JP3364970B2 - 偏極電子線発生素子 - Google Patents
偏極電子線発生素子Info
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Description
【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。
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させることによって取り出すこ
とが可能であり、このような偏極電子線発生素子とし
て、本出願人は先に出願した特願平４−１９６２４５号
において、ＧａＡｓ基板上にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓを結晶
成長させ、その上に、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ＧａＡｓ1-y Ｐy を結晶
成長させたストレインドＧａＡｓＰを提案した。すなわ
ち、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓに対して格子定数が異なるＧａ
Ａｓ1-y Ｐy がヘテロ結合させられることにより、その
ＧａＡｓ1-y Ｐy 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ＧａＡｓ1-y Ｐy 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。ま
た、ＧａＡｓ1-y Ｐy のバンドギャップをＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓより小さくするのは、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓをポ
テンシャル障壁として、ＧａＡｓ1-y Ｐy で発生した電
子がＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ側へ入り込むことを防止し、偏
極電子線の取出効率を高めるためである。なお、上記各
半導体は導電率を高めるためにＺｎがドーピングされ、
キャリア濃度が５×１０18（ｃｍ-3）程度とされる。
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させることによって取り出すこ
とが可能であり、このような偏極電子線発生素子とし
て、本出願人は先に出願した特願平４−１９６２４５号
において、ＧａＡｓ基板上にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓを結晶
成長させ、その上に、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ＧａＡｓ1-y Ｐy を結晶
成長させたストレインドＧａＡｓＰを提案した。すなわ
ち、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓに対して格子定数が異なるＧａ
Ａｓ1-y Ｐy がヘテロ結合させられることにより、その
ＧａＡｓ1-y Ｐy 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ＧａＡｓ1-y Ｐy 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。ま
た、ＧａＡｓ1-y Ｐy のバンドギャップをＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓより小さくするのは、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓをポ
テンシャル障壁として、ＧａＡｓ1-y Ｐy で発生した電
子がＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ側へ入り込むことを防止し、偏
極電子線の取出効率を高めるためである。なお、上記各
半導体は導電率を高めるためにＺｎがドーピングされ、
キャリア濃度が５×１０18（ｃｍ-3）程度とされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記Ａｌx
Ｇａ1-x Ａｓをポテンシャル障壁として用いる場合、Ｇ
ａＡｓ1-y Ｐy とのバンドギャップ差を大きくするため
にＡｌの混晶比ｘを大きくすることが望ましい。しか
し、Ａｌの混晶比ｘが大きくなると、Ｚｎのドーピング
が困難となって導電率が低下し、素子が帯電して偏極電
子線の取出効率が却って悪くなる。このため、Ａｌの混
晶比ｘをそれ程大きくすることはできず、十分な取出効
率の向上効果が得られなかった。
Ｇａ1-x Ａｓをポテンシャル障壁として用いる場合、Ｇ
ａＡｓ1-y Ｐy とのバンドギャップ差を大きくするため
にＡｌの混晶比ｘを大きくすることが望ましい。しか
し、Ａｌの混晶比ｘが大きくなると、Ｚｎのドーピング
が困難となって導電率が低下し、素子が帯電して偏極電
子線の取出効率が却って悪くなる。このため、Ａｌの混
晶比ｘをそれ程大きくすることはできず、十分な取出効
率の向上効果が得られなかった。
【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、バンドギャップ差が
それ程大きくなくても高い取出効率が得られるようにす
ることにある。
もので、その目的とするところは、バンドギャップ差が
それ程大きくなくても高い取出効率が得られるようにす
