JP3576631B2

JP3576631B2 - 偏極電子線発生素子

Info

Publication number: JP3576631B2
Application number: JP9542195A
Authority: JP
Inventors: 和男内田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2019-10-13
Also published as: JPH08292298A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光エネルギーを照射することにより、スピン方向が上下のいずれか一方に偏在する電子群よりなる偏極電子線を発生させる偏極電子線発生素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子線は、金属または半導体に高電圧を印加するか、または光エネルギーを照射するかして得られており、この電子線では、通常、スピン方向が互いに逆方向の電子同士がペアーとなって円偏極面内に無秩序に存在している。
そこで、スピン方向が上下のいずれか一方の電子のみを選択的に取り出すことにより、特定の円偏極成分方向に偏った偏極電子線を得ることができる。
偏極電子線とは、自由度を有する円偏極面内でスピンの方向が上下のいずれか一方に偏っている電子群のことであり、偏極電子線は、例えば、電子顕微鏡の電子線源、トンネル顕微鏡のトンネル電流を発生させるプルーブ等、遷移金属等の電子準位の中にスピン異方性のある材料の評価、あるいは原子核の内部または表面の磁気スピン構造、スピン異方性を有する電子軌道の評価等への応用が期待されている。
【０００３】
偏極電子線は、ＧａＡｓ等の化合物半導体に円偏光したレーザー光を照射することにより得られるが、この化合物半導体では、価電子帯においてスピン量子数の異なる２つの軌道が縮退するために、偏極度の充分な電子線を得ることが難しいという問題点があった。この場合、この化合物半導体に外部から一定方向の応力を加えることにより、価電子帯のスピン量子数の異なる２つの軌道の縮退を解き、偏極度の充分な電子線を得ることができるが、一定方向に制御された応力を発生させる必要があるために、装置全体の構造が複雑になり、実用化には不向きであった。
【０００４】
そこで、例えば、図４に示すように、ｐ−ＧａＡｓからなるせん亜鉛鉱型の化合物半導体単結晶基板１上に、ｐ−Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる第１化合物半導体層２を形成し、この半導体層２上にｐ−ＧａＡｓからなる第２化合物半導体層３を形成した２層構造の偏極電子線発生素子が提案されている。（特開平４−６９６００号、特開平４−３２９２３５号等を参照のこと）
この素子では、第１化合物半導体層２と第２化合物半導体層３とは互いに格子定数が異なるために、これらの半導体層２，３間には格子歪を伴ったヘテロ接合が形成される。
【０００５】
ここでは、ＧａＡｓ系半導体結晶を用いているが、この結晶は、通常、図５に示すように、価電子帯においてスピン量子数の異なる２つの軌道、すなわち重いホール軌道のエネルギー準位５と軽いホール軌道のエネルギー準位６とが縮退し、エネルギーバンドのブリルアンゾーン・センター（波数ベクトル：ｋ＝０）において重なり合い、同一のエネルギー準位を有する。ここで、この結晶に一軸性の応力を加えると、図６に示すように、結晶の対称性が破れて縮退が解け、重いホール軌道のエネルギー準位５と軽いホール軌道のエネルギー準位６とが明瞭に分離される。
【０００６】
この素子を用いて偏極電子線を発生させる際には、熱雑音を考慮する必要がある。熱雑音とは、熱エネルギーによるゆらぎで、ｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）により記述され、この素子の室温（２５℃）における熱雑音は約２６ｍｅＶ程度と見積られる。
この素子では、熱雑音の影響を小さくするために、液体窒素を用いて７７Ｋに冷却した状態で使用される。この素子に円偏光レーザ光が照射されると、ヘテロ結合により第１化合物半導体層２に自発的に一軸性応力が発生し、重いホール軌道５の電子のみが選択的に伝導帯に励起されて放出されるので、偏極度の高い偏極電子線を取り出すことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の偏極電子線発生素子を室温で動作させようとした場合、重いホール軌道５と軽いホール軌道６との間のエネルギー差ΔＥが２６ｍｅＶ以下になると、この２つの軌道５，６の分離が曖昧となり、結果として双方の軌道５，６の電子が同時に伝導帯に励起されてしまうこととなる。したがって、熱雑音の影響が大きくなり、偏極電子線の発生効率が低下するという問題点があった。
そこで、熱雑音の影響を小さくするために、より大きな応力を加えて重いホール軌道５と軽いホール軌道６との間のエネルギー差ΔＥを２６ｍｅＶより充分大きくすることも考えられるが、応力が増加すると、それに伴いヘテロ界面に多数の転位が発生するために、結果的に第１化合物半導体層２の結晶としての品質が低下し、素子としての信頼性が低下し寿命が短くなるという新たな問題点が生じる。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、室温において熱雑音の影響を受けることなく動作させることができ、高信頼性及び長寿命の偏極電子線発生素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、応力による転位発生の制約を受けず、さらに、室温においても熱雑音の影響を受けることなく動作可能な偏極電子線発生素子を開発すべく鋭意研究した結果、次の様な知見を得た。
【００１０】
一般に、ＧａＰやＩｎＰは、せん亜鉛鉱型の結晶構造をとるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として知られている。これら化合物半導体の混晶であるＧａ_０．５２Ｉｎ_０．４８ＰはＩＩＩ族の原子サイトにＧａ及びＩｎがランダムに配置したもので、上記と同様にせん亜鉛鉱型の結晶構造をとることが知られている。このＧａ_０．５２Ｉｎ_０．４８ＰはＧａＡｓと同一の格子定数を有するので、化学気相成長法（ＣＶＤ）等によりＧａＡｓ基板上に成膜することができる。同様の理由により、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ａｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ等の化合物半導体もＧａＡｓ基板上に成膜することができる。
