JP2006032569A - Spin filter and spinning state separating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態を分離するスピンフィルタおよびスピン状態分離方法に関する。 The present invention relates to a spin filter and a spin state separation method for separating spin states of carriers propagating in a semiconductor.
従来の半導体デバイスにおいては、電子の有する電荷の性質のみを用いてきた。電子は電荷とともにスピンの自由度を有すが、これまで、電子のもつスピンの性質を積極的に用いたデバイスはなかった。最近、半導体デバイスは、微細化の限界に到達しつつあり、電子の有する「電荷」と「スピン」を同時に利用することにより、従来にない機能を有する新しいデバイスを標榜したスピントロニクスの分野が注目されるようになってきた。半導体中でスピンデバイスを実現するには、(1)スピン偏極したキャリアの生成、(2)スピンの輸送、記憶、演算操作、(2)最終的なスピン状態の検出、という操作手法を確立する必要がある。 In the conventional semiconductor device, only the charge property of the electrons has been used. Electrons have a spin degree of freedom as well as an electric charge, but until now no device has actively used the spin properties of electrons. Recently, semiconductor devices are reaching the limit of miniaturization, and the field of spintronics has been attracting attention as a new device with an unprecedented function by simultaneously using the "charge" and "spin" possessed by electrons. It has come to be. In order to realize a spin device in a semiconductor, an operation method has been established: (1) generation of spin-polarized carriers, (2) spin transport, storage, arithmetic operation, and (2) final spin state detection. There is a need to.
このうち、半導体中にスピン偏極した電子を生成する最も確立された技術として、円偏光した光により価電子帯から伝導体にスピン偏極した電子を励起する方法がある。しかしながら、この方法の場合、選択則による制限により100%スピン偏極した電子を得るのは不可能であり、電子とともに正孔が対となって生成されるため、電子−正孔再結合によりスピンの緩和時間を充分長くすることができないという問題があった。 Among these, as the most established technique for generating spin-polarized electrons in a semiconductor, there is a method of exciting spin-polarized electrons from a valence band to a conductor with circularly polarized light. However, in this method, it is impossible to obtain 100% spin-polarized electrons due to the restriction by the selection rule, and holes are generated in pairs with electrons. There has been a problem that the relaxation time of cannot be made sufficiently long.
また、強磁性体電極から半導体へのスピン注入は、金属と半導体のコンダクタンスの違いから半導体中で大きなスピン偏極度を得るのは困難であることが理論的に指摘されている。このようなコンダクタンスの違いを克服する方法として、強磁性体と半導体の間にトンネルバリアを挿入する方法が提案されているが、現在のところ依然大きなスピン偏極度は得られていない。 Further, it has been theoretically pointed out that spin injection from a ferromagnetic electrode to a semiconductor makes it difficult to obtain a large degree of spin polarization in the semiconductor due to the difference in conductance between the metal and the semiconductor. As a method for overcoming such a difference in conductance, a method of inserting a tunnel barrier between a ferromagnet and a semiconductor has been proposed, but at present, a large degree of spin polarization has not been obtained.
最近、III族を一部Mnで置換したIII-V族希薄磁性半導体が合成できるようになってきたが、これに関しても、キャリアはp型で、スピン軌道相互作用の影響を受けスピン緩和が早く、また、強磁性転位温度(キュリー温度Tc)が室温以下(Tc=110K)であるという問題がある。 Recently, it has become possible to synthesize III-V dilute magnetic semiconductors in which Group III is partially substituted with Mn, but also in this regard, carriers are p-type and spin relaxation is fast due to the influence of spin-orbit interaction. Also, there is a problem that the ferromagnetic dislocation temperature (Curie temperature Tc) is below room temperature (Tc = 110 K).
このような状況の中、スピン偏極した電子の生成と輸送、スピン状態の検出という観点から、Stern−Gerlach効果(以下、SG効果と呼ぶ)を用いた不均一磁場によるスピンフィルタが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 Under such circumstances, from the viewpoint of generation and transport of spin-polarized electrons, and detection of the spin state, a spin filter using a non-uniform magnetic field using the Stern-Gerach effect (hereinafter referred to as SG effect) has been proposed. (For example, refer nonpatent literature 1).
図8は、SG効果を概念的に示す図である。Stern−Gerlach(1922)は、スピン1/2を持った銀(Ag)の原子をオーブン炉からスリットを介して取り出し、この不均一な磁場勾配を通過させる実験を行うことにより、上向きおよび下向きスピンをそれぞれ有する原子e1およびe2を空間的に分離することに成功した。 FIG. 8 is a diagram conceptually showing the SG effect. Stern-Gerlach (1922) developed a spin-up and down-spin by conducting an experiment in which silver (Ag) atoms having a spin 1/2 are removed from the oven furnace through a slit and passed through this non-uniform magnetic field gradient. Succeeded in spatially separating atoms e 1 and e 2 each having
尚、非特許文献1においては、このSG効果を用いて、GaAs(ガリウムヒ素)の一次元または二次元電子ガスと不均一磁場を組み合わせたスピンフィルタが提案されている。
しかしながら、上述したSG効果を用いたスピンフィルタは、半導体チャネルでの電子速度が速く、不均一磁場を通過する相互作用時間が短くなるため上向き、下向きスピンの充分な偏向角度が得られないため、実現するのは不可能であった。 However, since the spin filter using the SG effect described above has a high electron velocity in the semiconductor channel and the interaction time passing through the inhomogeneous magnetic field is short, a sufficient deflection angle of the upward and downward spins cannot be obtained. It was impossible to realize.
