WO2009107624A1 - 円偏光発光素子 - Google Patents

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WO2009107624A1
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layer
type semiconductor
circularly polarized
polarized light
semiconductor layer
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PCT/JP2009/053345
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Inventor
洋介 井出
正路 斎藤
義弘 西山
秀和 小林
Original Assignee
アルプス電気株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor

Definitions

  • the present invention particularly relates to a circularly polarized light emitting device having a high degree of circular polarization.
  • the most common method for obtaining circularly polarized light is to form a circularly polarized state by passing light output from an external light source such as a light emitting diode or laser through a linear polarizer and a wave plate ( ⁇ / 4 plate). .
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 discloses a configuration in which an electrode (contact) made of a magnetic material is used and spin-polarized electrons or holes are injected into the active region. Yes.
  • Patent Document 3 a p-type magnetic semiconductor or an n-type magnetic semiconductor is used.
  • a currently known magnetic semiconductor has an extremely low Curie point and cannot increase the spin polarization at the use environment temperature.
  • Japanese Patent No. 270885 JP 2006-210626 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-22433
  • an object of the present invention is to provide a circularly polarized light emitting element capable of obtaining a higher degree of circular polarization than in the past.
  • the circularly polarized light emitting device in the present invention is a semiconductor element having a pn junction structure or a pin junction structure, and a magnetized magnetic layer laminated via a barrier layer on the n-type semiconductor layer side of the semiconductor element,
  • the barrier layer is made of MgO, and the magnetic layer is formed in contact with the CoFe layer that is positioned away from the barrier layer with the CoFe layer formed in contact with the barrier layer and the CoFe layer interposed therebetween. It is characterized by being formed of a CoFeB layer.
  • an i-type semiconductor layer may be provided between the barrier layer and the n-type semiconductor layer.
  • electrons can be injected into the active region of the semiconductor device while maintaining a higher spin polarization than that in the past, and a higher degree of circular polarization than in the past can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the circularly polarized light-emitting element according to the present embodiment cut along the height direction (Z direction).
  • 1 is a semiconductor device having a pin junction structure in which a p-type semiconductor layer 3, an i-type semiconductor layer 4, and an n-type semiconductor layer 5 are sequentially stacked on a p-type semiconductor substrate 2 from the bottom. 6, and the i-type semiconductor layer 7, the barrier layer 8, the CoFe layer 9, the CoFeB layer 10, and the protective layer 11 are sequentially stacked on the semiconductor element 6 from the bottom.
  • the i-type semiconductor layer (active layer) 4 constituting the semiconductor element 6 has a smaller band gap than other constituent semiconductor layers.
  • a voltage is applied between the upper and lower surfaces of the circularly polarized light emitting element 1 with respect to the circularly polarized light emitting element 1.
  • electrons injected from the n-type semiconductor layer 5 and holes injected from the p-type semiconductor layer 3 are recombined at the location of the i-type semiconductor layer 4, and light is emitted from the portion of the i-type semiconductor layer 4. Is done.
  • the magnetic layer 12 formed of a two-layer structure of the CoFe layer 9 and the CoFeB layer 10 is magnetized in a predetermined direction.
  • the magnetic layer 12 has in-plane magnetization
  • circularly polarized light is emitted in the direction perpendicular to the side surface of the i-type semiconductor layer (active layer) 4 and when the magnetic layer 12 has perpendicular magnetization, the i-type semiconductor layer ( Circularly polarized light is emitted in the direction perpendicular to the film surface of the active layer 4.
  • Whether circularly polarized light is ⁇ + (clockwise) or ⁇ (counterclockwise) is based on a selection rule described later.
  • the degree of circular polarization can be increased by increasing the spin polarization of electrons injected into the i-type semiconductor layer (active layer) 4 of the semiconductor element 6.
  • the magnetic layer 12 magnetized in a predetermined direction is stacked on the n-type semiconductor layer 5 side of the semiconductor element 6 via a barrier layer (insulating barrier layer) 8.
  • the barrier layer 8 is made of MgO.
  • the magnetic layer 12 is formed of a CoFe layer 9 formed in contact with the barrier layer 8 and a CoFeB layer 10 formed in contact with the CoFe layer 9 that is located away from the barrier layer 8 with the CoFe layer 9 interposed therebetween.
  • the spin of electrons can be increased, and electrons can be injected into the i-type semiconductor layer 4 which is the active region of the semiconductor element 6 while maintaining a high spin polarization rate by utilizing the tunnel effect.
