JP2007258119A

JP2007258119A - スピン偏極電子発生装置

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Publication number: JP2007258119A
Application number: JP2006084303A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Nakanishi; 彊中西
Original assignee: Nagoya University NUC
Current assignee: Nagoya University NUC
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】従来のものより２桁以上高い電流密度のスピン偏極電子線を生成できるスピン偏極電子発生装置を提供する。
【解決手段】スピン偏極電子発生装置１０において、励起光入射装置４６は、スピン偏極電子発生素子２２の半導体基板６２側から励起光を入射し超格子半導体光電層６６に収束させるものであることから、直列的に配設された貫通孔を有するアノード電極、ソレノイドレンズ、偏向電磁石（スピンマニピュレータ）を順次通してスピン偏極電子発生素子の表面に励起光を収束させる従来の場合に比較して、励起光入射装置４６の収束レンズ５４とスピン偏極電子発生素子２２との間の焦点距離ｆを少なくとも１／１０程度に大幅に短縮できるので、スピン偏極電子発生素子２２に収束される励起光Ｌのスポット径を格段に小さくすることができ、高い電流密度のスピン偏極電子線Ｂを得ることができる。
【選択図】図１

Description

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スピン偏極電子発生装置の改良に関する。

スピン方向が２種類のうちの一方に偏在しているスピン偏極電子群から成る偏極電子線は、たとえば、高エネルギー素粒子の実験分野においては未発見の基本粒子を探索する次世代型電子線加速器において、また、物性物理の実験分野においては物質表面のナノサイズ磁区構造を探査する装置においてそれぞれ有効な手段として利用される。この偏極電子線は、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たスピン偏極電子発生素子を用い、そのスピン偏極電子発生素子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される。このスピン偏極電子発生素子としては、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歪みＧａＡｓ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（重い正孔）のサブバンドとライトホール（軽い正孔）のサブバンドとの間にエネルギー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、エネルギー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ーを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伝導帯に発生し、それを負の電子親和性を有する半導体素子の表面から真空中へ引き出すことにより、高いスピン偏極度を備えた電子線が得られるのである。

上記半導体光電層において、その歪み効果に超格子効果を加えたものが、歪み超格子構造の光電層である。超格子効果により価電子帯のヘビーホールとライトホールとのエネルギー準位が拡大され、高い偏極度を有するスピン偏極電子の生成が期待できる。たとえば、特許文献１に記載のスピン偏極電子発生素子がそれである。これら従来のスピン偏極電子発生素子では、半導体光電層が量子化されたエネルギー準位置を形成する歪み超格子により構成され、比較的高いスピン偏極度（偏極率）および量子効率ＱＥが得られることが実証されている。
特開２０００−９０８１７号公報

上記従来のスピン偏極電子発生素子を用いたスピン偏極電子発生装置では、スピン偏極電子発生素子を構成する半導体光電層の基板と隣接する表面とは反対側にある表面に励起光を入射させるとともにその表面から電子を取り出すように構成されている。たとえば図９はその一例のスピン偏極電子発生装置１００を示している。この従来のスピン偏極電子発生装置１００では、真空容器１１２内において、図示しない支持ブロックの端面に基板側が接する状態でカソード電極により保持されたスピン偏極電子発生素子１２２から、貫通孔を有するアノード電極１２４、ソレノイドレンズ１２６、偏向電磁石（スピンマニピュレータ）１２８が順次所定距離だけ離隔して直列的に配設され、励起光入射装置１４８から出力された励起光Ｌがそれらを順次通して入射されると、スピン偏極電子発生素子１２２の表面から引き出されたスピン偏極電子線Ｂは、同じ経路を逆方向に進行し、偏向電磁石１２８によって直角に曲げられた後、Ｍｏｔｔ散乱偏極度測定装置や投影型表面電子顕微鏡等へ送られる。

ところで、上記表面電子顕微鏡では、細く絞った低エネルギーのスピン偏極電子線を対象物の表面に入射させて走査することにより、その反射率分布のスピン依存性を高いＳ／Ｎ比で観測することにより、詳細な表面の情報を得ることができる特徴があるが、上記従来のスピン偏極電子線発生装置１００では、高いビーム輝度すなわち電流密度のスピン偏極電子線を得ることができず、例えば投影型表面電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）においては１画像を得るために十秒以上の時間が必要となり、実時間で対象物の表面を観察することが困難であった。

高い電流密度のスピン偏極電子線を得るためには、励起光を小さなスポット径（収束径）でスピン偏極電子発生素子に照射する必要があるのに対し、前述の従来のスピン偏極電子発生装置１００では、真空容器１１２内において、スピン偏極電子発生素子１２２から、貫通孔を有するアノード電極１２４、ソレノイドレンズ１２６、偏向電磁石（スピンマニピュレータ）１２８が順次所定距離だけ離隔して直列的に配設されているため、真空容器１１２の外部に位置する励起光入射装置１４８から出力された励起光Ｌが透明板１１９を通し且つそれらアノード電極１２４、ソレノイドレンズ１２６、偏向電磁石１２８を順次通して収束されるようにするために、励起光入射装置１４８の収束（対物）レンズ１５４からスピン偏極電子発生素子１２２までの距離ｆを十分に小さくできず、小さなスポット径（収束径）が得られないのである。

