JPH07192607A

JPH07192607A - 偏極電子線発生素子

Info

Publication number: JPH07192607A
Application number: JP33276693A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kato; 俊宏加藤; Takashi Saka; 貴坂
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】【目的】偏極電子線発生素子の量子効率を更に改善す
る。【構成】偏極電子線発生素子は、基板と、その基板の
上に順次結晶成長させられた半導体多層膜反射層，バッ
ファ層、および半導体光電層１８を備えている。この半
導体光電層１８の表面２２には多数の凸部２６が４μｍ
程度の間隔で設けられている。この凸部２６は、平面形
状が矩形であって、矩形の凹穴２８を隔てて等間隔で規
則正しく配列されている。上記凸部２６および凹穴２８
は、断面形状も略矩形とされており、両者の高さの差ｄ
は、１２０ｎｍ程度とされている。この高さの差ｄは、
凸部２６および凹穴２８の何れで反射される光も共振さ
せられるように、その光学的長さが前記定在波の波長λ
_Sの自然数倍とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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偏極電子線発生素子の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スピン方向が２種類のうちの一方に偏在
している電子群から成る偏極電子線は、たとえば、高エ
ネルギー素粒子実験分野においては原子核内部の磁気構
造を、物性物理実験分野においては物質表面の磁気構造
を調査する上で有効な手段として利用されている。かか
る偏極電子線は、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を備えた偏極電子線発生素子を用
い、その半導体光電層に励起光を入射させることによっ
て取り出すことが可能である。この偏極電子線発生素子
としては、例えば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僅かに異なるＧ
ａＡｓ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ＧａＡｓ半導体がある。これによれば、ＧａＡ
ｓＰ半導体に対して格子定数が異なるＧａＡｓ半導体が
ヘテロ結合させられることにより、そのＧａＡｓ半導体
には格子歪が付与されるため、その価電子帯にバンドス
プリッティングが発生してヘビーホールのサブバンドと
ライトホールのサブバンドにエネルギー準位差が生じる
一方、両サブバンドの励起によって取り出される電子の
スピン方向は互いに反対向きであるため、エネルギー準
位が高い方すなわち伝導帯とのエネルギーギャップが小
さい方のサブバンドのみを励起するような光エネルギー
をＧａＡｓ半導体に注入すれば、一方のスピン方向に偏
在した電子群が専ら励起されて放出され、高い偏極率を
備えた偏極電子線が得られるのである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
偏極電子線発生素子においては必ずしも十分な量子効率
（ＱＥ）が得られず、発生電子線量が少ないという問題
があった。このため、例えば磁区の観察を行うために
は、十分な電子線量を得るために長時間励起光を照射す
る必要があり、リアルタイムで磁区の動きを観察するこ
とは困難であった。なお、半導体光電層を厚くすれば励
起光の吸収が増えて量子効率は向上するが、半導体光電
層に付与される歪が少なくなるとともに半導体内におけ
る散乱などでスピンが変化するため、偏極率が低下する
傾向となる。

【０００４】そこで、本出願人等は先に、特願平４−２
８０８２２号において、半導体光電層の表面との間に励
起光を共振させる光共振器を構成する反射層を、半導体
光電層の裏側に設けた偏極電子線発生素子を提案した。
斯かる偏極電子線発生素子によれば、励起光が共振させ
られることにより半導体光電層による励起光の吸収量が
増加するとともに、励起光で励起される電子線量が多く
なって量子効率（ＱＥ）が向上するのである。

【０００５】しかしながら、上記の偏極電子線発生素子
において、反射層は比較的高い反射率で定在波を反射す
るが、光共振器を構成する一方の反射面として用いられ
ている半導体光電層の表面は比較的多くの光を透過させ
る。その透過率は、一般的には３２％程度であることが
知られているが、そのため、全体の反射率が低く抑えら
れ、共振させられる励起光は一部に過ぎない。したがっ
て、上記の偏極電子線発生素子によって得られる量子効
率によっても、磁区構造の高速の動的観察等は未だ困難
なものであった。