また、磁性体を用いた不均一磁場は、二次元電子ガスに垂直な成分をゼロにすることは困難であり、この磁場の垂直成分は電子に対するローレンツ力として作用するため、スピン上向き、下向きにかかわらず、一定方向に軌道を曲げる効果として働き、SG効果によるキャリアスピンの空間分離を防げるという問題点があった。 In addition, inhomogeneous magnetic field using a magnetic material, it is difficult to make the component perpendicular to the two-dimensional electron gas zero, and the perpendicular component of this magnetic field acts as Lorentz force on electrons, so spin upwards and downwards. Regardless, there is a problem that it works as an effect of bending the trajectory in a certain direction and prevents the carrier spin space separation due to the SG effect.
元々、SG効果の実験は、上述したように電荷ゼロでスピン1/2を持った銀の原子が用いて行われたため、電荷を持った原子あるいは電子のSG効果については、ローレンツ力を受けることからSG効果の検証は困難であることが、予言されてきた。その理由は、ローレンツ力によりスピンの偏向角度に不確定性が生じることによる。その理由は次の通りである。電磁気学によれば、磁場Bは、磁荷が存在しないため、▽・B=0を満たす。
ここで、簡単のため、図8の座標系において、∂Bx/∂x=0を仮定すると、y軸方向の磁場勾配∂By/∂yがゼロでなければ、キャリアの伝搬方向に垂直なz軸方向にもゼロでない磁場勾配∂Bz/∂z=−(∂By/∂y)が存在する(この場合、z方向の磁場成分の大きさ|∂Bz/∂z|は最大となる)。 Here, for the sake of simplicity, assuming that ∂B x / するとx = 0 in the coordinate system of FIG. 8, if the magnetic field gradient ∂B y / ∂y in the y-axis direction is not zero, it is perpendicular to the carrier propagation direction. There is also a non-zero magnetic field gradient ∂B z / ∂z = − (∂B y / ∂y) in the z-axis direction (in this case, the magnitude of the magnetic field component in the z direction | ∂B z / ∂z | Maximum).
このz軸方向の磁場勾配∂Bz/∂zの存在により、z軸方向に分布した電子は、異なった力を受け、スピン偏向角度に不確定性ΔφSGが生じることになる。即ち、電荷を持ったキャリアは、ローレンツ力を受けるため、スピン偏向角度に不確定性が生じ、この偏向角度の広がりがSG効果観測の本質的な問題点であることが指摘されている。 Due to the presence of the magnetic field gradient ∂B z / ∂z in the z-axis direction, electrons distributed in the z-axis direction receive different forces, and an uncertainty Δφ SG occurs in the spin deflection angle. That is, it is pointed out that carriers with electric charges are subjected to Lorentz force, and therefore the spin deflection angle is uncertain, and the widening of this deflection angle is an essential problem in the observation of the SG effect.
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、磁場や磁性体を一切用いなくても、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができるスピンフィルタおよびスピン状態分離方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem. The spin deflection angle is sufficient to separate different spin states of carriers propagating in a semiconductor without using any magnetic field or magnetic material. It is an object of the present invention to provide a spin filter and a spin state separation method that can obtain the above.
上記目的を達成するため、請求項1記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピンフィルタであって、前記キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネルと、前記半導体チャネルにゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、を有し、前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention according to claim 1 is a spin filter that separates carriers for each spin state of carriers propagating in a semiconductor, the semiconductor channel confining and propagating the carriers, and Gate voltage applying means for applying a gate voltage to the semiconductor channel, and the gate voltage causes a spatial gradient in a direction perpendicular to a direction in which the carriers propagate by the intensity of the spin-orbit interaction of the semiconductor channel. It is characterized by being controlled so as to be non-uniform.
請求項2記載の本発明は、請求項1記載の発明において、前記スピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なる層を挿入し、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the spin filter inserts layers having different thicknesses on the semiconductor channel, thereby providing a spatial gradient in the strength of the spin-orbit interaction. It is characterized by.
請求項3記載の本発明は、請求項1記載の発明において、前記ゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備えることにより、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the gate voltage application means includes a plurality of gate electrodes with different voltages to be applied, thereby providing a spatial gradient in the strength of the spin-orbit interaction. It is characterized by having it.
