JP6996703B2 - スピン偏極高輝度電子発生フォトカソード及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許法第３０条第２項適用 金秀光、竹田美和及び渕真悟が、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ５６， ０３６７０１－４（２０１７）にて、金秀光、竹田美和、山本将博及び神谷幸秀が発明した、「Ｎｅｗ Ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ ｕｓｉｎｇ ＺｎＳｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｗｉｔｈ ＧａＡｓ ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ」について公開した。
本発明は、スピン偏極高輝度電子発生フォトカソード及びその製造方法に関する。
本発明におけるスピン偏極電子とは、上向き電子スピンと下向き電子スピンの存在比率が同じではない状態に在る電子をいう。ＮＥＡ性とは、半導体の伝導帯よりも真空準位のほうがエネルギー的に低い状態のことをいい、これを、負電子親和性（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｆｆｉｎｉｔｙ）又は負の電子親和力の状態という。ＮＥＡ性を有するとは、スピン偏極電子を発生させる場合があり、あるいは、スピン偏極電子を発生させない場合もある。スピン偏極電子発生能とは、半導体の伝導帯に在る電子が真空準位に移動するときに、スピン偏極電子を発生する能力を有することをいう。高輝度電子発生物質とは、光を吸収して輝度の高い電子を発生させることができる物質をいう。スピン偏極電子発生物質とは、偏光レーザー等の偏光を吸収してスピン偏極電子を発生させることができる物質をいう。本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードとは、光を吸収して高輝度電子を発生するフォトカソードであり、又、偏光レーザー等の偏光を吸収してスピン偏極した高輝度電子を発生させるフォトカソードのことである。
従来、裏面照射型のスピン偏極電子発生素子に係る発明が提案されている（特許文献１～４）。特許文献１には、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓを主成分とする中間層やバッファ層を積層させ、その上にＧａＡｓ－ＧａＡｓＰの超格子層を１０層程度積層させ、更にその上にＧａＡｓ等の薄膜（以下、ＮＥＡ活性層と略す。）を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。特許文献２には、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＩｎＮを主成分とする中間層やバッファ層を積層させ、その上にＧａＡｓ－ＧａＡｓＰの超格子層を１０層程度積層させ、更にその上にＧａＡｓ等のＮＥＡ活性層を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。特許文献３には、ＧａＰ基板上にＡｌＧａＡｓＰを主成分とする少なくとも中間層やバッファ層を積層させ、その上にＧａＡｓ－ＧａＡｓＰの超格子層を１０層程度積層させ、更にその上にＧａＡｓ等のＮＥＡ活性層を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。特許文献４には、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓを主成分とする中間層やバッファ層を積層させ、その上にＧａＡｓ－ＧａＡｓＰの超格子層を１０層程度積層させ、更にその上にＧａＡｓ等のＮＥＡ活性層を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。
従来の裏面照射型のスピン偏極電子発生素子は、スピン偏極度９０％程度の電子を発生させることは可能であるが、光を電子に変換させる当該素子の量子効率が非常に小さい（概ね０．４％以下である）こと、高輝度電子の発生が困難である（１０３Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度の非常に低い輝度である）こと、基板と最上層であるＧａＡｓ等のＮＥＡ活性層との間に中間層やバッファ層を必ず介在させる必要があるために製造工程が非常に複雑であること、用いる基板の光透過の吸収端のために当該素子を励起する励起光が狭い波長範囲に限られるということ、等の実用上改善すべき問題があった。
しかし、９０％程度乃至それ以上の高いスピン偏極度を維持しながら高量子効率で高輝度電子を発生させることができ、簡易な構造を有し、広い波長域の励起光を利用可能な、裏面照射型のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード及びその製造方法は、ほとんど知られていない。
前記の事情に鑑み本発明は、９０％程度乃至それ以上の高いスピン偏極度を維持しながら高量子効率で高輝度電子を発生させることができ、簡易な構造を有し、広い波長域の励起光を利用可能な、裏面照射型（又は透過型ともいう）のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、意外にも、ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有する単結晶基板と該基板上にエピタキシャル成長させたスピン偏極電子発生能を有する単結晶化合物半導体の薄膜とのみからなるフォトカソードが、高スピン偏極度と高輝度とを有する電子を高量子効率で発生させることができることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
１．
ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
２．
ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
３．
前記単結晶化合物半導体がＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＺｎＳ又はＺｎＴｅであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
４．
前記単結晶化合物半導体がＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＺｎＳｅであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。
５．
前記単結晶化合物半導体がＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＭｎＴｅ及びＣｄＺｎＴｅの中から選ばれた一つであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
６．
前記単結晶化合物半導体がＩｎＮ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板が単結晶ダイヤモンド及び立方晶窒化硼素の中から選ばれた一つであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
７．
前記単結晶化合物半導体がＧａＮ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＺｎＯ及び六方晶窒化ホウ素の中から選ばれた一つであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
