JP3618841B2 - 磁場測定方法および磁場測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁場測定技術に関し、特に新規な原理に基づく磁場測定方法および磁場測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁場検出方法として、種々の方法が知られている。検出すべき磁場の値としては、アナログ量が必要なものと、バイナリのデジタル量で十分なものとがある。
【０００３】
近年、情報記録手段として磁気記録素子が広く用いられている。バイナリなデジタル情報が記録されている場合、磁場検出手段はバイナリなデジタル磁気情報を検出すれば足りる。
【０００４】
情報処理能力の大きな記録媒体として、磁気ディスクが用いられている。磁気ディスクは、情報をバイナリなデジタル情報として記録する。磁気ディスクの情報読取手段としては、磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗ヘッドが知られている。
【０００５】
一方、半導体の薄層を用いたホール素子は、半導体薄層に印加される磁場Ｂの強度を
Ｖ_Ｈ ＝ｖＢ／_ｄ
によって検出することができる。ここで、Ｂは検出すべき磁束密度であり、ｖはキャリアの走行速度であり、ｄは検出素子の厚さである。これらの感磁性素子は、それぞれ限界を有する。
【０００６】
物質表面の観察方法として、表面の電子状態を検出することのできる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が開発されている。このＳＴＭにスピンの片寄り状態、すなわち、スピン偏極状態を検出する機能を付加したものが報告されている。この技術をスピン偏極走査型トンネル顕微鏡（ＳＰ−ＳＴＭ）と呼ぶ。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、スピン偏極走査型トンネル顕微鏡の技術を用いる新たな磁気測定方法を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、高感度の磁場測定装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、閃亜鉛構造の結晶構造を持つ化合物半導体のセンサ領域を有する感磁性素子を準備する工程と、前記センサ領域に円偏光を照射して、スピン偏極状態を発生させる工程と、前記センサ領域のスピン偏極を測定対象磁場中で緩和させる工程と、前記センサ領域のスピン偏極の緩和の度合いを測定する測定工程と、得られた緩和の度合いから磁場の強度を検出する工程とを含む磁場測定方法が提供される。
【００１０】
閃亜鉛構造の結晶構造を持つ化合物半導体に円偏光を照射すると、スピン偏極状態が発生する。このスピン偏極状態の緩和過程は、化合物半導体のおかれる磁場強度によって変化する。したがって、一定のスピン偏極を発生させてから一定の時間経過後のスピン偏極の緩和の度合いを測定することにより、磁場の強度を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例による磁場測定方法を概略的に示す。
図１（Ａ）は、本発明の実施例による磁場測定方法のフローチャートを示す。ステップＳ１で、探針内にスピン偏極を生じさせる。探針は閃亜鉛構造の結晶構造を有する化合物半導体、たとえばＧａＡｓで形成される。
【００１２】
図１（Ｂ）は、閃亜鉛構造の結晶構造を有する化合物半導体であるＧａＡｓのバンド構造を概略的に示す。伝導帯ｃ．ｂ．は、Ｓ_１／２ の性格を有し、スピンに関し、二重に縮退している。伝導帯のバンド底はΓ_６ である。価電子帯ｖ．ｂ．の上側のバンドは、Ｐ_３／２ の性格を有し、重い正孔ｈｈと軽い正孔ｌｈがΓ_８ で四重に縮退している。また、下側のＰ_１／２ のバンドは、スピン−軌道相互作用によりスプリットし、Γ点においてΓ_７ の性格を有する。Γ_８ とΓ_７ のエネルギ差Δは約０．３４ｅＶであり、Γ_８ とΓ_６ のエネルギ差（バンドギャップ）は、約１．５２ｅＶである。
【００１３】
図１（Ｃ）は、ＧａＡｓのバンド端における円偏光励起の選択則を示す。スピンを含めたバンド端の状態は、Ｓ_１／２ において、ｍ_ｉ ＝−１／２とｍ_ｉ ＝＋１／２の２つの状態となる。また、Γ_８ は、ｍ_ｉ ＝−３／２、ｍ_ｉ ＝−１／２、ｍ_ｉ ＝＋１／２、ｍ_ｉ ＝＋３／２の４つの状態を含む。また、Γ_７ はｍ_ｉ ＝−１／２、ｍ_ｉ ＝＋１／２の状態を含む。
【００１４】
価電子帯から伝導帯への円偏光による励起は、選択則の異なる右回り円偏光による励起と左回り円偏光による励起を含む。図中、右回り円偏光による励起を実線で示し、左回り円偏光による励起を点線で示す。また、丸で囲んだ数字は、遷移確率の比率を示す。
【００１５】
入射円偏光を単色化し、Γ₇ からΓ₆ への遷移を禁止すると、Γ₈ からΓ₆ への遷移のみを生じさせることができる。このとき、右回り円偏光を入射すれば、伝導帯のｍ_i ＝−１／２の状態に３、ｍ_i ＝＋１／２の状態に１の比率で電子を励起することができる。同様、左回り円偏光を入射すれば、ｍ_i ＝−１／２状態に１、ｍ_i ＝＋１／２の状態に３の比率で電子を励起することができる。
