JP2020136576A - Circular polarization emission diode - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、円偏光発光ダイオードに関する。 The present disclosure relates to circularly polarized light emitting diodes.
現在、光の偏光や位相を扱う光学技術の発展は目覚しく、円偏光を直接発光する光源として、半導体ＬＥＤ構造と強磁性体金属とを組み合わせた円偏光発光ダイオードが検討されている。 At present, the development of optical technology for handling the polarization and phase of light is remarkable, and a circularly polarized light emitting diode that combines a semiconductor LED structure and a ferromagnetic metal is being studied as a light source that directly emits circularly polarized light.
半導体ＬＥＤ構造と強磁性体金属とを単に直接接合しても、電気伝導度が大きく相違するため、強磁性体中のスピンの揃った電子を効率良く半導体ＬＥＤ構造中に入れることができない。そこで、トンネル伝導を利用して、強磁性体中のスピンの揃った電子を半導体ＬＥＤ構造中に入れることが検討されており、トンネル絶縁膜として、１ｎｍ程度の結晶性に優れた酸化アルミニウムの酸化膜を、半導体ＬＥＤ構造と強磁性体金属との間に配置することにより、室温で純粋な円偏光を生成する発光ダイオード素子が提案されている（非特許文献１）。 Even if the semiconductor LED structure and the ferromagnetic metal are simply directly bonded, the electrical conductivity is significantly different, so that electrons having a uniform spin in the ferromagnetic material cannot be efficiently put into the semiconductor LED structure. Therefore, it has been studied to put electrons having uniform spins in a ferromagnet into a semiconductor LED structure by using tunnel conduction, and oxidation of aluminum oxide having excellent crystallinity of about 1 nm as a tunnel insulating film. A light emitting diode element that produces pure circular polarization at room temperature by arranging a film between a semiconductor LED structure and a ferromagnetic metal has been proposed (Non-Patent Document 1).
酸化アルミニウム層は、半導体ＬＥＤ構造の砒化ガリウム層上に直接アルミニウム層をエピタキシャル成長させ、エピタキシャル成長させたアルミニウム層を自然酸化させることにより形成することができる。格子が揃った結晶化したアルミニウム層を酸化することにより、格子が揃った結晶化した酸化アルミニウム層を得ることができる。このようにして、強磁性体中のスピンの揃った電子を半導体ＬＥＤ構造中に入れることによって、実質的に１００％の円偏光を発光するＬＥＤを作製することができる。 The aluminum oxide layer can be formed by epitaxially growing an aluminum layer directly on the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure and spontaneously oxidizing the epitaxially grown aluminum layer. By oxidizing the crystallized aluminum layer with a uniform lattice, a crystallized aluminum oxide layer with a uniform lattice can be obtained. In this way, by inserting the spin-aligned electrons in the ferromagnet into the semiconductor LED structure, it is possible to manufacture an LED that emits substantially 100% circularly polarized light.
しかしながら、純粋円偏光発光時、円偏光発光ダイオード全体に１０Ｖ程度の電圧がかかり、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウム層に１０〜２０ＭＶ／ｃｍの電界がかかる。この電界の大きさはサファイアに絶縁破壊が起きる電界強度と同程度であり、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウム層の結晶性を高品質にしても、絶縁破壊により発光が消失し得るため、歩留まりが低いという課題があった。 However, during pure circularly polarized light emission, a voltage of about 10 V is applied to the entire circularly polarized light emitting diode, and an electric field of 10 to 20 MV / cm is applied to the aluminum oxide layer of the tunnel insulating film. The magnitude of this electric field is about the same as the electric field strength at which dielectric breakdown occurs in sapphire, and even if the crystallinity of the aluminum oxide layer of the tunnel insulating film is high, light emission can be lost due to dielectric breakdown, so the yield is low. There was a problem.
また、円偏光発光ダイオードの発光面となる端面や膜中に漏れ電流が流れて非発光再結合が増加すること、及びトンネル絶縁膜となる酸化膜を自然酸化により形成する際に、トンネル絶縁膜に隣接する半導体層中に酸素が拡散して外部量子効率が低下することにより、純粋円偏光発光を得るために大きな電流密度が必要であった。 Further, when a leakage current flows through the end face or the film which is the light emitting surface of the circularly polarized light emitting diode to increase non-emission recombination, and when the oxide film which becomes the tunnel insulating film is formed by natural oxidation, the tunnel insulating film is formed. Oxidation diffuses in the semiconductor layer adjacent to the semiconductor layer, and the external quantum efficiency decreases, so that a large current density is required to obtain pure circularly polarized light emission.
そのため、低電流密度での純粋円偏光生成及び歩留まりが向上した円偏光発光ダイオードが求められている。 Therefore, there is a demand for a circularly polarized light emitting diode having improved pure circular polarization generation and yield at a low current density.
