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KR101600353B1 - 광학 메모리 소자 및 이를 이용한 정보 기록/재생 방법 - Google Patents

광학 메모리 소자 및 이를 이용한 정보 기록/재생 방법 Download PDF

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KR101600353B1
KR101600353B1 KR1020090045207A KR20090045207A KR101600353B1 KR 101600353 B1 KR101600353 B1 KR 101600353B1 KR 1020090045207 A KR1020090045207 A KR 1020090045207A KR 20090045207 A KR20090045207 A KR 20090045207A KR 101600353 B1 KR101600353 B1 KR 101600353B1
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South Korea
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energy
light
barrier layer
quantum well
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배재철
이진경
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삼성전자주식회사
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Abstract

광학 메모리 소자 및 이를 이용한 기록/재생 방법이 개시된다. 개시된 광학 메모리 소자는 기판 상에 마련된 제1 배리어층, 양자우물층, 제2 배리어층, 양자점층 및 제3 배리어층이 적층된 구조를 가지며, 양자우물층은 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 더 넓은 에너지 밴드 갭을 가지며, 제2 배리어층은 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 더 넓은 에너지 밴드 갭을 가지어, 소정 파장의 광에 의해 양자점층에서 생성된 엑시톤 중 전자가 양자우물층에 포획되어 정보가 기록되고, 소정 파장의 광을 조사하여 기록된 정보가 소거되거나 재생될 수 있다.

Description

광학 메모리 소자 및 이를 이용한 정보 기록/재생 방법{Optical memory device and recording/reproducing information by using the same}
개시된 광학 메모리 소자 및 이를 이용한 정보 기록/재생 방법은, 양자점의 광학 특성을 이용하여 정보를 기록/재생하는 소자 및 방법에 관한 것이다.
정보통신기술의 비약적 발전으로 말미암아, 다루어지는 정보의 용량이나 네트워크의 전송량이 폭발적으로 늘어나고 있다. 한편, 네트워크 상의 고속 및 대용량 전송은 광섬유를 이용하여 실현되고 있으나, 네트워크의 노드 부분에서는 정보처리를 위해 광신호를 일단 전기신호로 변환되고 있다.
이와 같이, 광신호를 전기신호로 변환하여 신호처리를 함에 따라 네트워크 상의 통신속도가 제한되고 있으며, 광신호를 도중에 전기신호로 변환하지 않고 직접 정보를 처리하는 광정보 처리 기술이 요청되고 있다.
이러한 광정보 처리 기술에서 특히 문제가 되고 있는 것은 광학 메모리 소자이다. 광학 메모리 소자는 광을 이용하여 정보를 기록/재생할 수 있는 메모리를 말한다. 이러한 광학 메모리 소자로 다양한 아이디어가 제안되고 있으나, 아직까지 기존의 메모리를 대체할 만한 기록/재생 특성을 가진 구체적인 구조가 제안되고 있 지 못하다.
본 발명의 실시예들은 기록 재료로 양자점(quantume dot)을 이용하며, 반복적으로 기록/재생이 가능한 광학 메모리 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 메모리 소자는,
기판;
상기 기판 상에 마련된 제1 배리어층;
상기 제1 배리어층 상에 마련되며, 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자우물층;
상기 양자우물층 상에 마련되며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다는 넓으며 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다는 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 배리어층;
상기 제2 배리어층 상에 마련된 복수의 양자점을 포함하며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자점층; 및
상기 양자점층 상에 마련되며, 상기 제2 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 제3 배리어층;을 포함한다.
상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차는 상기 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차는 상기 제3 배 리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작을 수 있다.
일 실시예의 광학 메모리 소자는 기록, 기록소거 및 재생시 각기 다른 파장의 광을 방출하는 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 광원은 기록시 상기 양자점층의 에너지 갭와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광과 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차보다 더 큰 에너지를 갖는 제2 광을 동시에 조사할 수 있다. 상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 광은 상기 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 가질 수 있다.
상기 광원은 기록시 상기 양자점층의 에너지 갭 및 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차의 합과 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광을 조사할 수 있다. 이때, 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 가질 수 있다.
상기 광원은 기록소거시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제3 광을 조사할 수 있다. 이때 제3 광은 상기 제1 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작을 수 있다.
상기 광원은 재생시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 에너지를 갖는 제4 광을 조사할 수 있다.
일 실시예의 광학 메모리 소자는, 상기 제4 광의 조사시 상기 제4 광의 에너지보다 낮은 에너지를 가지면서 방출되는 광을 검출하는 광검출기를 더 구비할 수 있다.