【００１６】
このように、円偏光によって励起された伝導帯の電子は、スピン状態が偏り、スピン偏極を示す。
上向きスピンの電子の数をＮ１、下向きスピンの電子の数をＮ２とすれば、スピン偏極の度合いＰは、
Ｐ＝（Ｎ１−Ｎ２）／（Ｎ１＋Ｎ２）
で表現することができる。
【００１７】
以下、この物理量Ｐをスピン偏極率と呼ぶ。右円偏光で励起した場合、ＧａＡｓの伝導帯は、−５０％のスピン偏極率を有し、左円偏光で励起した場合には、＋５０％のスピン偏極率を有する。
【００１８】
円偏光でスピン偏極状態を励起した場合、スピン偏極は、一定の時間で緩和し、熱平衡状態に達する。磁場のない状態では、上向きスピンの数と下向きスピンの数は熱平衡状態において等しくなる。
【００１９】
ＧａＡｓに磁場を印加すると、上向きスピンの状態のエネルギと下向きスピンの状態のエネルギに差が生じる。したがって、磁場強度に応じて上向きスピンの数と下向きスピンの数の熱平衡状態における比が変化する。スピン緩和時間は一定であり、熱平衡状態が変化することにより、スピン緩和過程に差が生じる。
【００２０】
図１（Ａ）に戻り、ステップＳ２において、スピン偏極状態を発生した探針を、試料の発生する磁場中に放置する。磁場中に放置された探針内のスピン偏極は、磁場強度に応じた緩和過程を示す。
【００２１】
ステップＳ３において、探針内のスピン偏極状態を検出する。スピン緩和過程は、磁場に応じて変化するため、探針内のスピン偏極状態を検出することにより、間接的に磁場強度を検出することができる。
【００２２】
図２は、以上説明した磁場測定方法を概略的に示す。
図２（Ａ）は、ＧａＡｓの探針１に左円偏光２を照射した状態を示す。十分な強度の左円偏光を照射することにより、上向きスピン３：下向きスピン１の割合で伝導帯にスピン偏極した電子を励起することができる。
【００２３】
図２（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、ｔ秒後のスピン偏極状態を示す。図２（Ｂ）は、磁場がない状態でのスピン偏極状態の緩和状態を示す。左円偏光の照射により、３：１のスピン偏極状態が発生したが、スピン偏極状態は５：３まで緩和している（スピン偏極率＋２５％）。なお、熱平衡に達すれば、スピン偏極状態は１：１になる。
【００２４】
図２（Ｃ）と（Ｄ）は、互に逆方向の外部磁場が存在する場合のスピン偏極状態の緩和を示す。図２（Ｃ）においては、上向きスピンが安定状態となる外部磁場が印加されている。このため、熱平衡状態は上向きスピンが多い状態となり、ｔ秒後のスピン偏極状態は６：２となっている（スピン偏極率＋５０％）。図２（Ｄ）においては、下向きスピンが安定状態となる外部磁場が印加されている。このため、上向きスピンから下向きスピンへの遷移がより多く生じ、スピン偏極状態は４：４に達している（スピン偏極率０％）。このように、一旦一定のスピン偏極を生じさせた後、一定時間経過後、スピン偏極状態を測定することにより、間接的に外部磁場の強度を検出することができる。
【００２５】
図３（Ａ）は、上述したスピン偏極率の測定により、外部磁場の強度を検出する測定方法を概略的に示す。横軸は時間を示し、立て軸はスピン偏極率を示す。実線は、外部磁場が存在しない時のスピン偏極の緩和を示す。十分長い時間が経過した後には、スピン偏極率は０に達する。
【００２６】
外部磁場が存在する時には、熱平衡状態が変化し、熱平衡状態におけるスピン偏極率が０ではなくなる。上向きスピンが安定な状態となる外部磁場を印加すると、熱平衡状態におけるスピン偏極率は＋方向に移動し、逆方向の外部磁場を印加すれば、熱平衡状態におけるスピン偏極率は−方向に変化する。
【００２７】
したがって、スピン緩和過程も変化し、＋方向の磁場を印加した時には破線のようにスピン緩和が進み、−方向の外部磁場を印加した時には、点線のようにスピン緩和が進行する。時間軸上の一点を取り、スピン偏極率を求めれば、外部磁場に応じてスピン偏極率が変化することが判るであろう。
【００２８】
図３（Ｂ）は、一定時間経過後に測定したスピン偏極率と、磁場強度の関係を概略的に示す。図は、初期状態において、上向きスピンの数が下向きスピンの数よりも多くなる（スピン偏極率が正の）励起を行った場合を示す。下向きスピンの数が上向きスピンの数よりも多くなる（スピン偏極率が負の）励起を行った場合は、スピン偏極率と磁場強度との極性を反転させたものとなる。
【００２９】
図４は、トンネル電流によりスピン偏極率を測定する方法を示す。図４（Ａ）において、ｐ型ＧａＡｓで形成されたセンサ領域１は、電極８を介し、電流計９、電圧源＋Ｖに接続されている。センサ領域１に対し、数Åの距離で測定対象物３が配置される。測定対象物３は接地されている。測定対象物３からは、一定の磁場４が発生している。センサ領域１と測定対象物３の距離が数Å程度であるため、測定対象物３とセンサ領域１の間にトンネル電流５が流れる。このトンネル電流５を電流計９によって検出する。
