JP2606131B2 - 半導体スピン偏極電子源 - Google Patents
半導体スピン偏極電子源Info
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- H01J1/34—Photo-emissive cathodes
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- Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はスピン偏極度の大きな電
子を大きな電流密度で引き出すことができる半導体スピ
ン偏極電子源の構造に関するものである。スピン偏極電
子源の利用分野としては例えば、素粒子研究において重
要な装置である電子・陽電子線形衝突型加速器に装着さ
れる電子源がある。加速器では、電子源として、スピン
偏極した電子が取り出せるものが望まれている。
子を大きな電流密度で引き出すことができる半導体スピ
ン偏極電子源の構造に関するものである。スピン偏極電
子源の利用分野としては例えば、素粒子研究において重
要な装置である電子・陽電子線形衝突型加速器に装着さ
れる電子源がある。加速器では、電子源として、スピン
偏極した電子が取り出せるものが望まれている。
【０００２】
【従来の技術】スピン偏極した電子を取り出すための半
導体スピン偏極電子源として半導体自身のバンド構造を
利用したものが例えばランペル（Ｇ．Ｌａｎｐｅｌ）ら
により、ソリッド・ステート・コミュニケーション（Ｓ
ｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，
Ｖｏｌ．１６，ｐ．８７７，１９７５）に記載されてい
る。この半導体スピン偏極電子源はｐ型のＧａＡｓ表面
に負の電子親和力を生じるセシュウム（Ｃｓ）と酸素
（Ｏ）の交互積層多層膜を堆積したものであり、ＧａＡ
ｓの禁止帯幅程度のエネルギーの円偏光したレーザー光
を照射することにより、最大５０％のスピン偏極度を持
つ電子を半導体の外へ引き出すことができる。ＧａＡｓ
は重い正孔と軽い正孔のバンドが縮退した価電子帯構造
を持ち、これらのバンドから伝導帯に励起される電子の
下向きスピンと上向きスピンの比は遷移確率の違いから
３対１となる。このため、最大５０％の偏極度が得られ
る。
導体スピン偏極電子源として半導体自身のバンド構造を
利用したものが例えばランペル（Ｇ．Ｌａｎｐｅｌ）ら
により、ソリッド・ステート・コミュニケーション（Ｓ
ｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，
Ｖｏｌ．１６，ｐ．８７７，１９７５）に記載されてい
る。この半導体スピン偏極電子源はｐ型のＧａＡｓ表面
に負の電子親和力を生じるセシュウム（Ｃｓ）と酸素
（Ｏ）の交互積層多層膜を堆積したものであり、ＧａＡ
ｓの禁止帯幅程度のエネルギーの円偏光したレーザー光
を照射することにより、最大５０％のスピン偏極度を持
つ電子を半導体の外へ引き出すことができる。ＧａＡｓ
は重い正孔と軽い正孔のバンドが縮退した価電子帯構造
を持ち、これらのバンドから伝導帯に励起される電子の
下向きスピンと上向きスピンの比は遷移確率の違いから
３対１となる。このため、最大５０％の偏極度が得られ
る。
【０００３】さらに１００％に迫る高い偏極度を得るた
めには、この価電子帯の縮退を解く必要がある。このた
め、歪結晶を利用したものや、短周期の半導体超格子を
利用したものが提案されている。
めには、この価電子帯の縮退を解く必要がある。このた
め、歪結晶を利用したものや、短周期の半導体超格子を
利用したものが提案されている。
【０００４】歪結晶を用いた半導体スピン偏極電子源は
例えば中西らによるフィジックス・レターズ（Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ａ，Ｖｏｌ．１５８，ｐ．３
４５，１９９１）に記載されている。図２に歪結晶を用
いた半導体スピン偏極電子源の構造を示す。ｐ−ＧａＡ
ｓ基板１上に格子定数がＧａＡｓより大きく格子緩和を
起こしているｐ−ＧａＰＡｓ格子緩和層２、その上に格
子緩和を起こさず歪の入った薄いｐ−ＧａＡｓ歪層３を
設けている。最上部のＧａＡｓ歪層３にはＧａＰＡｓ格
子緩和層２の格子に合うように面内方向に圧縮応力が働
いており、ＧａＡｓ価電子帯の重い正孔のバンドと軽い
正孔のバンドは縮退が解ける。その結果、重い正孔のバ
ンドがエネルギー的に高くなり、励起光のエネルギーを
この重い正孔のバンドから伝導帯までのエネルギーに選
ぶと、重い正孔のバンドの電子だけが励起され、スピン
が完全にそろった電子が得られる。したがって、原理的
には１００％の偏極度を得ることができる。実際には熱
エネルギーによるバンドの広がりや歪結晶内部でのスピ
ン散乱などにより取り出せる電子のスピン偏極度は低く
なるが、表面にＣｓとＯの交互積層多層膜を積層して表
面からでてくる電子の偏極度を測定した結果、８０％を
越える高い偏極度が得られている。
例えば中西らによるフィジックス・レターズ（Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ａ，Ｖｏｌ．１５８，ｐ．３
４５，１９９１）に記載されている。図２に歪結晶を用
いた半導体スピン偏極電子源の構造を示す。ｐ−ＧａＡ
ｓ基板１上に格子定数がＧａＡｓより大きく格子緩和を
起こしているｐ−ＧａＰＡｓ格子緩和層２、その上に格
子緩和を起こさず歪の入った薄いｐ−ＧａＡｓ歪層３を
設けている。最上部のＧａＡｓ歪層３にはＧａＰＡｓ格
子緩和層２の格子に合うように面内方向に圧縮応力が働
いており、ＧａＡｓ価電子帯の重い正孔のバンドと軽い
正孔のバンドは縮退が解ける。その結果、重い正孔のバ
ンドがエネルギー的に高くなり、励起光のエネルギーを
この重い正孔のバンドから伝導帯までのエネルギーに選
