JP3313225B2 - 偏極電子線発生素子 - Google Patents

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
体光電層に励起光を入射することによって表面から取り
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-x Ｐ_x （混晶比ｘ＞０）半導体の上
に、それとは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-x Ｐ_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ＧａＡｓ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
て表面から放出され、高い偏極率を備えた偏極電子線が
得られるのである。ＧａＡｓ_1-x Ｐ_x 半導体はＧａＡｓ
半導体よりもバンドギャップが大きいため、ＧａＡｓ半
導体で発生した電子を表面側へはねかえすポテンシャル
障壁としても機能している。半導体光電層としては、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-y Ｐ_y （混晶比ｙ＞０）半導体や他
のストレインド化合物半導体、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、或
いは本出願人が先に出願した特願平５−２３９８５４号
において提案したＧａＡｓ薄膜とＡｌＧａＡｓ薄膜等が
交互に積層されて成る超格子等が用いられ得る。

【０００３】しかしながら、かかる従来の偏極電子線発
生素子は、半導体光電層で発生した電子が速やかに表面
側へ移動しないため、半導体内に長時間留まっているう
ちに価電子帯に戻ってしまうものがあるなど、電子をは
ねかえすポテンシャル障壁を有する場合であっても、必
ずしも十分に満足できる取出効率が得られないという問
題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本出願人は先
に、特願平５−２９８２４号において、前記半導体光電
層の不純物のドーピング量が表面側より内部側の方で多
くされた傾斜構造を備えた偏極電子線発生素子を提案し
た。すなわち、半導体に対するドーピング量を多くすれ
ば、価電子帯とフェルミレベルとのエネルギー差が小さ
くなり、それに伴ってフェルミレベルに対する伝導帯の
エネルギーは大きくなるため、上記構造とすることによ
り伝導帯のポテンシャルエネルギーが表面側程小さくな
り、発生した偏極電子が表面側へ移動し易くなる。これ
により、半導体光電層で発生した電子は比較的速やかに
表面から放出されるようになり、半導体光電層に長時間
留まって価電子帯に戻ってしまう電子が低減されて、偏
極電子線が有効に取り出されるようになるのである。

【０００５】ところで、偏極電子線発生素子から電子を
引き出すためには、その表面をＮＥＡ（Negative Elect
ron Affinity：負電子親和力；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
ーギャップが負）状態にする必要があり、このＮＥＡ状
態は、半導体の不純物のドーピング量が多いほど実現し
易い。ところが、上記の技術では、傾斜構造とされて表
面側の不純物のドーピング量が少なくされているため、
その表面をＮＥＡ状態にすることが困難となり、高い量
子効率が得られなかったのである。なお、上記傾斜構造
をとった場合にも、内部側の不純物のドーピング量を比
較的多くすれば、表面側のドーピング量をそれに応じて
比較的多くすることが可能であり、表面をＮＥＡ状態に
することが容易となるが、不純物の濃度が高くなる程活
性化率が低下してドーピング効率が悪くなるため、内部
側のドーピング量を十分に多くすることは困難である。
更に、ドーピング量が多くなると結晶の周期性の乱れが
顕著になって電子の減偏極散乱により偏極率が低下する
という問題があった。

【０００６】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、高い量子効率の偏極
電子線発生素子を得ることにある。

【０００７】

【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光
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不純物のドー
ピング量が、前記表面から所定距離以上内側に位置する
内部領域ではその表面側より内部側の方が多くされると
共に、その内部領域よりも外側の表層領域ではその内部
領域の表面側よりも多くされていることを特徴とする。

【０００８】

【作用および発明の効果】このようにすれば、半導体光
電層の不純物のドーピング量が、内部領域では内部側よ
りも表面側の方が少なくされて傾斜構造とされているた
め、前述したように発生した偏極電子が表面側へ移動し
易くなり、半導体光電層で発生した電子が比較的速やか
に表面から放出されて、偏極電子線を高い効率で取り出
すことが可能となる。しかも、半導体光電層の表層領域
では不純物のドーピング量が比較的多くされているた
め、その表面をＮＥＡ状態にすることが容易となって、
高い量子効率が得られるのである。なお、上記のような
構造とされた結果、半導体光電層の表層領域の不純物の
ドーピング量を十分多くしても、内部領域でのドーピン
グ量の傾斜構造を保った状態でその内部側における不純
物のドーピング量を比較的少なくすることが可能である
ため、偏極率の低下は生じない。

【０００９】ここで好適には、前記内部領域における不
純物のドーピング量は、内部側から表面側に向かうに従
って連続的或いは段階的に少なくされる。

【００１０】また、好適には、前記偏極電子線発生素子
は、半導体光電層として機能する化合物半導体（第２半
導体）が、格子定数が僅かに異なる他の化合物半導体
（第１半導体或いは基板）上に結晶成長させられて構成
される。このようにすれば、第２半導体が格子歪を有し
た状態で第１半導体或いは基板上にヘテロ結合させら
れ、その価電子帯にバンドスプリッティングが発生す
る。

