JP3438020B2 - 量子閉じ込め構造を有する素子 - Google Patents
量子閉じ込め構造を有する素子Info
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- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
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- Computer Hardware Design (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スピンメモリ素
子、スピン干渉素子、半導体偏光素子に適用できるスピ
ン保持機能を有する量子閉じ込め構造を有する素子に関
するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来型の半導体デバイスでは、情報の担
体として光又は電荷（電子又はホール）が用いられ、大
容量の記憶媒体としては磁性体が広く用いられ、データ
の読出し及び書込みを行う際には、主として金属磁性体
をベースとした電気・磁気変換デバイスが用いられてい
る。 【０００３】近年、これらデバイスの集積化して、半導
体中のキャリアのスピンを積極的に活用する研究が広く
行われている。例えば、量子コンピューティングのよう
に量子力学的効果を活用するシステムにおいては、電子
のスピン状態を制御して演算を行ったり、記憶する機能
を有する電子デバイスが必要である。 【０００４】半導体中でスピンを用いる場合、散逸を防
止するために電子を量子力学的に閉じ込める構造（量子
閉じ込め構造）が必要である。また、計算、読出し、書
込み等を遂行するまでの一定時間はキャリアのスピンの
方向（状態）を保持する必要がある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
に用いられる面方位が（１００）の半導体材料基板（一
般的にはＧａＡｓ基板）上に量子閉じ込め構造を形成し
た場合、主にＤ’ｙａｋｏｎｏｖ−Ｐｅｒｅｌ’（Ｄ
Ｐ）効果によるスピン緩和のためにスピン寿命（緩和時
間）が数〜数１００ピコ秒と短いため、スピンを記憶し
保持する機能を実現するのが困難となる。 【０００６】本発明の目的は、半導体量子井戸中の電子
のスピン方向の保持時間を長くしてスピンを記憶し保持
する機能を有する量子閉じ込め構造を有する素子を実現
することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明による量子閉じ込
め構造を有する素子は、スピン方向を保持する面方位の
半導体基板上に量子閉じ込め構造を形成してＤＰ効果を
抑制し、光によって価電子帯の電子を誘起し又は強磁性
体電極から供給することによって得られるスピン偏極し
た電子の保持時間を、数ナノ秒とし、前記スピン方向を
保持する面方位を（１１０）面方位とし、前記量子閉じ
込め構造を、第１半導体材料層と、この半導体材料層と
前記半導体基板との間に介在する少なくとも１組の第２
半導体材料層及びその上に堆積した第３半導体材料層と
によって構成した１次元とし、前記半導体基板及び第２
半導体材料層を、ＧａＡｓによって構成し、前記第１及
び第３半導体材料層を、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ
＜１）によって構成したことを特徴とするものである。 【０００８】スピン方向を保持する面方位の半導体基板
上に、量子閉じ込め構造を形成すると、ＤＰ効果が抑制
され、電子のスピン方向の保持時間が数ナノ秒まで長く
なる。これは電子の（再結合）消失時間とほぼ同程度で
あり、その結果、本発明による量子閉じ込め構造を有す
る素子はスピンを記憶し保持する機能を有するようにな
る。 【０００９】前記量子閉じ込め構造は１次元、２次元、
３次元のうちのいずれでもよく、前記スピン方向を保持
する面方位を、例えば（１１０）面方位とする。前記量
子閉じ込め構造を、例えば、第１半導体材料層と、この
半導体材料層と前記半導体基板との間に介在する少なく
とも１組の第２半導体材料層（第２半導体材料層を、例
えばＧａＡｓによって構成する。）及びその上に堆積し
た第３半導体材料層とによって構成する。なお、半導体
基板を、例えばＧａＡｓによって構成し、第１及び第３
半導体材料層を、例えばＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ＜
１）によって構成し、第２半導体材料層を、例えばＧａ
Ａｓによって構成する。 【００１０】 【発明の実施の形態】本発明による量子閉じ込め構造を
有する素子の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明
する。図１は、本発明による量子閉じ込め構造を有する
素子の実施の形態を示す図である。この量子閉じ込め構
造を有する素子は、スピン方向を保持する面方位として
の（１１０）面方位の半導体基板１上に、１次元の量子
閉じ込め構造（量子井戸構造）２を形成する。この量子
閉じ込め構造２を、第１半導体材料層３と、この半導体
材料層３と半導体基板１との間に介在する３組の第２半
導体材料層４ａ〜４ｄ及びその上に堆積した第３半導体
材料層５ａ〜５ｄとによって構成する。 【００１１】本実施の形態では、半導体基板１及び第２
半導体材料層４ａ〜４ｄをＧａＡｓによって構成し、第
１及び第３半導体材料層３，５ａ〜５ｄをＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓ（０＜ｘ＜１）によって構成する。また、第２
半導体材料層４ａ〜４ｄの厚さを全て同一にし、第３半
導体材料層５ａ〜５ｄを全て同一にする。 【００１２】電子及びホールは、ポテンシャル変化によ