【００３０】
ある状態から他の状態へ電子が遷移する場合、遷移後の状態が占有されている場合、パウリの排他律により遷移は生じにくい。トンネル電流５は、測定対象物３からセンサ領域１に遷移する。測定対象物が磁化していると、その内部の電子は磁化に応じたスピンを有する。この時センサ領域１内の電子の状態により、遷移確率が変化する。トンネル電流は、遷移前のスピンと遷移後のスピンが逆向きの時に流れやすく、同じ向きの時に流れにくいことが知られている。センサ領域１内にスピン偏極状態を発生させておくと、スピン偏極状態に応じたトンネル電流が流れる。
【００３１】
電極８には中央に窓が開けられており、センサ領域１にも凹部が形成されている。円偏光２をセンサ領域１の先端部に入射すると、円偏光照射領域にスピン偏極状態を発生させることができる。円偏光２を、右回り偏光と左回り偏光に変化させれば、異なるスピン偏極状態を発生させることができる。スピン偏極状態発生後、一定時間経過後のトンネル電流を測定すれば、スピン偏極状態を検出し、間接的に磁場４の強度を測定することができる。このような構成により、感磁性素子ＭＳが構成される。
【００３２】
図４（Ｂ）は、トンネル電流Ｉｔと磁場強度の関係を概略的に示す。横軸はトンネル電流Ｉｔを示し、縦軸は磁場強度を示す。測定対象物内の電子のスピン方向と、センサ領域に発生させるスピン偏極状態の極性に応じ、トンネル電流Ｉｔの変化の方向は逆転する。
【００３３】
トンネル電流が流れにくくなるスピン偏極状態を発生させた場合は、時間経過と共にスピン偏極状態が緩和し、トンネル電流は次第に流れやすくなる。スピン偏極状態を保持する方向の磁場が印加されると、実線で示すように磁場強度が強いほど緩和は遅くなる。磁場の極性が反転すれば、曲線は逆向きの勾配になる。
【００３４】
逆にトンネル電流が流れやすくなるスピン偏極状態を発生させた場合には、時間経過と共にトンネル電流は次第に流れにくくなる。スピン偏極状態を保持する方向の磁場が印加されると、破線で示すように磁場強度が強いほど緩和が遅く、大きい電流が流れる。
【００３５】
スピン緩和の過程が、外部磁場の強度によって変化するので、トンネル電流を検出することによって磁場の向き、強度を検出することができる。ところで、図４（Ａ）に示すように、バルク状の半導体領域によりセンサ領域１を形成し、その一部に円偏光を照射すると、円偏光２によって発生させたスピン偏極状態が拡散により薄まりやすい。円偏光を吸収する領域をの領域から分離することにより、測定感度を向上させることができる。また、センサ領域を小面積にすることにより、微小領域の磁場測定が容易になる。
【００３６】
図４（Ｃ）は、スピン偏極状態を局在化させることのできる感磁性素子ＭＳの構成を示す。ＧａＡｓ基板１１の表面上に、ＧａＡｓバッファ層１２をエピタキシャルに成長し、その上に厚さ２〜３μｍのＡｌ_０．４ Ｇａ_０．６ Ａｓ層１３を成長し、その上に厚さ５００Å程度のＧａＡｓ層１４をエピタキシャル成長する。
【００３７】
ＡｌＧａＡｓ層１３は、ＧａＡｓ層１４よりも広いバンドギャップを有し、キャリアに対する電位障壁を形成する。したがって、ＧａＡｓ層１４内のキャリアはその層内に閉じ込められる。
【００３８】
ＧａＡｓ層１４に基板側から円偏光を効率的に入射するため、ＧａＡｓ基板１１、ＧａＡｓバッファ層１２を貫通して窓Ｗが形成されている。この窓Ｗを通して下方よりＧａＡｓギャップ波長に対応する波長の円偏光を入射すれば、ＡｌＧａＡｓ層１３は透明であり、円偏光は効率的にＧａＡｓ層１４に供給される。
【００３９】
なお、伝導帯にスピン偏極状態を有する電子を励起するため、ＧａＡｓ層１４はｐ型にドープし、このｐ型ＧａＡｓ層１４を通してトンネル電流を流すため、他の半導体領域もｐ型とする。基板１１の下面上には電極８が形成される。図４（Ｃ）に示すような感磁性素子を図４（Ａ）の構成で用いることにより、トンネル電流を効率的に測定することができる。
【００４０】
スピン偏極状態を有するキャリアを閉じ込めるため、センサ領域を薄膜化した場合、薄膜の数を１つに限る必要はない。
図５は、積層構造を有する感磁性素子ＭＳの構成例を示す。図５（Ａ）において、ＧａＡｓ基板１１の図中下面の上に、広いバンドギャップを有するＡｌＧａＡｓ層１３とセンサ領域となるＧａＡｓ層１４が３対積層されている。ＡｌＧａＡｓ層１３は、ＧａＡｓのギャップ波長の入射円偏光２に対して透明である。円偏光はＧａＡｓ層１４において吸収され、スピン偏極状態を発生させる。接地された磁気ディスク３から発生する磁場により、ＧａＡｓ層１４内でのスピン緩和が変化する。スピン偏極状態に応じ、磁気ディスク３の磁化領域から感磁性素子ＭＳに流れるトンネル電流が変化し、トンネル電流の大きさにより磁場強度を検出することができる。
【００４１】
図５（Ｂ）、（Ｃ）は、このような感磁性素子の製造工程を説明するための概略断面図である。図５（Ｂ）に示すように、ＧａＡｓ基板１１の上に、まず厚さ約１０ÅのＡｌＧａＡｓ層１４ｐを成長し、その上に厚さ約２００ÅのＧａＡｓ層１３ａ、厚さ約５０ÅのＡｌＧａＡｓ層１４ａ、厚さ約５０ÅのＧａＡｓ層１３ｂ、厚さ約５０ÅのＡｌＧａＡｓ層１４ｂ、厚さ約２００ÅのＧａＡｓ層１３ｃを順次成長する。なお、これらの層の成長は約６００℃でＭＢＥ法により行うことができる。
