JP4700934B2 - スピンフィルタ及びスピン状態分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態を分離するスピンフィルタおよびスピン状態分離方法に関する。

従来の半導体デバイスにおいては、電子の有する電荷のみを用いてきた。電子は電荷とともにスピンの自由度を有すが、これまで、電子のもつスピンの性質を積極的に用いたデバイスはなかった。最近、半導体デバイスは、微細化の限界に到達しつつあり、電子の有する「電荷」と「スピン」を同時に利用することにより、従来にない機能を有する新しいデバイスを標榜したスピントロニクスの分野が注目されるようになってきた。半導体中でスピンデバイスを実現するには、（１）スピン偏極したキャリアの生成、（２）スピンの輸送、記憶、演算操作、（２）最終的なスピン状態の検出、という操作手法を確立する必要がある。

このうち、半導体中にスピン偏極した電子を生成する最も確立された技術として、円偏光した光により価電子帯から伝導体にスピン偏極した電子を励起する方法がある。しかしながら、この方法の場合、選択則による制限により１００％スピン偏極した電子を得るのは不可能であり、電子とともに正孔が対となって生成されるため、電子−正孔再結合によりスピンの緩和時間を充分長くすることができないという問題があった。

また、強磁性体電極から半導体へのスピン注入は、金属と半導体のコンダクタンスの違いから半導体中で大きなスピン偏極度を得るのは困難であることが理論的に指摘されている。このようなコンダクタンスの違いを克服する方法として、強磁性体と半導体の間にトンネルバリアを挿入する方法が提案されているが、現在のところ依然大きなスピン偏極度は得られていない。

最近、III族を一部Ｍｎで置換したIII-V族希薄磁性半導体が合成できるようになってきたが、これに関しても、キャリアはｐ型で、スピン軌道相互作用の影響を受けスピン緩和が早く、また、強磁性転位温度（キュリー温度Ｔｃ）が室温以下（Ｔｃ＝１１０Ｋ）であるという問題がある。

このような状況の中、スピン偏極した電子の生成と輸送、スピン状態の検出という観点から、Ｓｔｅｒｎ−Ｇｅｒｌａｃｈ効果（以下、ＳＧ効果と呼ぶ）を用いた不均一磁場によるスピンフィルタが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）
図８は、ＳＧ効果を概念的に示す図である。Ｓｔｅｒｎ−Ｇｅｒｌａｃｈ（1922）は、スピン１／２を持った銀（Ａｇ）の原子をオーブン炉からスリットを介して取り出し、この不均一な磁場勾配を通過させる実験を行うことにより、上向きおよび下向きスピンをそれぞれ有する原子ｅ₁およびｅ₂を空間的に分離することに成功した。

尚、非特許文献１においては、このＳＧ効果を用いて、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の一次元または二次元電子ガスと不均一磁場を組み合わせたスピンフィルタが提案されている。
J. Wroebel, T. Dietl, K. Fronc, A. Lusakowski, M. Czeczott, G. Grabecki, R. Hey, and K. H. Ploog, Physica E 10, 91 (2001).

しかしながら、上述したＳＧ効果を用いたスピンフィルタは、半導体チャネルでの電子速度が速く、不均一磁場を通過する相互作用時間が短くなるため上向き、下向きスピンの充分な偏向角度が得られないため、実現するのは不可能であった。

また、磁性体を用いた不均一磁場は、二次元電子ガスに垂直な成分をゼロにすることは困難であり、この磁場の垂直成分は電子に対するローレンツ力として作用するため、スピン上向き、下向きにかかわらず、一定方向に軌道を曲げる効果として働き、ＳＧ効果によるキャリアスピンの空間分離を防げるという問題点があった。

元々、ＳＧ効果の実験は、上述したように電荷ゼロでスピン１／２を持った銀の原子が用いて行われたため、電荷を持った原子あるいは電子のＳＧ効果については、ローレンツ力を受けることからＳＧ効果の検証は困難であることが、予言されてきた。その理由は、ローレンツ力によりスピンの偏向角度に不確定性が生じることによる。その理由は次の通りである。電磁気学によれば、磁場Ｂは、磁荷が存在しないため▽・Ｂ＝０を満たす。