って第１及び第３半導体材料層３，５ａ〜５ｄ内に閉じ
込めらる。スピン偏極した電子は、光によって価電子帯
の電子を誘起し又は強磁性体電極から供給することによ
って得られる。電子がいずれの方向にスピン偏極してい
るかは、例えば、検出光を試料に照射し、その反射光、
透過光又は試料からの蛍光の偏光を調査することによっ
て判定する。 【００１３】図２は、（１１０）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ量子閉じ込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示す
グラフであり、図３は、（１００）ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ量子閉じ込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示
すグラフである。これらのグラフの縦軸の（σ+ ，
σ+ ）−（σ+ ，σ- ）は電子の（スピン）偏光に対応
し、縦軸の単位を任意の単位とする。横軸には遅延をピ
コ秒単位でとる。また、測定は室温で行われた。 【００１４】基板の面方位が（１１０）の場合、すなわ
ち、図１に示した量子閉じ込め構造を有する素子の場
合、図２から明らかなように偏光が数ナノ秒保持されて
いることがわかる。したがって、本発明による量子閉じ
込め構造を有する素子では、ＤＰ効果が十分に抑制され
て、スピンを記憶し保持する機能を有するようになる。
それに対して、基板の面方位が（１００）の場合、すな
わち、従来の量子閉じ込め構造を有する素子の場合、図
３から明らかなように数１０ピコ秒で偏光が緩和するた
め、ＤＰ効果が抑制されず、スピンを記憶し保持する機
能を実現するのが困難になる。 【００１５】本発明は、上記実施の形態に限定されるも
のではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例え
ば、スピン方向を保持する面方位として（１１０）面方
位以外の他の面方位とすることができる。また、量子閉
じ込め構造を他の任意の量子閉じ込め構造とすることが
でき、具体的には、量子閉じ込め構造を、１次元の量子
井戸構造だけでなく、２次元又は３次元のものとするこ
ともできる。また、半導体基板、第１〜３半導体層を他
の任意の半導体材料で構成することかでき、好適には、
禁制帯幅がある程度広く、伝導帯の電子状態への価電子
帯等との相互作用の影響が小さく、かつ、核スピンが少
ない半導体材料を選択する。さらに、半導体基板と第１
半導体層との間に介在する第２及び第３半導体層の組の
数を任意に選択することができ、第２半導体層の各々の
厚さ及び第３半導体層の各々の厚さを互いに相違させる
こともできる。
子、スピン干渉素子、半導体偏光素子に適用できるスピ
ン保持機能を有する量子閉じ込め構造を有する素子に関
するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来型の半導体デバイスでは、情報の担
体として光又は電荷（電子又はホール）が用いられ、大
容量の記憶媒体としては磁性体が広く用いられ、データ
の読出し及び書込みを行う際には、主として金属磁性体
をベースとした電気・磁気変換デバイスが用いられてい
る。 【０００３】近年、これらデバイスの集積化して、半導
体中のキャリアのスピンを積極的に活用する研究が広く
行われている。例えば、量子コンピューティングのよう
に量子力学的効果を活用するシステムにおいては、電子
のスピン状態を制御して演算を行ったり、記憶する機能
を有する電子デバイスが必要である。 【０００４】半導体中でスピンを用いる場合、散逸を防
止するために電子を量子力学的に閉じ込める構造（量子
閉じ込め構造）が必要である。また、計算、読出し、書
込み等を遂行するまでの一定時間はキャリアのスピンの
方向（状態）を保持する必要がある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
に用いられる面方位が（１００）の半導体材料基板（一
般的にはＧａＡｓ基板）上に量子閉じ込め構造を形成し
た場合、主にＤ’ｙａｋｏｎｏｖ−Ｐｅｒｅｌ’（Ｄ
Ｐ）効果によるスピン緩和のためにスピン寿命（緩和時
間）が数〜数１００ピコ秒と短いため、スピンを記憶し
保持する機能を実現するのが困難となる。 【０００６】本発明の目的は、半導体量子井戸中の電子
のスピン方向の保持時間を長くしてスピンを記憶し保持
する機能を有する量子閉じ込め構造を有する素子を実現
することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明による量子閉じ込
め構造を有する素子は、スピン方向を保持する面方位の
半導体基板上に量子閉じ込め構造を形成してＤＰ効果を
抑制し、光によって価電子帯の電子を誘起し又は強磁性
体電極から供給することによって得られるスピン偏極し
た電子の保持時間を、数ナノ秒とし、前記スピン方向を
保持する面方位を（１１０）面方位とし、前記量子閉じ
込め構造を、第１半導体材料層と、この半導体材料層と
前記半導体基板との間に介在する少なくとも１組の第２
半導体材料層及びその上に堆積した第３半導体材料層と
によって構成した１次元とし、前記半導体基板及び第２
半導体材料層を、ＧａＡｓによって構成し、前記第１及
び第３半導体材料層を、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ
＜１）によって構成したことを特徴とするものである。 【０００８】スピン方向を保持する面方位の半導体基板
上に、量子閉じ込め構造を形成すると、ＤＰ効果が抑制
され、電子のスピン方向の保持時間が数ナノ秒まで長く
なる。これは電子の（再結合）消失時間とほぼ同程度で