【０００６】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、偏極電子線発生素子
の量子効率を更に改善することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
めに、本発明の要旨とするところは、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
光電層の表面からスピン方向が偏在している偏極電子線
を発生する偏極電子線発生素子において、前記半導体光
電層を透過した前記励起光を反射することによりその半
導体光電層の表面との間にその励起光を共振させる光共
振器を構成する反射層を、その半導体光電層の裏側に設
けると共に、その半導体光電層の表面に多数の凹凸を設
けたことにある。

【０００８】

【作用および発明の効果】このような偏極電子線発生素
子においては、半導体光電層を透過した前記励起光を反
射することによりその半導体光電層の表面との間に励起
光を共振させる光共振器を構成する反射層がその半導体
光電層の裏側に設けられているため、半導体光電層に入
射させられた励起光は上記光共振器内で共振させられ
る。このとき、光共振器の一方の反射面を構成する半導
体光電層の表面に多数の凹凸が設けられているため、そ
の表面から前記励起光が外部に出る場合には、凹部と凸
部とからそれぞれ出る励起光に位相差が生じて干渉が起
きることによりその励起光が減衰させられ、結果として
外部に出る励起光が減少させられる。そのため、半導体
光電層表面での反射率が向上して、全体の反射率が比較
的高くなり、高い量子効率が得られるのである。好適に
は、上記凹部と凸部との高さの差は、上記位相差がπに
近くなるように設定される。そのようにすれば、上記凹
部と凸部とから出る前記励起光が干渉により略零にさせ
られ、半導体光電層表面での反射率は１００％に近づく
ことになって、一層高い量子効率が得られる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１０】図１は、偏極電子線発生素子１０の要部構
成を示している。図において、偏極電子線発生素子１０
は、基板１２と、よく知られたＭＯＣＶＤ（有機金属化
学気相成長）装置によりその基板１２の上に順次結晶成
長させられた半導体多層膜反射層１４，バッファ層１
６、および半導体光電層１８を備えている。

【００１１】上記基板１２は３５０μｍ程度の厚みであ
って、Ｚｎが不純物としてドープされることによりキャ
リア濃度が５×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度とされたｐ−Ｇａ
Ａｓであり、表面は（１００）面である。また、上記半
導体多層膜反射層１４は、厚さが６７ｎｍ程度のｐ−Ａ
ｌ_0.6 Ｇａ_0.4 Ａｓと厚さが６１ｎｍ程度のｐ−Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ａｓとを前者が基板１２側になるように交
互に３０ペア積層したもので、円偏光である励起レーザ
光２０の波長λに対して充分に広い帯域幅を備えた反射
特性を備えている。これら２種類の半導体は、何れもＺ
ｎが不純物としてドープされることによりキャリア濃度
が５×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度とされている。

【００１２】上記の半導体多層膜反射層１４は、屈折率
の異なる２種類の化合物半導体を１／４波長の光学的厚
さで交互に積み重ねて形成されることにより、光波干渉
によって上記励起レーザ光２０を反射する所謂ブラッグ
反射鏡であって、その半導体多層膜反射層１４を構成し
ているＡｌ_0.6 Ｇａ_0.4 ＡｓおよびＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａ
ｓの膜厚は、それ等の屈折率および励起レーザ光２０の
波長に基づいて定められている。すなわち、Ａｌ_xＧａ
_1-xＡｓの屈折率ｎ（ｘ）は次式 (1)に従って求めら
れ、ｎ（０．６）＝３．１９６，ｎ（０．１）＝３．５
２であるため、波長λ＝８６０ｎｍとして次式 (2)に従
って、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓの膜厚ｔ_B＝６７ｎｍ，Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓの膜厚ｔ_B＝６１ｎｍとされている
のである。なお、Ａｌ_0.6 Ｇａ_0.4 Ａｓに代えてそれよ
りもＡｌの混晶比ｘが大きなＡｌ_xＧａ_1-xＡｓを用い
れば、屈折率差が大きくなって反射率が高くなり、かつ
反射帯域幅が拡がるが、混晶比ｘが０．６より大きくな
るとＺｎの高濃度ドープが困難となり、導電率が低下し
て好ましくないのである。