上記問題を解決するために、本発明者は鋭意研究を行い、トンネル絶縁膜として、酸化アルミニウム層と半導体ＬＥＤ構造の砒化ガリウム層との間に、絶縁性が高い砒化アルミニウムの半導体層を配置した構造を見出した。図１に、本開示の円偏光発光ダイオードの一例の断面模式図を示す。 In order to solve the above problem, the present inventor conducted diligent research and arranged a semiconductor layer of aluminum arsenide having high insulation property between the aluminum oxide layer and the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure as a tunnel insulating film. I found the structure. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure.
本開示は、ダブルヘテロ構造、前記ダブルヘテロ構造上に配置されたトンネル絶縁膜、及び前記トンネル絶縁膜上に配置された強磁性体電極を有する円偏光発光ダイオードであって、
前記トンネル絶縁膜が、砒化アルミニウム層及び前記砒化アルミニウム層上に配置された酸化アルミニウム層を含み、
前記ダブルヘテロ構造が、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つ前記トンネル絶縁膜の前記砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む、
円偏光発光ダイオードを対象とする。
The present disclosure is a circularly polarized light emitting diode having a double heterostructure, a tunnel insulating film arranged on the double heterostructure, and a ferromagnetic electrode arranged on the tunnel insulating film.
The tunnel insulating film includes an aluminum arsenide layer and an aluminum oxide layer arranged on the aluminum arsenide layer.
The double heterostructure comprises gallium, aluminum, and arsenic, and includes a gallium arsenide layer arranged at a position in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film.
The target is circularly polarized light emitting diodes.
本発明によれば、低電流密度での純粋円偏光生成及び歩留まりが向上した円偏光発光ダイオードを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a circularly polarized light emitting diode having improved pure circular polarization generation and yield at a low current density.
本開示は、ダブルヘテロ構造、前記ダブルヘテロ構造上に配置されたトンネル絶縁膜、及び前記トンネル絶縁膜上に配置された強磁性体電極を有する円偏光発光ダイオードであって、前記トンネル絶縁膜が、砒化アルミニウム層及び前記砒化アルミニウム層上に配置された酸化アルミニウム層を含み、前記ダブルヘテロ構造が、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つ前記トンネル絶縁膜の前記砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む、円偏光発光ダイオードを対象とする。 The present disclosure is a circularly polarized light emitting diode having a double heterostructure, a tunnel insulating film arranged on the double heterostructure, and a ferromagnetic electrode arranged on the tunnel insulating film, wherein the tunnel insulating film is , The aluminum oxide layer and the aluminum oxide layer arranged on the aluminum arsenide layer, the double heterostructure contains gallium, aluminum, and arsenic, and is arranged at a position in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film. The target is a circularly polarized light emitting diode containing a gallium arsenide layer.
本開示の円偏光発光ダイオードによれば、トンネル絶縁膜中の酸化アルミニウム層の結晶性を向上することができる。 According to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, the crystallinity of the aluminum oxide layer in the tunnel insulating film can be improved.
従来、半導体ＬＥＤ構造の砒化ガリウム層上に接して酸化アルミニウム層を形成する場合は、酸素が砒化ガリウム層中に拡散して、砒化ガリウム層の最表面に酸化ヒ素の層が形成されてしまう。この場合、酸化ヒ素と酸化アルミニウムとは結晶構造が大きく相違するので、酸化アルミニウム層の結晶性が低下してしまう。 Conventionally, when an aluminum oxide layer is formed in contact with a gallium arsenide layer of a semiconductor LED structure, oxygen diffuses into the gallium arsenide layer and an arsenic oxide layer is formed on the outermost surface of the gallium arsenide layer. In this case, since the crystal structures of arsenic oxide and aluminum oxide are significantly different, the crystallinity of the aluminum oxide layer is lowered.
これに対して、半導体ＬＥＤ構造の砒化ガリウム層上に砒化アルミニウム層を下地に配置する場合は、砒化アルミニウム層上に接してアルミニウム層を形成し、アルミニウム層を酸化して酸化アルミニウムを形成する。このアルミニウム層を酸化する際に、下地の砒化アルミニウム層の表面は酸化して酸化アルミニウムの層が形成される。砒化アルミニウム層の表面が酸化して形成される酸化アルミニウム層と、その上に接して配置される酸化アルミニウム層とは、結晶構造が同じであるので、結晶性が高い酸化アルミニウム層を得ることができる。 On the other hand, when the aluminum arsenide layer is arranged on the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure as a base, the aluminum layer is formed in contact with the aluminum arsenide layer, and the aluminum layer is oxidized to form aluminum oxide. When the aluminum layer is oxidized, the surface of the underlying aluminum arsenide layer is oxidized to form an aluminum oxide layer. Since the aluminum oxide layer formed by oxidizing the surface of the aluminum arsenide layer and the aluminum oxide layer arranged in contact with the aluminum oxide layer have the same crystal structure, it is possible to obtain a highly crystalline aluminum oxide layer. it can.
