JP2000090817A

JP2000090817A - 偏極電子線発生素子

Info

Publication number: JP2000090817A
Application number: JP25798398A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakanishi; 彊中西; Masaharu Okumi; 正治奥見; Hiromichi Horinaka; 博道堀中; Takashi Saka; 貴坂; Toshihiro Kato; 俊宏加藤; Tsunehiko Omori; 恒彦大森; Yoshimasa Kurihara; 良将栗原; Toshio Baba; 寿夫馬場
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高い量子効率および偏極度が得られるととも
に、実用性の高い励起波長帯が得られる偏極電子線発生
素子を提供する。【解決手段】極電子線発生素子１０の半導体光電層１
６が、３０オングストローム程度の薄いＧａＡｓ層１６
b とＧａＡｓＰ層１６a とが互いに積層されることによ
り量子化されたエネルギー準位を形成する歪み超格子層
から構成されているので、高い量子効率および偏極度が
得られるとともに、半導体レーザの使用が可能な実用性
の高い励起波長帯すなわち８００〜８３０nm程度の励起
波長帯が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スピン方向が偏在
している偏極電子線を発生する偏極電子線発生素子の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】スピン方向が２種類のうちの一方に偏在
している電子線群から成る偏極電子線は、たとえば、高
エネルギ素粒子の実験分野においては素粒子間の相互作
用に関する理論の検証実験に、物性物理の実験分野にお
いては物質表面の磁区構造を調査する上で有効な手段と
して利用されている。この偏極電子線は、価電子帯にバ
ンドスプリッテイングを有する半導体光電層を備えた偏
極電子線発生素子を用い、その半導体光電層に円偏光レ
ーザ光のような励起光を入射させることにより取り出す
ことが可能である。この偏極電子線発生素子としては、
たとえばＧａＡｓＰ半導体の上に、それよりもバンドギ
ャップが小さく且つ格子定数が異なるＧａＡｓ半導体を
半導体光電層として結晶成長させたストレインド半導体
が知られている。これによれば、ＧａＡｓＰ半導体に対
して格子定数の異なるＧａＡｓ半導体が結合されること
によりそのＧａＡｓ半導体には格子歪みが付与されるた
め、そのＧａＡｓ半導体の価電子帯にバンドスプリッテ
ィングが発生し、ヘビーホールのサブバンドとライトホ
ールのサブバンドとの間にエネルギ準位差が生じる一
方、両サブバンドの励起によって取り出される電子のス
ピン方向が反対であるため、エネルギ準位の高い方すな
わち伝導帯とのエネルギーギャップが小さい方のサブバ
ンドのみを励起できる光エネルギをＧａＡｓ半導体に注
入すれば、一方のスピン方向の偏極電子群が発生して、
高いスピン偏極度を備えた電子線が取り出され得るので
ある。

【０００３】ところで、上記のような偏極電子線発生素
子においては必ずしも十分な量子効率（Quantum Effici
ency）が得られず、発生電子線量が少ないという不都合
があった。これに対し、半導体光電層を厚くすれば励起
光の吸収が増えて量子効率は改善されるが、半導体光電
層に付与される歪みが少なくなるとともに半導体内にお
ける散乱などでスピンが変化する割合が増加するため、
スピン偏極度が低下すると言う欠点があった。

【０００４】これに対し、半導体薄膜を積層した量子井
戸構造で上記半導体光電層を構成した偏極電子線発生素
子が提案されている。たとえば、特開平７−９４０８０
号公報に記載されたものがそれである。これによれば、
半導体光電層内において形成された量子井戸により遷移
確率が高くなって高い量子効率が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、偏極電
子線発生素子には、高い量子効率に加えて、高い偏極度
や半導体レーザの実用波長域での励起可能性などが望ま
れるが、上記従来の偏極電子線発生素子においては必ず
しも、量子効率および偏極度が両立せず、或いは両立し
たとしても、励起光の波長が短くなって、励起光発生手
段が特殊なものとなって実用性が得られなかった。

【０００６】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであり、その目的とするところは、高い量子効率お
よび偏極度が得られるとともに、実用性の高い励起波長
帯が得られる偏極電子線発生素子を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
め、本発明の要旨とするところは、価電子帯にバンドス
プリッティングを有する半導体光電層を備え、その半導
体光電層に励起光が入射されることによりその半導体光
電層からスピン方向が偏在している偏極電子線を発生す
る偏極電子線発生素子であって、前記半導体光電層が、
ＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることに
より量子化されたエネルギー準位を形成する歪み超格子
層から構成されたことにある。