請求項4記載の本発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発明において、前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする。
The present invention according to
請求項5記載の本発明は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発明において、磁性材料を用いたスピン検出用の電極を出力側に有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, an electrode for spin detection using a magnetic material is provided on the output side.
請求項6記載の本発明は、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の発明において、磁性材料を用いたスピン注入用の電極を入力側に有することを特徴とする。 The present invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein an electrode for spin injection using a magnetic material is provided on the input side.
請求項7記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピン状態分離方法であって、前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬させる半導体チャネルに、ゲート電圧を印加し、前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とする。
The present invention according to
請求項8記載の本発明は、請求項7記載の発明において、前記半導体チャネルを備えるスピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なる層を挿入し、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the spin filter including the semiconductor channel according to the seventh aspect, a layer having a different thickness is inserted on the semiconductor channel, and the strength of the spin-orbit interaction is increased. It is characterized by having a gradient.
請求項9記載の本発明は、請求項7記載の発明において、前記ゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備えることにより、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the present invention, the gate voltage applying means for applying the gate voltage includes a plurality of gate electrodes having different voltages to be applied, thereby increasing the strength of the spin orbit interaction. It is characterized by a spatial gradient.
請求項10記載の本発明は、請求項7乃至9のいずれか1項に記載の発明において、前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the seventh to ninth aspects, an elastic scatterer is introduced into the semiconductor channel.
請求項11記載の本発明は、請求項7乃至10のいずれか1項に記載の発明において、磁性材料を用いた電極を出力側に備えて、前記キャリアのスピン状態を検出することを特徴とする。
The invention according to claim 11 is the invention according to any one of
請求項12記載の本発明は、請求項7乃至11のいずれか1項に記載の発明において、磁性材料を用いた電極を入力側に備えて、スピン偏極したキャリアを注入することを特徴とする。 A twelfth aspect of the present invention is the method according to any one of the seventh to eleventh aspects, wherein an electrode using a magnetic material is provided on the input side, and spin-polarized carriers are injected. To do.
本発明によれば、半導体チャネルのスピン軌道相互作用をゲート電圧により制御可能であるので、スピン軌道相互作用の空間的勾配を利用して、SG効果を半導体中で実現することができる。 According to the present invention, since the spin-orbit interaction of the semiconductor channel can be controlled by the gate voltage, the SG effect can be realized in the semiconductor by using the spatial gradient of the spin-orbit interaction.
この結果、磁場や磁性体を一切用いることなく、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができる。 As a result, a spin deflection angle sufficient to separate different spin states of carriers propagating in the semiconductor can be obtained without using any magnetic field or magnetic material.
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<基本的事項>
まず、本発明を実施する上での前提となる基本的事項について説明する。以下に説明する基本的事項は、本発明の全ての実施形態に共通である。
<Basic matters>
First, basic matters that are preconditions for carrying out the present invention will be described. The basic matters described below are common to all embodiments of the present invention.
スピン軌道相互作用は、Diracによって相対論的な考察から与えられているため、多くの場合無視できるが、III-V族半導体では、空間的な反転対称性の破れによるスピン軌道相互作用が無視できなくなる場合がある。Rashbaのスピン軌道相互作用は、半導体ヘテロ界面の作る電界に起因し、電子を閉じこめる量子井戸の形状が空間的に非対称になるにつれ電界の効果が強くなりスピン軌道相互作用が大きくなることが予想されていた。k・p摂動法によれば、スピン軌道相互作用の強さαは次式で与えられる(Th. Schaepers, G. Engels, J. Lange, Th. Klocke, M. Hollfelder, and H. Lueth, J. Appl. Phys.83,4324(1998)を参照)。
ここで、Ψ(z)は量子井戸の電子波動関数、Epはk・p摂動のバンドパラメータ、EFはフェルミエネルギー、moは自由電子の有効質量、EГ7(z)とEГ8(z)は、価電子帯のスピン分離バンドエネルギーとバンド端エネルギー、hはプランク定数に対応する。(1)式より、InAsやInSbなどの狭ギャップ半導体ほどスピン軌道相互作用が大きくなることが予想される。また、量子井戸を作るポテンシャルの傾きが大きければ、大きいほど、スピン軌道相互作用は大きくなる。発明者らは、シュブニコフ・ドハース振動に現れるビートの解析(T. Koga, J.Nitta, T.Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett.89,46801(2002)を参照)や、反弱局在効果の実験(Th. Schaepers, G. Engels, J. Lange, Th. Klocke, M. Hollfelder, and H. Lueth, J. Appl. Phys.83,4324(1998)を参照)から、量子井戸の対称性は、ゲート電圧によって変調可能であり、Rashbaスピン軌道相互作用はゲート電圧によって制御できることを確認した。 Where Ψ (z) is the electron wave function of the quantum well, E p is the band parameter of the k · p perturbation, E F is the Fermi energy, m o is the effective mass of free electrons, E Γ7 (z) and E Г8 ( z) corresponds to the spin separation band energy and band edge energy of the valence band, and h corresponds to the Planck constant. From the equation (1), it is expected that the narrow orbital semiconductor such as InAs and InSb increases the spin-orbit interaction. In addition, the larger the potential gradient that forms a quantum well, the greater the spin-orbit interaction. The inventors have analyzed the beat appearing in the Shubnikov-Dohers vibration (see T. Koga, J. Nitta, T. Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 89, 46801 (2002)) From experiments on weak localization effects (see Th. Schaepers, G. Engels, J. Lange, Th. Klocke, M. Hollfelder, and H. Lueth, J. Appl. Phys. 83,4324 (1998)) It was confirmed that the symmetry of the well can be modulated by the gate voltage, and the Rashba spin-orbit interaction can be controlled by the gate voltage.
