JP4769941B2 - スピン偏極電子発生素子 - Google Patents

Description

本発明は、スピン方向が偏在している偏極電子線を発生するスピン偏極電子発生素子の改良に関する。

スピン方向が２種類のうちの一方に偏在しているスピン偏極電子群から成る偏極電子線は、たとえば、高エネルギ素粒子の実験分野においては素粒子間の相互作用に関する理論の検証実験での次世代型電子線加速器において、また、物性物理の実験分野においては物質表面の磁区構造を探査する装置においてそれぞれ有効な手段として利用されている。この偏極電子線は、価電子帯にバンドスプリッテイングを有する半導体光電層を備えたスピン偏極電子発生素子を用い、その半導体光電層に円偏光レーザ光である励起光を入射させることにより取り出すことが可能である。このスピン偏極電子発生素子としては、たとえばＧａＡｓＰ半導体の上に、それよりもバンドギャップが小さく且つ格子定数が異なるＧａＡｓ半導体を半導体光電層として結晶成長させたストレインド半導体が知られている。これによれば、ＧａＡｓＰ半導体に対して格子定数の異なるＧａＡｓ半導体が結合されることによりそのＧａＡｓ半導体には格子歪みが付与されるため、そのＧａＡｓ半導体の価電子帯にバンドスプリッティングが発生し、ヘビーホール（重い正孔）のミニバンドとライトホール（軽い正孔）のミニバンドとの間にエネルギ準位差が生じる一方、両サブバンドの励起によって取り出される電子のスピン方向が反対であるため、エネルギ準位の高い方すなわち伝導帯とのエネルギギャップが小さい方のミニバンドのみを励起できる光エネルギをＧａＡｓ半導体に注入すれば、一方のスピン方向の偏極電子群が発生し、それを高電場をかけて半導体表面から真空中へ引き出すことにより、高いスピン偏極度を備えた電子線が得られるのである。

たとえば、特許文献１に記載のスピン偏極電子発生素子がそれである。これら従来のスピン偏極電子発生素子では、半導体光電層が量子化されたエネルギ順位を形成する歪み超格子により構成され、比較的高いスピン偏極度（偏極率）ＥＳＰ（％）および量子効率ＱＥが得られるとされている。
特開２０００−９０８１７号公報

ところで、上記従来のスピン偏極電子発生素子では、スピン偏極度ＥＳＰについては確かに８０％程度以上の値、たとえば９０％強の高い値が得られる。しかしながら、量子効率については、高い量子効率ＱＥが得られるとは言っても、せいぜい１％以下の値、通常は０．３％程度の量子効率ＱＥが得られるに過ぎないものであった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、一層高い量子効率が得られるスピン偏極電子発生素子を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、従来のスピン偏極電子発生素子では、基板上においてバッファ層を介して成長させた半導体光電層においては、基板と同様の格子定数を有する第１半導体層とバッファ層と同様の格子定数を構成する第２半導体層とが交互に位置させられていることから、バッファ層から離れるほど歪みが蓄積されて大きくなることに起因して結晶性が劣化することが一因であるという推定をした。また、上記バッファ層は、第２半導体層の格子定数を備え、半導体光電層を構成する層よりも大きな厚みを備えていることから、基板との格子定数差に起因して、格子欠陥が発生することも一因であると推定した。そして、本発明者等は、バッファ層の格子定数を、第１半導体層の格子定数と第２半導体層の格子定数との間の値とするとともに、バッファ層を、基板の格子定数またはそれに近い値から段階的に順次変化する格子定数をそれぞれ備えた複数のグレーディドバッファ層から構成したスピン偏極電子発生素子を試作したところ、その表面観察においては従来の半導体表面に存在していたクロスハッチ状の格子欠陥のない滑らかな面が得られ、結晶性が大幅に改善されることを見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、前記目的を達成するための請求項１に係る発明の要旨とするところは、半導体基板と、その半導体基板の一面から結晶成長させられたバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互にそのバッファ層の上に複数対成長させられることにより構成されて価電子帯にバンドスプリッティングを有する半導体光電層とを備え、その半導体光電層に励起光が入射されることによりその半導体光電層からスピン方向が偏在しているスピン偏極電子を発生するスピン偏極電子発生素子であって、前記バッファ層の格子定数は、前記第１半導体層の格子定数と前記第２半導体層の格子定数との間の値を有していることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、請求項１に係る発明において、前記バッファ層の格子定数をα_buffer、前記第１半導体層の格子定数をα₁ 、前記第２半導体層の格子定数をα₂ としたとき、式(1) を満足することを特徴とする。