また、本開示の円偏光発光ダイオードによれば、絶縁性が高い砒化アルミニウム層をトンネル絶縁膜の下地に配置しているので、膜中及び端面に漏れ電流が流れることを抑制することができる。 Further, according to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, since the aluminum arsenide layer having high insulating properties is arranged under the tunnel insulating film, it is possible to suppress the leakage current from flowing in the film and the end face.
さらには、本開示の円偏光発光ダイオードによれば、酸化アルミニウム層と半導体ＬＥＤ構造との間に砒化アルミニウム層を配置した構造を有するため、アルミニウム層を酸化して酸化アルミニウム層を形成する際に、半導体ＬＥＤ構造の半導体層への酸素の拡散を抑制することができる。 Further, according to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, since it has a structure in which the aluminum arsenide layer is arranged between the aluminum oxide layer and the semiconductor LED structure, when the aluminum layer is oxidized to form the aluminum oxide layer. , It is possible to suppress the diffusion of oxygen into the semiconductor layer of the semiconductor LED structure.
このように、本開示の円偏光発光ダイオードによれば、酸化アルミニウム層と半導体ＬＥＤ構造の砒化ガリウム層との間に絶縁性が高い砒化アルミニウム層が配置され、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウム層の結晶性が向上し、膜中及び端面への漏れ電流が抑制され、半導体ＬＥＤ構造の半導体層への酸素の拡散が抑制される。これらに効果により従来よりも、トンネル絶縁膜の絶縁破壊が抑制されて大幅に歩留まりが向上し、且つ大幅に小さい電流密度で純粋円偏光発光を得ることができる。 As described above, according to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, the aluminum arsenide layer having high insulation property is arranged between the aluminum oxide layer and the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure, and the crystal of the aluminum oxide layer of the tunnel insulating film is arranged. The property is improved, leakage current in the film and to the end face is suppressed, and diffusion of oxygen into the semiconductor layer of the semiconductor LED structure is suppressed. Due to these effects, the dielectric breakdown of the tunnel insulating film is suppressed, the yield is significantly improved, and pure circularly polarized light can be obtained with a significantly smaller current density than in the past.
本開示の円偏光発光ダイオードは、好ましくは５０％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上の円偏光度を示す。本願において、前記好ましい範囲の円偏光度を、純粋円偏光という。円偏光度とは、右回り円偏光及び左回り円偏光のエレクトロルミネッセンス強度の合計に対する右回り円偏光または左回り円偏光のエレクトロルミネッセンス強度が占める割合をいう。 The circularly polarized light emitting diode of the present disclosure preferably exhibits a degree of circular polarization of 50% or more, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more. In the present application, the degree of circular polarization in the preferable range is referred to as pure circular polarization. The degree of circular polarization refers to the ratio of the electroluminescence intensity of clockwise or counterclockwise circular polarization to the total electroluminescence intensity of clockwise and counterclockwise circular polarization.
酸化アルミニウムは、ＡｌＯｘで表され、ｘは好ましくは１．０〜１．５である。砒化アルミニウムは、ＡｌＡｓで表される。 Aluminum oxide is represented by AlOx, where x is preferably 1.0 to 1.5. Aluminum arsenide is represented by AlAs.
本開示の円偏光発光ダイオードは、ダブルヘテロ構造を有する。砒化アルミニウム層及び酸化アルミニウム層を含むトンネル絶縁膜とダブルヘテロ構造との組み合わせにより、高い発光効率を得ることができる。 The circularly polarized light emitting diode of the present disclosure has a double heterostructure. High luminous efficiency can be obtained by combining a tunnel insulating film containing an aluminum arsenide layer and an aluminum oxide layer with a double heterostructure.
ダブルヘテロ構造は、砒化ガリウム系のダブルヘテロ構造であり、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つトンネル絶縁膜の砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む。 The double heterostructure is a gallium arsenide-based double heterostructure, which contains gallium, aluminum, and arsenic, and includes a gallium arsenide layer arranged at a position in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film.
ダブルヘテロ構造は、図１に例示するｎ型半導体が強磁性体電極側に配置されるＰＩＮ構造、またはＮＩＰ構造であることができる。 The double heterostructure can be a PIN structure or a NIP structure in which the n-type semiconductor illustrated in FIG. 1 is arranged on the ferromagnetic electrode side.
ダブルヘテロ構造は、好ましくはＰＩＮ構造である。強磁性体電極からスピンの揃った電子を、ダブルヘテロ構造の半導体ＬＥＤ構造中に入れるため、トンネル絶縁膜の砒化アルミニウム層に接するダブルヘテロ構造の層は、ｎ型半導体であるｎ型砒化ガリウムが好ましい。電子はホールよりも緩和時間が長いので、ダブルヘテロ構造中の発光層まで、電子はスピンが揃ったまま到達することができる。 The double heterostructure is preferably a PIN structure. In order to insert electrons with uniform spins from the ferromagnetic electrodes into the semiconductor LED structure of the double heterostructure, the layer of the double heterostructure in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film is made of n-type gallium arsenide, which is an n-type semiconductor. preferable. Since the electrons have a longer relaxation time than the holes, the electrons can reach the light emitting layer in the double heterostructure with the spins aligned.