ここで、励起光入射装置の収束レンズとそのスピン偏極電子発生素子との距離が収束スポット径との関係は物理光学的に以下のように説明される。すなわち、一般に、レーザ光のスポット径Ｒは(1) 式からレーザ光の波長λと対物レンズの開口数ＮＡとで決定され、その開口数ＮＡは(2) 式から光路の屈折率ｎと角度θとで決定され、(2) 式の角度θは(3) 式から対物レンズの（有効）径ｒおよび焦点距離ｆとで決定される。これら(1) 式、(2) 式、(3) 式から、焦点距離ｆが小さくなると、角度θが大きくなってＮＡが大きくなるので、スポット径Ｒが小さくなる関係が導かれる。

Ｒ∝λ／ＮＡ・・・(1)
ＮＡ＝ｎ・sin θ ・・・(2)
θ＝ tan^-1( r/f) ・・・(3)

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、高い電流密度のスピン偏極電子線が得られるスピン偏極電子発生装置を提供することにある。

本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、真空容器内において保持されたスピン偏極電子発生素子の裏面から励起光を照射すると、励起光入射装置の収束レンズとそのスピン偏極電子発生素子との距離が大幅に短縮される結果、小さなスポット径で励起光をスピン偏極電子発生素子に収束でき、高い電流密度のスピン偏極電子ビームが得られることを着想した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、前記目的を達成するための請求項１に係る発明の要旨とするところは、基板の一面に結晶成長させられた格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する少なくとも一対の第１半導体層および第２半導体層が成長させられることにより構成されて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とを備えたスピン偏極電子発生素子と、そのスピン偏極電子発生素子の半導体光電層に励起光を入射させる励起光入射装置とを含み、その半導体光電層に励起光が収束されることによってその半導体光電層からスピン方向が偏在しているスピン偏極電子を発生させる形式のスピン偏極電子発生装置であって、前記励起光入射装置は、前記スピン偏極電子発生素子の基板側から前記半導体光電層に励起光を収束させるものであることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、請求項１に係る発明において、前記スピン偏極電子発生素子は、前記励起光のエネルギーよりも価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップエネルギーが大きい半導体基板と、その半導体基板の一面に結晶成長させられその半導体基板とは異なる格子定数を有するバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互にそのバッファ層の上に複数対成長させられることにより超格子構造として構成された半導体光電層とを備えていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、請求項２に係る発明において、(a) 前記バッファ層はＧａＡｓＰから構成され、(b) 前記半導体光電層は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層と前記第２半導体層としてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることにより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ー準位が形成された歪み超格子半導体光電層から構成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、(a) 前記基板はＧａＰから構成され、(b) 前記スピン偏極電子発生素子は、ＧａＰ基板型スピン偏極電子発生素子を構成することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、(a) 前記基板は前記励起光を該基板の厚み方向に通過させるために形成された貫通孔を備え、(b) 前記スピン偏極電子発生素子は、ピンホール型スピン偏極電子発生素子を構成することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至５のいずれかに係る発明において、(a) 前記スピン偏極電子発生素子は真空容器内に収容され、(b) 前記励起光入射装置は、レーザ光源と、該レーザ光源から出力されたレーザ光を円偏光に変換する素子と、該素子からの円偏光を前記スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に収束するための収束レンズとを備え、前記真空容器の窓口に設けられた透明板を通して前記スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に励起光を入射するものであることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明の要旨とするところは、請求項６に係る発明において、前記励起光入射装置の収束レンズは、前記真空容器内において前記透明板とスピン偏極電子発生素子との間に配置されていることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明の要旨とするところは、請求項６または７に係る発明において、(a) 前記スピン偏極電子線発生素子は、伝導帯を価電子帯側へ局部的に引き下げるバンドベンディングを形成するために相対的に高濃度のＰ型不純物がドープされたＧａＡｓ表面層を、前記半導体光電層の上に備えたものであり、(b) 前記真空容器内には、前記ＧａＡｓ表面層の表面を負の電子親和性表面とするために付着させるセシウムおよび酸素またはフッ化窒素を放出する装置が設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、励起光入射装置は、スピン偏極電子発生素子の基板側すなわち裏面側から前記半導体光電層に励起光を収束させるものであることから、直列的に配設された貫通孔を有するアノード電極、ソレノイドレンズ、偏向電磁石（スピンマニピュレータ）を順次通してスピン偏極電子発生素子の表面に励起光を収束させる場合に比較して、励起光入射装置の収束レンズとスピン偏極電子発生素子との間の距離を大幅に短縮できるので、スピン偏極電子発生素子に収束される励起光のスポット径を格段に小さくすることができ、高い電流密度のスピン偏極電子線を得ることができる。