【００４２】
図５（Ｃ）に示すように、ＧａＡｓ基板１１の表面上に、レジスト層ＰＲを塗布し、中央に開口を有するレジストパターンをホトリソグラフィにより形成する。このレジストパターンをマスクとし、ＨＦ＋Ｈ_２ Ｏ_２ ＋Ｈ_２ Ｏをエッチング液とし、ＧａＡｓ基板１１の一部厚さを残すように（たとえば基板１１が２００μｍ厚の場合２０μｍ程度を残すように）エッチングを行う。次に、ＣＣｌ_２ Ｆ_２ ＋Ｈｅをエッチングガスとした反応性イオンエッチングにより、ＧａＡｓ基板１１の残り厚さをエッチングし、ＡｌＧａＡｓ層１４ｐでエッチングをストップさせる。なお、後半のエッチング条件は、たとえばＣＣｌ_２ Ｆ_２ の流量を１０ｓｃｃｍとし、Ｈｅの流量を８０ｓｃｃｍとし、圧力を約４Ｐａに保ち、２００Ｗの高周波電力を供給して行う。
【００４３】
なお、積層構造上にもレジストパターンを作成し、下方から励起光が入射するセンサ領域以外の部分をエッチングにより除去すれば、より高感度のセンサ領域構造が得られる。
【００４４】
以上、トンネル電流を測定することにより、磁場の向き、強度を検出する場合を説明したが、スピン偏極状態の測定はトンネル電流に限らない。
図６は、光吸収によりスピン偏極状態の測定を示す。
【００４５】
図６（Ａ）に示すように、ＧａＡｓで形成された探針１に、同じ向きの円偏光の２つのパルス２ａ、２ｂを入射する。
図６（Ｂ）は、最初の円偏光パルス２ａが探針１によって吸収された状態を概略的に示す。左回り円偏光の吸収に、探針１内の伝導帯に上向きスピン３、下向きスピン１の比率でスピン偏極状態が励起される。このスピン偏極状態を有する探針１に再び左回り円偏光の２つ目のパルス２ｂが入射する。探針１内では、スピン偏極状態の緩和が生じている。このスピン緩和は、印加されている磁場の強度に応じて変化する。
【００４６】
図６（Ｃ）は、外部磁場が存在しない時の２つ目の光パルスの透過光を概略的に示す。スピン緩和が一定の割合で進向しているため、透過光Ｔ_０ は、図に示すような強度となるようなものとする。
【００４７】
図６（Ｄ）は、下向きスピンを安定化させるような外部磁場が印加されている場合を示す。下向きスピンを安定化させる外部磁場が印加されると、上向きスピンの消滅は速くなる。したがって、２つ目の左回り円偏光２ｂの入射までにスピン緩和がより進行し、２つ目の光パルスの吸収は強くなる。このため、透過孔Ｔ₋ の強度は減少する。
【００４８】
図６（Ｅ）は、上向きスピンを安定化させる外部磁場が印加されている場合を示す。この場合、発生した上向きスピンが下向きスピンに変化しにくく、２つ目の左回り円偏光２ｂが入射されるまでに上向きスピンの減少は少ない。このため、２つ目の左回り円偏光の吸収は弱くなり、透過光Ｔ₊ は大きくなる。このように、２つの円偏光パルスを探針に入射し、２つ目の光パルスの透過率（光吸収）を測定することにより、間接的に磁場の向き、強度を測定することができる。
【００４９】
なお、反射を用いても、円偏光に対する探針１の光学定数を検出することができる。
図６（Ｆ）は、励起されたスピン偏極状態を光で検出する構成例を示す。ＧａＡｓ基板１１の下側に３対のＡｌＧａＡｓ層１３とＧａＡｓ層１４が積層されている。基板１１には、入射光を通過させるための窓Ｗが開口されている。基板１１上方には、偏光ビームスプリッタ１７とλ／４板１８が配置されている。
【００５０】
上方から、図に示すように、紙面水平方向に偏光軸方向を有する直線偏光２１が入射する。この直線偏光２１は、偏光ビームスプリッタ１７を通過し、偏光軸の方向に対して４５°の角度に配置されたλ／４板１８を通過することにより、円偏光２２に変化する。この円偏光２２は、感磁性素子ＭＳの積層センサ領域に入射し、スピン偏極状態を励起する。
【００５１】
スピン偏極状態の検出の際は、上述と同様に円偏光２２を入射し、反射光２３を得る。反射光２３はλ／４板１８に入射する。λ／４板１８を通過した反射光は、９０°偏光方向を回転させた直線偏光２４となり、偏光ビームスプリッタ１７により反射されて図中右方に進み、ホトダイオードＰＤによって検出される。
【００５２】
磁気ディスク等の測定対象物３から磁場４が発生している場合、ＧａＡｓ層１４ａ、１４ｂ、１４ｃ内でのスピン緩和は磁場強度によって変化する。２つの円偏光パルスを入射し、２つ目の円偏光パルスに対する光学定数を測定することにより、磁場４の向き、強度を検出することができる。
【００５３】
亜鉛構造のバンド構造は、応力（歪）を印加することにより、変調することができる。
図７は、歪を持たせたセンサ領域および量子ドットを形成したセンサ領域を有する感磁性素子ＭＳの構成例を示す。
【００５４】
図７（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１１の上に、一旦厚さ３μｍ程度のｐ型ＧａＡｓＰ層１６をエピタキシャルに成長した後、厚さ約０．２μｍのｐ型ＧａＡｓ層１４をエピタキシャルに成長する。ＧａＡｓＰは、ＧａＡｓよりも小さな格子定数を有し、ＧａＡｓ層１４に対し、格子不整合に基づく歪を与える。