다른 실시예의 광학 메모리 소자는, 상기 제4 광의 조사시 투과된 제4 광을 검출하는 광검출기를 더 구비할 수 있다.
일 실시예의 광학 메모리 소자는, 상기 제1 배리어층, 양자우물층, 제2 배리어층, 양자점층 및 제3 배리어층에 전위차를 주는 전원을 더 포함할 수 있다. 이때, 광학 메모리 소자는, 제3 배리어층의 상부에 마련되어 상기 전원에 전기적으로 연결되는 상부 전극을 더 포함할 수 있다. 또한, 기판은 전도성 기판으로 형성되어 상기 전원에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전원은 기록시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 높게 하는 역 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
상기 전원은 기록소거시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 낮게 하는 정 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
제1 내지 제3 배리어층, 양자우물층 및 양자점층은 GaAs계 화합물 반도체로 형성될 수 있다.
일 실시예의 광학 메모리 소자는, 상기 제3 배리어층 상에 마련된 캡핑층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 메모리 소자를 이용한 정보의 기록/재생 방법은,
기판; 상기 기판 상에 마련된 제1 배리어층; 상기 제1 배리어층 상에 마련되며, 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자우 물층; 상기 양자우물층 상에 마련되며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다는 넓으며 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다는 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 배리어층; 상기 제2 배리어층 상에 마련된 복수의 양자점을 포함하며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자점층; 및 상기 양자점층 상에 마련되며, 상기 제2 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 제3 배리어층;을 포함하는 광학 메모리 소자에 정보를 기록/재생하는 방법에 있어서, 기록, 기록소거 및 재생시 각기 다른 파장의 광을 조사할 수 있다.
기록시 상기 양자점층의 에너지 갭와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광과 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차보다 더 큰 에너지를 갖는 제2 광을 동시에 조사한다.
상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 가질 수 있다. 상기 제2 광은 상기 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 가질 수 있다.
기록시 상기 양자점층의 에너지 갭 및 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차의 합과 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광을 조사할 수 있다. 상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 가질 수 있다.
기록소거시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제3 광을 조사할 수 있다. 상기 제3 광은 상기 제1 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작을 수 있다.
재생시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 에너지를 갖는 제4 광을 조사할 수 있다.
상기 제4 광의 조사시 상기 제4 광의 에너지보다 낮은 에너지를 가지면서 방출되는 광을 검출할 수 있다.
상기 제4 광의 조사시 투과된 제4 광을 검출할 수 있다.
상기 제1 배리어층, 양자우물층, 제2 배리어층, 양자점층 및 제3 배리어층에 전위차를 줄 수 있다. 가령, 기록시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 높게 하는 역 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 또한, 기록소거시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 낮게 하는 정 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 광학 메모리 소자는 광을 이용하여 고속으로 기록/재생이 가능하며, 복수회의 재생이 가능하며, 나아가 기록소거 후 재기록이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예들에 의한 광학 메모리 소자는 광섬유를 통해 전달되는 광신호를 이용하여 직접적으로 기록/재생할 수 있으므로, 효과적인 광학 접속(optical interconnection)를 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보여주며, 도 2 및 도 3은 본 실시예의 광학 메모리 소자의 에너지 밴드 구조를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)는 기판(110)과; 제1 배리어층(barrier layer)(120)과; 양자우물층(quantum well layer)(130)과; 제2 배리어층(140)과; 양자점층(quantum dot layer)(150)과; 제3 배리어층(160)과; 캡핑층(capping layer)(170)이 적층된 구조를 갖는다. 나아가 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)는 기록/재생용 광을 조사하는 광원(180)과, 반사된 광을 검출하는 광검출기(190)를 더 포함할 수 있다. 광학 메모리 소자(100)는 단위 정보가 기록되는 셀들이 배열된 구조를 지닐 수 있으며, 기판(100) 위에 형성되는 제1 내지 제3 배리어층(120, 140, 160), 양자우물층(130) 및 양자점층(150)의 적층 구조는 개별 셀의 구조로 이해될 수 있다.