また、請求項２に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、スピン偏極電子発生素子は、前記励起光のエネルギーよりも価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップエネルギーが大きい半導体基板と、その半導体基板の一面に結晶成長させられその半導体基板とは異なる格子定数を有するバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互にそのバッファ層の上に複数対成長させられることにより構成された半導体光電層とを備えていることから、スピン偏極電子発生素子の基板側から入射される励起光はその基板およびバッファ層によるエネルギー吸収を受けないで半導体光電層に到達でき、高い量子効率を得ることができる。

また、請求項３に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、(a) 前記バッファ層はＧａＡｓＰから構成され、(b) 前記半導体光電層は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層と前記第２半導体層としてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることにより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ー準位が形成された歪み超格子半導体光電層から構成されている。その歪み超格子層においては、各半導体の電子親和力およびバンドギャップエネルギーの相違により周期的なポテンシャルが形成されるが、各層が極めて薄いことにより生じるトンネル効果により、電子は量子的波動として伝播することができ、一層高い量子効率が得られる。また、上記ＧａＡｓ層とＧａＡｓＰ層とが交互に積層された超格子薄膜層から成る半導体光電層の照射には高いスピン偏極度が得られる波長たとえば７８０ｎｍ付近の波長の励起光が用いられるが、前記基板およびＧａＡｓＰから構成された上記バッファ層はそのよう波長の励起光のエネルギーＥ（＝ｈν）よりも大きいバンドギャップエネルギーを有するものであることから、基板側から励起光が入射されるとき、その励起光はその半導体基板およびバッファ層によって殆どエネルギー吸収されることなく半導体光電層に到達できるので、高い量子効率が確保される。

また、請求項４に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、(a) 前記基板はＧａＰから構成され、(b) 前記スピン偏極電子発生素子はＧａＰ基板型スピン偏極電子発生素子を構成するので、基板側から励起光が入射されるとき、その励起光はその半導体基板およびバッファ層によって殆どエネルギー吸収されることなく半導体光電層に到達できて、高い量子効率が確保される。

また、請求項５に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、(a) 前記基板は前記励起光を該基板の厚み方向に通過させるために形成された貫通孔を備え、(b) 前記スピン偏極電子発生素子は、ピンホール型スピン偏極電子発生素子を構成するので、基板側から励起光が入射されるとき、その励起光はその半導体基板によって殆どエネルギー吸収されることなく上記貫通孔を通して半導体光電層に到達できて、高い量子効率が得られる。

また、請求項６に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、(a) 前記スピン偏極電子発生素子は真空容器内に収容され、(b) 前記励起光入射装置は、レーザ光源と、該レーザ光源から出力されたレーザ光を円偏光に変換する素子と、該素子からの円偏光を前記スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に収束するための収束レンズとを備え、前記真空容器の窓口に設けられた透明板を通して前記スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に励起光を入射するものであるので、真空容器内に収容されたスピン偏極電子発生素子の基板側から励起光を入射させることができる。

また、請求項７に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、前記励起光入射装置の収束レンズは、前記真空容器内において前記透明板とスピン偏極電子発生素子との間に配置されていることから、その収束レンズと前記スピン偏極電子発生素子との間の距離を一層短縮できるので、励起光のスピン偏極電子発生素子に対する収束スポット径を一層小さくすることができる。

また、請求項８に係る発明のスピン偏極電子発生装置によれば、(a) 前記スピン偏極電子線発生素子は、表面近傍の伝導帯を価電子帯側へ局部的に引き下げるバンドベンディングを形成するために相対的に高濃度のＰ型不純物がドープされたＧａＡｓ表面層を、前記半導体光電層の上に備えたものであり、(b) 前記真空容器内には、前記ＧａＡｓ表面層の表面を負の電子親和性表面とするために付着させるセシウムおよび酸素またはフッ化窒素を放出する装置が設けられている。高濃度のＰ型不純物ドープによりスピン偏極電子発生素子の表層内に形成されたバンドベンディングによって仕事函数が低くされると共に、セシウムおよび酸素がＧａＡｓ表面層に付着させられてその表面層が負の電子親和性を持つにいたるので、スピン偏極電子発生素子内のスピン偏極電子が容易に引き出される。

以下、本発明の一実施例を、概念的な図面を参照しつつ説明する。なお、各図は概念図であるから、以下の実施例においても、細部の機械的構造や各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、スピン偏極電子線発生装置１０の構成を説明する概念図である。このスピン偏極電子線発生装置１０は、図示しない排気系に接続されて超高真空に維持される気密な真空容器１２を備えている。この真空容器１２は、励起光Ｌが入射される開口１４を形成する筒状のポート１６と、Ｍｏｔｔ散乱偏極度測定装置或いは投影型表面電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）などのスピン偏極電子線利用機器に接続されて真空容器１２内で発生させられたスピン偏極電子線Ｂをそれらの機器へ導くための筒状の接続用のポート１８とが設けられている。上記ポート１６の開口１４は、石英などの透光板１９によって気密に閉じられている。

上記排気系は、高真空とするために真空容器１２内を排気するターボポンプとロータリポンプとが直列に接続された粗排気系と、真空容器１２全体を２００℃程度でベーキングした後に排気して真空容器１２内を１０^-10Ｐａ台の超高真空とするためにイオンポンプとＮＥＧポンプとを用いる本排気系とから構成される。

