JP5527680B2 - スピン偏極電子発生素子 - Google Patents
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Description
このためには、バッファ層は、歪み超格子層の少なくとも井戸層の格子定数よりも、小さい格子定数を有する結晶を用いる。もちろん、バッファ層は、歪み超格子層の障壁層の格子定数よりも小さい格子定数の結晶であっても良い。
このクラックによりバッファ層は、モザイク状となる。本発明者らは、引張歪みが、バッファ層に印加されると、バッファ層には、その歪みを緩和させるために垂直方向に、部分的に、低密度で、クラックが発生することを見出した。この結果、バッファ層には、斜め方向の滑り転位の発生がなく、バッファ層上の歪み超格子層には、この斜め方向の転位が継承されないために、歪み超格子層の結晶性が良くなることを見出した。すなわち、バッファ層に圧縮歪みが印加されると、バッファ層には、高密度の斜め方向の滑り転位が発生し、この転位面が、バッファ層上にエピタキシャル成長する歪み超格子層にも伝播する結果、歪み超格子層に大きな密度の転位が発生していることを見出した。そして、歪み超格子層における転位密度を低減させることにより、スピン偏極度、偏極した電子の外部量子効率を向上させることを見出した。
バッファ層から中間層に歪みが印加されると、バッファ層から歪み超格子層へ、所定の歪みが印加され難くなるので、中間層は、この条件を満たすような厚さであることが望ましい。
また、第5の発明は、第1乃至第4の何れか1の発明において、スピン偏極電子発生素子は基板の裏面から励起光を歪み超格子層に入射させるものであり、中間層の厚さは、励起光を50% 〜100% 透過させる厚さであることを特徴とする。歪み超格子層に、所定の設計通りの歪みが印加されるためには、中間層の厚さは厚い程、望ましいことになる。そこで、基板の裏面から励起光を入射させた場合には、その励起光が減衰せずに、歪み超格子層に入射することも必要であるので、中間層での励起光の透過率は、50% 〜100% とする厚さが望ましい。
この構成の場合に、歪み超格子層は、第6の発明で記載した組合せの他、特に、GaAsとGaAswP1-w (0≦w<1) との超格子を用いることが望ましい。なお、第6又は第7の発明において、バッファ層における組成は、歪み超格子層のバリア層の組成と同一でも異なっていても良い。この構成の発明の場合には、基板の裏面から励起光を入射させるスピン偏極電子発生素子とすることができる。
1. バッファ層よりも格子定数が大きい。
2. 中間層の歪みが十分緩和されていること。(中間層は、臨界膜厚以上の厚さを有すること。)
3. バッファ層の引張歪みが緩和されるときに、中間層はほとんど歪まないこと。(バッファ層によって、中間層が歪まないほどに、中間層は十分な厚さを有すること。)
4. 透過型のスピン偏極電子発生素子の場合、歪み超格子層での電子励起効率を低下させないために、中間層は、入射する励起光の50〜100%が透過する厚さ以下であること。
Gb: バッファ層のshear modulus
Gi: 中間層のshear modulus
νb: バッファ層のポアソン比
νi: 中間層のポアソン比
ab: バッファ層の格子定数
ai: 中間層の格子定数
as: 基板の格子定数
hb: バッファ層にモザイク構造が形成される膜厚
b : 中間層に導入される転位のバーガーズベクトル
θ: 転位線とバーガーズベクトルのなす角
λ: 中間層と基板界面の法線方向とバーガーズベクトルのなす角
f : 基板と中間層の格子不整合度
透過率αは、中間層の組成に依存するので、中間層の組成は、この透過率の条件を満たすものであることが望ましい。さらに(6)式において、1に近いほど(中間層での光吸収がないほど)最適な構造となる。
bb : バッファ層に導入される転位のバーガーズベクトル
θb : バッファ層における転位線とバーガーズベクトルのなす角
λb : バッファ層と中間層界面の法線方向とバーガーズベクトルのなす角
fb: バッファ層と中間層の格子不整合度
この実施例において、バッファ層は、中間層の格子定数よりも格子定数が小さく、歪み超格子層の少なくとも井戸層の格子定数よりも小さい格子定数を有する結晶であれば、任意組成比のGaAsP(2元を含む)を用いることででき、歪み超格子層も任意組成比のGaAsP/GaAsP超格子を用いることができる。また、中間層も、格子定数の上述した関係を満たすのであれば、GaAsP、GaInP, GaInAs(いずれも2元系を含む)を用いることができる。基板には、GaP、その他の基板を用いても良い。
実施例2より本実施例のほうが、励起波長900nmにより適切な素子が作成できた。
20,21,22…中間層
3,30,31,32…バッファ層
4,40,41,42…歪み超格子層
50,51,52…キャップ層
Claims (13)
- 基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、
前記基板と前記バッファ層との間に、前記バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成り、臨界膜厚以上の厚さを有する中間層を介在させたことを特徴とするスピン偏極電子発生素子。 - 基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、
前記基板と前記バッファ層との間に、前記バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成る中間層を介在させ、
前記バッファ層には、引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生していることを特徴とするスピン偏極電子発生素子。 - 基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、
前記基板と前記バッファ層との間に、前記バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成る中間層を介在させ、
前記中間層の厚さは、前記バッファ層に前記中間層から印加される引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生に至る直前において、前記中間層が前記バッファ層から受ける歪みが5%となる厚さより厚いことを特徴とするスピン偏極電子発生素子。 - 前記バッファ層には、引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生していることを特徴とする請求項1又は請求項3に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記スピン偏極電子発生素子は前記基板の裏面から励起光を前記歪み超格子層に入射させるものであり、前記中間層の厚さは、前記励起光を50% 〜100%透過させる厚さであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記基板は、GaP から成り、前記バッファ層は、GaAsxP1-x(0≦x≦1) 、GayIn1-yP (0≦y≦1)又は GazIn1-zAs(0≦z≦1)から成り、前記中間層は、前記バッファ層の格子定数よりも、格子定数が大きい、一般式、AlGaInAsPで表される2元、3元、4元、5元の化合物から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記中間層は、GaAsから成ることを特徴とする請求項6に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記基板は、GaAsから成り、前記バッファ層は、GaAsxP1-x (0≦x≦1) 、GayIn1-yP (0≦y≦1)又は GazIn1-zAs(0≦z≦1)、前記中間層は、前記バッファ層の格子定数よりも、格子定数が大きい、一般式、AlGaInAsPで表される2元、3元、4元、5元の化合物から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記中間層は、InAsから成ることを特徴とする請求項8に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記基板は、GaN から成り、前記バッファ層は、AlxGa1-xN(0≦x≦1)又はGayIn1-yN(0≦y≦1)から成り、前記中間層は、前記バッファ層の格子定数よりも、格子定数が大きい、一般式、AlGaInNで表される2元、3元、4元の化合物から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 前記中間層は、InN から成ることを特徴とする請求項10に記載のスピン偏極電子発生素子。
- 請求項1乃至請求項11の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子を用いたスピン偏極電子発生装置。
- 前記スピン偏極電子発生装置は、前記スピン偏極電子発生素子をスピン偏極電子源とした電子顕微鏡であることを特徴とする請求項12に記載のスピン偏極電子発生装置。
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