【００５５】
図７（Ｂ）は、応力を印加した閃亜鉛構造のバンド構造を概略的に示す。伝導帯において、重いホールのバンドｈｈに対し、軽いホールのバンドｌｈが相対的に移動し、バンドギャップが伝導帯ｃ．ｂ．と軽いホールの価電子帯ｌｈによって構成される。このように、価電子帯の縮退を解けば、選択側が変化し、伝導帯に上向きスピンのみまたは下向きスピンのみの電子を励起することが可能となる。励起するスピン偏極状態がより安全なものとなるため、測定精度を向上することが可能となる。たとえ、縮退が完全に解けない場合でも、スピン偏極率を大きくすることが可能となるため、測定精度を向上することができる。
【００５６】
図７（Ｃ）は、センサ領域に量子ドットを形成した感磁性素子の構成例を示す。ｐ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ＧａＡｓ層１３で挟まれたＡｌＧａＡｓ層１４を形成した構成を示す。三層のＧａＡｓ層１３ａ、１３ｂ、１３ｃの間に、二層のＡｌＧａＡｓ層１４ａ、１４ｂが形成されている。各ＡｌＧａＡｓ層１４においては、ほぼＧａＡｓで形成された量子ドット１９がＡｌ_０．４ Ｇａ_０．６ Ａｓ領域中に散点状に形成されている。
【００５７】
量子ドット中においては、通常上向きスピンと下向きスピンの２つの電子状態しか許容されていない。このため、電子の遷移が簡単化され、選択則も簡単化される。量子ドットに円偏光を照射すると、すべての電子のスピンを上向きスピンにしたり、下向きスピンにしたりすることができる。遷移エネルギは、基底準位に関して１．６ｅＶである。波長選択性も向上し、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。
【００５８】
なお、Ａｌ_０．４ Ｇａ_０．６ Ａｓの遷移エネルギは約１．８ｅＶであり、ＧａＡｓの遷移エネルギは約１．６ｅＶである。
以上、ＡｌＧａＡｓ領域にＧａＡｓ量子ドットを形成する場合を説明したが、他の形態の量子ドットを作成することもできる。たとえば、ＩｎＧａＡｓ領域において、Ｉｎ組成の高い量子ドットをＩｎ組成の低い領域内に作成することもできる。
【００５９】
図８は、感磁性素子のいくつかの形態を示す。
図８（Ａ）は、円錐形状を有するセンサ領域２６を示す。支持部分１１の上に、バンドギャップの広いＡｌＧａＡｓ等の領域１３を介してバンドギャップの狭いＧａＡｓ等のセンサ領域１４が形成されている。感磁性素子が円錐状に整形されており、その先端にセンサ領域が配置されている。センサ領域を制限することにより、微小領域の測定が容易になる。この場合、円偏向２はたとえば側方より入射し、測定対象３から発生する磁場の水平成分を測定する。
【００６０】
スピン偏極状態の緩和度の測定は、トンネル電流で行っても、光吸収で行ってもよい。
図８（Ｂ）（Ｂ′）は、四角錐状のセンサ領域２７の構成例を示す。感磁性素子の中央部分には入射光を導入するための窓Ｗが開口されている。スピン偏極状態を発生させるための円偏光は、上方より窓Ｗ内に入射する。センサ領域２７の先端は、測定対象物に近接して配置する。この場合、測定対象物３から垂直に発生する磁場４を検出することができる。なお、スピン偏極状態の緩和度の測定は、たとえばトンネル電流によって行う。
【００６１】
図８（Ｃ）、（Ｃ′）は、楔型形状を有するセンサ領域２８の構成を示す。センサ領域２８は、一方向において楔型に収束する形状を有する。この楔をプリズム的に利用し、円偏光２を側方から入射し、測定対象物３から発生する磁場４の水平成分を測定する。なお、図８（Ａ）、（Ｃ）において、図８（Ｂ）同様、上方から円偏光を導入するための窓を設け、垂直方向に円偏光を導入することもできる。
【００６２】
図９は、磁場測定装置の構成例を示す。半導体レーザ３１は、センサ領域でスピン偏極状態を発生させるのに適した波長の光を発生する。センサ領域がＧａＡｓの場合、半導体レーザ３１は、たとえば、発振波長８３０ｎｍのチタンサファイヤレーザである。レーザ３１から発生したレーザ光は、レンズ３２によって平衡光束とされ、偏光方向スイッチング用のポッケルスセル３３を介してミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３を通り、λ／４板３５に入射する。
【００６３】
λ／４板３５を透過した光は、円偏光となり、レンズ３６を通って感磁性素子ＭＳに入射する。感磁性素子ＭＳは、測定対象３の近傍に配置され、測定対象３から発生する磁場の強度を検出する。
【００６４】
図示の構成においては、測定対象３と感磁性素子ＭＳの間に流れるトンネル電流を測定することにより、測定対象３の発生する磁場強度を検出する。なお、感磁性素子ＭＳを置き換え、光吸収を測定することによってスピン偏極状態の緩和度を測定するものとすることもできる。
【００６５】
図１０は、増幅機能を備えた感磁性素子の構成を示す。
