JP2003224333A - 磁性半導体を用いた円偏光スピン半導体レーザーおよびレーザー光の発生方法 - Google Patents

磁性半導体を用いた円偏光スピン半導体レーザーおよびレーザー光の発生方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の円偏光半導体レーザーは、円偏光度が
十分でなかった。 【構成】 半導体に遷移金属原子をドープし、またこれ
らにアクセプターやドナーをドープすることにより作り
出したｐ型およびｎ型ハーフメタル磁性半導体、また
は、これらの磁性半導体にゲートをつけて電界効果によ
り強磁性状態を調整・制御して作り出したｐ型およびｎ
型ハーフメタル磁性半導体を用いて、電流注入により完
全に円偏光したレーザー光を発生することができる円偏
光スピン半導体レーザー。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁性半導体を用い
た円偏光(circularly polarized light)スピン半導体レ
ーザーと該レーザーによるレーザー光の発生方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザーはコンパクトで、しか
も、高集積半導体デバイスとの整合性もよく、最近では
ワイドバンドギャップ半導体を用いた高出力が可能とな
り、発振波長も紫外光領域までが実現しつつある。米国
特許第３９８６１９４号明細書・図面（特公昭５２−３
６８３２号公報）に開示されているように、磁性半導体
レーザーはかなり以前より知られており、特定の偏光方
向を持つ円偏光半導体レーザーも知られている。例え
ば、特開平６−２６０７２５号（特許第２７０８０８５
号）公報には、「活性領域を有するｐｎ接合またはｐｉ
ｎ接合構造の半導体素子の上部又は下部又はその両方に
磁性体電極を設け、該磁性体電極により活性領域にスピ
ン偏極した電子又は正孔を注入するようにした光半導体
素子」が開示されている。同様に、米国特許第５８７４
７４９号明細書・図面（特表平９−５０１２６６号公
報）には、「ヘテロ接合を形成する半導体層に、磁性体
層を通してスピン偏極電子を注入して、スピン偏極キャ
リアーを再結合させて円偏光を発振する光半導体装置」
が開示されている。この装置は、外部磁場による磁性体
の磁化反転によって円偏光を変調するものである。
【０００３】さらに、特開平１０−３２１９６４号公報
には、ｐ型コンタクト層およびｎ型コンタクト層の少な
くとも一方のコンタクト層に接合する強磁性層を形成す
ることによりキャリアーの反転分布状態を生じやすくし
た光半導体装置が開示されている。さらに、在来型の面
発光レーザに波長板を用いて右回り（σ＋）および左回
りの円偏光状態に調整した励起光を照射して円偏光レー
ザー発振させるスピン制御半導体レーザが知られている
（H.Ando et.al.Appl.Phys.Lett.73(1998)566)。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】円偏光スピン半導体レ
ーザーの産業応用として、生産技術への応用、情報通信
技術、スペクトロスコピー、ナノテクノロジー、量子操
作など多岐の産業応用が期待されていたにもかかわら
ず、従来、電流注入による円偏光の強力なレーザー光が
得られなかった。この理由は１００％スピン分極したｐ
型やｎ型半導体を作製することが出来なかったためであ
る。
【０００５】円偏光のスピン半導体レーザーを開発する
ためには、半導体の伝導帯がｓ電子バンド、価電子帯が
ｐ電子バンドとしたとき、注入される電子とホールのス
ピンが反平行であるレーザー構造を作製することが必要
になる。このような構造が作製できれば、双極子遷移機
構による選択則から、発光する光は完全な円偏光が可能
となる。
【０００６】本発明は、このような選択則を満たすｐ型
およびｎ型ハーフメタル強磁性半導体を形成し、これに
より活性層となる多重量子井戸を挟んで上記の問題を解
