JP5198384B2

JP5198384B2 - 半導体積層構造

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Publication number: JP5198384B2
Application number: JP2009189202A
Authority: JP
Inventors: 誠好田; 淳作新田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-08-18
Also published as: JP2011040677A

Description

本発明は、半導体積層構造に関し、特に、スピン軌道相互作用をスピン偏極した電子に及ぼす半導体積層構造に関する。

スピンを用いたスピンエレクトロニクスはその実用化が期待されている。スピンエレクトロニクスの分野において、例えば非特許文献１では、スピン軌道相互作用に起因する有効磁場を活用したスピン電界効果トランジスタが提案されている。また、例えば非特許文献２では、スピン軌道相互作用を用いスピン偏極した電子を選別するスピンフィルタが提案されている。スピン軌道相互作用を増大させる方法として、非特許文献３には、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｓとの界面におけるスピン軌道相互作用を用いることが記載されている。非特許文献４には、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの界面におけるスピン軌道相互作用を用いることが記載されている。

APPl. Phys. Lett. 56, pp665-667 (1990) Phys. Rev. B 72, 041308(R) (2005) Phys. Rev. Lett. Vol. 84, No. 26 pp6074-6077 (2000) Phys. Rev. B 71, 045328 (2005)

しかしながら、非特許文献３および非特許文献４では、半導体界面における伝導帯の不連続エネルギおよび価電子帯の不連続エネルギが十分考慮されていない。よって、十分なスピン軌道相互作用が得られていない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、スピン軌道相互作用を増大させることが可能な半導体積層構造を提供することを目的とする。

本発明は、第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられ、前記第１半導体層よりバンドギャップが小さく、伝導帯のエネルギが前記第１半導体層の伝導帯のエネルギより小さく、価電子帯のエネルギが前記第１半導体層の価電子帯のエネルギより大きい第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に形成され、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場が生じる第１界面と、前記第１半導体層と前記第２半導体層とを挟み、前記第１界面にスピン偏極した電子を閉じ込め、伝導帯のエネルギが前記第１半導体層および前記第２半導体層の伝導帯のエネルギより大きい２つの障壁層と、を具備し、前記第１半導体層および前記第２半導体層の少なくとも一方の全てが４元以上の化合物半導体層であり、前記第１界面の伝導帯の不連続エネルギは前記第１界面の価電子帯の不連続エネルギより小さく、前記２つの障壁層のいずれか一方は前記第１半導体層に接している半導体積層構造である。本発明によれば、第１半導体層および第２半導体層の少なくとも一方を４元以上の化合物半導体層とすることにより、第１界面の伝導帯の不連続エネルギを第１界面の価電子帯の不連続エネルギより小さく設定することができる。よって、第１界面におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を大きくすることができ、かつ第１界面における電子分布を大きくすることができる。これにより、スピン軌道相互作用を増大させることができる。

上記構成において、前記第１半導体層はＩｎＧａＡｓＰ層であり、前記第２半導体層はＩｎＧａＡｓ層である構成とすることができる。この構成によれば、第１半導体層と第２半導体層とを格子整合に近い状態にすることができる。

上記構成において、前記第１半導体層はＩｎＧａＡｓＰ層であり、前記第２半導体層はＩｎＧａＡｓ層であり、前記障壁層はＩｎＡｌＡｓである構成とすることができる。これにより、第１半導体層と第２半導体層と障壁層とを格子整合に近い状態にすることができる。

上記構成において、前記第１半導体層は（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_Ｘ（ＩｎＰ）_{（１−Ｘ）}である構成とすることができる。この構成によれば、第１半導体層をＩｎＰに格子整合させることができる。

上記構成において、前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有し、伝導帯のエネルギが前記第２半導体層の伝導帯のエネルギより大きく、価電子帯のエネルギが前記第２半導体層の価電子帯のエネルギより小さい第３半導体層と、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に形成された第２界面と、を具備する構成とすることができる。この構成によれば、第１界面における電子分布をさらに増大させることができる。

上記構成において、前記第２界面の伝導帯の不連続エネルギは前記第１界面の伝導帯の不連続エネルギより大きく、前記第２界面の価電子帯の不連続エネルギは前記第１界面の価電子帯の不連続エネルギより小さい構成とすることができる。この構成によれば、第１界面の電子分布を大きくし、かつ第２界面におけるスピン軌道相互作用を弱くすることができる。

