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スピン偏極電子発生素子 UPDATE 新技術説明会

国内特許コード P120006632
掲載日 2012年2月14日
出願番号 特願2009-073929
公開番号 特開2009-266809
登録番号 特許第5527680号
出願日 平成21年3月25日(2009.3.25)
公開日 平成21年11月12日(2009.11.12)
登録日 平成26年4月25日(2014.4.25)
優先権データ
  • 特願2008-079292 (2008.3.25) JP
発明者
  • 宇治原 徹
  • 金 秀光
  • 竹田 美和
  • 中西 彊
  • 山本 尚人
  • 坂 貴
  • 加藤 俊宏
出願人
  • 学校法人大同学園
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 スピン偏極電子発生素子 UPDATE 新技術説明会
発明の概要 【課題】基板、バッファ層、歪み超格子層の材料選択の自由度を持たせた状態で、スピン偏極度と外部量子効率の高いスピン偏極電子発生素子を実現すること。
【解決手段】基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、基板とバッファ層との間に、バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成る中間層を介在させた。これにより、バッファ層には、引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生し、モザイク状となる。この結果、バッファ層上に成長させる歪み超格子層には、斜め方向の滑り転位が伝播しないために、歪み超格子層の結晶性が改善される。この結果、励起される電子のスピン偏極度と偏極電子の外部量子効率が向上する。
【選択図】図4
従来技術、競合技術の概要



スピン偏極電子源は、磁区構造を観測するスピン低速電子顕微鏡や、陽子とスピン偏極電子とを衝突させて素粒子を生成する場合の素粒子研究に用いられることが期待されている。これらの分野では、特に、高偏極度と高外部量子効率が必要である。現在、スピン偏極電子源には、主に、スピン偏極電子発生素子である半導体フォトカソードが用いられている。半導体フォトカソードは、光を照射することで電子を励起し、その電子を表面から取り出すことで、電子ビームを得る素子である。スピン偏極電子源として用いる場合は、励起光に円偏光を用いることで、励起される電子のスピンに偏りが生じ、スピン偏極電子源として機能する。





GaAs系半導体フォトカソードにおけるスピン偏極の原理を説明する。半導体フォトカソードに照射された円偏光により、重い正孔バンドと軽い正孔バンドから、伝導帯へ電子が励起される。そのとき、それぞれのバンドからは、異なるスピンを持った電子が3 対1 の割合で励起される。その結果、カソードの外部に出力される電子ビームのスピンに偏りが生じ、スピン偏極電子ビームが得られる。





歪みGaAs半導体の単層を用いたスピン偏極電子発生素子として、下記特許文献1、2、3の技術が知られている。その技術は、GaAs半導体層に歪みを与えることでスピン偏極度を向上させるものである。GaAs系半導体では、価電子帯の重い正孔バンドと軽い正孔バンドは、Γ点で縮退しているため、両方のバンドから同時に電子が励起されてしまう。もし、この縮退を解いて2つのバンドを分離することができれば、片方のスピン電子しか励起されず、原理的には100% のスピン偏極度を達成することができる。バンドを分離する方法として、半導体に歪みを与える方法がある。これらの特許文献1~3では、GaAs基板上に、それと格子定数の異なるGaAsP 結晶活性層をエピタキシャル成長させることで格子不整合によりGaAsP 層に歪みを生じさせ、それによるGaAsP の価電子帯のバンド分離により偏極度50%以上を達成している。さらに、GaAs基板に直接ではなく、活性層の下に、活性層とは異なる組成をもつGaAsP を挿入することで、活性層の結晶性の劣化を抑制することが提案されている。





また、下記特許文献4では、歪み超格子構造を用いて、スピン偏極度を向上させる技術が開示されている。超格子構造とは、一層が1ML ~数nmの厚さの、2種類以上の異なるバンドギャップを持つ半導体を繰り返し積層したものである。電子の場合は、伝導帯の底のエネルギーが低い層、また正孔の場合は、価電子帯の頂上のエネルギーが高い層は、井戸層とよばれ、それを挟む層は障壁層と呼ばれている。電子や正孔はこの井戸層に閉じ込められることで、量子準位が形成される。また、その準位は、重い正孔と軽い正孔では異なるエネルギー領域に形成されるため、これによってもバンドの分離が生じる。