決して、円偏光のスピン半導体レーザーを開発すること
を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】円偏光スピン半導体レー
ザーを開発するためには、ｎ型磁性半導体から注入され
る電子とｐ型磁性半導体から注入されるホールのスピン
が反平行であるｐ・ｎ接合によるレーザー構造を作製
し、双極子遷移による選択則から、発光するレーザー光
を完全な円偏光にする必要がある。
【０００８】本発明者は、ｐ型ハーフメタル（磁気モー
メントの向きが一方向）強磁性半導体およびｎ型ハーフ
メタル強磁性半導体で活性層となる多重量子井戸を挟ん
で電流注入することにより該ｐ型およびｎ型強磁性半導
体を１００％上向きスピン、１００％下向きスピンにす
れば、電流注入により１００％円偏光のスピン半導体レ
ーザーを実現でき、上記課題を解決できることを見いだ
した。円偏光スピン半導体レーザーの発光波長は、強磁
性半導体の混晶化によるバンドギャップの制御、活性層
の超格子周期と幅、外部磁場、等を調整することによ
り、自由に制御することができる。
【０００９】すなわち、本発明は、酸化亜鉛(ＺｎＯ)、
III-V族化合物半導体、またはII-VI族化合物半導体を母
体として遷移金属原子を含む磁性半導体からなるｐ型の
ハーフメタル強磁性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性
半導体によって活性層となる多重量子井戸を両面から挟
み、電流注入によりスピン分極したホールと電子を該活
性層に導入し、円偏光したレーザー光を発生させること
を特徴とする磁性半導体を用いた円偏光スピン半導体レ
ーザーである。
【００１０】また、本発明は、ｐ型のハーフメタル強磁
性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれ
にソース、ドレイン、およびゲート絶縁体層を介してゲ
ートを設けたことを特徴とする上記の円偏光スピン半導
体レーザーである。また、本発明は、ｐ型のハーフメタ
ル強磁性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性半導体のそ
れぞれに電極を設けたことを特徴とする上記の円偏光ス
ピン半導体レーザーである。
【００１１】さらに、本発明は、上記の円偏光スピン半
導体レーザーを用いて、負または正の電圧を印加するこ
とにより作り出したｐ型およびｎ型ハーフメタル強磁性
半導体から注入した順方向にスピン分極したホールと逆
方向にスピン分極した電子を活性層において再結合させ
ることにより円偏光したレーザー光を発生させることを
特徴とするレーザー光の発生方法である。また、本発明
は、印加電圧を変えることによりｐ型ハーフメタル強磁
性半導体およびｎ型ハーフメタル強磁性半導体のスピン
分極度を制御し、これにより円偏光レーザー発光の出力
と偏光度を制御することを特徴とする上記のレーザー光
の発生方法である。
【００１２】また、本発明は、ｐ型のハーフメタル強磁
性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれ
に設けたソースとドレイン間に流れるスピン分極したホ
ールや電子の大きさを変えることにより円偏光レーザー
発光の出力を調整・制御することを特徴とする上記のレ
ーザー光の発生方法である。また、本発明は、外部磁場
を印加することにより、発光波長を制御することを特徴
とする上記のレーザー光の発生方法である。また、本発
明は、印加電圧を制御することにより、発光波長を制御
することを特徴とする上記のレーザー光の発生方法であ
る。
【００１３】また、本発明は、活性層の近傍におけるｐ
型およびｎ型領域におけるスピン・クラッド層のバリヤ
高について、超格子構造を用いて、これを制御すること
により発光波長を制御することを特徴とする上記のレー
ザー光の発生方法である。また、本発明は、活性層にお
ける多重量子井戸の井戸幅とゲート電圧を調整すること
により電子スピンのｇ値を変えて、外部磁場可変により