上記構成において、前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有する第３半導体層と、前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に形成された第２界面と、を具備し、前記第２半導体層は（Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ）_Ｙ（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_{（１−Ｙ）}である構成とすることができる。この構成によれば、第３半導体層をＩｎＰに格子整合させることができる。

上記構成において、前記ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成比は０．５３以上である構成とすることができる。この構成によれば、スピン軌道相互作用を増大させることができる。

本発明によれば、第１半導体層および第２半導体層の少なくとも一方を４元以上の化合物半導体層とすることにより、第１界面の伝導帯の不連続エネルギを第１界面の価電子帯の不連続エネルギより小さく設定することができる。よって、第１界面におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を大きくすることができ、かつ第１界面における電子分布を大きくすることができる。これにより、スピン軌道相互作用を増大させることができる。

図１は、スピンフィルタ素子の上面模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面模式図である。図３（ａ）は、図２の上方向（Ｚ方向）の距離に対するバンドエネルギを示す模式図である。図３（ｂ）は、Ｚ方向の距離に対する電子分布を示す模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、ゲート電極に電圧を印加した場合の、バンドエネルギと電子分布を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、比較例１に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、比較例２に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例２に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図９は、実施例３に係る半導体積層構造を示す図である。図１０は、実施例３に係る半導体積層構造のバンドエネルギ（Ｅ−Ｅ_Ｆ）および規格化した電子の波動関数の大きさ｜Ψ｜を距離に対しシミュレーションした結果を示した図である。図１１は、スピン軌道相互作用の強さを示すパラメータαをキャリア密度に対しシミュレーションした結果である。図１２は、比較例３に係る半導体積層構造を示す図である。図１３は、比較例３に係る半導体積層構造のバンドエネルギ（Ｅ−Ｅ_Ｆ）および規格化した電子の波動関数の大きさ｜Ψ｜^２を距離に対しシミュレーションした結果を示した図である。図１４は、スピン軌道相互作用の強さを示すパラメータαをキャリア密度に対しシミュレーションした結果である。図１５は、比較例４に係る半導体積層構造を示す図である。図１６は、実施例３と比較例４に係る半導体積層構造のスピン軌道相互作用の強さを示すパラメータαをキャリア密度に対しシミュレーションした結果である。図１７は、実施例４に係る積層構造を示す図である。図１８（ａ）から図１８（ｃ）は、それぞれ、実施例３、サンプルＡおよびサンプルＢおけるキャリア濃度に対するパラメータαのシミュレーション結果を示した図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照に説明する。

まず、実施例１から実施例４に係る半導体積層構造が用いられる例として、スピンフィルタ素子を説明する。図１はスピンフィルタ素子１００の上面模式図である。電子９０および９２が伝導する伝導路９６の両側に電極８０および８２が設けられている。電子９０は下向きにスピン偏極した電子である。電子９２は上向きにスピン偏極した電子である。電極８０と８２とを用い、電子９０および９２の伝導方向に交差する方向（好ましくは垂直方向）に電界を印加する。スピン偏極した電子９０および９２はスピン軌道相互作用に起因した有効磁場の空間勾配により逆方向の力を受ける。スピン軌道相互作用に起因した有効磁場は、電子が走行することにより受ける磁場である。これにより、上向きにスピン偏極した電子９２と下向きにスピン偏極した電子９０とは異なる方向に伝導する。よって、伝導路９８を分離することにより、上向きにスピン偏極した電子９２と下向きにスピン偏極した電子９０とを選別することができる。

図２は、図１のＡ−Ａ断面模式図である。基板１８に半導体積層構造１０が形成されている。半導体積層構造１０は障壁層２２および２４と、障壁層２２および２４に挟まれた井戸層２０と、を備えている。半導体積層構造１０は凸部状に設けられており、両側の側面に電極８０および８２が設けられている。電極８０および８２は、井戸層２０、障壁層２４の積層面方向に電界を印加する。障壁層２４上にはゲート電極８４が形成されている。