図1(a)は、InAs層を挿入したInGaAs/InAlAs二次元電子ガスヘテロ構造のシュブニコフ・ドハース振動のゲート電圧依存性を示す図である。尚、実線が実験値、点線が理論値である。図1(b)は、シュブニコフ・ドハース振動に現れるビートの解析によって求めたスピン軌道相互作用αのキャリア濃度依存性を示す図であり、図1(a)の結果から算出されたスピン軌道相互作用αとキャリア濃度の関係を示している。ここで、キャリア濃度はゲート電圧に対応(例えば、Vg=0VはNs=2.45x1012cm-2、Vg=−0.7VはNs=1.7x1012cm-2に対応)しているので、ゲート電圧によってスピン軌道相互作用の強さαが制御可能であることを示している。尚、バックゲートとフロントゲートの2つのゲート電極をもちいることにより、キャリア濃度を変えることなく、量子井戸のポテンシャル形状のみを変化させることにより、スピン軌道相互作用が変化することも実験的に確認されている。 FIG. 1 (a) is a diagram showing the gate voltage dependence of the Shubnikov-Dohers oscillation of an InGaAs / InAlAs two-dimensional electron gas heterostructure with an InAs layer inserted. The solid line is the experimental value, and the dotted line is the theoretical value. FIG. 1B is a diagram showing the carrier concentration dependence of the spin-orbit interaction α obtained by analyzing the beat appearing in the Shubnikov-Dohers oscillation, and the spin-orbit interaction calculated from the result of FIG. The relationship between α and carrier concentration is shown. Here, the carrier concentration corresponds to the gate voltage (for example, Vg = 0V corresponds to Ns = 2.45 × 10 12 cm −2 , and Vg = −0.7 V corresponds to Ns = 1.7 × 10 12 cm −2 ). This shows that the strength α of the spin orbit interaction can be controlled by the gate voltage. It is also experimentally confirmed that the spin-orbit interaction changes by changing only the potential shape of the quantum well without changing the carrier concentration by using two gate electrodes of the back gate and the front gate. Has been.
Rashbaスピン軌道相互作用によりスピンの縮退がとけ、フェルミエネルギー付近では、上向き、下向きスピンのエネルギー差ΔRは、ΔR=±αkFで与えられる。ここで、kFはフェルミ波数に対応する。したがって、電子のg−因子とボーア電子μBにより、あたかも以下のような有効磁場を感じていることに相当する。
ここで、図8に示すSG効果について説明する。Zeeman効果による、ハミルトニアンは、磁場B中において次式で与えられる。 Here, the SG effect shown in FIG. 8 will be described. The Hamiltonian due to the Zeeman effect is given by the following equation in the magnetic field B.
Hz=sgμBB (3)
ここで、スピンs=±1/2、gはg−因子、μBはボーア磁子、Bが磁場を表す。このZeemanエネルギーの空間変化は、ポテンシャルの空間変化に対応し電子スピンに対する力を及ぼす。例えば、図8に示す磁場Bのy軸成分に空間的勾配を与えると
Here, spin s = ± 1/2, g is a g-factor, μ B is a Bohr magneton, and B is a magnetic field. This spatial change in Zeeman energy corresponds to the spatial change in potential and exerts a force on electron spin. For example, when a spatial gradient is given to the y-axis component of the magnetic field B shown in FIG.
の力を受けるが、y軸方向に対し上向き、下向きスピンはそれぞれ反対方向に力を受け、スピンがこの空間的な磁場勾配の中を伝搬する際、分離が生じる。このSG効果によるスピンの偏向角度φSGは以下のように与えられる。
ここで、Δtは、電子スピンが不均一磁場中を伝搬する時間に対応し、y軸方向に運動量Δpyの変化を生じることに対応している。pxは電子スピンのx軸方向の運動量成分、Fy・Δtは電子スピンがy軸方向に受ける力積である。 Here, Delta] t corresponds to the time the electron spin propagates in nonuniform magnetic field, which corresponds to result in a change in momentum Delta] p y in the y-axis direction. p x is the momentum component of the electron spin in the x-axis direction, and F y · Δt is the impulse that the electron spin receives in the y-axis direction.