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための第１の手段】かかる目的を達成
するために、第１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、前記偏極電子線を反射す
る多重量子井戸構造の半導体障壁層が前記半導体光電層
の裏側に設けられていることを特徴とする。
するために、第１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、前記偏極電子線を反射す
る多重量子井戸構造の半導体障壁層が前記半導体光電層
の裏側に設けられていることを特徴とする。
【０００６】
【第１発明の作用および効果】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偏極電子線を
反射する半導体障壁層が設けられているため、半導体光
電層で発生した電子が内部へ入り込むことが防止され、
高い取出効率が得られるようになる。特に、上記半導体
障壁層は多重量子井戸構造を成しているため、実質的な
ポテンシャル障壁高さは半導体光電層とのバンドギャッ
プ差以上となり、従来のバルク構造のポテンシャル障壁
に比較して、バンドギャップが略同じ半導体を用いた場
合には取出効率が高くなる一方、同程度の取出効率を得
る場合には半導体光電層とのバンドギャップ差が小さい
半導体を採用できる。これにより、例えば混晶比ｘが周
期的に変化するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓを半導体障壁層とし
て用いる場合、高い導電率が得られるようにキャリア濃
度を５×１０18（ｃｍ-3）程度とするＺｎドーピングが
可能な、混晶比ｘが０．６程度以下の範囲で多重量子井
戸を構成することにより、導電率を損なうことなく偏極
電子線の取出効率を向上させることができる。
生素子においては、半導体光電層の裏側に偏極電子線を
反射する半導体障壁層が設けられているため、半導体光
電層で発生した電子が内部へ入り込むことが防止され、
高い取出効率が得られるようになる。特に、上記半導体
障壁層は多重量子井戸構造を成しているため、実質的な
ポテンシャル障壁高さは半導体光電層とのバンドギャッ
プ差以上となり、従来のバルク構造のポテンシャル障壁
に比較して、バンドギャップが略同じ半導体を用いた場
合には取出効率が高くなる一方、同程度の取出効率を得
る場合には半導体光電層とのバンドギャップ差が小さい
半導体を採用できる。これにより、例えば混晶比ｘが周
期的に変化するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓを半導体障壁層とし
て用いる場合、高い導電率が得られるようにキャリア濃
度を５×１０18（ｃｍ-3）程度とするＺｎドーピングが
可能な、混晶比ｘが０．６程度以下の範囲で多重量子井
戸を構成することにより、導電率を損なうことなく偏極
電子線の取出効率を向上させることができる。
【０００７】
【課題を解決するための第２の手段】前記目的を達成す
るために、第２発明は、励起光が入射されることにより
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、（ａ）化合物半導体に
て構成された基板と、（ｂ）その基板の上に結晶成長さ
せられるとともに、組成が周期的に変化させられて多重
量子井戸構造を成し、前記偏極電子線を反射する半導体
障壁層と、（ｃ）その半導体障壁層の上に格子歪を有す
る状態で結晶成長させられ、前記励起光が入射されるこ
とにより表面から前記偏極電子線を発生する半導体光電
層とを有することを特徴とする。
るために、第２発明は、励起光が入射されることにより
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、（ａ）化合物半導体に
て構成された基板と、（ｂ）その基板の上に結晶成長さ
せられるとともに、組成が周期的に変化させられて多重
量子井戸構造を成し、前記偏極電子線を反射する半導体
障壁層と、（ｃ）その半導体障壁層の上に格子歪を有す
る状態で結晶成長させられ、前記励起光が入射されるこ
とにより表面から前記偏極電子線を発生する半導体光電
層とを有することを特徴とする。
【０００８】
【第２発明の作用および効果】すなわち、この第２発明
は、前記ストレインドＧａＡｓＰ半導体のように、格子
歪によって価電子帯にバンドスプリッティングが設けら
れた半導体光電層を有する偏極電子線発生素子に上記第
１発明を適用した場合で、第１発明と同様の作用効果が
得られる。
は、前記ストレインドＧａＡｓＰ半導体のように、格子
歪によって価電子帯にバンドスプリッティングが設けら
れた半導体光電層を有する偏極電子線発生素子に上記第
１発明を適用した場合で、第１発明と同様の作用効果が
得られる。
【０００９】ここで、基板としてＧａＡｓを用い、半導
体障壁層として混晶比ｘが０．６以下の所定の範囲で周
期的に変化するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓを用い、半導体光電
層としてＧａＡｓ1-y Ｐy （混晶比ｙ＞０）を用いた場
合には、ＧａＡｓとＡｌx Ｇａ1-x Ａｓとの格子定数差
は小さいため、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓは基板上に略コヒー
レントに結晶成長させられ、格子不整合に起因する素子
寿命や量子効率の低下が殆ど生じないとともに、半導体
光電層にはＡｌx Ｇａ1-x ＡｓとＧａＡｓ1-yＰy との
