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SPIN POLARIZATION HIGH BRIGHTNESS ELECTRON GENERATION PHOTOCATHODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF

Patent code P190016146
File No. (S2016-0566-N0)
Posted date Jun 24, 2019
Application number P2017-069378
Publication number P2017-195178A
Date of filing Mar 30, 2017
Date of publication of application Oct 26, 2017
Priority data
  • P2016-081955 (Apr 15, 2016) JP
Inventor
  • (In Japanese)金 秀光
  • (In Japanese)竹田 美和
  • (In Japanese)山本 将博
  • (In Japanese)神谷 幸秀
Applicant
  • (In Japanese)大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
  • (In Japanese)国立大学法人名古屋大学
Title SPIN POLARIZATION HIGH BRIGHTNESS ELECTRON GENERATION PHOTOCATHODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin polarization high brightness electron generation photocathode for backside-illumination having simple structure, and to provide a manufacturing method thereof.
SOLUTION: On a single crystal substrate having surface planarity of nanometer, a thin film of single crystal compound semiconductor having NEA is formed. A spin polarization high brightness electron generation photocathode can be manufactured using a metal organic chemical vapor deposition method.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

本発明におけるスピン偏極電子とは、上向き電子スピンと下向き電子スピンの存在比率が同じではない状態に在る電子をいう。NEA性とは、半導体の伝導帯よりも真空準位のほうがエネルギー的に低い状態のことをいい、これを、負電子親和性(negative electron affinity)又は負の電子親和力の状態という。NEA性を有するとは、スピン偏極電子を発生させる場合があり、あるいは、スピン偏極電子を発生させない場合もある。スピン偏極電子発生能とは、半導体の伝導帯に在る電子が真空準位に移動するときに、スピン偏極電子を発生する能力を有することをいう。高輝度電子発生物質とは、光を吸収して輝度の高い電子を発生させることができる物質をいう。スピン偏極電子発生物質とは、偏光レーザー等の偏光を吸収してスピン偏極電子を発生させることができる物質をいう。本発明スピン偏極高輝度電子発生フォトカソードとは、光を吸収して高輝度電子を発生するフォトカソードであり、又、偏光レーザー等の偏光を吸収してスピン偏極した高輝度電子を発生させるフォトカソードのことである。

従来、裏面照射型のスピン偏極電子発生素子に係る発明が提案されている(特許文献1~4)。特許文献1には、GaAs基板上にGaAsを主成分とする中間層やバッファ層を積層させ、その上にGaAs-GaAsPの超格子層を10層程度積層させ、更にその上にGaAs等の薄膜(以下、NEA活性層と略す。)を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。特許文献2には、GaN基板上にAlGaInNを主成分とする中間層やバッファ層を積層させ、その上にGaAs-GaAsPの超格子層を10層程度積層させ、更にその上にGaAs等のNEA活性層を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。特許文献3には、GaP基板上にAlGaAsPを主成分とする少なくとも中間層やバッファ層を積層させ、その上にGaAs-GaAsPの超格子層を10層程度積層させ、更にその上にGaAs等のNEA活性層を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。特許文献4には、GaAs基板上にInGaAsを主成分とする中間層やバッファ層を積層させ、その上にGaAs-GaAsPの超格子層を10層程度積層させ、更にその上にGaAs等のNEA活性層を形成させたスピン偏極電子発生素子が開示されている。

従来の裏面照射型のスピン偏極電子発生素子は、スピン偏極度90%程度の電子を発生させることは可能であるが、光を電子に変換させる当該素子の量子効率が非常に小さい(概ね0.4%以下である)こと、高輝度電子の発生が困難である(103Acm-2sr-1程度の非常に低い輝度である)こと、基板と最上層であるGaAs等のNEA活性層との間に中間層やバッファ層を必ず介在させる必要があるために製造工程が非常に複雑であること、用いる基板の光透過の吸収端のために当該素子を励起する励起光が狭い波長範囲に限られるということ、等の実用上改善すべき問題があった。

しかし、90%程度乃至それ以上の高いスピン偏極度を維持しながら高量子効率で高輝度電子を発生させることができ、簡易な構造を有し、広い波長域の励起光を利用可能な、裏面照射型のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード及びその製造方法は、ほとんど知られていない。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、スピン偏極高輝度電子発生フォトカソード及びその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し1.5eVから10eVの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、0.15eVから6.5eVの範囲にあるバンドギャップを有しかつNEA性を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、前記単結晶基板の底面に1.5eVから10eVの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が107Acm-2sr-1程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項2】
 
ナノメートルレベルの平坦な清浄表面を有し1.5eVから10eVの範囲にあるバンドギャップを有する単結晶基板と、該基板の上にエピタキシャル成長させた、該基板に対して選ばれた一つの、0.15eVから6.5eVの範囲にあるバンドギャップを有しNEA性及びスピン偏極電子発生能を有する単結晶化合物半導体の薄膜と、からなるスピン偏極高輝度電子発生フォトカソードであって、前記単結晶基板の底面に1.5eVから10eVの範囲にある光が入射されたときに、前記単結晶基板の底面に1.5eVから10eVの範囲にある偏光レーザーが入射されたときに、前記単結晶化合物半導体の薄膜から電子線輝度が107Acm-2sr-1程度乃至それ以上の、且つ、スピン偏極度が90%以上程度乃至それ以上の電子線が発生されることを特徴とするスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項3】
 
前記単結晶化合物半導体がGaAs系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がZnS又はZnTeであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項4】
 
前記単結晶化合物半導体がGaAs系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がZnSeであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項5】
 
前記単結晶化合物半導体がInSb系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がMgTe、CdTe、CdMnTe及びCdZnTeの中から選ばれた一つであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項6】
 
前記単結晶化合物半導体がInN系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板が単結晶ダイヤモンド及び立方晶窒化硼素の中から選ばれた一つであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項7】
 
前記単結晶化合物半導体がGaN系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がZnO及び六方晶窒化ホウ素の中から選ばれた一つであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項8】
 
前記単結晶化合物半導体がCdS系の単結晶化合物半導体であり、前記単結晶基板がGaNであることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。

【請求項9】
 
前記単結晶化合物半導体が50nm~500nmの厚みであることを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載のスピン偏極高輝度電子発生フォトカソード。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017069378thum.jpg
State of application right Published
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