JPH07192607A - 偏極電子線発生素子 - Google Patents

偏極電子線発生素子

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JPH07192607A
JPH07192607A JP33276693A JP33276693A JPH07192607A JP H07192607 A JPH07192607 A JP H07192607A JP 33276693 A JP33276693 A JP 33276693A JP 33276693 A JP33276693 A JP 33276693A JP H07192607 A JPH07192607 A JP H07192607A
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JP
Japan
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semiconductor photoelectric
layer
electron beam
photoelectric layer
semiconductor
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Application number
JP33276693A
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English (en)
Inventor
Toshihiro Kato
俊宏 加藤
Takashi Saka
貴 坂
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Daido Steel Co Ltd
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
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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
0.6 Ga0.4 Asと厚さが61nm程度のp−Al
0.1 Ga0.9 As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Al0.6 Ga0.4 AsおよびAl0.1 Ga0.9
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、Alx Ga
1-x As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、Al0.6 Ga0.4 Asの膜厚tB =67nm,A
0.1 Ga0.9 Asの膜厚tB =61nmとされている
のである。なお、Al0.6 Ga0.4 Asに代えてそれよ
りもAlの混晶比xが大きなAlxGa1-x As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−GaAs0.830.17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
aAs1-y 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λS =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λS は (4)式からλS =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)λS 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λS 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、λS 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λS 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
aAs0.830.17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Al0.6 Ga0.4 As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)
λS 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 (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
JP33276693A 1993-12-27 1993-12-27 偏極電子線発生素子 Pending JPH07192607A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100231682A1 (en) * 2009-03-16 2010-09-16 Fuji Xerox Co., Ltd. Light-emitting device, print head and image forming apparatus

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