図１０（Ａ）は、トンネル電流を高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）によって増幅する感磁性素子を示す。半絶縁性ＧａＡｓ基板４０の上に、ノンドープのｉ型ＧａＡｓ層４１がエピタキシャルに成長され、さらにその上に広いバンドギャップを有し、ｎ型にドープされたＡｌＧａＡｓ層４２とｎ型にドープされたＧａＡｓ層４３が形成されている。
【００６６】
このような構成によって、ｉ型ＧａＡｓ層４１の界面近傍に２次元電子ガス４５が発生する。ｎ型ＧａＡｓ層４３の一部が除去され、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層４２の表面上にショットキゲート電極４７が形成されている。この構成により、図中右側部分でＨＥＭＴが形成される。なお、公知の他のＨＥＭＴ構造を用いてもよい。ＨＥＭＴの代わりにＭＥＳＦＥＴ等を用いてもよい。
【００６７】
図中左側部分において、ＧａＡｓ層４３の表面上にｐ型ＧａＡｓのセンサ領域４６が形成されている。このセンサ領域４６は、測定対象物３の近傍に配置される。測定対象物３とセンサ領域４６との間の距離が数Å程度に保持されると、その間にトンネル電流が流れる。トンネル電流は、ＨＥＭＴのゲート電極４７に接続され、ＨＥＭＴによって増幅される。なお、センサ領域とＨＥＭＴの間は、ｉ型ＧａＡｓ層の途中まで達する溝４４によって分離されている。
【００６８】
図１０（Ｂ）は、ＨＥＭＴを用いた他の構成を示す。この構成においては、ｐ型ＧａＡｓで形成されたセンサ領域４６が、直接ゲート電極を構成している。また、ＡｌＧａＡｓ層４２およびＧａＡｓ層４３はｐ型にドープされ、ｐ型ＨＥＭＴを構成している。なお、ｐ型センサ領域４６は、１０^１８ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有することが好ましい。
【００６９】
図１１は、スピン偏極状態の緩和をホトダイオードによって検出する構成例を示す。図１１（Ａ）において、ＧａＡｓ基板５１の上にＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰのように広いバンドギャップを有する層５２が形成され、その上にｐ型ＧａＡｓのセンサ領域５３がエピタキシャルに形成されている。このセンサ領域５３に、円偏光２が入射される。センサ領域５３は、プリズム的に作用し、入射円偏光２を下方に屈曲させる。図中、右方におかれたホトダイオードＰＤがセンサ領域５３を通過した円偏光の強度を検出する。一旦円偏光でスピン偏極状態を発生させ、その後の緩和を透過光の強度を測定することによって検出することにより、センサ領域５３の磁場の向き、強度を検出することができる。
【００７０】
図１１（Ｂ）は、板状のセンサ領域１を用いる場合を示す。センサ領域１の左方にレーザダイオードＬＤが配置され、右方にホトダイオードＰＤが配置される。レーザダイオードＬＤから発生する直線偏光は、λ／４板１８を通って円偏光となり、センサ領域１に入射する。センサ領域１を透過した光がホトダイオードＰＤによって検出される。測定対象物３から発生した磁場の水平方向成分が検出される。
【００７１】
図１２は、図１１（Ｂ）に示す構成をより具体化した構成を示す。半導体絶縁生ＧａＡｓ基板１１の上に、キャリア濃度５×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ約２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層５５がエピタキシャルに成長され、その上に厚さ約３００ｎｍのノンドープｉ型Ｉｎ_０．２ Ｇａ_０．８ Ａｓ層５６、キャリア濃度約１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ約２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層５７がエピタキシャルに成長されている。ｐ型ＧａＡｓ層５７とｎ型ＧａＡｓ層５５の表面上に、それぞれオーミック接触する電極５９、５８が形成されている。
【００７２】
このようにして、ｐｉｎダイオード構造が構成される。図中上方より、円偏光２がｐ型ＧａＡｓ層２、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層５６に入射される。また、外部磁場４がｐ型ＧａＡｓ層５７を通って印加される。円偏光２によりｐ型ＧａＡｓ層にスピン偏極状態を誘起すると、スピン偏極状態に応じ、円偏光２の透過率が変化する。
【００７３】
ｐ型ＧａＡｓ層５７を通過する光透過率が変化すると、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層５６に入射する円偏光の光量が変化する。ｉ型ＩｎＧａＡｓ層に入射した入射光は、電子正孔対を発生させる。この電子正孔対により、ｐｉｎダイオードに逆方向電流が流れる。したがって、逆方向電流の値はスピン偏極状態に応じて変化する。
【００７４】