  • the film structure is Ta (30) / Ru (40) / Ir 26 at% Mn 74 at% (80) / Co 70 at% Fe 30 at% (22) / Ru (9.1) / ⁇ Co 50 Fe 50 ⁇ 80 at% from the bottom.
  • each tunnel type magnetoresistive effect element was heat-treated at 270 ° C. for 3 hours and 40 minutes in a magnetic field of 10 kOe.
  • FIG. 5 shows the relationship between RA (element resistance R ⁇ element area A) and rate of change in resistance ( ⁇ R / R) of each of the tunnel type magnetoresistive effect elements of Reference Example, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 3. It is a graph which shows. RA was changed by changing the thickness (X) of MgO.
  • the tunnel type magnetoresistive effect element of the reference example can obtain a higher resistance change rate ( ⁇ R / R) than the tunnel type magnetoresistive effect elements of Comparative Examples 1 to 3. It was.
  • the interface state between the magnetic layer 12 and the barrier layer 8 is important together with the material. That is, the interface between the magnetic layer 12 and the barrier layer 8 is parallel to the film plane (XY plane), and an equivalent crystal plane typically represented as a [100] plane is preferentially oriented.
  • a crystal plane represented typically as ⁇ 100 ⁇ plane refers to a crystal lattice plane expressed using a Miller index
  • an equivalent crystal plane expressed as the ⁇ 100 ⁇ plane is: There are a (100) plane, a (-100) plane, a (010) plane, a (0-10) plane, a (001) plane, and a (00-1) plane.
  • the CoFe layer is easily crystallized even in an unheated (as depo) state.
  • an equivalent crystal plane typically represented as a [110] plane is likely to be preferentially oriented in a plane parallel to the film plane (XY plane). Therefore, even when heat treatment is performed, an equivalent crystal plane represented as a typical [100] plane is given priority over a plane parallel to the film plane (XY plane) at the interface between the CoFe layer and the barrier layer 8. It is considered difficult to align.
  • the CoFeB layer can be non-heat treated (as depo) by adjusting the B concentration to about 20 to 30 at%.
  • amorphous is dominant.
  • it is represented as a [100] plane typically on a plane parallel to the film plane (XY plane) at the interface between the CoFeB layer and the barrier layer by atomic rearrangement after heat treatment. It is preferable that the equivalent crystal plane is preferentially oriented.
  • the crystallization temperature becomes high, and specifically, a heat treatment temperature of 300 ° C. or higher is required.
  • the CoFeB layer 10 is Since amorphous is dominant in non-heat treatment (as depo), the CoFe layer 9 tends to rearrange on the barrier layer 8 when heat treatment is performed. Therefore, on the barrier layer 8 formed of MgO by heat treatment, the CoFe layer 9 has an equivalent crystal plane typically represented as a [100] plane in a plane parallel to the film plane (XY plane). It is easy to rearrange atoms so that is preferentially oriented.
  • the CoFeB layer 10 is also represented by a heat treatment in a plane parallel to the film surface (XY plane), typically as a [100] plane.
  • the equivalent crystal plane is preferentially oriented.
  • the spin polarization rate of electrons is increased. Since the electrons can be injected into the i-type semiconductor layer 4 as an active layer while maintaining a high spin polarization rate by utilizing the tunnel effect, the degree of circular polarization can be increased compared to the conventional case. is there.
  • the color of light emitted from the circularly polarized light emitting element 1 is determined in particular by the material of the i-type semiconductor layer (active layer) 4.
  • the material of the i-type semiconductor layer (active layer) 4 For example, InGaN is used for the i-type semiconductor layer (active layer) 4 when emitting blue light, and GaAs is used for the i-type semiconductor layer (active layer) 4 when emitting red light.
  • the type AlGaN and the i-type semiconductor layer 7 may be i-type AlGaN.
  • the p-type semiconductor layer 3 is p-type AlGaAs
  • the i-type semiconductor layer (active layer) 4 is i-type GaAs
  • the n-type semiconductor layer 5 is n-type AlGaAs
  • the semiconductor layer 7 may be i-type AlGaAs.
  • all the existing materials can be used for each semiconductor layer.
  • Each of the semiconductor layers 3 to 7 is formed using an existing method such as MBE (molecular beam epitaxy) or MOCVD (metal organic vapor phase epitaxy).
  • the barrier layer 8, the magnetic layer 12, and the protective layer 11 are formed by an existing method such as a sputtering method.
  • the cross-sectional shape shown in FIG. 1 can be formed using a photolithography technique.
