WO2003065525A1 - Laser a semi-conducteurs a spin de polarisation circulaire utilisant un semi-conducteur magnetique et procede de generation de faisceaux laser - Google Patents

Laser a semi-conducteurs a spin de polarisation circulaire utilisant un semi-conducteur magnetique et procede de generation de faisceaux laser Download PDF

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Hiroshi Yoshida
Kazunori Sato
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Japan Science And Technology Agency
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Definitions

  • the present invention relates to a circularly polarized light semiconductor laser using a magnetic semiconductor and a method for generating laser light by the laser.
  • Semiconductor lasers are compact and have good compatibility with highly integrated semiconductor devices. Recently, high output using wide bandgap semiconductors has become possible, and the oscillation wavelength has been realized up to the ultraviolet region.
  • Magnetic semiconductor lasers have been known for a long time (for example, Patent Document 1), and circularly polarized semiconductor lasers having a specific polarization direction are also known.
  • a magnetic material electrode is provided at the upper part and / or lower part of a semiconductor device having a pn junction or a pin junction structure having an active region, and spin-polarized electrons or holes are injected into the active region by the magnetic material electrode.
  • An optical semiconductor device adapted to do so is known (Patent Document 2).
  • an “optical semiconductor device that oscillates circularly polarized light by injecting spin-polarized electrons into a semiconductor layer forming a heterojunction through a magnetic layer and recombining spin-polarized carriers” is known.
  • Patent Document 3 This device modulates circularly polarized light by reversing the magnetization of a magnetic material by an external magnetic field.
  • Patent Document 1 U.S. Pat. No. 3,986,194, specification and drawings (Japanese Patent Publication No. 52-36883)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-26072 (Patent No. 2708085) Publication Patent Document 3 U.S. Pat. No. 1 0 1 2 6 6)
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-32 1964
  • Non-Patent Document 1 ⁇ ⁇ Ando et. Al. Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 566 Disclosure of the invention
  • the emitted light can be perfectly circularly polarized due to the selection rule based on the dipole transition mechanism.
  • the present invention forms a p-type n-type half-metal ferromagnetic semiconductor that satisfies such a selection rule, and solves the above problem with a multiple quantum well serving as an active layer interposed therebetween.
  • the purpose is to develop a polarized spin semiconductor laser.
  • the present inventor has proposed that the p-type half-metal (in which the direction of the magnetic moment is in one direction) ferromagnetic semiconductor and the n-type half-metal ferromagnetic semiconductor are injected with current through a multiple quantum well serving as an active layer. 100% upward spin, 100 ° / n-type ferromagnetic semiconductor. It has been found that spinning down can realize a 100% circularly polarized spin semiconductor laser by current injection, and can solve the above problems.
  • the emission wavelength of a circularly polarized spin semiconductor laser can be freely controlled by controlling the band gap by mixing crystals of a ferromagnetic semiconductor, adjusting the superlattice period and width of the active layer, the strength of an external magnetic field, etc. be able to.
  • the present invention relates to a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor comprising a magnetic semiconductor containing zinc oxide ( ⁇ ⁇ ⁇ ), a ⁇ -V group compound semiconductor, or a ⁇ -VI group compound semiconductor and containing a transition metal atom, and n
  • Half-metallic ferromagnetic semiconductor sandwiches the multiple quantum wells serving as the active layer from both sides, and spin-polarizes holes and electrons by current injection.
  • a circularly polarized spin semiconductor laser using a magnetic semiconductor which is introduced into the active layer and generates circularly polarized laser light.
  • the present invention is characterized in that a gate is provided on each of a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and an n-type half-metal ferromagnetic semiconductor via a source, a drain, and a gate insulator layer. This is the above-described circularly polarized spin semiconductor laser.
  • the present invention is the above-described circularly polarized spin semiconductor laser, wherein electrodes are provided on each of a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and an n-type half-metal ferromagnetic semiconductor.
  • the present invention uses the above-described circularly polarized spin semiconductor laser to perform forward spin polarization injected from p-type and n-type half-metal ferromagnetic semiconductors created by applying a negative or positive voltage.
  • This is a method for generating laser light, characterized in that circularly polarized laser light is generated by recombining electrons spin-polarized in the opposite direction to holes in the active layer.
  • the present invention controls the spin polarization degree of the p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and the n-type half-metal ferromagnetic semiconductor by changing the applied voltage, thereby controlling the output and the polarization degree of the circularly polarized laser light emission.
  • the present invention provides circularly polarized light by changing the size of spin-polarized holes and electrons flowing between the source and drain provided in each of a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and an n-type half-metal ferromagnetic semiconductor.
  • the present invention relates to controlling the emission wavelength by applying an external magnetic field.
  • the present invention is the above-described laser light generation method, wherein the emission wavelength is controlled by controlling an applied voltage.
  • the present invention is characterized in that the emission wavelength is controlled by controlling the barrier height of the spin-cladding layer in the p-type and n-type regions near the active layer by using a superlattice structure.
  • the present invention also provides a circularly polarized spin semiconductor by adjusting the well width and gate voltage of the multiple quantum well in the active layer to change the g value of the electron spin, thereby making the intensity of the external magnetic field variable.
  • the present invention also provides the above-described circularly polarized spin semiconductor laser in which a gate is provided on each of a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and an n-type half-metal ferromagnetic semiconductor via a source, a drain, and a gate insulator layer.
  • the source is pinned in the magnetic domain direction by laminating a thin half-metal ferromagnetic semiconductor with an antiferromagnetic multilayer film to align the spin directions of electrons or holes injected by spin injection from the source to the drain using This is a method for generating a laser beam.
  • the present invention provides the above-described circularly polarized spin, wherein a gut is provided on each of a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and an n-type half-metal ferromagnetic semiconductor via a source, a drain, and a gate insulator layer.