기판(110)은 광학 메모리 소자(100)의 지보 역할을 수행하는 것으로, 예를 들어 GaAs와 같은 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
제1 내지 제3 배리어층(120, 140, 160)은, 전자(도 4의 200)가 열에너지등에 의해 양자우물층(130)이나 양자점층(150)에서 방출되는 것을 방지하기 위한 층이다. 제1 배리어층(120)은, 기판(110)의 에너지 밴드 갭과 같거나 그보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제1 배리어층(120)이나 나머지층들을 형성하는 물질은 조사하는 광의 파장대에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 제1 배리어층(120)은 GaAs이나 AlGaAs와 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제2 배리어층(140)은 제1 배리어층(120)의 에너지 밴드 갭보다 좁으며, 양자우물층(130)의 에너지 밴드 갭보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 제2 배리어층(140)은 GaAs와 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제3 배리어층(160)은 제2 배리어층(140)의 에너지 밴드 갭보다 넓으며, 양자점층(150)의 에너지 밴드 갭보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 제3 배리어층(160)은 GaAs이나 AlGaAs와 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 배리어층(120, 140, 160)은 대략 10 내지 20 nm의 두께로 형성될 수 있다.
양자우물층(130)은 후술하는 바와 같이 기록상태를 의미하는 전자를 가두는 역할을 하는 층이다. 이러한 양자우물층(130)은 예를 들어 InGaAs와 같은 화합물 반도체로 형성될 수 있으며 대략 10 내지 20 nm의 두께로 형성될 수 있다.
양자점층(150)은 복수의 양자점이 배열될 층이다. 양자점들은 기록시 조사되는 광에 의해 전자를 생성시키게 된다. 이러한 양자점들은 예를 들어 분자빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy) 등의 장비로 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 양자점들은 InGaAs로 형성될 수 있으며, 대략 10 내지 30 nm의 폭에 2 내지 5 nm의 높이로 형성될 수 있다. 복수의 양자점들은 예를 들어 자기 정렬 기법(self-assembly method) 등으로 규칙적인 2차원 배열 구조를 가지며 형성될 수 있다.
캡핑층(170)은 하부의 층들을 보호하는 층으로, 광이 투과가능한 재질로 형 성된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 배리어층(120, 140, 160), 양자우물층(130) 및 양자점층(150)은 하기의 수학식 1 및 2를 만족하는 에너지 밴드 갭을 가진다.
EGB1, EGB3 > EGB2 > EGQW > EGQD
EGQD > ECB2 - ECQD > EGB3 - ECQW
여기서, EGB1은 제1 배리어층(120)의 에너지 밴드 갭을 의미하며, EGB2은 제2 배리어층(140)의 에너지 밴드 갭을 의미하며, EGB3은 제3 배리어층(160)의 에너지 밴드 갭을 의미한다. EGQW은 양자우물층(130)의 에너지 밴드 갭을 의미하며, EGQD은 양자점층(150)의 에너지 밴드 갭을 의미한다. ECB2은 제2 배리어층(140)의 전도대(conduction band)를 의미하며, ECB3은 제3 배리어층(160)의 전도대를 의미한다. 또한, ECQD은 양자점층(150)의 전도대를 의미하며, ECQW은 양자우물층(130)의 전도대를 의미한다.
광원(180)은 기록, 기록소거 및 재생시 각기 다른 파장의 광을 방출한다. 기록, 기록소거 및 재생시의 광의 파장에 대해서는 후술하기로 한다. 광원(180)은 예를 들어 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 본 실시예의 광학 메모 리 소자(200)에 있어서, 광원(180)은 별도의 소자로 마련되지 않고, 외부에서 광섬유를 통해 광이 직접 전달되어 올 수도 있다. 본 실시예에서 있어서 광원(180)은 이러한 광섬유를 통해 입력되는 경우를 포괄한다.
광검출기(190)는 광학 메모리 소자(200)의 상단에 배치되어, 재생시 방출되는 소정 파장의 광을 검출한다. 기판(110) 하부 또는 상부에는 반사막(미도시)이 더 마련되어 재생시 방출되는 광을 광검출기(190)로 반사시킬 수도 있다. 경우에 따라서, 광검출기(190)는 광학 메모리 소자(200)의 하단에 배치되어 투과되는 광을 검출할 수 있다. 이러한 광검출기(190)는 각 셀별로 포토 다이오드나 포토 트랜지스터가 배열된 구조를 가질 수 있다. 본 실시예의 광학 메모리 소자(200)에 있어서, 광검출기(190)는 별도의 소자로 마련되지 않고, 광섬유를 통해 외부로 광이 직접 전달되어 나갈 수도 있다. 본 실시예에서 있어서 광검출기(190)는 이러한 광섬유를 통해 출력되는 경우를 포괄한다.