８．
前記単結晶化合物半導体がＣｄＳ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＧａＮであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
９．
前記単結晶化合物半導体が５０ｎｍ～５００ｎｍの厚みであることを特徴とする前記１～８のいずれか１つに記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、有機金属気相成長法により製造することができる。
１．
ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
２．
ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
３．
前記単結晶化合物半導体がＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＺｎＳ又はＺｎＴｅであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
４．
前記単結晶化合物半導体がＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＺｎＳｅであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。
５．
前記単結晶化合物半導体がＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＭｎＴｅ及びＣｄＺｎＴｅの中から選ばれた一つであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
６．
前記単結晶化合物半導体がＩｎＮ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板が単結晶ダイヤモンド及び立方晶窒化硼素の中から選ばれた一つであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
７．
前記単結晶化合物半導体がＧａＮ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＺｎＯ及び六方晶窒化ホウ素の中から選ばれた一つであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
８．
前記単結晶化合物半導体がＣｄＳ系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がＧａＮであることを特徴とする前記１又は２に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
９．
前記単結晶化合物半導体が５０ｎｍ～５００ｎｍの厚みであることを特徴とする前記１～８のいずれか１つに記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構成とした。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、有機金属気相成長法により製造することができる。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、１．５ｅＶから１０ｅＶまでの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた０．１５ｅＶから６．５ｅＶまでの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであるので、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、９０％以上のスピン偏極度を維持しながら５．５％程度乃至それ以上の高量子効率で１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１乃至それ以上の輝度を有する高輝度電子を発生させることが可能である。本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、有機金属気相成長法により製造することができる。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、その非常にシンプルな構造であるにもかかわらず、驚くべきことに、９０％以上の高スピン偏極度と１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１以上の輝度の電子を高量子効率で発生することができる。光透過性の単結晶基板上にスピン偏極電子発生能を有する単結晶化合物半導体の薄膜を形成させた非常にシンプルな構造を有する本発明フォトカソードが９０％以上の高スピン偏極度と１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１以上の輝度の電子を高量子効率で発生することができるかもしれないということを発想することは、当業者でも思いもよらないことであるに違いない。なぜなら、従来の高スピン偏極度の電子を発生させるためのスピン偏極電子素子は、前記に説明したように、基板とＮＥＡ活性層との間に中間層やバッファ層を設けることが非常に重要であると考えられていたからである。また、従来、光透過性基板と該光透過性基板上に直接形成させたＮＥＡ性物質層、光電変換層、光触媒層、光増感剤層など、とからなる透過型の光電陰極、フォトカソード、光触媒装置、太陽光発電装置、半導体装置、等が数多く提案されている（特許文献５～２０）にもかかわらず、このような従来の光透過性基板を用いる技術を本発明のようなスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードに応用した発明は、ほとんど知られていないからである。仮に、従来の透過型の基板上に単結晶化合物半導体の薄膜のみを形成させた構造のフォトカソードを作成したとしても、本発明の様な高輝度電子の発生は困難であろう。なぜなら、本発明者等の実験によれば、光透過性基板として単結晶基板のインゴットから切り出されたウエハに鏡面仕上げ加工を施すことにより１０ｎｍ程度の表面平坦性が与えられたウエハを基板として用い、これに単結晶化合物半導体の薄膜を形成させた透過型のフォトカソードは、高輝度電子を発生することが困難であることを確認しているからである。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードにおける単結晶基板の表面は、当該単結晶基板上にＮＥＡ性を有する単結晶化合物半導体の薄膜をエピタキシャル成長させるのに、ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有するものと推定される。本発明でいうナノメートルレベルとは、ナノメートルの数値を明確に限定するものではないが、最大でも数ナノメートル程度であると推定される。