JP3154569B2

JP3154569B2 - 偏極電子線発生素子

Info

Publication number: JP3154569B2
Application number: JP28082292A
Authority: JP
Inventors: 克巳岸野; 俊宏加藤
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 2001-04-09
Anticipated expiration: 2016-04-09
Also published as: JPH06111714A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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偏極電子線発生素子の改良に
関するものである。

【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は原子核内部の磁気構造を、物性
物理実験分野においては物質表面の磁気構造を調査する
上で有効な手段として利用されている。かかる偏極電子
線は、価電子帯にバンドスプリッティングを有する半導
体光電層を備えた偏極電子線発生素子を用い、その半導
体光電層に励起レーザを入射させることによって取り出
すことが可能であり、偏極電子線発生素子としては、例
えばＧａＡｓ_1-xＰ_x（混晶比ｘ＞０）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僅か
に異なるＧａＡｓ半導体を結晶成長させたストレインド
ＧａＡｓ半導体がある。すなわち、ＧａＡｓ_1-xＰ_x半
導体に対して格子定数が異なるＧａＡｓ半導体がヘテロ
結合させられることにより、そのＧａＡｓ半導体には格
子歪が付与されるため、その価電子帯にバンドスプリッ
ティングが発生して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
方向は互いに反対向きであるため、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Ｇａ
Ａｓ半導体に注入すれば、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、高い偏極率を備えた
偏極電子線が得られるのである。偏極電子線発生素子と
しては、上記ストレインドＧａＡｓ半導体の他、本出願
人が先に出願した特願平４−１９６２４５号において提
案したストレインドＧａＡｓ_1-yＰ_y（混晶比ｙ＞０）
半導体や他のストレインド化合物半導体、或いは価電子
帯に元々バンドスプリッティングを有するカルコパイラ
イト型半導体等が用いられ得る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来の偏極電子線発生素子においては必ずしも十分な量
子効率（ＱＥ）が得られず、発生電子線量が少ないとい
う問題があった。このため、例えば磁区の観察を行うた
めには、十分な電子線量を得るために長時間励起レーザ
を照射する必要があり、リアルタイムで磁区の動きを観
察することは困難であった。なお、半導体光電層を厚く
すれば励起される電子線が増えて量子効率は向上する
が、半導体内における散乱などでスピンが変化するた
め、偏極率が低下してしまうのである。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、偏極率を損なうこと
なく高い量子効率が得られる偏極電子線発生素子を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、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、その半導体光電層に励起レ
ーザが入射されることによりその半導体光電層の表面か
らスピン方向が偏在している偏極電子線を発生する偏極
電子線発生素子であって、前記半導体光電層の裏側に前
記励起レーザを反射することにより前記表面との間でそ
の励起レーザを多重反射させる反射鏡を有することを特
徴とする。

【０００６】

【作用および発明の効果】このような偏極電子線発生素
子においては、半導体光電層の裏側に設けられた反射鏡
と半導体光電層の表面との間で励起レーザが多重反射さ
せられるため、半導体光電層内を励起レーザが繰り返し
通過させられることになり、励起レーザの吸収量が増加
するとともにその励起レーザで励起される電子線量が多
くなって量子効率（ＱＥ）が向上する。しかも、半導体
光電層を厚くする必要がないため、偏極率が損なわれる
ことも殆どないのである。

【０００７】

【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。

【０００８】図１において、偏極電子線発生素子１０
は、基板１２の上によく知られたＭＯＣＶＤ（有機金属
化学気相成長）装置により順次結晶成長させられた半導
体多層膜反射鏡１４，第１半導体１６，および第２半導
体１８を備えている。基板１２は３５０μｍ程度の厚み
であって、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ｐ−
ＧａＡｓであり、表面は（１００）面である。半導体多
層膜反射鏡１４は、厚さが６７ｎｍのｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ
_0.4Ａｓと厚さが６１ｎｍのｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ
とを交互に３０ペア積層したもので、励起レーザの波長
に対して図２に示す反射率特性を備えている。これ等２
種類の半導体は、何れも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
とされている。なお、半導体多層膜反射鏡１４の２種類
の半導体の膜厚は、その屈折率と反射すべき光の波長に
応じて定められる。