【００１１】また、好適には、上記第１半導体は化合物
半導体或いはＳｉ（ケイ素）から成る基板上に結晶成長
させられて構成される。

【００１２】また、好適には、前記所定距離すなわち不
純物のドーピング量が多くされる表層領域の厚さは、前
記半導体光電層の表面をＮＥＡ（負電子親和力）状態に
したときに生じるバンドベンディング領域の幅よりも小
さくされる。このようにすれば、不純物のドーピング量
が比較的多くされることにより価電子帯の上端および伝
導帯の下端のエネルギーレベルＥ_V ，Ｅ_F が比較的高く
された表層領域は、上記ＮＥＡ状態においてバンドベン
ディングによってその全体に亘ってＥ_V ，Ｅ_Fが低くさ
れるため、表層領域の伝導帯の下端のエネルギーレベル
Ｅ_F が高くなることによる偏極電子線の取出効率の低下
が低減される。

【００１３】また、好適には、前記半導体光電層の表層
領域の不純物のドーピング量は、内部領域の最も内側に
おける不純物のドーピング量よりも少なくされる。この
ようにすれば、前記ＮＥＡ状態における表層領域の伝導
帯の下端のエネルギーレベルＥ_F が充分に低くなるた
め、偏極電子線の取出効率の低下が一層低減される。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１５】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第１
半導体１４および第２半導体１６を備えている。基板１
２は３５０μｍ程度の厚さであって、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であり、表面は
（１００）面である。第１半導体１４は２．０μｍ程度
の厚さであって、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である。また、第２半導体１
６は９０ｎｍ程度の厚さであって、Ｚｎが不純物として
ドープされたｐ−ＧａＡｓである。この第２半導体１６
は、厚さが８５ｎｍ程度の内部領域１８と、厚さが５ｎ
ｍ程度の表層領域２０とから構成されている。第２半導
体１６に対するＺｎのドーピング量は、内部領域１８に
おいては、内部から表面２２に向かうに従って連続的に
少なくされており、最も内側の第１半導体１４との界面
付近のキャリア濃度は１×１０¹⁹（ｃｍ^-3) 程度である
が、表層領域２０との境界付近でのキャリア濃度は５×
１０¹⁷（ｃｍ^-3) 程度である。一方、表層領域２０にお
いては、Ｚｎのドーピング量が比較的多くされてキャリ
ア濃度が５×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度とされており、それ
ぞれのキャリア濃度の相対的な関係は、（内部領域１８
の最も内側）＞（表層領域２０）＞（内部領域１８の表
層領域２０との境界付近）となっている。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、それぞれの化合物半導体において、
Ｚｎはキャリア濃度を高くするための不純物として用い
られている。

【００１６】上記第２半導体１６を構成しているｐ−Ｇ
ａＡｓの格子定数は、第１半導体１４を構成しているｐ
−ＧａＡｓ_0.83Ｐ_0.17より僅かに大きいため、第２半導
体１６は膜厚方向において引張応力が作用させられ、そ
の引張応力による格子歪を有する状態で第１半導体１４
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１６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
エネルギーを有する円偏光レーザ光２４が表面２２に照
射されると、一方のスピン方向に偏在した電子群が専ら
励起されて表面２２から放出される。この実施例では上
記第２半導体１６が半導体光電層に相当し、照射すべき
円偏光レーザ光２４の波長は約８６０ｎｍである。

【００１７】なお、上記のように偏極電子線を取り出す
に際しては、表面２２に円偏光レーザ光２４を照射する
に先立って、その表面２２がＮＥＡ状態すなわち負電子
親和力状態（すなわち、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との差に相当するエネルギーギ
ャップが負の状態）にされる。表面２２がＮＥＡ状態に
されると、後述のバンドベンディングが生じて、その表
面２２における真空準位が伝導帯のエネルギーレベルよ
りも下げられるため、伝導帯から電子を取り出すことが
可能となるのである。