本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードにおける単結晶基板がナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有するものと推定されるのは、単結晶ＺｎＳｅのインゴットから切り出されたウエハに鏡面仕上げ加工を施すことにより１０ｎｍ程度の表面平坦性が与えられたウエハを基板として用い、これにＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜を形成させたフォトカソードが発生する電子線の輝度は１０３Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以下であるのに対し、有機金属気相成長法により作製されるＺｎＳｅ単結晶基板の表面に対して高分解能ＳＥＭ観察ではまったく凹凸が観察されない程度にまで表面処理を施したものにＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜を形成させたもののみが単結晶ＧａＡｓに帰属するＸＲＤプロファイルを示し、かつ、９０％程度のスピン偏極度と１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度の電子を発生させることができるという実験結果によるものである。一般的に、単結晶ＺｎＳｅのインゴットから切り出されたウエハに非常に困難なナノメートルレベルの超微細加工を施すことを試み、その表面の平坦性をＡＦＭ等を用いて確認し、このことにより、ナノメートルレベルの平坦な清浄表面の必要性を証明することは、非常に困難なことであるにちがいない。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードが１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の輝度を有する電子線を発生させることができるのは、前記単結晶基板表面と前記単結晶化合物半導体の薄膜とが接する界面がナノメートルレベルで光学的に非常に平滑であるために、該界面において生じる前記単結晶基板を透過する光の好ましくない散乱・屈折等の光学的現象がほぼ完全に抑制されているからであり、このことが、とりもなおさず、本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードにおける単結晶基板の表面がナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有するものと推定させるからである。なぜなら、前記１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線輝度は、前記ＮＥＡ性を有する単結晶化合物半導体の薄膜がその内部や前記界面における光学的散乱要因、例えば単位格子の空間的乱れ、を全く受けないとしたときに発生する電子線の理論的な輝度にほぼ対応するものとみなすことができるからである。
本発明における単結晶基板の表面が清浄表面であることを必要とするのは、当該表面が酸化膜等により被覆又は汚染されている場合には、単結晶化合物半導体の薄膜のエピタキシャル成長が困難であるからである。本発明でいう清浄表面とは、単結晶基板表面において、単結晶基板を構成する原子が裸の状態で存在することをいう。
本発明における単結晶基板は、本発明の目的であるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードを透過型とするために、光透過性を有するものである。当該単結晶基板は、１．５ｅＶ（８２６ｎｍ）から１０ｅＶ（１２４ｎｍ）の範囲にあるバンドギャップを有するものが、そのバンドギャップの値に応じて、紫外から可視の領域までの範囲にある光を透過するので、好ましい。
本発明おける単結晶化合物半導体の薄膜は、０．１５ｅＶ（８２６０ｎｍ）から６．５ｅＶ（１９０ｎｍ）の範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性を有する単結晶化合物半導体の薄膜であるのが、前記単結晶基板を透過する紫外から可視の領域にある光を効率的に吸収しスピン偏極電子を発生するので、好ましい。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、前記単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた前記単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるものであるが、使用に際して、通常、前記単結晶化合物半導体の薄膜に対しＮＥＡ活性化処理が施される。ＮＥＡ活性化処理とは、ＮＥＡ性を有する物質から電子を効率的に該物質の外に発生させるための補助を行う処理のことであり、通常、ＮＥＡ活性化剤を被処理材にドープ又は吸着させることにより、行われる。このようなＮＥＡ活性化剤として、酸素と電子を放出しやすいアルカリ金属とのペアが知られている。また、本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、前記単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた前記単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるものであるので、前記単結晶基板上に中間層やバッファ層を形成させることはないが、前記単結晶化合物半導体の超格子構造を形成させることを否定するものではない。しかし、前記単結晶化合物半導体の超格子構造を前記単結晶基板上に形成させるとした場合には、単結晶化合物半導体の超格子構造と単結晶基板との格子マッチングのための中間層やバッファ層を形成させる必要が生じるので、結局のところ、本発明では、前記単結晶基板上に単結晶化合物半導体の超格子構造を形成させることは、あまりない。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードに用いられる単結晶化合物半導体としては、ＮＥＡ性を有するものを用いる。そして、単結晶化合物半導体に応じて、適切な前記単結晶基板が選ばれる。前記単結晶化合物半導体に対する前記単結晶基板は、それぞれの結晶系が同一であり、それぞれの格子定数が類似していることが、単結晶基板上に単結晶化合物半導体をエピタキシャル成長させる上で好ましい。単結晶化合物半導体と単結晶基板の格子定数との類似性とは、通常、単結晶基板の格子定数との不整合が数％以内の格子定数を有する単結晶化合物半導体であることを意味する。好ましくは１％以内である。しかし、本発明は、前記格子定数の不整合が数％の範囲内にない場合でも単結晶基板上に単結晶化合物半導体をエピタキシャル成長させることが可能である。それは、本発明で用いる単結晶基板の表面がナノメートルレベルの平坦性を有する清浄面であるからである。
本発明に好適な単結晶化合物半導体及び単結晶基板は、（１）ＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体に対するＺｎＳ（３．６ｅＶ）、ＺｎＳｅ（２．６７ｅＶ）及びＺｎＴｅ（１．４ｅＶ）の中から選ばれた一つの単結晶基板、（２）ＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体に対するＢａＦ２（９．５３ｅＶ）及びＣａＦ２（９．５３ｅＶ）の中から選ばれた一つの単結晶基板、（３）ＩｎＮ系の単結晶化合物半導体に対する単結晶ダイヤモンド（５．４７ｅＶ）及び立方晶窒化硼素（６ｅＶ）の中から選ばれた一つの単結晶基板、（４）ＧａＮ系の単結晶化合物半導体に対するＺｎＯ（３．４３６ｅＶ）及び六方晶窒化ホウ素（６ｅＶ）の中から選ばれた一つの単結晶基板、及び（５）ＣｄＳ系の単結晶化合物半導体に対するＧａＮ（３．４ｅＶ）の単結晶基板、である。