ぶと、重い正孔のバンドの電子だけが励起され、スピン
が完全にそろった電子が得られる。したがって、原理的
には１００％の偏極度を得ることができる。実際には熱
エネルギーによるバンドの広がりや歪結晶内部でのスピ
ン散乱などにより取り出せる電子のスピン偏極度は低く
なるが、表面にＣｓとＯの交互積層多層膜を積層して表
面からでてくる電子の偏極度を測定した結果、８０％を
越える高い偏極度が得られている。
【０００５】短周期の半導体超格子を用いた半導体スピ
ン偏極電子源は例えば大森らによりフィジカル・レビュ
ー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．６７，ｐ．３２９１，１９９１）
に記載されている。図３に半導体超格子を用いた半導体
スピン偏極電子源の構造を示す。ｐ−ＧａＡｓ基板１上
に、基板で励起された電子がその上の超格子層に行かな
いようにする禁止帯幅の広いｐ−ＡｌＧａＡｓブロック
層４、電子の波長以下の厚さのｐ−ＧａＡｓウェル層５
と電子がトンネル効果で透過できる厚さのｐ−ＡｌＧａ
Ａｓバリア層６の積層構造からなる短周期超格子、表面
のバンドの曲がりを薄い領域で吸収する高濃度ドープの
ｐ+ −ＧａＡｓ表面層７を設けている。超格子構造中で
は量子効果によりミニバンドが形成されるが、このとき
価電子帯の重い正孔のバンドと軽い正孔のバンドは有効
質量の大きな差によりエネルギー位置が異なり、縮退が
解ける。その結果、歪結晶と同様に重い正孔のバンドが
エネルギー的に高くなり、励起光のエネルギーをこの重
い正孔のバンドから伝導帯までのエネルギーに選ぶと、
重い正孔のバンドの電子だけが励起され、スピンが完全
にそろった電子が得られる。したがって、原理的には１
００％の偏極度を得ることができる。実際に、表面にＣ
ｓＯ多層膜を積層して表面からでてくる電子の偏極度を
測定した結果、７０％を越える高い偏極度が得られてい
る。
ン偏極電子源は例えば大森らによりフィジカル・レビュ
ー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．６７，ｐ．３２９１，１９９１）
に記載されている。図３に半導体超格子を用いた半導体
スピン偏極電子源の構造を示す。ｐ−ＧａＡｓ基板１上
に、基板で励起された電子がその上の超格子層に行かな
いようにする禁止帯幅の広いｐ−ＡｌＧａＡｓブロック
層４、電子の波長以下の厚さのｐ−ＧａＡｓウェル層５
と電子がトンネル効果で透過できる厚さのｐ−ＡｌＧａ
Ａｓバリア層６の積層構造からなる短周期超格子、表面
のバンドの曲がりを薄い領域で吸収する高濃度ドープの
ｐ+ −ＧａＡｓ表面層７を設けている。超格子構造中で
は量子効果によりミニバンドが形成されるが、このとき
価電子帯の重い正孔のバンドと軽い正孔のバンドは有効
質量の大きな差によりエネルギー位置が異なり、縮退が
解ける。その結果、歪結晶と同様に重い正孔のバンドが
エネルギー的に高くなり、励起光のエネルギーをこの重
い正孔のバンドから伝導帯までのエネルギーに選ぶと、
重い正孔のバンドの電子だけが励起され、スピンが完全
にそろった電子が得られる。したがって、原理的には１
００％の偏極度を得ることができる。実際に、表面にＣ
ｓＯ多層膜を積層して表面からでてくる電子の偏極度を
測定した結果、７０％を越える高い偏極度が得られてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】半導体スピン偏極電子
源としては、スピンのそろった電子を得るための１００
％に近い偏極度と、大電流をとるための高い量子効率の
両立が望まれる。しかし、従来例のＧａＡｓ結晶や超格
子構造では量子効率は比較的高いものの偏極度が十分で
なく、歪結晶では大きな偏極度を持つものの結晶欠陥の
存在や歪層厚を厚くできないために量子効率が０．５％
以下と低く、両方の要求を満足するものはなかった。し
たがって、大きなスピン偏極度と高い量子効率を合わせ
持つ半導体スピン偏極電子源の開発が望まれる。
源としては、スピンのそろった電子を得るための１００
％に近い偏極度と、大電流をとるための高い量子効率の
両立が望まれる。しかし、従来例のＧａＡｓ結晶や超格
子構造では量子効率は比較的高いものの偏極度が十分で
なく、歪結晶では大きな偏極度を持つものの結晶欠陥の
存在や歪層厚を厚くできないために量子効率が０．５％
以下と低く、両方の要求を満足するものはなかった。し
たがって、大きなスピン偏極度と高い量子効率を合わせ
持つ半導体スピン偏極電子源の開発が望まれる。
【０００７】本発明の目的は、従来よりも大きなスピン
偏極度と高い量子効率を兼ね合わせた半導体スピン偏極
電子源を提供することにある。
偏極度と高い量子効率を兼ね合わせた半導体スピン偏極
電子源を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体スピン偏
極電子源は、基板上に少なくともスピン偏極電子の発生
領域として、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有
し電子波長程度以下の厚さのウェル層と、ウェル層より
も価電子帯エネルギーが低く伝導帯の電子がトンネル効
果で透過できる厚さのバリア層との交互積層からなる格
子緩和のないｐ型伝導の歪超格子構造を含むことを特徴
としている。
極電子源は、基板上に少なくともスピン偏極電子の発生
領域として、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有
し電子波長程度以下の厚さのウェル層と、ウェル層より
も価電子帯エネルギーが低く伝導帯の電子がトンネル効
果で透過できる厚さのバリア層との交互積層からなる格
子緩和のないｐ型伝導の歪超格子構造を含むことを特徴
としている。
【０００９】
【作用】本発明の半導体スピン偏極電子源においては、