ダブルヘテロ構造は、より好ましくは、ｐ型砒化アルミニウムガリウム層、ｐ型砒化ガリウム層、ｎ型砒化アルミニウムガリウム層、及びｎ型砒化ガリウム層を含むＰＩＮ構造を有し、ダブルヘテロ構造のｎ型砒化ガリウム層上に接してトンネル絶縁膜の砒化アルミニウム層が配置される。この場合、ｐ型砒化ガリウム層が発光層となる。 The double heterostructure more preferably has a PIN structure including a p-type aluminum gallium arsenide layer, a p-type gallium arsenide layer, an n-type aluminum gallium arsenide layer, and an n-type gallium arsenide layer. An aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film is arranged in contact with the gallium layer. In this case, the p-type gallium arsenide layer becomes the light emitting layer.
ｐ型砒化アルミニウムガリウム層の砒化アルミニウムガリウムは、ｐ−ＡｌaＧａbＡｓで表され、好ましくは、ａは０．１０〜０．４５、ｂは０．５５〜０．９０である。ｐ型砒化アルミニウムガリウム層は、好ましくはＣ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｓｉ、またはそれらの組み合わせがドープされている。ｐ型砒化アルミニウムガリウム層には、好ましくは、１×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ3のドーパントがドープされている。 aluminum gallium arsenide of the p-type aluminum gallium arsenide layer is represented by p-Al a Ga b As, preferably, a is 0.10 to 0.45, b is from 0.55 to 0.90. The p-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with C, Be, Zn, Si, or a combination thereof. The p-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 / cm 3 .
ｐ型砒化ガリウム層の砒化ガリウムは、ｐ−ＧａＡｓで表される。ｐ型砒化ガリウム層は、好ましくはＣ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｓｉ、またはそれらの組み合わせがドープされている。ｐ型砒化ガリウム層には、好ましくは、１×１０１７ 〜１×１０１８／ｃｍ3のドーパントがドープされている。 The gallium arsenide in the p-type gallium arsenide layer is represented by p-GaAs. The p-type gallium arsenide layer is preferably doped with C, Be, Zn, Si, or a combination thereof. The p-type gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1 × 10 17 to 1 × 10 18 / cm 3 .
ｎ型砒化アルミニウムガリウム層の砒化アルミニウムガリウムは、ｎ−ＡｌcＧａdＡｓで表され、好ましくは、ｃは０．１０〜０．４５、及びｄは０．５５〜０．９０である。ｎ型砒化アルミニウムガリウム層は、好ましくはＳｎ、Ｓｉ、Ｔｅ、またはそれらの組み合わせがドープされている。ｎ型砒化アルミニウムガリウム層には、好ましくは、１×１０１6 〜１×１０１８／ｃｍ3のドーパントがドープされている。 aluminum gallium arsenide of the n-type aluminum gallium arsenide layer is represented by n-Al c Ga d As, preferably, c is 0.10 to 0.45, and d is 0.55 to 0.90. The n-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with Sn, Si, Te, or a combination thereof. The n-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1 × 10 16 to 1 × 10 18 / cm 3 .
ｎ型砒化ガリウム層の砒化ガリウムは、ｎ−ＧａＡｓで表される。ｎ型砒化ガリウム層は、好ましくはＳｎ、Ｓｉ、Ｔｅ、またはそれらの組み合わせがドープされている。ｎ型砒化ガリウム層には、好ましくは、１×１０１8 〜５×１０１9／ｃｍ3のドーパントがドープされている。 The gallium arsenide in the n-type gallium arsenide layer is represented by n-GaAs. The n-type gallium arsenide layer is preferably doped with Sn, Si, Te, or a combination thereof. The n-type gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1 × 10 18 to 5 × 10 19 / cm 3 .
ダブルヘテロ構造は、好ましくは拡散防止層を含む。拡散防止層は、例えば、ｐ型砒化ガリウム層とｎ型砒化アルミニウムガリウム層との間に配置され、ドーパントの拡散を防止することができる。拡散防止層は、好ましくはノンドープの砒化アルミニウムガリウム層である。 The double heterostructure preferably comprises an anti-diffusion layer. The diffusion prevention layer is arranged, for example, between the p-type gallium arsenide layer and the n-type aluminum gallium arsenide layer, and can prevent the diffusion of the dopant. The anti-diffusion layer is preferably a non-doped aluminum gallium arsenide layer.
ノンドープの砒化アルミニウムガリウム層は、好ましくはＡｌeＧａfＡｓで表され、ｅは０．１０〜０．４５、ｆは０．５５〜０．９０である。 Aluminum gallium arsenide layer of undoped are preferably represented by Al e Ga f As, e is 0.10 to 0.45, f is from 0.55 to 0.90.