前記ＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体とは、ＧａＡｓの結晶系（立方晶系）と同じ結晶系に属し、かつ、ＧａＡｓの格子定数と類似の格子定数を有する単結晶化合物半導体のことである。このような単結晶化合物半導体として、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＢｅＳｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＣｄＳｅ、ＧａＳｅ、ＧａＢｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＡｌ、ＩｎＧａＡｌＰ、等を挙げることができる。これらのなかで、ＧａＡｓ（１．４３ｅＶ）、ＧａＰ（２．２６ｅＶ）、ＧａＳｂ（０．６７ｅＶ）、ＩｎＰ（１．２９ｅＶ）、ＩｎＡｓ（０．３６ｅＶ）、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＡｌ、及びＩｎＧａＡｌＰは、ＮＥＡ性が高いので、好ましい。ＧａＡｓとしては、Ｇａ１Ａｓ１－ｘ（０≦ｘ≦１）又はＧａ１Ａｓ１－ｘ（０≦ｘ≦１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｎ及びＺｎの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものを用いることができる。Ｇａ１Ａｓ１－ｘ（０≦ｘ≦１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｎ及びＺｎの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものは、Ｇａ１Ａｓ１－ｘ（０≦ｘ≦１）のスピン偏極電子発生能を高める。特にＺｎ原子の含有は、本発明で用いるすべての単結晶化合物半導体の薄膜のスピン偏極電子発生能を高めるのに好適である。Ｚｎ原子の含有量は、通常、用いる単結晶化合物半導体の単位体積当たり１０１８ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３である。
前記ＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体とは、ＩｎＳｂの結晶系（立方晶系）と同じ結晶系に属し、かつ、ＩｎＳｂの格子定数と類似の格子定数を有する単結晶化合物半導体のことである。このような単結晶化合物半導体として、ＩｎＳｂ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＭｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＴｅ、等を挙げることができる。これらのなかで、ＩｎＳｂ（０．１７ｅＶ）は、比較的ＮＥＡ性が高いので、好ましい。ＩｎＳｂとしては、Ｉｎ１Ｓｂ１－ｘ（０≦ｘ≦１）又はＩｎ１Ｓｂ１－ｘ（０≦ｘ≦１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｇａ、Ａｓ、Ｔｅ、Ａｌ、Ｐ、Ｎ及びＺｎの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものを用いることができる。Ｉｎ１Ｓｂ１－ｘ（０≦ｘ≦１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｇａ、Ａｓ、Ｔｅ、Ａｌ、Ｐ、Ｎ及びＺｎの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものは、Ｉｎ１Ｓｂ１－ｘ（０≦ｘ≦１）のスピン偏極電子発生能を高める。
前記ＩｎＮ系の単結晶化合物半導体とは、ＩｎＮの結晶系（立方晶系）と同じ結晶系に属し、かつ、ＩｎＮの格子定数と類似の格子定数を有する単結晶化合物半導体のことである。このような単結晶化合物半導体として、ＩｎＮ、ＬａＢ６、ＣｅＢ６、等を挙げることができる。これらのなかで、ＩｎＮ（０．７ｅＶ）は、比較的ＮＥＡ性が高いので、好ましい。ＩｎＮとしては、Ｉｎ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）又はＩｎ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ａｌ、Ｐ及びＺｎのから選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものを用いることができる。Ｉｎ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ａｌ、Ｐ、及びＺｎのから選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものは、Ｉｎ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）のスピン偏極電子発生能を高める。
前記ＧａＮ系の単結晶化合物半導体とは、ＧａＮの結晶系（ウルツ鉱構造）と同じ結晶系に属し、かつ、ＧａＮの格子定数と類似の格子定数を有する単結晶化合物半導体のことである。このような単結晶化合物半導体として、ＧａＮ、ＡｌＮ、等を挙げることができる。これらのなかで、ＧａＮ（３．４ｅＶ）及びＡｌＮ（６．３ｅＶ）は、比較的ＮＥＡ性が高いので、好ましい。ＧａＮとしては、Ｇａ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）又はＧａ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｐ及びＺｎのから選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものを用いることができる。Ｇａ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）にＣｓ、Ｒｂ、Ｃｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ａｌ、及びＰの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものは、Ｇａ１Ｎ１－ｘ（０＜ｘ＜１）のスピン偏極電子発生能を高める。
前記ＣｄＳ系の単結晶化合物半導体とは、ＣｄＳの結晶系（六方晶系又は立方晶系）と同じ結晶系に属し、かつ、ＣｄＳの格子定数と類似の格子定数を有する単結晶化合物半導体のことである。このような単結晶化合物半導体として、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ等を挙げることができる。これらのなかで、ＣｄＳ（２．４２ｅＶ）及びＣｄＳｅ（１．７３ｅＶ）は、比較的ＮＥＡ性が高いので好ましい。
前記ＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体に対する前記単結晶基板として、ＣａＦ２、ＣｅＯ２、ＮａＣｌ、ＹＳＺ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｒＯ２、スピネル構造Ｌｉ２ＴｉＯ４等を挙げることができる。これらの中で、ＺｎＳ（３．６ｅＶ）、ＺｎＳｅ（２．６７ｅＶ）及びＺｎＴｅ（１．４ｅＶ）は、前記ＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体の結晶系と同じ結晶系に属し、ＧａＡｓの格子定数と類似の格子定数を有し、かつ、光透過性が優れているので、好ましい。ＺｎＳｅとしては、Ｚｎ１Ｓｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）又はＺｎ１Ｓｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）にＯ及びＮの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものを用いることができる。Ｚｎ１Ｓｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）にＯ及びＮの中から選ばれた少なくとも一つ以上の元素が含有されるものは、Ｚｎ１Ｓｅ１－ｘ（０≦ｘ＜１）の光透過性の調整やＧａＡｓとの格子定数のマッチングの改善をする。ＺｎＳ及びＺｎＴｅについてもＺｎＳｅと同様である。