【００１８】ここで、上記第２半導体１６に対するＺｎ
のドーピング量は、内部領域１８では内部から表層領域
２０との境界に向かうに従って連続的に少なくされてい
るため、図２に示されているように、フェルミレベルＥ
_F と価電子帯上端のエネルギーレベルＥ_V とのエネルギ
ー差（Ｅ_F −Ｅ_V ）は、内部から上記境界に向かうに従
って大きくなり、それに伴って伝導帯下端のエネルギー
レベルＥ_C は上記境界に向かうに従って低くなる。図３
は、ＧａＡｓ半導体における上記エネルギー差（Ｅ_F −
Ｅ_V ）とキャリア濃度との関係を示すグラフで、キャリ
ア濃度が１×１０¹⁹（ｃｍ^-3) の場合のエネルギー差
（Ｅ_F −Ｅ_V ）は約３４ｍｅＶである一方、キャリア濃
度が５×１０¹⁷（ｃｍ^-3) の場合のエネルギー差（Ｅ_F
−Ｅ_V ）は約８４ｍｅＶである。したがって、伝導帯下
端のエネルギーレベルＥ_C は、第１半導体１４との界面
付近から表層領域２０との境界に向かうに従って約５０
ｍｅＶ低下する。本実施例では、上記エネルギー差（Ｅ
_F −Ｅ_V ）が略直線的に変化するように、第２半導体１
６に対するＺｎのドーピング量は内部領域１８において
は指数関数的に変化させられている。なお、キャリア濃
度の相対的な関係が前述のようにされた結果、第２半導
体１６のそれぞれの領域における価電子帯上端のエネル
ギーレベルＥ_V の相対的な関係は、（内部領域１８の最
も内側のＥ_V ）＞（表層領域２０のＥ_V ）＞（内部領域
１８の表層領域２０との境界付近のＥ_V）となってい
る。

【００１９】そして、上記のような伝導帯のエネルギー
レベルＥ_C の傾斜により、第２半導体１６で発生した電
子は表面２２側へ向かって移動し易くなり、表面２２か
ら比較的速やかに放出されるようになる。これにより、
第２半導体１６内に長時間留まって価電子帯に戻ってし
まう電子線量が低減され、偏極電子線が有効に取り出さ
れるようになる。特に、本実施例では、ＧａＡｓにて構
成された第２半導体１６よりもＧａＡｓ_0.83Ｐ_0.17にて
構成された第１半導体１４の方がバンドギャップが大き
く、その第１半導体１４が電子をはねかえすポテンシャ
ル障壁として機能するため、偏極電子線の取出効率が一
層高くなるのである。

【００２０】一方、表層領域２０ではＺｎのドーピング
量は比較的多くされて、キャリア濃度は５×１０¹⁸（ｃ
ｍ^-3）程度と比較的高くされている。前記のＮＥＡ状態
は、キャリア濃度ができるだけ高い方が実現され易いも
のであり、したがって、本実施例の偏極電子線発生素子
１０においては、偏極電子線を取り出すに際して、表面
２２のＮＥＡ状態を容易に実現することが可能となっ
て、高い量子効率が得られるのである。

【００２１】なお、表層領域２０においては、キャリア
濃度が高くされた結果として前記の図２に示されるよう
に、エネルギー差（Ｅ_F −Ｅ_V ）は、内部領域１８の表
層領域２０との境界付近よりも小さくなり、それに伴っ
て伝導帯下端のエネルギーレベルＥ_C は高くなる。この
ため、偏極電子の取出効率が低下させられるが、本実施
例においては、前記のように表層領域２０の厚さが５ｎ
ｍ程度と極めて薄くされているため、特に問題とならな
い。すなわち、第２半導体１６の表面２２がＮＥＡ状態
とされると、図４において実線で示されるように、幅Ｗ
の大きなバンドベンディングが発生して、表面２２付近
のエネルギー準位は大きく湾曲させられ、その表面２２
では大きく低下させられる。上記バンドベンディング領
域の幅Ｗは、下記 (1)式で与えられることが知られてお
り、本実施例のように第２半導体１６がＧａＡｓである
場合には、Ｅ_g ＝１．４２５ｅＶ、Φ_P ＝（１／３）Ｅ
_g、ε_S ＝１３であるから、温度を３００Ｋとすると、
下記 (2)式が得られる。更に、Ｎ＝５×１０¹⁸（ｃ
ｍ^-3）、Ｎ_i ＝１．１×１０⁷ （ｃｍ^-3）であるから、
この (2)式からＷ＝１１．１ｎｍが求められる。したが
って、キャリア濃度が比較的高くされた表層領域２０の
厚さ（５ｎｍ程度）がバンドベンディング領域の幅Ｗよ
りも十分小さいため、図に示されるように表層領域２０
のエネルギー準位が十分に低くされて、偏極電子の取出
効率は殆ど低下させられないのである。

【００２２】

【数１】

【００２３】なお、上記のようにＮＥＡ状態になってバ
ンドベンディングが生じた際には、第２半導体１６にお
ける伝導帯下端のエネルギーレベルＥ_C および価電子帯
上端のエネルギーレベルＥ_V は、図４において破線で示
されるＮＥＡ状態となる前のそれぞれのエネルギーレベ
ルと対比すると明らかなように、表層領域２０の内部領
域１８との境界におけるＥ_C およびＥ_V が、ＮＥＡ状態
となる前の内部領域１８の表層領域２０との境界におけ
るそれぞれのエネルギーレベルよりも低くなるように湾
曲させられる。