  • the p-type semiconductor layer 3 has a thickness of about 10 to 1000 nm
  • the i-type semiconductor layer (active layer) 4 has a thickness of about 5 to 50 nm
  • the n-type semiconductor layer 5 has a thickness of 10 to 1000 nm.
  • the i-type semiconductor layer 7 has a thickness of about 5 to 50 nm
  • the barrier layer 8 has a thickness of about 2 to 3 nm
  • the CoFe layer 9 has a thickness of about 0.5 to 1.5 nm
  • the CoFeB layer 10 Is about 1 to 3 nm
  • the protective layer 11 is about 5 to 20 nm.
  • the Mg composition ratio of MgO constituting the barrier layer 8 is preferably in the range of 40 at% to 60 at%, and most preferably 50 at%.
  • CoFe layer 9 is formed by a composition formula of Co 100-v Fe v, Fe concentration v is suitably a 25at% ⁇ 90at%.
  • the CoFeB layer 10 is formed with a composition formula of [Co 100-y Fe y ] 100-z B z , the atomic ratio y is 25 to 90, and the B concentration z is in the range of 10 at% to 30 at%. Preferably there is.
  • the protective layer 11 is made of Ta, for example, but the material is not particularly limited.
  • a plurality of recesses 20 communicating from the surface of the protective layer 11 to the n-type semiconductor layer 5 constituting the semiconductor element 6 are formed, and the cross section has a comb-teeth shape. . Thereby, circularly polarized light can be effectively emitted upward from the inside of the recess 20.
  • the recess 20 can be formed by etching by etching using a photolithography technique.
  • an i-type semiconductor layer 7 is interposed between the semiconductor element 6 and the barrier layer 8, thereby achieving interface consistency typified by crystal orientation with the barrier layer 8. It can be done well. However, the i-type semiconductor 5 can be provided if good interface matching can be obtained even if the barrier layer 8 is provided directly on the n-type semiconductor 5 constituting the semiconductor element 6 without providing the i-type semiconductor layer 7. Not required. The material and the like are adjusted so that the band gap of the i-type semiconductor layer 7 is wider than that of the i-type semiconductor layer (active layer) 4 constituting the semiconductor element 6.
  • the p-type semiconductor substrate 2 is used as shown in FIG. 1, the stacking order shown in FIG. 1 is preferable.
  • the semiconductor element 6 has a pin junction structure, but may have a pn junction structure.
  • the vicinity of the interface between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is an active region.
  • a method of supplying a bias magnetic field to the magnetic layer 12 for example, a method using a permanent magnet layer (hard bias layer) 21 as shown in FIG. 3 or a method using a coil 22 as shown in FIG.
  • permanent magnet layers 21 are formed on both sides of the magnetic layer 12, and the permanent magnet layers 21 are magnetized, for example, in the left direction in the figure. Thereby, a bias magnetic field in the left direction in the figure is supplied from the permanent magnet layer 21 to the magnetic layer 21, and the magnetic layer 12 can be magnetized in the left direction in the figure.
  • a spiral coil layer 22 is formed on the upper surface of the circularly polarized light emitting element 1.
  • the magnetic layer 12 can be magnetized by a magnetic field generated by passing a current through the coil layer 22.
  • the magnetization direction of the magnetic layer 12 cannot be changed, but in the form of FIG. 4, the magnetization direction of the magnetic layer 12 can be varied by changing the direction of the current flowing through the coil layer 22.
  • the coil layer 22 is formed directly on the upper surface of the circularly polarized light emitting element 1, but as shown by the dotted line in FIG. 4, a magnetic field in which a spiral coil layer 26 is formed on the substrate 25.
  • the supply mechanism 27 may be provided separately from the circularly polarized light emitting element 1. In such a case, the magnetic field supply mechanism 27 may be movably supported.
  • the magnetic field supply mechanism 27 is disposed to face the side surface of the magnetic layer 12 with a predetermined distance, but can be moved to a position above the magnetic layer 12. By making the magnetic field supply mechanism 27 movable in this manner, the magnetic layer 12 can be magnetized in any of the upward direction, the downward direction, the right direction, and the left direction.
  • the circularly polarized light emitting element 1 in the present embodiment is provided with a phase difference plate, light having no phase difference can be extracted.
  • the circularly polarized light-emitting element 1 in the present embodiment can be used for a backlight of a liquid crystal display, for example. Since a polarizing filter is not necessary, energy loss due to the filter can be reduced, and a longer display life and improved reliability can be expected. Moreover, if used in combination with a circularly polarized light transmissive film, it is effective for improving the quality of the display.