ダブルヘテロ構造は、単結晶基板上に形成することができる。単結晶基板として、例えば、図１に例示するような（１００）面を有するｐ型砒化ガリウム基板を用いることができる。 The double heterostructure can be formed on a single crystal substrate. As the single crystal substrate, for example, a p-type gallium arsenide substrate having a (100) plane as illustrated in FIG. 1 can be used.
ダブルヘテロ構造は、単結晶基板とクラッド層との間に、バッファ層を含んでもよい。単結晶基板上に、表面が平坦なバッファ層をエピタキシャル成長させ、その上にクラッド層をエピタキシャル成長させることにより、結晶性が良好なクラッド層を形成することができる。単結晶基板とクラッド層との間に配置されるバッファ層として、例えばｐ型砒化ガリウム層を用いることができる。バッファ層としてのｐ型砒化ガリウム層も、好ましくは、ＧａＡｓで表され、上記同様の種類及び量のドーパントがドープされている。 The double heterostructure may include a buffer layer between the single crystal substrate and the clad layer. By epitaxially growing a buffer layer having a flat surface on a single crystal substrate and epitaxially growing a clad layer on the buffer layer, a clad layer having good crystallinity can be formed. As the buffer layer arranged between the single crystal substrate and the clad layer, for example, a p-type gallium arsenide layer can be used. The p-type gallium arsenide layer as the buffer layer is also preferably represented by GaAs, and is doped with the same type and amount of dopant as described above.
砒化アルミニウム層の厚みは、好ましくは２．０ｎｍ〜２．８ｎｍ、より好ましくは２．０ｎｍ〜２．４ｎｍである。砒化アルミニウム層の厚みは２．２ｎｍ以上であってもよい。砒化アルミニウム層の厚みが前記好ましい範囲内にあることにより、表面がより平坦な砒化アルミニウム層を得ることができ、その上に形成する酸化アルミニウム層の結晶性を向上することができる。 The thickness of the aluminum arsenide layer is preferably 2.0 nm to 2.8 nm, more preferably 2.0 nm to 2.4 nm. The thickness of the aluminum arsenide layer may be 2.2 nm or more. When the thickness of the aluminum arsenide layer is within the above preferable range, an aluminum arsenide layer having a flatter surface can be obtained, and the crystallinity of the aluminum oxide layer formed on the layer can be improved.
酸化アルミニウム層の厚みは、好ましくは０．２ｎｍ〜１．０ｎｍ、より好ましくは０．６ｎｍ〜１．０ｎｍである。酸化アルミニウム層の厚みは０．８ｎｍ以下であってもよい。酸化アルミニウム層の厚みが前記好ましい範囲内にあることにより、トンネル伝導による半導体層への電子注入効率を向上することができる。 The thickness of the aluminum oxide layer is preferably 0.2 nm to 1.0 nm, more preferably 0.6 nm to 1.0 nm. The thickness of the aluminum oxide layer may be 0.8 nm or less. When the thickness of the aluminum oxide layer is within the above preferable range, the efficiency of electron injection into the semiconductor layer by tunnel conduction can be improved.
砒化アルミニウム層及び酸化アルミニウム層を含むトンネル絶縁膜の厚みは、好ましくは２．２ｎｍ〜３．０ｎｍである。トンネル絶縁膜の厚みが前記好ましい範囲内にあることにより、より良好に電子をトンネル伝導させることができ、また、トンネル絶縁膜全体に印加される電界が低下するので、トンネル絶縁膜の絶縁破壊がより抑制される。 The thickness of the tunnel insulating film including the aluminum arsenide layer and the aluminum oxide layer is preferably 2.2 nm to 3.0 nm. When the thickness of the tunnel insulating film is within the above-mentioned preferable range, electrons can be better tunnel-conducted, and the electric field applied to the entire tunnel insulating film is reduced, so that the dielectric breakdown of the tunnel insulating film is caused. It is more suppressed.
強磁性体電極は、好ましくはＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢまたはＧａＭｎＡｓで構成される。 The ferromagnetic electrode is preferably composed of Fe, FeCo, FeCoB or GaMnAs.
本開示の円偏光発光ダイオードは、強磁性体電極の上に、好ましくは強磁性体電極の酸化防止電極を含む。酸化防止電極は、好ましくはＡｕ層及びＴｉ層からなるＡｕ／Ｔｉ電極、Ａｕ層及びＣｒ層からなるＡｕ／Ｃｒ電極、または単層のＡｕ電極である。 The circularly polarized light emitting diode of the present disclosure includes, preferably, an antioxidant electrode of the ferromagnetic electrode on the ferromagnetic electrode. The antioxidant electrode is preferably an Au / Ti electrode composed of an Au layer and a Ti layer, an Au / Cr electrode composed of an Au layer and a Cr layer, or a single-layer Au electrode.