α_buffer＝α₁ ＋（１／２）（１＋ｋ₁ ）・（α₂ −α₁ ） ・・(1)
但し、ｋ₁ は範囲を設定する定数であり、−１≦ｋ₁ ≦１である。

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、請求項１または２に係る発明において、前記半導体光電層は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層と前記第２半導体層としてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることにより厚み方向に複数の井戸型ポテンシャルを有する超格子構造によるミニバンドが形成された歪み超格子層から構成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至３のいずれかに係る発明において、前記バッファ層と前記基板との間には、その基板の格子定数からそのバッファ層の格子定数へ段階的または連続的に変化する格子定数を備えた１または２以上のグレーディドバッファ層が設けられていることを特徴とする。

また、前記目的を達成するための請求項５に係る発明の要旨とするところは、半導体基板と、該半導体基板の一面に結晶成長させられたバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互に該バッファ層の上に複数対成長させられることにより構成されて価電子帯にバンドスプリッティングを有する半導体光電層とを備え、その半導体光電層に励起光が入射されることにより該半導体光電層からスピン方向が偏在しているスピン偏極電子を発生するスピン偏極電子発生素子であって、前記バッファ層は、前記基板から成長させられ、該基板との格子定数差が小さい状態から大きくなるように段階的に順次変化する格子定数をそれぞれ備えた複数のグレーディドバッファ層を含むことを特徴とする。

請求項１に係る発明のスピン偏極電子発生素子によれば、半導体基板の一面において、バッファ層の格子定数が、その上に成長させられた半導体光電層を構成する前記第１半導体層の格子定数と前記第２半導体層の格子定数との間の値とされていることから、それら第１半導体層および第２半導体層における引張および圧縮が交互になり、歪みが蓄積され難くなって格子欠陥の発生が減少するので、高い量子効率が得られる。また、その格子欠陥の発生の減少に関連して半導体光電層を構成する第１半導体層および第２半導体層の積層回数を増加させることができるので、一層高い量子効率が得られる。

また、請求項２に係る発明のスピン偏極電子発生素子によれば、前記バッファ層の格子定数をα_buffer、前記第１半導体層の格子定数をα₁ 、前記第２半導体層の格子定数をα₂ としたとき、式(1) を満足することから、バッファ層の格子定数α_bufferは第１半導体層の格子定数α₁ と第２半導体層の格子定数α₂ との間の値となるので、それら第１半導体層および第２半導体層における引張および圧縮が交互になり、歪みが蓄積され難くなって格子欠陥の発生が減少するので、高い量子効率が得られる。

また、請求項３に係る発明のスピン偏極電子発生素子によれば、前記半導体光電層は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層と前記第２半導体層としてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることにより厚み方向に複数の井戸型ポテンシャルを有する超格子構造によるミニバンドが形成された歪み超格子層から構成されていることから、一層高い量子効率が得られる。

また、請求項４に係る発明のスピン偏極電子発生素子によれば、前記バッファ層と前記基板との間には、その基板の格子定数からそのバッファ層の格子定数へ段階的または連続的に変化する格子定数を備えた１または２以上のグレーディドバッファ層が設けられていることから、基板側の下側半導体層の格子欠陥が半導体光電層側へ引き継がれることが抑制されるので、半導体光電層を構成する第１半導体層および第２半導体層における格子欠陥の発生が減少させられ、一層高い量子効率が得られる。

また、前記目的を達成するための請求項５に係る発明のスピン偏極電子発生素子によれば、半導体光電層を構成する第１半導体層および第２半導体層が交互い積層されるバッファ層は、基板から成長させられ、その基板との格子定数差が小さい状態から段階的に順次変化する格子定数をそれぞれ備えた複数のグレーディドバッファ層を含むことから、基板側の下側半導体の格子欠陥が半導体光電層側へ引き継がれることが抑制されるので、半導体光電層を構成する第１半導体層および第２半導体層における格子欠陥の発生が減少させられ、高い量子効率が得られる。