  • the circularly polarized light emitting element 1 capable of changing the magnetization direction of the magnetic layer 12 can be incorporated into an optical communication device or the like.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a circularly polarized light emitting element that supplies a bias magnetic field by means different from FIG. A graph showing the relationship between RA and resistance change rate ( ⁇ R / R) of each tunnel type magnetoresistive effect element in which the configuration of the free magnetic layer is changed;

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Abstract

【課題】　特に、従来に比べて高い円偏光度を得ることが可能な円偏光発光素子を提供することを目的としている。 【解決手段】　ｐ型半導体基板２上に、下からｐ型半導体層３、ｉ型半導体層（活性層）４、ｎ型半導体層５、ｉ型半導体層７、バリア層（ＭｇＯ）８、ＣｏＦｅ層９、ＣｏＦｅＢ層１０、保護層１１が順に積層されている。これにより、従来に比べて高いスピン偏極率を保持したまま半導体素子の活性領域に電子を注入でき、従来よりも高い円偏光度を得ることが出来る。

Description

円偏光発光素子
　本発明は、特に、高い円偏光度を備える円偏光発光素子に関する。
　現在、光の偏光や位相を扱う光学技術の発展が目覚しい。円偏光を得る最も一般的な手法は、発光ダイオードやレーザ等の外部光源から出力された光を、直線偏光子と波長板（λ／４板）に通して円偏光状態を形成するものである。
　しかしながら、このような従来手法では、光学デバイスの小型化が難しく使用用途が限られてしまう。また、左回り円偏光状態と右回り円偏光状態とを切り替えるためには、波長板を機械的に回転させる必要があり機構が複雑になった。
　以下の文献には半導体素子を用いた円偏光発光素子が開示されている。高い偏光度を得るには、ｐｎ接合構造やｐｉｎ接合構造の活性領域に高いスピン偏極率で電子や正孔を注入しないといけない。
　例えば、下記特許文献１や特許文献２に記載された発明には、磁性体による電極（接点）を用い、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構成が開示されている。
　しかしながら上記した特許文献１や特許文献２のように磁性体と半導体素子とが直接接合された形態では、比抵抗差が大きくなり過ぎコンダクタンスのミスマッチが大きくなり、高いスピン偏極率を保持したまま活性領域に注入できない。
　また特許文献３では、ｐ型磁性半導体やｎ型磁性半導体を用いているが、現在知られている磁性半導体はキュリー点が極めて低く使用環境温度でスピン偏極率を高めることができない。
特許第２７０８０８５号公報 特開２００６－２１０６２６号公報 特開２００３－２２４３３号公報
　そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、従来に比べて高い円偏光度を得ることが可能な円偏光発光素子を提供することを目的としている。
　本発明における円偏光発光素子は、
　ｐｎ接合構造あるいはｐｉｎ接合構造を備える半導体素子と、前記半導体素子のｎ型半導体層側にバリア層を介して積層された磁化されて成る磁性層とを有し、
　前記バリア層はＭｇＯで形成され、前記磁性層は、前記バリア層に接して形成されるＣｏＦｅ層と、前記ＣｏＦｅ層を挟んで前記バリア層から離れて位置し前記ＣｏＦｅ層に接して形成されるＣｏＦｅＢ層とで形成されていることを特徴とするものである。これにより、従来に比べて高いスピン偏極率を保持したまま半導体素子の活性領域に電子を注入でき、従来よりも高い円偏光度を得ることが出来る。
　また本発明では、前記バリア層と前記ｎ型半導体層との間にｉ型半導体層を備えていてもよい。
