JP3125328B2 - Polarized electron beam generator - Google Patents

Polarized electron beam generator

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JP3125328B2 JP13061191A JP13061191A JP3125328B2 JP 3125328 B2 JP3125328 B2 JP 3125328B2 JP 13061191 A JP13061191 A JP 13061191A JP 13061191 A JP13061191 A JP 13061191A JP 3125328 B2 JP3125328 B2 JP 3125328B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】本発明は、スピン方向が2種類のうちの一
方に偏在している電子群から成る偏極電子線を、光エネ
ルギーを受けることにより発生させる偏極電子線発生素
子に関するものである。
[0001] The present invention relates to a polarized electron beam generating element for generating a polarized electron beam comprising a group of electrons whose spin directions are unevenly distributed in one of two types by receiving light energy.

【0002】[0002]

【従来の技術】スピン方向が2種類のうちの一方に偏在
している電子群から成る偏極電子線は、高エネルギー素
粒子実験分野において原子核内部の磁気構造や物質表面
の磁気構造を調査する上での有効な手段として利用され
ている。このような偏極電子線を発生させるに際して
は、たとえばガリウム−砒素系などの化合物半導体の結
晶表面に円偏光レーザを照射し、角運動量保存に伴う選
択的遷移によってスピン方向が一方向に偏在した偏極電
子線を取り出すようにすることが一般に行われている。
2. Description of the Related Art A polarized electron beam composed of a group of electrons whose spin directions are unevenly distributed in one of two types is used to investigate a magnetic structure inside a nucleus and a magnetic structure on a material surface in a field of high energy elementary particle experiments. It is used as an effective means above. When generating such a polarized electron beam, for example, the crystal surface of a compound semiconductor such as gallium-arsenic is irradiated with a circularly polarized laser, and the spin direction is biased in one direction due to a selective transition accompanying conservation of angular momentum. It is common practice to extract polarized electron beams.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の偏極電子線発生素子によれば、発生させられた
偏極電子線の偏極率は理論的にも50%、すなわちアッ
プスピンおよびダウンスピンの割合が1:3若しくは
3:1が最大と推定されており、充分に高い偏極率を備
えた電子線を得ることができなかった。
According to the above-described conventional polarized electron beam generating element, the polarization rate of the generated polarized electron beam is theoretically 50%, that is, the upspin rate is high. In addition, it is estimated that the ratio of the down spin is 1: 3 or 3: 1, and an electron beam having a sufficiently high polarization rate cannot be obtained.

【0004】これに対し、半導体の結晶に一定方向の応
力を加えて価電子帯に対して一軸異方性を与えるように
した偏極電子線発生素子を用いることが考えられるが、
充分な大きさの歪を得ることや歪を安定的に与えること
が困難であり、また歪応力を外部から加える装置が電子
の引出しの妨げとなるなどの問題があった。
On the other hand, it is conceivable to use a polarized electron beam generating element in which a unidirectional anisotropy is given to a valence band by applying a stress in a certain direction to a semiconductor crystal.
It is difficult to obtain a sufficiently large strain or to apply the strain stably, and there is a problem that an apparatus for applying a strain stress from the outside hinders the extraction of electrons.

【0005】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、充分に高い偏極
率を備えた電子線を安定的かつ容易に得ることができる
偏極電子線発生素子を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a polarized electron capable of stably and easily obtaining an electron beam having a sufficiently high polarization rate. It is to provide a line generating element.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの本発明の要旨とするところは、スピン方向が2種類
のうちの一方に偏在している電子群から成る偏極電子線
を、光エネルギーを受けることにより発生させる偏極電
子線発生素子であって、相互に異なる格子定数を有し且
つ互いにヘテロ結合させられた少なくとも一対の第1化
合物半導体層および第2化合物半導体層を備えていると
ともに、前記偏極電子線を発生する第2化合物半導体層
におけるヘビーホールのサブバンドとライトホールのサ
ブバンドとのエネルギー準位差が熱雑音によるエネルギ
ーよりも大きくなるように、それら第1化合物半導体層
および第2化合物半導層の格子定数差が定められている
ことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the gist of the present invention is to provide a polarized electron beam composed of a group of electrons whose spin directions are unevenly distributed in one of two types. A polarized electron beam generating element generated by receiving energy, comprising at least one pair of a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having mutually different lattice constants and being hetero-bonded to each other. In addition, the first compound semiconductor layer is formed such that the energy level difference between the sub-band of the heavy hole and the sub-band of the light hole in the second compound semiconductor layer generating the polarized electron beam becomes larger than the energy due to the thermal noise. The difference lies in that the lattice constant difference between the layer and the second compound semiconductor layer is determined.