図１２（Ｂ）は、ｐｉｎダイオード構造の電流発生機構を示す。ｐ型領域５７、ｎ型領域５５に挟まれた狭いバンドギャップのｉ型領域５６に十分なエネルギを有する光が入射すると、電子正孔対が発生し、電子はｎ型領域５５に流れ、正孔はｐ型領域５７に流れる。このようにして、光励起された電流が流れる。
【００７５】
ｉ型ＧａＡｓ層に入射する光の光量は、ｐ型ＧａＡｓ層５７のスピン偏極状態に応じて変化するため、ｐｉｎダイオードの逆方向電流によりｐ型ＧａＡｓ層の光透過率の変化を知ることができる。したがって、関節的に外部磁場４の向き、強度を検出することができる。
【００７６】
光励起電流が流れる場合、その光励起電流を直接増幅することも可能である。図１３（Ａ）は、図１１（Ｂ）の他の構成例を示す。半絶縁性ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓ層６１、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層６２、ｐ型ＧａＡｓ層６３がエピタキシャルに積層されている。この構成は図１２に示すものと同様である。本構成においては、さらにｐ型ＧａＡｓ層６３の一部表面上にｎ型ＧａＡｓ層６４が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ層６１、６４の表面上にオーミック電極６６、６７が形成されている。このようにして、ｎｐｉｎホトトランジスタ構造が構成される。
【００７７】
図１３（Ｂ）は、このホトトランジスタ構造のバンド構造を概略的に示す。ｎ型領域６４、ｐ型領域６３、ｉ型領域６２、ｎ型領域６１により、ヘテロバイポーラトランジスタ構造が形成されている。入射円偏光２は、ｐ型ＧａＡｓ層６３を透過してｉ型ＩｎＧａＡｓ層６２に入射する。ｉ型ＩｎＧａＡｓ層６２で入射光２が吸収されると、電子正孔対が発生し、電子はｎ型ＧａＡｓ層６１に流れ、正孔はｐ型ＧａＡｓ層６３に流れ込む。
【００７８】
ｐ型ＧａＡｓ層６３は、電極を取り出していないため、正孔はｐ型ＧａＡｓ層６３内に蓄積される。この正孔により、ベース領域となるｐ型ＧａＡｓ層６３がバイアスされ、エミッタとなるｎ型ＧａＡｓ層６４からコレクタとなるｎ型ＧａＡｓ層６１に流れる電流が変調される。ｉ型ＩｎＧａＡｓ層６２で吸収される光量に応じて、コレクタ電流が増減する。
【００７９】
ｉ型ＩｎＧａＡｓ層６２に入射する光量は、ｐ型ＧａＡｓ層６３のスピン偏極状態に応じて変化するため、ホトトランジスタ構造の電流を検出することにより、ｐ型ＧａＡｓ層６３のスピン偏極状態を検出することができる。したがって、ｐ型ＧａＡｓ層６３に印加される外部磁場４の向き、強度を検出することができる。
【００８０】
このように、パルス状の円偏光をＧａＡｓ等の化合物半導体に照射し、スピン偏極状態を発生させ、その後の緩和過程を検出することにより、外部磁場の向き、強さを検出することができる。スピン偏極状態の検出を、光透過率によって行う場合は、測定対象とセンサ領域と数Å程度の極近距離に配置する必要がなく、制御が簡単になる。
【００８１】
なお、センサ領域をＧａＡｓ以外の閃亜鉛構造を有する化合物半導体で形成することもできる。また、ＧａＡｓを囲む比較的バンドギャップの広い領域は、ＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＰによって構成することができる。たとえば、ＧａＡｓと格子整合する材料として、Ａｌ_０．３ Ｇａ_０．７ ＡｓやＩｎ_０．５ Ｇａ_０．５ Ｐ等を用いることができる。この場合、ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは約１．７９ｅＶであり、ＩｎＧａＰのバンドギャップは約２．０ｅＶとなり、十分な電位障壁が得られる。また、基板上に他の半導体素子やファイバ等を集積化することも可能である。
【００８２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明するためのフローチャートおよびバンドダイヤグラムである。
【図２】図１の実施例を説明するためのダイヤグラムである。
【図３】図１の実施例によるスピン偏極率の緩和を説明するためのグラフである。
【図４】図１の実施例において、トンネル電流を用いてスピン偏極率を測定する場合を説明するための概略断面図およびグラフである。
【図５】トンネル電流を用いてスピン偏極率を測定する感磁性素子の他の構成を示す断面図である。
【図６】光吸収を用いてスピン偏極率を測定する方法を説明するためのダイヤグラムおよび断面図である。
【図７】歪および量子ドットを用いてスピン偏極率を測定する感磁性素子の構成を説明するための断面図およびダイヤグラムである。
【図８】感磁性素子の他の形態を示す概略斜視図および断面図である。
【図９】磁場測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】能動素子と感磁性素子を集積化した構成を示す概略断面図である。
【図１１】ホトダイオードを用いてスピン偏極率を測定する構成を示す概略断面図である。