【００１１】
上記の結晶成長の条件を変えることにより、例えば、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐでは、結晶の［１１１］方向にＧａ原子層とＩｎ原子層とがＰ原子層を挟んで交互に積層されたＣｕ−Ｐｔタイプの自然超格子が現れ、結晶構造は層状トリゴナルとなる。この構造は、ＧａＡｓと同一の格子定数を有するので、化学気相成長法（ＣＶＤ）等によりＧａＡｓ基板上に成膜することができる。また、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ａｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ等の化合物半導体も同様にＧａＡｓ基板上に成膜することができる。
【００１２】
そして、化合物半導体層が層状トリゴナルの自然超格子構造をとると、該化合物半導体層における価電子帯のスピン量子数の異なる２つの軌道、すなわち重いホールの軌道と軽いホール軌道の縮退が解け、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とを明瞭に分離することができる。
【００１３】
例えば、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ａｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ等の化合物半導体の場合、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とのエネルギー差は約４０ｍｅＶ程度になり、室温（２５℃）における熱エネルギーのゆらぎである約２６ｍｅＶよりも充分大きくなる。
そこで、化合物半導体層を層状トリゴナルの自然超格子構造とすれば、価電子帯間のエネルギー差を室温における熱エネルギーのゆらぎより充分大きくとることができ、したがって、室温においても熱雑音の影響を受けることがなくなる。
【００１４】
本発明の請求項１記載の偏極電子線発生素子は、光エネルギーを照射することにより、スピン方向が上下のいずれか一方に偏在する電子群よりなる偏極電子線を発生させる偏極電子線発生素子であって、化合物半導体単結晶基板上に、当該基板と異なる組成の化合物半導体層が格子整合して形成され、この化合物半導体層は、層状トリゴナルからなる自然超格子構造としたものである。
【００１５】
請求項２記載の偏極電子線発生素子は、前記化合物半導体単結晶基板をＧａＡｓとし、前記化合物半導体層を、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８ＰまたはＡｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１）のいずれか１種としたものである。
【００１６】
請求項３記載の偏極電子線発生素子は、前記光を直線偏光または円偏光のいずれかとし、かつそのエネルギーの大きさを、前記化合物半導体層の伝導帯と重いホール軌道の価電子帯との間のエネルギー差に略相当するとしたものである。
【００１７】
【作用】
本発明の請求項１記載の偏極電子線発生素子では、化合物半導体単結晶基板上に、当該基板と異なる組成の化合物半導体層を格子整合して形成し、この化合物半導体層を、層状トリゴナルからなる自然超格子構造としたことにより、重いホールの軌道と軽いホール軌道の縮退が解け、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とは明瞭に分離され、これらの価電子帯間のエネルギー差が大きくなり、室温（２５℃）で動作させた場合においても熱雑音の影響を受けることがなくなる。これにより、室温においても熱雑音の影響を受けることなく動作させることが可能になり、素子の信頼性が向上する。また、前記化合物半導体層に応力が働かないので、前記基板との間に転位等が発生せず構造が安定になり、素子の劣化がなくなり長寿命となる。
【００１８】
請求項２記載の偏極電子線発生素子では、前記化合物半導体単結晶基板をＧａＡｓとし、前記化合物半導体層を、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８ＰまたはＡｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１）のいずれか１種としたことにより、重いホール軌道と軽いホール軌道の縮退が解け、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とは明瞭に分離され、これらの価電子帯間のエネルギー差は熱エネルギーのゆらぎよりも充分大きくなり、室温で動作させた場合においても熱雑音の影響を受けることがない。これにより、室温においても熱雑音の影響を殆ど受けることなく動作させることが可能になる。
【００１９】
請求項３記載の偏極電子線発生素子では、前記光を直線偏光または円偏光のいずれかとし、かつそのエネルギーの大きさを、前記化合物半導体層の伝導帯と重いホール軌道の価電子帯との間のエネルギー差に略相当するとしたことにより、重いホールの価電子帯の電子を高効率で伝導帯に励起させる。これにより、スピン方向が上下のいずれか一方に偏在する電子群よりなる偏極電子線を高効率で発生させることが可能になる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例の偏極電子線発生素子について図面に基づき説明する。
図１は、本実施例の偏極電子線発生素子を示す断面図であり、図において、１１はＺｎを添加したｐ−ＧａＡｓからなる化合物半導体単結晶基板（以下、単にＧａＡｓ基板と称する）、１２はＧａＡｓ基板１１上に格子整合して形成されたＧａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐからなる化合物半導体層（以下、ＧａＩｎＰ層と称する）である。
【００２１】
ＧａＡｓ基板１１は、
【数１】