　本発明の円偏光発光素子によれば、従来に比べて高いスピン偏極率を保持したまま半導体素子の活性領域に電子を注入でき、従来よりも高い円偏光度を得ることが出来る。
　図１は、本実施形態の円偏光発光素子を高さ方向（Ｚ方向）に沿って切断した断面図である。
　図１に示す円偏光発光素子１は、ｐ型半導体基板２上に、下からｐ型半導体層３、ｉ型半導体層４、及びｎ型半導体層５の順に積層されたｐｉｎ接合構造の半導体素子６を備え、さらに半導体素子６上に下からｉ型半導体層７、バリア層８、ＣｏＦｅ層９、ＣｏＦｅＢ層１０及び保護層１１の順に積層された層構成となっている。
　半導体素子６を構成するｉ型半導体層（活性層）４は、他の構成半導体層に比べてバンドギャップが小さくなっている。図１に示すように、円偏光発光素子１に対して円偏光発光素子１の上下面間に電圧を印加する。するとｉ型半導体層４の箇所で、ｎ型半導体層５から注入される電子と、ｐ型半導体層３から注入される正孔とが再結合し、ｉ型半導体層４の部分から光が放出される。
　本実施形態では、ＣｏＦｅ層９とＣｏＦｅＢ層１０との２層構造で形成された磁性層１２がある所定の方向に磁化されている。例えば磁性層１２が面内磁化を有している場合、ｉ型半導体層（活性層）４の側面垂直方向に円偏光が放出され、垂直磁化を有している場合は、ｉ型半導体層（活性層）４の膜面垂直方向に円偏光が放出される。なお円偏光がσ＋（右回り）となるかσ－（左回り）となるかは、後で説明する選択規則に基づく。
　ところで、円偏光を得るにはスピン偏極率を高める必要がある。ここで電子のスピンにはアップスピン（＋１／２）とダウンスピン（－１／２）とが存在し、電子のスピン偏極率は、各々の存在確率が半々の状態から差が大きくなるほど高くなる。スピン偏極された電子は、選択規則に基づいて、半導体素子６の活性領域で正孔と再結合する。正孔には重い正孔（Ｊ＝±３／２）と軽い正孔（Ｊ＝±１／２）とが存在する。ここでＪは角運動量量子数とスピン量子数とを足したものである。
　そして重い正孔（Heavy-hole）の場合、選択規則に基づき、アップスピン（＋１／２）と＋３／２の重い正孔との間だけ、及び、ダウンスピン（－１／２）と－３／２の重い正孔との間だけ再結合する。アップスピン（＋１／２）と＋３／２の重い正孔との間で再結合するとσ－（左回り）の円偏光を得ることが出来、ダウンスピン（－１／２）と－３／２の重い正孔との間で再結合すると、σ＋（右回り）の円偏光が得られる。
　一方、軽い正孔(light-hole)の場合、選択規則に基づき、アップスピン（＋１／２）と－１／２の軽い正孔との間で再結合すると、σ＋（右回り）の円偏光が得られ、ダウンスピン（－１／２）と＋１／２の軽い正孔との間で再結合すると、σ－（左回り）の円偏光が得られる。
　したがって上記の選択規則に基づけば、半導体素子６のｉ型半導体層（活性層）４に注入される電子のスピン偏極率を高めることで円偏光度を高めることが可能になる。
　なお、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱構造の化合物半導体の場合、重い正孔と電子の再結合が支配的である。
　なおアップスピンとダウンスピンのどちらがスピン偏極電子となるかは、図１に示す磁性層１２の磁化方向を切り換えることで制御できる。
　本実施形態では、所定方向に磁化された磁性層１２を半導体素子６のｎ型半導体層５側にバリア層（絶縁障壁層）８を介して積層している。バリア層８はＭｇＯで形成されている。また磁性層１２は、バリア層８に接して形成されるＣｏＦｅ層９と、ＣｏＦｅ層９を挟んでバリア層８から離れて位置しＣｏＦｅ層９に接して形成されるＣｏＦｅＢ層１０とで形成される。
　このようにバリア層８と接触する磁性層１２としてＣｏＦｅ層９を設け、さらにＣｏＦｅ層９を挟んでバリア層８から離れた位置でＣｏＦｅ層９に接するＣｏＦｅＢ層１０を設けることで、電子のスピン偏極率を高めることができ、トンネル効果を利用して、高いスピン偏極率を保持したまま電子を半導体素子６の活性領域であるｉ型半導体層４に注入できる。
　本実施形態の層構成とすることでスピン偏極率を高めることが出来ることは次に説明するトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）で推測できる。
　実験では、以下の膜構成を形成した。膜構成は下からＴａ（３０）／Ｒｕ（４０）／Ｉｒ26at%Ｍｎ74at%（８０）／Ｃｏ70at%Ｆｅ30at%（２２）／Ｒｕ（９．１）／｛Ｃｏ50Ｆｅ50｝80at%Ｂ20at%（２６）］／ＭｇＯ（Ｘ）／磁性層／Ｒｕ（２０）／Ｔａ（１８０）の順に積層した。