【０００８】

【発明の効果】このようにすれば、半導体光電層が、Ｇ
ａＡｓ層とＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることによ
り量子化されたエネルギー準位を形成する歪み超格子層
から構成されているので、高い量子効率および偏極度が
得られるとともに、半導体レーザを用いることのできる
実用性の高い励起波長帯すなわち８００〜８３０nm程度
の励起波長帯が得られる。

【０００９】

【発明の他の態様】ここで、好適には、前記半導体光電
層は、数十オングストロームの厚みのＧａＡｓ層および
ＧａＡｓＰ層が十数対乃至数十対積層されたものであ
る。このようにすれば、偏極電子線量が増加して高い量
子効率が得られる。

【００１０】また、好適には、前記半導体光電層は半導
体基板からバッファ層を介して結晶成長させられたもの
であって、それら半導体基板、バッファ層、半導体光電
層は、同じｐ型の不純物がそれぞれ注入されたものであ
る。このようにすれば、一層、偏極電子を取り出しやす
くなる。

【００１１】また、好適には、前記半導体光電層の上に
は、それを保護するためのバッシベーション膜が結晶成
長により形成されており、そのバッシベーション膜にも
前記ｐ型ドーパントが半導体光電層よりも高濃度でドー
ピングされたものである。このようにすれば、表面を負
の電子親和力状態にすることが容易となり、一層、偏極
電子を取り出しやすくなる。

【００１２】また、好適には、前記半導体光電層を構成
するために交互に積層されたＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層
とのうち、ＧａＡｓＰ層におけるＰの混晶比ｘが０．２
乃至０．３５の範囲内である。このようにすれば、高い
量子効率および偏極度が得られると同時に、実用性の高
い励起波長帯が得られる。

【００１３】

【発明の好適な実施の形態】以下、本発明の一実施例を
図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例に
おいて各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていな
い。

【００１４】図１は、本発明の一実施例の偏極電子線発
生素子１０の構成を示す図である。図において、偏極電
子線発生素子１０は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organi
c Chemical Vapor Deposition ：有機金属化学気相成
長）法、或いは分子線エピタキシー（Molecular Beam E
pitaxy）法等のよく知られた結晶成長技術によって、基
板１２上に順次結晶成長させられたバッファ層１４、半
導体光電層１６、キャップ層１８から構成されている。

【００１５】上記の基板１２は、例えば 350μm 程度の
厚さのｐ−ＧａＡｓの単結晶から成る化合物半導体であ
り、ｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物とし
てドープされることによってキャリア濃度が１×10¹⁸
(cm^-3) 程度とされている。また、バッファ層１４は、
例えば２μm 程度の厚さのｐ−ＧａＡｓＰ_0.2の単結晶
から成る化合物半導体であり、ｐ型のドーパントである
Ｚｎ（亜鉛）が不純物としてドープされることによって
キャリア濃度が１×10¹⁸ (cm^-3) 程度とされている。こ
のバッファ層１４は、後述のように、そのエネルギギャ
ップＥo が隣接する半導体光電層１６よりも大きくされ
ることにより、偏極電子が基板１２側へ移動するための
障壁となる障壁層すなわちバリヤ層として機能するもの
である。

【００１６】上記半導体光電層１６は、例えば３０Å
（オングストローム）程度の厚さであって混晶比ｘが
０．２であるｐ−ＧａＡｓＰ_0.2の単結晶から成る化合
物半導体であってｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）
が不純物としてドープされることによってキャリア濃度
が５×10¹⁷ (cm^-3) 程度とされたＧａＡｓＰ層１６a
と、３０Å程度の厚さであるｐ−ＧａＡｓの単結晶から
成る化合物半導体であってｐ型のドーパントであるＺｎ
が不純物としてドープされることによってキャリア濃度
が５×10¹⁷ (cm^-3) 程度とされたＧａＡｓ層１６b との
対が、そのＧａＡｓ層１６b がバッファ層１４側に位置
する状態で１６対だけ順次積層されることにより構成さ
れている。上記のように、３０Å（オングストローム）
程度の極めて薄いＧａＡｓＰ層１６a およびＧａＡｓ層
１６b が積層されると、厚み方向に複数の井戸型ポテン
シャルを有する多重量子井戸構造のエネルギ準位が形成
されるとともに、それらＧａＡｓＰ層１６a およびＧａ
Ａｓ層１６b の格子定数差に起因する歪みにより価電子
帯にバンドスプリッティングが発生させられることか
ら、歪超格子層とも称される。