【0007】[0007]

【作用および発明の効果】このようにすれば、第1化合
物半導体層に対して格子定数が異なる第2化合物半導体
層がヘテロ結合させられることにより、その第2化合物
半導体層には格子歪が付与されることとなり、その価電
子帯のバンドスプリッティングが発生させられる。すな
わち、第2化合物半導体層の価電子帯にはヘビーホール
のサブバンドとライトホールのサブバンドが存在してお
り、格子歪がない状態では両サブバンドのエネルギー準
位はエネルギーの最低状態では一致しているが、格子歪
が加えられることによりエネルギー準位に差が生じるの
である。また、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は互いに反対向きである。したがっ
て、エネルギー準位が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するよ
うな光エネルギーを第2化合物半導体層に注入すれば、
一方のスピン方向に偏在した電子群が専ら励起されて放
出され、充分に高い偏極率を備えた電子線が得られるの
である。しかも、格子定数が相互に異なる化合物半導体
層間のヘテロ結合により、内部から安定的に格子歪が付
与されるので、安定した偏極率を備えた偏極電子線が外
部的歪付与装置に邪魔されることなく容易に得られるの
である。
In this way, since the second compound semiconductor layer having a different lattice constant is hetero-coupled to the first compound semiconductor layer, lattice distortion is imparted to the second compound semiconductor layer. And the band splitting of the valence band is generated. That is, the valence band of the second compound semiconductor layer includes a heavy-hole subband and a light-hole subband, and the energy levels of both subbands are one at the lowest energy state in the absence of lattice distortion. However, the difference in energy level is caused by the application of lattice strain. The spin directions of electrons extracted by excitation of both subbands are opposite to each other. Therefore, if light energy that excites only the subband having the higher energy level, that is, the subband having the smaller energy gap with the conduction band, is injected into the second compound semiconductor layer,
An electron group unevenly distributed in one spin direction is exclusively excited and emitted, and an electron beam having a sufficiently high polarization is obtained. Moreover, since the lattice bond is stably applied from the inside by the hetero bond between the compound semiconductor layers having different lattice constants, the polarized electron beam having a stable polarization rate is obstructed by the external strain applying device. It can be obtained easily without having to do it.

【0008】一方、上記ヘビーホールおよびライトホー
ルのエネルギー準位差が小さいと、熱雑音により両方の
サブバンドが励起されて必ずしも十分な偏極率向上効果
が得られないが、本発明では、ヘビーホールのサブバン
ドとライトホールのサブバンドとのエネルギー準位差が
熱雑音によるエネルギーよりも大きくなるように両化合
物半導体層の格子定数差が定められているため、エネル
ギー準位が低い方のサブバンドにおける励起が抑制され
て極めて高い偏極率を実現することができるのである。
On the other hand, if the energy level difference between the heavy hole and the light hole is small, both sub-bands are excited by thermal noise, so that a sufficient effect of improving the polarization rate cannot always be obtained. Since the lattice constant difference between the two compound semiconductor layers is determined so that the energy level difference between the hole sub-band and the light hole sub-band becomes larger than the energy due to thermal noise, the sub-band having the lower energy level Excitation in the band is suppressed, and an extremely high polarization rate can be realized.

