JP4017095B2 - Semiconductor spin filter - Google Patents

Description

【０００５】
これらの従来技術は、いずれも、材料の磁気的性質を用いたものである。たとえば、強磁性体金属から半導体二次電子気体へのスピン注入は、図１５に示すように、半導体１０１に形成された強磁性金属電極１０２、１０３に、電圧１０５を加える。これによって、半導体二次電子気体１０４へのスピン注入が行われ、スピンに依存する電流１０６が流れる。
【０００６】
前記のこれらの技術には次のような問題点がある。半導体へ注入されたスピン偏極した電子は、スピン注入に利用された磁性材料から漏れ出る磁場や外部印加された磁場からの影響を受ける。
【０００７】
つまり、材料の磁気的性質を用いた場合、材料の一部は、ある特定の方向の磁気モーメントを持っているか（磁性電極使用の場合：前記（ｉ）、（ii）で述べたもの）、材料中の電子の準位をスピンの偏極方向により分離するための外部磁場を印加することが必要である（エネルギー準位のゼーマン分離を利用する場合：前記（ii）、（iii）、（iv）で述べたもの）。そのため、従来技術では、非磁性半導体へ注入されたスピン偏極した電子は、スピン注入に利用された磁性材料から漏れ出る磁場や、外部印加された磁場からの影響を受けてしまうことが避けられない。
【０００８】
そこで、電子のスピン−軌道相互作用を利用したスピン・フィルター・デバイスが提案されている。たとえば、半導体二重障壁構造を用いた共鳴トンネル・デバイスがある（ A.Voskoboynikov, Shiue Shin Liu and C.P.Lee, Phys. Rev. B 59, 12514 (2001).:文献１０、 A.Voskoboynikov, Shiue Shin Lin, C.P.Lee and O.Tretyak, J.Appl. Phys. 87, 387 (2001).:文献１１）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電子のスピン−軌道相互作用を利用した、従来のスピン・フィルター・デバイスには、次のような問題点がある。スピン・フィルターとしての性能を表すために、スピン偏極率が用いられる。このスピン偏極率は、スピン・アップの電流をＩ_＋、スピン・ダウンの電流をＩ₋としたときに、
【式１】

で与えられる量である。半導体二重障壁構造では、障壁を透過する電子の総量に対するスピン偏極率が高々４０％である。このために、半導体二重障壁構造では、スピン・フィルターとしての十分な機能を期待ですることがきない。
【００１０】
この発明は、前記の課題を解決し、材料の磁気的性質を用いることを不要にすると共に、高いスピン偏極率を得ることができる半導体スピンフィルターを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、二つの量子井戸を三つの障壁で隔て、二つの量子井戸間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする半導体スピンフィルターである。
【００１２】
前記構成によれば、半導体中に存在する電子または正孔を、それらの持つスピンの物性に従って選別し、ある特定のスピンをもった電子のみを抽出する電子デバイス（スピン・フィルター）、つまり、半導体三重障壁構造を用いたスピン・フィルターを実現することにある。このような電子デバイスは、将来的には、電子のスピン物性を利用したスピン・トランジスタ（文献１）、スピンを用いた半導体量子ビットの情報読み取りデバイス等への応用が考えられる。
【００１３】
前記の半導体三重障壁構造を用いたスピン・フィルターにおいては、材料の磁気的性質を利用した従来のスピン・フィルターと違って、半導体へテロ構造の内部電場に起因するスピン−軌道相互作用を利用する。そのため、この発明の効果として主なものは、次の通りである。
【００１４】
まず、第一に、基礎学問的に、半導体中のスピン−軌道相互作用についての研究が促進される。この発明により、半導体中のスピン−軌道相互作用を利用したスピン・デバイスが開発されれば、今度は、そのスピン・デバイスを、（そのスピン・デバイスが利用している）半導体中のスピン−軌道相互作用を調べる道具として使用することができる。
【００１５】
第二に、半導体中の伝導電子の持つスピンの自由度を利用した新しい電子デバイス実現のためのブレーク・スルーとなる。この発明においては、半導体三重障壁構造において、第二の障壁と第三の障壁との間を透過する電子と、第三の障壁と第一の障壁との間を透過する電子の間で、ある特定の状態にスピン偏極した電子についてのみエネルギー・レベルを整合させることによってスピン・フィルターを実現しているので、材料の磁気的性質を利用した従来型のスピン・フィルターのように、スピン・フィルターを通して非磁性半導体に注入された電子が、スピン・フィルター作製に使用した材料から漏れ出る磁場から影響を受けることがない。また、この発明で提案したデバイスのスピン偏極率は、９８．５％に達する（従来型の共鳴トンネル構造ではスピン偏極率は高々４０％である。）スピン・トランジスタ等のスピン・デバイスの性能はスピン偏極率に依存し、理想的には１００％スピン偏極した電子であることが望まれている。さらに、この発明によるデバイスでは、外部より印加される磁場を必要としないので、スピン・フィルターを通して非磁性半導体に注入された電子が、外部磁場の影響を受けることもない。
【００１６】
第三に、この発明で提案したスピン・フィルターにより実現するスピン偏極率が１００％に近い電流は、量子コンピューターの構成要素となる量子ビットの量子力学的状態の読み出しに利用できることである。つまり、量子コンピューターの構成要素となる量子ビットを電子のスピンを用いて実現した場合、量子ビットの量子力学的状態は、スピン・アップの波動関数とスピン・ダウンの波動関数の重ね合わせで表されるので、量子ビットの量子力学的状態と１００％スピン偏極した電子を相互作用させることにより、量子ビットの量子力学的状態を知ることができる。さらに、これと同様の原理は、量子暗号、量子情報、量子テレポーテーションなどの技術分野にも応用可能である。
【００１７】
以上の理由により、この発明は、将来のスピン・デバイスの実現にとって、非常に重要な位置を占めるものあると考える。
【００１８】
請求項２の発明は、ソース層に設けられると共に、第一の障壁を形成する第一障壁層と、ドレイン層に設けられると共に、第二の障壁を形成する第二障壁層と、前記第一障壁層と前記第二障壁層との間に第三の障壁を形成する中央障壁層と、前記第一障壁層と前記中央障壁層との間に量子井戸を形成する第一井戸層と、前記中央障壁層と前記第二障壁層との間に量子井戸を形成する第二井戸層とを備え、前記第一井戸層および前記第二井戸層の中でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする半導体スピンフィルターである。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｎ型不純物が添加されたIn_0.52Al_0.48Asの層を前記第一障壁層および前記第二障壁層とし、ｐ型不純物が添加されたInPの層を前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn_0.53Ga_0.47Asの層を前記第一井戸層および第二井戸層として、内部電場に起因するスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｐ型不純物が添加されたInPの層の代わりに、Ｐ型不純物が添加されたIn_0.53Ga_0.47Asの層を前記中央障壁層とすることを特徴とする。請求項５の発明は、請求項３に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｐ型不純物が添加されたInPの層の代わりに、In_0.52Al_0.48Asの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルターにおいて、不純物が添加されていないIn_0.52Al_0.48Asの層を前記第一障壁層、前記第二障壁層および前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn_1-xGa_xAsの層を前記第二井戸層とし、かつ、値ｘを0.47から１まで変えて組成を連続的に変化させ、不純物が添加されていないIn_1-xGa_xAsの層を前記第一井戸層とし、かつ、値ｘを１から0.47まで変えて組成を連続的に変化させたことを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項６に記載の半導体スピンフィルターにおいて、不純物が添加されていないIn_0.52Al_0.48Asの層の代わりに、InPの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする。請求項８の発明は、請求項６に記載の半導体スピンフィルターにおいて、前記中央障壁層（４）を除いたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルター、において、不純物が添加されていないIn_0.52Al_0.48Asの層を前記第一障壁層および前記第二障壁層とし、不純物が添加されていないInPの層を前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn_0.53Ga_0.47Asの層を前記第一井戸層および第二井戸層として、前記第一障壁層および前記第二障壁層と前記中央障壁層との間の界面での伝導電子帯のバンドの不連続性を用いて三重障壁構造を形成することを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｐ型不純物が添加されたIn_0.52Al_0.48Asの層を前記第一障壁層および前記第二障壁層とし、ｎ型不純物が添加されたIn_0.52Al_0.48Asの層を前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn_0.53Ga_0.47Asの層を前記第一井戸層および第二井戸層として、前記第一および第二井戸層の内部電場の方向を逆にしたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
［実施の形態１］
実施の形態１による半導体スピンフィルターを図１に示す。図１の半導体スピンフィルターは、In_0.53Ga_0.47Asソース層１、第一障壁層としてIn_0.52Al_0.48As障壁層２、第一井戸層としてIn_0.53Ga_0.47As井戸層３、中央障壁層としてInP障壁層４、第二井戸層としてIn_0.53Ga_0.47As井戸層５、第二障壁層としてIn_0.52Al_0.48As障壁層６、In_1-xGa_xAsドレイン層７、および金属電極８、９で構成されている。
【００２８】
この実施の形態では、In_0.52Al_0.48As障壁層２、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、InP障壁層４、In_0.53Ga_0.47As井戸層５、In_0.52Al_0.48As障壁層６、In_1-xGa_xAsドレイン層７、および金属電極８の順に、各層がIn_0.53Ga_0.47Asソース層１に積層された構造である。また、In_0.53Ga_0.47Asソース層１には、金属電極９が積層された構造である。
【００２９】
前記構造は、一般には、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy:MBE法）や、有機金属気相成長法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD法）といった、既存の半導体薄膜成長法によって作製される。この発明では、構造の作製法をこれらに限定しない。
【００３０】
前記構造は、大まかに層と呼ばれる六つの部分に分けられ、図の上側からそれぞれ、In_l-xGa_xAsドレイン層７、In_0.52Al_0.48As障壁層６、In_0.53Ga_0.47As井戸層５、InP障壁層４、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、In_0.52Al_0.48As障壁層２、In_0.53Ga_0.47Asソース層１と呼ぶ。ここでの、In_l-xGa_xAs、In_0.52Al_0.48As、In_0.53Ga_0.47As、InP等は、半導体材料の名前である。この発明で述べる電子デバイスは、これらの材料を用いれば、実際に動作することが、理論計算の結果確認された。しかし、この発明の適用範囲は、これらの材料に限定されない。
【００３１】
そして、これらの半導体材料を用いた構成によって、二つのIn_0.53Ga_0.47As井戸層３、５を、三つの障壁、つまり、In_0.52Al_0.48As障壁層２、６およびInP障壁層４で隔て、二つのIn_0.53Ga_0.47As井戸層３、５間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になるように構成された三重障壁構造が形成される。
【００３２】
また、この発明で利用する、半導体ヘテロ構造内部電場に起因する電子のスピン−軌道相互作用については、以前に提案がなされている（ E. I. Rashba, Sov. Phys. -Solid State 2, 1109 (1960); E. I. Rashba and V. I. Sheka, in : Landau Level Spectroscopy, ed. By G. Landwehr and E. I. Rashba (North-Holland, Amsterdam, 1991), v.1, p.131.:文献１２）。その大きさについても、様々な半導体について、具体的に調べられている。これについては、次の文献に示されている。