【０００９】また、前記第１半導体１６は２．０μｍ程
度の厚みであって、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ｐ−ＧａＡｓ_0.83Ｐ_0.17であり、第２半導体１８は
０．０８５μｍ程度の厚みであって、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５×１０
¹⁸（ｃｍ^-3）程度とされたｐ−ＧａＡｓである。ｐ−Ｇ
ａＡｓのバンドギャップはｐ−ＧａＡｓ_0.83Ｐ_0.17より
小さく、また、両者の格子定数の相違によりｐ−ＧａＡ
ｓすなわち第２半導体１８は格子歪を有する状態で第１
半導体１６上にヘテロ結合させられる。この格子歪によ
り、第２半導体１８の価電子帯にバンドスプリッティン
グが発生し、ヘビーホールのサブバンドとライトホール
のサブバンド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は
互いに反対向きであるため、エネルギー準位が高い方、
この場合に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が第２半導体１８に注入されると、
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。この実施例では、上記第２半導体１８が半導
体光電層に相当する。なお、図１における各半導体の厚
さは必ずしも正確な割合で示したものではない。また、
上記第２半導体１８の表面１９には、酸化処理膜などは
何等設けられていない。

【００１０】図３は、以上のように構成された偏極電子
線発生素子１０から偏極電子線を発生させるとともに、
その偏極電子線の偏極率を測定するための装置で、偏極
電子線発生装置（電子銃）２０，偏極率測定装置２２，
偏極電子線発生装置２０において発生させられた偏極電
子線を偏極率測定装置２２まで移送する偏極電子移送装
置２４を備えている。

【００１１】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１９
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１９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１９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１９
に向かって照射するミラー５６とを備えている。

【００１２】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^-6torr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。

【００１３】図４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。

【００１４】図３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。

【００１５】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の表面１９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３
６の下端に固定した後に真空ハウジング３０内を１０^-9
torr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１９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１９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１９
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偏極電子
線発生素子１０の第２半導体１８に注入されると、偏極
電子線発生素子１０の表面１９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６
４内の金箔７０に照射されて、図４に示す回路により偏
極率が測定されるのである。

【００１６】図５の実線は、本実施例の偏極電子線発生
素子１０を用いて、励起レーザー光の波長を変更しなが
ら量子効率（ＱＥ）および偏極率を測定した結果を示す
グラフで、一点鎖線は半導体多層膜反射鏡１４を設ける
ことなく基板１２上に直接第１半導体１６および第２半
導体１８を形成した場合である。かかる測定結果から明
らかなように、本実施例の偏極電子線発生素子１０によ
れば、励起レーザの波長が８６０ｎｍ付近で高い偏極率
の偏極電子線が得られる。すなわち、８６０ｎｍ付近の
波長の励起レーザ光が第２半導体１８に注入されること
により、その第２半導体１８の価電子帯のヘビーホール
のサブバンドのみが励起され、スピン方向が一方に偏在
した電子群が表面１９から放出されるのである。

【００１７】ここで、かかる本実施例の偏極電子線発生
素子１０は、基板１２上に半導体多層膜反射鏡１４を備
えているため、表面１９から入射した励起レーザ光はそ
の半導体多層膜反射鏡１４で反射されるとともに、第２
半導体１８の表面１９でも内部からの光が３０％程度の
反射率で反射される。このように、入射された励起レー
ザが半導体多層膜反射鏡１４と表面１９との間で多重反
射され、第２半導体１８内を繰り返し通過させられる
と、その第２半導体１８によって吸収される光エネルギ
ー量が多くなり、図２および図５から明らかなように、
半導体多層膜反射鏡１４の反射波長域において量子効率
（ＱＥ）が向上する。半導体多層膜反射鏡１４の高反射
波長域は、高い偏極率が得られる波長域すなわち８６０
ｎｍ付近をカバーしているため、８６０ｎｍ付近の励起
レーザが照射されることにより高い偏極率の偏極電子線
を多量に取り出すことができるようになる。なお、第２
半導体１８の膜厚は変わらないため、半導体多層膜反射
鏡１４を備えていない偏極電子線発生素子と同程度の高
い偏極率が得られる。