上記真空容器１２には、図２に示す素子保持装置２０によって上記開口１４の中心位置となるように保持される偏極電子線発生素子２２と、図示しない支持装置によって支持されて上記偏極電子線発生素子２２からスピン偏極電子線Ｂを引き出すための電界を印加する円筒状のアノード電極２４と、アノード電極２４により引き出されたスピン偏極電子線Ｂを収束させるための円筒状のソレノイドレンズ２６と、前記取出口１４へ向かうように上記スピン偏極電子線Ｂの進行方向を直角に曲げて偏極電子のスピン軸を進行方向に対してたとえば直角とするための偏向電磁石（スピンマニピュレータ）２８とが、一直線上に所定の間隔で配置されている。また、真空容器１２において、上記ポート１８と偏向電磁石（スピンマニピュレータ）２８との間には、スピン偏極電子線Ｂのスピンの向き（方位角）を制御するための円筒状のソレノイドレンズ３０が配設されている。

図２に詳しく示すように、偏極電子源素子保持装置２０は、円筒状の一端部が外向きに突き出してポート１６に固定されているカソードホルダ３２と、そのカソードホルダ３２を介して真空容器１２のポート１６に固定されて上記偏極電子線発生素子２２をその両端面が露出するように周縁部で保持し位置決めする保持ブロック３４と、前記円筒状のアノード電極２４と同心となるように上記カソードホルダ３２に嵌め着けられたカソード電極３６とを備えている。カソード電極３６は周壁部３４ａと底壁部３６ｂとを有する有底円筒状を成し、その底壁部３６ｂは、偏極電子線発生素子２２の中央部を露出させるために中央部に貫通して形成された中央穴３６ｃと、外周部から中央穴３６ｃに向かうに従って薄くなる厚み形状とを備えている。前記アノード電極２４は、カソード電極３６へ向かうに従って小径となるテーパ形状を備え、上記中央穴３６ｃから露出した偏極電子線発生素子２２付近の電界強度が最も大きくなるようにされている。上記アノード電極２４およびカソード電極３６は、暗電流を抑制するためにその表面が鏡面仕上げされたものであり、たとえばステンレス鋼により構成される。

上記保持ブロック３４には、それにより保持されている偏極電子線発生素子２２の基板側表面すなわち裏面の中央部を露出させるために貫通して形成された貫通穴３８と、その貫通穴３８の外周側に位置して保持ブロック３４内に嵌め着けられた円筒状のヒータ４０とが設けられている。上記保持ブロック３４はたとえば偏極電子線発生素子２２の構成元素であるＧａＡｓに対して非反応性の金属材料たとえばモリブデン、タンタル等により構成されている。

また、真空容器１２のポート１６内には、偏極電子線発生素子２２の非基板側表面すなわち電子放出側表面を負の電子親和性（ＮＥＡ：Negative Electron Affinity) 表面とするために、アノード電極２４およびカソード電極３６付近でセシウムＣｓおよび酸素Ｏを放出するセシウム放出装置４４および図示はしていないが酸素Ｏを導入する装置がそれぞれ設けられている。セシウム放出装置４４は、たとえば、ＣｓＣｒＯ₄および還元剤がゲッター剤とともにニクロム製スリーブ内に収容されることにより構成され、そのヒータの通電加熱によりＣｓＣｒＯ₄を還元させることでセシウムＣｓを放出する。偏極電子線発生素子２２の清浄にされた電子放出側表面すなわちＧａＡｓ層から成る表面層の表面にセシウムＣｓおよび酸素Ｏが付加されることによりおよそ数原子層の厚さを持つ電気２重層ポテンシャルが形成されて真空順位が下げられる。すなわち、真空中へ伝導帯にある偏極電子が放出されるための電子親和性が負とされて、スピン偏極電子線Ｂを得るための量子効率が高められる。なお、酸素Ｏを導入する代りに、三フッ化窒素ＮＦ₃などのフッ化窒素を導入する装置を設けて、前記電子放出側表面にセシウムＣｓおよびフッ化窒素を付加しても、同様の効果が得られる。

前記励起光Ｌは、励起光入射装置４６により発生させられて偏極電子線発生素子２２の基板側表面すなわち裏面に入射させられるようになっている。励起光入射装置４６は、たとえばレーザ光源４８と、そのレーザ光源４８から出力されたレーザ光を直線偏光から円偏光に変換して励起光Ｌとするための直線偏光子５０およびλ／４波長板５２と、その励起光Ｌを収束させるためにカソードホルダ３２から透光板１９側へ突設されたレンズ支持部５６により前記アノード電極２４と同心に支持されることにより真空容器１２内に配置されたレンズ５４とを備え、収束レンズ５４は、ポート１６の開口１４を塞ぐように設けられた透光板１９および保持ブロック３４に形成された貫通穴３８を通して、励起光Ｌを小さなスポット径で偏極電子線発生素子２２の基板側から入射させ、超格子半導体光電層６６に収束させる。収束レンズ５４と偏極電子線発生素子２２との間の距離すなわち焦点距離ｆは、上記透光板１９の厚み寸法と保持ブロック３４の厚み寸法とを加えた値よりも大きいが、アノード電極２４、ソレノイドレンズ２６、および偏向電磁石（スピンマニピュレータ）２８を通して偏極電子線発生素子２２の非基板側表面に収束する場合に比較して、大幅に短縮されている。この装置例よりさらに収束レンズ５４と偏極電子線発生素子２２の距離を短くすることは可能であり、たとえば負の電子親和性表面処理（ＮＥＡ活性化）は別の真空容器で行った偏極電子線発生素子２２をロードロック機構によりカソード電極３６にセットする方式を採用すると円筒状のヒータ４０は不要となり、収束レンズ５４と偏極電子線発生素子２２との間の距離を数ｍｍ以内にすることができる。