제1 내지 제3 배리어층(120, 140, 160), 양자우물층(130) 및 양자점층(150)은 셀 단위로 분할되어 있어, 각 셀별로 정보가 기록/재생될 수 있다. 이 경우, 광원(180) 및 광검출기(190)는 복수개가 배열된 구조를 지녀, 복수의 정보를 동시에 또는 순차적으로 처리할 수 있도록 할 수 있다. 광원(180) 및 광검출기(190)는 광섬유을 통해 각 셀들에 광학적으로 연결된 구조를 가지거나 캡핑층(170) 상부에 바로 배치될 수도 있다.
다음으로, 도 2 내지 도 7를 참조하여, 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)의 기록, 기록소거 및 재생시 동작을 설명하기로 한다.
먼저 광학 메모리 소자(100)의 기록 동작을 설명하기로 한다.
도 2는 광학 메모리 소자(100)에 있어서 양자우물층(130)에 전자가 없는 미기록 상태를 나타내며, 도 3은 광학 메모리 소자(100)에 있어서 양자우물층(130)에 전자(200)가 놓인 기록 상태를 나타낸다. 한편, 도 4는 도 1의 광학 메모리 소자의 기록시 동작을 보여주며, 도 5는 도 1의 광학 메모리 소자의 기록시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
미기록 상태의 광학 메모리 소자(200)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 양자우물층(130)에 전자가 포획되어 있지 않다. 이와 같은 미기록 상태의 광학 메모리 소자(200)에 제1 및 제2 광(L1,L2)을 조사한다. 이를 위해 광원(180)은 적어도 제1 및 제2 광원소자(light source element)(180a,180b)를 포함할 수 있다. 제1 광(L1)은 하기의 수학식 3을 만족하는 에너지 EW1를 가진다.
EGQW > EW1 = hν1 ≥ EGQD
여기서 h는 프랑크 상수를 나타내며, ν1는 제1 광(L1)의 진동수를 나타낸다. 제1 광(L1)의 진동수(ν1)는 상기 수학식 3에 의해 결정될 수 있다. 조사된 제1 광(L1)은 양자점층(150)에서 전자-전공쌍인 엑시톤(exciton)을 형성시키며, 여기된 전자(200)는 양자점층(150)의 에너지 밴드 갭 EGQD과 같거나 그보다 큰 에너지를 가지므로, 가전도대(valence band)에서 전도대로 점프하게 된다. 한편, 조사된 제1 광(L1)의 에너지 EW1는 양자우물층(130)의 에너지 밴드 갭 EGQW보다 작으므로, 엑시톤은 양자우물층(130)에서 발생되지 않으며, 양자점층(150)에서만 발생되게 된다.
제1 광(L1)과 함께 조사되는 제2 광(L2)은 하기의 수학식 4를 만족하는 에너지 EW2를 가진다.
EGQD > EW2 = hν2 > ECB2 - ECQD
제2 광(L2)의 진동수(ν2)는 상기 수학식 4에 의해 결정될 수 있다. 조사된 제2 광(L2)은 양자점층(150)의 전도대에 놓인 전자(200)에 에너지 EW2를 가해 제2 배리어층(140)의 에너지장벽을 뛰어 넘어 양자우물층(130)으로 이동할 수 있게 한다. 에너지 EW1 및 EW2을 얻은 전자(200)들의 적어도 일부는 양자우물층(130)에 포획되어 광학 메모리 소자(100)의 해당 셀을 기록 상태로 바꾼다.
한편, 조사된 제2 광(L2)의 에너지 EW2는 양자점층(150)의 에너지 밴드 갭 EGQD보다 작으므로, 제2 광(L2)에 의해서, 양자점층(150)의 가전도대의 전자가 전도대로 점프하지는 않는다.
전술하는 바와 같이, 에너지 EW1을 가지는 제1 광(L1)과 에너지 EW2을 가지는 제2 광(L2)를 동시에 조사함으로써, 광학 메모리 소자(100)는 미기록 상태에서 기록 상태로 변화된다. 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)는 제1 내지 제3 배리어 층(120, 140, 160), 양자우물층(130) 및 양자점층(150)이 셀 단위로 분할된 구조를 가질 수 있으며, 각 셀별로 정보가 미기록 또는 기록될 수 있다. 이와 같은 미기록 상태 및 기록 상태는, "0" 및 "1"에 대응되어, 정보가 기록될 수 있다.
다음으로 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)의 기록소거 동작을 설명하기로 한다.
도 6은 도 1의 광학 메모리 소자의 기록소거시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
기록 상태의 광학 메모리 소자(200)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 양자우물층(130)에 전자가 포획되어 있다. 이와 같은 기록 상태의 광학 메모리 소자(200)에 제3 광(L3)을 조사한다. 제3 광(L3)은 하기의 수학식 5을 만족하는 에너지 EW3를 가진다.