【００１３】

【数１】

【００１４】また、前記バッファ層１６は、１２２０ｎ
ｍ程度の厚みを備えたものであって、Ｚｎが不純物とし
てドープされることによりキャリア濃度が５×１０
¹⁸（ｃｍ ^-3）程度とされたｐ−ＧａＡｓ_0.83Ｐ_0.17であ
る。また、上記半導体光電層１８は、４２０ｎｍ程度の
厚みを備えたものであって、Ｚｎが不純物としてドープ
されることによりキャリア濃度が５×１０¹⁸（ｃｍ^-3）
程度とされたｐ−ＧａＡｓである。なお、図１における
各半導体の厚さは必ずしも正確な割合で示したものでは
ない。

【００１５】上記半導体光電層１８の格子定数はバッフ
ァ層１６よりも大きいため、半導体光電層１８は二次元
圧縮応力が作用させられて格子歪を有する状態でバッフ
ァ層１６上にヘテロ結合させられる。この格子歪によ
り、半導体光電層１８の価電子帯にバンドスプリッティ
ングが発生し、ヘビーホールのサブバンドとライトホー
ルのサブバンドとにエネルギー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
向は互いに反対向きであるため、エネルギー準位の高い
方すなわちヘビーホールのサブバンドのみを励起する光
エネルギーが半導体光電層１８の表面２２に入射される
と、一方のスピン方向に偏在した電子群が専ら励起され
て放出される。

【００１６】上記のバッファ層１６および半導体光電層
１８の厚さは、以下のように定められたものである。Ｇ
ａＡｓ_1-yＰ_yの屈折率ｎ（ｙ）は下記 (3)式で与えら
れるため、バッファ層１６の屈折率はｎ（０．１７）＝
３．５１６であり、バッファ層１６内での定在波２４の
波長は下記 (4)式からλ_S＝１２２ｎｍである。一方、
半導体多層膜反射層１４は、屈折率の大きい方の半導体
が表面に位置させられているため、図２に示すように、
その表面すなわちバッファ層１６の裏面には定在波２４
の節が生じる。したがって、バッファ層１６の厚さは、
その表面に定在波２４の節が生じるようにするため、λ
_Sの自然数倍（本実施例では１０倍）である１２２０ｎ
ｍとされている。また、ＧａＡｓの屈折率はｎ＝３．５
９であるので、半導体光電層１８内での定在波２４の波
長λ_Sは (4)式からλ_S＝１２０ｎｍであり、半導体光
電層１８の表面には定在波２４の腹が生じる。上述のよ
うに半導体光電層１８の裏面には定在波２４の節が生じ
るようにバッファ層１６の厚みが設定されているため、
半導体光電層１８の厚さは（１／２）λ_Sの奇数倍（本
実施例では７倍）である４２０ｎｍとされているのであ
る。

【００１７】

【数２】

【００１８】また、上記の半導体光電層１８の表面２２
には、図３および図４に示すように多数の凸部２６が４
μｍ程度の間隔で設けられている。この凸部２６は、平
面形状が図３に示すように矩形であって、斜線で示す矩
形の凹穴２８を隔てて等間隔で規則正しく配列されてい
る。図４は、表面２２の断面構造を示すものであって、
上記凸部２６および凹穴２８は、断面形状も略矩形とさ
れており、両者の高さの差ｄは、１２０ｎｍ程度とされ
ている。この高さの差ｄは、凸部２６および凹穴２８の
何れで反射される光も共振させられるように、その光学
的長さが前記定在波の波長λ_Sの自然数倍、すなわち、
ｋを自然数としたとき、ｋλ／（２ｎ）とされている。
本実施例においては、λ_Sに等しい長さとされている。
なお、半導体光電層１８の厚さは、その裏面から上記凸
部２６の上面までが４２０ｎｍ程度とされており、した
がって、凹部２８の上面までの厚さは３００ｎｍ程度に
なっている。