【００３３】
特に、中央のInP障壁層４の代わりにIn_0.52Al_0.48As障壁層を用いて、同様の構造を作製しても、同等性能のスピン・フィルター・デバイスを得ることができることが、理論計算の結果確認されている。ここでは、図１に示す構造が、InP単結晶基板の（００１）面上に成長させることを想定している。しかし、この発明の適用範囲は、基板に用いる材料およびその結晶面をこれらに限定されない。
【００３４】
図１の構成では、それぞれの層の層厚、不純物濃度および不純物の種類として、次の表１に示すものを用いている。しかし、この発明の範囲はこれらに限定されない。
【表１】

【００３５】
In_l-xGa_xAsドレイン層７のGa組成ｘは、In_l-xGa_xAsの伝導電子帯の下端のエネルギーが、In_0.53Ga_0.47Asの伝導電子帯の下端のエネルギーよりも、約２７０meV大きくなるように選ばれるべきである。しかし、この発明の範囲はこの限りではない。
【００３６】
図１では、二つのIn_0.53Ga_0.47As井戸層３、５を、三つのIn_0.52Al_0.48As障壁層２、６およびInP障壁層４で隔て、二つの量子井戸間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になるように構成された三重障壁構造が形成される。
【００３７】
この三重障壁構造を利用した半導体スピンフィルターの動作原理について説明する。そのために、図１と表１とで特定した構造のポテンシャル模式図を図２に示す。ポテンシャル模式図とは、デバイス中に存在する伝導電子が感じる位置エネルギーＵ（ｚ）を、場所を示す値ｚの関数としてプロットしたものである。図２の値ｚが図１の縦方向に対応し、図２の左側が図１の上側に対応し、図２の右側が図１の下側に対応する。実際のデバイスでは、図２の左側がデバイスの表面側、図２の右側がデバイスの基板側に対応することを想定しているが、この発明の範囲はこれに限定されない。また、ここでの説明は、極低温下（４．２Ｋ以下）でのデバイス動作を想定しているが、この発明の範囲はそれに限定されない。
【００３８】
図１に示したデバイスでは、上で述べたそれぞれの層に対して垂直の方向に電流が流れる。電流の流れる方向は、電子の流れる方向と逆向きに定義されているので、電子は、図１の上側から下側（図２の左側から右側）に向かって流れる。これらの電子の量子力学的状態は、値ｋで表される波数ベクトルの成分（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）を指定することで、一意に決まることが知られている。図１に示したデバイスでは、各障壁層（In_0.52Al_0.48As障壁層２、６およびInP障壁層４）に垂直な方向をｚ方向と定義すると、In_l-xGa_xAsドレイン層７に存在する電子にとって、障壁の透過前と透過後で、ｘ、ｙ方向の波数ベクトルの成分ｋ_ｘ、ｋ_ｙは保存することが知られている。また、このｋ_ｘとｋ_ｙで指定される電子の状態を、電子のモードと呼び、各モードにおける電子の障壁の透過確率のスピン依存性により、スピン・フィルターが実現する。
【００３９】
電子の各モードにおける障壁の透過確率のスピン依存性は、次に示す半導体ヘテロ構造の内部電場に起因するスピン−軌道相互作用によって発生する。
【式２】

ここで、Ｅ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）は、波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）を持つ電子の総エネルギー、Ｕ（ｚ）は、半導体ヘテロ構造に起因する電子のポテンシャル・エネルギーで、図２の縦軸に相当する。また、（１）式の
【式３】

は、半導体ヘテロ構造内部の電場に起因するスピン−軌道相互作用によるエネルギーに相当し、プラス、マイナスの符号は、スピン・アップ、スピン・ダウンの電子にそれぞれ対応する。また、逆に、この発明での電子のスピンのアップ、ダウンの方向は、そのような関係を満たすように定義されている。
【００４０】
スピン−軌道相互作用係数α（ｚ）の大きさは、半導体ヘテロ構造内部の電場の大きさに比例することが知られている。つまり、半導体ヘテロ構造内部での電場は、Ｕ（ｚ）の傾きに比例する値なので、あるモード（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）にある電子にとって、In_0.53Ga_0.47As井戸層５の中でのα（ｚ）の値と、In_0.53Ga_0.47As井戸層３の中でのα（ｚ）の値では、符号を異にすることがわかる（図２参照）。この実施の形態では、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、５内の内部電場をスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）に反映させるために、In_0.52Al_0.48As障壁層２、６とInP障壁層４を適当な不純物濃度でドープしている。ただし、α（ｚ）の値の起源については、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、５中での内部電場以外が原因となっていてもよいので、この発明では、α（ｚ）の値の起源を、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、５内での内部電場には限定しない。
【００４１】
よって、In_0.53Ga_0.47As井戸層５の中では、スピン・ダウンの電子のエネルギーが、スピン・アップの電子のエネルギーよりも大きくなり、In_0.53Ga_0.47As井戸層３の中ではスピン・アップの電子のエネルギーが、スピン・ダウンの電子のエネルギーよりも大きくなる。したがって、In_l-xGa_xAsドレイン層７とIn_0.53Ga_0.47Asソース層１との間に、ある特定のソース・ドレイン電圧１１をかけることにより、図３に示すように、電子の流れが発生し、この電子流の反対方向に、透過電流（トンネル電流）であるスピン偏極した電流が流れる。この様子は、図１の電流１２に示されている。電流１２は、スピン・フィルターを通したスピンに依存するものである。つまり、ある特定のソース・ドレイン電圧１１をかけることにより、スピン・アップ、または、スピン・ダウンのみの電子のエネルギーのレベルを、In_0.53Ga_0.47As井戸層５、３の間で整合させることができ、スピン・フィルターが実現する。
【００４２】
図１に示す半導体三重構造の実際の動作特性は、スピンに依存する電子の障壁透過確率を全てのモード（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）について足し合わせることで得られる（ Y.Ando and T.Itoh, J.App1. Phys. 61, 1497 (1987).:文献２１）。図４に、このようにして計算された、電子のスピンに依存する障壁のトンネル電流の値を、相対的なソース・ドレイン電圧（△V_SD）の値の関数としてプロットしたものを示す。図４では、横軸は、In_0.52Al_0.48As障壁層６における不純物濃度（N₁）を示す。N₁を変えるのと同様の効果は、ソース・ドレイン電圧V_SDを変えることによっても得られるため、図４の横軸は相対的なソース・ドレイン電圧△V_SDに対応する。
【００４３】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１の図２に示す構造から中央のInP障壁層４を除き、そこに、実施の形態１のInP障壁層４と同等の濃度の不純物を導入したIn_0.53Ga_0.47As層（In_0.53Ga_0.47As中央不純物導入層）を挿入している。この実施の形態では、図５に示すように、構造の中央には明白なポテンシャル障壁が存在しないが、両端の障壁の間に存在する山型のポテンシャルが、中央のポテンシャル障壁の役目を果たす。この結果、この実施の形態も、この発明で提案する三重障壁構造に含まれる。また、図６に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００４４】
この実施の形態で提案するデバイス構造における各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類の一例を、次の表２に示す。
【表２】