円偏光スピン半導体レーザーからの発光波長を制御する
ことを特徴とする上記のレーザー光の発生方法である。
【００１４】また、本発明は、ｐ型のハーフメタル強磁
性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれ
にソース、ドレイン、およびゲート絶縁体層を介してゲ
ートを設けた上記の円偏光スピン半導体レーザーを用い
て、ソースからドレインに向かってスピン注入する電子
またはホールのスピンの向きを揃えるため、ソースは薄
膜のハーフメタル強磁性半導体を反強磁性多層膜と積層
することにより磁区方向をピン留めすることを特徴とす
るレーザー光の発生方法である。
【００１５】また、本発明は、ｐ型のハーフメタル強磁
性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれ
にソース、ドレイン、およびゲート絶縁体層を介してゲ
ートを設けた上記の円偏光スピン半導体レーザーを用い
て、ソースからドレインに向かってスピン注入する電子
またはホールのスピンの向きを揃えるため、ソースをハ
ーフメタル強磁性半導体で作製し、磁区方向を制御する
ために強磁性永久磁石により磁区方向をピン留めするこ
とを特徴とするレーザー光の発生方法である。
【００１６】本発明の円偏光スピン半導体レーザーは、
生産技術、情報通信技術、スペクトロスコピー、ナノテ
クノロジー、量子操作など多岐の産業応用が可能にな
る。具体的なものとしては次のものが例示できる。
【００１７】（１）化学反応における異性体の識別と生
産技術への応用。 円偏光レーザー光を用いて、Ｄ型、Ｌ型の異性体の識別
と、これを用いて特定の異性体のみを製造するための反
応を制御する生産技術としての応用ができる。
【００１８】（２）円偏光選択性を用いた半導体超微細
加工への応用。 半導体の超微細加工において、紫外光円偏光レーザーを
用いて選択的な異性体反応と組合せることにより照射時
間と空間分解による反応制御法を用いて、ナノスケール
サイズの加工に利用する。
【００１９】（３）偏光選択性を用いた走査分光技術へ
の応用。 円偏光選択性とレーザーの直線性・操作性を利用表面の
円偏光選択性による構造や触媒などの化学反応を走査分
光と時間分解により、動的変化と構造を直接観察するた
めの分光技術への産業応用が開ける。
【００２０】（４）円偏光選択性を用いた異性体検出医
療。 円偏光選択性とレーザーの直進性を利用して、白内障の
初期段階での微細な異性体領域を検出するための医療検
査応用が可能になる。さらに、円偏光による反応選択性
を用いて、特定の異性体だけを反応・分解することによ
る白内障、緑内障などの異性体化に起源を持つ病気の治
療および初期段階の予防処置に応用できる。
【００２１】（５）円偏光による変調を利用した大容量
高度通信技術。 円偏光による右回り・左回りの変調を利用した大容量高
度情報通信技術への応用が可能となる。
【００２２】（６）ナノテクノロジーにおける円偏光電
子励起を用いた原子・分子操作技術。 半導体表面や酸化物表面において表面原子や吸着原子の
円偏光選択性を用いて選択的にレーザーにより電子励起
し、原子移動を誘起することによりナノテクノロジーの
ための超微細加工製造技術として用いることが出来る。
また、デバイス応用のため。
【００２３】（７）超高集積ナノ構造磁気メモリの診断
と分光。 円偏光選択性とレーザーの直線性を利用して、超微細な
磁区構造や超高密度磁気メモリ、磁気ランダムアクセス
メモリ(MRAM)などの磁区構造を直接観察するための分光
技術への産業応用が開ける。
【００２４】（８）円偏光を用いた量子ドットなどの超
構造における量子状態操作による量子コンピュータへの
応用。 電子の持っている電荷とは別のもう一つの自由度である
スピンを用いた量子計算に応用する。スピンは量子力学
的には上向きと下向きの二つの状態しか取り得ないので
情報を運んでいる。これらを制御するために、量子ドッ
トを並べてこれらに含まれる個々のスピンの向きを制御
するために円偏光選択性をもつＣＷレーザーを用いる。