　実験では、磁性層を下からＣｏ50at%Ｆｅ50at%（１０）／｛Ｃｏ50Ｆｅ50｝70at%Ｂ30at%（１５）の順に積層した参考例、｛Ｃｏ50Ｆｅ50｝80at%Ｂ20at%（３０）単層構造の比較例１、Ｃｏ50at%Ｆｅ50at%（３０）単層構造の比較例２、下からＣｏ50at%Ｆｅ50at%（１０）／Ｎｉ87at%Ｆｅ13at%（５０）の順に積層した比較例３の各トンネル型磁気抵抗効果素子を製造した。
　なお上記の括弧内の数値は膜厚を示し単位はÅである。
　また各トンネル型磁気抵抗効果素子に対して、２７０℃で３時間４０分間、１０ｋＯｅの磁場中で、熱処理を行った。
　図５は、参考例、比較例１、比較例２及び比較例３の各トンネル型磁気抵抗効果素子のＲＡ（素子抵抗値Ｒ×素子面積Ａ）と抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフである。ＲＡは、ＭｇＯの膜厚（Ｘ）を変えることで変化させた。
　図５に示すように、参考例のトンネル型磁気抵抗効果素子は、比較例１～比較例３の各トンネル型磁気抵抗効果素子に比べて高い抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を得ることができた。
　電子のスピン偏極率が高いと、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が高くなることがわかっている。したがって実験結果により、バリア層（ＭｇＯ）上にＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢを積層した参考例は、比較例１～比較例３に比べて電子のスピン偏極率が高くなっていることがわかった。
　また高いスピン偏極率を得るには、材質と合わせて、磁性層１２とバリア層８との界面状態が重要であると考えられる。すなわち、磁性層１２とバリア層８との界面が、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１００]面として表される等価な結晶面が優先配向していることが好適である。ここで、「代表的に｛１００｝面として表される結晶面」とは、ミラー指数を用いて表した結晶格子面を示し、前記｛１００｝面として表される等価な結晶面としては、（１００）面、（－１００）面、（０１０）面（０－１０）面、（００１）面、（００－１）面が存在する。
　図５の実験に示す比較例３のように、磁性層をＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層との積層構造（ＣｏＦｅ層をバリア層に接する位置に形成）で形成した場合、ＮｉＦｅ層は、非熱処理（ａｓ　ｄｅｐｏ）状態では、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１１１]面として表される等価な面心立方構造の結晶面が優先配向しやすい。そして熱処理を施しても、ＣｏＦｅ層の原子再配列をＮｉＦｅ層が妨げ、ＣｏＦｅ層とバリア層８との界面では、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１００]面として表される等価な結晶面が優先配向し難くなると考えられる。
　また図５の実験に示す比較例２のように磁性層をＣｏＦｅ層の単層構造で形成した場合、ＣｏＦｅ層は、非熱処理（ａｓ　ｄｅｐｏ）状態であっても、結晶化しやすい。このとき、ＣｏＦｅ層が体心立方構造であるとき、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１１０]面として表される等価な結晶面が優先配向しやすい。よって、熱処理を行っても、ＣｏＦｅ層とバリア層８との界面では、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１００]面として表される等価な結晶面が優先配向しにくいと考えられる。
　さらに図５の実験に示す比較例１のように磁性層を、ＣｏＦｅＢ層の単層構造で形成した場合、ＣｏＦｅＢ層は、Ｂ濃度を２０～３０ａｔ％程度に調整すると、非熱処理（ａｓ　ｄｅｐｏ）状態では、アモルファスが支配的となる。理想的には、熱処理を施したあとに原子再配列によってＣｏＦｅＢ層とバリア層との界面で、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１００]面として表される等価な結晶面が優先配向することが好ましい。しかし、ＭｇＯのバリア層８上にＣｏＦｅＢ層を設けた形態では、結晶化温度が高くなり、具体的には３００℃以上の熱処理温度が必要となってしまう。