単結晶基板は、金属板上に配置することができる。金属板は、好ましくは、Ｃｕ、Ａｌ、またはＡｕで構成され、より好ましくはＣｕで構成される。 The single crystal substrate can be arranged on the metal plate. The metal plate is preferably composed of Cu, Al, or Au, and more preferably composed of Cu.
単結晶基板と金属板との間に、オーミック接合層を配置することができる。オーミック接合層は、好ましくは、Ｉｎ／Ａｇペースト、ＡｕＺｎ／Ａｇペースト、またはＡｕ／Ａｇペーストで構成され、より好ましくはＩｎ／Ａｇペーストで構成される。 An ohmic contact layer can be arranged between the single crystal substrate and the metal plate. The ohmic contact layer is preferably composed of In / Ag paste, AuZn / Ag paste, or Au / Ag paste, and more preferably In / Ag paste.
本開示の円偏光ダイオードは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いて作製することができる。酸化アルミニウムの層は、ＭＢＥで形成したアルミニウム層を酸化することにより形成することができる。アルミニウム層の酸化は、形成する酸化アルミニウム層の結晶性劣化防止のため、好ましくは、室温以下の温度で行う。酸化させる雰囲気は、好ましくは乾燥空気であり、乾燥空気中で自然酸化させて酸化アルミニウム層を形成することができる。自然酸化させる時間は、好ましくは１０時間以上である。１回でアルミニウム層を自然酸化させる場合、自然酸化させる最大厚みは０．７ｎｍである。そのため、０．７ｎｍ超の酸化アルミニウム層を形成する場合は、一旦、０．７ｎｍの酸化アルミニウム層を形成し、酸化アルミニウム層上にアルミニウム層を形成し酸化することができる。 The circularly polarized diodes of the present disclosure can be made using molecular beam epitaxy (MBE). The aluminum oxide layer can be formed by oxidizing the aluminum layer formed by MBE. Oxidation of the aluminum layer is preferably carried out at a temperature of room temperature or lower in order to prevent crystalline deterioration of the formed aluminum oxide layer. The atmosphere to be oxidized is preferably dry air, and the aluminum oxide layer can be formed by natural oxidation in the dry air. The time for natural oxidation is preferably 10 hours or more. When the aluminum layer is naturally oxidized at one time, the maximum thickness for spontaneous oxidation is 0.7 nm. Therefore, when the aluminum oxide layer having a thickness of more than 0.7 nm is formed, the aluminum oxide layer having a thickness of 0.7 nm can be once formed, and the aluminum layer can be formed on the aluminum oxide layer and oxidized.
（実施例１）
（円偏光発光層の形成）
Ｃｕ基板上にＩｎ／Ａｇペーストを塗布し、Ｉｎ／Ａｇペースト上にｐ型Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓ（１×１０18／ｃｍ3）基板を配置した。電子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用い、基板温度５１０℃で、以下の順番で、上記基板上に、図１に断面模式図として示すダブルヘテロ構造の円偏光発光層を形成した：
１．厚さ５００ｎｍのＢｅドープｐ型ＧａＡｓ（１×１０18／ｃｍ3）（バッファ層）；
２．厚さ５００ｎｍのＢｅドープｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（１×１０18／ｃｍ3）（クラッド層）；
３．厚さ５００ｎｍのＢｅドープｐ−Ｇａ7Ａｓ（１×１０18／ｃｍ3）（発光層）；
４．厚さ１５ｎｍのノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ドーパントの拡散防止層）；
５．厚さ３００ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（１×１０17／ｃｍ3）（クラッド層）；
６．厚さ１５ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ（５×１０1８／ｃｍ3）（バッファ層）。
(Example 1)
(Formation of circularly polarized light emitting layer)
The In / Ag paste was applied onto the Cu substrate, and the p-type Zn-doped p-GaAs (1 × 10 18 / cm 3 ) substrate was placed on the In / Ag paste. Using the electron beam epitaxy method (MBE method), a circularly polarized light emitting layer having a double heterostructure shown as a schematic cross-sectional view in FIG. 1 was formed on the substrate in the following order at a substrate temperature of 510 ° C.
1. 1. Be-doped p-type GaAs (1 × 10 18 / cm 3 ) (buffer layer) with a thickness of 500 nm;
2. 2. Be-doped p-Al 0.3 Ga 0.7 As (1 × 10 18 / cm 3 ) (clad layer) with a thickness of 500 nm;
3. 3. Be-doped p-Ga 7 As (1 × 10 18 / cm 3 ) (light emitting layer) with a thickness of 500 nm;