スピン軌道相互作用として、例えばラシュバスピン軌道相互作用を用いることができる。ラシュバスピン軌道相互作用に起因した有効磁場は、半導体積層構造１０内の電界強度（特に価電子帯の電界強度）に依存する。このため、ゲート電極８４に電圧を印加することにより、半導体積層構造１０の縦方向の電界を変化させることができ、スピン軌道相互作用の大きさを変化させることができる。さらに、電極８０および８２との間に電圧を印加することにより、上述のように、スピン偏極した電子を選別することができる。ラシュバスピン軌道相互作用を用いるため、半導体積層構造１０を構成する半導体は、閃亜鉛鉱型結晶構造を有することが好ましい。また、半導体積層構造１０を構成する半導体は、３族と５族の化合物半導体であることが好ましい。また、半導体積層構造１０を構成する半導体として、２族と６族の化合物半導体を用いることもできる。ラシュバスピン軌道相互作用を用いる場合、半導体積層構造は（００１）面に積層され、スピン偏極した電子は［１１０］方向または［１００］方向に走行することが好ましい。例えば半導体積層構造は（１１０）面に積層され、スピン偏極した電子は［００１］方向または［１−１０］方向に走行してもよい。また、これらの面および方向は、等価な面および方向を含む。これにより、ラシュバスピン軌道相互作用に起因した有効磁場により、スピン偏極した電子を歳差運動させることができる。

図３（ａ）は、図２の上方向（Ｚ方向）の距離に対するバンドエネルギを示す模式図である。図３（ｂ）は、Ｚ方向の距離に対する電子分布を示す模式図である。伝導帯底のエネルギＥｃ（以下、伝導帯のエネルギともいう）と価電子帯トップのエネルギＥｖ（以下、価電子帯のエネルギともいう）を示している。井戸層２０のバンドギャップは障壁層２２および２４より小さい。このため、電子は井戸層２０内に分布する。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、ゲート電極８４に電圧を印加した場合の、バンドエネルギと電子分布を示す図である。図４（ａ）のように、ゲート電極８４に電圧を印加することにより、電界が生じ、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場は大きくなる。領域５８のような価電子帯が連続的に変化する領域より、領域５６のように価電子帯が大きく変化する界面の方がスピン軌道相互作用に起因した有効磁場は大きくなる。しかしながら、図４（ｂ）のように、障壁層２２と井戸層２０との界面における電子分布６８は小さいため、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場を受ける電子は少ない。

電子の受けるスピン軌道相互作用を増大させるためには、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場が大きな領域の電子の存在確率を大きくすることが求められる。そこで、井戸層２０内に第１半導体層と第２半導体層とを設ける。第２半導体層は第１半導体層上に設けられ、第１半導体層よりバンドギャップが小さい。これにより、第１半導体層と第２半導体層との間に形成された第１界面においてスピン軌道相互作用に起因した有効磁場が生じる。よって、強いスピン軌道相互作用を生成することができる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、比較例１に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図５（ａ）を参照し、井戸層２０を第１半導体層１２と第１半導体層１２よりバンドギャップが小さい第２半導体層１４とで形成する。第１半導体層１２と第２半導体層とは第１界面３２を形成する。比較例１では、第１界面３２における伝導帯の不連続エネルギΔＥｃ１は、第１界面３２における価電子帯の不連続エネルギΔＥｖ１より大きい（ΔＥｃ１＞ΔＥｖ１）。例えば、非特許文献３のように、第１半導体層１２としてＩｎ_０．７５Ｇａ_０．２５Ａｓを、第２半導体層１４としてＩｎＡｓを用いる。この場合、ΔＥｃ１は０．０９１４ｅＶ、ΔＥｖ１は０．０８１６４ｅＶである。

図５（ｂ）を参照し、第１半導体層１２と第２半導体層１４を挟む障壁層２２および２４により第１界面３２にスピン偏極した電子を閉じ込めることができる。しかし、比較例１では、ΔＥｃ１が大きいため、第１界面３２における電子分布６０を大きくすることが難しい。かつ、第１界面３２のΔＥｖ１が小さいため、第１界面３２におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場が弱い。これらのため、電子に寄与するスピン軌道相互作用は小さい。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、比較例２に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図６（ａ）を参照し、比較例２では、例えば、非特許文献４のように、第１半導体層１２としてＩｎＰを、第２半導体層１４としてＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを用いる。この場合、ΔＥｃ１は０．２２１ｅＶ、ΔＥｖ１は０．４０６ｅＶである。ΔＥｖ１が大きいため、第１界面３２におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を強くすることができる。