【0009】[0009]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0010】図1において、偏極電子線発生素子10
は、半導体基板12の上においてよく知られたMOCV
D結晶成長法により順次成長させられた第1化合物半導
体層14および第2化合物半導体層16を備えている。
半導体基板12は、350μm程度の厚みであって、た
とえば亜鉛Znが不純物としてドープされることにより
キャリア濃度が5×1018(cm-3)程度とされたガリ
ウム−砒素p型半導体単結晶板(p−GaAs)であ
り、表面は(100)面である。また、第1化合物半導
体層14は、2.0μm程度の厚みであって、たとえば
亜鉛Znが不純物としてドープされることによりキャリ
ア濃度が5×1018(cm-3)程度とされたガリウム−
砒素−燐p型半導体単結晶層(p−GaAs
0.830.17)である。また、第2化合物半導体層16
は、0.08μm程度の厚みであって、たとえば亜鉛Z
nが不純物としてドープされることによりキャリア濃度
が5×1018(cm-3)程度とされたガリウム−砒素p
型半導体単結晶層(p−GaAs)である。なお、上記
第2化合物半導体層16の表面には、酸化処理膜などは
何等設けられていない。
In FIG. 1, a polarized electron beam generating element 10
Is a well-known MOCV on the semiconductor substrate 12.
The first compound semiconductor layer 14 and the second compound semiconductor layer 16 sequentially grown by the D crystal growth method are provided.
The semiconductor substrate 12 has a thickness of about 350 μm and has a carrier concentration of about 5 × 10 18 (cm −3 ) by doping zinc Zn as an impurity, for example. p-GaAs), and the surface is a (100) plane. The first compound semiconductor layer 14 has a thickness of about 2.0 μm and has a carrier concentration of about 5 × 10 18 (cm −3 ) by doping zinc Zn as an impurity.
Arsenic-phosphorus p-type semiconductor single crystal layer (p-GaAs
0.83 P 0.17 ). Also, the second compound semiconductor layer 16
Has a thickness of about 0.08 μm, for example, zinc Z
Gallium-arsenic p having a carrier concentration of about 5 × 10 18 (cm −3 ) by doping n as an impurity
It is a type semiconductor single crystal layer (p-GaAs). Note that no oxidation treatment film or the like is provided on the surface of the second compound semiconductor layer 16.

【0011】上記第2化合物半導体層16の厚さは0.
08μm程度でコヒーレント成長を行う臨界膜厚を超え
ているが、第1化合物半導体層14および第2化合物半
導体層16は、その格子定数が0.6%程度相違してい
るため、その第2化合物半導体層16は格子歪を有する
状態で第1化合物半導体層14上にヘテロ結合させられ
ることとなり、かかる格子歪により、第2化合物半導体
層16の価電子帯におけるヘビーホールおよびライトホ
ールのサブバンドのエネルギー準位に差が生じる。この
エネルギー準位差は、偏極電子線発生素子10を使用す
る際に生じる熱雑音によるエネルギーよりも大きい。熱
雑音によるエネルギーEは次式(1)で与えられ、温度
によって相違するが、本実施例では上記エネルギー準位
差が約40meVで、常温(25℃程度)における熱雑
音のエネルギーE≒26meVよりも充分に大きい。
The thickness of the second compound semiconductor layer 16 is about 0.1.
Although it exceeds the critical film thickness for performing coherent growth at about 08 μm, the first compound semiconductor layer 14 and the second compound semiconductor layer 16 have different lattice constants by about 0.6%, so that the second compound semiconductor layer 14 and the second compound semiconductor layer 16 have different lattice constants. The semiconductor layer 16 is hetero-coupled to the first compound semiconductor layer 14 in a state of having a lattice distortion, and the lattice distortion causes the sub-bands of the heavy hole and the light hole in the valence band of the second compound semiconductor layer 16 to fall. A difference occurs in energy levels. This energy level difference is larger than the energy due to thermal noise generated when using the polarized electron beam generator 10. The energy E due to the thermal noise is given by the following equation (1) and varies depending on the temperature. In this embodiment, the energy level difference is about 40 meV, and the energy E of the thermal noise at room temperature (about 25 ° C.) is about 26 meV. Is also large enough.