ECB1 - ECQW > EW3 = hν3 ≥ ECB2 - ECQW
제3 광(L3)의 진동수(ν3)는 상기 수학식 5에 의해 결정될 수 있다. 조사된 제3 광(L3)은 양자우물층(130)에 포획되었던 전자(200)에 에너지 EW3을 가해, 포획된 전자(200)가 제2 배리어층(140)의 에너지 장벽을 뛰어 넘어 양자점층(150)으로 이동할 수 있게 한다. 양자점층(150)으로 이동된 전자(200)는 양자점층(150) 내의 정공과 재결합(recombination)되어 소멸되고 광을 방출한다. 이와 같이 에너지 EW3 를 갖는 제3 광(L3)을 조사함으로써, 광학 메모리 소자(100)는 기록 상태에서 미기록 상태로 전환될 수 있다. 이와 같이 제3 광(L3)을 조사함으로써, 광학 메모리 소자(100)에 저장된 정보를 소거시킴으로써, 새로운 정보를 재기록할 수 있게 한다.
다음으로 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)의 재생 동작을 설명하기로 한다.
도 7은 도 1의 광학 메모리 소자의 재생시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
기록 상태의 광학 메모리 소자(200)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 양자우물층(130)에 전자가 포획되어 있다. 이와 같은 기록 상태의 광학 메모리 소자(200)에 제4 광(L4)을 조사한다. 제4 광(L4)은 하기의 수학식 6을 만족하는 에너지 EW4를 가진다.
ECB2 - ECQW > EW4 = hν4
제4 광(L4)의 진동수(ν4)는 상기 수학식 6에 의해 결정될 수 있다. 조사된 제4 광(L4)은 양자우물층(130)에 포획되었던 전자(200)에 에너지 EW4을 가해, 포획된 전자(200)를 여기시킨다.
조사된 제4 광(L4)의 에너지 EW4는 포획된 전자(200)가 제2 배리어층(140)의 에너지 장벽을 뛰어 넘기에는 약하므로, 여기된 전자(200)는 양자우물층(130) 내에 여전히 갇혀 있게 된다. 높은 에너지 상태의 여기된 전자(200)는 낮은 에너지 상태로 전이하면서, 광(Lr)을 방출하게 된다. 양자우물층(130)의 포턴셜은 통상적으록 계단형이므로, 방출되는 광(Lr)의 에너지는, 가해진 제4 광(L4)의 에너지 EW4보다 작다. 즉, 방출되는 광(Lr)의 진동수는 제4 광(L4)의 진동수(ν4)보다 작다. 만일, 양자우물층(130)의 전도대에 전자(200)가 없는 경우, 제4 광(L4)은 에너지가 흡수됨 없이 양자우물층(130)을 통과하게 된다. 따라서, 광검출기(도 1의 190)은 제4 광(L4)의 진동수(ν4)보다 작은 진동수의 광(Lr)을 검출함으로써, 제4 광(L4)이 조사된 광학 메모리 소자(200)가 기록 상태인지 여부를 판별할 수 있다. 즉, 광검출기(190)에서 제4 광(L4)의 진동수(ν4)보다 작은 진동수의 광(Lr)이 검출되면 광학 메모리 소자(200)는 기록 상태에 있는 것이고, 광검출기(190)에서 제4 광(L4)의 진동수(ν4)보다 작은 진동수의 광(Lr)이 검출되지 않으면, 광학 메모리 소자(200)는 미기록 상태에 있다고 해석할 수 있다.
양자우물층(130)의 에너지 밴드 갭 구조 및 가해지는 제4 광(L4)의 EW4의 크기에 따라서는, 여기된 전자(200)가 낮은 에너지 상태로 전이하면서 광(Lr)을 방출하지 않고, 열 상호작용을 통해 비복사 이완(nonradiative relaxation)할 수도 있다. 이 경우, 양자우물층(130)에 포획된 전자(200)는 별도의 광 방출없이 조사되는 제4 광(L4)의 에너지를 흡수하게 되므로, 검출되는 제4 광(L4)의 강도가 작아지게 된다. 만일, 양자우물층(130)의 전도대에 전자(200)가 없는 경우, 제4 광(L4)은 에 너지가 흡수됨 없이 양자우물층(130)을 통과하게 된다. 따라서, 광검출기를 광학 메모리 소자(200)의 하단에 배치하여, 투과되는 제4 광(L4)의 강도의 변화유무를 통해 광학 메모리 소자(200)가 기록 상태 내지 미기록 상태에 있는지 알아낼 수 있다. 즉, 투과되는 제4 광(L4)의 강도가 조사되는 제4 광(L4)의 강도와 실질적으로 같다면 광학 메모리 소자(200)는 미기록 상태에 있는 것이며, 투과되는 제4 광(L4)의 강도가 조사되는 제4 광(L4)의 강도보다 소정량만큼 작아진다면 광학 메모리 소자(200)는 기록 상태에 있는 것이라고 해석할 수 있다.