ここで、簡単のため、図８の座標系において、∂Ｂ_ｘ／∂ｘ＝０を仮定すると、ｙ軸方向の磁場勾配∂Ｂ_y／∂ｙがゼロでなければ、キャリアの伝搬方向に垂直なｚ軸方向にもゼロでない磁場勾配∂Ｂ_z／∂ｚ＝−（∂Ｂ_y／∂y）が存在する（この場合、ｚ方向の磁場成分の大きさ|∂Ｂ_z／∂ｚ|は最大となる）。

このｚ軸方向の磁場勾配∂Ｂ_z／∂ｚの存在により、ｚ軸方向に分布した電子は、異なった力を受け、スピン偏向角度に不確定性Δφ_SGが生じることになる。即ち、電荷を持ったキャリアは、ローレンツ力を受けるため、スピン偏向角度に不確定性が生じ、この偏向角度の広がりがＳＧ効果観測の本質的な問題点であることが指摘されている。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、不均一磁場やを用いなくても、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができるスピンフィルタおよびスピン状態分離方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピンフィルタであって、前記キャリアが伝搬する方向に対して垂直な方向に均一磁場を印加する均一磁場印加手段と、前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬する、次式

（ここで、Ｅは伝導帯のバンド端からのエネルギーでフェルミエネルギー、Ｅ _ｇ はエネルギーギャップ、ｇ _０ は自由電子のｇ−因子、Δ _ｓｏ は価電子帯のスピン軌道相互作用による分離エネルギー、２ｐ ^２ _ｃｖ ／ｍ _０ は伝導帯と価電子帯のバンド間マトリクスエレメントである）で与えられるｇ−因子の小さな材料にｇ−因子の大きな材料を挿入した半導体チャネルと、前記半導体チャネルにゲート電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、前記半導体チャネルにかかる有効なゲート電圧を印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様とすることによって、前記半導体チャネルのｇ−因子を、印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とする。

請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記スピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なるゲート絶縁層を挿入し、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする。

請求項３記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記ゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備え、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする。

請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする。

請求項５記載の本発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いたスピン検出用の電極を出力側に有することを特徴とする。

請求項６記載の本発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いたスピン注入用の電極を入力側に有することを特徴とする。

請求項７記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピン状態分離方法であって、前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬させる、次式

（ここで、Ｅは伝導帯のバンド端からのエネルギーでフェルミエネルギー、Ｅ _ｇ はエネルギーギャップ、ｇ _０ は自由電子のｇ−因子、Δ _ｓｏ は価電子帯のスピン軌道相互作用による分離エネルギー、２ｐ ^２ _ｃｖ ／ｍ _０ は伝導帯と価電子帯のバンド間マトリクスエレメントである）で与えられるｇ−因子の小さな材料にｇ−因子の大きな材料を挿入した半導体チャネルに、前記キャリアが伝搬する方向に対して垂直な方向に均一磁場を印加し、前記半導体チャネルにゲート電圧を印加し、前記半導体チャネルにかかる有効なゲート電圧を印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様とすることによって、前記半導体チャネルのｇ−因子を、印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とする。

請求項８記載の本発明は、請求項７記載の発明において、前記半導体チャネルを備えるスピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なるゲート絶縁層を挿入し、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする。

請求項９記載の本発明は、請求項７記載の発明において、前記ゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備え、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする。

請求項１０記載の本発明は、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の発明において、前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする。

請求項１１記載の本発明は、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いた電極を出力側に備えて、前記キャリアのスピン状態を検出することを特徴とする。

請求項１２記載の本発明は、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いた電極を入力側に備えて、スピン偏極したキャリアを注入することを特徴とする。

本発明によれば、半導体チャネルのｇ−因子をゲート電圧により制御可能であるので、ｇ−因子の空間的勾配を利用して、Stern-Gerlach効果を半導体中で実現することができる。

この結果、不均一磁場を用いることなく、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

＜基本的事項＞
まず、本発明を実施する上での前提となる基本的事項について説明する。以下に説明する基本的事項は、本発明の全ての実施形態に共通である。

ｇ−因子は半導体のバンド構造と電子のエネルギーに依存し、次式で与えられている（A. A. Kiselev, E. L. Ivchenko, and U. Rossler, Phys. Rev. B58, 16353(1998)を参照）。