【0012】E=kT ・・
・(1)但し、k:ボルツマン定数 T:絶対温度
E = kT...
・ (1) However, k: Boltzmann constant T: Absolute temperature

【0013】以上のように構成された偏極電子線発生素
子10は、例えば図2に示す偏極電子線発生装置(電子
銃)20内に配設されて使用される。図2においては、
上記偏極電子線発生装置20に加えて、それから発生さ
せられた電子線に含まれる電子の偏極率を測定するため
の偏極率測定装置22と、偏極電子線発生装置20から
発生させられた偏極電子線を偏極率測定装置22まで移
送するための偏極電子移送装置24とが設けられてい
る。
The polarized electron beam generator 10 constructed as described above is used, for example, in a polarized electron beam generator (electron gun) 20 shown in FIG. In FIG.
In addition to the polarized electron beam generator 20, a polarization rate measuring device 22 for measuring the polarization rate of electrons contained in the electron beam generated therefrom, A polarized electron transfer device 24 for transferring the polarized electron beam to the polarization rate measuring device 22 is provided.

【0014】偏極電子線発生装置20は、高真空室を形
成するための真空ハウジング30と、真空ハウジング3
0を10-9torr程度の高真空とするためのターボ分子ポ
ンプ32およびイオンポンプ34と、偏極電子線発生素
子10を真空ハウジング30内に保持し且つ液体窒素に
より冷却するための容器状ホルダ36およびその容器状
ホルダ36を取り囲んで残留ガスを吸着させるための液
体窒素容器38と、偏極電子線発生素子10の表面から
電子を引き出すための複数の電極40と、偏極電子線発
生素子10の表面に向かってセシウムおよび酸素を放出
するセシウム放出器42および酸素放出器44と、上記
偏極電子線発生素子10の表面にレーザ光を照射するた
めのレーザ光照射装置46とを備えている。レーザ光照
射装置46は、700〜900nmの波長のレーザ光を
選択的に出力するチューナブルレーザ光源50と、直線
偏光だけを通過させる偏光子52と、直線偏光を円偏光
に変換する1/4波長素子54と、円偏光のレーザ光を
前記偏極電子線発生素子10の表面に向かって照射する
ミラー56とを備えている。
The polarized electron beam generator 20 includes a vacuum housing 30 for forming a high vacuum chamber and a vacuum housing 3.
A turbo-molecular pump 32 and an ion pump 34 for making 0 a high vacuum of about 10 -9 torr, and a container holder for holding the polarized electron beam generating element 10 in a vacuum housing 30 and cooling it with liquid nitrogen. 36, a liquid nitrogen container 38 surrounding the container-shaped holder 36 to adsorb residual gas, a plurality of electrodes 40 for extracting electrons from the surface of the polarized electron beam generating element 10, and a polarized electron beam generating element A cesium emitter 42 and an oxygen emitter 44 for emitting cesium and oxygen toward the surface of the device 10, and a laser beam irradiator 46 for irradiating the surface of the polarized electron beam generator 10 with a laser beam. I have. The laser light irradiation device 46 includes a tunable laser light source 50 for selectively outputting laser light having a wavelength of 700 to 900 nm, a polarizer 52 for passing only linearly polarized light, and a quarter for converting linearly polarized light to circularly polarized light. A wavelength element 54 and a mirror 56 for irradiating circularly polarized laser light toward the surface of the polarized electron beam generating element 10 are provided.