格子定数差に基づいて格子歪が生じさせられ、かかる格
子歪に基づいて価電子帯にバンドスプリッティングが発
生する。Ａｌx Ｇａ1-x ＡｓがＧａＡｓ基板上に完全に
コヒーレントに結晶成長させられている場合には、上記
半導体光電層の格子歪はＧａＡｓとＧａＡｓ1-y Ｐy と
の格子定数差に基づいて生じるとも考えられるが、上記
のようにＡｌx Ｇａ1-x ＡｓとＧａＡｓとの格子定数差
は極めて小さいため、半導体光電層に生じる格子歪は実
質的に殆ど変わらない。
体障壁層として混晶比ｘが０．６以下の所定の範囲で周
期的に変化するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓを用い、半導体光電
層としてＧａＡｓ1-y Ｐy （混晶比ｙ＞０）を用いた場
合には、ＧａＡｓとＡｌx Ｇａ1-x Ａｓとの格子定数差
は小さいため、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓは基板上に略コヒー
レントに結晶成長させられ、格子不整合に起因する素子
寿命や量子効率の低下が殆ど生じないとともに、半導体
光電層にはＡｌx Ｇａ1-x ＡｓとＧａＡｓ1-yＰy との
格子定数差に基づいて格子歪が生じさせられ、かかる格
子歪に基づいて価電子帯にバンドスプリッティングが発
生する。Ａｌx Ｇａ1-x ＡｓがＧａＡｓ基板上に完全に
コヒーレントに結晶成長させられている場合には、上記
半導体光電層の格子歪はＧａＡｓとＧａＡｓ1-y Ｐy と
の格子定数差に基づいて生じるとも考えられるが、上記
のようにＡｌx Ｇａ1-x ＡｓとＧａＡｓとの格子定数差
は極めて小さいため、半導体光電層に生じる格子歪は実
質的に殆ど変わらない。
【００１０】一方、上記半導体障壁層は、混晶比ｘが
０．６以下の所定の範囲で周期的に変化するＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓにより多重量子井戸が構成されているため、Ｚ
ｎドーピングによりキャリア濃度を５×１０18（ｃ
ｍ-3）程度とすることが可能で、混晶比ｘが一定のバル
ク構造のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓをポテンシャル障壁として
用いる場合に比較して、導電率を損なうことなく偏極電
子線の取出効率が向上させられる。
０．６以下の所定の範囲で周期的に変化するＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓにより多重量子井戸が構成されているため、Ｚ
ｎドーピングによりキャリア濃度を５×１０18（ｃ
ｍ-3）程度とすることが可能で、混晶比ｘが一定のバル
ク構造のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓをポテンシャル障壁として
用いる場合に比較して、導電率を損なうことなく偏極電
子線の取出効率が向上させられる。
【００１１】また、上記ＧａＡｓ1-y Ｐy は、半導体光
電層として一般に広く用いられているＧａＡｓよりもバ
ンドギャップが大きいため、それだけ最大偏極率が得ら
れる励起光の波長が高エネルギーの短波長側へシフト
し、例えば８１５ｎｍ程度以下の波長で高い偏極率の偏
極電子線を取り出すことができるようになり、励起光源
として小型で安価な半導体レーザ等の使用が可能とな
る。因に、従来のＧａＡｓ半導体光電層の場合は８６０
ｎｍ程度の波長で最大偏極率が得られるため、「チタ
ン；サファイア」レーザ等の大掛かりなレーザ発生装置
が必要であった。
電層として一般に広く用いられているＧａＡｓよりもバ
ンドギャップが大きいため、それだけ最大偏極率が得ら
れる励起光の波長が高エネルギーの短波長側へシフト
し、例えば８１５ｎｍ程度以下の波長で高い偏極率の偏
極電子線を取り出すことができるようになり、励起光源
として小型で安価な半導体レーザ等の使用が可能とな
る。因に、従来のＧａＡｓ半導体光電層の場合は８６０
ｎｍ程度の波長で最大偏極率が得られるため、「チタ
ン；サファイア」レーザ等の大掛かりなレーザ発生装置
が必要であった。
【００１２】
【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。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ＭＢＥ（分子線エピタ
キシー）法により順次結晶成長させられた半導体障壁層
１４および半導体光電層１６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（１０
０）面である。半導体障壁層１４は多重量子井戸構造を
成しており、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
−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8Ａｓおよびｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａ
ｓが交互に２４ペア積層されている。これ等ｐ−Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ，ｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓの膜厚
は、できるだけ高いポテンシャル障壁が得られるように
予め実験等により定められ、本実施例では何れも３４Å
程度とされている。また、この半導体障壁層１４の上下
両端部には、トンネル効果による電子の通過を阻止する