超格子構造のウェル層に圧縮応力が加わることにより、
超格子構造で生じていた価電子帯の重い正孔と軽い正孔
のバンドのエネルギー差がさらに広がる。このため、重
い正孔のバンドにある電子だけを選択的に伝導帯に光励
起することが容易になり、大きな量子効率と共に従来構
造スピン偏極電子源よりも高いスピン偏極度を持つ電子
を取り出すことができる。
超格子構造のウェル層に圧縮応力が加わることにより、
超格子構造で生じていた価電子帯の重い正孔と軽い正孔
のバンドのエネルギー差がさらに広がる。このため、重
い正孔のバンドにある電子だけを選択的に伝導帯に光励
起することが容易になり、大きな量子効率と共に従来構
造スピン偏極電子源よりも高いスピン偏極度を持つ電子
を取り出すことができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明について実施例を示す図面を参
照して詳細に説明する。
照して詳細に説明する。
【００１１】図１は本発明の実施例の層構造を示す模式
図である。図１において、図２および図３と同じ記号は
図２および図３と同等物で同一機能を果たすものであ
り、８は基板の格子定数よりも大きな格子定数を有し面
内に圧縮応力が加わっている電子波長程度以下の厚さの
歪ウェル層である。
図である。図１において、図２および図３と同じ記号は
図２および図３と同等物で同一機能を果たすものであ
り、８は基板の格子定数よりも大きな格子定数を有し面
内に圧縮応力が加わっている電子波長程度以下の厚さの
歪ウェル層である。
【００１２】（第１の実施例）本発明の第１の実施例の
半導体スピン偏極電子源の動作について、基板１にｐ−
ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、
歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ、バリア層６
にｐ−ＧａＡｓ、表面層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａ
ｓを例に説明する。
半導体スピン偏極電子源の動作について、基板１にｐ−
ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、
歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ、バリア層６
にｐ−ＧａＡｓ、表面層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａ
ｓを例に説明する。
【００１３】歪ウェル層８は基板１およびバリア層６よ
りも格子定数が大きいため、格子を合わせるために面内
方向に圧縮応力が加わり歪ウェル層の積層方向の格子は
長くなるように歪む。その結果、価電子帯の縮退が解
け、重い正孔のバンドと軽い正孔のバンドのエネルギー
が異なるようになる。どちらのエネルギーが高くなるか
は歪の方向に依存するが、この場合には、軽い正孔のバ
ンドが重い正孔のバンドよりも低いエネルギー位置にく
る。
りも格子定数が大きいため、格子を合わせるために面内
方向に圧縮応力が加わり歪ウェル層の積層方向の格子は
長くなるように歪む。その結果、価電子帯の縮退が解
け、重い正孔のバンドと軽い正孔のバンドのエネルギー
が異なるようになる。どちらのエネルギーが高くなるか
は歪の方向に依存するが、この場合には、軽い正孔のバ
ンドが重い正孔のバンドよりも低いエネルギー位置にく
る。
【００１４】このような歪ウェル層８とバリア層６の積
層からなる短周期の超格子においては、量子効果により
それぞれのバンドのミニバンドが形成される。重い正孔
のミニバンドのエネルギーは、重い正孔の有効質量が大
きいためにエネルギーシフトが顕著ではなく、歪ウェル
層８の重い正孔のバンドのエネルギーより少し小さくな
るだけである。一方、軽い正孔のミニバンドはその有効
質量が小さいためにエネルギーシフトが顕著であり、歪
ウェル層８の軽い正孔のバンドのエネルギーよりさらに
大きく低エネルギー側に動く。その結果、重い正孔のミ
ニバンドと軽い正孔のミニバンドのエネルギー差は、単
に格子が歪んでいる場合より広がる。
層からなる短周期の超格子においては、量子効果により
それぞれのバンドのミニバンドが形成される。重い正孔
のミニバンドのエネルギーは、重い正孔の有効質量が大
きいためにエネルギーシフトが顕著ではなく、歪ウェル
層８の重い正孔のバンドのエネルギーより少し小さくな
るだけである。一方、軽い正孔のミニバンドはその有効
質量が小さいためにエネルギーシフトが顕著であり、歪
ウェル層８の軽い正孔のバンドのエネルギーよりさらに
大きく低エネルギー側に動く。その結果、重い正孔のミ
ニバンドと軽い正孔のミニバンドのエネルギー差は、単
に格子が歪んでいる場合より広がる。
【００１５】このように、歪の入ったウェルを用いた短
周期超格子（単周期歪超格子）においては重い正孔と軽
い正孔のバンドのエネルギー差が異なる歪結晶や歪のな
い短周期超格子よりもさらに大きくなるため、光励起に
よる価電子帯から伝導帯への電子の遷移を重い正孔のミ
ニバンドからだけに限る完全性が高くなる。よって、半
導体内でほぼ１００％のスピン偏極電子を生成すること
ができる。
周期超格子（単周期歪超格子）においては重い正孔と軽
い正孔のバンドのエネルギー差が異なる歪結晶や歪のな
い短周期超格子よりもさらに大きくなるため、光励起に
よる価電子帯から伝導帯への電子の遷移を重い正孔のミ
ニバンドからだけに限る完全性が高くなる。よって、半
導体内でほぼ１００％のスピン偏極電子を生成すること
ができる。
【００１６】伝導帯のミニバンドに励起されたスピン偏
極電子はこのミニバンドを通って表面層７へと拡散して
いくが、この超格子が短周期であるためにミニバンドの
幅は十分に広く、バルク結晶と同様に高い電子移動度を