【0015】偏極率測定装置22は、フロンガスが充填
されたタンク60内に配置され且つ高圧碍子62により
支持されるとともにアノード63から100kVが印加
される高圧槽(Mott散乱槽)64と、高圧槽64に
接続されてその中を10-6程度の高真空とするためのタ
ーボ分子ポンプ66と、偏極電子線を加速する加速電極
68と、図示しない円板により支持され且つ偏極電子線
が衝突させられる金箔70と、金箔70内の金原子核に
衝突することによりθ=120゜に散乱された電子を検
出する一対の表面障壁型検出器72と、図示しないプリ
アンプにより信号増幅された表面障壁型検出器72から
の信号を光に変換するLED74と、LED74の光出
力を受けて電気信号に変換する受光器76とを備えてい
る。
The polarization measuring device 22 is disposed in a tank 60 filled with chlorofluorocarbon gas, supported by a high-pressure insulator 62 and applied with a voltage of 100 kV from an anode 63 (Mott scattering tank) 64; A turbo-molecular pump 66 connected to a tank 64 for creating a high vacuum of about 10 -6 therein, an accelerating electrode 68 for accelerating a polarized electron beam, a polarized electron beam supported by a disk (not shown) , A pair of surface barrier type detectors 72 for detecting electrons scattered at θ = 120 ° by colliding with gold nuclei in the gold foil 70, and a surface amplified by a preamplifier (not shown). An LED 74 that converts a signal from the barrier type detector 72 into light is provided, and a light receiver 76 that receives the light output of the LED 74 and converts it into an electric signal.

【0016】図3は、上記表面障壁型検出器72からの
2チャンネルの信号に基づいて偏極率を算出する回路例
を示している。図において、表面障壁型検出器72から
の信号は、プリアンプ84により増幅された後、LED
74により光信号にそれぞれ変換される。受光器76は
上記光信号を受けて電気信号に変換し、インターフェイ
ス78を介して演算制御回路80へ供給する。演算制御
回路80では、予め記憶された演算式から入力信号に基
づいて偏極電子線に含まれる電子群の偏極率を演算し、
表示器82に表示させる。
FIG. 3 shows an example of a circuit for calculating the polarization rate based on the two-channel signal from the surface barrier type detector 72. In the figure, the signal from the surface barrier type detector 72 is amplified by a preamplifier 84 and then amplified by an LED.
The light is converted into an optical signal by an optical signal 74. The light receiver 76 receives the optical signal, converts it into an electric signal, and supplies it to the arithmetic and control circuit 80 via the interface 78. The arithmetic control circuit 80 calculates the polarization rate of the electron group included in the polarized electron beam based on the input signal from an arithmetic expression stored in advance,
It is displayed on the display 82.

【0017】図2に戻って、前記偏極電子移送装置24
は、前記真空ハウジング30と高圧槽64とを接続する
管路に設けられたコンダクタンスの低い一対の細管90
と、その一対の細管90に挟まれた位置に設けられたイ
オンポンプ92と、偏極電子線発生素子10から引き出
された偏極電子線を静電的に直角に曲げるための球形コ
ンデンサ装置94と、その偏極電子線を高圧槽64に向
かって磁気的に直角に曲げるためのヘルムホルツコイル
96とを備えている。なお、真空ハウジング30と高圧
槽64とが偏極電子線を曲げる必要のない相対位置関係
にあれば、それら球形コンデンサ装置94およびヘルム
ホルツコイル96は不要となる。
Returning to FIG. 2, the polarized electron transfer device 24
Is a pair of small tubes 90 having a low conductance provided in a pipe connecting the vacuum housing 30 and the high-pressure tank 64.
An ion pump 92 provided at a position sandwiched between the pair of thin tubes 90; and a spherical capacitor device 94 for electrostatically bending a polarized electron beam drawn from the polarized electron beam generating element 10 at a right angle. And a Helmholtz coil 96 for magnetically bending the polarized electron beam toward the high-pressure tank 64 at a right angle. If the vacuum housing 30 and the high-pressure tank 64 have a relative positional relationship that does not require bending of the polarized electron beam, the spherical condenser device 94 and the Helmholtz coil 96 become unnecessary.