ここで、理想的には、前記バッファ層の格子定数α_bufferはｋ₁ ＝１であるときの(1) 式において表される値、或いはｋ₂ ＝０であるときの(2) 式において表された値がよい。しかし、実際にはばらつきが存在してそのような理想値を実現するのは実用上困難であることから、所期の効果が得られる範囲で、その理想値に近い値が用いられる。好適には、前記バッファ層の格子定数α_bufferは、前記第１半導体層の厚みｔ₁ 、前記第２半導体層の厚みｔ₂ を考慮した式(2) を満足することを特徴とする。

α_buffer＝（α₁ ｔ₁ ＋α₂ ｔ₂ ）／（ｋ₂ ＋１）（ｔ₁ ＋ｔ₂ ） ・・(2)
但し、範囲を示す定数ｋ₂ は、−０．３３≦ｋ₂ ≦１．０、好適には−０．２５≦ｋ₂ ≦０．５、さらに好適には−０．１≦ｋ₂ ≦０．１を満足する値である。

上記のようにすれば、バッファ層の格子定数をα_bufferは、第１半導体層の格子定数α₁ および第２半導体層の格子定数α₂ の平均値の０．５倍乃至１．５倍の範囲内、好適には０．６７倍乃至１．３３倍の範囲内、さらに好適には０．９倍乃至１．１倍の範囲内となるので、半導体光電層を構成する第１半導体層および第２半導体層に歪みが蓄積され難くなって格子欠陥の発生が減少して高い量子効率が得られるとともに、その格子欠陥の減少によって第１半導体層および第２半導体層の積層回数を増加させることができ、一層高い量子効率が得られる。

また、好適には、前記半導体光電層は、数ｎｍ（数十オングストローム）たとえば３〜５ｎｍ（３０〜５０オングストローム）の厚みの第１半導体層および第２半導体層が十数対乃至数十対積層されたものである。このようにすれば、偏極電子線量が増加して高い量子効率が得られる。

前記バッファ層および半導体光電層は、例えば、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Phase Epitaxy：有機金属化学気相エピタキシー）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属化学気相成長）法、或いは分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy）法等のよく知られた結晶成長技術を用いて、前記半導体基板の一面から結晶成長させられる。

前記半導体光電層を構成する多数対の第１半導体層および第２半導体層は、好適には、互いに格子定数が異なる多数対のIII-V 族化合物半導体層から構成される。このIII-V 族化合物半導体層の対は、たとえばＧａＡｓ層およびＧａＡｓＰ層から構成される。

また、好適には、前記半導体光電層は半導体基板からバッファ層を介して結晶成長させられたものであって、それら半導体基板、バッファ層、半導体光電層は、同じｐ型の不純物がそれぞれ注入されたものである。このようにすれば、一層、偏極電子を取り出しやすくなる。

また、好適には、前記半導体光電層の上には、それを保護するためのバッシベーション膜すなわち高ドープ層或いはキャップ層が結晶成長により形成されており、そのバッシベーション膜にも前記ｐ型ドーパントが半導体光電層よりも高濃度でドーピングされたものである。このようにすれば、表面を負の電子親和力状態にすることが容易となり、一層、偏極電子を取り出しやすくなる。

また、好適には、前記半導体光電層の上には、偏極電子が真空中に飛び出ることを容易とするために、上記キャップ層の上に、セシウムと酸素またはＮＦ₃ とを付加させることによって一原子層の厚さの電気二重層ポテンシャルを発生させ、電子親和度を負とするための電子親和性表面処理が施される。このようにすれば、一層高い量子効率が得られる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の偏極電子線発生素子１０の構成を示す図である。図において、偏極電子線発生素子１０は、例えばＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Phase Epitaxy：有機金属化学気相エピタキシー）法等のよく知られた結晶成長技術によって、基板１２上に順次結晶成長させられたＧａＡｓバッファ層１３、グレーティッドバッファ層１４、バッファ層１５、半導体光電層１６、キャップ層１８から構成されている。

上記の基板１２は、例えば３５０μm 程度の厚さのｐ−ＧａＡｓの単結晶から成る化合物半導体であり、ｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物としてドープされることによってキャリア濃度が１×10¹⁸ (cm^-3) 程度とされている。ＧａＡｓバッファ層１３は、同様にｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物としてドープされたＧａＡｓから成り、たとえば２００ｎｍ程度の厚みで基板１２上に同じ半導体物質で成長させられたものである。