ここで、Ｅは伝導帯のバンド端からのエネルギーでフェルミエネルギーに対応する。またＥｇはエネルギーギャップ、ｇ_oは自由電子のｇ−因子、Δ_soは、価電子帯のスピン軌道相互作用による分離エネルギー、２ｐ² _cv／ｍ_oは伝導帯と価電子帯のバンド間マトリクスエレメントである。したがって、ｇ−因子は物質固有のパラメータと言える。しかしながら最近、半導体のヘテロ構造を用いて、電子波動関数の異なった物質間の存在確率の割合をゲート電圧によって変えることにより、ｇ−因子の値をゲート電圧によって制御可能であることが実験的に検証されている（G.Salis, Y. Kato, K. Ensslin, D. C. Driscoll, A. C. Gossard, and D. D. Awschalom, Nature 414, 619(2001)、H. W. Jiang and E. Yablonovitch, Phys. Rev. B64, R041307(2001)、J. Nitta, Y. Lin, T. Akazaki, and T. Koga, Appl. Phys. Lett. 83,4565(2003)を参照）。

図１は、ＩｎＡｓをＩｎＧａＡｓチャネルに挿入した半導体ヘテロ構造においてコインシデンス法によって求めたｇ−因子のゲート電圧依存性を示している。図１（ａ）は、半導体の各レイヤーを示しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す半導体の厚さ方向に対するポテンシャルエネルギー及び電子の存在確立を示している。図１（ａ）及び図１（ｂ）より、電子はＩｎＡｓチャネルに局在していることがわかる。また、図１（ｃ）によれば、ゲート電圧Ｖｇを増加するにつれ有効ｇ−因子ｇ^＊は減少し、約４から３程度まで変化することが確認できる。これは、ゲート電圧を増加することにより、もともとｇ−因子の大きなＩｎＡｓチャネルに存在していた電子波動関数の存在確率〈Φ_InAs〉が減少するとともに、ｇ−因子の小さなＩｎＧａＡｓ中に存在する割合〈Φ_InGaAs〉が増えることによって、全体のｇ−因子がゲート電圧によって変化したものである。即ち、
ｇ_total（E）＝ｇ_InAs（E）〈Φ_InAs〉＋ｇ_InGaAs（E）〈Φ_InGaAs〉 （２）

である。この結果は、半導体のヘテロ構造をうまく設計することにより、波動関数の染み出し効果をゲート電圧によって制御することによりｇ−因子を電気的に制御することが可能であることを示している。また、この結果は一様な磁場が印加された系において、ゲート電圧によってｇ−因子に空間的な勾配をつければ、Ｚｅｅｍａｎ効果によるスピン分離エネルギーｇμ_BＢが空間的に変化することになる。ここで、ｇはｇ−因子、μ_Bはボーア磁子、Ｂは磁場である。本発明は、このスピン分離エネルギーの空間勾配を利用し、ＳＧ効果によりスピンフィルタを構成したものである。磁場は半導体二次元電子ガスに平行な、均一な磁場を印加すればよい。したがって、本発明においては、図８に示すｚ軸方向の磁場成分は常にゼロとすることが可能であり、ローレンツ力によるキャリアの軌道を曲げる効果を排除できるという特徴がある。

ここで、図８に示すＳＧ効果について説明する。Ｚｅｅｍａｎ効果による、ハミルトニアンは、磁場Ｂ中において次式で与えられる。

Ｈ_z＝ｓｇμ_BＢ （３）
ここで、スピンｓ＝±１／２、ｇはｇ−因子、μ_Bはボーア磁子、Ｂが磁場を表す。このZeemanエネルギーの空間変化は、ポテンシャルの空間変化に対応し電子スピンに対する力を及ぼす。例えば、図８に示す磁場Ｂのｙ軸成分に空間的勾配を与えると

の力を受けるが、ｙ軸方向に対し上向き、下向きスピンはそれぞれ反対方向に力を受け、スピンがこの空間的な磁場勾配の中を伝搬する際、分離が生じる。このＳＧ効果によるスピンの偏向角度φ_SGは以下のように与えられる。