従来、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ及びＺｎＴｅはＩＩ－ＶＩ族化合物半導体であるので、例えば、ＺｎＳ又はＺｎＳｅ上にＧａＮ等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層を形成させた半導体発光素子が提案されている（特許文献２１）。しかし、前記ＧａＮ等のＩＩ－ＩＶ族化合物半導体層は、ｎ型ＧａＮのバッファ層、ｎ型ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）のクラッド層、ＧａｑＩｎ１－ｑＮ（０＜ｑ＜１）の活性層、ｐ型ＧａＮのキャップ層からなるものであり、本発明のようにＺｎＳ又はＺｎＳｅ上に直接的にＧａＡｓ系の化合物半導体層を形成させるものではなかった。また、例えば、不純物元素としてのマンガン（Ｍｎ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、サマリウム（Ｓｍ）、テルビウム（Ｔｂ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、セリウム（Ｃｅ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、塩素（Ｃｌ）、又はフッ素（Ｆ）のいずれか一を含有させたＺｎＳｅ上に化合物半導体を形成させた発光素子（特許文献２２）、及び、不純物元素としてのＩ、Ａｌ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｇａ又はＩｎを含有したｎ型ＺｎＳｅ基板上にＺｎＳｅ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＳｅＴｅ系活性層を含むエピタキシャル発光構造を形成させた発光素子が提案されている（特許文献２３、特許文献２４）。しかし、前記ＺｎＳｅに含有される不純物は、活性層からの青色によってＺｎＳｅのドーパントが黄色橙色の蛍光を発し、青色と黄色橙色によって赤紫、ピンク、紫の中間色を生成させるためであって、本発明のように単結晶基板の光透過性を向上させるためのものではない。
前記ＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体に対する前記単結晶基板として、ＢａＦ２及びＣａＦ２、等を挙げることができる。これらの中で、ＢａＦ２及びＣａＦ２は、前記ＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体の結晶系と同じ結晶系に属し、ＩｎＳｂの格子定数と類似の格子定数を有し、かつ、光透過性が優れているので、好ましい。
前記ＩｎＮ系の単結晶化合物半導体に対する前記単結晶基板として、単結晶ダイヤモンド、ＫＴａＯ３、ＬＳＡＴ（ランタン・ストロンチウム・アルミニウム・タンタルの混合酸化物）、ＬｉＦ、ＳｒＴｉＯ３、立方晶窒化硼素、等を挙げることができる。これらの中で、単結晶ダイヤモンド（５．４７ｅＶ）及び立方晶窒化硼素（６ｅＶ）は、前記ＩｎＮ系の単結晶化合物半導体の結晶系と同じ結晶系に属し、ＩｎＮの格子定数と類似の格子定数を有し、かつ、光透過性が優れているので、好ましい。
従来、ｎ型ＡｌＮ、ｐ型ＡｌＮ、ｎ型窒化ホウ素（ＢＮ）、ｐ型ＢＮ、ｎ型シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ｐ型ＳｉＣ、ｎ型ダイヤモンド、ｐ型ダイヤモンドのいずれか１つを基板として用い、該基板上に、アンドープＡｌＮ層、ｎ型ＡｌＮ層、ｐ型ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させ、ＡｌＮのｐｎ接合を形成させ、これにより、欠陥の少ないアンドープＡｌＮ層によって電気的特性の優れたｎ型ＡｌＮ層、ｐ型ＡｌＮ層を得、発光波長２００ｎｍ付近において発光出力を大幅に増加できる半導体素子が提案されている（特許文献２５）。しかし、前記基板上に形成させるものはＡｌＮ層であって、本発明のようにＩｎＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜ではない。
前記ＧａＮ系の単結晶化合物半導体に対する前記単結晶基板として、六方晶窒化硼素、ＭｇＦ、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＡｌＮ、等を挙げることができる。これらのなかで、六方晶窒化硼素（６ｅＶ）およびＺｎＯ（３．４３６ｅＶ）は、前記ＧａＮ系の単結晶化合物半導体の結晶系と同じ結晶系に属し、ＧａＮの格子定数と類似の格子定数を有し、かつ、光透過性が優れているので、好ましい。
従来、グラファイト型窒化ホウ素薄膜（１２）上にウルツ鉱型ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ＞０）薄膜（１４）をバッファ層として形成させ、更にその上にＧａＮ等のウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＢＮ（１３）窒化物半導体を成長させることが提案されている（特許文献２６）。しかし、前記グラファイト型窒化ホウ素薄膜上にＧａＮ等のウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＢＮ窒化物半導体（１３）構造を成長させるには、ウルツ鉱型ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（ｘ＞０）（１４）をバッファ層として形成させる必要があるので、本発明のように六方晶窒化ホウ素又はＺｎＯの単結晶基板上に直接ＧａＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜を形成させるものではない。また、従来、１０ｐｐｂ以上０．１モル％以下の遷移金属を含有し、Ｘ線回折におけるロッキングカーブの半値幅が１．５分以下で、主面が（０００１）劈開面若しくは（１－１００）劈開面と垂直な研磨面から構成されるＩＩＩ－Ｖ族窒化物単結晶基板１１上に、直接又はＩＩＩ－Ｖ族窒化物の低温バッファ層１３を介して、ＭＯＣＶＤ法によって窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化インジウム及びこれらの物質からなる混晶の中から選ばれた少なくとも１種のＩＩＩ－Ｖ族窒化物の単結晶膜１２、１４、１５を成膜することによって形成された発光素子やダイオード等の半導体素子が提案されている（特許文献２７）。しかし、前記窒化ホウ素上に形成されるものは同族の窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化インジウムの単結晶膜であって、本発明のように六方晶窒化ホウ素の単結晶基板の上に直接ＧａＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜を形成させるものではない。
前記ＣｄＳ系の単結晶化合物半導体に対する前記単結晶基板として、ＣｄＳｅ、ＢａＴｉＯ３、ＣａＣＯ３、ＤｙＳｃＯ３、ＧａＮ、ＧａＳｃＯ３、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＳｉＯ２、ＴｂＳｃＯ３、ＹＡｌＯ３、等を挙げることができる。これらのなかで、ＧａＮ（３．４ｅＶ）は、前記ＣｄＳ系の単結晶化合物半導体の結晶系と同じ結晶系に属し、ＣｄＳの格子定数と類似の格子定数を有し、かつ、光透過性が優れているので、好ましい。