  • the source is made of a half-metal ferromagnetic semiconductor in order to align the spin direction of electrons or holes injected by spin injection from the source to the drain, and a magnetic domain is controlled by a ferromagnetic permanent magnet to control the magnetic domain direction.
  • This is a method for generating laser light, characterized by pinning the direction.
  • the circularly polarized spin semiconductor laser of the present invention can be applied to various industrial applications such as production technology, information and communication technology, spectroscopy, nanotechnology, and quantum operation. The following can be specifically exemplified.
  • D-type and L-type isomers can be distinguished and used as a production technology to control the reaction to produce only a specific isomer.
  • reaction selectivity of circularly polarized light it can be applied to the treatment of diseases such as cataract and glaucoma caused by isomerization by reacting and decomposing only specific isomers, and to preventive treatment at an early stage.
  • Atomic and molecular manipulation technology using circularly polarized electron excitation in nanotechnology Use as a microfabrication manufacturing technology for nanotechnology by selectively exciting electrons with a laser using the circular polarization selectivity of surface atoms and adsorbed atoms on semiconductor surfaces and oxide surfaces to induce atom transfer. Can be done.
  • ⁇ -type and ⁇ -type half-metal ferromagnetic semiconductors or ⁇ -type and ⁇ -type half-metal ferromagnetic semiconductors fabricated using the field effect by changing the magnitude and sign of the gate voltage in a field-effect transistor, The flow of spin-coherent holes polarized only in one spin direction by current injection and the flow of spin-coherent electrons polarized in the spin direction opposite to the hole by current injection are used for ⁇ -type and ⁇ -type magnetic semiconductors, respectively.
  • the electrons that enter the conduction band and the holes that enter the valence band have opposite spins to each other.
  • 100% circularly polarized continuous wave (CT) laser can be generated from the selection rule.
  • the active layer of light emission is shown by CBM (Conduction Band Minimum: bottom of conduction band) and VBM (Valence Band Maximum: top of valence band) in the figure.
  • CBM Conduction Band Minimum: bottom of conduction band
  • VBM Value Band Maximum: top of valence band
  • the multiple quantum wells and the cladding layers arranged in the p-type and n-type regions are described above! It is sandwiched between n-type 100% spin-polarized magnetic semiconductors.
  • light is emitted by the cladding layer and multiple quantum wells.
  • the holes h and electrons e with opposite spins injected from the p-type n-type magnetic semiconductor as shown by the arrows are maintained in the active layer while maintaining the spin directions opposite to each other.
  • FIG. 1 is an energy diagram of an active layer in a circularly polarized spin semiconductor laser of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a structure of a valence electron control type circularly polarized spin semiconductor laser using a field effect gate according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the oscillation spectrum of the circularly polarized spin semiconductor laser of Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing current-output characteristics of the circularly polarized spin semiconductor laser of Example 1.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a structure of a current injection type circularly polarized spin semiconductor laser of Example 2.
  • FIG. 6 is a graph showing voltage-current characteristics and circularly polarized light output-current characteristics of the circularly polarized spin semiconductor laser of Example 2.
  • the circularly polarized spin semiconductor laser of the present invention has, as a first mode, a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor and an n-type semiconductor fabricated by using the field effect by changing the magnitude and sign of the gate voltage in the field effect transistor.
  • Type half metal ferromagnetic semiconductor is used.
  • the second embodiment is based on a magnetic semiconductor doped with a controlled concentration of transition metal atoms in a ⁇ , ⁇ -VI compound semiconductor, or ⁇ -V compound semiconductor. These are produced by doping these with an acceptor or a donor; a type half metal ferromagnetic semiconductor and an n type half metal ferromagnetic semiconductor are used.
  • a ⁇ _ ⁇ group compound semiconductor of a base of a magnetic semiconductor containing a transition metal atom G aN, GaAs, Gap, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, A1 N, A 1 P, A 1 As, A 1 Sb and the like.
  • Examples of the group VI-VI compound semiconductor include ZnS, ZnSe, ZnTe, Cds, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, and HgTe.
  • Type magnetic semiconductors include ZnO: Mn, ZnO: V, ZnO: Cr, or ZnO in spin glass state: Mn (l- ⁇ ) Fe (x), ZnO: Cr (l_x) Mn (x), and ZnO: Fe, ZnO: Co, ZnO: Ni, or ZnO: Mn, ZnO: Fe (lx) in a spin glass state as an n-type magnetic semiconductor.
  • Mn (x) or the like can be used.
  • -Type magnetic semiconductors such as GaN, GaAs, GaP, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, A1N, A1P, A1As, A1S V, Cr, Mn, Mn (lx) F e (x) can be used for b and the like, and Fe, Co, Ni, and alloys thereof can be used as the n-type magnetic semiconductor. .
  • a p-type magnetic semiconductor based on group VI compound semiconductor ZnS, ZnSe, ZnTe, Cds, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, etc.
  • V, Cr, Mn, and n-type magnetic semiconductors doped with Mn, Fe, Co, Ni, and alloys thereof can be used.
  • a multiple quantum well and a cladding layer arranged in p-type and n-type regions are sandwiched between the p-type and n-type magnetic semiconductors.
  • a completely circularly polarized continuous wave (CT) laser can be obtained by using a cleaved cavity that combines holes and electrons that are completely spin-polarized in the opposite direction.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , m-V group compound semiconductor, or ⁇ -VI group compound semiconductor as a base material to produce low-temperature MBE (Molecular Beam Epitaxy) ) And M0CVD and other low-temperature non-equilibrium crystal production equipment and atomic-level microfabrication technology to combine transition metal atoms, acceptor atoms, donor atoms, and non-magnetic atoms to control the band gap.
  • doping to a high concentration for example, about 10 to 40%, while controlling the crystallographic position so that the substitution is performed correctly at the substitution position, and fabricating it by mixed crystal formation .