【0018】以上の装置において偏極電子線を発生させ
る場合には、偏極電子線発生素子10の第2化合物半導
体層16の表面には何等酸化処理膜が設けられていない
ため、成長直後から真空デシケータに保管した偏極電子
線発生素子10を用いる。先ずその偏極電子線発生素子
10を容器状ホルダ36の下端に固定した後に真空ハウ
ジング30内を10-9程度の高真空とし、図示しないヒ
ータにより420℃程度の温度に15分程度加熱するこ
とにより、偏極電子線発生素子10の表面を清浄化す
る。次いで、セシウム放出器42および酸素放出器44
から偏極電子線発生素子10の表面に向かってセシウム
および酸素を交互に放出してセシウムおよび酸素を微量
だけ吸着させる。これにより、偏極電子線発生素子10
の表面において、エレクトロンアフィニティ(伝導帯の
底にある電子のエネルギーレベルと真空レベルの差に相
当するエネルギーギャップ)を負とする。そして、液体
窒素による偏極電子線発生素子10の冷却を行うことな
く、常温においてレーザ光照射装置46から円偏光レー
ザ光を照射した。この円偏光レーザ光のエネルギーが注
入されると、偏極電子線発生素子10の表面からスピン
方向が一方に偏在している電子群が発生され、この電子
群が偏極電子線として電極40により引き出されるので
ある。この偏極電子線は、偏極電子移送装置24により
前記高圧槽64内の金箔70に照射されて、図3に示す
回路により偏極率が測定されるのである。
In the case of generating a polarized electron beam in the above-described apparatus, since no oxidized film is provided on the surface of the second compound semiconductor layer 16 of the polarized electron beam generating element 10, immediately after the growth, The polarized electron beam generator 10 stored in a vacuum desiccator is used. First, after the polarized electron beam generating element 10 is fixed to the lower end of the container holder 36, the inside of the vacuum housing 30 is set to a high vacuum of about 10 -9 , and heated to a temperature of about 420 ° C. for about 15 minutes by a heater (not shown). Thereby, the surface of the polarized electron beam generating element 10 is cleaned. Next, the cesium emitter 42 and the oxygen emitter 44
Cesium and oxygen are alternately released from the substrate toward the surface of the polarized electron beam generating element 10 to adsorb only a small amount of cesium and oxygen. Thereby, the polarized electron beam generating element 10
In the surface of the above, the electron affinity (energy gap corresponding to the difference between the energy level of electrons at the bottom of the conduction band and the vacuum level) is negative. Circularly polarized laser light was irradiated from the laser light irradiation device 46 at room temperature without cooling the polarized electron beam generator 10 with liquid nitrogen. When the energy of the circularly polarized laser light is injected, an electron group whose spin direction is unevenly distributed to one side is generated from the surface of the polarized electron beam generating element 10, and this electron group is converted by the electrode 40 as a polarized electron beam. It is withdrawn. The polarized electron beam is applied to the gold foil 70 in the high-pressure tank 64 by the polarized electron transfer device 24, and the polarization rate is measured by the circuit shown in FIG.

【0019】本発明者等の実験によれば、従来において
用いられていた偏極電子線発生素子(P−GaAs基板
の上にP−GaAs層を成長させたもの:偏極電子線発
生素子10の第1化合物半導体層14を除去したものに
相当)の偏極率は約43%であったのに対し、本実施例
の偏極電子線発生素子10では、測定結果を示す図4か
ら明らかなように励起レーザの波長855〜870nm
において偏極率85%以上を達成することができた。な
お、かかる本実施例における量子効率(QE)は図5に
示されている通りであり、上記励起レーザの波長855
〜870nmでは約3×10-4である。
According to the experiments conducted by the present inventors, a polarized electron beam generating element conventionally used (a P-GaAs layer grown on a P-GaAs substrate: polarized electron beam generating element 10) (Corresponding to the first compound semiconductor layer 14 removed) was about 43%, whereas the polarized electron beam generating element 10 of the present example clearly shows the measurement results from FIG. The wavelength of the pump laser is 855 to 870 nm
, A polarization rate of 85% or more could be achieved. The quantum efficiency (QE) in this embodiment is as shown in FIG.
At 8870 nm, it is about 3 × 10 −4 .