【００４５】
［実施の形態３］
実施の形態３では、不純物原子の導入なしに、実施の形態１のIn_0.53Ga_0.47As井戸層３、５に用いる材料の組成を連続的に変化させることによって、図７に示すように、実施の形態１に示す三重障壁構造を実現している。そして、図８に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００４６】
この実施の形態で提案する構造における各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類の一例を、次の表３に示す。なお、この実施の形態による量子井戸層を、In_1-xGa_xAs井戸層３ＡおよびIn_1-xGa_xAs井戸層５Ａで表している。また、この実施の形態では、実施の形態１のInP障壁層４の代わりに、In_0.52Al_0.48As中央障壁層を用いている。また、In_0.52Al_0.48As中央障壁層の代わりに、InPの層を中央障壁層層として用いることが可能である。In_0.52Al_0.48As中央障壁層を用いているのは、単に一例を示しているに過ぎない。
【表３】

【００４７】
この実施の形態で利用した背景となる物理的原理は、In_l-xGa_xAs合金系のバンド・ギャップの値が、ｘの値を0.47（In_l-xGa_xAsの格子定数がInPのそれと一致する組成）から１まで連続的に変化させるにつれて、0.783eVから1.44eVに連続的に変化するという事実である。つまり、In_l-xGa_xAsの組成ｘをこの様に連続的に変化させることにより、伝導帯端で与えられるポテンシャル・エネルギーの値を連続的に変化させることができるため、この方法によっても、実施の形態１で示した三重障壁構造に類する構造を実現することができる。また、実施の形態２の実施の形態１に対する関係と同様に、この実施の形態で示した構造からIn_0.52Al_0.48As中央障壁層をなくした構造でも、原理的にはこの実施の形態と同様の効果を期待でき、この発明の範囲から除外されない。
【００４８】
［実施の形態４］
実施の形態４による半導体スピンフィルターは次のような構造をしている。実施の形態１では、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、５内の内部電場をスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）に反映させるために、In_0.52Al_0.48As障壁層２、６とInP障壁層４とを適当な不純物濃度でドープしているが、同様の効果は、In_0.53Ga_0.47As井戸層３、５内の内部電場を利用せずに、In_0.52Al_0.48As障壁層２、６とInP障壁層４との間の界面での伝導電子帯のバンドの不連続性を用いることによっても実現できる。よって、下に示すような、各障壁層内に不純物原子を含まないような構造も、この発明の範囲からは除外されない。
【００４９】
この実施の形態で提案する構造における各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類の一例を、次の表４に示す。なお、この実施の形態における三重障壁構造のそれぞれの層の層厚についても、この発明では、ここに示された値に限定されない。
【表４】

【００５０】
この構造による半導体スピンフィルターの動作原理を説明するために、In_0.52Al_0.48As障壁層６とIn_0.53Ga_0.47As井戸層５の間の界面を界面Ｓ１、In_0.53Ga_0.47As 井戸層５とInP障壁層４との間の界面を界面Ｓ２、InP障壁層４とIn_0.53Ga_0.47As井戸層３との間の界面を界面Ｓ３、In_0.53Ga_0.47As井戸層３とIn_0.52Al_0.48As障壁層２との間の界面を界面Ｓ４と呼ぶ。また、界面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４それぞれからのスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）への寄与をα１、α２、α３、α４と呼ぶ。
【００５１】
そうすると、図９から明らかに、α１＝−α４、α２＝一α３の関係が成り立っているのがわかるので、In_0.53Ga_0.47As井戸層５とその両隣の層との界面からのα（ｚ）への寄与への総量と、In_0.53Ga_0.47As井戸層３とその両隣の層との界面からのα（ｚ）への寄与への総量は、互いにそれらの絶対値の値が等しく反対の符号を持った量であることがわかる。よって、実施の形態１と同様の説明により、図９の構造でもスピン・フィルターが実現することがわかる。そして、図１０に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００５２】
［実施の形態５］
実施の形態５では、実施の形態１のIn_0.52Al_0.48As障壁層６、２にｐ型不純物がドープされたものを用いている。また、InP障壁層４として、ｎ型不純物がドープされたIn_0.52Al_0.48As障壁層を用いている。この結果、In_0.52Al_0.48As障壁層６、２にｐ型不純物がドープされ、InP障壁層４として、ｎ型不純物がドープされているため、In_0.53Ga_0.47As井戸層５、３内での内部電場の方向が、実施の形態１のそれぞれの場合に比べて反対向きである。
【００５３】
そのため、In_0.53Ga_0.47As井戸層５、３内での、スピンの向きによる電子のエネルギー準位の分かれ方は、図１１に示すように、実施の形態１に比べて逆である。例えば、In_0.53Ga_0.47As井戸層５について、図２ではスピン・ダウンの電子のエネルギーの方がスピン・アップの電子のエネルギーよりも高くなっているが、図１１ではスピン・アップの電子のエネルギーの方がスピン・ダウンの電子のエネルギーよりも高くなっている。しかし、実施の形態１で説明したのと同様の原理によって、スピン・フィルターが実現する。そして、図１２に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００５４】
この実施の形態では、実施の形態１、４におけるInP障壁層４が、In_0.52Al_0.48As障壁層（中央）に置き変わっているが、それは、図１１に示した特定の構造においては、中央障壁層の障壁の高さを高くする必要があるためで、この実施の形態の適用範囲は、この特定の材料を使った中央の障壁層に限定されない。また、この実施の形態での各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類を次の表５に示すが、この発明の適用範囲は、これらには限定されない。
【表５】