  • the band gap and physical properties can be controlled by the concentration and atomic species.
  • the degree of polarization is controlled and adjusted in the range of, for example, 50 to 100% together with the output of the circularly polarized laser.
  • the emission wavelength of the circularly polarized spin semiconductor laser can be controlled.
  • Z n (x) The emission wavelength is controlled by the transition metal concentration and the concentration of non-magnetic atoms that form a mixed crystal, such as B e (y) O: TM (1-x-y).
  • the emission wavelength from the circularly polarized spin semiconductor laser can be controlled.
  • the emission wavelength from the circularly polarized spin semiconductor laser is controlled by changing the g value of electron spin by adjusting the well width and gate voltage of the multiple quantum well in the active layer and by changing the intensity of the external magnetic field. You can do it.
  • the multiplexing of multiple quantum wells in the active layer increases the luminous efficiency, but if the number is too large, the production becomes complicated, so it is preferable to optimize the quantum well width by multiplexing from 1 to 5 multiplexes. Achieve higher luminous efficiency.
  • spin control of the magnetic semiconductor is performed by controlling the magnitude and sign of the gate voltage.
  • the degree of spin polarization of the p-type n-type half-metallic ferromagnetic semiconductor is controlled.
  • the output of circularly polarized laser light and the degree of polarization are, for example, 50% to 100%. Can be controlled in a range.
  • the output of the circularly polarized laser light can be adjusted and controlled by changing the size of the spin-polarized hole flowing between the source and the drain and the electron.
  • the spin direction is pinned to align the spin directions of electrons and holes injected from the source into the drain.
  • the source is made of a half-metallic ferromagnetic semiconductor to align the spin directions of electrons and holes injected from the source to the drain, and the magnetic domain direction is pinned by a ferromagnetic permanent magnet to control the magnetic domain direction Can be.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the structure of an embodiment in which a circularly polarized spin semiconductor laser is a current injection type by an electric field effect using a gate bias.
  • a source 3, a drain 4, and a gate insulator 5 are provided above a p-type half-metal ferromagnetic semiconductor 1 made of a magnetic semiconductor.
  • Gate 6 was provided.
  • holes are doped by the gate voltage, and holes with all the spins aligned in one direction are injected from the source whose spin domain direction is pinned by a magnetic field or an antiferromagnetic superlattice thin film using the ferromagnetic half-metal state.
  • the source 7 is located below the n-type half-metal ferromagnetic semiconductor 2 composed of a magnetic semiconductor.
  • a drain 8 and a gate insulator 9 were provided, and a gate 10 was provided via the gate insulator 9.
  • electrons are doped with the gate voltage, and the electrons whose spin domains are all aligned in one direction from the source pinned in the spin domain direction with a magnetic field or an antiferromagnetic superlattice thin film using a ferromagnetic half-metal state are used.
  • the injection layer (n-type DMS) was configured. Defect-free interfaces between gate insulators 5, 9 and p-type magnetic semiconductor 1 and n-type magnetic semiconductor 2 were fabricated.
  • a multi-quantum well 11 of an active layer composed of a quantum well with a small band gap and a cladding layer was arranged between these; ferromagnetic semiconductor and n-type ferromagnetic semiconductors.
  • Gn was doped with Cr at 750 ° C to form an n-type ferromagnetic half-metal and GnN was doped with Mn at 780 ° C to form a p-type ferromagnetic half-metal.
  • a 1 2 a gate insulator layer scissors made of Rei_3, fitted with a gate made of P t (V g).
  • a quintuple multiple quantum well consisting of InGaN and AlGaN doped with 5 to 20% of In or A1 was formed as an active layer between GaN: Cr and GaN: Mn.
  • the p-type cladding layers are G a N and A 1. 25 G a.
  • the multiple quantum well consisting of 75 N and the n-type cladding layer were multiple quantum wells consisting of G aN and A 10.2 G a 0.8 N.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a structure of an embodiment in which a circularly polarized spin semiconductor laser is a current injection type.
  • the p-type magnetic semiconductor 1 and the n-type magnetic semiconductor 2 are used to sandwich the multiple quantum well 11 of the active layer.
  • a multi-quantum well 11 was sandwiched between clad layers 14 to form a laminated structure, which was provided on a substrate 15 via a buffer layer 16. Further, an electrode 17 was provided on the p-type magnetic semiconductor 1, and an electrode 18 was provided on the n-type magnetic semiconductor 2.
  • a 1 2 a Rei_3 low temperature growth bar Ffa layer consisting of S i-doped n-type G a N at 4 0 0 ° C over a substrate grown by MB E method, G a in that on the 7 9 0 ° C While growing N, Cr was doped to form an n-type ferromagnetic half metal.
  • An n-type cladding layer (GaN and A1.2, a multiple quantum well of 0.2Ga0.8) was grown on top of it, and a 5 to 20% mixed crystal of In or A1 was grown on it.
  • a multiple (quintuple) quantum well active layer composed of InGaN and A1GaN was formed, and a: type cladding layer was formed thereon.
  • a P-type ferromagnetic half-metal GaN: Mn doped with Mn at 750 ° C was formed on these, and a Pt electrode was attached.