【００１８】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することも
できる。

【００１９】例えば、前記実施例の偏極電子線発生素子
１０は半導体光電層としてストレインドＧａＡｓ半導
体、すなわち第２半導体１８を備えていたが、他のスト
レインド化合物半導体、或いは価電子帯に元々バンドス
プリッティングを有するカルコパイライト型半導体等が
用いられても良い。最大偏極率が得られる励起レーザの
波長は、半導体光電層の種類によって異なる。

【００２０】また、前記実施例ではｐ−ＧａＡｓ基板１
２が用いられていたが、他の化合物半導体基板やＳｉ基
板等を用いることも可能である。

【００２１】また、前記実施例では第１半導体１６の厚
さが２μｍ程度、第２半導体１８の厚さが０．０８５μ
ｍ程度であったが、これらの厚さは適宜変更され得る。
各半導体のキャリア濃度、すなわち不純物のドーピング
量や、ドーピングする不純物の種類についても適宜変更
できる。

【００２２】また、半導体多層膜反射鏡１４と表面１９
との間で励起レーザが共振するように両者間の寸法を設
定したとき、多重反射の際の励起レーザの打ち消し合い
が防止され、共振する波長の近傍のレーザ光の吸収が増
長されて高い量子効率が得られる。すなわち、量子効率
の向上効果は、図６に示されているように表面１９と反
射鏡１４との間の距離ｄによって異なり、レーザ光の共
振条件を満足する距離ｄ_n，ｄ_n+1，ｄ_n+2，・・・に
おいて高い量子効率が得られるため、その距離ｄ_n，ｄ
_n+1，ｄ_n+2，・・・或いはその近傍の寸法となるよう
に、レーザ光の波長および半導体の屈折率に基づいて距
離ｄを設定するのである。具体的には、第１半導体１６
の膜厚をｔ₁，屈折率をｎ₁、第２半導体１８の膜厚を
ｔ₂，屈折率をｎ₂とした場合、２（ｔ₁ｎ₁＋ｔ₂ｎ
₂）が励起レーザの波長の略整数倍となるようにすれば
良い。なお、厳密には、半導体多層膜反射鏡１４内への
光のしみ込み距離も考慮して共振条件を定める必要があ
る。

【００２３】また、前記実施例では半導体多層膜反射鏡
１４が用いられていたが、誘電体多層膜や普通のミラー
等を反射鏡として用いることも可能である。反射鏡は必
ずしも半導体光電層と一体に設けられる必要はなく、半
導体光電層を有する半導体素子の裏面に無反射コーティ
ング等を施して、その素子から出た光をミラー等で反射
するようにしても良いのである。

【００２４】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である偏極電子線発生素子の
構成を説明する図である。

【図２】図１の偏極電子線発生素子に設けられている半
導体多層膜反射鏡の反射特性を示す図である。

【図３】偏極電子線発生素子から偏極電子線を発生させ
て偏極率を測定する装置の構成図である。

【図４】図３の偏極率測定装置の測定回路を示すブロッ
ク線図である。

【図５】図１の偏極電子線発生素子の偏極率および量子
効率を図３の装置により測定した結果を、反射鏡を備え
ていない偏極電子線発生素子の場合と比較して示す図で
ある。

【図６】図１の偏極電子線発生素子における表面と反射
鏡との間の距離と量子効率との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０：偏極電子線発生素子１４：半導体多層膜反射鏡１８：第２半導体（半導体光電層）１９：表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−329235（ＪＰ，Ａ) 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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】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、該半導体光電層に励起レーザ
が入射されることにより該半導体光電層の表面からスピ
ン方向が偏在している偏極電子線を発生する偏極電子線
発生素子であって、前記半導体光電層の裏側に前記励起レーザを反射するこ
とにより前記表面との間で該励起レーザを多重反射させ
る反射鏡を有することを特徴とする偏極電子線発生素
子。