【0020】このように、本実施例の偏極電子線発生素
子10によれば、第1化合物半導体層14に対して格子
定数が異なる第2化合物半導体層16がヘテロ結合させ
られ、その第2化合物半導体層16に格子歪が付与され
て、価電子帯のヘビーホールおよびライトホールのサブ
バンドのエネルギー準位に差が生じさせられているた
め、エネルギー準位が高い方のサブバンド、この実施例
ではヘビーホールのサブバンドのみを励起するような光
エネルギーすなわち波長が855〜870nmの励起レ
ーザを第2化合物半導体層16に注入することにより、
一方のスピン方向に偏在した電子群が専ら励起されて放
出されるのである。特に、第2化合物半導体層16の膜
厚は臨界膜厚を超えているが、両化合物半導体層14,
16の格子定数差は比較的大きいため、第2化合物半導
体層16の格子歪が大きく、上記ヘビーホールのサブバ
ンドとライトホールのサブバンドとのエネルギー準位差
が熱雑音によるエネルギーよりも大きくなって、エネル
ギー準位が低いライトホールのサブバンドにおける励起
が良好に抑制され、85%以上という極めて高い偏極率
を実現することができたのである。
As described above, according to the polarized electron beam generator 10 of the present embodiment, the second compound semiconductor layer 16 having a different lattice constant is hetero-coupled to the first compound semiconductor layer 14, Since lattice strain is imparted to the compound semiconductor layer 16 to cause a difference in the energy level between the heavy band and the light hole sub-band in the valence band, the sub-band having the higher energy level. In the example, by injecting into the second compound semiconductor layer 16 an optical laser that excites only the sub-band of the heavy hole, that is, an excitation laser having a wavelength of 855 to 870 nm,
An electron group unevenly distributed in one spin direction is exclusively excited and emitted. In particular, although the thickness of the second compound semiconductor layer 16 exceeds the critical thickness, both compound semiconductor layers 14 and
Since the lattice constant difference of the second compound semiconductor layer 16 is relatively large, the lattice distortion of the second compound semiconductor layer 16 is large, and the energy level difference between the heavy hole subband and the light hole subband becomes larger than the energy due to thermal noise. As a result, excitation in the sub-band of the light hole having a low energy level was suppressed well, and an extremely high polarization rate of 85% or more could be realized.

【0021】また、本実施例の偏極電子線発生素子10
によれば、格子定数の相互に異なる第1化合物半導体層
14と第2化合物半導体層16との間のヘテロ結合によ
り、内部から安定的に歪が付与されるので、安定した偏
極率を備えた偏極電子線が外部的歪付与装置に邪魔され
ることなく容易に得られるのである。
The polarized electron beam generating element 10 of this embodiment
According to the method, since the hetero bond between the first compound semiconductor layer 14 and the second compound semiconductor layer 16 whose lattice constants are different from each other, the strain is stably applied from the inside, so that a stable polarization rate is provided. The polarized electron beam can be easily obtained without being disturbed by the external strain applying device.

【0022】ここで、上記偏極電子線発生素子10にお
いては、第1化合物半導体層14と第2化合物半導体層
16との2層間のヘテロ結合により内部的に歪が発生さ
せられていたが、3以上の層間の格子定数の差異が利用
されてもよいのである。
Here, in the polarized electron beam generating element 10, the strain is internally generated due to the hetero bond between the two layers of the first compound semiconductor layer 14 and the second compound semiconductor layer 16. The difference in lattice constant between three or more layers may be used.

【0023】また、前記偏極電子線発生素子10におい
ては、第1化合物半導体層14がGaAs0.830.17
あり、第2化合物半導体層16がGaAsであったが、
GaAs1-x x の組成は適宜変更され得るとともに、
たとえばGa1-x Alx As系、Gax In1-x As
1-y y 系、In1-x-y Gax Aly P系、Ga1-x
x P系などの他の種類の化合物半導体が必要に応じて
用いられ得る。
In the polarized electron beam generator 10, the first compound semiconductor layer 14 is made of GaAs 0.83 P 0.17 and the second compound semiconductor layer 16 is made of GaAs.
The composition of GaAs 1-x P x can be changed as appropriate,
For example, Ga 1-x Al x As, Ga x In 1-x As
1-y Py system, In 1-xy Ga x Al y P system, Ga 1-x I
Other types of compound semiconductors such as n x P system may be used if necessary.