グレーティッドバッファ層１４は、上記同様にｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物としてドープされたＧａＡｓ_y Ｐ_1-y から成り、Ｐの混晶比（１−ｙ）が０．０４、０．０８、０．１２、０．１６の４段階で順次増加されることによって格子定数が順次減少させられた４層のグレーティッドバッファ層１４ａ乃至１４ｄから構成されている。それらグレーティッドバッファ層１４ａ乃至１４ｄは、たとえば２００ｎｍ程度の同じ厚みとなるように結晶成長させられている。そのグレーティッドバッファ層１４ｄの上には、その厚みの６倍程度の厚みすなわち１．２μｍ程度の厚みを備え、上記同様にｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物としてドープされたバッファ層１５が成長させられている。このバッファ層１５は、Ｐの混晶比ｙが０．１９とされたＧａＡｓ_0.81Ｐ_0.19から成り、格子定数がグレーティッドバッファ層１４ｄよりもさらに小さくされている。このＧａＡｓＰバッファ層１５は、前記半導体光電層１６が成長させられる層であり、エネルギギャップＥo が隣接する半導体光電層１６よりも大きくされている。

上記半導体光電層１６は、例えば４ｎｍ程度の厚さであるｐ−ＧａＡｓの単結晶から成る化合物半導体であってｐ型のドーパントであるＺｎが不純物としてドープされることによってキャリア濃度が５×10¹⁸ (cm ^-3)程度とされた第１半導体層１６a と、たとえば４ｎｍ程度の厚さであってＰの混晶比ｙが０．３８であるｐ−ＧａＡｓ_0.62Ｐ_0.38の単結晶から成る化合物半導体であってｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物としてドープされることによってキャリア濃度が５×10¹⁸ (cm ^-3)程度とされた第２半導体層１６b との対が、その第１半導体層１６a がバッファ層１４側に位置する状態でたとえば１２対乃至３６対分だけ順次積層されることにより構成されている。上記のように、４ｎｍ程度の極めて薄い第２半導体層１６b および第１半導体層１６a がバッファ層１４の上に成長させられると、図２に示すように厚み方向に複数の井戸型ポテンシャルを有する超格子構造のミニバンドが形成される。また、それらバッファ層１４、第１半導体層１６a 、および第２半導体層１６b の相互の格子定数差に起因して、図１の矢印に示すように第１半導体層１６a には圧縮方向の歪みが、第２半導体層１６b には引張方向の歪みが発生し、その歪みにより価電子帯にバンドスプリッティングが発生させられることから、上記半導体光電層１６は歪超格子層とも称される。なお、この半導体光電層１６では、圧縮方向の歪みと引張方向の歪みとが順番でなくてもよく、片方の方向に、どちらの方向であっても歪みがかかっていればよい。

本実施例では、上記第１半導体層１６a と第２半導体層１６b との格子定数差に起因して発生する歪みの蓄積を減少させるために、上記バッファ層１５の格子定数をα_buffer、第１半導体層１６a の格子定数および厚みをα₁ およびｔ₁ 、第２半導体層１６b の格子定数および厚みをα₂ およびｔ₂ 、範囲設定定数をｋとしたとき、それら格子定数α_buffer、α₁ 、ｔ₁ 、α₂ 、ｔ₂ は前記式(1) 或いは式(2) を満足する範囲内となるように設定されている。ｔ₁ ＝ｔ₂ であると仮定すると、理想的には、バッファ層１５の格子定数α_bufferはｋ₁ ＝１であるときの(1) 式において表される値、或いはｋ₂ ＝０であるときの(2) 式において表された値、すなわち(3) 式に示される値がよい。しかし、実際にはばらつきが存在してそのような理想値を実現するのは実用上困難であるので、バッファ層１５の格子定数α_bufferとして式(1) 或いは式(2) で示される範囲内の値が用いられる。

α_buffer＝（α₁+α₂)／２ ・・・(3)

前記キャップ層１８は、例えば５ｎｍ程度の厚さのｐ−ＧａＡｓの単結晶から成る化合物半導体であってｐ型のドーパントであるＺｎ（亜鉛）が不純物として相対的に高い濃度でドープされることによってキャリア濃度が２×10¹⁹ (cm^-3) 程度とされている。このキャップ層１８は、上記バッファ層１５や半導体光電層１６よりもキャリア濃度が高められることにより伝導帯のバンドべンディングを発生させて表面の電子親和度を低くし、その半導体光電層１６で発生した偏極電子線を真空中に取り出し易くする機能を備えている。