あり、その結果、本発明による量子閉じ込め構造を有す
る素子はスピンを記憶し保持する機能を有するようにな
る。 【０００９】前記量子閉じ込め構造は１次元、２次元、
３次元のうちのいずれでもよく、前記スピン方向を保持
する面方位を、例えば（１１０）面方位とする。前記量
子閉じ込め構造を、例えば、第１半導体材料層と、この
半導体材料層と前記半導体基板との間に介在する少なく
とも１組の第２半導体材料層（第２半導体材料層を、例
えばＧａＡｓによって構成する。）及びその上に堆積し
た第３半導体材料層とによって構成する。なお、半導体
基板を、例えばＧａＡｓによって構成し、第１及び第３
半導体材料層を、例えばＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（０＜ｘ＜
１）によって構成し、第２半導体材料層を、例えばＧａ
Ａｓによって構成する。 【００１０】 【発明の実施の形態】本発明による量子閉じ込め構造を
有する素子の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明
する。図１は、本発明による量子閉じ込め構造を有する
素子の実施の形態を示す図である。この量子閉じ込め構
造を有する素子は、スピン方向を保持する面方位として
の（１１０）面方位の半導体基板１上に、１次元の量子
閉じ込め構造（量子井戸構造）２を形成する。この量子
閉じ込め構造２を、第１半導体材料層３と、この半導体
材料層３と半導体基板１との間に介在する３組の第２半
導体材料層４ａ〜４ｄ及びその上に堆積した第３半導体
材料層５ａ〜５ｄとによって構成する。 【００１１】本実施の形態では、半導体基板１及び第２
半導体材料層４ａ〜４ｄをＧａＡｓによって構成し、第
１及び第３半導体材料層３，５ａ〜５ｄをＡｌx Ｇａ
1-x Ａｓ（０＜ｘ＜１）によって構成する。また、第２
半導体材料層４ａ〜４ｄの厚さを全て同一にし、第３半
導体材料層５ａ〜５ｄを全て同一にする。 【００１２】電子及びホールは、ポテンシャル変化によ
って第１及び第３半導体材料層３，５ａ〜５ｄ内に閉じ
込めらる。スピン偏極した電子は、光によって価電子帯
の電子を誘起し又は強磁性体電極から供給することによ
って得られる。電子がいずれの方向にスピン偏極してい
るかは、例えば、検出光を試料に照射し、その反射光、
透過光又は試料からの蛍光の偏光を調査することによっ
て判定する。 【００１３】図２は、（１１０）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ量子閉じ込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示す
グラフであり、図３は、（１００）ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ量子閉じ込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示
すグラフである。これらのグラフの縦軸の（σ+ ，
σ+ ）−（σ+ ，σ- ）は電子の（スピン）偏光に対応
し、縦軸の単位を任意の単位とする。横軸には遅延をピ
コ秒単位でとる。また、測定は室温で行われた。 【００１４】基板の面方位が（１１０）の場合、すなわ
ち、図１に示した量子閉じ込め構造を有する素子の場
合、図２から明らかなように偏光が数ナノ秒保持されて
いることがわかる。したがって、本発明による量子閉じ
込め構造を有する素子では、ＤＰ効果が十分に抑制され
て、スピンを記憶し保持する機能を有するようになる。
それに対して、基板の面方位が（１００）の場合、すな
わち、従来の量子閉じ込め構造を有する素子の場合、図
３から明らかなように数１０ピコ秒で偏光が緩和するた
め、ＤＰ効果が抑制されず、スピンを記憶し保持する機
能を実現するのが困難になる。 【００１５】本発明は、上記実施の形態に限定されるも
のではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例え
ば、スピン方向を保持する面方位として（１１０）面方
位以外の他の面方位とすることができる。また、量子閉
じ込め構造を他の任意の量子閉じ込め構造とすることが
でき、具体的には、量子閉じ込め構造を、１次元の量子
井戸構造だけでなく、２次元又は３次元のものとするこ
ともできる。また、半導体基板、第１〜３半導体層を他
の任意の半導体材料で構成することかでき、好適には、
禁制帯幅がある程度広く、伝導帯の電子状態への価電子
帯等との相互作用の影響が小さく、かつ、核スピンが少
ない半導体材料を選択する。さらに、半導体基板と第１
半導体層との間に介在する第２及び第３半導体層の組の
数を任意に選択することができ、第２半導体層の各々の
厚さ及び第３半導体層の各々の厚さを互いに相違させる
こともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による量子閉じ込め構造を有する素子
の実施の形態を示す図である。 【図２】 （１１０）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子閉じ
込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示すグラフであ
る。 【図３】 （１００）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子閉じ
込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示すグラフであ
る。 【符号の説明】 １ 半導体基板 ２ 量子閉じ込め構造 ３ 第１半導体材料層 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 第２半導体材料層 ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 第３半導体材料層