前記単結晶化合物半導体の薄膜の厚みは、光吸収による電子の発生効率から好ましい範囲を定めることができる。本発明における単結晶化合物半導体の薄膜の厚みは、通常、５０ｎｍ～５００ｎｍの範囲にあるのが、好ましい。５０ｎｍよりも薄くても、例えば５ｎｍ程度でも使用可能であるが、薄すぎると寿命が短いので、あまり好ましくない。５００ｎｍよりも厚くても、例えば１０００ｎｍ程度でも使用可能であるが、光吸収により単結晶化合物半導体の内部で発生する電子が表面から飛び出しにくくなるので、あまり好ましくない。
本発明スピン偏極電子発生フォトカソードは、当該スピン偏極電子発生フォトカソードにおける単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、当該スピン偏極電子発生フォトカソードにおける単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１以上の電子線を発生させることができる。電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１以上の電子線を発生させることができるフォトカソードは、本発明が最初であり、従来ほとんど知られていなかったことである。電子線輝度１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１は、従来の裏面照射型のスピン偏極電子発生素子（特許文献１～４）が発生する電子の電子線輝度に比べて、少なくとも１万倍高い。この理由は、本発明スピン偏極電子発生フォトカソードが、単結晶基板上に中間層、バッファ層及び超格子層を有しないからであると考えられる。また、本発明スピン偏極電子発生フォトカソードの量子効率及び電子線輝度は、それぞれ、概ね５．５％以上及び１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１以上であり、従来の裏面照射型のスピン偏極電子発生素子（特許文献１～４）が発生する電子の量子効率及び電子線輝度に比べて、それぞれ、少なくとも１０倍及び１万倍高い。この理由も、本発明スピン偏極電子発生フォトカソードが、前記単結晶基板の表面が最大でも数ナノメートル程度の平坦な清浄面を有することにより、単結晶基板上に中間層やバッファ層を有しないとすることができるからである。また、単一の単結晶基板上に形成させた単結晶化合物半導体の薄膜において、単結晶基板との界面近傍における電子のエネルギー分布と単結晶化合物半導体の薄膜の表面近傍における電子のエネルギー分布とは、表面近傍に近づくほど電子のエネルギー分布が指数関数的に減衰する傾向があるので、つまり、低エネルギー分散であるので、このことも、電子線の輝度の大きな向上に寄与している。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、当該スピン偏極電子発生フォトカソードにおける単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、当該スピン偏極電子発生フォトカソードにおける単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１以上及びスピン偏極度が９０％以上の高スピン偏極高輝度電子線を発生させることができる。スピン偏極度９０％以上は、従来の裏面照射型のスピン偏極電子発生素子（特許文献１～４）が発生する電子のスピン偏極度と同程度である。本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードがその非常にシンプルな構造であるにもかかわらず、高スピン偏極高輝度電子を発生させることができることは本発明が最初であり、従来、ほとんど知られていなかったことである。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、当該スピン偏極電子発生フォトカソードにおける単結晶基板及び単結晶化合物半導体の薄膜を有機金属気相成長法を用いて形成させることにより、作製することができる。具体的には、不活性ガス密閉容器中、常圧下、作製しようとする単結晶基板の組成比に相当する有機金属ガスをキャリアガスとともに加熱された例えばサファイア基板上に流通させることにより、該加熱サファイア基板上で有機金属ガスの熱分解を起こさせ、該加熱サファイア基板上に単結晶基板を形成させる。次に、得られた単結晶基板上に、作製しようとする単結晶化合物半導体の組成比に相当する有機金属ガスをキャリアガスとともに流通させながら、該基板上で有機金属ガスの熱分解を起こさせ、該単結晶基板上に単結晶化合物半導体の薄膜を形成させる。このことにより、本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードを作製することができる。他の方法としては、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｉａｌ）法が考えられるが、ＭＢＥ法は操作方法が複雑であること、広い面積の加工が困難であること等の問題があるので、産業利用上、好ましくない。これに対し、本発明に用いる有機金属気相成長法は、操作方法が比較的簡単であり、大面積の加工が可能であるので、産業利用上、非常に好ましい。
以下に図面を参照しつつ本発明の一側面を実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）として詳細に説明する。電子線の輝度は、光を試料の基板側に照射したときに試料の単結晶化合物半導体の薄膜から発生する電子線の電流値を、発する電子線の断面積及び立体角の値で除することによって求められる。電子線のスピン偏極度は、光を試料の基板側に照射したときに試料の単結晶化合物半導体の薄膜から発生する電子線に対して偏光レーザー光（通常は円偏光レーザー光）をあてたときに、電子線の進行方向へ後方散乱されるレーザー逆コンプトン散乱ガンマ線又はＸ線をコンプトンポーラリメトリーにより検出することによって行うことができる。このとき、レーザーの円偏光を左右切換えると、横偏極電子に対する後方散乱ガンマ線又はＸ線の散乱角分布には上下又は左右の非対称性に差が現れ、縦偏極電子に対しては後方散乱ガンマ線又はＸ線のエネルギー分布に差が現れるので、該後方散乱ガンマ線又はＸ線の上下分布又はエネルギー分布を測定し、左右円偏光に対する非対称度を求め、１００％偏極のときの非対称度に対する比として電子線の偏極度を測定することができる。
図１は、従来のスピン偏極電子発生素子の構造を説明する概略図である。従来のスピン偏極電子発生素子Ａは、基板３の上に少なくとも中間層やバッファ層２を形成させ更にその上にＮＥＡ活性層１を形成させたスピン偏極電子発生素子であるので、素子自体の構造が非常に複雑であるだけでなく、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｉａｌ）等の非常に高度な製造方法を必要とする場合がある。励起光４は基板３の下部に照射されＮＥＡ活性層１からスピン偏極電子（高輝度電子）が発生する。