図６（ｂ）を参照し、しかしながら、ΔＥｃ１も大きいため、第１界面３２における電子分布６０を大きくすることが難しい。よって、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場の影響を受けるスピン偏極した電子は少ない。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施例１に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図７（ａ）を参照し、実施例１では、ΔＥｃ１をΔＥｖ１より小さくする。さらにΔＥｖ１を大きくする。例えば、第１半導体層１２として（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_０．４１（ＩｎＰ）_０．５９を用いる。第２半導体層１４としてＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを用いる。この場合、ΔＥｃ１は０．２０６８ｅＶ、ΔＥｖ１は０．３３３ｅＶである。ΔＥｖ１が大きいため、第１界面３２におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を強くすることができる。

図７（ｂ）を参照し、ΔＥｃ１が小さいため、第１界面３２における電子分布６０を大きくすることができる。よって、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場の影響を受けるスピン電極した電子密度を大きくすることができる。

このように、第１半導体層１２と第２半導体層１４との少なくとも一方を４元以上の化合物半導体層を用い形成する。これにより、ΔＥｃ１とΔＥｖ１とを任意に設定することができる。よって、ΔＥｃ１をΔＥｖ１より小さくし、ΔＥｖ１を大きくすることができる。これにより、第１界面３２におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を大きくすることができ、かつ第１界面３２における電子分布を大きくすることができる。

障壁層２２の伝導帯のエネルギＥｃを第１半導体層１２の伝導帯のエネルギＥｃより高くする。また、障壁層２２の伝導帯のエネルギＥｃを第２半導体層１４の伝導帯のエネルギＥｃより高くする。つまり、２つの障壁層２２および２４の伝導帯のエネルギＥｃを第１半導体層１２および第２半導体層１４の伝導帯のエネルギＥｃより高くする。例えば、障壁層２２および２４のバンドギャップエネルギを第１半導体層１２および第２半導体層１４のバンドギャップエネルギより大きくする。これにより、電子をより井戸層２０に閉じ込めることができ、第１界面３２付近により電子を閉じ込めることができる。

第１半導体層１２としてＩｎＧａＡｓＰを用い、第２半導体層１４としてＩｎＧａＡｓを用いることができる。これにより、第１半導体層１２と第２半導体層１４とを格子整合に近い状態にすることができる。また、障壁層２２および２４の少なくとも一方にＩｎＡｌＡｓを用いることができる。これにより、障壁層２２および２４と第１半導体層１２と第２半導体層１４とを格子整合に近い状態にすることができる。

特に、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７ＡｓはＩｎＰと格子整合している。よって、（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_Ｘ（ＩｎＰ）_{（１−Ｘ）}のＸを０＜Ｘ＜１の範囲で任意に設定することにより、第１半導体層１２をＩｎＰに格子整合させた状態で、ΔＥｃ１およびΔＥｖ１を任意に設定することができる。第２半導体層１４としては、ＩｎＰに格子整合したＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを用いることが好ましい。しかしながら、スピン軌道相互作用を大きくするためにはハンドギャップが小さいことが好ましい。よって、よりＩｎの組成比が大きいＩｎＧａＡｓを用いることができる。障壁層２２および２４の少なくとも一方としては、ＩｎＰに格子整合したＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓを用いることが好ましい。

第１半導体層１２として４元以上の化合物半導体を用いる場合、例えばＩｎＧａＡｓＳｂを用いることができる。第２半導体層１４として４元以上の化合物半導体を用いる場合、例えばＩｎＧａＡｓＳｂを用いることができる。このように、第１半導体層１２および第２半導体層１４の少なくとも一方に４元以上の化合物半導体を用いる場合、例えばＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびＡｌＮを含む化合物半導体を用いることができる。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例２に係る半導体積層構造のバンドエネルギおよび電子分布を示す図である。図８（ａ）を参照し、実施例２では、第２半導体層１４上に第３半導体層１６が設けられている。第３半導体層１６は第２半導体層より大きなバンドギャップを有する。第２半導体層１４と第３半導体層１６との間に第２界面３４が形成されている。