方向に傾斜（例えば１５゜）させた（１００）面を有するもの、または、例えば（５１１）で表される高指数の（ｎ１１）面を有するものが好適に用いられる。
【００２２】
ＧａＩｎＰ層１２は、図２に示すように、結晶の［１１１］方向にＧａ原子層とＩｎ原子層とがＰ原子層を挟んで交互に積層されたＣｕ−Ｐｔタイプの層状トリゴナルからなる自然超格子である。
化合物半導体層としては、ＧａＩｎＰ層１２以外に、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１）等が好適に用いられる。
ただし、例えば、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐの場合、結晶構造は、［１１１］方向にＧａ及びＡｌ原子層とＩｎ原子層とがＰ原子層を挟んで交互に積層された層状トリゴナルとなる。
【００２３】
ここで、ＧａＩｎＰ層１２を自然超格子とする方法について説明する。
通常、ＧａＡｓ基板の表面上にＣＶＤ法によりＧａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ層を形成すると、自然超格子は部分的または局部的に形成されることとなり、基板の表面全体にわたって形成するのは極めて難しい。しかも、この自然超格子は、その［１１１］方向と等価な４つの方向、すなわち、
【数２】

の４つの方向のものが混在しているのが一般的である。
【００２４】
そこで、ＧａＡｓ基板の表面の［１１０］方向の原子ステップの密度を増大させるために、
【数３】

方向に、例えば１５゜傾斜させた（１００）面を有するＧａＡｓ基板１１、または、例えば（５１１）で表される高指数の（ｎ１１）面を有するＧａＡｓ基板を用い、このＧａＡｓ基板上に金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等により、材料作成温度を通常の約７００℃より約１００℃程度低くし、成膜速度を通常より大きくした条件の下で、ＧａＩｎＰ層１２を成膜した。
【００２５】
ここで、作成温度を通常より約１００℃程度低くし、成膜速度を通常より大きくした理由は、Ｃｕ−Ｐｔタイプの自然超格子が熱力学的に不安定であり、薄膜を成膜する際の温度を低温にすれば、すでに形成された上記自然超格子が安定なせん亜鉛鉱構造に変態し難くなるためである。
以上により、室温においても熱雑音の影響を受けることなく動作させることができる偏極電子線発生素子を作製することができる。
【００２６】
図３は、本実施例の素子の室温（２５℃）におけるフォトルミネッセンスを示す図である。図中、太線は
【数４】

方向のスペクトル（スペクトルＡ）、細線は［１１０］方向のスペクトル（スペクトルＢ）であり、スペクトルＡの低エネルギー側のピークは重いホールの価電子帯による発光、高エネルギー側のピークは軽いホールの価電子帯による発光である。
【００２７】
ここで用いた素子は、
【数５】

方向に、例えば１５゜傾斜させた（１００）面を有するＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤにより、作成温度５００℃、作成速度５μｍ／時間で作製した。
また、図３中の２つのスペクトルは、励起光源であるアルゴンイオンレーザに１／２波長板を挿入し、レーザ光のスピン方向をＧａＩｎＰ層１２の［１１０］または
【数６】

方向にそろえて偏光させ、各偏光を上記素子に入射して測定した。
前記レーザ光は、直線偏光または円偏光のいずれかであればよく、またそのエネルギーの大きさは、前記ＧａＩｎＰ層１２の伝導帯と重いホール軌道の価電子帯との間のエネルギー差ΔＥに略相当する大きさであればなおよい。
【００２８】
一般に、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐの［１１０］方向にスピンの方向が一致するレーザ光では、重いホールの価電子帯から電子が励起され、
【数７】