本発明の要点はRashbaスピン軌道相互作用によって生じるスピン上向き下向きのエネルギー差ΔR=±αkFをゲート電圧によって空間勾配をもたせることによりスピン上向きキャリアと下向きキャリアに逆向きの力を与え、空間分離させスピンフィルタを構成することにある。これは、上述したSG効果と対比させて考えると、Rashbaスピン軌道相互作用に起因した有効磁場Beffをゲート電極により空間的勾配をもたせたスピンフィルタ機能を実現することに対応する。この場合においては、磁場Bの空間勾配が存在しないため、二次元電子化ガスに垂直なz軸方向の磁場をゼロにし、SG効果の妨げとなるローレンツ効果を排除できる。 The main point of the present invention is that by applying a spatial gradient to the spin upward energy difference Δ R = ± αk F generated by the Rashba spin-orbit interaction, a reverse force is applied to the spin upward carrier and the downward carrier, thereby separating the space. The spin filter. This corresponds to realizing a spin filter function in which the effective magnetic field B eff resulting from the Rashba spin orbit interaction is provided with a spatial gradient by the gate electrode when considered in contrast with the SG effect described above. In this case, since there is no spatial gradient of the magnetic field B, the magnetic field in the z-axis direction perpendicular to the two-dimensional digitized gas can be made zero, and the Lorentz effect that hinders the SG effect can be eliminated.
上述したように、従来の強磁性体が作る磁場勾配を用いたスピンフィルタでは、電子がスピンとともに電荷をもっていることから、二次元電子ガス平面(x−y平面)に垂直な磁場成分によりローレンツ力の影響を受け電子スピンの軌道が曲げられる効果を無視できず、スピンフィルタを構成することが困難であった。 As described above, in a conventional spin filter using a magnetic field gradient created by a ferromagnetic material, electrons have a charge together with spin, and therefore, the Lorentz force is generated by a magnetic field component perpendicular to the two-dimensional electron gas plane (xy plane). The effect of bending the electron spin trajectory cannot be ignored, and it is difficult to construct a spin filter.
これに対して、本発明では、Rashbaスピン軌道相互作用によるポテンシャルの勾配をもちいるため、外部磁場は一切必要としない。したがって、ローレンツ力により電子軌道が曲がる効果は全く無視できるものである。ヘテロ界面に起因した電界の方向をz軸方向とすると、Rashbaスピン軌道相互作用のハミルトニアンは、次式で与えられる。
ここで、σはパウリのスピンマトリックス、pは運動量に対応する。このRashbaハミルトニアンにより、電子の分散エネルギーは、
で与えられる。ここで、kは波数、m*は電子の有効質量である。スピン軌道相互作用αがy軸方向に空間的な勾配があると、式(7)は、以下のように表せる。
フェルミ波数kFでスピン上向き、下向きエネルギーは、それぞれ±αkFとなる。したがって、スピン軌道相互作用の強さαに空間的勾配α(y)を与えると、上向き、下向きスピンは、それぞれ反対方向に力を受け、次式のように表せる。
SG効果と同様にスピンの空間的分離が可能となる。このSG効果に起因したスピンの偏向角度φSGは、
で与えられる。ここで、Δt=L/vF、px=hkFである。尚、Lは半導体チャネルの長さ、vFはフェルミ速度である。 Given in. Here, Δt = L / v F and p x = hk F. L is the length of the semiconductor channel, and v F is the Fermi velocity.
チャネルの幅を0.5μm、図1の実験結果からこのチャネル幅にゲートによりスピン軌道相互作用の強さをΔα(y)=5×10-12[eVm]だけ変化させることは、充分可能である。スピン軌道相互作用がy軸方向に空間変化している領域をL=2μm、キャリア濃度をns=1×1011cm-2、有効質量m*=0.04とすると、フェルミ速度vFはvF=2.2×105m/sとなり、上の式に代入するとφSG=9.1[deg]が得られる。スピン軌道相互作用の空間変化する領域Lを長くすることにより、スピンの偏向角度を大きくすることが可能となる。例えば、L=5μmとすると、φSG=21.6degとなる。 It is sufficiently possible to change the strength of the spin orbit interaction by Δα (y) = 5 × 10 −12 [eVm] by the gate to the channel width from the experimental result of FIG. is there. When the region where the spin-orbit interaction is spatially changed in the y-axis direction is L = 2 μm, the carrier concentration is n s = 1 × 10 11 cm −2 , and the effective mass m * = 0.04, the Fermi velocity v F is v F = 2.2 × 10 5 m / s, and φ SG = 9.1 [deg] is obtained by substituting into the above equation. By lengthening the region L in which the spin-orbit interaction varies, the spin deflection angle can be increased. For example, if L = 5 μm, φ SG = 21.6 deg.