図２は、光を吸収してスピン偏極電子を発生する単結晶化合物半導体に対して選ばれた単一の単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたスピン偏極電子発生能を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなる本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードの構造を説明する概略図である。前記単結晶化合物半導体の薄膜を形成させるための前記単結晶基板の表面は、ナノメートルレベルの平坦性を有する。前記単結晶基板は、通常、１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する。前記単結晶化合物半導体は、通常、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する。また、前記単結晶化合物半導体は、通常、５０ｎｍ～５００ｎｍの厚さを有する。
図３に示すように、本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードにおける単結晶基板としてのＺｎＳｅの単結晶基板の表面を高分解能ＳＥＭにより観察したところ、ＺｎＳｅ単結晶基板の表面は、まったく凹凸が観察されないほど、非常に平坦であることがわかる。
図４に示すように、本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードにおけるＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜の最表面を高分解能ＳＥＭにより観察したところ、ＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜の最表面は、まったく凹凸が観察されないほど、非常に平坦であることがわかる。
図５に示すように、ＺｎＳｅの単結晶基板上にＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜（厚さ約３００ｎｍ）を形成させた本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードのＸＲＤ測定をしたところ、単結晶ＺｎＳｅに帰属されるピークａと、単結晶化合物半導体ＧａＡｓに帰属されるピークｂが観測される。このことから、ＺｎＳｅの単結晶基板上にＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜がエピタキシャル成長していることがわかる。
図６に示すように、ＺｎＳｅの単結晶基板の上に約３００ｎｍの厚みのＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜を形成させたものについて、波長７８５ｎｍのレーザー光を照射し、レーザーパワー対フォトカソード電流の関係を調べたところ、ＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜の表面から発生する電子の電流値は、照射光のパワーに正比例することがわかる。
ＺｎＳｅの単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜（厚み約３００ｎｍ）と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍのレーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＳｅの単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓ（Ｚｎを含有する）の単結晶化合物半導体の薄膜（厚み約３００ｎｍ）と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長７８５ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＳの単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜（厚み約３００ｎｍ）と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍのレーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＳの単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓ（Ｚｎを含有する）の単結晶化合物半導体の薄膜（厚み約３００ｎｍ）と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＴｅの単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓの単結晶化合物半導体の薄膜（厚み約３００ｎｍ）と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長１０６０ｎｍのレーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＴｅの単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓ（Ｚｎを含有する）の単結晶化合物半導体の薄膜（厚み約３００ｎｍ）と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長１０６０ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＭｇＴｅの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＳｂの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍのレーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＭｇＴｅの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＳｂ（Ｚｎを含む）の単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍのレーザー光を照射したときに発生する電子線は、約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ダイヤモンドの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍのレーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
立方晶窒化硼素又はウルツ構造窒化硼素の単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
立方晶窒化硼素又はウルツ構造窒化硼素の単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＮ（Ｚｎを含有する）の単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＯの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＯの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮ（Ｚｎを含有する）の単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
六方晶窒化硼素の単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
六方晶窒化硼素の単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮ（Ｚｎを含む）の単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約９０％のスピン偏極度と約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