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Description

明 細 書
磁性半導体を用いた円偏光スピン半導体レーザーおよぴレーザー光の発生方法
技術分野
本発明は、 磁性半導体を用いた円偏光（circularly polarized light)スピン半 導体レーザーと該レーザーによるレーザー光の発生方法に関する。
背景技術
半導体レーザーはコンパク トで、 しかも、 高集積半導体デバイスとの整合性も よく、 最近ではワイドバンドギャップ半導体を用いた高出力が可能となり、 発振 波長も紫外光領域までが実現しつつある。
磁性半導体レーザーはかなり以前より知られており （例えば、 特許文献 1 ) 、 特定の偏光方向を持つ円偏光半導体レーザーも知られている。
例えば、 「活性領域を有する p n接合または p i n接合構造の半導体素子の上 部又は下部又はその両方に磁性体電極を設け、 該磁性体電極により活性領域にス ピン偏極した電子又は正孔を注入するようにした光半導体素子」 が知られている (特許文献 2 ) 。
同様に、 「ヘテロ接合を形成する半導体層に、 磁性体層を通してスピン偏極電 子を注入して、 スピン偏極キャリアーを再結合させて円偏光を発振する光半導体 装置」 が知られている （特許文献 3 ) 。 この装置は、 外部磁場による磁性体の磁 化反転によって円偏光を変調するものである。
さらに、 p型コンタクト層および n型コンタクト層の少なくとも一方のコンタ クト層に接合する強磁性層を形成することによりキャリアーの反転分布状態を生 じやすくした光半導体装置が知られている （特許文献 4 ) 。
さらに、 在来型の面発光レーザに波長板を用いて右回り （σ + ) および左回り の円偏光状態に調整した励起光を照射して円偏光レーザー発振させるスピン制御 半導体レーザが知られている （非特許文献 1 ) 。 特許文献 1 米国特許第 3 9 8 6 1 9 4号明細書 ·図面 （特公昭 5 2 - 3 6 8 3 2号公報）
特許文献 2 特開平 6— 2 6 0 7 2 5号 （特許第 2 7 0 8 0 8 5号） 公報 特許文献 3 米国特許第 5 8 7 4 7 4 9号明細書 ·図面 （特表平 9一 5 0 1 2 6 6号公報）
特許文献 4 特開平 1 0— 3 2 1 9 6 4号公報
非特許文献 1 Η· Ando et. al. Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 566 発明の開示
円偏光スピン半導体レーザーの産業応用として、 生産技術への応用、 情報通信 技術、 スぺタトロスコピー、 ナノテクノロジー、 量子操作など多岐の産業応用が 期待されていたにもかかわらず、 従来、 電流注入による円偏光の強力なレーザー 光が得られなかった。 この理由は 1 0 0 %スピン分極した p型や n型半導体を作 製することが出来なかったためである。
円偏光のスピン半導体レーザーを開発するためには、 半導体の伝導帯が s電子 バンド、 価電子帯が p電子バンドとしたとき、 注入される電子とホールのスピン が反平行であるレーザー構造を作製することが必要になる。
このような構造が作製できれば、 双極子遷移機構による選択則から、 発光する 光は完全な円偏光が可能となる。
本発明は、 このような選択則を満たす p型おょぴ n型ハーフメタル強磁性半導 体を形成し、 これにより活性層となる多重量子井戸を挟んで上記の問題を解決し て、 円偏光のスピン半導体レーザーを開発することを目的とする。
円偏光スピン半導体レーザーを開発するためには、 n型磁性半導体から注入さ れる電子と！)型磁性半導体から注入されるホールのスピンが反平行である P ■ n 接合によるレーザー構造を作製し、 双極子遷移による選択則から、 発光するレー ザ一光を完全な円偏光にする必要がある。
本発明者は、 p型ハーフメタル （磁気モーメントの向きが一方向） 強磁性半導 体および n型ハーフメタル強磁性半導体で活性層となる多重量子井戸を挟んで電 流注入することにより該 p型および n型強磁性半導体を 1 0 0 %上向きスピン、 1 0 0 ° /。下向きスピンにすれば、 電流注入により 1 0 0 %円偏光のスピン半導体 レーザーを実現でき、 上記課題を解決できることを見いだした。
円偏光スピン半導体レーザーの発光波長は、 強磁性半導体の混晶化によるバン ドギャップの制御、 活性層の超格子周期と幅、 外部磁場の強さ、 等を調整するこ とにより、 自由に制御することができる。
すなわち、 本発明は、 酸化亜鉛（Ζ η Ο)、 ΠΙ— V族化合物半導体、 または Π— VI族化合物半導体を母体として遷移金属原子を含む磁性半導体からなる p型のハ ーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁性半導体によつて活性層とな る多重量子井戸を両面から挟み、 電流注入によりスピン分極したホールと電子を 該活性層に導入し、 円偏光したレーザー光を発生させることを特徴とする磁性半 導体を用いた円偏光スピン半導体レーザーである。
また、 本発明は、 p型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁 性半導体のそれぞれにソース、 ドレイン、 およぴゲート絶縁体層を介してゲート を設けたことを特徴とする上記の円偏光スピン半導体レーザーである。
また、 本発明は、 p型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁 性半導体のそれぞれに電極を設けたことを特徴とする上記の円偏光スピン半導体 レーザーである。
さらに、 本発明は、 上記の円偏光スピン半導体レーザーを用いて、 負または正 の電圧を印加することにより作り出した p型および n型ハーフメタル強磁性半導 体から注入した順方向にスピン分極したホールと逆方向にスピン分極した電子を 活性層において再結合させることにより円偏光したレーザー光を発生させること を特徴とするレーザー光の発生方法である。