【００５５】
［参考例］
図１３は半導体スピンフィルターの参考例を示す。この参考例では、実施の形態１にあるIn_0.53Ga_0.47Asソース層１やIn_1-xGa_xAsドレイン層７が存在しない、二重量子井戸構造をとっている。図１３の半導体スピンフィルターは、In_0.52Al_0.48Asバッファー層２１、第一キャリア供給層としてIn_0.52Al_0.48Asキャリア供給層２２、In_0.52Al_0.48Asスペーサー層２３、第一井戸層としてIn_0.53Ga_0.47As井戸層２４、InP障壁層２５、第二井戸層としてIn_0.53Ga_0.47As井戸層２６、第二キャリア層としてIn_0.52Al_0.48Asキャリア供給層２７、および、第二、第一電極として金属電極２８、２９で構成されている。
【００５６】
In_0.52Al_0.48Asキャリア供給層２２、In_0.52Al_0.48Asスペーサー層２３、In_0.53Ga_0.47As井戸層２４の順に、各層がIn_0.52Al_0.48Asバッファー層２１に積層された構造である。In_0.53Ga_0.47As井戸層２４には、InP障壁層２５および金属電極２９が積層され、さらに、InP障壁層２５には、In_0.53Ga_0.47As井戸層２６、In_0.52Al_0.48Asキャリア供給層２７および金属電極２８が順に積層された構造である。
【００５７】
この構造の半導体スピンフィルターでは、図１４に示すように、実施の形態１にあるIn_0.53Ga_0.47Asソース層１やIn_1-xGa_xAsドレイン層７が存在しない二重量子井戸構造をとっている。なお、図１４では、図面の都合上、半導体材料等の名称を省略している。たとえば、金属電極２８を単に層２８としている。また、図中の実線、破線は、それぞれ、スピン・アップ、スピン・ダウンの電子濃度の分布を模式的に表したものである。さらに、これらの曲線の縦方向の相対的位置関係は、ある得られたモード（k_x,k_y）での電子のエネルギーに対応している。
【００５８】
図１４に示す構造でも、In_0.53Ga_0.47As井戸層２６とIn_0.53Ga_0.47As井戸層２４との間でスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）の値の符号が逆になるので、実施の形態１と同様の原理に基づいて、スピン・フィルターが実現する。ただし、この実施の形態では、実施の形態１で示したようなIn_0.53Ga_0.47Asソース層１とIn_l-xGa_xAsドレイン層７との間でのスピン・フィルターではなく、In_0.53Ga_0.47As井戸層２６とIn_0.53Ga_0.47As井戸層２４との間で働くスピン・フィルターである。そして、金属電極２８と金属電極２９との間に、ある特定の電圧３１をかけることにより、電子の流れが発生し、この電子流の反対方向に、スピン偏極した電流３２が流れる。
【００５９】
このような二重量子井戸構造を実現するための、各層の層厚、不純物濃度を次の表６に示す。しかし、この発明の範囲は、ここに示される値には限定されない。また、In_0.53Ga_0.47As井戸層２６とIn_0.53Ga_0.47As井戸層２４との内に存在する伝導電子の総数は、概ね、2.4×10¹²cm^-2程度である。なお、表６では、紙面の都合上、各層２１〜２７および金属電極２８、２９を簡略して記載している。たとえば、金属電極２８を単に層２８としている。
【表６】

【００６０】
以上説明した実施の形態１〜５によれば、半導体ヘテロ構造中に存在する内部電場に起因する電子のスピン−軌道相互作用を利用して、スピン・フィルターを実現することが可能になる。この結果、半導体三重障壁を用いたスピン・フィルターでは、少なくとも理論的な電流のスピン偏極率が９８．５％に達するものを設計することが可能である。一方、半導体二重障壁構造を用いた共鳴トンネル・デバイスである従来のスピン・フィルター・デバイス（文献１０、文献１１）では、電子が障壁を透過する透過確率のスピン依存はあまり大きくなく、スピン・フィルターとしての十分な性能を得ることは難しい。
【００６１】
つまり、半導体三重障壁構造では、第一、第二障壁の間と、第二、第三障壁の間での、電子のスピンに依存したエネルギー・レベルを整合させることにより、スピン・フィルターを実現しているので、従来提案された半導体二重障壁構造を利用したスピン・フィルター（文献１０、文献１１）では、電流のスピン偏極率が高々４０％であるのに対し、この発明で提案する半導体三重障壁を用いたスピン・フィルターでは、電流のスピン偏極率が前記のように９８．５％に達する。
【００６２】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明による半導体三重障壁構造では、第二、第三の障壁の間を透過する電子と、第三、第一の障壁の間を透過する電子の間で、ある特定の状態にスピン偏極した電子についてのみ、エネルギー・レベルを整合させることができるので、スピン・フィルターとしての性能を表すスピン偏極率が９８．５％に達する。さらに、デバイス構造の最適化を行うことにより、これ以上の値のスピン偏極率を達成することが可能である。
【００６３】
また、この発明によれば、磁気的性質を基本的にもたない（磁気的性質を全くもたない材料はない）材料のみを用いてスピン・フィルターを作製することができるため、非磁性半導体に注入された電子スピンは、デバイス材料から漏れ出る磁場の影響を受けることがない。また、スピン・フィルター作動のための外部磁場を印加する必要もなく、半導体中に注入されたスピンが外部磁場からの影響を受けることもない。また、この発明では、注入するスピンの極性をソース・ドレイン間のバイアス電圧を変えることにより、容易に制御することができる。
【００６４】
スピン・トランジスタ等のスピン・デバイスの性能はスピン偏極率に依存し、理想的には１００％スピン偏極した電子であることが望まれる。また、量子コンピューターの構成要素となる量子ビットを電子のスピンを用いて実現した場合、量子ビットの量子力学的状態は、スピン・アップの波動関数とスピン・ダウンの波動関数の重ね合わせで表されるので、量子ビットの量子力学的状態と１００％スピン偏極した電子を相互作用させることにより、量子ビットの量子力学的状態を知ることができる。さらに、これと同様の原理は、量子暗号、量子情報、量子テレポーテーションなどの技術分野にも応用可能である。以上の理由により、この発明は、これらのスピン・デバイスの実現にとって、非常に重要な位置を占める。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による半導体スピンフィルターを示す構造模式図である。
【図２】 図１の半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図３】 図１の半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図４】 図１で示した三重障壁構造におけるスピンに依存したトンネル電流を示す図である。
【図５】 実施の形態２による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図６】 実施の形態２による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図７】 実施の形態３による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図８】 実施の形態３による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図９】 実施の形態４による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１０】 実施の形態４による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１１】 実施の形態５による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１２】 実施の形態５による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１３】 参考例にかかる半導体スピンフィルターを示す構造模式図である。
【図１４】 同参考例にかかる半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１５】 従来の技術による強磁性体金属から半導体二次電子気体へのスピン注入を示す斜視図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention selects conduction electrons or holes (hereinafter simply referred to as “electrons” in semiconductors, but the same applies to holes) in semiconductors according to the physical properties of their spins. The present invention relates to a semiconductor spin filter, which is an electronic device that extracts only electrons having a spin.
[0002]
[Prior art]
Conventional semiconductor devices have been designed using the degree of freedom of only the charge of electrons. However, electrons have a degree of freedom of spin along with charge. In the future, an electronic device using electron spin will be a spin transistor (S. Datta and B. Das, App1. Phys. Lett. 56, 665 (1990). ), Application to information reading devices of semiconductor qubits using spin can be considered.
[0003]
In addition, semiconductor qubits using electron spin are a technology that will become a component of future quantum computers. The same principle can be applied to technical fields such as quantum cryptography, quantum information, and quantum teleportation.
[0004]
In order to utilize the degree of freedom of electron spin in a semiconductor electronic device, it is important to inject spin-polarized electrons into the semiconductor. The following are conventional techniques for that purpose.
(I) Spin injection technology from a ferromagnetic metal to a semiconductor two-dimensional electron gas (M. Johnson, Phys. Rev. B. 58, 1790 (1998): Reference 2, C.-M. Hu, J. Nitta , A. Jensen, JB Hansen, and H. Takayanagi, Phys. Rev. B 63, 125333 (2001): Reference 3).
(Ii) Spin injection technology from dilute magnetic semiconductor to non-magnetic semiconductor (R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag and LWMolenkamp, Nature 402 787 (1999). : Literature 4, Y. Ohno, DKYoung, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno and DDAwschalom, Nature 402 790 (1999) .: Literature 5).
(Iii) Spin filter technology using Zeeman separation of energy levels in a semiconductor quantum box in a magnetic field (MJGilbert and JPBird, App1. Phys. Lett. 77, 1050 (2000) .: Reference 6, P Recher, EVSukhorukov and D. Loss, Phys. Rev. Lett. 85, 1962 (2000) .: Reference 7).
(Iv) Spin filter technology using a resonant tunneling structure using a diluted magnetic semiconductor. This technique is shown in the following document.