方向にスピンの方向が一致するレーザ光では、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯の双方から電子が励起される。この理由は、電子のスピン量子数が重いホールと軽いホールとて異なるからである。
ここでは、この方法を用いて上記素子の重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とのエネルギー差ΔＥを求めた。図３により、エネルギー差ΔＥは３４．６ｍｅＶであり、室温においても熱雑音の影響を殆ど受けることなく動作させ得ることが明かになった。
【００２９】
以上説明したように、本実施例の偏極電子線発生素子によれば、ＧａＡｓ基板１１と、ＧａＡｓ基板１１上に格子整合して形成されたＧａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ａｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１）のいずれか１種からなる化合物半導体層１２とにより構成したので、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とを明瞭に分離し、これらの価電子帯間のエネルギー差が熱エネルギーのゆらぎよりも充分大きくなり、室温においても熱雑音の影響を殆ど受けることなく動作させることができる。したがって、素子の信頼性を向上させることができる。また、前記化合物半導体層１２に応力が働かないので、前記ＧａＡｓ基板１１との間に転位等が発生しなくなり、構造が安定になる。したがって、素子の劣化を防止することができ長寿命とすることができる。
【００３０】
また、前記レーザ光を直線偏光または円偏光のいずれかとし、かつそのエネルギーの大きさを、前記化合物半導体層の伝導帯と重いホール軌道の価電子帯との間のエネルギー差に略相当するとしたので、重いホールの価電子帯の電子を高効率で伝導帯に励起させることができ、スピン方向が上下のいずれか一方に偏在する電子群よりなる偏極電子線を高効率で発生させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の偏極電子線発生素子によれば、化合物半導体単結晶基板上に当該基板と異なる組成の化合物半導体層が格子整合して形成され、この化合物半導体層は層状トリゴナルからなる自然超格子構造としたので、重いホールの軌道と軽いホール軌道の縮退を解くことにより、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とを明瞭に分離することができ、これらの価電子帯間のエネルギー差が大きくなる。したがって、室温においても熱雑音の影響を殆ど受けることなく動作させることができ、素子の信頼性を向上させることができる。また、前記化合物半導体層に応力が働かないので、前記化合物半導体単結晶基板との間に転位等が発生しなくなり、構造が安定になる。したがって、素子の劣化を防止することができ長寿命とすることができる。
【００３２】
請求項２記載の偏極電子線発生素子によれば、前記化合物半導体単結晶基板をＧａＡｓとし、前記化合物半導体層を、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８ＰまたはＡｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１）のいずれか１種としたので、重いホール軌道と軽いホール軌道の縮退を解くことにより、重いホールの価電子帯と軽いホールの価電子帯とを明瞭に分離することができ、これらの価電子帯間のエネルギー差が熱エネルギーのゆらぎよりも充分大きくなる。したがって、室温においても熱雑音の影響を受けることなく動作させることができる。
【００３３】
請求項３記載の偏極電子線発生素子によれば、前記光を直線偏光または円偏光のいずれかとし、かつそのエネルギーの大きさを、前記化合物半導体層の伝導帯と重いホール軌道の価電子帯との間のエネルギー差に略相当するとしたので、重いホールの価電子帯の電子を高効率で伝導帯に励起させることができ、スピン方向が上下のいずれか一方に偏在する電子群よりなる偏極電子線を高効率で発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の偏極電子線発生素子を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例の偏極電子線発生素子のＧａＩｎＰ層の結晶構造を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施例の偏極電子線発生素子の室温（２５℃）におけるフォトルミネッセンスを示す図である。
【図４】従来の偏極電子線発生素子を示す断面図である。
【図５】従来の偏極電子線発生素子の化合物半導体層の縮退されたエネルギー帯を示す説明図である。
【図６】従来の偏極電子線発生素子の化合物半導体層の縮退の解けたエネルギー帯を示す説明図である。
【符号の説明】
１１化合物半導体単結晶基板（ＧａＡｓ基板）
１２化合物半導体層（ＧａＩｎＰ層）

Claims

光を照射することにより、スピン方向が上下のいずれか一方に偏在する電子群よりなる偏極電子線を発生させる偏極電子線発生素子であって、
化合物半導体単結晶基板上に、当該基板と異なる組成の化合物半導体層が格子整合して形成され、
この化合物半導体層は、層状トリゴナルからなる自然超格子構造であることを特徴とする偏極電子線発生素子。
前記化合物半導体単結晶基板はＧａＡｓからなり、前記化合物半導体層は、Ｇａ_０．５２Ｉｎ_０．４８Ｐ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５２Ｉｎ_０．４８ＰまたはＡｌ_ｘ（Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１）のいずれか１種からなることを特徴とする請求項１記載の偏極電子線発生素子。
前記光は、直線偏光または円偏光のいずれかからなり、かつそのエネルギーの大きさは、前記化合物半導体層の伝導帯と重いホール軌道の価電子帯との間のエネルギー差に略相当することを特徴とする請求項１記載の偏極電子線発生素子。