立方晶窒化硼素又はウルツ構造窒化硼素の単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＩｎＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＺｎＯの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
六方晶窒化硼素の単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
ＧａＮの単結晶基板と、該基板上にエピタキシャル成長させたＣｄＳの単結晶化合物半導体と、からなるフォトカソードについて、該フォトカソードに波長５３２ｎｍの偏光レーザー光を照射したときに発生する電子線は、約１×１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１の電子線輝度を示す。
本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードは、有機金属気相成長法を用いて製造することができる。例えば、不活性ガス密閉容器中、常圧下、作製しようとするＺｎＳｅ単結晶基板の組成比に相当する有機金属亜鉛のガス及び有機金属セレンのガスをキャリアガスとともに加熱サファイア基板上に流通させながら、該加熱サファイア基板の上で有機金属ガスを熱分解させ、該加熱サファイア基板上にＺｎＳｅ単結晶を形成させる。次に、得られたＺｎＳｅ単結晶基板上に、作製しようとするＧａＡｓ単結晶化合物半導体の薄膜の組成比に相当する有機金属ガリウムのガス及び有機金属ヒ素のガスをキャリアガスとともに前記ＺｎＳｅ単結晶基板上に流通させながら、該ＺｎＳｅ単結晶基板上で有機金属ガスを熱分解させ、該ＺｎＳｅ単結晶基板上にＧａＡｓ単結晶化合物半導体の薄膜を形成させる、ことにより製造することができる。有機金属気相成長法は、大型の高価な製造装置を必要とせず、常圧下、大面積の高速成長が可能であり、原子層単位のエピタキシャル成長を行うことができる。
本発明は、簡易な構造を有する裏面照射用のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであるので、電子顕微鏡及び加速器のための電子源材料として利用することができる。
Ａ 従来のスピン偏極電子発生素子
Ｂ 本発明の高輝度電子発生素子
１ ＮＥＡ活性層
２ 中間層とバッファ層
３ 基板
４ 励起光の照射方向
５ スピン偏極電子（高輝度電子）の発生方向
６ 単結晶化合物半導体の薄膜
７ 単結晶基板
Ｂ 本発明の高輝度電子発生素子
１ ＮＥＡ活性層
２ 中間層とバッファ層
３ 基板
４ 励起光の照射方向
５ スピン偏極電子（高輝度電子）の発生方向
６ 単結晶化合物半導体の薄膜
７ 単結晶基板
Claims (13)
- 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＺｎＳ又はＺｎＴｅである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有するＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＺｎＳ又はＺｎＴｅである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有するＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＺｎＳｅである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有するＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＺｎＳｅである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有するＧａＡｓ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＭｎＴｅ及びＣｄＺｎＴｅの中から選ばれた一つである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有するＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＭｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＭｎＴｅ及びＣｄＺｎＴｅの中から選ばれた一つである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有するＩｎＳｂ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素である単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有するＩｎＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素である単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有するＩｎＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＺｎＯ又は六方晶窒化ホウ素である単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有するＧａＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＺｎＯ又は六方晶窒化ホウ素である単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有するＧａＮ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＧａＮである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しかつＮＥＡ性を有するＣｄＳ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 最大でも数ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するＧａＮである単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、０．１５ｅＶから６．５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有しＮＥＡ性及びスピン偏極電子発生能を有するＣｄＳ系の単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、
前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に１．５ｅＶから１０ｅＶの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が１０７Ａｃｍ－２ｓｒ－１程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が９０％以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。 - 前記単結晶化合物半導体が５０ｎｍ～５００ｎｍの厚みであることを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。
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