【００１９】上記凸部２６は、以下のようにして形成さ
れる。先ず、基板１２上に各層１４，１６，１８を結晶
成長させ、表面２２を脱脂洗浄したあと、通常のフォト
リソグラフィ技術により図３に示すような格子状のマス
クを用いてパターニングを行う。次にリン酸系のエッチ
ャントを用いてエッチングすることにより、凹穴２８を
形成する。そしてレジストを除去すると前記凸部２６が
形成されているのである。このとき、処理液の種類や処
理時間、温度等のエッチング条件を適宜設定することに
より、エッチング深さすなわち凸部２６と凹穴２８との
高さの差ｄが例えば１２０ｎｍとされているのである。

【００２０】上記偏極電子線発生素子１０は、図示しな
い偏極電子線発生装置内に取り付けられ、１０^-9torr程
度の超高真空中で、その表面２２がＮＥＡ（Negative E
lectron Affinity：負電子親和力）状態にされた後、波
長λが８６０ｎｍ程度の円偏光レーザ光２０が照射され
ると、半導体光電層１８のヘビーホールのサブバンドが
励起されて、偏極電子線が取り出される。取り出された
偏極電子線はモットアナライザー等によって偏極率およ
び量子効率が測定される。

【００２１】ここで、上記偏極電子線発生素子１０によ
れば、半導体多層膜反射層１４、バッファ層１６、半導
体光電層１８の混晶比および厚さが前記のように設定さ
れているため、半導体光電層１８の表面２２と半導体多
層膜反射層１４との間では、励起レーザ光２０を共振さ
せる光共振器が構成されて定在波２４が生じ、半導体光
電層１８での励起レーザ光２０の吸収率が高くなって量
子効率が向上するのである。このとき、表面２２に凹凸
が設けられているため、上記共振状態においてその表面
２２から励起レーザ光２０が出る場合には、凸部２６と
凹穴２８とからそれぞれ出る励起レーザ光２０に位相差
が生じて干渉が起きることによりその励起レーザ光２０
が減衰させられ、結果として外部に出る励起レーザ光２
０が減少させられる。そのため、半導体光電層１８表面
での反射率が向上して、全体の反射率が比較的高くな
り、高い量子効率が得られるのである。なお、上記偏極
電子線発生素子１０においては、前記の偏極電子線発生
装置を用いてモットアナライザーで測定した結果、従来
の半導体多層膜反射層１４を備えていない偏極電子線発
生素子に比較して約１０倍、備えているものに比較して
も約２〜３倍の量子効率の向上が認められ、反対に偏極
率の低下は特に認められなかった。

【００２２】上記位相差は、半導体光電層１８の外部と
内部とで光の屈折率が異なって励起レーザ光２０の見か
けの波長が異なることに起因するものである。凸部２６
と凹穴２８との高さの差ｄが定在波２４の波長λ_Sの自
然数倍とされているため、凸部２６と凹穴２８とからそ
れぞれ出る励起レーザ光２０には、図５に示すように、
その高さの差ｄに応じた位相差（ｎ−１）ｄが生じる。
位相差が生じれば必ず干渉によって減衰が生じるため、
位相差が僅かでもあれば、反射率が向上するのである。
但し、ｍを自然数としたとき、この位相差が（λ／２）
×（２ｍ−１）に近い値となるように高さの差ｄを設定
すれば、上記凹部２６と凸穴２８とから出る励起レーザ
光２０が干渉により略零にさせられ、半導体光電層１８
表面での反射率は１００％に近づくことになって、一層
高い量子効率が得られる。上記高さの差ｄは、前述のよ
うにｄ＝ｋλ／（２ｎ）であることから、下記 (5)式を
解くと (6)式が得られる。すなわち、励起レーザ光２０
の波長に拘らず、ｍ（ｎ−１）／ｎが奇数に近い値とな
るときに比較的高い反射率が得られることになる。本実
施例においては、λ＝８６０ｎｍ、ｎ＝３．５９である
から、ｋ＝１，４，７，・・・のとき、すなわちｄ＝１
２０，４８０，８４０ｎｍのときに比較的高い反射率が
得られ、一層高い量子効率が得られるのである。但し、
ｄを大きくするためには、半導体光電層１８の厚さを一
層大きくする必要があり、本実施例のように、半導体光
電層１８にバッファ層１６との格子定数の差に基づく格
子歪を与えてバンドスプリッティングを発生させる構造
の場合には、表面２２側の歪が小さくなるため、ｄは比
較的小さい値が好ましい。