持つ。このため、スピン偏極電子はスピン散乱を受けな
い短い時間で表面層７へ移動する。表面層７では、大き
な内部電界により電子は加速されて半導体の外に飛び出
してゆく。よって、ほぼ１００％のスピン偏極電子を取
り出すことが可能になる。
極電子はこのミニバンドを通って表面層７へと拡散して
いくが、この超格子が短周期であるためにミニバンドの
幅は十分に広く、バルク結晶と同様に高い電子移動度を
持つ。このため、スピン偏極電子はスピン散乱を受けな
い短い時間で表面層７へ移動する。表面層７では、大き
な内部電界により電子は加速されて半導体の外に飛び出
してゆく。よって、ほぼ１００％のスピン偏極電子を取
り出すことが可能になる。
【００１７】また、短周期歪超格子においては基板から
最上層まで格子緩和を起こしていないために結晶欠陥の
発生がほとんどないことにより、励起された電子の再結
合がないことや、歪結晶よりも厚い光吸収領域を構成で
きるため励起光を有効に利用できるため、高い量子効率
も実現される。
最上層まで格子緩和を起こしていないために結晶欠陥の
発生がほとんどないことにより、励起された電子の再結
合がないことや、歪結晶よりも厚い光吸収領域を構成で
きるため励起光を有効に利用できるため、高い量子効率
も実現される。
【００１８】以上述べたように、本願発明の半導体スピ
ン偏極電子源では１００％に近いスピン偏極度の高い電
子を高い量子効率で取り出すことが可能になる。
ン偏極電子源では１００％に近いスピン偏極度の高い電
子を高い量子効率で取り出すことが可能になる。
【００１９】次に本発明の第１の実施例の製造方法につ
いて、動作の説明で用いた材料と同一の材料を用いて説
明する。
いて、動作の説明で用いた材料と同一の材料を用いて説
明する。
【００２０】本発明の素子構造の作製は、結晶成長方法
に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用い、基板温度５２０
℃で行った。まず、ｐ型ＧａＡｓ基板１上に厚さ１μm
でＢｅアクセプタ濃度５×１０18cm-3のｐ−Ａｌ0.35Ｇ
ａ0.65Ａｓブロック層を形成した。続いて、Ｂｅ濃度５
×１０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−ＧａＡｓバリア層と
Ｂｅ濃度５×１０17cm-3で厚さ２．０nmのｐ−Ｉｎ0.15
Ｇａ0.85Ａｓ歪ウェル層からなる短周期歪超格子を１８
周期（９１．８nm）を形成し、最後に、Ｂｅ濃度４×１
０19cm-3で厚さ４．８nmのｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ
表面層を形成した。その後、基板温度を−１０℃まで冷
却し、大気中での表面の酸化を抑制するためにＡｓ保護
膜を約１μm 堆積して素子を完成させた。
に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用い、基板温度５２０
℃で行った。まず、ｐ型ＧａＡｓ基板１上に厚さ１μm
でＢｅアクセプタ濃度５×１０18cm-3のｐ−Ａｌ0.35Ｇ
ａ0.65Ａｓブロック層を形成した。続いて、Ｂｅ濃度５
×１０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−ＧａＡｓバリア層と
Ｂｅ濃度５×１０17cm-3で厚さ２．０nmのｐ−Ｉｎ0.15
Ｇａ0.85Ａｓ歪ウェル層からなる短周期歪超格子を１８
周期（９１．８nm）を形成し、最後に、Ｂｅ濃度４×１
０19cm-3で厚さ４．８nmのｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ
表面層を形成した。その後、基板温度を−１０℃まで冷
却し、大気中での表面の酸化を抑制するためにＡｓ保護
膜を約１μm 堆積して素子を完成させた。
【００２１】この素子を超高真空の偏極度測定装置に導
入したあと、４００℃に加熱して表面のＡｓ保護膜を蒸
発させて除去し清浄表面を得た。その後、負の電子親和
力を得るためのＣｓとＯの多層膜を形成し、測定の準備
を完了した。この素子のスピン偏極度および量子効率を
測定したところ、励起レーザーの波長９１５nm、ＣＷで
１００μＷの照射条件において最大のスピン偏極度８７
％と量子効率２％が得られ、大きな偏極度と高い量子効
率を同時に満足できた。
入したあと、４００℃に加熱して表面のＡｓ保護膜を蒸
発させて除去し清浄表面を得た。その後、負の電子親和
力を得るためのＣｓとＯの多層膜を形成し、測定の準備
を完了した。この素子のスピン偏極度および量子効率を
測定したところ、励起レーザーの波長９１５nm、ＣＷで
１００μＷの照射条件において最大のスピン偏極度８７
％と量子効率２％が得られ、大きな偏極度と高い量子効
率を同時に満足できた。
【００２２】（第２の実施例）本発明の第２の実施例の
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にｐ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、表
面層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にｐ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、表
面層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
【００２３】バリア層６に基板１よりも禁止帯幅の広い
ＡｌＧａＡｓを用いるために、重い正孔のミニバンドと
軽い正孔のミニバンドのエネルギー差が第１の実施例よ
りも大きくなり、第１の実施例よりもさらにスピン偏極
度が改善される。
ＡｌＧａＡｓを用いるために、重い正孔のミニバンドと