　これに対して本実施形態のように、磁性層１２をＣｏＦｅ層９とＣｏＦｅＢ層１０との積層構造（ただしＣｏＦｅ層９はバリア層８と接する側に形成される）では、ＣｏＦｅＢ層１０は、非熱処理（ａｓ　ｄｅｐｏ）では、アモルファスが支配的であるため、熱処理を行ったとき、バリア層８上では、ＣｏＦｅ層９は、原子再配列しやすい。よって、熱処理により、ＭｇＯで形成されたバリア層８上では、ＣｏＦｅ層９は、膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１００]面として表される等価な結晶面が優先配向するように原子再配列しやすい。
　またＣｏＦｅ層９とＣｏＦｅＢ層１０との界面での格子ミスマッチは小さいため、熱処理によって、前記ＣｏＦｅＢ層１０も膜面（Ｘ－Ｙ面）と平行な面に、代表的に[１００]面として表される等価な結晶面が優先配向していると考えられる。
　以上のように半導体素子６のｎ型半導体層５側にバリア層８を介してＣｏＦｅ層９／ＣｏＦｅＢ層１０の積層からなる磁性層１２を設けた本実施形態では、電子のスピン偏極率を高くでき、トンネル効果を利用して、高いスピン偏極率を保持したまま、活性層であるｉ型半導体層４へ電子を注入できるので、従来に比べて円偏光度を高くすることが可能である。
　円偏光度は、ＰEL＝（Ｉ+－Ｉ-）／（Ｉ+＋Ｉ-）（Ｉ+：σ＋の発光強度，Ｉ-：σ－の発光強度）で得られ、本実施形態では、５０％～１００％の円偏光度を得ることが出来る。
　円偏光発光素子１から放出される光の色は、特にｉ型半導体層（活性層）４の材質で決まる。青色を発光させる場合には、ｉ型半導体層（活性層）４に例えばＩｎＧａＮを使用し、赤色を発光させるにはｉ型半導体層（活性層）４に例えばＧａＡｓを使用する。
　材質についての具体例については、青色を発光させる場合、ｐ型半導体層３にはｐ型のＡｌＧａＮ、ｉ型半導体層（活性層）４にはｉ型のＩｎＧａＮ、ｎ型半導体層５にはｎ型のＡｌＧａＮ、ｉ型半導体層７にはｉ型のＡｌＧａＮを用いるとよい。また、赤色を発光させる場合、ｐ型半導体層３にはｐ型のＡｌＧａＡｓ、ｉ型半導体層（活性層）４にはｉ型のＧａＡｓ、ｎ型半導体層５にはｎ型のＡｌＧａＡｓ、ｉ型半導体層７にはｉ型のＡｌＧａＡｓを用いるとよい。ただし各半導体層は既存の材質を全て使用することが可能である。
　各半導体層３～７は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）等の既存の方法を用いて成膜される。またバリア層８、磁性層１２及び保護層１１は例えばスパッタ法等の既存の方法で成膜される。
　また、図１に示す断面形状は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成できる。
　次に、ｐ型半導体層３の膜厚は、１０～１０００ｎｍ程度、ｉ型半導体層（活性層）４の膜厚は、５～５０ｎｍ程度、ｎ型半導体層５の膜厚は、１０～１０００ｎｍ程度、ｉ型半導体層７の膜厚は、５～５０ｎｍ程度、バリア層８の膜厚は、２～３ｎｍ程度、ＣｏＦｅ層９の膜厚は、０．５～１．５ｎｍ程度、ＣｏＦｅＢ層１０の膜厚は、１～３ｎｍ程度、保護層１１の膜厚は、５～２０ｎｍ程度である。
　バリア層８を構成するＭｇＯのＭｇ組成比は４０ａｔ％～６０ａｔ％の範囲内であることが好ましく５０ａｔ％であることが最も好ましい。また、ＣｏＦｅ層９は、Ｃｏ100-vＦｅvの組成式で形成され、Ｆｅ濃度ｖは、２５ａｔ％～９０ａｔ％であることが好適である。
　またＣｏＦｅＢ層１０は、[Ｃｏ100-yＦｅy]100-zＢzの組成式で形成され、原子比率ｙは、２５～９０で、Ｂ濃度ｚは、１０ａｔ％～３０ａｔ％の範囲内であることが好ましい。
　また保護層１１は例えばＴａで形成されるが特に材質を限定するものではない。
　図２に示す他の実施形態では、保護層１１の表面から半導体素子６を構成するｎ型半導体層５までに連通する複数の凹部２０が形成されており、断面が櫛歯形状となっている。これにより凹部２０内から上方向に円偏光を効果的に放出できる。凹部２０はフォトリソグラフィ技術を用いエッチングにより削りこむことで形成できる。