の実施の形態を示す図である。 【図２】 （１１０）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子閉じ
込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示すグラフであ
る。 【図３】 （１００）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子閉じ
込め構造のスピン緩和過程の実験結果を示すグラフであ
る。 【符号の説明】 １ 半導体基板 ２ 量子閉じ込め構造 ３ 第１半導体材料層 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 第２半導体材料層 ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 第３半導体材料層
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平６−163927（ＪＰ，Ａ)
Ｓｃｉｅｎｃｅ 277，（1997−８−
29），ｐｐ．1284−1287
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．56
［22］，（1990−５−28），ｐｐ．2213
−2215
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．66
［７］，（1995−２−13），ｐｐ．839
−841
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．56
［７］，（1990−２−12），ｐｐ．665
−667
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 スピン方向を保持する面方位の半導体基
板上に量子閉じ込め構造を形成してＤＰ効果を抑制し、
光によって価電子帯の電子を誘起し又は強磁性体電極か
ら供給することによって得られるスピン偏極した電子の
保持時間を、数ナノ秒とし、 前記スピン方向を保持する面方位を（１１０）面方位と
し、 前記量子閉じ込め構造を、第１半導体材料層と、この半
導体材料層と前記半導体基板との間に介在する少なくと
も１組の第２半導体材料層及びその上に堆積した第３半
導体材料層とによって構成した１次元とし、 前記半導体基板及び第２半導体材料層を、ＧａＡｓによ
って構成し、前記第１及び第３半導体材料層を、Ａｌｘ
Ｇａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）によって構成したことを
特徴とする量子閉じ込め構造を有する素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06783299A JP3438020B2 (ja) | 1999-03-15 | 1999-03-15 | 量子閉じ込め構造を有する素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06783299A JP3438020B2 (ja) | 1999-03-15 | 1999-03-15 | 量子閉じ込め構造を有する素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000269442A JP2000269442A (ja) | 2000-09-29 |
| JP3438020B2 true JP3438020B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=13356326
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06783299A Expired - Lifetime JP3438020B2 (ja) | 1999-03-15 | 1999-03-15 | 量子閉じ込め構造を有する素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3438020B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010287484A (ja) * | 2009-06-12 | 2010-12-24 | Sony Corp | 有機発光素子、並びにこれを備えた表示装置および照明装置 |
-
1999
- 1999-03-15 JP JP06783299A patent/JP3438020B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６［２２］，（１９９０−５−２８），ｐｐ．２２１３−２２１５ |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５６［７］，（１９９０−２−１２），ｐｐ．６６５−６６７ |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６［７］，（１９９５−２−１３），ｐｐ．８３９−８４１ |
| Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７７，（１９９７−８−２９），ｐｐ．１２８４−１２８７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000269442A (ja) | 2000-09-29 |
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