尚、上記基本的事項においては、Rashbaのスピン軌道相互作用を利用したスピンフィルタについて説明したが、本発明はRashbaのスピン軌道相互作用に限定されるものではなく、他のスピン軌道相互作用であってもゲート電圧により制御され得るため、他のスピン軌道相互作用を利用したスピンフィルタであってもよい。 In the above basic matter, the spin filter using the Rashba spin-orbit interaction has been described. However, the present invention is not limited to the Rashba spin-orbit interaction, but other spin-orbit interaction. However, since it can be controlled by the gate voltage, it may be a spin filter using other spin-orbit interaction.
<スピンフィルタの装置構成>
図2は、上述した基本的事項のもとに構成されたスピンフィルタ1の機能構成の概略を示すブロック図である。図2に示すスピンフィルタ1は、キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネル2、半導体チャネル2にゲート電圧を印加するゲート電圧印加部3、印加されたゲート電圧により半導体チャネル2のスピン軌道相互作用に空間勾配を生成させるスピン軌道相互作用空間勾配生成部4を備えている。
<Device configuration of spin filter>
FIG. 2 is a block diagram showing an outline of a functional configuration of the spin filter 1 configured based on the basic items described above. The spin filter 1 shown in FIG. 2 confines carriers and propagates the
半導体チャネル2は、キャリアの一つの空間次元方向に対する可動領域が他の二つの空間次元方向に対する可動領域に比べて無視できる程度に小さい二次元的な領域を有しており、キャリアはこの領域中で二次元電子ガスとして振舞う(以後、この二次元領域を「二次元電子ガスチャネル」と呼ぶ)。この二次元電子ガスチャネルは、例えば半導体量子井戸構造を形成することによってキャリアを二次元領域に閉じ込めている。このように空間一次元方向に幅の狭い半導体量子井戸構造は、よく知られているように、例えば具体的には、GaAsの薄膜の両面をAl0.3Ga0.7Asで挟んで積層したり、In0.53Ga0.47As薄膜の両面をInPで挟んで積層したりして構成することができる。
The
ゲート電圧印加部3は、ゲート電極下の半導体チャネル2に有効なゲート電圧を印加するものである。尚、ゲート電極は、トップゲート、バックゲートのいずれであってもよいし、トップゲート及びバックゲートの2つのゲート電極を備えるものであってもよい。
The gate
スピン軌道相互作用空間勾配生成部4は、本発明の特徴的な部位であり、具体的には、後述するように各態様が考えられる。以下、具体的なスピンフィルタの構成について説明する。
The spin orbit interaction space
図3(a)は、本発明の1実施例に係るスピンフィルタ10をz軸方向から見た概略図であり(上面図)、図3(b)は、図3(a)のA−B断面図である。
3A is a schematic view of the
図3(b)に示すように、スピンフィルタ10は、y軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層12を挿入することにより、二次元電子ガスチャネル14にかかる有効なゲート電圧の勾配が生じるため、ゲート電極11の下にある二次元電子ガスチャネル14のスピン軌道相互作用はy軸方向に空間的に勾配を生じるようになっている。従って、この空間を電子スピンがx軸方向に伝搬する間に、スピン上向きキャリアと下向きキャリアは逆方向に力を受け、スピンは空間的に分離する。例えば、ゲート電極11で覆われた後方にY型の分岐を設けておけば、端子T1には上向きスピン、端子T2には下向きスピンが流れ込む。
As shown in FIG. 3B, the
ここで、図3に示すように二次元電子ガスチャネル14の長さをL、幅をWとすると、Y型分岐で100%スピン偏極した電子を分離するための条件は、
tanφSG>W/L
である。例えば、L=2μmとすると、Wを1μm以下に充分細くすることは可能であり、一例として、φSG=22degであればW=0.8μmで上の条件は満たさせる。
Here, as shown in FIG. 3, if the length of the two-dimensional electron gas channel 14 is L and the width is W, the conditions for separating the 100% spin-polarized electrons in the Y-type branch are as follows:
tanφ SG > W / L
It is. For example, when L = 2 μm, it is possible to sufficiently reduce W to 1 μm or less. For example, if φ SG = 22 deg, W = 0.8 μm and the above condition is satisfied.
尚、スピン検出手段の構成は、上述したY型の分岐に限定されるものではなく、分離したスピン状態を図3のy軸方向に沿って測定することができるものであれば如何なる構成であってもよい。また、ゲート絶縁層12は、必ずしも絶縁体である必要はなく、半導体であってもよいものである。 The configuration of the spin detection means is not limited to the Y-type branch described above, and any configuration is possible as long as the separated spin state can be measured along the y-axis direction in FIG. May be. The gate insulating layer 12 is not necessarily an insulator, and may be a semiconductor.