ここで、Δtは、電子スピンが不均一磁場中を伝搬する時間に対応し、ｙ軸方向に運動量Δｐ_yの変化を生じることに対応している。ｐ_ｘは電子スピンのｘ軸方向の運動量成分、Ｆ_ｙ・Δｔは電子スピンがｙ軸方向に受ける力積である。

本発明の要点は、ゲート電圧によって制御可能なｇ−因子に空間的な勾配をもたせ、スピン上向き下向きのエネルギー差Δ＝±（１／２）ｇμ_BＢに空間勾配をもたせることによりスピン上向きキャリアと下向きキャリアに逆向きの力を与え、空間分離させるスピンフィルタを構成することにある。これは、上述したＳＧ効果と対比させて考えると、磁場Ｂの空間勾配の代わりに、ｇ−因子の空間的勾配によりスピン分離エネルギーに空間勾配をもたせたスピンフィルタ機能を実現することに対応する。この場合においては、磁場Ｂの空間勾配が存在しないため、二次元電子化ガスに垂直なｚ軸方向の磁場をゼロにし、ＳＧ効果の妨げとなるローレンツ効果を排除できる。

上述したように、従来の強磁性体が作る磁場勾配を用いたスピンフィルタでは、電子がスピンとともに電荷をもっていることから、二次元電子ガス平面（ｘ−ｙ平面）に垂直な磁場成分によりローレンツ力の影響を受け電子スピンの軌道が曲げられる効果を無視できず、スピンフィルタを構成することが困難であった。

これに対して、本発明では、ゲート電圧によって制御可能なｇ−因子の空間勾配によって形成されるスピンが感じるポテンシャルの勾配をもちいるため、不均一磁場は一切必要としない。したがって、ローレンツ力により電子軌道が曲がる効果は全く無視できるものである。ＳＧ効果との類推により、ｇ−因子に空間的勾配ｇ（ｙ）を与えると、上向き、下向きスピンは、それぞれ反対方向に力を受け、次式のように表せる。

ＳＧ効果と同様にスピンの空間的分離が可能となる。このＳＧ効果に起因したスピンの偏向角度φ_SGは、

で与えられる。ここで、Δｔ＝Ｌ／ｖ_Ｆ、ｐ_ｘ＝ｍ^＊ｖ_Ｆである。尚、Ｌは半導体チャネルの長さ、ｖ_Ｆはフェルミ速度、ｍ^＊は電子の有効質量である。ＩｎＡｓの伝導帯端でのｇ−因子は−１５、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓのｇ−因子は−４であるが、ＩｎとＧａの組成比を連続的に変化させたチャネルを形成することにより、ゲート電圧によるｇ−因子の変化分として｜Δｇ｜＝１０程度まで期待できる。

また、最近では、極めてキャリア濃度の低い二次元電子ガスを形成することが可能になってきており、１×１０¹⁰ｃｍ^-2以下の低濃度が実現されている（Y.Hirayama, K. Muraki, and T. Saku, Appl. Phys. Lett. 72,1745(1998)参照。）。

このような低濃度キャリアによりフェルミ速度ｖ_Fを小さくすることが可能である。例えば、チャネルの幅Ｗを１μｍ、スピン軌道相互作用がｙ軸方向に空間変化している領域をＬ＝３μｍ、キャリア濃度をｎ_s＝１×１０¹⁰ｃｍ^-2、有効質量ｍ^＊＝０．０３とすると、フェルミ速度はｖ_F＝９６７００ｍ／ｓｅｃとなる。均一な外部磁場Ｂｙ＝１Ｔを印加するとして、上の式に代入すると充分な偏向角度φ_SG＝２８．５［ｄｅｇ］が得られる。また、ｇ−因子の空間変化する領域Ｌを長くすることにより、スピンの偏向角度をさらに大きくすることが可能となる。例えば、Ｌ＝１０μｍにするとφ_SG＝６１．２ｄｅｇとなり充分なスピンの偏向角度が得られる。

＜スピンフィルタの装置構成＞
図２は、上述した基本的事項のもとに構成されたスピンフィルタ１の機能構成の概略を示すブロック図である。図２に示すスピンフィルタ１は、キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネル２、半導体チャネルに対して均一な磁場を印加する均一磁場印加部３、半導体チャネル２にゲート電圧を印加するゲート電圧印加部４、印加されたゲート電圧により半導体チャネル２のｇ因子の空間勾配を生成するｇ因子空間勾配生成部５を備えている。