軽い正孔のミニバンドのエネルギー差が第１の実施例よ
りも大きくなり、第１の実施例よりもさらにスピン偏極
度が改善される。
【００２４】本発明の第２の実施例の製造方法は第１の
実施例とほとんど同じである。バリア層６としてＢｅ濃
度５×１０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−Ａｌ0.35Ｇａ
0.65Ａｓを用いてその他は第１の実施例と同じとした。
この素子のスピン偏極度および量子効率を測定したとこ
ろ、励起レーザーの波長８３０nm、ＣＷで１００μＷの
照射条件において最大のスピン偏極度９０％と量子効率
２％が得られ、第１の実施例よりも大きな偏極度が得ら
れ、高性能化が図れた。
実施例とほとんど同じである。バリア層６としてＢｅ濃
度５×１０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−Ａｌ0.35Ｇａ
0.65Ａｓを用いてその他は第１の実施例と同じとした。
この素子のスピン偏極度および量子効率を測定したとこ
ろ、励起レーザーの波長８３０nm、ＣＷで１００μＷの
照射条件において最大のスピン偏極度９０％と量子効率
２％が得られ、第１の実施例よりも大きな偏極度が得ら
れ、高性能化が図れた。
【００２５】（第３の実施例）本発明の第３の実施例の
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にｐ−ＧａＰ0.2 Ａｓ0. 8 、表面
層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にｐ−ＧａＰ0.2 Ａｓ0. 8 、表面
層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
【００２６】バリア層６にＧａＡｓ基板１よりも格子定
数が小さなＧａＰ0.2 Ａｓ0.8 を用いるために、ＧａＡ
ｓ基板よりも格子定数の大きなＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ歪
ウェルとの組み合わせの短周期超格子においては、平均
の格子定数がＧａＡｓ基板とほぼ等しくなり、短周期超
格子の厚さをいくら厚くしても格子緩和を生じない。こ
のため、短周期超格子の厚さを厚くすることにより第１
や第２の実施例よりも量子効率の改善が図れる。
数が小さなＧａＰ0.2 Ａｓ0.8 を用いるために、ＧａＡ
ｓ基板よりも格子定数の大きなＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ歪
ウェルとの組み合わせの短周期超格子においては、平均
の格子定数がＧａＡｓ基板とほぼ等しくなり、短周期超
格子の厚さをいくら厚くしても格子緩和を生じない。こ
のため、短周期超格子の厚さを厚くすることにより第１
や第２の実施例よりも量子効率の改善が図れる。
【００２７】本発明の第３の実施例の製造方法は第１の
実施例と同じである。バリア層６としてＢｅ濃度５×１
０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−ＧａＰ0.2 Ａｓ0.8 を用
いて、短周期超格子全体の厚さを３００nmと厚くし、そ
の他は第１実施例と同じとした。この素子のスピン偏極
度および量子効率を測定したとろ、励起レーザーの波長
８８０nm、ＣＷで１００μＷの照射条件において最大の
スピン偏極度８８％と量子効率４％が得られ、第１や第
２の実施例よりも大きな偏極度が得られ、高性能化が図
れた。
実施例と同じである。バリア層６としてＢｅ濃度５×１
０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−ＧａＰ0.2 Ａｓ0.8 を用
いて、短周期超格子全体の厚さを３００nmと厚くし、そ
の他は第１実施例と同じとした。この素子のスピン偏極
度および量子効率を測定したとろ、励起レーザーの波長
８８０nm、ＣＷで１００μＷの照射条件において最大の
スピン偏極度８８％と量子効率４％が得られ、第１や第
２の実施例よりも大きな偏極度が得られ、高性能化が図
れた。
【００２８】（第４の実施例）本発明の第４の実施例の
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ｇ
ａＡｓ、歪ウェル層８にアンドープのｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にｐ−ＧａＡｓ、表面層７にｐ+
−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ｇ
ａＡｓ、歪ウェル層８にアンドープのｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にｐ−ＧａＡｓ、表面層７にｐ+
−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
【００２９】歪ウェル層８にイオン化不純物（アクセプ
タ）を含まないため、ここでの不純物に起因する結晶欠
陥による再結合が少なくなる。励起されたスピン偏極電
子はバリア層６よりも歪ウェル層８に存在する確率が大
きいためこの効果は大きく、第１の実施例よりも高い量
子効率が得られる。
タ）を含まないため、ここでの不純物に起因する結晶欠
陥による再結合が少なくなる。励起されたスピン偏極電
子はバリア層６よりも歪ウェル層８に存在する確率が大
きいためこの効果は大きく、第１の実施例よりも高い量
子効率が得られる。
【００３０】本発明の第４の実施例の製造方法は第１の
実施例とほとんど同じである。バリア層６としてＢｅ濃
度５×１０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−Ａｌ0.35Ｇａ
0.65Ａｓ、歪ウェル層８にアンドープで厚さ２．０nmの
ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを用いてその他は第１実施例
と同じとした。この素子のスピン偏極度および量子効率
を測定したとろ、励起レーザーの波長９１５nm、ＣＷで
１００μＷの照射条件においてスピン偏極度８７％と量
子効率３％が得られ、第１の実施例よりも大きな量子効
率が得られ、高性能化が図れた。
実施例とほとんど同じである。バリア層６としてＢｅ濃
度５×１０17cm-3で厚さ３．１nmのｐ−Ａｌ0.35Ｇａ
0.65Ａｓ、歪ウェル層８にアンドープで厚さ２．０nmの
ｉ−Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを用いてその他は第１実施例
と同じとした。この素子のスピン偏極度および量子効率
を測定したとろ、励起レーザーの波長９１５nm、ＣＷで
１００μＷの照射条件においてスピン偏極度８７％と量
子効率３％が得られ、第１の実施例よりも大きな量子効
率が得られ、高性能化が図れた。
【００３１】（第５の実施例）本発明の第５の実施例の
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にアンドープのｉ−ＧａＡｓ、表
面層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
半導体スピン偏極電子源の動作について、構造図に図１
を用い、基板１にｐ−ＧａＡｓ、ブロック層４にｐ−Ａ
ｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ、歪ウェル層８にｐ−Ｉｎ0.15Ｇａ
0.85Ａｓ、バリア層６にアンドープのｉ−ＧａＡｓ、表
面層７にｐ+ −Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓを例に説明する。
【００３２】歪ウェル層８だけにアクセプタを含みバリ
ア層６に含まないため、短周期超格子中で空間電荷によ
るバンドの曲がりが生じる。このバンドの曲がりは、正
孔に対する実効的なバリアの高さを大きくするため、重
い正孔と軽い正孔のミニバンドのエネルギー差は第１の
実施例よりも大きくなり、第１の実施例よりも大きなス
ピン偏極度が得られる。
ア層６に含まないため、短周期超格子中で空間電荷によ
るバンドの曲がりが生じる。このバンドの曲がりは、正
孔に対する実効的なバリアの高さを大きくするため、重
い正孔と軽い正孔のミニバンドのエネルギー差は第１の
実施例よりも大きくなり、第１の実施例よりも大きなス
ピン偏極度が得られる。
【００３３】本発明の第５の実施例の製造方法は第１の
実施例とほとんど同じである。バリア層６としてアンド
ープで厚さ３．１nmのｉ−ＧａＡｓ、歪ウェル層８にＢ
ｅ濃度５×１０17cm-3で厚さ２．０nmのｐ−Ｉｎ0.15Ｇ
ａ0.85Ａｓを用いてその他は第１の実施例と同じとし
た。この素子のスピン偏極度および量子効率を測定した
ところ、励起レーザーの波長９１５nm、ＣＷで１００μ
Ｗの照射条件においてスピン偏極度８９％と量子効率２
％が得られ、第１の実施例よりも高いスピン偏極度が得
られ、高性能化が図れた。
実施例とほとんど同じである。バリア層６としてアンド
ープで厚さ３．１nmのｉ−ＧａＡｓ、歪ウェル層８にＢ
ｅ濃度５×１０17cm-3で厚さ２．０nmのｐ−Ｉｎ0.15Ｇ
ａ0.85Ａｓを用いてその他は第１の実施例と同じとし
た。この素子のスピン偏極度および量子効率を測定した
ところ、励起レーザーの波長９１５nm、ＣＷで１００μ
Ｗの照射条件においてスピン偏極度８９％と量子効率２
％が得られ、第１の実施例よりも高いスピン偏極度が得
られ、高性能化が図れた。
【００３４】以上の本発明の実施例では、基板としてＧ
ａＡｓしか示さなかったが、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＳ
ｂ，ＧａＰなどの化合物半導体や、Ｓｉ，Ｇｅなどの元
素半導体でもよく、その他の単結晶半導体基板や単結晶
金属基板でもよいことは明らかである。また、歪超格子
の構成半導体として、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧ
ａＡｓ，ＧａＰＡｓしか示さなかったが、本発明の条件
を満足するような半導体の組み合わせであればどのよう
な組み合わせも可能であり、ＩｎＰ，ＩｎＡｌＡｓ，Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＰＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＧａ
Ｓｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＡｓＧａＮなどの代
表的な化合物半導体やその他の半導体でもよいことは明
らかである。
ａＡｓしか示さなかったが、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＳ
ｂ，ＧａＰなどの化合物半導体や、Ｓｉ，Ｇｅなどの元
素半導体でもよく、その他の単結晶半導体基板や単結晶
金属基板でもよいことは明らかである。また、歪超格子
の構成半導体として、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧ
ａＡｓ，ＧａＰＡｓしか示さなかったが、本発明の条件
を満足するような半導体の組み合わせであればどのよう
な組み合わせも可能であり、ＩｎＰ，ＩｎＡｌＡｓ，Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＰＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＧａ
Ｓｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＡｓＧａＮなどの代
表的な化合物半導体やその他の半導体でもよいことは明
らかである。
【００３５】ブロック層としてはＡｌＧａＡｓしか示さ
なかったが、基板よりも電子親和力が小さな半導体であ
ればよい。また、表面層としては歪ウェル層の材料であ
るＩｎＧａＡｓしか示さなかったが、バリア層となる材
料でもよく、さらには短周期歪超格子に比べて電子親和
力が極端に小さくないその他の半導体材料でもよい。大
気における酸化の保護膜としてＡｓしか示さなかった
が、超格子構造が壊れない程度の温度で蒸発するもので
あればよく、ＳｂやＩｎＡｓなどでもよい。
なかったが、基板よりも電子親和力が小さな半導体であ
ればよい。また、表面層としては歪ウェル層の材料であ
るＩｎＧａＡｓしか示さなかったが、バリア層となる材
料でもよく、さらには短周期歪超格子に比べて電子親和
力が極端に小さくないその他の半導体材料でもよい。大
気における酸化の保護膜としてＡｓしか示さなかった
が、超格子構造が壊れない程度の温度で蒸発するもので
あればよく、ＳｂやＩｎＡｓなどでもよい。
【００３６】本発明の実施例としては第１から第５の実
施例を示したが、これらの組み合わせでも本発明の半導
体スピン偏極電子源が構成できることは明らかである。
例えば、第２から第５の実施例ではバリア層の組成、バ
リア層の歪みの有無、不純物ドーピング位置の３つの要
素の内２つを第１の実施例と同じに固定して１つの要素
だけを変えているが、２つ以上の要素を変えた場合にも
第１の実施例よりも高性能化が図れることは明らかであ
る。
施例を示したが、これらの組み合わせでも本発明の半導
体スピン偏極電子源が構成できることは明らかである。
例えば、第２から第５の実施例ではバリア層の組成、バ
リア層の歪みの有無、不純物ドーピング位置の３つの要
素の内２つを第１の実施例と同じに固定して１つの要素
だけを変えているが、２つ以上の要素を変えた場合にも
第１の実施例よりも高性能化が図れることは明らかであ
る。
【００３７】また、歪ウェル層やバリア層をさらに複数
の層に分け、組成やドーピングをそれぞれ異なるものに
してもよいことも明らかである。
の層に分け、組成やドーピングをそれぞれ異なるものに
してもよいことも明らかである。
【００３８】
【発明の効果】本発明の半導体スピン偏極電子源によ
り、大きなスピン偏極度を持つ電子を大量に引き出すこ
とが可能になり、また弱励起光強度で動作するために動
作寿命が長くなる。
り、大きなスピン偏極度を持つ電子を大量に引き出すこ
とが可能になり、また弱励起光強度で動作するために動
作寿命が長くなる。
【図１】本発明の第１から第５の実施例を示す短周期歪
超格子の構造図である。
超格子の構造図である。
【図２】歪結晶を用いた従来例の構造図である。
【図３】短周期超格子を用いた従来例の構造図である。
１ 基板 ２ 格子緩和層 ３ 歪層 ４ ブロック層 ５ ウェル層 ６ バリア層 ７ 表面層 ８ 歪ウェル層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中西 彊 愛知県名古屋市昭和区川名山町128番地 の４ 杁中住宅３号棟43号室
Claims (6)
- 【請求項１】基板上に少なくともスピン偏極電子の発生
領域として、基板の格子定数よりも大きな格子定数を有
し電子波長程度以下の厚さのウェル層と、ウェル層より
も価電子帯エネルギーが低く伝導帯の電子がトンネル効
果で透過できる厚さのバリア層との交互積層からなる格
子緩和のないｐ型伝導の歪超格子構造を含むことを特徴
とする半導体スピン偏極電子源。 - 【請求項２】少なくともバリア層が基板とほぼ同じ格子
定数を有する半導体からなる請求項１記載の半導体スピ
ン偏極電子源。 - 【請求項３】少なくともバリア層が基板より小さな格子
定数を有する半導体からなり、ウェル層とバリア層の平
均の格子定数が基板とほぼ同じである請求項１記載の半
導体スピン偏極電子源。 - 【請求項４】ウェル層およびバリア層にｐ型不純物を同
程度に含む請求項１、２または３記載の半導体スピン偏
極電子源。 - 【請求項５】少なくともバリア層の一部にｐ型不純物を
含み、ウェル層には不純物をほとんど含まない請求項
１、２または３記載の半導体スピン偏極電子源。 - 【請求項６】少なくともウェル層の一部にｐ型不純物を
含み、バリア層には不純物をほとんど含まない請求項
１、２または３記載の半導体スピン偏極電子源。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11522194A JP2606131B2 (ja) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | 半導体スピン偏極電子源 |
| EP95107677A EP0684624B1 (en) | 1994-05-27 | 1995-05-19 | Spin polarized electron semiconductor source and apparatus utilizing the same |
| DE1995624806 DE69524806T2 (de) | 1994-05-27 | 1995-05-19 | Halbleiterquelle für spinpolarisierte Elektronen und diese Quelle verwendendes Gerät |