ために厚さが１７０Å程度のｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ
が設けられている。前記半導体光電層１６は８５０Å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−ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13である。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。
細に説明する。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ＭＢＥ（分子線エピタ
キシー）法により順次結晶成長させられた半導体障壁層
１４および半導体光電層１６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（１０
０）面である。半導体障壁層１４は多重量子井戸構造を
成しており、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
−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8Ａｓおよびｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａ
ｓが交互に２４ペア積層されている。これ等ｐ−Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ，ｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓの膜厚
は、できるだけ高いポテンシャル障壁が得られるように
予め実験等により定められ、本実施例では何れも３４Å
程度とされている。また、この半導体障壁層１４の上下
両端部には、トンネル効果による電子の通過を阻止する
ために厚さが１７０Å程度のｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ
が設けられている。前記半導体光電層１６は８５０Å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−ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13である。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。
【００１３】ここで、ＧａＡｓとＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ
／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓとの格子定数差は約０．０６％
程度と小さいため、半導体障壁層１４は基板１２上に略
コヒーレントに結晶成長させられ、格子不整合に起因す
る素子寿命や量子効率の低下が殆ど生じない。これに対
し、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ＡｓとＧ
ａＡｓ0.87Ｐ0.13との格子定数差は０．６〜０．７％程
度であるため、半導体光電層１６は、それ等の格子定数
差に基づく格子歪を有する状態で半導体障壁層１４上に
結晶成長させられる。半導体障壁層１４がＧａＡｓ基板
１２上に完全にコヒーレントに結晶成長させられている
場合には、上記半導体光電層１６の格子歪はＧａＡｓと
ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13との格子定数差に基づいて生じると
も考えられるが、上記のようにＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／
Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ＡｓとＧａＡｓとの格子定数差は極め
て小さいため、半導体光電層１６に生じる格子歪は実質
的に殆ど変わらない。そして、この格子歪により半導体
光電層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、エネルギー準位の高い方のサブバンドのみを励起
するような光エネルギーが半導体光電層１６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
れて表面１８から放出される。
／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓとの格子定数差は約０．０６％
程度と小さいため、半導体障壁層１４は基板１２上に略
コヒーレントに結晶成長させられ、格子不整合に起因す
る素子寿命や量子効率の低下が殆ど生じない。これに対
し、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ＡｓとＧ
ａＡｓ0.87Ｐ0.13との格子定数差は０．６〜０．７％程
度であるため、半導体光電層１６は、それ等の格子定数
差に基づく格子歪を有する状態で半導体障壁層１４上に
結晶成長させられる。半導体障壁層１４がＧａＡｓ基板
１２上に完全にコヒーレントに結晶成長させられている
場合には、上記半導体光電層１６の格子歪はＧａＡｓと
ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13との格子定数差に基づいて生じると
も考えられるが、上記のようにＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／
Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 ＡｓとＧａＡｓとの格子定数差は極め
て小さいため、半導体光電層１６に生じる格子歪は実質
的に殆ど変わらない。そして、この格子歪により半導体
光電層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、エネルギー準位の高い方のサブバンドのみを励起
するような光エネルギーが半導体光電層１６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
れて表面１８から放出される。
【００１４】具体的には、ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13の格子定
数はＧａＡｓより小さいため、半導体光電層１６には偏
極電子線の取出し方向すなわち膜厚方向において圧縮応
力が作用させられ、ライトホールのサブバンドの方がエ
ネルギー準位が高くなり、そのライトホールのサブバン
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
ーザ光を照射すれば良い。かかるストレインドＧａＡｓ
0.87Ｐ0.13半導体光電層１６に照射するレーザ光の波長
と、取り出される偏極電子線の偏極率との関係を調べる
と、波長が約８１５ｎｍ程度で偏極率が最も高くなる。
したがって、このような本実施例の偏極電子線発生素子
１０を用いて偏極電子線を取り出す場合には、波長が８
１５ｎｍ程度の円偏光レーザ光を励起光として用いれば
良く、小型で安価な半導体レーザ等の使用が可能であ
る。
数はＧａＡｓより小さいため、半導体光電層１６には偏
極電子線の取出し方向すなわち膜厚方向において圧縮応
力が作用させられ、ライトホールのサブバンドの方がエ
ネルギー準位が高くなり、そのライトホールのサブバン
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
ーザ光を照射すれば良い。かかるストレインドＧａＡｓ
0.87Ｐ0.13半導体光電層１６に照射するレーザ光の波長
と、取り出される偏極電子線の偏極率との関係を調べる
と、波長が約８１５ｎｍ程度で偏極率が最も高くなる。
したがって、このような本実施例の偏極電子線発生素子
１０を用いて偏極電子線を取り出す場合には、波長が８
１５ｎｍ程度の円偏光レーザ光を励起光として用いれば
良く、小型で安価な半導体レーザ等の使用が可能であ
る。
【００１５】一方、前記半導体障壁層１４を構成してい
るＡｌx Ｇａ1-x ＡｓのバンドギャップＥｇ（ｘ）は、
ｘ≦０．４５では次式（１）に従って求められ、Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 ＡｓのバンドギャップＥｇ（０．２）は
１．６７３ｅＶ、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのバンドギャッ
プＥｇ（０．４）は１．９２３ｅＶで、Ｐの混晶比ｙに
より次式（２）に従って求められるＧａＡｓ0.87Ｐ0.13
のバンドギャップ１．５７６ｅＶより何れも大きい。図
２は、かかる本実施例の偏極電子線発生素子１０のバン
ド構造を示す図である。
るＡｌx Ｇａ1-x ＡｓのバンドギャップＥｇ（ｘ）は、
ｘ≦０．４５では次式（１）に従って求められ、Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 ＡｓのバンドギャップＥｇ（０．２）は
１．６７３ｅＶ、Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのバンドギャッ
プＥｇ（０．４）は１．９２３ｅＶで、Ｐの混晶比ｙに
より次式（２）に従って求められるＧａＡｓ0.87Ｐ0.13
のバンドギャップ１．５７６ｅＶより何れも大きい。図
２は、かかる本実施例の偏極電子線発生素子１０のバン
ド構造を示す図である。
【００１６】
【数１】
Ｅｇ（ｘ）＝１．４２４＋１．２４７ｘ ・・・（１）
Ｅｇ（ｙ）＝１．４２４＋１．１５０ｙ＋０．１７６ｙ2 ・・・（２）
【００１７】このように、上記半導体障壁層１４は半導
体光電層１６よりもバンドギャップが大きく、しかも多
重量子井戸構造を成しているため実質的なポテンシャル
障壁高さがバルクのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓより高くな
り、半導体光電層１６で発生した電子が半導体障壁層１
４側へ入り込むことが良好に防止されて、高い取出効率
が得られる。また、かかる半導体障壁層１６は、Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓにて構成され
ているため、Ｚｎドーピングによりキャリア濃度を５×
１０18（ｃｍ-3）程度とすることが可能なのであり、こ
れにより、混晶比ｘが一定のバルク構造のＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓをポテンシャル障壁として用いる場合に比較し
て、導電率を損なうことなく偏極電子線の取出効率が向
上させられる。
体光電層１６よりもバンドギャップが大きく、しかも多
重量子井戸構造を成しているため実質的なポテンシャル
障壁高さがバルクのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓより高くな
り、半導体光電層１６で発生した電子が半導体障壁層１