半導体チャネル２は、キャリアの一つの空間次元方向に対する可動領域が他の二つの空間次元方向に対する可動領域に比べて無視できる程度に小さい二次元的な領域を有しており、キャリアはこの領域中で二次元電子ガスとして振舞う（以後、この二次元領域を「二次元電子ガスチャネル」と呼ぶ）。この二次元電子ガスチャネルは、例えば半導体量子井戸構造を形成することによってキャリアを二次元領域に閉じ込めている。このように空間一次元方向に幅の狭い半導体量子井戸構造は、よく知られているように、例えば具体的には、ＧａＡｓの薄膜の両面をＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓで挟んで積層したり、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ薄膜の両面をＩｎＰで挟んで積層したりして構成することができる。

均一磁場印加部３は、例えば、例えば一又は複数の強磁性体を用いて構成される。

ゲート電圧印加部４は、ゲート電極下の半導体チャネル２に有効なゲート電圧を印加するものである。尚、ゲート電極は、トップゲート、バックゲートのいずれであってもよいし、トップゲート及びバックゲートの２つのゲート電極を備えるものであってもよい。

ｇ因子空間勾配生成部５は、本発明の特徴的な部位であり、具体的には、後述するように各態様が考えられる。以下、具体的なスピンフィルタの構成について説明する。

図３（ａ）は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ１０をｚ軸方向から見た概略図であり（上面図）、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。

図３（ｂ）に示すように、スピンフィルタ１０は、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、二次元電子ガスチャネル１４にかかる有効なゲート電圧の勾配が生じるため、ゲート電極１１の下にある二次元電子ガスチャネル１４のｇ−因子はｙ軸方向に空間的に勾配を生じるようになっている。従って、この空間を電子スピンがｘ軸方向に伝搬する間に、スピン上向きキャリアと下向きキャリアは逆方向に力を受け、スピンは空間的に分離する。例えば、ゲート電極１１で覆われた後方にＹ型の分岐を設けておけば、端子Ｔ１には上向きスピン、端子Ｔ２には下向きスピンが流れ込む。尚、図３においては、磁場Ｂはｙ軸方向に均一に印加されている。

ここで、図３に示すように二次元電子ガスチャネル１４の長さをＬ、幅をＷとすると、Ｙ型分岐で１００％スピン偏極した電子を分離するための条件は、
tanφ_SG＞Ｗ／Ｌ
である。例えば、Ｌ＝２μｍとすると、Ｗを１μｍ以下に充分細くすることは可能であり、一例として、φ_SG＝２２ｄｅｇであればＷ＝０．８μｍで上の条件は満たさせる。

尚、スピン検出手段の構成は、上述したＹ型の分岐に限定されるものではなく、分離したスピン状態を図３のｙ軸方向に沿って測定することができるものであれば如何なる構成であってもよい。また、ゲート絶縁層１２は、必ずしも絶縁体である必要はなく、半導体であってもよいものである。

図４は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ２０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ１０においては、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、ｇ−因子に空間的な勾配を持たせていたものを、スピンフィルタ２０においては、ｙ軸方向に複数の異なるゲート電圧を有するゲート電極２１ｉ（ｉ＝ａ，ｂ，…，ｎ；図４においては３つ）を備えることにより、ｇ−因子に空間的な勾配を持たせるようにしたものである。それ以外の構成については、スピンフィルタ１０と同様である。尚、本実施例以降においては、実施例１と異なる構成及び機能のみ説明し、その他の構成及び機能に関しては同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図５は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ３０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ３０は、スピンフィルタ１０又は２０の二次元電子ガスチャネル１４にアンチ・ドットや人工的な不純物を導入し、キャリアである電子スピンの伝搬をドリフト速度に減速し、スピンの緩和長を長く保つようにしたものである。