さらに偏極電子線を真空中に取り出し易くするために、上記キャップ層１８の上に、セシウムと酸素またはＮＦ₃ とを付加させることによって一原子層のきわめて薄い厚さの電気二重層ポテンシャルを発生させ、電子親和度を負とするための電子親和性表面処理が施される。

上記のように構成された半導体光電層１６では、歪超格子から構成されているので、図２に示すようなエネルギ準位を備えている。図２は、予め解析され且つ一般式化されたモデル計算式から各層を構成する物質、その混晶比ｘおよびｙ、厚みに基づいて算出されたエネルギ準位の一部である。すなわち、バッファ層１５では、そのバンドギャップＥo(GaAsP)が比較的大きい値たとえば１６５７meV （ミリエレクトロンボルト）であるのに対し、それに隣接する半導体光電層１６では、４ｎｍ程度の極めて薄い第１半導体層１６a および第２半導体層１６b が交互に積層されて相互にヘテロ結合されていることから、層厚みが電子波の波長程度以下すなわち１０ｎｍ程度以下となるときに発生する量子サイズ効果によって厚み方向に複数の井戸型ポテンシャルを有する量子化された超格子構造のミニバンドが形成されるとともに、それら第１半導体層１６a および第２半導体層１６b のバッファ層１５に対する格子定数差に起因する歪みにより、重い正孔ミニバンドと軽い正孔ミニバンドとが、それらの間のバンドギャップδs が１１３ meV（ミリエレクトロンボルト）という値で価電子帯が分離させられるバンドスプリッティングが発生させられている。その重い正孔ミニバンドと軽い正孔ミニバンドとの間のバンドギャップδs は、超格子構造ではない歪ＧａＡｓの場合のバンドギャップδs が３０meV であるのに対して、大幅に増加させられている。

上記のように重い正孔ミニバンドと軽い正孔ミニバンドとの間のバンドギャップδs が大きくなると、価電子帯の重い正孔ミニバンドと伝導帯との間のバンドギャップＥth（＝１５３９meV ）と、価電子帯の軽い正孔ミニバンドと伝導帯との間のバンドギャップ［（Ｅth＋δs ）＝１６５２meV ］との差が大きくなることから、価電子帯の重い正孔ミニバンドに存在するスピン方向が偏在した偏極電子のみを伝導帯へ励起できる波長帯が大きくなるため、高いスピン偏極度ＥＳＰおよび広い励起波長帯が得られる。

以上のように構成される偏極電子線発生素子１０は、例えば、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（AsH₃）、およびホスフィン（PH₃ ）、ｐ型のドーパントガスとしてジエチル亜鉛（ＤＥＺ）を用い、ＭＯＶＰＥ装置によってたとえば６５０℃の成長温度下の１２００ｎｍ／ｈの成長速度で基板１２上にＧａＡｓバッファ層１３、グレーティッドバッファ層１４、バッファ層１５、半導体光電層１６、キャップ層１８を順次結晶成長させることにより製造される。この結晶成長の過程において、各層の組成に応じて結晶成長装置内に導入される原料ガスの種類および量比が適宜変更されると共に、各層の極性およびキャリア濃度に応じてドーパントガスの種類および量比が適宜変更されることによって、図１に示されるように層毎に組成およびキャリア濃度の異なるエピタキシャル層が得られることとなる。

図３は、上記のようにして構成された図１の偏極電子線発生素子１０では、グレーティッドバッファ層１４が基板１２とバッファ層１５との間に介在させられていてバッファ層１５から半導体光電層１６への格子欠陥の伝播が少なくされ、また、半導体光電層１６では、バッファ層１５の格子定数α_buffer、第１半導体層１６a の格子定数α₁ 、第２半導体層１６b の格子定数α₂ は、式(1) を満足する範囲内となるように設定されているので、半導体光電層１６における格子欠陥の発生が大幅に抑制されている。図３および図４は、バッファ層１５がなく且つ半導体光電層１６における格子定数が式(1) を満足しない従来の偏極電子線発生素子の表面、および本実施例の偏極電子線発生素子１０の表面を撮影した１４００倍の光学顕微鏡写真をそれぞれ撮影した光学顕微鏡写真を示している。図３に示すように従来構造の偏極電子線発生素子では、歪みに起因する格子欠陥を示すクロスハッチ模様が見られるのに対し、図４に示すように本実施例の偏極電子線発生素子１０では、上記のようなクロスハッチ模様がほとんど見られず、結晶性が格段に改善されていることが示されている。