図4は、本発明の1実施例に係るスピンフィルタ20をz軸方向から見た概略図である。上述したスピンフィルタ10は、y軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層12を挿入することにより、スピン軌道相互作用に空間的な勾配を持たせていたが、スピンフィルタ20は、y軸方向に複数の異なるゲート電圧を有するゲート電極21i(i=a,b,…,n;図4においては3つ)を備えることにより、スピン軌道相互作用に空間的な勾配を持たせるようにしたものである。それ以外の構成については、スピンフィルタ10と同様である。尚、本実施例以降においては、実施例1と異なる構成及び機能のみ説明し、その他の構成及び機能に関しては同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
FIG. 4 is a schematic view of the
図5は、本発明の1実施例に係るスピンフィルタ30をz軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ30は、スピンフィルタ10又は20の二次元電子ガスチャネル14にアンチ・ドットや人工的な不純物を導入し、キャリアである電子スピンの伝搬をドリフト速度に減速し、スピンの緩和長を長く保つようにしたものである。
FIG. 5 is a schematic view of the
ここで、半導体チャネル2にアンチ・ドットや人工的な不純物を導入する意義について説明する。
Here, the significance of introducing anti-dots or artificial impurities into the
一般的に、スピン軌道相互作用の強い系ではスピン緩和によりスピンの情報が長距離に渡って保持されないことが予言されている。しかしながら、最近のMonte Carloシミュレーションの手法をもちいた、Rashbaのスピン軌道相互作用のある2次元電子ガス系でスピンの緩和時間の計算によれば、アンチ・ドットなど人工的な弾性散乱体を導入することにより、電子の運動量緩和時間の1000倍以上までスピン緩和時間が長くなることが示されている。この結果は、スピン緩和機構がD’yakonov−Perel’機構に起因する場合、散乱によりスピンの歳差運動が抑えられ、緩和時間が長くなることに起因する。InGaAs系二次元電子ガスにおいては、スピン緩和にD’yakonov−Perel’機構が重要な役割を果たしていることを確認しており、チャネルに、人工的なアンチ・ドットや不純物散乱体を導入することによりスピン緩和を長くすることが可能となる(T. Koga, J.Nitta, T.Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett.89,46801(2002)を参照)。 In general, it is predicted that spin information is not retained for a long distance due to spin relaxation in a system with strong spin-orbit interaction. However, according to the calculation of spin relaxation time in a two-dimensional electron gas system with Rashba spin-orbit interaction using a recent Monte Carlo simulation technique, an artificial elastic scatterer such as an anti-dot is introduced. This indicates that the spin relaxation time is increased to 1000 times or more of the electron momentum relaxation time. This result is attributed to the fact that when the spin relaxation mechanism is caused by the D'yakonov-Perel 'mechanism, the spin precession is suppressed by scattering and the relaxation time becomes longer. In InGaAs-based two-dimensional electron gas, the D'yakonov-Perel 'mechanism has been confirmed to play an important role in spin relaxation, and artificial anti-dots and impurity scatterers should be introduced into the channel. Makes it possible to lengthen spin relaxation (see T. Koga, J. Nitta, T. Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 89, 46801 (2002)).
この場合、散乱体により電子スピンは、ドリフト速度vdで非一様スピン軌道相互作用領域を伝搬することになる。すると非一様スピン軌道相互作用領域における滞在時間Δtが長くなり、大きな偏向角度φSGを得ることができる。電子スピンが、ドリフト速度vdで伝搬する際、非一様スピン軌道相互作用領域で受ける力は、式(9)より
となるが、有効的なx軸方向の運動量も〈px〉=m*vdとなり、偏向角度は次式で与えられる。
式(12)は、式(10)のフェルミ速度vFがドリフト速度vdで置き換わったことになっており、チャネルを拡散的な系にすることにより、非一様スピン軌道相互作用領域における滞在時間Δtが長くなり、大きな偏向角度φSGを得るには、都合が良いことを示している。ちなみ、不純物散乱により電子移動度μが、μ=10,000cm2/Vs、x方向に電子を加速するための電界E=1/cmを印加したとするドリフト速度vd=100m/secとなり、Δα(y)=5×10-13[eVm]、L=1μmとしても大きな偏向角度φSG=82.5degが得られる。 Equation (12) is that Fermi velocity v F of equation (10) is replaced by drift velocity v d , and the channel stays in a non-uniform spin-orbit interaction region by making it a diffusive system. This shows that it is convenient to obtain a large deflection angle φ SG by increasing the time Δt. By the way, due to impurity scattering, the electron mobility μ becomes μ = 10,000 cm 2 / Vs, and the drift velocity v d = 100 m / sec when an electric field E = 1 / cm for accelerating electrons in the x direction is applied, Even when Δα (y) = 5 × 10 −13 [eVm] and L = 1 μm, a large deflection angle φ SG = 82.5 deg can be obtained.