ここで、半導体チャネル２にアンチ・ドットや人工的な不純物を導入する意義について説明する。

一般的に、ｇ−因子の大きい系では、スピン軌道相互作用も強くなり、スピン緩和によりスピンの情報が長距離に渡って保持されないことが予言されている。しかしながら、最近のＭｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏシミュレーションの手法をもちいた、スピン軌道相互作用のある２次元電子ガス系でスピンの緩和時間の計算によれば、アンチ・ドットなど人工的な弾性散乱体を導入することにより、電子の運動量緩和時間の１０００倍以上までスピン緩和時間が長くなることが示されている。この結果は、スピン緩和機構がＤ’ｙａｋｏｎｏｖ−Ｐｅｒｅｌ’機構に起因する場合、散乱によりスピンの歳差運動が抑えられ、緩和時間が長くなることに起因する。ＩｎＧａＡｓ系二次元電子ガスにおいては、スピン緩和にＤ‘ｙａｋｏｎｏｖ−Ｐｅｒｅｌ’機構が重要な役割を果たしていることを確認しており、チャネルに、人工的なアンチ・ドットや不純物散乱体を導入することによりスピン緩和を長くすることが可能となる（T.Koga, J. Nitta, T. Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 89,46801(2002)参照）。

この場合、散乱体により電子スピンは、ドリフト速度ｖ_dで非一様ｇ−因子領域を伝搬することになる。すると非一様ｇ−因子領域における滞在時間Δtが長くなり、大きな偏向角度φ_SGを得ることができる。また、有効的なｘ軸方向の運動量も〈ｐ_x〉＝ｍ^＊ｖとなり、ｖ_Fをｖ_dで置き換えた偏向角度は次式で与えられる。

これは、式（７）のフェルミ速度ｖ_Fがドリフト速度ｖ_dで置き換わったことになっており、半導体チャネル２を拡散的な系にすることにより、非一様スピン軌道相互作用領域における滞在時間Δtが長くなり、大きな偏向角度φ_SGを得るには、都合が良いことを示している。ちなみ、不純物散乱により電子移動度μが、μ＝１０，０００ｃｍ²／Ｖｓ、ｘ方向に電子を加速するための電界Ｅ＝１Ｖ／ｃｍを印加したとするとドリフト速度ｖ_d＝１００ｍ／ｓｅｃとなり、｜Δg｜＝１，Ｂ_y＝１ｍＴ、Ｌ＝１μｍとしても大きな偏向角度φ_SG＝８６．６ｄｅｇが得られる。ドリフト速度によるキャリアの伝搬が支配的になる場合は、印加する一様磁場の大きさは、１ｍＴ以下でも充分であることが示される。

図６は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ４０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ４０は、スピンフィルタ１０、２０又は３０の出力側の端子Ｔ１及びＴ２に磁性体電極を用いたもので、各磁性体電極のスピンを逆向きにすることにより、一方の端子のみにキャリアが流れるようにしたものである。例えば、図６においては、端子Ｔ１にのみ電流が流れるが、端子Ｔ２には電流は流れない。しかし、各磁性体電極に磁場を印加して、それぞれのスピンの向きを反転させると、今度は、端子Ｔ２に電流が流れ、端子Ｔ１には電流は流れない。

このように、スピンフィルタ４０においては、出力側の磁性体電極を制御することで、端子間の電流を制御することが可能となっている。

図７は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ５０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ５０は、スピンフィルタ１０、２０又は３０の入力側の端子Ｔ０に磁性体電極を用いたもので、端子Ｔ０から注入されたキャリアのスピンの向きにより出力側の端子Ｔ１又はＴ２のいずれか一方の端子のみにキャリアが流れるようにしたものである。例えば、図７においては、端子Ｔ１にのみ電流が流れるが、端子Ｔ２には電流は流れない。しかし、磁性体電極に磁場を印加して、スピンの向きを反転させると、今度は、端子Ｔ２に電流が流れ、端子Ｔ１には電流は流れない。

本発明の実施例について説明してきたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施例に対して種々の変形や変更を施すことができる。例えば、上記実施例においては、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、又は、ｙ軸方向に複数の異なるゲート電圧を有するゲート電極２１ｉを備えることにより、ゲート電極１１の下にある二次元電子ガスチャネル１４のｇ−因子はｙ軸方向に空間的に勾配を生じるが、ｇ−因子の空間的勾配を生成する方法はこれに限定されず、他の方法であってもよい。例えば、二次元電子ガスチャネル１４のｙ軸方向の厚さを不均一にして、ｇ−因子の空間的勾配を生成してもよいものである。