【００２５】（９）量子通信への応用。 円偏光レーザーの円偏光性を用いて、二種の波動を重ね
合わせて、量子もつれ状態を実現し、盗聴などを相互作
用を量子的に観測することが出来る、安全な量子通信に
応用する。
【００２６】
【作用】伝導帯がｓ電子からなり、また価電子帯がｐ電
子からなる半導体において、注入される電子とホールの
スピンが反平行ならば、双極子遷移機構による選択則か
ら、完全な円偏光の発光が得られる。ＺｎＯ、II-VI属
化合物半導体、またはIII-V属化合物半導体中に遷移金
属原子の濃度を制御してドープした磁性半導体をベース
として、これらにアクセプターもしくはドナーをドーピ
ングすることにより作り出したｐ型およびｎ型ハーフメ
タル強磁性半導体、または、電界効果トランジスターに
おけるゲート電圧の大きさと符号を変えることにより、
電界効果を利用して作製したｐ型およびｎ型ハーフメタ
ル強磁性半導体、を用いて、電流注入により一方のスピ
ン方向にのみ分極したスピンコヒーレントなホールの流
れと、ホールとは逆のスピン方向に分極したスピンコヒ
ーレントな電子の流れを、それぞれｐ型およびｎ型磁性
半導体中に作り出し、互いに逆スピンをもつ伝導帯に入
った電子と価電子帯に入ったホールとをバンドギャップ
を調整できる多重量子井戸からなる活性層を介して高効
率で結合させることにより、選択則から、１００％円偏
光した連続発振（CW）レーザー光を発生させることがで
きる。
【００２７】図１に示すエネルギーダイアグラムを用い
て説明すると、図中のCBM（Conduction Band Minimum：
伝導帯の底）とVBM（Valence Band Maximum：価電子帯
のトップ）で示される発光の活性層としての多重量子井
戸とｐ型およびｎ型領域に配置するクラッド層は上記ｐ
型およびｎ型の１００％スピン分極した磁性半導体で挟
まれている。発光効率を上げるために、クラッド層と多
重量子井戸により発光させる。ｐ型およびｎ型磁性半導
体から矢印で示すように注入された逆向きスピンを持つ
ホールｈと電子ｅを活性層でスピン方向を互いに逆向き
に維持したまま高効率で結合させ完全に円偏光したレー
ザー光ｈνを発生することが出来る。電子とホールの結
合を実空間で高め、さらにＺｎＯやＧａＮなどの励起子
束縛エネルギー（それぞれ、６０ｍｅＶと２４ｍｅＶ）
と合わせて高効率の発光を行うことが出来る。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の円偏光スピン半導体レー
ザーは、第一の形態としては、電界効果トランジスター
におけるゲート電圧の大きさと符号を変えることによ
り、電界効果を利用して作製したｐ型ハーフメタル強磁
性半導体およびｎ型ハーフメタル強磁性半導体を用い
る。また、第二の形態としては、ＺｎＯ、II-VI属化合
物半導体、またはIII-V属化合物半導体中に遷移金属原
子の濃度を制御してドープした磁性半導体をベースとし
て、これらにアクセプターもしくはドナーをドーピング
することにより作り出したｐ型ハーフメタル強磁性半導
体およびｎ型ハーフメタル強磁性半導体を用いる。
【００２９】遷移金属原子を含む磁性半導体の母体のII
I-V族化合物半導体としては、ＧａＮ，ＧａＡｓ，Ｇａ
Ｐ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，
ＡｌＮ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ等が挙げられる。
また、II-VI族化合物半導体としては、ＺｎＳ，ＺｎＳ
ｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，
ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ等が挙げられる。
【００３０】酸化亜鉛ＺｎＯを母体とするｐ型磁性半導
体として、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｖ、ＺｎＯ：Ｃｒ、