また、 本発明は、 印加電圧を変えることにより p型ハーフメタル強磁性半導体 および n型ハーフメタル強磁性半導体のスピン分極度を制御し、 これにより円偏 光レーザー発光の出力と偏光度を制御することを特徴とする上記のレーザー光の 発生方法である。
また、 本発明は、 p型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁 性半導体のそれぞれに設けたソースとドレイン間に流れるスピン分極したホール や電子の大きさを変えることにより円偏光レーザー発光の出力を調整 ·制御する ことを特徴とする上記のレーザー光の発生方法である。
また、 本発明は、 外部磁場を印加することにより、 発光波長を制御することを W 03
特徴とする上記のレーザー光の発生方法である。
また、 本発明は、 印加電圧を制御することにより、 発光波長を制御することを 特徴とする上記のレーザー光の発生方法である。
また、 本発明は、 活性層の近傍における p型および n型領域におけるスピン - クラッド層のバリヤ高について、 超格子構造を用いて、 これを制御することによ り発光波長を制御することを特徴とする上記のレーザー光の発生方法である。 また、 本発明は、 活性層における多重量子井戸の井戸幅とゲート電圧を調整す ることにより電子スピンの g値を変えて、 外部磁場の強さを可変とすることによ り円偏光スピン半導体レーザーからの発光波長を制御することを特徴とする上記 のレーザー光の発生方法である。
また、 本発明は、 p型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁 性半導体のそれぞれにソース、 ドレイン、 およびゲート絶縁体層を介してゲート を設けた上記の円偏光スピン半導体レーザーを用いて、 ソースからドレインに向 かってスピン注入する電子またはホールのスピンの向きを揃えるため、 ソースは 薄膜のハーフメタル強磁性半導体を反強磁性多層膜と積層することにより磁区方 向をピン留めすることを特徴とするレーザー光の発生方法である。
また、 本発明は、 p型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁 性半導体のそれぞれにソース、 ドレイン、 およぴゲート絶縁体層を介してグート を設けた上記の円偏光スピン半導体レーザーを用いて、 ソースからドレインに向 かってスピン注入する電子またはホールのスピンの向きを揃えるため、 ソースを ハーフメタル強磁性半導体で作製し、 磁区方向を制御するために強磁性永久磁石 により磁区方向をピン留めすることを特徴とするレーザー光の発生方法である。 本発明の円偏光スピン半導体レーザーは、 生産技術、 情報通信技術、 スぺクト ロスコピー、 ナノテクノロジー、 量子操作など多岐の産業応用が可能になる。 具 体的なものとしては次のものが例示できる。
( 1 ) 化学反応における異性体の識別と生産技術への応用。
円偏光レーザー光を用いて、 D型、 L型の異性体の識別と、 これを用いて特定 の異性体のみを製造するための反応を制御する生産技術としての応用ができる。
( 2 ) 円偏光選択性を用いた半導体超微細加工への応用。
半導体の超微細加工において、 紫外光円偏光レーザーを用いて選択的な異性体 反応と組合せることにより照射時間と空間分解による反応制御法を用いて、 ナノ スケ一レサイズの加工に利用する。
( 3 ) 偏光選択性を用いた走査分光技術への応用。
円偏光選択性とレーザーの直線性 ·操作性を利用表面の円偏光選択性による構 造や触媒などの化学反応を走査分光と時間分解により、 動的変化と構造を直接観 察するための分光技術への産業応用が開ける。
( 4 ) 円偏光選択性を用いた異性体検出医療。
円偏光選択性とレーザーの直進性を利用して、 白内障の初期段階での微細な異 性体領域を検出するための医療検査応用が可能になる。
さらに、 円偏光による反応選択性を用いて、 特定の異性体だけを反応 ·分解す ることによる白内障、 緑内障などの異性体化に起源を持つ病気の治療および初期 段階の予防処置に応用できる。
( 5 ) 円偏光による変調を利用した大容量高度通信技術。
円偏光による右回り ·左回りの変調を利用した大容量高度情報通信技術への応 用が可能となる。
( 6 ) ナノテクノロジ一における円偏光電子励起を用いた原子 '分子操作技術。 半導体表面や酸化物表面において表面原子や吸着原子の円偏光選択性を用いて 選択的にレーザーにより電子励起し、 原子移動を誘起することによりナノテクノ ロジ一のための超微細加工製造技術として用いることが出来る。
また、 デバイス応用のため。
( 7 ) 超高集積ナノ構造磁気メモリの診断と分光。
円偏光選択性とレーザーの直線性を利用して、 超微細な磁区構造や超高密度磁 気メモリ、 磁気ランダムアクセスメモリ (MRAM)などの磁区構造を直接観察するた めの分光技術への産業応用が開ける。
( 8 ) 円偏光を用いた量子ドットなどの超構造における量子状態操作による量子 コンピュータへの応用。
電子の持っている電荷とは別のもう一つの自由度であるスピンを用いた量子計 算に応用する。 スピンは量子力学的には上向きと下向きの二つの状態しか取り得 ないので情報を運んでいる。 これらを制御するために、 量子ドットを並べてこれ らに含まれる個々のスピンの向きを制御するために円偏光選択性をもつ C Wレー ザ一を用いる。
( 9 ) 量子通信への応用。
円偏光レーザーの円偏光性を用いて、 二種の波動を重ね合わせて、 量子もつれ 状態を実現し、 盗聴などを相互作用を量子的に観測することが出来る、 安全な量 子通信に応用する。
(作用） 伝導帯が S電子からなり、 また価電子帯が p電子からなる半導体において、 注 入される電子とホールのスピンが反平行ならば、 双極子遷移機構による選択則か ら、 完全な円偏光の発光が得られる。