図８（ｂ）を参照し、第３半導体層１６により、第１界面３２における電子分布をさらに増大させることができる。

また、障壁層２２の伝導帯のエネルギＥｃを第１半導体層１２の伝導帯のエネルギＥｃより高くする。また、障壁層２２の伝導帯のエネルギＥｃを第３半導体層１６の伝導帯のエネルギＥｃより高くする。つまり、２つの障壁層２２および２４の伝導帯のエネルギＥｃを第１半導体層１２、第２半導体層１４および第３半導体層１６の伝導帯のエネルギＥｃより高くする。例えば、障壁層２２および２４のバンドギャップエネルギを第１半導体層１２、第２半導体層１４および第３半導体層１６のバンドギャップエネルギより大きくする。これにより、電子をより井戸層２０に閉じ込めることができ、第１界面３２付近により電子を閉じ込めることができる。

さらに、第２界面３４の伝導帯の不連続エネルギΔＥｃ２をΔＥｃ１より大きくする。第２界面３４の価電子帯の不連続エネルギΔＥｖ２をΔＥｖ１より小さくする。ΔＥｃ２がΔＥｃ１より大きいことにより、第１界面３２の電子分布を大きくすることができる。ΔＥｖ２がΔＥｖ１より小さいことにより、第２界面３４におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を弱くすることができる。第２界面３４に生じるスピン軌道相互作用は第１界面３２の生じるスピン軌道相互作用と反対となる。このため、第２界面３４におけるスピン軌道相互作用に起因した有効磁場を弱くすることにより、全体としてのスピン軌道相互作用を大きくすることができる。

第３半導体層１６を４元以上の化合物半導体とすることにより、ΔＥｃ２およびΔＥｖ２を自由に設定することができる。第２半導体層１４としてＩｎＧａＡｓＰを用い、第３半導体層１６としてＩｎＧａＡｌＡｓを用いることができる。これにより、第２半導体層１４と第３半導体層１６とを格子整合に近い状態にすることができる。

例えば、第１半導体層１２として（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_０．４１（ＩｎＰ）_０．５９を用いる。第２半導体層１４としてＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを用いる。第３半導体層１６として（Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ）_０．３（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_０．７を用いる。これにより、ΔＥｃ１を０．２０６８ｅＶ、ΔＥｖ１を０．３３３ｅＶ、ΔＥｃ２を０．４９９ｅＶ、ΔＥｖ２を０．１３５３ｅＶとすることができる。Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８ＡｓおよびＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７ＡｓはＩｎＰと格子整合している。よって、（Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ）_Ｙ（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_{（１−Ｙ）}のＹを０＜Ｙ＜１の範囲で任意に設定することにより、第３半導体層１６をＩｎＰに格子整合させた状態で、ΔＥｃ２およびΔＥｖ２を任意に設定することができる。第３半導体層１６として４元以上の化合物半導体を用いる場合、例えばＩｎＧａＡｓＳｂを用いることができる。このように、第３半導体層１６に４元以上の化合物半導体を用いる場合、例えばＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびＡｌＮを含む化合物半導体を用いることができる。

実施例３は、スピン軌道相互作用をシミュレーションした例である。図９は、実施例３に係る半導体積層構造を示す図である。基板１８から順に、バッファ層２６、障壁層２２、第１半導体層１２、第２半導体層１４、第３半導体層１６および障壁層２４が積層されている。基板１８は半絶縁性ＩｎＰ基板であり、（００１）面を主面としている。バッファ層は、膜厚が２００ｎｍでアンドープのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ層と、電子濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３で膜厚が６ｎｍのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ層である。障壁層２２は、膜厚が１５ｎｍでアンドープのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ層である。第１半導体層１２は膜厚が５ｎｍでアンドープの（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_０．４１（ＩｎＰ）_０．５９層である。第２半導体層１４は、膜厚が１０ｎｍでアンドープのＩｎ_０．５３Ａｌ_０．４７Ａｓ層である。第３半導体層１６は、膜厚が３ｎｍでアンドープの（Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ）_０．３（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_０．７層である。障壁層２４は、膜厚が２５ｎｍでアンドープのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ層である。Ｉｎ_０．５３Ａｌ_０．４７Ａｓ層およびＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ層は、ＩｎＰと格子整合するため、実施例３の半導体積層構造は、格子歪の少ない構造となる。

図１０は、実施例３に係る半導体積層構造のバンドエネルギ（Ｅ−Ｅ_Ｆ）および規格化した電子の波動関数の規格化した大きさ｜Ψ｜を距離に対しシミュレーションした結果を示した図である。なおＥ_Ｆはフェルミエネルギである。Ｅｃは伝導帯の底のエネルギ、Ｅｖｈはヘビーホールの価電子帯のトップのエネルギ、Ｅｖｓはスピンスプリットした価電子帯のトップのエネルギを示している。電子の波動関数が第１半導体層１２と第２半導体層１４との第１界面３２付近にピークを有している。