【0024】また、前記実施例ではヘビーホールのサブ
バンドとライトホールのサブバンドとのエネルギー準位
差が常温における熱雑音よりも大きくされていたが、そ
のエネルギー準位差は、少なくとも偏極電子線発生素子
10の使用時における熱雑音よりも大きければ良い。
In the above embodiment, the energy level difference between the heavy hole sub-band and the light hole sub-band is made larger than the thermal noise at room temperature. It is sufficient that the noise is larger than the thermal noise when the line generating element 10 is used.

【0025】また、前記実施例では第1化合物半導体層
14よりも第2化合物半導体層16の方が格子定数が大
きいが、偏極電子線を発生する第2化合物半導体層の方
が第1化合物半導体層よりも格子定数が小さい場合でも
差し支えない。その場合には、ライトホールの方がヘビ
ーホールよりもエネルギー準位が高くなる。
In the above-described embodiment, the second compound semiconductor layer 16 has a larger lattice constant than the first compound semiconductor layer 14, but the second compound semiconductor layer that generates polarized electron beams has a larger lattice constant. It does not matter if the lattice constant is smaller than that of the semiconductor layer. In that case, the light hole has a higher energy level than the heavy hole.

【0026】なお、上述したのはあくまでも本発明の一
実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲にお
いて種々変更が加えられ得るものである。
The above is merely an example of the present invention, and the present invention can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例である偏極電子線発生素子の
構成を説明する概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a polarized electron beam generating element according to one embodiment of the present invention.

【図2】図1の偏極電子線発生素子を備えた偏極電子線
発生装置および偏極率測定装置などを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a polarized electron beam generator and a polarization rate measuring device provided with the polarized electron beam generator of FIG. 1;

【図3】図2の偏極率測定装置の測定回路を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a measuring circuit of the polarization rate measuring device of FIG. 2;

【図4】図2の偏極率測定装置によって測定された偏極
率の測定結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of a polarization rate measured by the polarization rate measuring device of FIG. 2;

【図5】図2の偏極電子線発生装置により偏極電子線を
発生させた時の量子効率の測定結果を示す図である。
5 is a diagram showing a measurement result of quantum efficiency when a polarized electron beam is generated by the polarized electron beam generator of FIG. 2;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:偏極電子線発生素子 14:第1化合物半導体層 16:第2化合物半導体層 10: polarized electron beam generating element 14: first compound semiconductor layer 16: second compound semiconductor layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−185145(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 1/34 H01J 37/075 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-60-185145 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01J 1/34 H01J 37/075

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 スピン方向が2種類のうちの一方に偏在
している電子群から成る偏極電子線を、光エネルギーを
受けることにより発生させる偏極電子線発生素子であっ
て、相互に異なる格子定数を有し且つ互いにヘテロ結合
させられた少なくとも一対の第1化合物半導体層および
第2化合物半導体層を備えているとともに、前記偏極電
子線を発生する第2化合物半導体層におけるヘビーホー
ルのサブバンドとライトホールのサブバンドとのエネル
ギー準位差が熱雑音によるエネルギーよりも大きくなる
ように、該第1化合物半導体層および第2化合物半導層
の格子定数差が定められていることを特徴とする偏極電
子線発生素子。
1. A polarized electron beam generating element for generating a polarized electron beam comprising a group of electrons whose spin directions are localized in one of two types by receiving light energy, wherein the polarized electron beams are different from each other. At least one pair of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer having a lattice constant and hetero-bonded to each other, and the sub-portion of the heavy hole in the second compound semiconductor layer that generates the polarized electron beam The difference in lattice constant between the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer is determined so that the energy level difference between the band and the sub-band of the light hole is larger than the energy due to thermal noise. Polarized electron beam generator.
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