【００２４】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。

【００２５】例えば、前記実施例ではエネルギー差（Ｅ
_F −Ｅ_V ）、言い換えれば伝導帯のエネルギーレベルＥ
_C が直線的に変化するように、Ｚｎのドーピング量が指
数関数的に変化させられていたが、このドーピング量の
変化態様は適宜変更され得、２段階，３段階、或いは４
段階以上の多段階など段階的に変化させたり、ドーピン
グ量自体を直線的に変化させたりしても良い。

【００２６】また、前記実施例の偏極電子線発生素子１
０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１６を備えていたが、ＧａＡｓＰ，
ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ等の他のストレインド化
合物半導体、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、ＧａＡｓ薄膜とＡｌ
ＧａＡｓ薄膜等が交互に積層されて成る超格子、或いは
ＩｎＰとＧａＰが規則的に配列されたＩｎＧａ_0.5 Ｐ
_0.5 等の如く、規則配列によりバンドスプリッティング
が生じている化合物半導体が用いられても良い。これら
の半導体においてドーピングする不純物の種類や量は、
半導体光電層の種類に応じて適宜定められる。

【００２７】また、前記実施例では基板１２としてｐ−
ＧａＡｓが用いられ、第１半導体１４としてｐ−ＧａＡ
ｓ_0.83Ｐ_0.17が用いられていたが、これらに代えて、Ａ
ｌＧａＡｓ等の他の化合物半導体を用いても良い。更
に、基板１２としてはＳｉ基板等を用いることも可能で
ある。

【００２８】また、前記実施例では第１半導体１４の厚
さが２．０μｍ程度、第２半導体１６の厚さが９０ｎｍ
程度とされていたが、これらの厚さは適宜変更され得
る。また、第２半導体１６において、キャリア濃度が高
くされる表層領域２０は５ｎｍ程度とされていたが、こ
の表層領域２０の厚さは、前記 (1)式から得られるバン
ドベンディング領域の幅Ｗよりも十分小さい範囲内で適
宜変更され得る。

【００２９】また、前記実施例では第２半導体１６の格
子定数が第１半導体１４よりも大きく、膜厚方向におい
て引張応力が作用させられるようになっていたが、第１
半導体よりも格子定数が小さい第２半導体を採用し、圧
縮応力によって格子歪が生じさせられるようにすること
もできる。

【００３０】また、前記実施例では第２半導体１６より
もバンドギャップが大きい第１半導体１４を備えていた
が、第１半導体としては少なくとも第２半導体と格子定
数が僅かに異なっておれば良く、バンドギャップが小さ
い半導体を用いることも可能である。例えば、前記ｐ−
ＧａＡｓ基板１２を第１半導体として用い、その上に第
２半導体（半導体光電層）としてｐ−ＧａＡｓ_1-x Ｐ_x
半導体を直接設けることもできる。

【００３１】また、半導体光電層の裏側に、半導体多層
膜や誘電体多層膜等の反射鏡を設けて励起光を反射する
ようにしたり、多重量子井戸構造のポテンシャル障壁を
設けて電子をはねかえすようにしたりすることもできる
など、素子構造は必要に応じて適宜変更され得る。

【００３２】また、前記実施例では表面１８に励起光を
照射するようになっていたが、ＧａＡｓ基板１２をエッ
チング等により切り欠いたり透明基板を用いたりして、
基板側から励起光を入射させるようにすることも可能で
ある。

【００３３】また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ法を用い
て半導体を積層する場合について説明したが、ＭＢＥ
（分子線エピタキシー）法等の他のエピタキシャル成長
技術を用いることも勿論可能である。

【００３４】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おける半導体光電
層のバンド構造を説明する図である。

【図３】ＧａＡｓ半導体におけるキャリア濃度とエネル
ギー差（Ｅ_F −Ｅ_V ）との関係を示す図である。

【図４】図１の偏極電子線発生素子の表面をＮＥＡ状態
にした場合におけるバンドベンディング状態を説明する
図であって、図２に対応する図である。

【符号の説明】

１０：偏極電子線発生素子 １６：第２半導体（半導体光電層） １８：内部領域 ２０：表層領域 ２２：表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 俊宏 愛知県春日井市中央台８丁目７番地の４ (72)発明者 中西 彊 愛知県名古屋市昭和区川名山町128−４ (72)発明者 堀中 博道 大阪府吹田市内本町２−５−25 (56)参考文献 特開 平４−329235（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−238729（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/34 - 1/35 H01J 37/073

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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光が入
   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不純物のドーピング量が、前記表面
   から所定距離以上内側に位置する内部領域では該表面側
   より内部側の方が多くされると共に、該内部領域よりも
   外側の表層領域では該内部領域の表面側よりも多くされ
   ていることを特徴とする偏極電子線発生素子。