前記偏極電子線発生素子２２は、図３に示すように、例えばＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Phase Epitaxy：有機金属化学気相エピタキシー）法等のよく知られた結晶成長技術によって、ＧａＰ半導体基板６２と、その上に順次結晶成長させられたグレーティドＧａＡｓＰバッファ層６３、ＧａＡｓＰバッファ層６４、超格子半導体光電層６６、および表面層６８を順次備えたものであり、ＧａＰ基板型（基板透過型）偏極電子線発生素子を構成している。

上記半導体基板６２は、例えば４００μm 程度の厚さのｐ−ＧａＰの単結晶または高濃度のＰを含有するｐ−ＧａＡｓＰ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たとえば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、この半導体基板６２を構成するＧａ_xＡｓ_yＰ_1-yは、励起光ＬのエネルギーＥ_L（＝ｈν）よりも大きいバンドギャップエネルギーを有するように、Ｐの混晶比（１−ｙ）が０．６程度以上と高く設定されており、励起光Ｌの吸収が可及的に小さくされている。

グレーティドＧａＡｓＰバッファ層６３は、Ｐの混晶比が順次低くされたＧａＡｓＰ多層膜であり、半導体基板６２の格子定数に近い値からＧａＡｓＰバッファ層６４の格子定数に近い値へ順次変化させられている。

ＧａＡｓＰバッファ層６４は、この上に成長させる超格子半導体光電層６６のＧａＡｓ層６６ａに歪みを与えるために、グレーティッドＧａＡｓＰバッファ６３の上に成長させられ、２μｍ程度の厚みを備え、上記同様にｐ型のドーパントであるたとえばＺｎ（亜鉛）が不純物としてドープされている。ＧａＡｓＰバッファ層６４のＰの混晶比（１−ｙ）はたとえば０．３４程度が採用され、この混晶比は超格子半導体光電層６６のＧａＡｓＰ層６６ｂのＰの混晶比と同一の値にとる。このＧａＡｓＰバッファ層６４は、エネルギーギャップが隣接する超格子半導体光電層６６のエネルギーギャップよりも大きくなるようにつくられるので励起光を吸収することはない。

上記超格子半導体光電層６６は、例えば３ｎｍ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たとえば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１．５×10¹⁸ (cm^-3)程度とされてバリア層として機能する第１半導体層６６a と、たとえば３ｎｍ程度の厚さであってＰの混晶比（１−ｙ）が０．３４であるｐ−ＧａＡｓ_0.66Ｐ_0.34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たとえば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１．５×10¹⁸ (cm^-3)程度とされて井戸層として機能する第２半導体層６６b との対が、その第１半導体層６６a がバッファ層６４側に位置する状態でたとえば１２層が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、３ｎｍ程度の極めて薄い第２半導体層６６b および第１半導体層６６a がバッファ層６４の上に成長させられると、図４に示すように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ー準位が形成される。また、それらバッファ層６４、第１半導体層６６a 、および第２半導体層６６b の相互の格子定数差に起因して、第１半導体層６６a には圧縮方向の歪みが発生し、その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、上記半導体光電層６６は歪超格子層とも称される。

前記表面層６８は、例えば５ｎｍ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）が不純物として相対的に高い濃度でドープされることによってキャリア濃度がたとえば６．０×10¹⁹ (cm^-3) 程度とされている。この表面層６８は、上記バッファ層６４や半導体光電層６６よりもキャリア濃度が高められることにより伝導帯のバンドバンディングを発生させて表面の電子親和性を低くし、その半導体光電層６６で発生した偏極電子線を真空中に取り出し易くする機能を備えている。

さらに偏極電子線を真空中に取り出し易くするために、真空容器１２内では、上記表面層６８の上に、セシウムと酸素またはフッ化窒素とを付加させることによっておおよそ数原子層のきわめて薄い厚さの電気二重層ポテンシャルを発生させ、電子親和度を負とするための電子親和性表面処理が施される。

上記のように構成された半導体光電層６６では、歪超格子から構成されているので、図４に示すように、３ｎｍ程度の極めて薄い第１半導体層６６a および第２半導体層６６b 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１０ｎｍ程度以下となるときに顕著とな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ー準位が形成されるとともに、それら第１半導体層６６a および第２半導体層６６b の相互の格子定数差に起因する歪みにより、重い正孔ミニバンドと軽い正孔ミニバンドとが、それらの間のバンドギャップδs で価電子帯が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。その重い正孔ミニバンドと軽い正孔ミニバンドとの間のバンドギャップδs は、量子井戸構造ではない歪みＧａＡｓの場合に対して、大幅に増加させられているために、高いスピン偏極度と量子効果が得られる。