【００１７】前記キャップ層１８は、例えば 50 Å程度
の厚さのｐ−ＧａＡｓの単結晶から成る化合物半導体で
あってｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物と
してドープされることによってキャリア濃度が２×10¹⁹
(cm^-3) 程度とされている。このキャップ層１８は、上
記バッファ層１４や半導体光電層１６よりもキャリア濃
度が高められることにより、その半導体光電層１６で発
生した偏極電子線を取り出し易くする機能と、その半導
体光電層１６の酸化を防止して化学的に保護する機能と
を備えている。

【００１８】上記のように構成された半導体光電層１６
は、歪超格子から構成されているので、図２に示すよう
なエネルギ準位を備えている。図２は、実験を重ねるこ
とにより予め解析された一般式化された実験式から各層
を構成する物質、その混晶比ｘ、厚みに基づいて算出さ
れたものである。すなわち、バッファ層１４では、その
バンドギャップＥo(GaAsP)が1657meV （ミリエレクトロ
ンボルト）であるのに対し、それに隣接する半導体光電
層１６では、３０Å（オングストローム）程度の極めて
薄いＧａＡｓＰ層１６a およびＧａＡｓ層１６b が交互
に積層されて相互にヘテロ結合されていることから、層
厚みが電子波の波長程度以下すなわち１００Å程度以下
となるときに発生する量子サイズ効果によって厚み方向
に複数の井戸型ポテンシャルを有する量子化された多重
量子井戸構造のエネルギ準位が形成されるとともに、そ
れらＧａＡｓＰ層１６a およびＧａＡｓ層１６b の格子
定数差に起因する歪みにより価電子帯にはヘビーホール
とライトホールとが、それらの間のバンドギャップδs
が５５．９ meV（ミリエレクトロンボルト）という値で
分離させられるバンドスプリッティングが発生させられ
ている。そのヘビーホールとライトホールとの間のバン
ドギャップδs は、量子井戸構造ではない歪ＧａＡｓの
場合のバンドギャップδs が３０meV であるのに対し
て、大幅に増加させられている。伝導帯のバンドオフセ
ットΔＥc （＝１０４．５ meV）よりも価電子帯（ヘビ
ーホール）のバンドオフセットΔＥv ^HH（＝１２９．３
meV）が大きくなっていることが一因であると推定され
る。

【００１９】上記のようにヘビーホールとライトホール
との間のバンドギャップδs が大きくなると、価電子帯
のヘビーホールと伝導帯との間のバンドギャップＥth
と、価電子帯のライトホールと伝導帯との間のバンドギ
ャップ（Ｅth＋δs ）との差が大きくなることから、価
電子帯のヘビーホールに存在するスピン方向が偏在した
偏極電子のみを伝導帯へ励起できる波長帯が大きくなる
ため、高いスピン偏極度ＥＳＰおよび広い励起波長帯が
得られると考えられる。なお、図２のＥo(GaAs)は井戸
層のバンドギャップを、ΔＥv ^LHは価電子帯（ライトホ
ール）のバンドオフセットをそれぞれ示している。

【００２０】以上のように構成される偏極電子線発生素
子１０は、例えば、原料ガスとしてトリメチルガリウム
（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アル
シン（AsH₃）、およびホスフィン（PH₃ ）、ｐ型のドー
パントガスとしてジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を用い、ＭＯ
ＶＰＥ装置によって基板１２上にバッファ層１４乃至キ
ャップ層１８を順次結晶成長させることにより製造され
る。この結晶成長の過程において、各層の組成に応じて
結晶成長装置内に導入される原料ガスの種類および量比
が適宜変更されると共に、各層の極性およびキャリア濃
度に応じてドーパントガスの種類および量比が適宜変更
されることによって、図１に示されるように層毎に組成
およびキャリア濃度の異なるエピタキシャルウェハが得
られることとなる。