図１１は、ラシュバスピン軌道相互作用の強さを示すパラメータαをキャリア密度に対しシミュレーションした結果である。２次元のキャリア密度は、障壁層２４上に形成されたゲート電極に電圧を変化させることにより、変化するキャリア密度を示している。α_Ｆ１〜α_Ｆ３はそれぞれ、図１０の価電子帯Ｅｖｆの連続的な電界変化Ｆ１〜Ｆ３に起因するパラメータαを示している。α_Ｆはα_Ｆ１〜α_Ｆ３の合計である。α_Ｉ１〜α_Ｉ２はそれぞれ、図１０の第１界面３２および第２界面３４の価電子帯Ｅｖｆの不連続Ｉ１およびＩ２に起因するパラメータαを示している。α_Ｉはα_Ｉ１〜α_Ｉ３の合計である。α_Ｉはほとんどがα_Ｉ１であり、α_Ｆはほとんどがα_Ｆ１である。このように、スピン軌道相互作用は、ほとんどが、第２半導体層１４の電界変化と、第１界面３２の不連続な電界変化に起因する。また、連続的な電界起因のα_Ｆと不連続な界面起因のα_Ｉの合計α_{ｔｏｔａｌ}内では、第１界面３２に起因するα_Ｉが大きい。

図１２は、比較例３に係る半導体積層構造を示す図である。井戸層２０が、井戸層２８および２９からなる。井戸層２８は、膜厚が１０ｎｍのアンドープのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層であり、井戸層２９は、膜厚が２．５ｎｍのアンドープのＩｎＰ層である。その他の構造は実施例３と同じである。

図１３は、比較例３に係る半導体積層構造のバンドエネルギ（Ｅ−Ｅ_Ｆ）および規格化した電子の波動関数の大きさ｜Ψ｜^２を距離に対しシミュレーションした結果を示した図である。障壁層２２と井戸層２８との界面３６の電子分布は図１０の第１界面３２に比べ大きくない。

図１４は、スピン軌道相互作用の強さを示すパラメータαをキャリア密度に対しシミュレーションした結果である。α_Ｆ４は図１３に示した井戸層２８の連続的な電界変化Ｆ４に起因するαである。α_Ｉ３およびα_Ｉ４は、それぞれ図１３に示した界面３６および３８の電界の不連続Ｉ３およびＩ４に起因したαである。界面３６での電子分布が小さいため、全体のα_{ｔｏｔａｌ}はほとんどがα_Ｆ４に起因している。このため、α_{ｔｏｔａｌ}は小さい。さらに、実施例３では、図１１のように、キャリア密度を変化させることによりα_{ｔｏｔａｌ}を−４×１０^−１２ｅＶｍから−９×１０^−１２ｅＶｍまで変化させることができる。一方、比較例３では、図１４のように、キャリア密度を変化させてもα_{ｔｏｔａｌ.}を−１×１０^−１２ｅＶｍから−５×１０^−１２ｅＶｍまでしか変化させることができない。

以上のように、実施例３は、比較例３に比べ第１界面３２における電子分布を大きくできるため、第１界面３２におけるパラメータα_Ｉ１を大きくすることができる。これにより、全体としてのパラメータα_{ｔｏｔａｌ}を大きくすることができる。

図１５は、比較例４に係る半導体積層構造を示す図である。実施例３の図９と比較し、第１半導体層１２ａをＩｎＰとしている。その他の構造は実施例３と同じである。図１６は、実施例３と比較例４に係る半導体積層構造のスピン軌道相互作用の強さを示すパラメータαをキャリア密度に対しシミュレーションした結果である。図１６のように、実施例３は比較例４に比べαを大きくすることができる。これは、実施例３では第１半導体層１２を４元化合物半導体としたため、ΔＥｖ１を大きくしたまま、ΔＥｃ１を小さくできたためである。これにより、第１界面３２における電子分布を大きくすることができる。

実施例４は、第２半導体層のＩｎ組成比を高くした例である。図１７は、実施例４に係る半導体積層構造を示す図である。実施例４においては、第２半導体層１４をＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層としている。サンプルＡでは、第２半導体層１４の膜厚は１０ｎｍであり、サンプルＢでは、５ｎｍである。その他の構造は実施例３と同じである。