上記のように重い正孔ミニバンドと軽い正孔ミニバンドとの間のバンドギャップδs が大きくなると、価電子帯の重い正孔ミニバンドと伝導帯との間のバンドギャップＥthと、価電子帯の軽い正孔ミニバンド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、価電子帯の重い正孔ミニバンド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許容波長帯域が大きくなるため、高いスピン偏極度および励起波長に対する広い許容幅が得られる。

上記のように構成される偏極電子線発生素子２２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たとえばジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を用い、ＭＯＶＰＥ装置によってたとえば６５０℃の成長温度下で半導体基板６２上にグレーティドバッファ層６３、ＧａＡｓバッファ層６４、半導体光電層６６、表面層６８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３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。

図５は、ＧａＡｓ基板上に前述と同様の半導体光電層６６および表面層６８が順次設けられた前面光入射型偏極電子線発生素子を用い、真空容器中において、アノード電極とカソード電極との間のギャップに高加速電圧を印加した状態で、可変波長レーザ（チューナブルレーザ）Ｌを用いて試料表面に照射する励起レーザ光（ＣＷの円偏光）Ｌの波長λ（ｎｍ）を変えていったときに表面から引き出された電子の偏極度或いは偏極率（％）を示すものである。この図にあるように、励起光の波長λが７８０ｎｍ付近であるとき、すなわち７６０〜８１０ｎｍの範囲、好適には７７０〜７９０ｎｍの範囲内において、８０％或いは８５％以上の高い偏極度が得られる。一方、量子効率ＧＥは、偏極電子線発生素子２２から引き出した電子数を入射した光子数で割った値であり、引き出した電流をＩ（μＡ）、照射レーザ光のパワーをＰ（ｍＷ）、照射レーザ光の波長をλ（ｎｍ）とすると、式：ＱＥ＝１．２４×Ｉ／Ｐλにより表される。図５の最大偏極度が得られた波長λが７８０ｎｍ付近の量子効率としては０．３％以上が得られることが実証されている。図６は、上記前面光入射型偏極電子線発生素子の量子効率ＱＥ（規格化値）の経過時間に伴う低下いわゆるＮＥＡ表面寿命が真空容器の真空度に強く依存することを示している。○印は、５．７×１０^-10Ｐａの真空状態における低下を示し、３．２×１０^-10Ｐａの真空状態の△印に比較して３倍（１５０時間）以上の寿命を示している。前述の本実施例のスピン偏極電子発生素子２２を用いた場合でも、上記図５および図６と同様またはそれ以上の性能が得られると考えられる。

上述のように、本実施例のスピン偏極電子発生装置１０によれば、励起光入射装置４６は、スピン偏極電子発生素子２２の半導体基板６２側すなわち裏面側から半導体光電層６６に励起光を収束させるものであることから、図９に示す直列的に配設された貫通孔を有するアノード電極１２４、ソレノイドレンズ１２６、偏向電磁石（スピンマニピュレータ）１２８を順次通してスピン偏極電子発生素子の表面に励起光を収束させる従来の場合に比較して、励起光入射装置４６の収束レンズ５４とスピン偏極電子発生素子２２との間の焦点距離ｆを、少なくとも１／１０程度と大幅に短縮できるので、スピン偏極電子発生素子２２に収束される励起光Ｌのスポット径を格段に小さくすることができ、高い電流密度のスピン偏極電子線Ｂを得ることができる。

また、本実施例のスピン偏極電子発生装置１０によれば、スピン偏極電子発生素子２２は、励起光Ｌのエネルギーよりも価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップエネルギーが大きい半導体基板６２と、その半導体基板６２の一面に結晶成長させられその半導体基板６２とは異なる格子定数を有するバッファ層６４と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層６６ａおよび第２半導体層６６ｂが交互にそのバッファ層６４の上に複数対成長させられることにより構成された半導体光電層６６とを備えているが、スピン偏極電子発生素子２２の半導体基板６２側から入射される励起光Ｌはそれらの半導体基板６２とバッファ層６４によるエネルギー吸収を受けないで半導体光電層６６に到達でき、高い量子効率を得ることができる。すなわち上記半導体基板６２とバッファ層６４は励起光のエネルギーＥ（＝ｈν）よりも大きいバンドギャップエネルギーを有することから、励起光を吸収することができないように設計されている。

また、スピン偏極電子生成用半導体光電層６６として、たとえば第１半導体層６６ａとしてのＧａＡｓ層と第２半導体層６６ｂとしてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されたものが挙げられる。この場合には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ー準位が形成された歪み超格子層から構成され、その歪み超格子層における各半導体の電子親和力およびバンドギャップエネルギーの相違により形成される周期的なポテンシャル幅が薄いことから、電子は量子的波動として伝播することができ、高い量子効率が得られる。