【００２３】

【数３】

【００２４】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することも
できる。

【００２５】例えば、前述の実施例では、半導体光電層
１８はｐ−ＧａＡｓから構成され、バッファ層１６はＧ
ａＡｓ_0.83Ｐ_0.17から構成されていたが、それ等の半導
体の組成や種類は変更されてもよい。例えばＧａＡｓや
ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ等のストレインド化合物
半導体、価電子帯に元々バンドスプリッティングを有す
るカルコパイライト型半導体、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ
等の薄膜が積層された超格子、或いはＩｎＧａＰ等を用
いることも可能である。

【００２６】また、前記実施例では基板１２としてＧａ
Ａｓが用いられていたが、ＡｌＧａＡｓ等の他の化合物
半導体やＳｉ基板等を用いることも可能である。

【００２７】また、前記実施例では半導体光電層１８の
格子定数がバッファ層１６より大きく、圧縮応力が作用
させられるようになっていたが、バッファ層１６よりも
半導体光電層１８の方が相対的に格子定数が小さく、引
張応力によって格子歪が生じさせられるようにすること
もできる。

【００２８】また、前記実施例の半導体多層膜反射層１
４のＡｌの混晶比は適宜変更され得るものであり、実施
例とは反対にＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓが表面となるように
積層しても良い。なお、その場合には、半導体多層膜反
射層１４の表面には定在波２４の腹が生じるため、バッ
ファ層１６或いは半導体光電層１８の厚さを（１／２）
λ_Sだけ変更する必要がある。

【００２９】また、前記実施例においては、バッファ層
１６と半導体光電層１８との界面に定在波２４の節が生
じるように構成されていたが、定在波２４の腹が生じる
ようにしても良く、また、腹と節との中間が位置するよ
うにしても良い。

【００３０】また、前記実施例ではＭＯＣＶＤ法を用い
て半導体多層膜反射層１４および半導体光電層１８を形
成した場合について説明したが、ＭＢＥ（分子線エピタ
キシー）法等の他のエピタキシャル成長技術を用いるこ
とも勿論可能である。

【００３１】また、基板１２や、各半導体層１４，１
６，１８の厚さは、励起レーザ光２０の波長や必要とす
る量子効率と偏極率等によって適宜変更されるものであ
る。

【００３２】その他、一々例示はしないが、本発明はそ
の主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である偏極電子線発生素子の
構成を説明する図である。

【図２】図１の偏極電子線発生素子における定在波の状
態を説明する図である。

【図３】図１の偏極電子線発生素子の表面の状態を示す
図である。

【図４】図３のIV−IV視断面図である。

【図５】図１の偏極電子線発生素子の表面における励起
光の位相差を説明する図である。

【符号の説明】

１０：偏極電子線発生素子１４：半導体多層膜反射層（反射層）｛１６：バッファ層、１８：半導体光電層｝光共振器２０：励起レーザ光（励起光）２６：凸部２８：凹穴（凹部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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の表面からスピン方
向が偏在している偏極電子線を発生する偏極電子線発生
素子において、前記半導体光電層を透過した前記励起光を反射すること
により該半導体光電層の表面との間に該励起光を共振さ
せる光共振器を構成する反射層を、該半導体光電層の裏
側に設けると共に、該半導体光電層の表面に多数の凹凸
を設けたことを特徴とする偏極電子線発生素子。