図５は、５１４．５ｎｍの波長のアルゴンレーザ光を２００ｍＷの励起光として照射したとき試料から放射される光のスペクトルすなわちＰＬ（ホトルミネッセンス）スペクトルを、分光器を用いて測定した結果を示している。このＰＬスペクトルでは、主として量子井戸層の格子構造すなわち価電子帯と伝導帯との間のエネルギギャップに対応した波長の発光ピークが得られる。図５に示すように、たとえば半導体光電層が１２対の第１半導体層および第２半導体層から成る、従来の偏極電子線発生素子と本実施例の偏極電子線発生素子１０とを比較した場合、本実施例の偏極電子線発生素子１０では従来の偏極電子線発生素子に比較して発光ピークが大きく、相対的に格子が整っていることおよび欠陥が少ないことがそれぞれ示されている。なお、従来の偏極電子線発生素子では、図３に示されるように格子欠陥が多く、３６対の第１半導体層および第２半導体層から成る半導体光電層を積層することができなかったので、比較データを得ることが不可能であった。

図６は、Ｘ線回折の測定結果を、従来の偏極電子線発生素子の回折強度を下段に、本実施例の偏極電子線発生素子１０の回折強度を上段にそれぞれ示している。図６の横軸は回折角２θ（度）を、縦軸は回折Ｘ線強度を示している。偏極電子線発生素子の半導体光電層を構成する歪超格子層に対応して表れるピークは、下段に示す従来の偏極電子線発生素子では不明確であるのに対し、上段における本実施例の偏極電子線発生素子１０では明確に周期性よく表れている。このように回折Ｘ線のピークが明確な周期性を示すのは、きれいな歪み超格子構造が形成されていることを示し、高い偏極度が得られることを示している。

図７は、半導体光電層が１２対の第１半導体層および第２半導体層から成る、従来の偏極電子線発生素子と本実施例の偏極電子線発生素子１０とを試料として用い、図１示すように、真空容器中で２０ＫＶの高加速電圧を５．３４ｍｍのギャップ間で印加した状態で、可変波長レーザ（チューナブルレーザ）Ｌを用いて試料表面に照射する励起レーザ光（ＣＷの円偏光）の波長を変えていったときに表面から引き出された偏極電子Ｅの量子効率ＱＥ（％）をそれぞれ示している。量子効率ＱＥは、偏極電子線発生素子１０から引き出した電子数を入射した光子数で割った値であり、引き出した電流をＩ（μＡ）、照射レーザ光のパワーをＰ（ｍＷ）、照射レーザ光の波長をλ（ｎｍ）とすると、式：ＱＥ＝１．２４×Ｉ／Ｐλにより表される。図７において、□印は従来の偏極電子線発生素子の量子効率ＱＥを示し、○印は本実施例の偏極電子線発生素子１０の量子効率ＱＥを示している。図７に示されるように、従来の偏極電子線発生素子の量子効率ＱＥは１．５％以下であったが、本実施例の偏極電子線発生素子１０の量子効率ＱＥはその倍以上の値を示している。なお、上記本実施例の偏極電子線発生素子１０では、半導体光電層１６が歪み超光子によって構成されることにより８０％程度以上の高いスピン偏極度ＥＳＰが得られる。

上述のように、本実施例の偏極電子線発生素子１０によれば、半導体基板１２の一面において、バッファ層１５の格子定数α_bufferが、その上に成長させられた半導体光電層１６を構成する第１半導体層１６ａの格子定数α₁ と第２半導体層１６ｂの格子定数α₂ との間の値とされていることから、それら第１半導体層１６ａおよび第２半導体層１６ｂにおける引張および圧縮が交互になり、歪みが蓄積され難くなって格子欠陥の発生が減少するので高い量子効率ＱＥが得られるとともに、その格子欠陥の発生が減少に伴って半導体光電層１６を構成する第１半導体層１６ａおよび第２半導体層１６ｂの積層回数を増加させることができ、一層高い量子効率ＱＥが得られる。