상기와 같은 재생 과정에 있어서, 양자우물층(130)에 포획된 전자(200)를 제거하지 않기에, 기록 상태를 그대로 유지시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보여주며, 도 9는 본 실시예의 광학 메모리 소자의 기록시 동작을 보여주며, 도 10은 본 실시예의 광학 메모리 소자의 기록시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 광학 메모리 소자(101)는, 기판(110)과; 제1 배리어층(121)과; 양자우물층(131)과; 제2 배리어층(141)과; 양자점층(151)과; 제3 배리어층(161)과; 캡핑층(170)이 적층된 구조를 갖는다. 나아가 본 실시예의 광학 메모리 소자(101)는 기록/재생용 광을 조사하는 광원(181)과, 반사된 광을 검출하는 광검출기(190)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 광학 메모리 소자(101)에 있어서 광원(181)을 제외한 나머지 구성요소들은 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 실시예의 구성요소들과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
광원(181)은 기록시 제1 광(L1')을 조사한다. 제1 광(L1')은 하기의 수학식 7을 만족하는 에너지 EW1"를 가진다.
EGQW > EW1'= hν1'≥ EGQD + (ECB2 - ECQD)
제1 광(L1')의 진동수(ν1')는 상기 수학식 7에 의해 결정될 수 있다. 조사된 제1 광(L1')의 에너지 EW1'는 양자점층(150)의 에너지 밴드 갭 EGQD과 더하여 제2 배리어층(140)의 에너지 장벽 ECB2 - ECQD과 같거나 그보다 큰 에너지이다. 따라서, 조사된 제1 광(L1')은 양자점층(150)에서 전자-전공쌍인 엑시톤을 형성시킴과 동시에, 여기된 전자(200)를 양자점층(150)의 가전도대에서 곧바로 제2 배리어층(140)을 뛰어넘어 양자우물층(130)의 전도대로 점프시킬 수 있다. 이와 같이 에너지 EW1'을 얻은 전자들(200)의 적어도 일부는 양자우물층(130)에 포획되어 광학 메모리 소자(100)의 해당 셀을 기록 상태로 바꾼다.
한편, 본 실시예의 광학 메모리 소자(101)에 있어서 기록소거 및 재생 동작은 전술한 실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보여주며, 도 12 및 도 13은 본 실시예의 광학 메모리 소자에 있어서, 기록, 기록소거 및 재생시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 광학 메모리 소자(102)는 기판(112)과; 제1 배리어층(120)과; 양자우물층(130)과; 제2 배리어층(140)과; 양자점층(150)과; 제3 배리어층(160)과; 캡핑층(170)이 적층된 구조를 갖는다. 나아가 상기 캡핑층(170)의 상부에는 상부 전극(220)이 마련되며, 전원(210)이 상기 상부 전극(220) 및 기판(112)에 전기적으로 연결된다. 본 실시예의 광학 메모리 소자(100)는 기록/재생용 광을 조사하는 광원(181)과, 반사된 광을 검출하는 광검출기(190)를 더 포함할 수 있다. 상기 기판(112)은 전도성 있는 재질로 형성될 수 있다. 기판(112)과 제1 배리어층(120) 사이에 하부 전극(미도시)를 개재시키고, 전원(210)은 기판(112) 대신 하부 전극에 연결될 수도 있다. 광학 메모리 소자(102)는 단위 정보가 기록되는 셀들이 배열된 구조를 지닐 수 있으며, 이 경우 전기적 배선 구조는, 기판(102) 위에 형성되는 제1 내지 제3 배리어층(120, 140, 160), 양자우물층(130) 및 양자점층(150)의 개별 셀들에 독립적으로 전원 인가하는 구조로 이해될 수 있다.
본 실시예의 광학 메모리 소자(102)에 있어서 전기적 배선 구조를 제외한 나머지 구성요소들은 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예의 구성요소들과 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예의 광학 메모리 소자(102)에 있어서 전기적 배선 구조는 제1 배리어층(120), 양자우물층(130), 제2 배리어층(140), 양자점층(150) 및 제3 배리어층(160)에 전위차를 줌으로써, 여기된 전자(200)의 이동을 보다 효과적으로 조절한다.