Z n O、 n _VI属化合物半導体、 または ΠΙ— V属化合物半導体中に遷移金属原 子の濃度を制御してドープした磁性半導体をベースとして、 これらにァクセプタ 一もしくはドナーをドーピングすることにより作り出した ρ型おょぴ η型ハーフ メタル強磁性半導体、 または、 電界効果トランジスターにおけるゲート電圧の大 きさと符号を変えることにより、 電界効果を利用して作製した ρ型および η型ハ ーフメタル強磁性半導体、 を用いて、 電流注入により一方のスピン方向にのみ分 極したスピンコヒーレントなホールの流れと、 ホールとは逆のスピン方向に分極 したスピンコヒーレントな電子の流れを、 それぞれ ρ型および η型磁性半導体中 に作り出し、 互いに逆スピンをもつ伝導帯に入った電子と価電子帯に入ったホー ルとをバンドギャップを調整できる多重量子井戸からなる活性層を介して高効率 で結合させることにより、 選択則から、 1 0 0 %円偏光した連続発振 （CT) レー ザ一光を発生させることができる。
第 1図に示すエネルギーダイアグラムを用いて説明すると、 図中の CBM (Condu ction Band Minimum：伝導帯の底） と VBM (Valence Band Maximum：価電子帯のト ップ） で示される発光の活性層としての多重量子井戸と p型および n型領域に配 置するクラッド層は上記！)型おょぴ n型の 1 0 0 %スピン分極した磁性半導体で 挟まれている。 発光効率を上げるために、 クラッド層と多重量子井戸により発光 させる。 p型おょぴ n型磁性半導体から矢印で示すように注入された逆向きスピ ンを持つホール hと電子 eを活性層でスピン方向を互いに逆向きに維持したまま 高効率で結合させ完全に円偏光したレーザー光 h Vを発生することが出来る。 電 子とホールの結合を実空間で高め、 さらに Z η θや G a Nなどの励起子束縛エネ ルギー （それぞれ、 6 0 m e Vと 2 4 m e V) と合わせて高効率の発光を行うこ とが出来る。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の円偏光スピン半導体レーザにおける活性層のエネルギーダ ィャグラムである。 第 2図は、 実施例 1の電場効果ゲートによる価電子制御型の 円偏光スピン半導体レーザの構造を示す模式図である。 第 3図は、 実施例 1の円 偏光スピン半導体レーザの発振スペクトルを示すグラフである。 第 4図は、 実施 例 1の円偏光スピン半導体レーザの電流■出力特性を示すグラフである。 第 5図 は、 実施例 2の電流注入型円偏光スピン半導体レーザの構造を示す模式図である。 第 6図は、 実施例 2の円偏光スピン半導体レーザの電圧 ·電流特性及び円偏光出 力■電流特性を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
本発明の円偏光スピン半導体レーザーは、 第一の形態としては、 電界効果トラ ンジスターにおけるゲート電圧の大きさと符号を変えることにより、 電界効果を 利用して作製した p型ハーフメタル強磁性半導体および n型ハーフメタル強磁性 半導体を用いる。
また、 第二の形態としては、 Ζ η Ο、 Π— VI属化合物半導体、 または ΙΠ— V属 化合物半導体中に遷移金属原子の濃度を制御してドープした磁性半導体をベース として、 これらにァクセプターもしくはドナーをドーピングすることにより作り 出した； 型ハーフメタル強磁性半導体および n型ハーフメタル強磁性半導体を用 いる。
遷移金属原子を含む磁性半導体の母体の ΠΙ_ν族化合物半導体としては、 G a N、 GaA s、 G a P、 Ga S b、 I nN、 I n P、 I nA s、 I n S b、 A 1 N、 A 1 P、 A 1 A s、 A 1 S b等が挙げられる。
' また、 Π— VI族化合物半導体としては、 Z n S、 Z n S e、 ZnT e、 C d S、 C d S e、 CdT e、 Hg S、 Hg S e、 HgT e等が挙げられる。
酸化亜鉛 ZnOを母体とする！)型磁性半導体として、 ZnO : Mn、 ZnO : V、 Z nO： C r、 またはスピングラス状態の Z nO： Mn (l-χ) F e (x)、 Z n O : C r (l_x)Mn (x)、 また、 n型磁性半導体として、 Z nO : F e、 ZnO : C o、 Z n O : N i、 またはスピングラス状態の Z n O： Mn、 Z n O : F e (l-x)Mn (x)等を用いることができる。
ΠΙ— V族化合物半導体を母体とする！)型磁性半導体として、 GaN、 GaA s 、 G a P、 Ga S b、 I nN、 I nP、 I nA s、 I n S b、 A 1 N、 A 1 P、 A 1 A s、 A 1 S b等に V、 C r、 Mn、 Mn (l-x) F e (x)、 また n型磁性半導 体として F e、 C o、 N iおよびその合金等をドープしたものを用いることがで きる。
Π— VI族化合物半導体をベースとする p型磁性半導体として、 Zn S、 Z n S e、 ZnT e、 C d S、 Cd S e、 C dT e、 Hg S、 H g S e , HgT e等に V、 C r、 Mn、 また n型磁性半導体として Mn、 F e、 C o、 N i、 およびそ の合金等をドープしたものを用いることができる。 発光の活性層として多重量子井戸と p型および n型領域に配置するクラッド層 を上記 p型おょぴ n型の磁性半導体で挟む。
それぞれの磁性半導体層に A 1 2 O 3や Z η θからなる絶縁体膜を介してグー トを取り付ける力 \ 直接電極を取り付けて、 電流注入する。 これにより、 p型お よび n型磁性半導体から注入された逆向きスピンを持つホールと電子を活性層で スピン方向を互いに逆向きに維持したまま高効率で結合させ完全に円偏光したレ 一ザ一光を発生することが出来る。 印加電圧の変化と磁性半導体の両端に配置し たドメイン方向を揃えたハーフメタル強磁性半導体からなる注入されるスピンの スピン状態とスピン方向を制御する。
完全に逆方向にスピン分極したホールと電子を結合させ、 劈開したキヤビティ 一を用いることにより完全に円偏光した連続発振 （CT) レーザー発光を得ること ができる。