4. Non-doped Al 0.3 Ga 0.7 As (dopant diffusion prevention layer) with a thickness of 15 nm;
5. Si-doped n-type Al 0.3 Ga 0.7 As (1 × 10 17 / cm 3 ) (clad layer) with a thickness of 300 nm;
6. Si-doped n-type GaAs (5 × 10 18 / cm 3 ) (buffer layer) having a thickness of 15 nm.
（トンネル絶縁膜の形成）
電子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用い、基板温度２５℃で、以下の順番で、ダブルヘテロ構造上に、図１に断面模式図として示すトンネル絶縁膜を形成した：
７．厚さ２．０ｎｍのＡｌＡｓ層を成膜（トンネル絶縁膜）；
８．厚さ０．５６ｎｍのＡｌ層を成膜；
９．乾燥空気中に１０時間暴露することによりＡｌ層を酸化して、厚さ０．７０ｎｍの酸化アルミニウム層を形成（トンネル絶縁膜）；
(Formation of tunnel insulating film)
Using the electron beam epitaxy method (MBE method), a tunnel insulating film shown as a schematic cross-sectional view in FIG. 1 was formed on a double heterostructure at a substrate temperature of 25 ° C. in the following order:
7. A 2.0 nm-thick AlAs layer is formed (tunnel insulating film);
8. An Al layer with a thickness of 0.56 nm is formed;
9. The Al layer is oxidized by exposure to dry air for 10 hours to form an aluminum oxide layer having a thickness of 0.70 nm (tunnel insulating film);
（磁性金属電極の作製）
形成したトンネル絶縁膜の上に、下記の手順で、強磁性体電極（Ｆｅ）層及びＡｕ／Ｔｉ層（電極層）を、電子線蒸着装置の真空チャンバー内で蒸着した：
１０．フォトリソグラフィー法により幅４０ｎｍのレジストパターンをＧａＡｓ（１１０）方向に平行に形成；
１１．上面に、幅４０μｍ、長さ１ｍｍ、及び厚さ１００ｎｍのＦｅ膜を成膜（強磁性電極）；
１２．Ｆｅ膜上に、幅４０μｍ、長さ１ｍｍ、及び厚さ２０ｎｍのＴｉ膜を成膜（Ｆｅ膜の酸化保護膜）；
１３．Ｔｉ膜上に、幅４０μｍ、長さ１ｍｍ、及び厚さ５０ｎｍのＡｕを成膜（電極）。
(Making magnetic metal electrodes)
A ferromagnetic electrode (Fe) layer and Au / Ti layer (electrode layer) were vapor-deposited on the formed tunnel insulating film in the vacuum chamber of the electron beam vapor deposition apparatus according to the following procedure.
10. A resist pattern with a width of 40 nm is formed parallel to the GaAs (110) direction by the photolithography method;
11. An Fe film having a width of 40 μm, a length of 1 mm, and a thickness of 100 nm is formed on the upper surface (ferromagnetic electrode);
12. A Ti film having a width of 40 μm, a length of 1 mm, and a thickness of 20 nm is formed on the Fe film (oxidation protection film of the Fe film);
13. Au having a width of 40 μm, a length of 1 mm, and a thickness of 50 nm is formed on the Ti film (electrode).
図３の矢印で示すように示すように、Ｆｅで構成された強磁性体電極に５ｋＯｅの磁場を印加し、面内方向（発光方向）に磁化させた。 As shown by the arrow in FIG. 3, a magnetic field of 5 kOe was applied to the ferromagnetic electrode composed of Fe to magnetize it in the in-plane direction (emission direction).
上記のようにして、長さＬが１ｍｍ、幅Ｗが１ｍｍの円偏光発光ダイオード素子を作製した。図１に、実施例１で作製した円偏光発光ダイオード素子の断面模式図を示す。図３に、円偏光発光ダイオード素子の長さＬ及び幅Ｗ、強磁性体電極の磁化方向、並びに発光方向を示す斜視図を示す。 As described above, a circularly polarized light emitting diode element having a length L of 1 mm and a width W of 1 mm was produced. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the circularly polarized light emitting diode element produced in Example 1. FIG. 3 shows a perspective view showing the length L and width W of the circularly polarized light emitting diode element, the magnetization direction of the ferromagnetic electrode, and the light emitting direction.
（実施例２〜６）
図３における長さＬ及び幅Ｗを表１に示す組み合わせとして、円偏光発光ダイオードを作製した。その際、強磁性体電極のＦｅは、幅４０ｎｍ及び厚み１００ｍｍを一定とし、長さは、円偏光発光ダイオード素子の長さＬと同じになるようにした。
(Examples 2 to 6)
A circularly polarized light emitting diode was produced by combining the length L and the width W in FIG. 3 as shown in Table 1. At that time, the Fe of the ferromagnetic electrode had a constant width of 40 nm and a thickness of 100 mm, and the length was set to be the same as the length L of the circularly polarized light emitting diode element.