| US08/807,216 US5877510A (en) | 1994-05-27 | 1997-02-28 | Spin polarized electron semiconductor source and apparatus utilizing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11522194A JP2606131B2 (ja) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | 半導体スピン偏極電子源 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07320633A JPH07320633A (ja) | 1995-12-08 |
| JP2606131B2 true JP2606131B2 (ja) | 1997-04-30 |
Family
ID=14657365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11522194A Expired - Fee Related JP2606131B2 (ja) | 1994-05-27 | 1994-05-27 | 半導体スピン偏極電子源 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0684624B1 (ja) |
| JP (1) | JP2606131B2 (ja) |
| DE (1) | DE69524806T2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3439994B2 (ja) * | 1998-07-07 | 2003-08-25 | 科学技術振興事業団 | 低抵抗ｎ型および低抵抗ｐ型単結晶ＡｌＮ薄膜の合成法 |
| JP3284239B2 (ja) * | 2000-03-07 | 2002-05-20 | 東北大学長 | スピン偏極伝導電子生成方法および半導体素子 |
| JP2007258119A (ja) * | 2006-03-24 | 2007-10-04 | Univ Nagoya | スピン偏極電子発生装置 |
| EP2270832B1 (en) * | 2008-03-25 | 2016-02-10 | Japan Science and Technology Agency | Spin polarized electron source |
| JP6001319B2 (ja) * | 2012-05-10 | 2016-10-05 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | スピン偏極電子発生素子及びその製造方法 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH575173A5 (ja) * | 1975-01-13 | 1976-04-30 | Lab Fuer Festkoerperphysik Der | |
| JP3070070B2 (ja) * | 1990-07-10 | 2000-07-24 | 大同特殊鋼株式会社 | 偏極電子線発生素子 |
| JP3125328B2 (ja) * | 1991-05-02 | 2001-01-15 | 大同特殊鋼株式会社 | 偏極電子線発生素子 |
| DE69201095T2 (de) * | 1991-05-02 | 1995-05-18 | Daido Steel Co Ltd | Halbleitereinrichtung für hohen spinpolarisierten Elektronenstrahl. |
| JP3189444B2 (ja) * | 1992-06-30 | 2001-07-16 | 大同特殊鋼株式会社 | 偏極電子線発生素子 |
| US5747862A (en) * | 1992-09-25 | 1998-05-05 | Katsumi Kishino | Spin-polarized electron emitter having semiconductor opto-electronic layer with split valence band and reflecting mirror |
| JP3364970B2 (ja) * | 1992-11-25 | 2003-01-08 | 大同特殊鋼株式会社 | 偏極電子線発生素子 |
| JP3192263B2 (ja) * | 1993-01-25 | 2001-07-23 | 克巳 岸野 | 偏極電子線発生素子 |
| US5877510A (en) * | 1994-05-27 | 1999-03-02 | Nec Corporation | Spin polarized electron semiconductor source and apparatus utilizing the same |
-
1994
- 1994-05-27 JP JP11522194A patent/JP2606131B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1995
- 1995-05-19 EP EP95107677A patent/EP0684624B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-05-19 DE DE1995624806 patent/DE69524806T2/de not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE69524806T2 (de) | 2002-09-19 |
| DE69524806D1 (de) | 2002-02-07 |
| EP0684624B1 (en) | 2002-01-02 |
| JPH07320633A (ja) | 1995-12-08 |
| EP0684624A1 (en) | 1995-11-29 |
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