またはスピングラス状態のＺｎＯ：Ｍｎ(1-x)Ｆｅ(x)、
ＺｎＯ：Ｃｒ(1-x)Ｍｎ(x)、また、ｎ型磁性半導体とし
て、ＺｎＯ：Ｆｅ、ＺｎＯ：Ｃｏ、ＺｎＯ：Ｎｉ、また
はスピングラス状態のＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｆｅ(1-
x)Ｍｎ(x)等を用いることができる。
【００３１】III-V族化合物半導体を母体とするｐ型磁
性半導体として、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳ
ｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＮ、Ａ
ｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ等にV、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｎ(1-
x)Ｆｅ(x)、またｎ型磁性半導体としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉおよびその合金等をドープしたものを用いることがで
きる。
【００３２】II-VI族化合物半導体をベースとするｐ型
磁性半導体として、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｃｄ
Ｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ
等にＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、またｎ型磁性半導体としてＭｎ、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびその合金等をドープしたもの
を用いることができる。
【００３３】発光の活性層として多重量子井戸とｐ型お
よびｎ型領域に配置するクラッド層を上記ｐ型およびｎ
型の磁性半導体で挟む。それぞれの磁性半導体層にＡｌ
２Ｏ３やＺｎＯからなる絶縁体膜を介してゲートを取り
付けるか、直接電極を取り付けて、電流注入する。これ
により、ｐ型およびｎ型磁性半導体から注入された逆向
きスピンを持つホールと電子を活性層でスピン方向を互
いに逆向きに維持したまま高効率で結合させ完全に円偏
光したレーザー光を発生することが出来る。印加電圧の
変化と磁性半導体の両端に配置したドメイン方向を揃え
たハーフメタル強磁性半導体からなる注入されるスピン
のスピン状態とスピン方向を制御する。
【００３４】完全に逆方向にスピン分極したホールと電
子を結合させ、劈開したキャビティーを用いることによ
り完全に円偏光した連続発振（ＣＷ）レーザー発光を得
ることができる。
【００３５】ｐ型ハーフメタル強磁性半導体およびｎ型
ハーフメタル強磁性半導体を作り出すため、ＺｎＯ、II
I-V族化合物半導体、またはII-VI族化合物半導体を母体
として、低温MBE(Molecular Beam Epitaxy)やMOCVDなど
の低温での非平衡結晶作製装置と原子レベルでの微細加
工技術を結合して、遷移金属原子、アクセプター原子、
ドナー原子、およびバンドギャップを制御するための非
磁性原子について濃度と置換位置に正しく置換するよう
に結晶学的位置を制御しつつ非平衡状態を利用して高濃
度、例えば１０〜４０％程度にドープして、混晶化によ
りこれを作製する。濃度と原子種によりバンドギャップ
や物性が制御できる。
【００３６】磁性半導体にアクセプターもしくはドナー
をドープすることにより円偏向レーザー発光の出力とと
もに偏光度を例えば、５０〜１００％の範囲で制御・調
整することができる。磁性半導体に含有させる遷移金属
原子（以下：ＴＭ）と他の非磁性原子を混晶化すること
により、円偏光スピン半導体レーザーからの発光波長を
制御することができる。例えば、Ｉｎ(x)Ｇａ(y)Ａｌ
(z)Ｎ：ＴＭ(1-x-y-z)、Ｚｎ(x)Ｍｇ(y)Ｏ：ＴＭ(1-x-