（比較例１）
ＡｌＡｓ層を形成せずに、ＧａＡｓ上にＡｌをエピタキシャル成長（０．５６ｎｍ）させて、乾燥大気による自然酸化（０．７０ｎｍ）を行った後、さらにＡｌ成長（０．２４ｎｍ）させて乾燥大気による自然酸化（０．３０ｎｍ）させて、結晶性酸化アルミニウム層（合計１．０ｎｍ）を形成し、長さＬを１．００ｍｍ、幅Ｗを１．８０ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同じ方法で、図２に断面模式図として示す円偏光発光ダイオードを作製した。
(Comparative Example 1)
Al is epitaxially grown (0.56 nm) on GaAs without forming an AlAs layer, spontaneously oxidized in a dry atmosphere (0.70 nm), and then further grown in Al (0.24 nm) in a dry atmosphere. Same as Example 1 except that a crystalline aluminum oxide layer (1.0 nm in total) was formed by natural oxidation (0.30 nm), and the length L was 1.00 mm and the width W was 1.80 mm. By the method, a circularly polarized light emitting diode shown in FIG. 2 as a schematic cross-sectional view was produced.
図４に、本開示の円偏光発光ダイオードで得られたフォトンエネルギーとエレクトロルミネッセンス強度（ＥＬ強度）との関係を表すグラフを示す。λ／４板及び直線偏光子を用いて、右回り円偏光及び左回り円偏光を分けて測定した。ＥＬ強度は、室温において、電流値Ｉ＝４．０ｍＡ、電流密度Ｊ＝１０Ａ／ｃｍ2で測定した。電流密度Ｊは、電流値を、強磁性体電極の面積で除した値である。 FIG. 4 shows a graph showing the relationship between the photon energy obtained by the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure and the electroluminescence intensity (EL intensity). Using a λ / 4 plate and a linear polarizer, clockwise and counterclockwise circular polarization were measured separately. The EL intensity was measured at room temperature with a current value of I = 4.0 mA and a current density of J = 10 A / cm 2 . The current density J is a value obtained by dividing the current value by the area of the ferromagnetic electrode.
図４において、σ＋が右回り円偏光のＥＬ強度を示し、σ−が左回り円偏光のＥＬ強度を示す。ＥＬ強度全体に対する右回り円偏光のＥＬ強度の比率は最大９１．７％であり、実質的に純粋な円偏光発光が得られた。 In FIG. 4, σ + indicates the EL intensity of clockwise circularly polarized light, and σ− indicates the EL intensity of counterclockwise circularly polarized light. The ratio of the EL intensity of the clockwise circularly polarized light to the total EL intensity was 91.7% at the maximum, and substantially pure circularly polarized light emission was obtained.
表３に、実施例１〜６で作製した円偏光発光ダイオードの歩留まりを示す。表４に、比較例１で作製した円偏光発光ダイオードの歩留まりを示す。比較例１で作製した円偏光発光ダイオードの多くは絶縁破壊が発生し、実質的に純粋な円偏光発光を示した割合は５％であった。一方で、実施例１〜６で作製した円偏光発光ダイオードは、実質的に純粋な円偏光発光を示した割合は６７％であり、大幅に歩留まりが向上した。 Table 3 shows the yield of the circularly polarized light emitting diodes produced in Examples 1 to 6. Table 4 shows the yield of the circularly polarized light emitting diode produced in Comparative Example 1. Most of the circularly polarized light emitting diodes produced in Comparative Example 1 had dielectric breakdown, and the ratio of substantially pure circularly polarized light emission was 5%. On the other hand, the circularly polarized light emitting diodes produced in Examples 1 to 6 showed substantially pure circularly polarized light emission at 67%, and the yield was significantly improved.
図５に、実施例１〜６で作製した円偏光発光ダイオードと、比較例１で作製した円偏光発光ダイオードの、電流密度に対する円偏光度の関係を表すグラフを示す。実施例１〜６で作製した円偏光発光ダイオードは、比較例１で作製した円偏光発光ダイオードの約１／１０の電流密度で、純粋円偏光発光を示した。 FIG. 5 shows a graph showing the relationship between the degree of circular polarization with respect to the current density of the circularly polarized light emitting diodes manufactured in Examples 1 to 6 and the circularly polarized light emitting diodes manufactured in Comparative Example 1. The circularly polarized light emitting diodes produced in Examples 1 to 6 showed pure circularly polarized light emission at a current density of about 1/10 of that of the circularly polarized light emitting diodes produced in Comparative Example 1.
１００ 円偏光発光ダイオード
１０ 強磁性体電極
100 Circularly Polarized Light Emitting Diode 10 Ferromagnetic Electrode
Claims (4)
前記トンネル絶縁膜が、砒化アルミニウム層及び前記砒化アルミニウム層上に配置された酸化アルミニウム層を含み、
前記ダブルヘテロ構造が、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つ前記トンネル絶縁膜の前記砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む、
円偏光発光ダイオード。 A circularly polarized light emitting diode having a double heterostructure, a tunnel insulating film arranged on the double heterostructure, and a ferromagnetic electrode arranged on the tunnel insulating film.
The tunnel insulating film includes an aluminum arsenide layer and an aluminum oxide layer arranged on the aluminum arsenide layer.
The double heterostructure comprises gallium, aluminum, and arsenic, and includes a gallium arsenide layer arranged at a position in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film.
Circularly polarized light emitting diode.
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