また、本実施例の偏極電子線発生素子１０によれば、バッファ層１５の格子定数をα_bufferは、前記第１半導体層１６ａの格子定数をα₁ 、第２半導体層１６ｂの格子定数をα₂ としたとき、式(1) を満足するものであることから、バッファ層１５の格子定数α_bufferは第１半導体層１６ａの格子定数α₁ と第２半導体層１６ｂの格子定数α₂ との間の値となるので、それら第１半導体層１６ａおよび第２半導体層１６ｂにおける引張および圧縮が交互になり、歪みが蓄積され難くなって格子欠陥の発生が減少するので、高い量子効率が得られる。

また、本実施例の偏極電子線発生素子１０によれば、半導体光電層１６は第１半導体層１６ａと第２半導体層１６ｂとが交互に積層されることにより厚み方向に複数の井戸型ポテンシャルを有する超格子構造によるミニバンドが形成された歪み超格子層から構成されていることから、一層高い量子効率ＱＥが得られる。

また、本実施例の偏極電子線発生素子１０によれば、バッファ層１５と半導体基板１２との間には、その基板１２の格子定数に近い値からそのバッファ層１５の格子定数に近い値へ複数段階に順次変化する格子定数をそれぞれ備えた複数のグレーディドバッファ層１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられていることから、半導体基板１２側の下側の半導体層の格子欠陥が半導体光電層１６側へ引き継がれることが抑制されるので、半導体光電層１６を構成する第１半導体層１６ａおよび第２半導体層１６ｂにおける格子欠陥の発生が減少させられ、一層高い量子効率ＱＥが得られる。

また、本実施例の偏極電子線発生素子１０によれば、バッファ層１５は、複数層のグレーディドバッファ層１４ａ乃至１４ｄの上に成長させられ、その複数層のグレーディドバッファ層１４ａ乃至１４ｄよりも大きい厚みを有するものであることから、半導体基板１２側の格子欠陥が半導体光電層１６側へ引き継がれることが抑制され、また上記バッファ層１５の格子定数α_bufferがその上に成長させられた半導体光電層１６を構成する第１半導体層１６ａの格子定数α₁ と第２半導体層１６ｂの格子定数α₂ との間の値とされるので、それら第１半導体層１６ａおよび第２半導体層１６ｂに歪みが蓄積され難くなって格子欠陥の発生が減少し、高い量子効率ＱＥが得られる。

以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施される。

例えば、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０では、半導体基板１２とバッファ層１５との間に４層のグレーディドバッファ層１４ａ乃至１４ｄが設けられていたが、層の数は必要に応じて適宜変更され得るものである。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０では、格子欠陥を抑制するために、バッファ層１５の格子定数α_bufferが、その上に成長させられた半導体光電層１６を構成する第１半導体層１６ａの格子定数α₁ と第２半導体層１６ｂの格子定数α₂ との間の値とされているとともに、半導体基板１２とバッファ層１５との間に４層のグレーディドバッファ層１４ａ乃至１４ｄが設けられていたが、いずれか一方の対策だけが備えられているものであってもよい。

また、前述の実施例においては、偏極電子線発生素子１０では、ｐ型不純物がドーピングされることにより、基板１２、バッファ層１５、半導体光電層１６、キャップ層１８がそれぞれｐ型半導体とされていたが、そのドーピング濃度は必要に応じて適宜変更されてもよく、また、そのようなｐ型不純物のドーピングが行われていなくても差し支えない。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０は、キャップ層１８を備えるとともにその表面には電子親和性表面処理が施されたものであったが、半導体光電層１６の保護や量子効率ＱＥをそれほど必要としない等の場合には、必ずしも設けられていなくてもよい。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０において、キャップ層１８側から入射し且つ半導体光電層１６を通過する励起用円偏光レーザ光をその半導体光電層１６側へ反射するための反射層が、基板１２とその半導体光電層１６との間に設けられてもよい。この反射層は、好適には、ブラッグ反射の原理を用いて光を反射するように構成された半導体多層膜（ＤＢＲ）から構成されるとともに、励起用レーザ光を共振させる光共振器を光入射面との間で形成する。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０において、基板１２、グレーティッドバッファ層１４、バッファ層１５乃至キャップ層１８の各々の厚さ、格子定数は適宜変更され得る。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０において、第１半導体層１６a および第２半導体層１６b の厚みは、４ｎｍ程度とされていたが、量子サイズ効果を発生するための条件すなわち電子波の波長程度以下の層厚みであればよい。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０に備えられた半導体光電層１６を構成する第１半導体層１６a および第２半導体層１６b の厚みは、４ｎｍ程度と同じ厚み度とされていたが、相互に異なる厚みであってもよい。