[0005]
Each of these conventional techniques uses the magnetic properties of the material. For example, in spin injection from a ferromagnetic metal to a semiconductor secondary electron gas, a voltage 105 is applied to the ferromagnetic metal electrodes 102 and 103 formed on the semiconductor 101 as shown in FIG. As a result, spin injection into the semiconductor secondary electron gas 104 is performed, and a spin-dependent current 106 flows.
[0006]
These techniques have the following problems. The spin-polarized electrons injected into the semiconductor are affected by a magnetic field leaking from the magnetic material used for spin injection and an externally applied magnetic field.
[0007]
That is, when the magnetic properties of the material are used, a part of the material has a magnetic moment in a specific direction (when using a magnetic electrode: those described in (i) and (ii) above), It is necessary to apply an external magnetic field to separate the electron levels in the material according to the spin polarization direction (when using Zeeman separation of energy levels: (ii), (iii), ( iv)). Therefore, in the prior art, spin-polarized electrons injected into a nonmagnetic semiconductor can be prevented from being affected by a magnetic field leaking from a magnetic material used for spin injection or an externally applied magnetic field. Absent.
[0008]
Therefore, a spin filter device using spin-orbit interaction of electrons has been proposed. For example, there is a resonant tunneling device using a semiconductor double barrier structure (A. Voskoboynikov, Shiue Shin Liu and CPLee, Phys. Rev. B 59, 12514 (2001) .: Reference 10, A. Voskoboynikov, Shiue Shin Lin. , CPLee and O. Tretyak, J. Appl. Phys. 87, 387 (2001) .: Reference 11).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional spin filter device using the spin-orbit interaction of electrons has the following problems. Spin polarization is used to represent the performance as a spin filter. This spin polarization rate determines the spin-up current as I ₊ , Spin down current I ₋ And when
[Formula 1]

Is the amount given by. In the semiconductor double barrier structure, the spin polarization with respect to the total amount of electrons passing through the barrier is at most 40%. For this reason, the semiconductor double barrier structure cannot be expected to have a sufficient function as a spin filter.
[0010]
An object of the present invention is to provide a semiconductor spin filter that solves the above-described problems, makes it unnecessary to use the magnetic properties of the material, and obtains a high spin polarization.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 has a triple barrier structure in which two quantum wells are separated by three barriers and the direction of spin-orbit interaction is opposite between the two quantum wells. It is a semiconductor spin filter characterized by forming.
[0012]
According to the above configuration, an electron device (spin filter) that selects electrons or holes existing in a semiconductor according to their spin properties and extracts only electrons having a specific spin, that is, a semiconductor It is to realize a spin filter using a triple barrier structure. In the future, such an electronic device is considered to be applied to a spin transistor (Reference 1) using spin physical properties of electrons, a semiconductor qubit information reading device using spin, and the like.
[0013]
In the spin filter using the semiconductor triple barrier structure, unlike the conventional spin filter using the magnetic property of the material, the spin-orbit interaction caused by the internal electric field of the semiconductor heterostructure is used. . Therefore, the main effects of the present invention are as follows.
[0014]
First, research on spin-orbit interaction in semiconductors is promoted from a basic academic perspective. If a spin device using spin-orbit interaction in a semiconductor is developed according to the present invention, this spin device will be replaced with a spin-orbit in a semiconductor (used by the spin device). It can be used as a tool for examining interactions.
[0015]
Second, it will be a breakthrough for the realization of a new electronic device using the spin degree of freedom of conduction electrons in semiconductors. According to the present invention, in the semiconductor triple barrier structure, the electron is transmitted between the second barrier and the third barrier and the electron transmitted between the third barrier and the first barrier. Since the spin filter is realized by matching the energy level only for electrons that are spin-polarized to a specific state, the spin filter is like a conventional spin filter that uses the magnetic properties of the material. Electrons injected into the non-magnetic semiconductor through are not affected by the magnetic field leaking from the material used to make the spin filter. In addition, the spin polarization rate of the device proposed in the present invention reaches 98.5% (the spin polarization rate is at most 40% in the conventional resonant tunneling structure) of spin devices such as spin transistors. The performance depends on the spin polarization rate, and ideally 100% spin-polarized electrons are desired. Furthermore, since the device according to the present invention does not require an externally applied magnetic field, electrons injected into the nonmagnetic semiconductor through the spin filter are not affected by the external magnetic field.
[0016]
Third, a current with a spin polarization rate close to 100% realized by the spin filter proposed in the present invention can be used to read out the quantum mechanical state of a qubit that is a component of a quantum computer. In other words, when the quantum bit that is a component of the quantum computer is realized using the spin of electrons, the quantum mechanical state of the qubit is represented by a superposition of the spin-up wave function and the spin-down wave function. Therefore, the quantum mechanical state of the qubit can be known by allowing the quantum mechanical state of the qubit to interact with 100% spin-polarized electrons. Furthermore, the same principle can be applied to technical fields such as quantum cryptography, quantum information, and quantum teleportation.
[0017]
For the above reasons, the present invention is considered to occupy a very important position for the realization of a future spin device.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, the first barrier layer that is provided in the source layer and forms the first barrier, the second barrier layer that is provided in the drain layer and forms the second barrier, and the first A central barrier layer forming a third barrier between the barrier layer and the second barrier layer; a first well layer forming a quantum well between the first barrier layer and the central barrier layer; A second well layer forming a quantum well between a central barrier layer and the second barrier layer, wherein the spin-orbit interaction direction is opposite in the first well layer and the second well layer This is a semiconductor spin filter characterized by forming a triple barrier structure.
[0019]
The invention according to claim 3 is the semiconductor spin filter according to claim 2, wherein an n-type impurity is added to the In _0.52 Al _0.48 The As layer is defined as the first barrier layer and the second barrier layer, the InP layer doped with p-type impurities is defined as the central barrier layer, and In is not doped with impurities. _0.53 Ga _0.47 Using the As layer as the first well layer and the second well layer, a triple barrier structure in which the direction of the spin-orbit interaction caused by the internal electric field is opposite is formed.
[0020]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor spin filter according to the third aspect, an InP doped with a P-type impurity is used instead of an InP layer doped with a p-type impurity. _0.53 Ga _0.47 The As layer is the central barrier layer. According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor spin filter according to the third aspect, instead of the InP layer to which the p-type impurity is added, In _0.52 Al _0.48 The As layer is the central barrier layer (4).
[0021]
A sixth aspect of the present invention is the semiconductor spin filter according to the second aspect, wherein an impurity is not added. _0.52 Al _0.48 The As layer is the first barrier layer, the second barrier layer, and the central barrier layer, and In is not doped with impurities. _1-x Ga _x The As layer is the second well layer, and the composition is continuously changed by changing the value x from 0.47 to 1, and no impurity is added. _1-x Ga _x The As layer is the first well layer, and the composition is continuously changed by changing the value x from 1 to 0.47.
[0022]
A seventh aspect of the present invention is the semiconductor spin filter according to the sixth aspect of the present invention, wherein In is not doped with impurities. _0.52 Al _0.48 Instead of the As layer, an InP layer is used as the central barrier layer (4). The invention according to claim 8 is the semiconductor spin filter according to claim 6, wherein the central barrier layer (4) is omitted.
[0023]
The invention according to claim 9 is the semiconductor spin filter according to claim 2, wherein the In is not doped with impurities. _0.52 Al _0.48 The As layer is the first barrier layer and the second barrier layer, the InP layer to which no impurity is added is the central barrier layer, and the In layer to which no impurity is added _0.53 Ga _0.47 Using the discontinuity of the band of the conduction electron band at the interface between the first barrier layer and the second barrier layer and the central barrier layer, with the As layer as the first well layer and the second well layer Forming a triple barrier structure.
[0024]
A tenth aspect of the present invention is the semiconductor spin filter according to the second aspect, wherein a p-type impurity is added to the In _0.52 Al _0.48 The As layer is the first barrier layer and the second barrier layer, and an n-type impurity added In _0.52 Al _0.48 The As layer is the central barrier layer, and In is not doped with impurities. _0.53 Ga _0.47 The As layer is the first well layer and the second well layer, and the directions of the internal electric fields of the first and second well layers are reversed.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
The semiconductor spin filter according to the first embodiment is shown in FIG. The semiconductor spin filter in FIG. _0.53 Ga _0.47 As source layer 1, In as first barrier layer _0.52 Al _0.48 As barrier layer 2, In as first well layer _0.53 Ga _0.47 As well layer 3, InP barrier layer 4 as central barrier layer, In as second well layer _0.53 Ga _0.47 As well layer 5, In as second barrier layer _0.52 Al _0.48 As barrier layer 6, In _1-x Ga _x It is composed of an As drain layer 7 and metal electrodes 8 and 9.
[0028]
In this embodiment, In _0.52 Al _0.48 As barrier layer 2, In _0.53 Ga _0.47 As well layer 3, InP barrier layer 4, In _0.53 Ga _0.47 As well layer 5, In _0.52 Al _0.48 As barrier layer 6, In _1-x Ga _x In the order of As drain layer 7 and metal electrode 8, each layer is In _0.53 Ga _0.47 The structure is laminated on the As source layer 1. Also, In _0.53 Ga _0.47 The As source layer 1 has a structure in which metal electrodes 9 are laminated.
[0029]
The structure is generally produced by an existing semiconductor thin film growth method such as molecular beam epitaxy (MBE method) or metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD method). . In the present invention, the manufacturing method of the structure is not limited to these.
[0030]
The structure is roughly divided into six parts called layers, from the top of the figure, respectively, In _lx Ga _x As drain layer 7, In _0.52 Al _0.48 As barrier layer 6, In _0.53 Ga _0.47 As well layer 5, InP barrier layer 4, In _0.53 Ga _0.47 As well layer 3, In _0.52 Al _0.48 As barrier layer 2, In _0.53 Ga _0.47 Called As source layer 1. Here, In _lx Ga _x As, In _0.52 Al _0.48 As, In _0.53 Ga _0.47 As, InP, etc. are names of semiconductor materials. As a result of theoretical calculation, it was confirmed that the electronic device described in the present invention actually operates when these materials are used. However, the scope of application of the present invention is not limited to these materials.
[0031]
And, by using these semiconductor materials, two In _0.53 Ga _0.47 As well layers 3 and 5 have three barriers, namely In _0.52 Al _0.48 Two In layers separated by As barrier layers 2 and 6 and InP barrier layer 4 _0.53 Ga _0.47 A triple barrier structure is formed between the As well layers 3 and 5 so that the direction of the spin-orbit interaction is opposite.
[0032]
In addition, the spin-orbit interaction of electrons caused by the internal electric field of the semiconductor heterostructure used in the present invention has been previously proposed (EI Rashba, Sov. Phys. -Solid State 2, 1109 (1960) EI Rashba and VI Sheka, in: Landau Level Spectroscopy, ed. By G. Landwehr and EI Rashba (North-Holland, Amsterdam, 1991), v.1, p.131 .: Reference 12). Regarding its size, various semiconductors have been specifically investigated. This is shown in the following document.