【図１２】図１１（Ｂ）に示す構成の具体例を示す断面図およびダイヤグラムである。
【図１３】図１１（Ｂ）に示す構成の他の具体例を示す断面図およびダイヤグラムである。
【符号の説明】
１ センサ領域
２ 円偏光
３ 測定対象物
４ 磁場
５ トンネル電子
８ 電極
９ 電流計
１１ ＧａＡｓ基板
１２ ＧａＡｓバッファ層
１３ Ａｌ_０．４ Ｇａ_０．６ Ａｓ層
１４ ＧａＡｓ層
１７ 偏光ビームスプリッタ
１８ λ／４板
２２ 入射光
２３ 反射光
２６、２７、２８ センサ領域
３１ 半導体レーザ
３２、３６ レンズ
３３ ポッケルスセル
３５ λ／４板
４０ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
４１ ｉ−ＧａＡｓ層
４２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ層
４３ ｎ−ＧａＡｓ層
４４ 溝
４５ ２次元電子ガス
４６ センサ領域
４７ ゲート電極
４８、４９ 電極
５５ ｎ−ＧａＡｓ層
５６ ｉ−ＩｎＧａＡｓ層
５７ ｐ−ＧａＡｓ層
５８、５９ 電極
６１ ｎ−ＧａＡｓ層
６２ ｉ−ＩｎＧａＡｓ層
６３ ｐ−ＧａＡｓ層
６４ ｎ−ＧａＡｓ層
６６、６７ 電極

Claims (22)

1. 閃亜鉛構造の結晶構造を持つ化合物半導体のセンサ領域を有する感磁性素子を準備する工程と、
   前記センサ領域に円偏光を照射して、スピン偏極状態を発生させる工程と、
   前記センサ領域のスピン偏極を測定対象磁場中で緩和させる工程と、
   前記センサ領域のスピン偏極の緩和の度合いを測定する測定工程と、
   得られた緩和の度合いから磁場の強度を検出する工程と
   を含む磁場測定方法。
2. 前記測定対象磁場が測定対象物から発する磁場であり、前記測定工程が測定対象物と前記センサ領域との間に流れるトンネル電流を測定する工程である請求項１記載の磁場測定方法。
3. 前記測定工程が円偏光に対する前記センサ領域の光吸収を測定する工程である請求項１記載の磁場測定方法。
4. 前記センサ領域が比較的バンドギャップの広い領域に囲まれた比較的バンドギャップの狭い領域である請求項１〜３のいずれかに記載の磁場測定方法。
5. 前記センサ領域が歪を有する領域である請求項１〜４のいずれかに記載の磁場測定方法。
6. 前記センサ領域が量子ドットを有する領域である請求項１〜４のいずれかに記載の磁場測定方法。
7. 前記センサ領域がＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｖ族元素としてＡｓを含む化合物半導体で形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の磁場測定方法。
8. 前記センサ領域がｐ型の導電性を有する請求項１〜７のいずれかに記載の磁場測定方法。
9. 前記感磁性素子が先端に向かうに従って断面積が小さくなる収束形状を有し、前記センサ領域がその先端部に配置されている請求項１〜８のいずれかに記載の磁場測定方法。
10. 前記センサ領域がｐｎ接合構造を有するホトダイオード構造を有する請求項３記載の磁場測定方法。
11. 前記ｐｎ接合構造がｐｉｎ接合構造である請求項１０記載の磁場測定方法。
12. 前記センサ領域がｐｎｐ接合構造を有するホトトランジスタ構造を有する請求項３記載の磁場測定方法。
13. 閃亜鉛構造を有する結晶構造を持つ化合物半導体のセンサ領域を有する感磁性素子と、
    前記センサ領域に、第１の円偏光を照射してスピン偏極状態を発生させることができると共に、スピン偏極状態の緩和中に、測定用の第２の円偏光を照射することができる、円偏光を照射する手段と、
    前記センサ領域を透過した第２の円偏光の透過率を検出する手段と
    を有する磁気ヘッド装置。
14. 前記円偏光を照射する手段は、前記第 1 の円偏光の光パルスと前記第２の円偏光の光パルスを一定間隔で発生する請求項１３記載の磁気ヘッド装置。
15. 前記センサ領域が比較的バンドギャップの広い領域に囲まれた比較的バンドギャップの狭い領域である請求項１４記載の磁気ヘッド装置。
16. 前記センサ領域が歪を有する領域である請求項１４記載の磁気ヘッド装置。
17. 前記センサ領域がＩＩＩ族元素としてＧａ、Ｖ族元素としてＡｓを含む化合物半導体で形成されている請求項１４記載の磁気ヘッド装置。
18. 前記センサ領域がｐ型の導電性を有する請求項１４記載の磁気ヘッド装置。
19. 前記感磁性素子が先端に向かうに従って断面積が小さくなる収束形状を有し、前記センサ領域がその先端部に配置されている請求項１４記載の磁気ヘッド装置。
20. 前記センサ領域がｐｎ接合構造を有するホトダイオード構造を有する請求項１４記載の磁気ヘッド装置。
21. 前記ｐｎ接合構造がｐｉｎ接合構造である請求項２０記載の磁気ヘッド装置。
22. 前記センサ領域がｐｎｐ接合構造を有するホトトランジスタ構造を有する請求項１４記載の磁気ヘッド装置。

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