図6は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ40をz軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ40は、スピンフィルタ10、20又は30の出力側の端子T1及びT2に磁性体電極を用いたもので、各磁性体電極のスピンを逆向きにすることにより、一方の端子のみにキャリアが流れるようにしたものである。例えば、図6においては、端子T1にのみ電流が流れるが、端子T2には電流は流れない。しかし、各磁性体電極に磁場を印加して、それぞれのスピンの向きを反転させると、今度は、端子T2に電流が流れ、端子T1には電流は流れない。
FIG. 6 is a schematic view of the
このように、スピンフィルタ40においては、出力側の磁性体電極を制御することで、端子間の電流を制御することが可能となっている。
Thus, in the
図7は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ50をz軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ50は、スピンフィルタ10、20又は30の入力側の端子T0に磁性体電極を用いたもので、端子T0から注入されたキャリアのスピンの向きにより出力側の端子T1又はT2のいずれか一方の端子のみにキャリアが流れるようにしたものである。例えば、図7においては、端子T1にのみ電流が流れるが、端子T2には電流は流れない。しかし、磁性体電極に磁場を印加して、スピンの向きを反転させると、今度は、端子T2に電流が流れ、端子T1には電流は流れない。
FIG. 7 is a schematic view of the
このように、スピンフィルタ50においては、入力側の磁性体電極を制御することで、端子間の電流を制御することが可能となっている。
Thus, in the
以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施例に対して種々の変形や変更を施すことができる。例えば、上記実施例においては、y軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層12を挿入することにより、又は、y軸方向に複数の異なるゲート電圧を有するゲート電極21iを備えることにより、ゲート電極11の下にある二次元電子ガスチャネル14のスピン軌道相互作用はy軸方向に空間的に勾配を生じるが、スピン軌道相互作用の空間的勾配を生成する方法はこれに限定されず、他の方法であってもよい。例えば、二次元電子ガスチャネル14のy軸方向の厚さを不均一にして、スピン軌道相互作用の空間的勾配を生成してもよいものである。 While the embodiments of the present invention have been described above, various modifications and changes can be made to the embodiments of the present invention without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, by inserting the gate insulating layers 12 having different thicknesses in the y-axis direction, or by providing the gate electrodes 21i having a plurality of different gate voltages in the y-axis direction, 11, the spin orbit interaction of the two-dimensional electron gas channel 14 below 11 has a spatial gradient in the y-axis direction, but the method of generating the spatial gradient of the spin orbit interaction is not limited to this, It may be a method. For example, the thickness of the two-dimensional electron gas channel 14 in the y-axis direction may be made nonuniform to generate a spatial gradient of the spin orbit interaction.
従って、本発明の実施の形態によれば、半導体チャネルのスピン軌道相互作用をゲート電圧により制御可能であるので、スピン軌道相互作用の空間的勾配を利用して、SG効果を半導体中で実現することができる。 Therefore, according to the embodiment of the present invention, since the spin orbit interaction of the semiconductor channel can be controlled by the gate voltage, the SG effect is realized in the semiconductor by using the spatial gradient of the spin orbit interaction. be able to.
この結果、磁場や磁性体を一切用いることなく、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができる。 As a result, a spin deflection angle sufficient to separate different spin states of carriers propagating in the semiconductor can be obtained without using any magnetic field or magnetic material.
また、半導体チャネルに弾性散乱体を導入することにより、スピンの緩和を充分に長くすることができるので、室温においても動作可能となる。 In addition, by introducing an elastic scatterer into the semiconductor channel, spin relaxation can be made sufficiently long, so that it can be operated even at room temperature.
1,10,20,30,40,50…スピンフィルタ
2…半導体チャネル
3…ゲート電圧印加部
4…スピン軌道相互作用空間勾配生成部
11,21i…ゲート電極
12…ゲート絶縁層
14…二次元電子ガスチャネル
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネルと、
前記半導体チャネルにゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、
を有し、前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とするスピンフィルタ。 A spin filter for separating carriers for each spin state of carriers propagating in a semiconductor,
A semiconductor channel that confines and propagates the carrier; and
Gate voltage applying means for applying a gate voltage to the semiconductor channel;
The strength of the spin orbit interaction of the semiconductor channel is controlled by the gate voltage so as to be nonuniform with a spatial gradient in a direction perpendicular to the direction of propagation of the carriers. Spin filter.
前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬させる半導体チャネルに、ゲート電圧を印加し、
前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とするスピン状態分離方法。 A spin state separation method for separating carriers for each spin state of carriers propagating in a semiconductor,
Applying a gate voltage to the semiconductor channel confining the carrier and propagating the carrier,
The spin state characterized by controlling the intensity of the spin-orbit interaction of the semiconductor channel by the gate voltage so as to be non-uniform with a spatial gradient in a direction perpendicular to the direction of propagation of the carriers. Separation method.
12. The spin state separation method according to claim 7, wherein an electrode using a magnetic material is provided on an input side, and spin-polarized carriers are injected.
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