[0033]
In particular, instead of the central InP barrier layer 4, In _0.52 Al _0.48 It has been confirmed as a result of theoretical calculation that a spin filter device with equivalent performance can be obtained even if a similar structure is fabricated using an As barrier layer. Here, it is assumed that the structure shown in FIG. 1 is grown on the (001) plane of the InP single crystal substrate. However, the scope of application of the present invention is not limited to the material used for the substrate and its crystal plane.
[0034]
In the configuration shown in FIG. 1, the layer thickness, impurity concentration, and impurity type shown in the following Table 1 are used. However, the scope of the present invention is not limited to these.
[Table 1]

[0035]
In _lx Ga _x The Ga composition x of the As drain layer 7 is In _lx Ga _x The energy at the bottom of the conduction electron band of As is In _0.53 Ga _0.47 It should be chosen to be approximately 270 meV greater than the energy at the bottom of the As conduction band. However, the scope of the present invention is not limited to this.
[0036]
In Figure 1, two In _0.53 Ga _0.47 As well layers 3 and 5 are divided into three In _0.52 Al _0.48 A triple barrier structure is formed which is separated by the As barrier layers 2 and 6 and the InP barrier layer 4 so that the direction of the spin-orbit interaction is opposite between the two quantum wells.
[0037]
The operating principle of the semiconductor spin filter using this triple barrier structure will be described. Therefore, FIG. 2 shows a potential schematic diagram of the structure specified in FIG. 1 and Table 1. The potential schematic diagram is a plot of potential energy U (z) felt by conduction electrons present in a device as a function of a value z indicating a place. 2 corresponds to the vertical direction of FIG. 1, the left side of FIG. 2 corresponds to the upper side of FIG. 1, and the right side of FIG. 2 corresponds to the lower side of FIG. In an actual device, it is assumed that the left side of FIG. 2 corresponds to the surface side of the device and the right side of FIG. 2 corresponds to the substrate side of the device, but the scope of the present invention is not limited to this. Moreover, although the description here assumes device operation under extremely low temperature (4.2 K or less), the scope of the present invention is not limited thereto.
[0038]
In the device shown in FIG. 1, a current flows in a direction perpendicular to each of the layers described above. Since the direction in which the current flows is defined to be opposite to the direction in which the electrons flow, the electrons flow from the upper side to the lower side in FIG. 1 (from the left side to the right side in FIG. 2). The quantum mechanical state of these electrons is expressed by the component of the wave vector (k _x , K _y , K _z ) Is determined uniquely. In the device shown in FIG. 1, each barrier layer (In _0.52 Al _0.48 When the direction perpendicular to the As barrier layers 2 and 6 and the InP barrier layer 4) is defined as the z direction, In _lx Ga _x For electrons existing in the As drain layer 7, the wave vector component k in the x and y directions before and after the transmission through the barrier _x , K _y Is known to preserve. This k _x And k _y The electron state specified by is called an electron mode, and a spin filter is realized by the spin dependence of the transmission probability of the electron barrier in each mode.
[0039]
The spin dependence of the barrier transmission probability in each mode of electrons is caused by the spin-orbit interaction caused by the internal electric field of the semiconductor heterostructure described below.
[Formula 2]

Where E (k _x , K _y , K _z ) Is the wave vector (k _x , K _y , K _z The total energy U (z) of the electrons having) is the potential energy of the electrons due to the semiconductor heterostructure, and corresponds to the vertical axis of FIG. Also, the equation (1)
[Formula 3]

Corresponds to energy due to spin-orbit interaction caused by the electric field inside the semiconductor heterostructure, and plus and minus signs correspond to spin-up and spin-down electrons, respectively. On the contrary, the direction of spin up and down of electrons in the present invention is defined so as to satisfy such a relationship.
[0040]
It is known that the magnitude of the spin-orbit interaction coefficient α (z) is proportional to the magnitude of the electric field inside the semiconductor heterostructure. In other words, the electric field inside the semiconductor heterostructure is a value proportional to the slope of U (z), so a certain mode (k _x , K _y ) For electrons in _0.53 Ga _0.47 The value of α (z) in the As well layer 5 and In _0.53 Ga _0.47 It can be seen that the sign of the value of α (z) in the As well layer 3 is different (see FIG. 2). In this embodiment, In _0.53 Ga _0.47 In order to reflect the internal electric field in the As well layers 3 and 5 in the spin-orbit interaction coefficient α (z), In _0.52 Al _0.48 As barrier layers 2 and 6 and InP barrier layer 4 are doped with appropriate impurity concentrations. However, the origin of the value of α (z) _0.53 Ga _0.47 Since this may be caused by other than the internal electric field in the As well layers 3 and 5, in the present invention, the origin of the value of α (z) _0.53 Ga _0.47 It is not limited to the internal electric field in the As well layers 3 and 5.
[0041]
Therefore, In _0.53 Ga _0.47 In the As well layer 5, the spin-down electron energy is larger than the spin-up electron energy, and the In _0.53 Ga _0.47 In the As well layer 3, the energy of spin-up electrons is larger than the energy of spin-down electrons. Therefore, In _lx Ga _x As drain layer 7 and In _0.53 Ga _0.47 By applying a specific source / drain voltage 11 between the As source layer 1, an electron flow is generated as shown in FIG. 3, and a transmission current (tunnel current) is generated in the opposite direction of the electron flow. A spin-polarized current flows. This is illustrated by current 12 in FIG. The current 12 is dependent on the spin through the spin filter. That is, by applying a specific source / drain voltage 11, the electron energy level of spin-up or spin-down only is changed to In. _0.53 Ga _0.47 As well layers 5 and 3 can be matched to realize a spin filter.
[0042]
The actual operating characteristics of the semiconductor triple structure shown in FIG. 1 show that the spin barrier electron transmission probability depends on all modes (k _x , K _y (Y. Ando and T. Itoh, J. App1. Phys. 61, 1497 (1987) .: Reference 21). FIG. 4 shows the value of the tunnel current of the barrier depending on the spin of electrons calculated in this way as a relative source-drain voltage (ΔV _SD ) Is plotted as a function of value. In FIG. 4, the horizontal axis represents In _0.52 Al _0.48 Impurity concentration in As barrier layer 6 (N ₁ ). N ₁ The same effect as changing the source / drain voltage V _SD The horizontal axis of FIG. 4 indicates the relative source-drain voltage ΔV. _SD Corresponding to
[0043]
[Embodiment 2]
In the second embodiment, the central InP barrier layer 4 is removed from the structure shown in FIG. 2 of the first embodiment, and an impurity having the same concentration as that of the InP barrier layer 4 in the first embodiment is introduced therein. _0.53 Ga _0.47 As layer (In _0.53 Ga _0.47 As central impurity introduction layer) is inserted. In this embodiment, as shown in FIG. 5, there is no obvious potential barrier at the center of the structure, but a mountain-shaped potential existing between the barriers at both ends serves as a central potential barrier. As a result, this embodiment is also included in the triple barrier structure proposed in the present invention. As shown in FIG. 6, a spin-polarized current flows in the direction opposite to the arrow.
[0044]
Table 2 below shows an example of the layer thickness, impurity concentration, and impurity type of each layer in the device structure proposed in this embodiment.
[Table 2]