４側へ入り込むことが良好に防止されて、高い取出効率
が得られる。また、かかる半導体障壁層１６は、Ａｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓにて構成され
ているため、Ｚｎドーピングによりキャリア濃度を５×
１０18（ｃｍ-3）程度とすることが可能なのであり、こ
れにより、混晶比ｘが一定のバルク構造のＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓをポテンシャル障壁として用いる場合に比較し
て、導電率を損なうことなく偏極電子線の取出効率が向
上させられる。
【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。
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、前記実施例では基板１２としてＧ
ａＡｓが用いられていたが、ＡｌＧａＡｓ等の他の化合
物半導体やＳｉ基板等を用いることも可能である。半導
体障壁層１４や半導体光電層１６についても、それ等の
半導体の組成（Ａｌ，Ｐの混晶比）や種類、膜厚等は適
宜変更され得、半導体光電層としては、例えばＧａＡｓ
やＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ等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を用いることも
可能である。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。
ａＡｓが用いられていたが、ＡｌＧａＡｓ等の他の化合
物半導体やＳｉ基板等を用いることも可能である。半導
体障壁層１４や半導体光電層１６についても、それ等の
半導体の組成（Ａｌ，Ｐの混晶比）や種類、膜厚等は適
宜変更され得、半導体光電層としては、例えばＧａＡｓ
やＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ等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を用いることも
可能である。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。
【００２０】また、前記実施例では半導体光電層１６の
格子定数が基板１２より小さく、膜厚方向において圧縮
応力が作用させられるようになっていたが、基板や半導
体障壁層よりも半導体光電層の方が相対的に格子定数が
大きく、引っ張り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。
格子定数が基板１２より小さく、膜厚方向において圧縮
応力が作用させられるようになっていたが、基板や半導
体障壁層よりも半導体光電層の方が相対的に格子定数が
大きく、引っ張り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。
【００２１】また、前記実施例の偏極電子線発生素子１
０は基板１２，半導体障壁層１４，および半導体光電層
１６によって構成されていたが、所定の基板上にＧａＡ
ｓ半導体を結晶成長させて、その上に半導体障壁層１４
および半導体光電層１６を積層するなど、素子構造は必
要に応じて適宜変更され得る。
０は基板１２，半導体障壁層１４，および半導体光電層
１６によって構成されていたが、所定の基板上にＧａＡ
ｓ半導体を結晶成長させて、その上に半導体障壁層１４
および半導体光電層１６を積層するなど、素子構造は必
要に応じて適宜変更され得る。
【００２２】また、前記実施例の半導体障壁層１４は、
ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13よりバンドギャップが大きいＡｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓにて構成され
ていたが、実質的なポテンシャル障壁高さが半導体光電
層１６より高くなる範囲でＡｌの混晶比は適宜定められ
る。半導体光電層１６についても、Ｐの混晶比は半導体
障壁層１４の格子定数やバンドギャップを考慮して適宜
変更できる。
ＧａＡｓ0.87Ｐ0.13よりバンドギャップが大きいＡｌ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ／Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓにて構成され
ていたが、実質的なポテンシャル障壁高さが半導体光電
層１６より高くなる範囲でＡｌの混晶比は適宜定められ
る。半導体光電層１６についても、Ｐの混晶比は半導体
障壁層１４の格子定数やバンドギャップを考慮して適宜
変更できる。
【００２３】また、前記実施例ではＭＢＥ法によって半
導体障壁層１４および半導体光電層１６を形成する場合
について説明したが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成
長）法など他のエピタキシャル成長技術を採用すること
もできる。
導体障壁層１４および半導体光電層１６を形成する場合
について説明したが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成
長）法など他のエピタキシャル成長技術を採用すること
もできる。
【００２４】また、前記実施例では最大偏極率が得られ
る励起光の波長が８１５ｎｍ程度であったが、半導体光
電層１６を構成しているＧａＡｓＰのＰの混晶比を大き
くして更に短波長側へシフトさせることも可能で、例え