【００２１】図３は、上記のようにして構成された図１
の偏極電子線発生素子１０、すなわち３０オングストロ
ーム程度の極めて薄い厚みを有する混晶比ｘ＝０．２の
ＧａＡｓＰ層１６a と３０オングストローム程度の極め
て薄い厚みを有するＧａＡｓ層１６b とが１６対となる
まで交互に積層された半導体光電層１６を有する偏極電
子線発生素子１０を、可変波長レーザ（チューナブルレ
ーザ）を励起用円偏光レーザ光の光源として用い、その
偏極電子線発生素子１０を照射する励起用円偏光レーザ
光の波長を連続的に変化させつつ、スピン偏極度（偏極
率）ＥＳＰ（％）と量子効率ＱＥとを測定した実験結果
を示している。これによれば、８０％程度以上の高い値
のスピン偏極度ＥＳＰが得られるだけでなく、そのスピ
ン偏極度ＥＳＰが８０％程度以上となる領域が幅広く
（励起光波長λが８００乃至８３０nm）、しかも半導体
レーザを用いることが可能な波長帯となるので、７４５
nm程度の励起レーザ光を必要とするために特殊なレーザ
光発生装置を備えた従来の装置に比較して、偏極電子線
発生装置が大幅に小型となる。特に、上記高いスピン偏
極度ＥＳＰが得られる波長帯のうちの低い側、たとえば
８００乃至８０５nm付近に励起波長λを選択することに
より、上記の効果に加えて、０．２乃至０．３％程度の
高い量子効率ＱＥが得られる。

【００２２】上述のように、本実施例によれば、偏極電
子線発生素子１０の半導体光電層１６が、３０オングス
トローム程度の薄いＧａＡｓ層１６b とＧａＡｓＰ層１
６aとが互いに積層されることにより量子化されたエネ
ルギー準位を形成する歪み超格子層から構成されている
ので、高い量子効率および偏極度が得られるとともに、
半導体レーザの使用が可能な実用性の高い励起波長帯す
なわち８００〜８３０nm程度の励起波長帯が得られる。

【００２３】また、本実施例によれば、上記半導体光電
層１６は、数十オングストロームの厚みのＧａＡｓ層１
６b およびＧａＡｓＰ層１６a が１６対積層されたもの
であるので、量子井戸が多重化されて量子井戸効果が高
められるので、一層、偏極電子線量が増加して高い量子
効率が得られる。

【００２４】また、本実施例によれば、上記半導体光電
層１６は半導体基板１２からバッファ層１４を介して結
晶成長させられたものであって、それら半導体基板１
２、バッファ層１４、半導体光電層１６は、同じｐ型の
不純物がそれぞれ同程度の濃度で注入されたものである
ことから、層界面近傍における空乏層の発生が抑制され
るので、一層、偏極電子を取り出しやすくなる。

【００２５】また、本実施例によれば、上記半導体光電
層１６の上には、それを保護するためのバッシベーショ
ン膜すなわちキャップ層１８が結晶成長により形成され
ており、そのキャップ層１８にもｐ型ドーパントが半導
体光電層１６よりも高い濃度でドーピングされているの
で、表面を負の電子親和力状態にすることが容易とな
り、一層、偏極電子を取り出しやすくなる。

【００２６】次に、本発明の他の実施例を説明する。な
お、以下の説明において前述の実施例と共通する部分に
は同一の符号を付して説明を省略する。

【００２７】本実施例の偏極電子線発生素子２０は、図
４に示すように、前記偏極電子線発生素子１０と同様
に、例えば有機金属気相エピタキシーMOVPE 法等のよく
知られた結晶成長技術によって、基板１２上に順次結晶
成長させられたバッファ層１４、半導体光電層１６、キ
ャップ層１８から構成されており、半導体光電層１６を
構成する３０オングストロームの膜厚のＧａＡｓ層１６
b およびＧａＡｓＰ層１６a のうちのＧａＡｓＰ層１６
a において燐Ｐのひ素Ａｓに対する混晶比ｘが０．３５
である点において相違し、各層の材質、厚み、不純物濃
度などの他の条件は同様である。

【００２８】図５は、上記偏極電子線発生素子２０にお
いて、歪超格子から構成されている半導体光電層１６の
エネルギバンド構造が、図２と同様に、予め求められた
一般式化された実験式から各層を構成する物質、その混
晶比ｘ、厚みに基づいて算出されたものである。これに
よれば、バッファ層１４では、そのバンドギャップＥo
(GaAsP)が１８２９．１meV であるのに対し、それに隣
接する半導体光電層１６では、複数の井戸型ポテンシャ
ルを有する量子化された多重量子井戸構造のエネルギ準
位が形成されるとともに、ＧａＡｓＰ層１６a およびＧ
ａＡｓ層１６b の格子定数差に起因する歪みにより価電
子帯にはヘビーホールとライトホールとが、それらの間
のバンドギャップδs が１０６．６ meVという値で分離
させられるバンドスプリッティングが発生させられてい
る。そのヘビーホールとライトホールとの間のバンドギ
ャップδs は、量子井戸構造ではない歪ＧａＡｓの場合
のバンドギャップδs が３０meV であるのに対して、大
幅に増加させられている。伝導帯のバンドオフセットΔ
Ｅc （＝１８２．８meV ）よりも価電子帯（ヘビーホー
ル）のバンドオフセットΔＥv ^HH（＝２２６．３meV ）
が大幅に大きくされていることが原因であると推定され
る。