[0045]
[Embodiment 3]
In the third embodiment, the In of the first embodiment is introduced without introducing impurity atoms. _0.53 Ga _0.47 By continuously changing the composition of the material used for the As well layers 3 and 5, the triple barrier structure shown in the first embodiment is realized as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 8, a spin-polarized current flows in the direction opposite to the arrow.
[0046]
Table 3 below shows an example of the layer thickness, impurity concentration, and impurity type of each layer in the structure proposed in this embodiment. Note that the quantum well layer according to this embodiment is formed of In. _1-x Ga _x As well layer 3A and In _1-x Ga _x This is represented by an As well layer 5A. In this embodiment, instead of the InP barrier layer 4 of the first embodiment, In _0.52 Al _0.48 As central barrier layer is used. Also, In _0.52 Al _0.48 Instead of the As central barrier layer, an InP layer can be used as the central barrier layer. In _0.52 Al _0.48 The use of the As central barrier layer is merely an example.
[Table 3]

[0047]
The underlying physical principle used in this embodiment is In _lx Ga _x The band gap value of the As alloy system is 0.47 (In _lx Ga _x This is the fact that the lattice constant of As changes continuously from 0.783 eV to 1.44 eV as the lattice constant of InP changes from 1 to 1. In other words, In _lx Ga _x Since the potential energy value given at the conduction band edge can be continuously changed by continuously changing the composition x of As in this manner, this method is also shown in the first embodiment. A structure similar to a triple barrier structure can be realized. Further, in the same manner as the relationship of the second embodiment with respect to the first embodiment, the structure shown in this embodiment is changed to In. _0.52 Al _0.48 Even in the structure without the As central barrier layer, the same effect as that of this embodiment can be expected in principle, and it is not excluded from the scope of the present invention.
[0048]
[Embodiment 4]
The semiconductor spin filter according to the fourth embodiment has the following structure. In Embodiment 1, In _0.53 Ga _0.47 In order to reflect the internal electric field in the As well layers 3 and 5 in the spin-orbit interaction coefficient α (z), In _0.52 Al _0.48 The As barrier layers 2 and 6 and the InP barrier layer 4 are doped with an appropriate impurity concentration. _0.53 Ga _0.47 Without using the internal electric field in As well layers 3 and 5, In _0.52 Al _0.48 This can also be realized by using the band discontinuity of the conduction electron band at the interface between the As barrier layers 2 and 6 and the InP barrier layer 4. Therefore, the structure which does not contain an impurity atom in each barrier layer as shown below is not excluded from the scope of the present invention.
[0049]
Table 4 below shows an example of the layer thickness, impurity concentration, and impurity type of each layer in the structure proposed in this embodiment. The layer thickness of each layer of the triple barrier structure in this embodiment is not limited to the value shown here in the present invention.
[Table 4]

[0050]
In order to explain the principle of operation of the semiconductor spin filter with this structure, In _0.52 Al _0.48 As barrier layer 6 and In _0.53 Ga _0.47 The interface between the As well layers 5 is the interface S1, In _0.53 Ga _0.47 As The interface between the well layer 5 and the InP barrier layer 4 is the interface S2, the InP barrier layer 4 and the InP barrier layer 4. _0.53 Ga _0.47 The interface between the As well layer 3 and the interface S3, In _0.53 Ga _0.47 As well layer 3 and In _0.52 Al _0.48 The interface with the As barrier layer 2 is referred to as interface S4. Further, contributions to the spin-orbit interaction coefficient α (z) from the interfaces S1, S2, S3, and S4 are referred to as α1, α2, α3, and α4, respectively.
[0051]
Then, it is apparent from FIG. 9 that the relationship of α1 = −α4 and α2 = 1 α3 is established. _0.53 Ga _0.47 The total amount of contribution to α (z) from the interface between the As well layer 5 and its adjacent layers, and In _0.53 Ga _0.47 It can be seen that the total amount to the contribution to α (z) from the interface between the As well layer 3 and its adjacent layers is an amount having the same absolute value and opposite sign. Therefore, it can be seen from the same explanation as in the first embodiment that a spin filter is realized even in the structure of FIG. As shown in FIG. 10, a spin-polarized current flows in the direction opposite to the arrow.
[0052]
[Embodiment 5]
In the fifth embodiment, the In of the first embodiment is used. _0.52 Al _0.48 The As barrier layers 6 and 2 are doped with p-type impurities. InP barrier layer 4 is In doped with n-type impurities. _0.52 Al _0.48 As barrier layer is used. As a result, In _0.52 Al _0.48 The As barrier layers 6 and 2 are doped with p-type impurities, and the InP barrier layer 4 is doped with n-type impurities. _0.53 Ga _0.47 The direction of the internal electric field in the As well layers 5 and 3 is opposite to that in the first embodiment.
[0053]
Therefore, In _0.53 Ga _0.47 In the As well layers 5 and 3, the way of dividing the energy level of electrons depending on the direction of spin is opposite to that in the first embodiment, as shown in FIG. For example, In _0.53 Ga _0.47 As for the As well layer 5, in FIG. 2, the spin-down electron energy is higher than the spin-up electron energy, but in FIG. 11, the spin-up electron energy is spin down. It is higher than the energy of electrons. However, a spin filter is realized by the same principle as described in the first embodiment. Then, as shown in FIG. 12, a spin-polarized current flows in the direction opposite to the arrow.
[0054]
In this embodiment, the InP barrier layer 4 in the first and fourth embodiments is made of In _0.52 Al _0.48 The As barrier layer (center) is replaced with the specific structure shown in FIG. 11 because the height of the barrier of the central barrier layer needs to be increased. Is not limited to the central barrier layer using this particular material. The layer thickness, impurity concentration, and impurity type of each layer in this embodiment are shown in the following Table 5, but the scope of application of the present invention is not limited to these.
[Table 5]

[0055]
[ Reference example ]
FIG. 13 shows a reference example of a semiconductor spin filter. In this reference example, the In in Embodiment 1 is used. _0.53 Ga _0.47 As source layer 1 and In _1-x Ga _x It has a double quantum well structure in which the As drain layer 7 does not exist. The semiconductor spin filter of FIG. _0.52 Al _0.48 As buffer layer 21, In as first carrier supply layer _0.52 Al _0.48 As carrier supply layer 22, In _0.52 Al _0.48 As spacer layer 23, In as first well layer _0.53 Ga _0.47 As well layer 24, InP barrier layer 25, In as the second well layer _0.53 Ga _0.47 As well layer 26, In as second carrier layer _0.52 Al _0.48 The As carrier supply layer 27 is composed of metal electrodes 28 and 29 as second and first electrodes.
[0056]
In _0.52 Al _0.48 As carrier supply layer 22, In _0.52 Al _0.48 As spacer layer 23, In _0.53 Ga _0.47 In the order of As well layer 24, each layer is In _0.52 Al _0.48 The structure is laminated on the As buffer layer 21. In _0.53 Ga _0.47 In the As well layer 24, an InP barrier layer 25 and a metal electrode 29 are stacked, and the InP barrier layer 25 includes an InP barrier layer 25. _0.53 Ga _0.47 As well layer 26, In _0.52 Al _0.48 In this structure, the As carrier supply layer 27 and the metal electrode 28 are sequentially stacked.
[0057]
In the semiconductor spin filter of this structure, as shown in FIG. _0.53 Ga _0.47 As source layer 1 and In _1-x Ga _x It has a double quantum well structure in which the As drain layer 7 does not exist. In FIG. 14, names of semiconductor materials and the like are omitted for convenience of drawing. For example, the metal electrode 28 is simply the layer 28. In addition, the solid line and the broken line in the figure schematically represent the electron concentration distribution of spin-up and spin-down, respectively. Furthermore, the vertical relative position of these curves is given by the mode obtained (k _x , k _y ) Corresponds to the energy of electrons.
[0058]
In the structure shown in FIG. _0.53 Ga _0.47 As well layer 26 and In _0.53 Ga _0.47 Since the sign of the value of the spin-orbit interaction coefficient α (z) with the As well layer 24 is reversed, a spin filter is realized based on the same principle as in the first embodiment. However, in this embodiment, the In as shown in the first embodiment is used. _0.53 Ga _0.47 As source layer 1 and In _lx Ga _x Not a spin filter with the As drain layer 7, but In _0.53 Ga _0.47 As well layer 26 and In _0.53 Ga _0.47 This is a spin filter that works between the As well layer 24. When a specific voltage 31 is applied between the metal electrode 28 and the metal electrode 29, an electron flow is generated, and a spin-polarized current 32 flows in the opposite direction of the electron flow.
[0059]
The layer thickness and impurity concentration of each layer for realizing such a double quantum well structure are shown in Table 6 below. However, the scope of the invention is not limited to the values shown here. Also, In _0.53 Ga _0.47 As well layer 26 and In _0.53 Ga _0.47 The total number of conduction electrons existing in the As well layer 24 is approximately 2.4 × 10 4. ¹² cm ^-2 Degree. In Table 6, the layers 21 to 27 and the metal electrodes 28 and 29 are simply described for the sake of space. For example, the metal electrode 28 is simply the layer 28.
[Table 6]