y)、Ｚｎ(x)Ｂｅ(y)Ｏ：ＴＭ(1-x-y)のように遷移金属
濃度と混晶化する非磁性原子の濃度で発光波長を制御す
る。
【００３７】外部磁場を印加することにより、円偏光ス
ピン半導体レーザーからの発光波長を制御することがで
きる。また、活性層における多重量子井戸の井戸幅とゲ
ート電圧を調整することにより電子スピンのｇ値を変え
て、外部磁場可変により円偏光スピン半導体レーザーか
らの発光波長を制御することができる。
【００３８】活性層の多重量子井戸は多重にした方が発
光効率が上がるが、あまり多いと製造が複雑化するの
で、好ましくは１重から５重までの多重化と量子井戸幅
を最適化することにより発光効率の高効率化をはかる。
円偏光スピン半導体レーザーの活性層近傍におけるｐ型
およびｎ型領域におけるスピン・クラッド層のバリヤ高
を合金化（混晶化）することにより超格子構造を用い
て、これを制御することにより、円偏光スピン半導体レ
ーザーからの発光波長を制御することができる。
【００３９】それぞれの層にゲート絶縁体膜を介してゲ
ートを取り付けて、ゲート電圧を変えて電界効果により
磁性状態を制御する場合、ゲート電圧の大きさと符号を
制御することにより磁性半導体のスピン制御を行い、作
り出したｐ型およびｎ型ハーフメタル強磁性半導体から
注入した順方向にスピン分極したホールと逆方向にスピ
ン分極した電子を量子井戸とクラッド層からなる多重量
子井戸からなる活性層において、高効率で再結合させ
る。
【００４０】ゲート電圧を変えることによりｐ型および
ｎ型ハーフメタル強磁性半導体のスピン分極度を制御
し、これにより円偏光レーザー発光の出力とともに偏光
度を例えば、５０〜１００％の範囲で制御することがで
きる。また、ゲート電圧を変えるとキャリア数とバンド
ギャップが変化し、円偏光スピン半導体レーザーからの
発光波長が変化する。
【００４１】ゲート電圧を変えることによりソースとド
レイン間に流れるスピン分極したホールや電子の大きさ
を変えることにより円偏光レーザー発光の出力を調整・
制御することができる。
【００４２】ソースからドレインに向かってスピン注入
する電子やホールのスピンの向きを揃えるため、反強磁
性多層膜上に強磁性層を積むとスピンの方向がピン留め
される。
【００４３】ソースからドレインに向かってスピン注入
する電子やホールのスピンの向きを揃えるため、ソース
をハーフメタル強磁性半導体で作製し、磁区方向を制御
するために強磁性永久磁石により磁区方向をピン留めす
ることができる。
【００４４】
【実施例】実施例１ 図２は、円偏光スピン半導体レーザをゲートバイアスを
用いた電界効果による電流注入型とした実施例の構造を
示す模式図である。図２に示すように、磁性半導体から
なるｐ型ハーフメタル強磁性半導体１の上部にソース
３、ドレイン４、ゲート絶縁体５を設け、ゲート絶縁体
５に接してゲート６を設けた。これにより、ゲート電圧
によりホールをドープして、強磁性ハーフメタル状態を
用いて、スピンドメイン方向を磁場もしくは反強磁性超
格子薄膜でピン留めしたソースから一方向にすべてスピ
ンを揃えたホールを注入する層（ｐ型ＤＭＳ）を構成し
た。
【００４５】一方、磁性半導体からなるｎ型ハーフメタ
ル強磁性半導体２の下部にソース７、ドレイン８、ゲー
ト絶縁体９を設け、ゲート絶縁体９を介してゲート１０
を設けた。これにより、ゲート電圧により電子をドープ
して、強磁性ハーフメタル状態を用いて、スピンドメイ
ン方向を磁場または反強磁性超格子薄膜でピン留めした
ソースから一方向にすべてスピンを揃えた電子を注入す
る層（ｎ型ＤＭＳ）を構成した。ゲート絶縁体５、９と
ｐ型磁性半導体１およびｎ型磁性半導体２との欠陥のな
い界面を作製した。これらのｐ型強磁性半導体およびｎ
型強磁性半導体の間にバンドギャップの小さい量子井戸
とクラッド層からなる活性層の多重量子井戸１１を配置
した。
【００４６】ＭＢＥ法により、ＧａＮに７５０℃でＣｒ
をドープしてｎ型強磁性ハーフメタルとＧａＮに７８０
℃でＭｎをドープして、p型強磁性ハーフメタルを形成