以上、本発明の実施の形態によれば、半導体チャネルのｇ−因子をゲート電圧により制御可能であるので、ｇ−因子の空間的勾配を利用して、ＳＧ効果を半導体中で実現することができる。

この結果、不均一磁場を用いることなく、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができる。

また、半導体チャネルに弾性散乱体を導入することにより、スピンの緩和を充分に長くすることができるので、室温においても動作可能となる。

半導体チャネルのｇ因子とゲート電圧の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るスピンフィルタの機能構成を示すブロック図である。 図１のスピンフィルタの具体的な実施例１を示す図である。 図１のスピンフィルタの具体的な実施例２を示す図である。 図１のスピンフィルタの具体的な実施例３を示す図である。 図１のスピンフィルタの具体的な実施例４を示す図である。 図１のスピンフィルタの具体的な実施例５を示す図である。 Stern-Gerlachの実験を概念的に示す説明図である。

符号の説明

１，１０，２０，３０，４０，５０…スピンフィルタ
２…半導体チャネル
３…均一磁場印加部
４…ゲート電圧印加部
５…ｇ因子空間勾配生成部
１１，２１ｉ…ゲート電極
１２…ゲート絶縁層
１４…二次元電子ガスチャネル

Claims (12)

1. 半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピンフィルタであって、
   前記キャリアが伝搬する方向に対して垂直な方向に均一磁場を印加する均一磁場印加手段と、
   前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬する、次式
   

   

   （ここで、Ｅは伝導帯のバンド端からのエネルギーでフェルミエネルギー、Ｅ _ｇ はエネルギーギャップ、ｇ _０ は自由電子のｇ−因子、Δ _ｓｏ は価電子帯のスピン軌道相互作用による分離エネルギー、２ｐ ^２ _ｃｖ ／ｍ _０ は伝導帯と価電子帯のバンド間マトリクスエレメントである）で与えられるｇ−因子の小さな材料にｇ−因子の大きな材料を挿入した半導体チャネルと、
   前記半導体チャネルにゲート電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、
   前記半導体チャネルにかかる有効なゲート電圧を印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様とすることによって、前記半導体チャネルのｇ−因子を、印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とするスピンフィルタ。
2. 前記スピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なるゲート絶縁層を挿入し、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする請求項１記載のスピンフィルタ。
3. 前記ゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備え、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする請求項１記載のスピンフィルタ。
4. 前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピンフィルタ。
5. 磁性材料を用いたスピン検出用の電極を出力側に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピンフィルタ。
6. 磁性材料を用いたスピン注入用の電極を入力側に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピンフィルタ。
7. 半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピン状態分離方法であって、
   前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬させる、次式
   

   

   （ここで、Ｅは伝導帯のバンド端からのエネルギーでフェルミエネルギー、Ｅ _ｇ はエネルギーギャップ、ｇ _０ は自由電子のｇ−因子、Δ _ｓｏ は価電子帯のスピン軌道相互作用による分離エネルギー、２ｐ ^２ _ｃｖ ／ｍ _０ は伝導帯と価電子帯のバンド間マトリクスエレメントである）で与えられるｇ−因子の小さな材料にｇ−因子の大きな材料を挿入した半導体チャネルに、前記キャリアが伝搬する方向に対して垂直な方向に均一磁場を印加し、
   前記半導体チャネルにゲート電圧を印加し、
   前記半導体チャネルにかかる有効なゲート電圧を印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様とすることによって、前記半導体チャネルのｇ−因子を、印加された磁場方向と同一方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とするスピン状態分離方法。
8. 前記半導体チャネルを備えるスピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なるゲート絶縁層を挿入し、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする請求項７記載のスピン状態分離方法。
9. 前記ゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備え、前記半導体チャネルのｇ−因子に空間勾配をもたせることを特徴とする請求項７記載のスピン状態分離方法。
10. 前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のスピン状態分離方法。
11. 磁性材料を用いた電極を出力側に備えて、前記キャリアのスピン状態を検出することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のスピン状態分離方法。
12. 磁性材料を用いた電極を入力側に備えて、スピン偏極したキャリアを注入することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のスピン状態分離方法。

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