型ハーフメタル強磁性半導体および n型ハーフメタル強磁性半導体を作り出 すため、 Ζ η Ο、 m— V族化合物半導体、 または Π— VI族化合物半導体を母体と して、 低温 MBE (Molecular Beam Epitaxy)や M0CVDなどの低温での非平衡結晶作製 装置と原子レベルでの微細加工技術を結合して、 遷移金属原子、 ァクセプター原 子、 ドナー原子、 およびバンドギャップを制御するための非磁性原子について濃 度と置換位置に正しく置換するように結晶学的位置を制御しつつ非平衡状態を利 用して高濃度、 例えば 1 0〜4 0 %程度にドープして、 混晶化によりこれを作製 する。 濃度と原子種によりパンドギャップや物性が制御できる。
磁性半導体にァクセプターもしくはドナーをドープすることにより円偏向レー ザ一発光の出力とともに偏光度を例えば、 5 0〜 1 0 0 %の範囲で制御■調整す ることができる。
磁性半導体に含有させる遷移金属原子 （以下： TM) と他の非磁性原子を混晶 化することにより、 円偏光スピン半導体レーザーからの発光波長を制御すること ができる。 例えば、 I n (x) G a (y) A l (z) N： TM (1- x_y- z)、 Z n (x) M g (y) O： TM (l-x-y) , Z n (x) B e (y) O : TM (1 - x - y)のように遷移金属濃度と混晶 化する非磁性原子の濃度で発光波長を制御する。
外部磁場を印加することにより、 円偏光スピン半導体レーザーからの発光波長 を制御することができる。 また、 活性層における多重量子井戸の井戸幅とゲート 電圧を調整することにより電子スピンの g値を変えて、 外部磁場の強さを可変と することにより円偏光スピン半導体レーザーからの発光波長を制御することがで さる。
活性層の多重量子井戸は多重にした方が発光効率が上がるが、 あまり多いと製 造が複雑化するので、 好ましくは 1重から 5重までの多重化と量子井戸幅を最適 化することにより発光効率の高効率化をはかる。
円偏光スピン半導体レーザーの活性層近傍における p型おょぴ n型領域におけ るスピン ·クラッド層のバリヤ高を合金化 （混晶化） することにより超格子構造 を用いて、 これを制御することにより、 円偏光スピン半導体レーザーからの発光 波長を制御することができる。
それぞれの層にゲート絶縁体膜を介してゲートを取り付けて、 ゲート電圧を変 えて電界効果により磁性状態を制御する場合、 ゲート電圧の大きさと符号を制御 することにより磁性半導体のスピン制御を行い、 作り出した: 型および n型ハー フメタル強磁性半導体から注入した順方向にスピン分極したホールと逆方向にス ピン分極した電子を量子井戸とクラッド層からなる多重量子井戸からなる活性層 において、 高効率で再結合させる。
ゲート電圧を変えることにより p型おょぴ n型ハーフメタル強磁性半導体のス ピン分極度を制御し、 これにより円偏光レーザー発光の出力とともに偏光度を例 えば、 5 0〜 1 0 0 %の範囲で制御することができる。
また、 ゲート電圧を変えるとキャリア数とバンドギャップが変化し、 円偏光ス ピン半導体レーザーからの発光波長が変化する。
ゲート電圧を変えることによりソースとドレイン間に流れるスピン分極したホ ールゃ電子の大きさを変えることにより円偏光レーザー発光の出力を調整■制御 することができる。
ソースからドレインに向かってスピン注入する電子やホールのスピンの向きを 揃えるため、 反強磁性多層膜上に強磁性層を積むとスピンの方向がピン留めされ る。
ソースからドレインに向かってスピン注入する電子やホールのスピンの向きを 揃えるため、 ソースをハーフメタル強磁性半導体で作製し、 磁区方向を制御する ために強磁性永久磁石により磁区方向をピン留めすることができる。
(実施例）
実施例 1
第 2図は、 円偏光スピン半導体レーザをゲートバイアスを用いた電界効果に よる電流注入型とした実施例の構造を示す模式図である。
第 2図に示すように、 磁性半導体からなる p型ハーフメタル強磁性半導体 1の 上部にソース 3、 ドレイン 4、 ゲート絶縁体 5を設け、 ゲート絶縁体 5に接して ゲート 6を設けた。 これにより、 ゲート電圧によりホールをドープして、 強磁性 ハーフメタル状態を用いて、 スピンドメイン方向を磁場もしくは反強磁性超格子 薄膜でピン留めしたソースから一方向にすべてスピンを揃えたホールを注入する 層 （！>型0]^3) を構成した。
一方、 磁性半導体からなる n型ハーフメタル強磁性半導体 2の下部にソース 7
、 ドレイン 8、 ゲート絶縁体 9を設け、 ゲート絶縁体 9を介してゲート 10を設 けた。 これにより、 ゲート電圧により電子をドープして、 強磁性ハーフメタル状 態を用いて、 スピンドメィン方向を磁場または反強磁性超格子薄膜でピン留めし たソースから一方向にすべてスピンを揃えた電子を注入する層 （n型 DMS) を 構成した。 ゲート絶縁体 5、 9と p型磁性半導体 1および n型磁性半導体 2との 欠陥のない界面を作製した。 これらの； 型強磁性半導体および n型強磁性半導体 の間にバンドギヤップの小さい量子井戸とクラッド層からなる活性層の多重量子 井戸 1 1を配置した。
MB E法により、 G a Nに 750°Cで C rをドープして n型強磁性ハーフメタ ルと G a Nに 780°Cで Mnをドープして、 p型強磁性ハーフメタルを形成した。 これらに A 12〇3からなるゲート絶縁体層をはさみ、 P tからなるゲート （V g)をとりつけた。 また、 GaN : C rと Ga N : Mnの間には、 活性層として I nまたは A 1を 5〜20%ドープした I nGaNと A l Ga Nからなる 5重の 多重量子井戸を形成した。 p型クラッド層は G a Nと A 1。. 25G a。. 75Nか らなる多重量子井戸、 また n型クラッド層は G a Nと A 10. 2 G a 0. 8 Nからな る多重量子井戸とした。
この円偏光スピン半導体レーザーによりレーザー発振を行うと、 円偏光した連 続発振レーザー光 1 2が発生し、 第 3図に示すような発振スぺクトルと、 第 4図 に示すような、 電流 ·出力特性が生じ、 完全な円偏光が観測された。