した。これらにＡｌ２Ｏ３からなるゲート絶縁体層をは
さみ、Ｐｔからなるゲート（Ｖｇ）をとりつけた。ま
た、ＧａＮ：ＣｒとＧａＮ：Ｍｎの間には、活性層とし
てＩｎまたはＡｌを５〜２０％ドープしたＩｎＧａＮと
ＡｌＧａＮからなる５重の多重量子井戸を形成した。ｐ
型クラッド層はＧａＮとＡｌ０．２５Ｇａ０．７ ５Ｎか
らなる多重量子井戸、またｎ型クラッド層はＧａＮとＡ
ｌ０．２Ｇａ０． ８Ｎからなる多重量子井戸とした。
【００４７】この円偏光スピン半導体レーザーによりレ
ーザー発振を行うと、円偏光した連続発振レーザー光１
２が発生し、図３に示すような発振スペクトルと、図４
に示すような、電流・出力特性が生じ、完全な円偏光が
観測された。
【００４８】実施例２ 図５は、円偏光スピン半導体レーザを電流注入型とした
実施例の構造を示す模式図である。図５に示すように、
ｐ型磁性半導体１およびｎ型磁性半導体２を用いて活性
層の多重量子井戸１１を挟み、発光効率を上げるために
ｐ型クラッド層１３及びｎ型のクラッド層１４で多重量
子井戸１１を挟んだ積層構造とし、これを基板１５上に
バッファ層１６を介して設けた。さらに、ｐ型磁性半導
体１に電極１７を、ｎ型磁性半導体２に電極１８を設け
た。
【００４９】Ａｌ２Ｏ３基板の上に４００℃でＳｉドー
プのｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファー層をＭＢＥ
法により成長し、その上に７９０℃でＧａＮを成長させ
つつ、Ｃｒをドープし、ｎ型強磁性ハーフメタルを形成
した。その上にｎ型クラッド層（ＧａＮとＡｌ０．２Ｇ
ａ０．８の多重量子井戸）を成長させ、その上にＩｎま
たはＡｌを５〜２０％混晶させたＩｎＧａＮとＡｌＧａ
Ｎからなる多重（５重）量子井戸活性層を形成し、さら
に、その上にｐ型クラッド層を作成した。これらの上に
７５０℃でＭｎをドープしたｐ型強磁性ハーフメタルＧ
ａＮ：Ｍｎを形成して、Ｐｔ電極をつけた。
【００５０】この円偏光スピン半導体レーザーに電流注
入することによりレーザー発振を行った。電流と出力、
および電圧と電流の依存性は図６に示すような関係にあ
り、ほぼ完全な円偏光が観測された。
【００５１】
【発明の効果】従来の円偏光半導体レーザーは、円偏光
の光励起によって、電子を励起してスピン偏極させ、こ
れにより、レーザー発光させるが、光励起のためスピン
軌道相互作用によるスピン偏極度が小さく、従って円偏
光度も小さかった。また、円偏光の光によって励起する
ため大きな装置となりデバイスに組み込むための小型化
が難しかった。本発明によれば、偏光度を制御できると
ともに、１００％円偏光レーザーを得ることができ、装
置を小型化できて種々のデバイス作製が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の円偏光スピン半導体レーザに
おける活性層のエネルギーダイヤグラムである。
【図２】図２は、実施例１の電場効果ゲートによる価電
子制御型の円偏光スピン半導体レーザの構造を示す模式
図である。
【図３】図３は、実施例１の円偏光スピン半導体レーザ
の発振スペクトルを示すグラフである。
【図４】図４は、実施例１の円偏光スピン半導体レーザ
の電流・出力特性を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例２の電流注入型円偏光スピン半
導体レーザの構造を示す模式図である。
【図６】図６は、実施例２の円偏光スピン半導体レーザ
の電圧・電流特性及び円偏光出力・電流特性を示すグラ
フである。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸化亜鉛(ＺｎＯ)、III-V族化合物半導
    体、またはII-VI族化合物半導体を母体として遷移金属
    原子を含む磁性半導体からなるｐ型のハーフメタル強磁
    性半導体とｎ型のハーフメタル強磁性半導体によって活
    性層となる多重量子井戸を両面から挟み、電流注入によ
