれぞれ「０
」、［１−１として非接触型の光読み出しの不揮発性メ
モリとしたものである。

この第１図はアモルファス珪素の場合であるが、Ｇｅ、
ＧｃｘＳｉｌ−ｘ　（０＜　ｘ　＜　１　）のごとき非
（ｌｉ結晶化合物または混合物半導体であっても同様に
実施可能である。本発明のいう半導体とは酸素の添加量
が大きくなり、光照射効果の存在する範囲で半絶縁体を
も含むことはい・うまでもない。また本発明において、
長時間の熱アニールを行うと保護膜（２）、および基板
（３）と半導体（１５）、＜１４）との界面における反
応も同時に起き、特性劣化をさせてしまう。そのため半
導体（１）はＳｉｘＣ１−ｘ　（０＜　ｘ　＜　１ｘ＝
０．８）の構造を電極近傍で有せしめ、水素、酸素が多
量に添加された半導体層は内部とする構造がより実用的
であった。

かくのごとく、エネルギハンド的にヘテロ接合とするこ
とにより、１５０〜３００℃の高温度にて電極と半導体
との界面で絶縁性酸化珪素ができることを防ぐごとがで
き、高信頼性を有・０しめること（１１） ができた。

実施例１ この実施例は光プログラム書き換え可能な光読め出し方
式のＲＯＭの不揮発光メモリである。

この光メモリはオフィス・オー１−メイション用の光メ
モリディスクとして使用し、任意にプログラムをして利
用する場合にきわめて有効である。

即ち、第４図（Ａ）においてガラス、セラミック、有機
フィルム等の絶縁基板（４）、＜１００〜５００μの厚
さ）上に第１の金属例えばアルミニュームを反射板（９
）とし、この金属と半導体との反応による反射の低下防
止のため２層構造を酸化スズ（８）にて形成させ反射板
（３）とした。さらにこの上に酸素、水素が添加された
照射効果の大きい非単結晶半導体（１）を３μの厚さに
形成した。

さらにその」二側に保護１１ｉ（２）を窒化珪素により
全面に形成した。また半導体の保護膜、酸化スズ近傍は
５ｉｘＣ１−＞＜（０＜ｘ＜ｌ　ｘ＝０．８）を５００
人の厚さに形成させ、信頼性を向上させた。この基板は
レコード板と同様のディスク形状を有して（１２） おり、メモリの書込みは任意に選んだ特定の番地に直径
０．１〜５０μ例えば２μφの大きさのレー＝ザ光（２
７）を発光源（３５）より照射した。例えば窒素レーザ
（３３７ｎｍ　３００ｍＷ　／　ａｆｌ）を照射し、（
２４）および（２６）に行い、非透光性領域とした。他
方半導体のうちの特定の番地（２５）は透光性領域とし
て有している。

記憶の読み出しは第４図（ｒ（）に示しであるが所定の
番地に弱い赤外または近赤外光照射を半導体レーザ（例
えば１．０μ）＜３２）にＪ、り行い、その赤外光をハ
ーフミラ−（：＋１）により半導体（１）に照射した。

そして照射された領域の反射光（３８）の大小をフォト
センサ（３０）により検出した。そして反射光の大きい
場合を「１１、反射光のない（少ない）場合を１０」と
して情報を光検出せしめた。

このタイムチャートは第５図に示しである。

即ち、第５図（Ａ）、（Ｂ）が記憶の書込みである。

強光パルス照射（４７）、（４Ｂ　）により光ディスク
の一部に選択的に高光吸収領域（４４）、（４６）が第
５図（１３） （Ｂ）のごとく形成される。（４４）、＜　４５　＞、
＜　４６　）は第４図（Ａ　＞（２４＞、＜２５＞、＜
２６）に対応して示した。

また記憶の書き換えはこのディスクを１３０〜３００℃
の温度例えば１８０℃に３０分間放置してすべて低吸収
領域として実施した。さらにこの書き換えをｌ０１６μ
の炭素ガスレーザによる局部的照射により実施してもよ
い。

また読み出しは第５図（Ｃ＞、＜　Ｄ　）に示されてい
るが、赤外レーザ（３７）を加えその反射光を第５図（
ｒ））に示すごと＜　（３８）、＜３９）として得るこ
とができる。この時高光吸収領域部ち反射光の少ない番
地（３９入および多い番地（３８）を第４図（Ｂ）の同
光軸型フォトセンサ（３３）により検出して、ｒＯＪ、
「１」の光読み出しを可能とした。

即ちこの光メモリ　（プログラムＲＯＭ　）は光照射の
みによりレコード板状のディスクの一部を高光吸収領域
とし、他部を相対的に低光吸収領域としたもので、また
読み出しも番地の指定を光にて行い、読み出しを同軸の
反射光とするため、非接触の光読み出しを可能とした。

このため、いわゆる（１４） 光書込み、光または熱の書き換えの可能なかつ非接触の
光読み出しをするＲＯＭを作ることができた。

この発明は従来より知られた基板の一部を選択的に除去
して形成させる書き換え不可能なマスク型の光デイスク
メモリとはまったく原理を異にしている。さらにその記
憶情報の書き換えが可能であり、また、不揮発性である
ことより大容鼠の光デイスクメモリとして理想的である
ことが判明した。

以上の説明より明らかなごとく、本発明は特にＩ’ｌ、
　Ｎｌ、　ＰＮ、　ＰＩＮ接合を設けなかった。しかし
これらの接合を設けて記憶の書き込みまたはその書き換
え等に電気エネルギを加えて光吸収係数を増大または減
少せしめることは有効である。さらに光書き込み、書き
直しのコントラストを増大させることにより、より高精
度の光メモリ等への応用が可能であり、さらに同一技術
思想に基づく多くの応用が可能である。

本発明の実施例においては、０１１．０を用いて光吸収
係数の大小を制御した。しかしＰ（リン）また（１５） はＰ、Ｈの不純物濃度の有無により、光吸収係数の大小
を制御、形成して本発明の光メモリ装置としてもよい。

断面図である。

第２図は本発明の詳細な説明するためのエネルず。

第４図は本発明の半導体装置の実施例を示す。

第５図は第４図の実施例に用いられたタイムチャートを
示す。

特許出願人 （１６） 髭ｌＣの デ 竿２（コ ４遇えＣａＶ） Ｘ３印 （Ａ） （Ｂン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、基板に、真性または実質的に真性の非単結晶半導体
   と該非単結晶半導体」二に保護膜とを設け、前記基板側
   または保護膜の少なくとも一方が透光性を有する半導体
   装置において、前記半導体の光の吸収を大きくせしめる
   第１の工程と、光の吸収を小さくせしめる第２の工程と
   を有することを特徴とする半導体メモリ装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、第１または第２の
   電極側から照射された７５０ｎｍ〜５μの波長光の透過
   量または反射量の多少を判断して半導体に記憶させた情
   報を読み出すことを特徴とする半導体メモリ装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、５００　ｎｍ以下
   の短波長光を照射して半導体の光の吸収を大きくする工
   程と、１μ以上の区波長光の照射（１） または１２０〜３００℃の熱アニールにより光の吸収を
   小さくする工程とを有することを特徴とする半導体メモ
   リ装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、非単結晶半導体は
   珪素またはゲルマニュームを主成分とし、さらに酸素を
   ］　Ｘ　１０２０〜５　×１０２１　ｃｍ−ヨ、水素を
   １〜３０原子％含有することを特徴とする半導体メモリ
   装置。