実施例 2
第 5図は、 円偏光スピン半導体レーザを電流注入型とした実施例の構造を示す 模式図である。 第 5図に示すように、 p型磁性半導体 1および n型磁性半導体 2 を用いて活性層の多重量子井戸 1 1を挟み、 発光効率を上げるために p型クラッ ド層 1 3及び n型のクラッド層 1 4で多重量子井戸 1 1を挟んだ積層構造とし、 これを基板 1 5上にバッファ層 1 6を介して設けた。 さらに、 p型磁性半導体 1 に電極 1 7を、 n型磁性半導体 2に電極 1 8を設けた。
A 1 2〇3基板の上に 4 0 0 °Cで S i ドープの n型 G a Nからなる低温成長バ ッファー層を MB E法により成長し、 その上に 7 9 0 °Cで G a Nを成長させつつ 、 C rをドープし、 n型強磁性ハーフメタルを形成した。 その上に n型クラッド 層 （G a Nと A 1。. 2 G a 0 . 8の多重量子井戸） を成長させ、 その上に I nまた は A 1を 5〜2 0 %混晶させた I n G a Nと A 1 G a Nからなる多重 （ 5重） 量 子井戸活性層を形成し、 さらに、 その上に： 型クラッド層を作成した。 これらの 上に 7 5 0 °Cで M nをドープした p型強磁性ハーフメタル G a N： M nを形成し て、 P t電極をつけた。
この円偏光スピン半導体レーザーに電流注入することによりレーザー発振を行 つた。 電流と出力、 および電圧と電流の依存性は第 6図に示すような関係にあり、 ほぼ完全な円偏光が観測された。 産業上の利用可能性 従来の円偏光半導体レーザーは、 円偏光の光励起によって、 電子を励起してス ピン偏極させ、 これにより、 レーザー発光させるが、 光励起のためスピン軌道相 互作用によるスピン偏極度が小さく、 従って円偏光度も小さかった。 また、 円偏 光の光によって励起するため大きな装置となりデバイスに組み込むための小型化 が難しかった。 本発明によれば、 偏光度を制御できるとともに、 1 0 0 %円偏光 レーザーを得ることができ、 装置を小型化できて種々のデバイス作製が容易にな る。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 酸化亜鉛（Ζ η Ο)、 m— V族化合物半導体、 または Π— VI族化合物半導体を 母体として遷移金属原子を含む磁性半導体からなる p型のハーフメタル強磁性半 導体と n型のハーフメタル強磁 1"生半導体によって活性層となる多重量子井戸を両 面から挟み、 電流注入によりスピン分極したホールと電子を該活性層に導入し、 円偏光したレーザー光を発生させることを特徴とする磁性半導体を用いた円偏光 スピン半導体レーザー。
2 . p型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁性半導体のそれ ぞれにソース、 ドレイン、 およびゲート絶縁体層を介してゲートを設け、 ゲート バイアスによる電界効果を利用することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の円 偏光スピン半導体レーザー。
3 . ァクセプターもしくはドナ一をドーピングした p型のハーフメタル強磁性半 導体と n型のハーフメタル強磁性半導体のそれぞれに電極を設けたことを特徴と する請求の範囲第 1項記載の円偏光スピン半導体レーザー。
4 . 請求の範囲第 1項ないし第 3項のいずれかに記載の円偏光スピン半導体レー ザ一を用い、 負または正の電圧を印加することにより作り出した p型および n型 ハーフメタル強磁性半導体から注入した順方向にスピン分極したホールと逆方向 にスピン分極した電子を活性層において再結合させることにより円偏光したレー ザ一光を発生させることを特徴とするレーザー光の発生方法。
5 . 印加電圧を変えることにより p型ハーフメタル強磁性半導体および n型ハー フメタル強磁性半導体のスピン分極度を制御し、 これにより円偏光レーザー発光 の出力と偏光度を制御することを特徴とする請求の範囲第 4項記載のレーザー光 の発生方法。
6 . P型のハーフメタル強磁性半導体と n型のハーフメタル強磁性半導体のそれ ぞれに設けたソースとドレイン間に流れるスピン分極したホールや電子の大きさ を変えることにより円偏光レーザー発光の出力を調整 ·制御することを特徴とす る請求の範囲第 4項記載のレーザー光の発生方法。
7 . 外部磁場を印加することにより、 発光波長を制御することを特徴とする請求 の範囲第 4項記載のレーザー光の発生方法。
8 . 印加電圧を制御することにより、 発光波長を制御することを特徴とする請求 の範囲第 4項記載のレーザー光の発生方法。
9 . 活性層の近傍における p型および n型領域におけるスピン .クラッド層のバ リャ高について、 超格子構造を用いて、 これを制御することにより発光波長を制 御することを特徴とする請求の範囲第 4項記載のレーザー光の発生方法。
1 0 . 活性層における多重量子井戸の井戸幅とゲート電圧を調整することにより 電子スピンの g値を変えて、 外部磁場の強さを可変とすることにより円偏光スピ ン半導体レーザーからの発光波長を制御することを特徴とする請求の範囲第 4項 記載のレーザー光の発生方法。
1 1 . 請求の範囲第 2項記載の円偏光スピン半導体レーザーを用いて、 ソースか らドレインに向かってスピン注入する電子またはホールのスピンの向きを揃える ため、 ソースは薄膜のハーフメタル強磁性半導体を反強磁性多層膜と積層するこ とにより磁区方向をピン留めすることを特徴とするレーザー光の発生方法。
1 2 . 請求の範囲第 2項記載の円偏光スピン半導体レーザーを用いて、 ソースか らドレインに向かってスピン注入する電子またはホールのスピンの向きを揃える ため、 ソースをハーフメタル強磁性半導体で作製し、 磁区方向を制御するために 強磁性永久磁石により磁区方向をピン留めすることを特徴とするレーザー光の発 生方法。
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