さらに、超格子層に歪みを付与したものは、歪み超格子構造といい、歪みと量子閉じ込めによる効果を相加的に利用することで、更なるバンド分離が実現される。特許文献4ではGaAs基板上に形成したGaAs-GaAsP歪み超格子構造によるスピン偏極電子源に関するもので、90%以上の偏極度が実現されている。





また、下記特許文献5に開示された技術は、高輝度偏極電子線を実現する電子源に関する。輝度向上のためには、励起光を絞り、電子線発生領域を小さくすることが有効である。本発明では、励起光をフォトカソードの裏面から照射することで、表面から放出されるスピン偏極電子線と干渉せずに、レンズで励起光を集光する構造を提案している。ここで、半導体フォトカソードに関しては、励起光を透過するGaP 基板上のGaAs-GaAsP歪み超格子構造を新たに発明している。しかし、このままの構造では高い偏極度は得られない。

産業上の利用分野



本発明は、歪み超格子層を用いたスピン偏極電子発生素子に関する。特に、歪み超格子層の結晶性を改善し、スピン偏極度と外部量子効率の向上を実現するための構造に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、
前記基板と前記バッファ層との間に、前記バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成り、臨界膜厚以上の厚さを有する中間層を介在させたことを特徴とするスピン偏極電子発生素子。

【請求項2】
基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、
前記基板と前記バッファ層との間に、前記バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成る中間層を介在させ、
前記バッファ層には、引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生していることを特徴とするスピン偏極電子発生素子。

【請求項3】
基板と、バッファ層と、バッファ層上に形成された歪み超格子層とを有するスピン偏極電子発生素子において、
前記基板と前記バッファ層との間に、前記バッファ層を構成する結晶の格子定数よりも大きな格子定数を有する結晶から成る中間層を介在させ、
前記中間層の厚さは、前記バッファ層に前記中間層から印加される引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生に至る直前において、前記中間層が前記バッファ層から受ける歪みが5%となる厚さより厚いことを特徴とするスピン偏極電子発生素子。

【請求項4】
前記バッファ層には、引張歪みにより基板に垂直な方向へのクラックが発生していることを特徴とする請求項1又は請求項3に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項5】
前記スピン偏極電子発生素子は前記基板の裏面から励起光を前記歪み超格子層に入射させるものであり、前記中間層の厚さは、前記励起光を50% ~100%透過させる厚さであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項6】
前記基板は、GaP から成り、前記バッファ層は、GaAsxP1-x(0≦x≦1) 、GayIn1-yP (0≦y≦1)又は GazIn1-zAs(0≦z≦1)から成り、前記中間層は、前記バッファ層の格子定数よりも、格子定数が大きい、一般式、AlGaInAsPで表される2元、3元、4元、5元の化合物から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項7】
前記中間層は、GaAsから成ることを特徴とする請求項6に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項8】
前記基板は、GaAsから成り、前記バッファ層は、GaAsxP1-x (0≦x≦1) 、GayIn1-yP (0≦y≦1)又は GazIn1-zAs(0≦z≦1)、前記中間層は、前記バッファ層の格子定数よりも、格子定数が大きい、一般式、AlGaInAsPで表される2元、3元、4元、5元の化合物から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項9】
前記中間層は、InAsから成ることを特徴とする請求項8に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項10】
前記基板は、GaN から成り、前記バッファ層は、AlxGa1-xN(0≦x≦1)又はGayIn1-yN(0≦y≦1)から成り、前記中間層は、前記バッファ層の格子定数よりも、格子定数が大きい、一般式、AlGaInNで表される2元、3元、4元の化合物から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項11】
前記中間層は、InN から成ることを特徴とする請求項10に記載のスピン偏極電子発生素子。

【請求項12】
請求項1乃至請求項11の何れか1項に記載のスピン偏極電子発生素子を用いたスピン偏極電子発生装置。

【請求項13】
前記スピン偏極電子発生装置は、前記スピン偏極電子発生素子をスピン偏極電子源とした電子顕微鏡であることを特徴とする請求項12に記載のスピン偏極電子発生装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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