[0060]
Embodiments 1 to 1 described above 5 According to the above, a spin filter can be realized by utilizing the spin-orbit interaction of electrons caused by the internal electric field existing in the semiconductor heterostructure. As a result, it is possible to design a spin filter using a semiconductor triple barrier having at least a theoretical current spin polarization of 98.5%. On the other hand, in the conventional spin filter device (Reference 10, Reference 11), which is a resonant tunneling device using a semiconductor double barrier structure, the spin probability of the transmission probability of electrons passing through the barrier is not so large. It is difficult to obtain sufficient performance as a filter.
[0061]
In other words, the semiconductor triple barrier structure realizes a spin filter by matching the energy level depending on the spin of electrons between the first and second barriers and between the second and third barriers. Therefore, in the conventionally proposed spin filter using the semiconductor double barrier structure (Reference 10, Reference 11), the spin polarization rate of the current is 40% at most, whereas the semiconductor proposed in the present invention is In the spin filter using the triple barrier, the spin polarization rate of the current reaches 98.5% as described above.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, in the semiconductor triple barrier structure according to the present invention, there is a specific specification between the electrons that pass between the second and third barriers and the electrons that pass between the third and first barriers. Since the energy level can be matched only for electrons spin-polarized in this state, the spin-polarization rate representing the performance as a spin filter reaches 98.5%. Furthermore, by optimizing the device structure, it is possible to achieve a spin polarization rate higher than this value.
[0063]
In addition, according to the present invention, since a spin filter can be fabricated using only a material that does not basically have magnetic properties (there is no material that has no magnetic properties), a non-magnetic semiconductor The electron spin injected into the device is not affected by the magnetic field leaking from the device material. Further, it is not necessary to apply an external magnetic field for operating the spin filter, and spins injected into the semiconductor are not affected by the external magnetic field. In the present invention, the polarity of the spin to be injected can be easily controlled by changing the bias voltage between the source and the drain.
[0064]
The performance of a spin device such as a spin transistor depends on the spin polarization rate, and ideally it is desired to be 100% spin-polarized electrons. In addition, when the quantum bit that is a component of the quantum computer is realized using electron spin, the quantum mechanical state of the qubit is represented by a superposition of the spin-up wave function and the spin-down wave function. Therefore, the quantum mechanical state of the qubit can be known by allowing the quantum mechanical state of the qubit to interact with 100% spin-polarized electrons. Furthermore, the same principle can be applied to technical fields such as quantum cryptography, quantum information, and quantum teleportation. For the above reasons, the present invention occupies a very important position for the realization of these spin devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural schematic diagram showing a semiconductor spin filter according to a first embodiment of the present invention.
2 is a potential schematic diagram of the semiconductor spin filter of FIG. 1. FIG.
3 is a potential schematic diagram of the semiconductor spin filter of FIG. 1. FIG.
4 is a diagram showing a spin-dependent tunneling current in the triple barrier structure shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a second embodiment.
6 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a second embodiment. FIG.
7 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a third embodiment. FIG.
FIG. 8 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a third embodiment.
FIG. 9 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter according to a fifth embodiment.
FIG. 12 is a potential schematic diagram of the semiconductor spin filter according to the fifth embodiment.
FIG. 13 Take a reference example It is a structure schematic diagram which shows a semiconductor spin filter.
FIG. 14 According to the reference example It is a potential schematic diagram of a semiconductor spin filter.
FIG. 15 is a perspective view showing spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor secondary electron gas according to a conventional technique.

Claims (10)

  A semiconductor spin filter comprising a triple barrier structure in which two quantum wells are separated by three barriers and the direction of spin-orbit interaction is opposite between the two quantum wells. A first barrier layer (2) which is provided on the source layer (1) and forms a first barrier, and a second barrier layer (6) which is provided on the drain layer (7) and forms a second barrier. A central barrier layer (4) forming a third barrier between the first barrier layer (2) and the second barrier layer (6), the first barrier layer (2) and the central barrier A first well layer (3) forming a quantum well between the layer (4) and a second well forming a quantum well between the central barrier layer (4) and the second barrier layer (6) A layer (5),
A semiconductor spin filter characterized by forming a triple barrier structure in which the direction of spin-orbit interaction is opposite in the first well layer (3) and the second well layer (5). The In _0.52 Al _0.48 As layer doped with n-type impurities is defined as the first barrier layer (2) and the second barrier layer (6), and the InP layer doped with p-type impurities is defined as the central barrier layer ( 4), and the In _0.53 Ga _0.47 As layer to which no impurity is added is used as the first well layer (3) and the second well layer (5), and the direction of the spin-orbit interaction caused by the internal electric field is opposite. The semiconductor spin filter according to claim 2, wherein a triple barrier structure is formed in a direction. 4. The semiconductor according to claim 3, wherein an In _0.53 Ga _0.47 As layer doped with a P-type impurity is used as the central barrier layer (4) instead of the InP layer doped with a p-type impurity. Spin filter. 4. The semiconductor spin filter according to claim 3, wherein an In _0.52 Al _0.48 As layer is used as the central barrier layer (4) instead of an InP layer to which a p-type impurity is added. Wherein a layer of In _0.52 Al _0.48 As the impurity is not added first barrier layer (2), the second barrier layer (6) and the central barrier layer and (4), impurities are not added an In _{1- An x} Ga _x As layer is used as the second well layer (5), and the composition is continuously changed by changing the value x from 0.47 to 1, so that In _1-x Ga _x As is doped with no impurities. 3. The semiconductor spin filter according to claim 2, wherein the layer is the first well layer (3), and the composition is continuously changed by changing the value x from 1 to 0.47. The semiconductor spin filter according to claim 6, wherein an InP layer is used as the central barrier layer (4) instead of an In _0.52 Al _0.48 As layer to which no impurity is added.   7. The semiconductor spin filter according to claim 6, wherein the central barrier layer (4) is omitted. The In _0.52 Al _0.48 As layer to which no impurity is added is the first barrier layer (2) and the second barrier layer (6), and the InP layer to which no impurity is added is the central barrier layer (4). And an In _0.53 Ga _0.47 As layer to which no impurity is added is defined as the first well layer (3) and the second well layer (5), and the first barrier layer (2) and the second barrier layer (6 3) The semiconductor spin filter according to claim 2, wherein a triple barrier structure is formed by using a band discontinuity of a conduction electron band at an interface between the central barrier layer (4) and the central barrier layer (4). The In _0.52 Al _0.48 As layer doped with p-type impurities is defined as the first barrier layer (2) and the second barrier layer (6), and the In _0.52 Al _0.48 As layer doped with n-type impurities is _{defined as} the layer. As the central barrier layer (4), an In _0.53 Ga _0.47 As layer to which no impurity is added is used as the first well layer (3) and the second well layer (5), and the first and second well layers (3 5) The semiconductor spin filter according to claim 2, wherein the direction of the internal electric field is reversed.

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