【００２９】本実施例の偏極電子線発生素子２０では、
ヘビーホールとライトホールとの間のバンドギャップδ
s が前記偏極電子線発生素子１０よりもさらに大きくさ
れることから価電子帯のヘビーホールに存在するスピン
方向が偏在した偏極電子のみを伝導帯へ励起できる波長
帯が一層大きくなるため、さらに高いスピン偏極度ＥＳ
Ｐおよび広い励起波長帯が得られる。

【００３０】以上、本発明の一実施例を図面を参照して
詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施され
る。

【００３１】例えば、前述の実施例においては、偏極電
子線発生素子１０および２０では、ｐ型不純物がドーピ
ングされることにより、基板１２、バッファ層１４、半
導体光電層１６、キャップ層１８がそれぞれｐ型半導体
とされていたが、そのドーピング濃度は必要に応じて適
宜変更されてもよく、また、そのようなｐ型不純物のド
ーピングが行われていなくても差し支えない。

【００３２】また、前述の実施例の偏極電子線発生素子
１０および２０は、キャップ層１８を備えたものであっ
たが、半導体光電層１６の保護をそれほど必要としない
場合には、必ずしも設けられていなくてもよい。

【００３３】また、前述の実施例の偏極電子線発生素子
１０および２０において、キャップ層１８側から入射し
且つ半導体光電層１６を通過する励起用円偏光レーザ光
をその半導体光電層１６側へ反射するための反射層が、
基板１２とその半導体光電層１６との間に設けられても
よい。この反射層は、好適にはブラッグ反射の原理を用
いて光を反射するように構成された半導体多層膜（ＤＢ
Ｒ）から構成されるとともに、励起用レーザ光を共振さ
せる光共振器を光入射面との間で形成する。

【００３４】また、前述の実施例の偏極電子線発生素子
１０および２０において、基板１２、バッファ層１４乃
至キャップ層１８の各々の厚さは適宜変更され得る。

【００３５】また、前述の実施例の偏極電子線発生素子
１０および２０において、ＧａＡｓＰ層１６a およびＧ
ａＡｓ層１６b の厚みは、３０Å程度とされていたが、
量子サイズ効果を発生するための条件すなわち電子波の
波長程度以下の層厚みであればよい。

【００３６】その他、一々例示はしないが、本発明はそ
の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の偏極電子線発生素子の構成
を模式的に示す図である。

【図２】図１の偏極電子線発生素子の半導体光電層に形
成されたエネルギギャップを示す図である。

【図３】図１の偏極電子線発生素子を用いて測定した、
励起用円偏光レーザ光の波長と量子効率ＱＥおよびスピ
ン偏極度ＥＳＰとの関係を示す図である。

【図４】本発明の他の実施例の偏極電子線発生素子の構
成を模式的に示す図であって、図１に相当する図であ
る。

【図５】図４の実施例において、偏極電子線発生素子の
半導体光電層に形成されたエネルギギャップを示す図で
あって図２に相当する図である。

【符号の説明】

１０、２０：偏極電子線発生素子１６：半導体光電層１６ａ：ＧａＡｓＰ層１６ｂ：ＧａＡｓ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂貴愛知県名古屋市緑区鳴海町字片平20番地の 37 (72)発明者加藤俊宏愛知県春日井市中央台８丁目７番地の４ (72)発明者大森恒彦茨城県つくば市竹園２丁目１番地３、811 棟４号 (72)発明者栗原良将茨城県つくば市松代４丁目２番地２号 (72)発明者馬場寿夫東京都港区芝５丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 5C030 BB17 BC06 5C035 CC05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】価電子帯にバンドスプリッティングを有
する半導体光電層を備え、該半導体光電層に励起光が入
射されることにより該半導体光電層からスピン方向が偏
在している偏極電子線を発生する偏極電子線発生素子で
あって、前記半導体光電層が、ＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層とが交
互に積層されることにより量子化されたエネルギー準位
を形成する歪み超格子層から構成されたことを特徴とす
る偏極電子線発生素子。