    りスピン分極したホールと電子を該活性層に導入し、円
    偏光したレーザー光を発生させることを特徴とする磁性
    半導体を用いた円偏光スピン半導体レーザー。
  2. 【請求項２】 ｐ型のハーフメタル強磁性半導体とｎ型
    のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれにソース、ドレ
    イン、およびゲート絶縁体層を介してゲートを設け、ゲ
    ートバイアスによる電界効果を利用することを特徴とす
    る請求項１記載の円偏光スピン半導体レーザー。
  3. 【請求項３】 アクセプターもしくはドナーをドーピン
    グしたｐ型のハーフメタル強磁性半導体とｎ型のハーフ
    メタル強磁性半導体のそれぞれに電極を設けたことを特
    徴とする請求項１記載の円偏光スピン半導体レーザー。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の円
    偏光スピン半導体レーザーを用い、負または正の電圧を
    印加することにより作り出したｐ型およびｎ型ハーフメ
    タル強磁性半導体から注入した順方向にスピン分極した
    ホールと逆方向にスピン分極した電子を活性層において
    再結合させることにより円偏光したレーザー光を発生さ
    せることを特徴とするレーザー光の発生方法。
  5. 【請求項５】 印加電圧を変えることによりｐ型ハーフ
    メタル強磁性半導体およびｎ型ハーフメタル強磁性半導
    体のスピン分極度を制御し、これにより円偏光レーザー
    発光の出力と偏光度を制御することを特徴とする請求項
    ４記載のレーザー光の発生方法。
  6. 【請求項６】 ｐ型のハーフメタル強磁性半導体とｎ型
    のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれに設けたソース
    とドレイン間に流れるスピン分極したホールや電子の大
    きさを変えることにより円偏光レーザー発光の出力を調
    整・制御することを特徴とする請求項４記載のレーザー
    光の発生方法。
  7. 【請求項７】 外部磁場を印加することにより、発光波
    長を制御することを特徴とする請求項４記載のレーザー
    光の発生方法。
  8. 【請求項８】 印加電圧を制御することにより、発光波
    長を制御することを特徴とする請求項４記載のレーザー
    光の発生方法。
  9. 【請求項９】 活性層の近傍におけるｐ型およびｎ型領
    域におけるスピン・クラッド層のバリヤ高について、超
    格子構造を用いて、これを制御することにより発光波長
    を制御することを特徴とする請求項４記載のレーザー光
    の発生方法。
  10. 【請求項１０】 活性層における多重量子井戸の井戸幅
    とゲート電圧を調整することにより電子スピンのｇ値を
    変えて、外部磁場可変により円偏光スピン半導体レーザ
    ーからの発光波長を制御することを特徴とする請求項４
    記載のレーザー光の発生方法。
  11. 【請求項１１】 請求項２記載の円偏光スピン半導体レ
    ーザーを用いて、ソースからドレインに向かってスピン
    注入する電子またはホールのスピンの向きを揃えるた
    め、ソースは薄膜のハーフメタル強磁性半導体を反強磁
    性多層膜と積層することにより磁区方向をピン留めする
    ことを特徴とするレーザー光の発生方法。
  12. 【請求項１２】 請求項２記載の円偏光スピン半導体レ
    ーザーを用いて、ソースからドレインに向かってスピン
    注入する電子またはホールのスピンの向きを揃えるた
    め、ソースをハーフメタル強磁性半導体で作製し、磁区
    方向を制御するために強磁性永久磁石により磁区方向を
    ピン留めすることを特徴とするレーザー光の発生方法。
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