また、本実施例のスピン偏極電子発生装置１０によれば、スピン偏極電子発生素子２２の基板６２はＧａＰから構成され、そのスピン偏極電子発生素子２２はＧａＰ基板型スピン偏極電子発生素子を構成するので、基板６２側から励起光が入射されるとき、その励起光はその半導体基板６２およびＧａＡｓＰバッファ層６４によって殆どエネルギー吸収されることなく半導体光電層６６に到達できて、高い量子効率が確保される。

また、本実施例のスピン偏極電子発生装置１０によれば、励起光入射装置４６は、レーザ光源４８と、そのレーザ光源４８から出力されたレーザ光を円偏光に変換する素子５０、５２と、その素子５０、５２からの円偏光をスピン偏極電子発生素子２２の半導体光電層６６に収束するための収束レンズ５４とを備えたものであり、前記スピン偏極電子発生素子２２が収容された真空容器１２の窓口１４に設けられた透明板１９を通してそのスピン偏極電子発生素子２２の半導体光電層６６に励起光Ｌを入射させるものであることから、真空容器内に収容されたスピン偏極電子発生素子の基板側から励起光を入射させることができる。

また、本実施例のスピン偏極電子発生装置１０によれば、励起光入射装置４６の収束レンズ５４は、真空容器１２内において透明板１９とスピン偏極電子発生素子２２との間に配置されていることから、その収束レンズ５４とスピン偏極電子発生素子２２との間の距離ｆを一層縮少できるので、励起光のスピン偏極電子発生素子２２に対する光収束スポット径を一層小さくすることができる。

また、本実施例のスピン偏極電子発生装置１０によれば、スピン偏極電子線発生素子２２は、相対的に高濃度のＰ型不純物がドープされたＧａＡｓ表面層６８を半導体光電層６６の上に備えているので、表面近傍の伝導帯を価電子帯側へ局部的に引き下げるバンドベンディングによって仕事函数が低くされると共に、セシウム放出装置４４および酸素導入装置から放出されたセシウムおよび酸素がＧａＡｓ表面層６８に付着させられてそのＧａＡｓ表面層６８の表面が負の電子親和性とされるので、スピン偏極電子発生素子２２内の伝導帯に励起されたスピン偏極電子が容易に引き出される。

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実施例相互間で共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、スピン偏極電子発生素子２２の他の変形例を示している。この変形例ではスピン偏極電子発生素子２２の半導体基板６２は、従来と同様のＧａＡｓから構成されている他は、図３に示す例と同様に構成されている。本実施例の半導体基板６２は、たとえば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たとえば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、半導体基板６２の中央部には、厚み方向に貫通する貫通孔７０が形成されている。本実施例のスピン偏極電子発生素子２２は、上記半導体基板６２を厚み方向に貫通して形成された貫通穴７０を備えていることからピンホール型スピン偏極電子発生素子を構成するので、基板側から励起光Ｌが入射されるとき、その励起光Ｌは貫通孔７０を通過することによりその半導体基板によって殆どエネルギー吸収されることなく上記貫通孔を通して半導体光電層に到達できて、高い量子効率が得られる。

図８は、励起光入射装置４６の他の例を示している。本実施例において、励起光入射装置４６の収束レンズ５４は、真空容器１２の外側にされている他は、前述の実施例と同様に構成されている。本実施例においても、図９に示す従来の装置に比較して、その収束レンズ５４とスピン偏極電子発生素子２２との間の収束（焦点）距離ｆを短縮できるので、励起光Ｌのスピン偏極電子発生素子２２に対する収束スポット径を小さくすることができ、高い電流密度のスピン偏極電子線Ｂを得ることができる。

以上、本発明の一実施例について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。

例えば、前述のスピン偏極電子発生装置１０では、球形の真空容器１２が用いられ、その中央部には、スピン偏極電子のスピン軸を進行方向に対して直角とするためにスピン偏極電子線Ｂの向きを９０度変更するための偏向電磁石（スピンマニピュレータ）２８が設けられていたが、スピン偏極電子線Ｂの向きを変えないでスピン偏極電子のスピン軸を進行方向に対して直角とすることが可能な直線型スピンマニピュレータが用いられる場合には、直線上に配列された、スピン偏極電子発生素子２２、アノード電極２４、ソレノイドレンズ２６、スピンマニピュレータ２８が収容された円筒状の真空容器が用いられ得る。

また、前述のスピン偏極電子発生素子２２では、半導体基板６２の上にグレーディドバッファ層６３、バッファ層６４、半導体光電層６６、表面層６８が順次積層されることにより構成されていたが、基板として適当なＰの混晶比を持つＧａＡｓＰを用いる場合にはグレーディドバッファ層６３は必ずしも設けられていなくてもよい