図１８（ａ）から図１８（ｃ）は、それぞれ、実施例３、実施例４のサンプルＡおよびサンプルＢおけるキャリア濃度に対するαのシミュレーション結果を示した図である。第２半導体層１４の電界変化に起因したα_Ｆ２、第１界面３２での電界の不連続に起因したα_Ｉ１および第２界面３４での電界の不連続に起因したα_Ｉ２を示している。

図１８（ａ）と図１８（ｂ）との比較から、第２半導体層１４のＩｎ組成を大きくすることにより、α_Ｆ２およびα_Ｉ１を増大させることができる。よって、α_{ｔｏｔａｌ}を増大させることができる。これは、Ｉｎ組成比を大きくすることによりバンドギャップエネルギが小さくなりスピン軌道相互作用が大きくなるためと考えられる。

図１８（ｂ）と図１８（ｃ）との比較から、第２半導体層１４の膜厚を小さくすると、α_Ｆ２は小さくなるがα_Ｉ１が大きくなる。これにより、α_{ｔｏｔａｌ}はサンプルＡとサンプルＢとで同程度とすることができる。

以上より、第２半導体層１４をＩｎＧａＡｓ層とする場合、Ｉｎ組成比はＩｎＰと格子整合する０．５３以上が好ましい。とくに、０．６以上が好ましく、０．８以下が好ましい。また、第２半導体層１４の膜厚は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。

実施例１から実施例４を用いる例としてスピンフィルタ素子について説明したが、その他のスピン軌道相互作用を用いたデバイスに実施例１から実施例４の半導体積層構造を用いることもできる。例えば、非特許文献１に示した電界効果トランジスタに実施例１から実施例４の半導体積層構造を用いることもできる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０井戸層
１２第１半導体層
１４第２半導体層
１６第３半導体層
２２、２４障壁層
３２第１界面
３４第２界面

Claims

第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられ、前記第１半導体層よりバンドギャップが小さく、伝導帯のエネルギが前記第１半導体層の伝導帯のエネルギより小さく、価電子帯のエネルギが前記第１半導体層の価電子帯のエネルギより大きい第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に形成され、スピン軌道相互作用に起因した有効磁場が生じる第１界面と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層とを挟み、前記第１界面にスピン偏極した電子を閉じ込め、伝導帯のエネルギが前記第１半導体層および前記第２半導体層の伝導帯のエネルギより大きい２つの障壁層と、
を具備し、
前記第１半導体層および前記第２半導体層の少なくとも一方の全てが４元以上の化合物半導体層であり、
前記第１界面の伝導帯の不連続エネルギは前記第１界面の価電子帯の不連続エネルギより小さく、
前記２つの障壁層のいずれか一方は前記第１半導体層に接している半導体積層構造。
前記第１半導体層はＩｎＧａＡｓＰ層であり、前記第２半導体層はＩｎＧａＡｓ層である請求項１記載の半導体積層構造。
前記第１半導体層はＩｎＧａＡｓＰ層であり、前記第２半導体層はＩｎＧａＡｓ層であり、前記２つの障壁層はＩｎＡｌＡｓ層である請求項１または２記載の半導体積層構造。
前記第１半導体層は（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_Ｘ（ＩｎＰ）_{（１−Ｘ）}である請求項２記載の半導体積層構造。
前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有し、伝導帯のエネルギが前記第２半導体層の伝導帯のエネルギより大きく、価電子帯のエネルギが前記第２半導体層の価電子帯のエネルギより小さい第３半導体層と、
前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に形成された第２界面と、
を具備する請求項１から４のいずれか一項記載の半導体積層構造。
前記第２界面の伝導帯の不連続エネルギは前記第１界面の伝導帯の不連続エネルギより大きく、
前記第２界面の価電子帯の不連続エネルギは前記第１界面の価電子帯の不連続エネルギより小さい請求項５記載の半導体積層構造。
前記第２半導体層上に設けられ、前記第２半導体層より大きなバンドギャップを有する第３半導体層と、
前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に形成された第２界面と、
を具備し、
前記第３半導体層は（Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ）_Ｙ（Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ）_{（１−Ｙ）}である請求項４記載の半導体積層構造。
前記ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成比は０．５３以上である請求項３、４および７のいずれか一項記載の半導体積層構造。