도 12는 본 실시예의 광학 메모리 소자의 기록시 에너지 밴드 그래프상에서 의 동작을 보여준다. 도 12를 참조하면, 본 실시예의 광학 메모리 소자의 기록시, 제1 광(L1')을 조사함과 동시에 역 바이어스 전압을 인가한다. 제1 광(L1')은 전술한 실시예의 수학식 7로 주어지는 에너지 관계를 만족한다. 역 바이어스 전압은 양자우물층(130)의 전위를 양자점층(150)의 전위보다 높게 하므로, 제1 광(L1')에 의해 쌍생성되어 여기된 양자점층(150)의 전자(200)는 역 바이어스 전압(reverse bias)에 의하여 양자점층(150)에서 양자우물층(130)으로 전기적 힘을 받게 된다. 이 결과, 여기된 양자점층(150)의 전자(200)는 보다 효과적으로 양자우물층(130)에 포획되어 광학 메모리 소자(102)는 기록 상태에 있게 된다.
도 13은 본 실시예의 광학 메모리 소자의 기록소거시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다. 도 13을 참조하면, 본 실시예의 광학 메모리 소자의 기록소거시, 제3 광(L3)을 조사함과 동시에 정 바이어스 전압(forward bias)을 인가한다. 제3 광(L3)은 전술한 실시예의 수학식 5의 에너지 관계를 만족한다. 정 바이어스 전압은 양자우물층(130)의 전위를 양자점층(150)의 전위보다 낮게 하므로, 제3 광(L3)에 의해 여기된 양자우물층(130)의 전자(200)는 정 바이어스 전압에 의하여 양자우물층(130)에서 양자점층(150)으로 전기적 힘을 받게 된다. 이 결과, 여기된 양자우물층(130)의 전자(200)는 보다 효과적으로 양자점층(150)으로 전공과 재결합되므로 광학 메모리 소자(102)는 초기 상태, 즉 미기록 상태로 되돌아 가게 된다.
본 실시예의 광학 메모리 소자의 재생시 동작은 도 7을 참조하여 설명한 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 본 발명인 광학 메모리 소자 및 이를 이용한 정보 기록/재생 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보여준다.
도 2는 도 1의 광학 메모리 소자의 에너지 밴드 구조 및 미기록 상태를 보여준다.
도 3은 도 1의 광학 메모리 소자의 에너지 밴드 구조 및 기록 상태를 보여준다.
도 4는 도 1의 광학 메모리 소자의 기록시 동작을 보여준다.
도 5는 도 1의 광학 메모리 소자의 기록시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 6은 도 1의 광학 메모리 소자의 기록소거시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 7은 도 1의 광학 메모리 소자의 재생시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보여준다.
도 9는 도 8의 광학 메모리 소자의 기록시 동작을 보여준다.
도 10은 도 8의 광학 메모리 소자의 기록시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구 성을 보여준다.
도 12는 도 11의 광학 메모리 소자의 기록시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 13은 도 11의 광학 메모리 소자의 기록소거시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
도 14는 도 11의 광학 메모리 소자의 재생시 에너지 밴드 그래프상에서의 동작을 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300...광학 메모리 소자 110, 112...기판
120,140,160...배리어층 130...양자우물층
150...양자점층 170...캡핑층
180, 181...광원 190...광검출기
200...전자 210...전원
220...상부 전극

Claims (35)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 마련된 제1 배리어층;
    상기 제1 배리어층 상에 마련되며, 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자우물층;
    상기 양자우물층 상에 마련되며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다는 넓으며 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다는 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 배리어층;
    상기 제2 배리어층 상에 마련된 복수의 양자점을 포함하며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자점층; 및
    상기 양자점층 상에 마련되며, 상기 제2 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 제3 배리어층;을 포함하며,
    상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차는 상기 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 작은 광학 메모리 소자.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차는 상기 제3 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 광학 메모리 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    기록, 기록소거 및 재생시 각기 다른 파장의 광을 방출하는 광원을 더 포함하는 광학 메모리 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광원은 기록시 상기 양자점층의 에너지 갭와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광과 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차보다 더 큰 에너지를 갖는 제2 광을 동시에 조사하는 광학 메모리 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 광학 메모리 소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 광은 상기 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 광학 메모리 소자.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 광원은 기록시 상기 양자점층의 에너지 갭 및 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차의 합과 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광을 조사하는 광학 메모리 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 광학 메모리 소자.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 광원은 기록소거시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제3 광을 조사하는 광학 메모리 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제3 광은 상기 제1 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 광학 메모리 소자.