　図１，図２に示す実施形態では半導体素子６とバリア層８との間にｉ型半導体層７を介在させており、これにより、バリア層８との結晶配向に代表される界面整合性を良好に出来る。ただし、ｉ型半導体層７を設けず、半導体素子６を構成するｎ型半導体５上に直接、バリア層８を設けても良好な界面整合性を得ることができればｉ型半導体５を設けることは必須でない。なおｉ型半導体層７のバンドギャップが半導体素子６を構成するｉ型半導体層（活性層）４に比べて広くなるように材質等が調整されている。
　また上記した実施形態では、下からｐ型半導体層３、ｉ型半導体層（活性層）４、ｎ型半導体層５、ｉ型半導体層７、バリア層８、ＣｏＦｅ層９及びＣｏＦｅＢ層１０の順に積層されているが、逆の積層であってもよい。ただし図１に示すようにｐ型半導体基板２を用いる場合には、図１に示す積層順とすることが好適である。
　また上記した実施形態では、半導体素子６はｐｉｎ接合構造であったがｐｎ接合構造であってもよい。ｐｎ接合構造ではｎ型半導体層とｐ型半導体層との界面付近が活性領域である。
　磁性層１２に対してのバイアス磁界の供給方法については、たとえば図３に示すように永久磁石層（ハードバイアス層）２１を用いる方法や図４に示すようにコイル２２を用いる方法が考えられる。
　図３に示す形態では、磁性層１２の両側に永久磁石層２１が形成され、永久磁石層２１は例えば図示左方向に磁化されている。これにより永久磁石層２１から磁性層２１に図示左方向のバイアス磁界が供給され磁性層１２を図示左方向に磁化することが出来る。
　図４に示す形態では、例えば円偏光発光素子１の上面にスパイラル形状のコイル層２２が形成されている。コイル層２２に電流を流すことで発生する磁界により磁性層１２を磁化することが出来る。
　図３の形態では、磁性層１２の磁化方向を変えることができないが、図４の形態ではコイル層２２に流す電流方向を変えることで磁性層１２の磁化方向を可変できる。また図４の形態では、円偏光発光素子１の上面に直接、コイル層２２を形成しているが、図４の点線で示すように基板２５上にスパイラル形状のコイル層２６が形成された磁界供給機構２７を円偏光発光素子１と別に設けてもよい。かかる場合、磁界供給機構２７は移動可能に支持されてもよい。図４では、磁界供給機構２７は磁性層１２の側面に所定距離を空けて対向配置されているが、磁性層１２の上方位置に移動することもできる。そして、このように磁界供給機構２７を移動可能にすることで、磁性層１２を図示上方向、図示下方向、図示右方向及び図示左方向のいずれの方向にも磁化することが可能になる。
　本実施形態における円偏光発光素子１に位相差板を設ければ、位相差のない光を取り出すことが出来る。
　本実施形態における円偏光発光素子１は、例えば液晶ディスプレイのバックライトに使用可能である。偏光フィルタが不要となるため、フィルタによるエネルギーロスを低減でき、ディスプレイの長寿命化、信頼性の向上を期待できる。また円偏光透過フィルムと組み合わせて使用すればディスプレイの高品質化にも有効である。
　また、磁性層１２の磁化方向を可変可能な円偏光発光素子１を光通信デバイス等に組み込み使用することも出来る。
本実施形態における円偏光発光素子の断面図、 図１とは異なる本実施形態の円偏光発光素子の断面図、 磁性層に対するバイアス磁界を供給する手段を説明するための円偏光発光素子の模式図、 図３とは異なる手段でバイアス磁界を供給する円偏光発光素子の模式図、 フリー磁性層の構成を変えた各トンネル型磁気抵抗効果素子のＲＡと抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）との関係を示すグラフ、
符号の説明
２　ｐ型半導体基板
３　ｐ型半導体層
４　ｉ型半導体層（活性層）
５　ｎ型半導体層
６　半導体素子
７　ｉ型半導体層
８　バリア層
９　ＣｏＦｅ層
１０　ＣｏＦｅＢ層
１１　保護層
１２　磁性層
２１　永久磁石層（ハードバイアス層）
２２、２６　コイル層
２７　磁界供給機構

Claims (2)

  1. 　ｐｎ接合構造あるいはｐｉｎ接合構造を備える半導体素子と、前記半導体素子のｎ型半導体層側にバリア層を介して積層された磁化されて成る磁性層とを有し、
    　前記バリア層はＭｇＯで形成され、前記磁性層は、前記バリア層に接して形成されるＣｏＦｅ層と、前記ＣｏＦｅ層を挟んで前記バリア層から離れて位置し前記ＣｏＦｅ層に接して形成されるＣｏＦｅＢ層とで形成されていることを特徴とする円偏光発光素子。
  2. 　前記バリア層と前記ｎ型半導体層との間にｉ型半導体層を備える請求項１記載の円偏光発光素子。
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