また、前述の実施例の偏極電子線発生素子１０は、その表面に励起レーザ光を受けてその表面から偏極電子線を放出するものであったが、その裏面に励起レーザ光を受けてその表面から偏極電子線を放出するものであってもよい。この場合には、半導体基板１２、グレーティッドバッファ層１４、およびバッファ層１５には、励起レーザ光を吸収しない材質が選択されたり、励起レーザ光を半導体光電層１６へ導くための穴が設けられる。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

本発明の一実施例の偏極電子線発生素子の構成の要部を模式的に示す概念図である。 図１の偏極電子線発生素子の半導体光電層に形成されるミニバンド構造を説明する図である。 従来の偏極電子線発生素子の表面を拡大して撮影した光学顕微鏡写真を示す図である。 図１の実施例の偏極電子線発生素子の表面を拡大して撮影した光学顕微鏡写真を示す図である。 従来の偏極電子線発生素子および図１の実施例の偏極電子線発生素子について測定したＰＬスペクトルを示す図である。 従来の偏極電子線発生素子および図１の実施例の偏極電子線発生素子について測定したＸ線回折特性を示す図である。 従来の偏極電子線発生素子および図１の実施例の偏極電子線発生素子について測定した、励起レーザ光の波長λと量子効率ＱＥとの関係を示す図である。

符号の説明

１０：偏極電子線発生素子
１４：グレーティッドバッファ層
１５：バッファ層
１６：半導体光電層
１６a ：第１半導体層
１６b ：第２半導体層

Claims (5)

1. 半導体基板と、該半導体基板の一面に結晶成長させられ該半導体基板とは異なる格子定数を有するバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互に該バッファ層の上に複数対成長させられることにより構成されて価電子帯にバンドスプリッティングを有する半導体光電層とを備え、該半導体光電層に励起光が入射されることにより該半導体光電層からスピン方向が偏在しているスピン偏極電子を発生するスピン偏極電子発生素子であって、
   前記バッファ層の格子定数は、前記第１半導体層の格子定数と前記第２半導体層の格子定数との間の値を有していることを特徴とするスピン偏極電子発生素子。
2. 前記バッファ層の格子定数をα_buffer、前記第１半導体層の格子定数をα₁ 、前記第２半導体層の格子定数をα₂ としたとき、次式を満足することを特徴とする請求項１のスピン偏極電子発生素子。
   α_buffer＝α₁ ＋（１／２）（１＋ｋ）・（α₂ −α₁ ）
   但し、ｋは範囲を設定する定数であり、−１≦ｋ≦１である。
3. 前記半導体光電層は、前記第１半導体層としてのＧａＡｓ層と前記第２半導体層としてのＧａＡｓＰ層とが交互に積層されることにより厚み方向に複数の井戸型ポテンシャルを有する超格子構造によるミニバンドが形成された歪み超格子層から構成されていることを特徴とする請求項１または２のスピン偏極電子発生素子。
4. 前記バッファ層と前記基板との間には、該基板の格子定数から該バッファ層の格子定数へ段階的または連続的に変化する格子定数を備えた１または２以上のグレーディドバッファ層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかのスピン偏極電子発生素子。
5. 半導体基板と、該半導体基板の一面に結晶成長させられたバッファ層と、格子定数が互いに相違し且つ互いに隣接する第１半導体層および第２半導体層が交互に該バッファ層の上に複数対成長させられることにより構成されて価電子帯にバンドスプリッティングを有する半導体光電層とを備え、該半導体光電層に励起光が入射されることにより該半導体光電層からスピン方向が偏在しているスピン偏極電子を発生するスピン偏極電子発生素子であって、
   前記バッファ層は、前記基板から成長させられ、該基板の格子定数差が小さい状態から大きくなるように段階的に順次変化する格子定数をそれぞれ備えた複数のグレーディドバッファ層を含むことを特徴とするスピン偏極電子発生素子。
   

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