  12. 제4 항에 있어서,
    상기 광원은 재생시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 에너지를 갖는 제4 광을 조사하는 광학 메모리 소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제4 광의 조사시 상기 제4 광의 에너지보다 낮은 에너지를 가지면서 방출되는 광을 검출하는 광검출기를 더 구비하는 광학 메모리 소자.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제4 광의 조사시 투과된 제4 광을 검출하는 광검출기를 더 구비하는 광학 메모리 소자.
  15. 제1 항, 제3 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층, 양자우물층, 제2 배리어층, 양자점층 및 제3 배리어층에 전위차를 주는 전원을 더 포함하는 광학 메모리 소자.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제3 배리어층의 상부에 마련되어 상기 전원에 전기적으로 연결되는 상부 전극을 더 포함하는 광학 메모리 소자.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 기판은 전도성 기판으로 형성되어 상기 전원에 전기적으로 연결되는 광학 메모리 소자.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 전원은 기록시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 높게 하는 역 바이어스 전압을 인가하는 광학 메모리 소자.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 전원은 기록소거시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 낮게 하는 정 바이어스 전압을 인가하는 광학 메모리 소자.
  20. 제1 항, 제3 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 배리어층, 제2 배리어층, 제3 배리어층, 양자우물층 및 양자점층은 GaAs계 화합물 반도체로 형성되는 광학 메모리 소자.
  21. 제1 항, 제3 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 배리어층 상에 마련된 캡핑층을 더 포함하는 광학 메모리 소자.
  22. 기판; 상기 기판 상에 마련된 제1 배리어층; 상기 제1 배리어층 상에 마련되며, 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자우물층; 상기 양자우물층 상에 마련되며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다는 넓으며 상기 제1 배리어층의 에너지 밴드 갭보다는 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 배리어층; 상기 제2 배리어층 상에 마련된 복수의 양자점을 포함하며, 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 좁은 에너지 밴드 갭을 갖는 양자점층; 및 상기 양자점층 상에 마련되며, 상기 제2 배리어층의 에너지 밴드 갭보다 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 제3 배리어층;을 포함하는 광학 메모리 소자에 정보를 기록 및 재생하는 방법에 있어서,
    기록, 기록소거 및 재생시 각기 다른 파장의 광을 조사하는 정보 기록 및 재생 방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    기록시 상기 양자점층의 에너지 갭와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광과 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차보다 더 큰 에너지를 갖는 제2 광을 동시에 조사하는 정보 기록 및 재생 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 정보 기록 및 재생 방법.
  25. 제23 항에 있어서,
    상기 제2 광은 상기 양자점층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 정보 기록 및 재생 방법.
  26. 제22 항에 있어서,
    기록시 상기 양자점층의 에너지 갭 및 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자점층의 전도대의 차의 합과 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제1 광을 조사하는 정보 기록 및 재생 방법.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 제1 광은 상기 양자우물층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지를 갖는 정보 기록 및 재생 방법.
  28. 제22 항에 있어서,
    기록소거시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차와 같거나 그보다 큰 에너지를 갖는 제3 광을 조사하는 정보 기록 및 재생 방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 제3 광은 상기 제1 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 정보 기록 및 재생 방법.
  30. 제22 항에 있어서,
    재생시 상기 제2 배리어층의 전도대와 상기 양자우물층의 전도대의 차보다 작은 에너지를 갖는 제4 광을 조사하는 정보 기록 및 재생 방법.
  31. 제30 항에 있어서,
    상기 제4 광의 조사시 상기 제4 광의 에너지보다 낮은 에너지를 가지면서 방출되는 광을 검출하는 정보 기록 및 재생 방법.
  32. 제30 항에 있어서,
    상기 제4 광의 조사시 투과된 제4 광을 검출하는 정보 기록 및 재생 방법.
  33. 제22 항 내지 제32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층, 양자우물층, 제2 배리어층, 양자점층 및 제3 배리어층에 전위차를 주는 정보 기록 및 재생 방법.
  34. 제33 항에 있어서,
    기록시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 높게 하는 역 바이어스 전압을 인가하는 정보 기록 및 재생 방법.
  35. 제33 항에 있어서,
    기록소거시 양자우물층의 전위를 양자점층의 전위보다 낮게 하는 정 바이어스 전압을 인가하는 정보 기록 및 재생 방법.
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