また、前述の実施例においては、偏極電子線発生素子２２では、ｐ型不純物がドーピングされることにより、半導体基板６２、グレーディドバッファ層６３、バッファ層６４、半導体光電層６６、表面層６８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、表面層を除いては、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。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子２２において、活性層である半導体光電層６６を挟んだ一対の反射層が設けられてもよい。この一対の反射層は、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（ＤＢＲ）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。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子２２において、半導体基板６２、バッファ層６４および表面層６８の各々の厚さ、格子定数はあくまでも例示であり、必要に応じて適宜変更され得る。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子２２において、第１半導体層６６a および第２半導体層６６b の厚みは、３ｎｍ程度とされていたが、４ｎｍ程度とするなど、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。それぞれの層の厚みやＧａＡｓＰ層のＰの混晶比等はスピン偏極度と量子効率の両方を高くするために調整すればよい。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子２２に備えられた半導体光電層６６を構成する第１半導体層６６a および第２半導体層６６b の厚みは、３ｎｍ程度と同じ厚み度とされていたが、相互に異なる厚みであってもよい。

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。

本発明の一実施例のスピン偏極電子発生装置の構成を説明するための概念図である。図１の偏極電子線発生装置の一例の要部を拡大して詳細に説明する図である。図１の偏極電子線発生装置の真空容器内に設けられるスピン偏極電子発生素子の構成を説明する図である。図１の実施例のスピン偏極電子発生装置に用いられている偏極電子線発生素子の半導体光電層および表面層において形成されるエネルギーギャップを説明する図である。図１のスピン偏極電子発生装置に用いる偏極電子線発生素子を図９に例として示す従来型の偏極電子源に装着して調べた励起光Ｌの波長λと偏極率（％）との関係を示す図である。図１に示す偏極電子発生装置の真空容器の真空度の良否が量子効率の寿命（時間的低下）に大きな影響を持つことを示すデータである。図では規格化量子効率と経過時間との関係を示してある。本発明の他の実施例であって、偏極電子線発生素子の他の構成例を説明する図である。本発明の他の実施例であって、励起光入射装置の他の構成例を説明する図である。従来のスピン偏極電子発生装置の構成を説明するための模式図である。

符号の説明

１０：スピン偏極電子発生装置
１２：真空容器
１９：透明板
２２：偏極電子線発生素子
４４：セシウム酸素放出装置
４６：励起光入射装置
４８：レーザ光源
５４：収束レンズ
６２：半導体基板（基板）
６４：バッファ層
６６：超格子半導体光電層（半導体光電層）
６６ａ：第１半導体層（バリア層）
６６ｂ：第２半導体層（井戸層）
６８：表面層
７０：貫通孔

Claims

基板の一面において結晶成長させられた格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する少なくとも一対の第１半導体層および第２半導体層が成長させられることにより構成されて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たスピン偏極電子発生素子と、該スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に励起光を入射させる励起光入射装置とを含み、該半導体光電層に励起光が収束されることによって該半導体光電層からスピン方向が偏在しているスピン偏極電子を発生させる形式のスピン偏極電子発生装置であって、
前記励起光入射装置は、前記スピン偏極電子発生素子の基板側から前記半導体光電層に励起光を収束させるものであることを特徴とするスピン偏極電子発生装置。
前記スピン偏極電子発生素子は、前記励起光のエネルギーよりも価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップエネルギーが大きい半導体基板と、該半導体基板の一面に結晶成長させられ該半導体基板とは異なる格子定数を有するバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互に該バッファ層の上に複数対成長させられることにより構成された半導体光電層とを備えていることを特徴とする請求項１のスピン偏極電子発生装置。
前記バッファ層はＧａＡｓＰから構成され、
前記半導体光電層は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層と前記第２半導体層としてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることにより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ー準位が形成された歪み超格子半導体光電層から構成されていることを特徴とする請求項２のスピン偏極電子発生装置。
前記基板はＧａＰから構成され、
前記スピン偏極電子発生素子は、ＧａＰ基板型スピン偏極電子発生素子を構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかのスピン偏極電子発生装置。
前記基板は前記励起光を該基板の厚み方向に通過させるために形成された貫通孔を備え、
前記スピン偏極電子発生素子は、ピンホール型スピン偏極電子発生素子を構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかのスピン偏極電子発生装置。
前記スピン偏極電子発生素子は真空容器内に収容され、
前記励起光入射装置は、レーザ光源と、該レーザ光源から出力されたレーザ光を円偏光に変換する素子と、該素子からの円偏光を前記スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に収束するための収束レンズとを備え、前記真空容器の窓口に設けられた透明板を通して前記スピン偏極電子発生素子の半導体光電層に励起光を入射するものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかのスピン偏極電子発生装置。
前記励起光入射装置の収束レンズは、前記真空容器内において前記透明板とスピン偏極電子発生素子との間に配置されていることを特徴とする請求項６のスピン偏極電子発生装置。
前記スピン偏極電子線発生素子は、伝導帯を価電子帯側へ局部的に引き下げるバンドベンディングを形成するために相対的に高濃度のＰ型不純物がドープされたＧａＡｓ表面層を、前記半導体光電層の上に備えたものであり、
前記真空容器内には、前記ＧａＡｓ表面層に負の電子親和性を持たせるために、ＧａＡｓ表面層付着させるセシウムおよび酸素またはフッ化窒素を放出する装置が設けられていることを特徴とする請求項６または７のスピン偏極電子発生装置。