ば６３０〜６４０ｎｍ程度で大きな偏極率が得られるよ
うにすれば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の使用も可能となる。
る励起光の波長が８１５ｎｍ程度であったが、半導体光
電層１６を構成しているＧａＡｓＰのＰの混晶比を大き
くして更に短波長側へシフトさせることも可能で、例え
ば６３０〜６４０ｎｍ程度で大きな偏極率が得られるよ
うにすれば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の使用も可能となる。
【００２５】また、前記実施例では表面１８側から励起
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。
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。
【００２６】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。
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。
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のバンド構造を示す
図である。
図である。
１０：偏極電子線発生素子
１２：基板
１４：半導体障壁層
１６：半導体光電層
１８：表面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−76733（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−223708（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 1/34
H01J 37/073
H01J 37/075
Claims (3)
- 【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、 前記偏極電子線を反射する多重量子井戸構造の半導体障
壁層が前記半導体光電層の裏側に設けられていることを
特徴とする偏極電子線発生素子。 - 【請求項２】 励起光が入射されることにより表面から
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、 化合物半導体にて構成された基板と、 該基板の上に結晶成長させられるとともに、組成が周期
的に変化させられて多重量子井戸構造を成し、前記偏極
電子線を反射する半導体障壁層と、 該半導体障壁層の上に格子歪を有する状態で結晶成長さ
せられ、前記励起光が入射されることにより表面から前
記偏極電子線を発生する半導体光電層とを有することを
特徴とする偏極電子線発生素子。 - 【請求項３】 前記基板はＧａＡｓで、前記半導体障壁
層は混晶比ｘが０．６以下の所定の範囲で周期的に変化
するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓで、前記半導体光電層はＧａＡ
ｓ1-y Ｐy （混晶比ｙ＞０）である請求項２に記載の偏
極電子線発生素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33798292A JP3364970B2 (ja) | 1992-11-25 | 1992-11-25 | 偏極電子線発生素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33798292A JP3364970B2 (ja) | 1992-11-25 | 1992-11-25 | 偏極電子線発生素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06163400A JPH06163400A (ja) | 1994-06-10 |
| JP3364970B2 true JP3364970B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=18313836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33798292A Expired - Fee Related JP3364970B2 (ja) | 1992-11-25 | 1992-11-25 | 偏極電子線発生素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3364970B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2606131B2 (ja) * | 1994-05-27 | 1997-04-30 | 日本電気株式会社 | 半導体スピン偏極電子源 |
| US5877510A (en) * | 1994-05-27 | 1999-03-02 | Nec Corporation | Spin polarized electron semiconductor source and apparatus utilizing the same |
-
1992
- 1992-11-25 JP JP33798292A patent/JP3364970B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06163400A (ja) | 1994-06-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |