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Dokumentenidentifikation DE69524806T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0684624
Titel Halbleiterquelle für spinpolarisierte Elektronen und diese Quelle verwendendes Gerät
Anmelder NEC Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Toshio, Baba, Tokyo, JP;
Masashi, Mizuta, Tokyo, JP;
Omori, Tsunehiko, Shimozuma-shi, Ibaraki, JP;
Kurihara, Yoshimasa, Tsukuba-shi, Ibaraki, JP;
Nakanishi, Tsutomu, Showa-ku, Aichi, JP
Vertreter PAe Splanemann Reitzner Baronetzky Westendorp, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69524806
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.05.1995
EP-Aktenzeichen 951076777
EP-Offenlegungsdatum 29.11.1995
EP date of grant 02.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse H01J 1/34

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquelle und eine Vorrichtung, die dieselbe verwendet, und insbesondere auf eine Verbesserung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute in der spinpolarisierten Elektronen-Halbleiterquelle.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die geladenen schwachen Bosonen verbinden nur Chiralitäts-linke Quarks und Leptonen. Bei hochenergetischen Wechselwirkungen von masseloser Grenze kommt die Chiralität der Helizität gleich. Deshalb kann ein polarisierter Elektronenstrahl schwache Wechselwirkungen bei Hochenergie-Experimenten steuern und man rechnet damit, daß dieser bei Experimenten von linearen e&spplus;e&supmin;-Kollidern eine wichtige Rolle spielt. Bei den Experimenten, bei denen polarisierte Elektronenstrahlen verwendet werden, nehmen in den meisten Fällen die Empfindlichkeiten der Experimente proportional zum Quadrat des Spinpolarisierungsgrads zu. Deshalb wird eine spinpolarisierte Elektronenquelle als eine Photokathode, durch die Elektronen mit einer möglichst hohen Spinpolarisierung gewonnen werden können, dringend benötigt. Neben dem Grad der Spinpolarisierung ist im Kollider die Lagungsmenge, die aus der spinpolarisierten Elektronenquelle gewonnen werden kann, wichtig. Deshalb ist es für eine spinpolarisierte Elektronen- Halbleiterquelle wünschenswert, eine Spinpolarisierung nahe 100% für Elektronen, die einen ausgerichteten Spin aufweisen, und eine hohe Quantenausbeute für einen großen Strom zu erfüllen.

Als eine solche spinpolarisierte Elektronenquelle zur Gewinnung von spinpolarisierten Elektronen ist ein Beispiel, bei dem der Bandaufbau eines Massen-Halbleiters verwendet wird, in einem Artikel (Solid State Communication, Band 16, S. 877, 1975) von G. Lanpel et al. beschrieben. Bei dieser spinpolarisierten Elektronen-Halbleiterquelle ist eine Mehrlagenschicht, bei der Cäsium- (Cs-)schichten und Sauerstoff- (O-)schichten abwechselnd laminiert sind, auf der Oberfläche eines p-leitenden GaAs- Halbleiters aufgebracht, um eine negative Elektronenaffinität zu erzeugen. Elektronen, die eine maximale Spinpolarisierung von 50% aufweisen, können durch einen strahlenden kreisförmig polarisierten Laserstrahl, der eine Energie aufweist, die im wesentlichen gleich dem verbotenen Band von GaAs ist, der Halbleiteroberfläche entzogen werden. Im Bandaufbau des GaAs-Halbleiters sind ein Band für schwere Löcher und eine Band für leichte Löcher im Valenzband entartet und deshalb beträgt ein Verhältnis von Elektronen mit einem abwärts gerichteten Spin und Elektronen mit einem aufwärts gerichteten Spin 3 : 1, aufgrund einer Differenz bei der Übergangswahrscheinlichkeit, wenn Elektronen von diesen Bändern auf das Leitungsband erregt werden. Aus diesem Grund kann maximal die Polarisierung von 50% erreicht werden.

Zur Erzielung einer noch höheren Polarisierung nahe 100% ist es notwendig, die Entartung des Bandes für schwere Löcher und des Bandes für leichte Löcher im Valenzband zu beseitigen. Zu diesem Zweck werden die spinpolarisierten Elektronenquellen, bei denen ein belasteter Kristall oder ein kurzer Abschnitt eines Halbleiter-Übergitteraufbaus verwendet wird, vorgeschlagen.

Als ein Beispiel für eine spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquelle, bei der ein belasteter Kristall verwendet wird, gibt es zum Beispiel den Artikel (Physics Letters A., Band 158, S. 345, 1991) von T. Nakanishi et al. Fig. 1A zeigt den Aufbau einer solchen spinpolarisierten Elektronen-Halbleiterquelle, bei der ein belasteter Kristall verwendet wird. In dem Beispiel ist eine Gitterrelaxationsschicht 102 aus p-leitendem GaPAs, das eine Gitterkonstante aufweist, die größer ist als diejenige eines p-leitenden GaAs-Substrats 101, und keine Gitterrelaxation auf dem Substrat 101 vorgesehen, und eine dünne belastete Schicht 103 aus p-leitendem GaAs, in der die Gitterrelaxation nicht erzeugt wird, ist auf der Gitterrelaxationsschicht 102 vorgesehen. Eine Druckbeanspruchung wirkt aufgrund der Belastung in einer Richtung entlang der Ebene in der obersten belasteten GaAs-Schicht 103, um das Gitter der belasteten Schicht 103 mit dem Gitter der Relaxationsschicht 102 auszurichten. Folglich wird die Entartung des Bandes für schwere Löcher und des Bandes für leichte Löcher im Valenzband beseitigt, so daß das Band für schwere Löcher energetisch höher angeordnet wird als das Band für leichte Löcher. Deshalb werden, wenn die Energie von erregendem Licht so ausgewählt wird, daß sie gleich einer Energie von dem Band für schwere Löcher auf ein Leitungsband, d. h. einer Energie eines verbotenen Bandes, ist, Elektronen nur von dem Band für schwere Löcher erregt, so daß man die Elektronen, die einen vollständig ausgerichteten Spin aufweisen, erhalten kann. Auf diese Weise soll theoretisch die Spinpolarisierung von 100% erzielt werden. Die Spinpolarisierung entzogener Elektronen beträgt tatsächlich jedoch aufgrund einer Ausdehnung von Bändern durch Wärmeenergie und Spinstreuung im belasteten Kristall weniger als 100%. Als Ergebnis eines Experiments, daß die Spinpolarisierung von Elektronen, die der Oberfläche entzogen werden, in der eine abwechselnde Laminierungs-Mehrlagenschicht aus Cs und O auf der belasteten Schicht 103 ausgebildet ist, gemessen wird, erhielt man eine hohe Polarisierung von 80% oder mehr.

Andererseits ist ein Beispiel für eine spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquellenvorrichtung, bei der ein Übergitteraufbau mit einem kurzen Abschnitt verwendet wird, zum Beispiel in einem Artikel (Physical Review Letters, Band 67, S. 3294, 1991) von Omori et al. beschrieben. Der Aufbau der Elektronen-Halbleiterquellenvorrichtung, bei der der Übergitteraufbau verwendet wird, ist in Fig. 1B gezeigt. Auf einem Substrat 101 aus p-leitendem GaAs ist aufeinanderfolgend eine Pufferschicht 104 aus p- leitendem GaAs und eine Sperrschicht 105 aus p-leitendem AlGaAs mit einem breiten verbotenen Band ausgebildet. Die Pufferschicht 104 ist zur Schaffung einer flachen Oberfläche ausgebildet, und die Sperrschicht 105 ist ausgebildet, um im Substrat 101 erregte Elektronen daran zu hindern, in einen Übergitteraufbau 110 zu gehen. Der Übergitteraufbau 110, der einen kurzen Abschnitt aufweist, ist auf der Sperrschicht 105 ausgebildet. Im Übergitteraufbau sind eine Trogschicht 112 aus p-leitendem GaAs mit einer Dicke, die gleich wie oder kürzer ist als eine Wellenlänge einer Elektronenwelle, und eine Grenzschicht 114 aus p-leitendem AlGaAs mit einer Dicke, durch die ein Elektron aufgrund des Esaki-Effekts übertragen kann, abwechselnd laminiert. Eine Schutzschicht 120 aus As ist auf dem Übergitteraufbau 110 ausgebildet. In diesem Fall wird die Entartung für schwere Löcher und leichte Löcher im Übergitteraufbau 110 beseitigt, und ein Miniband für die schweren Löcher und eine Miniband für die leichten Löcher werden aufgrund des Quanteneffekts im Valenzband ausgebildet. Diese Minibänder besetzen aufgrund einer großen Differenz in der effektiven Masse verschiedene Energieniveaus. Folglich nimmt, ähnlich wie im Fall des belasteten Kristalls, das Miniband für die schweren Löcher eine energetisch höhere Position ein als diejenige des Minibands für die leichten Löcher. Dementsprechend können, wenn erregendes Licht so ausgewählt wird, daß es eine Energie von dem Miniband für die schweren Löcher auf ein Leitungsband aufweist und mit einer Kreispolarisierung auf die Halbleiterquelle gestrahlt wird, nur Elektronen von dem Miniband für die schweren Löcher erregt werden und diese können vollständig ausgerichtete Spins aufweisen. Deshalb soll man theoretisch Elektronen mit einer Spinpolarisierung von 100% erhalten. Als Ergebnis dessen, daß eine Spinpolarisierung von Elektronen gemessen wurde, die der Oberfläche der Vorrichtung, in der eine CsO-Mehrlagenschicht auf der Oberfläche laminiert ist, entzogenen worden sind, kann man eine hohe Spinpolarisierung von über 70% erhalten.

Wie es oben beschrieben worden ist, ist in dem Fall, daß das nicht belastete GaAs-Kristall oder der Übergitteraufbau verwendet wird, wie bei der herkömmlichen spinpolarisierten Halbleiter-Elektronenquelle, obwohl die Quantenausbeute relativ hoch ist, die Spinpolarisierung ungenügend. Andererseits beträgt in dem Fall, daß das belastete Kristall für die spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquelle verwendet wird, obwohl man eine hohe Polarisierung erreicht, die Quantenausbeute lediglich 0,5% oder weniger, da aufgrund der dotierten Verunreinigung Fehler im Kristall vorhanden sind und die belastete Kristallschicht nicht dicker gemacht werden kann. Auf diese Weise konnten eine hohe Spinpolarisierung und eine hohe Quantenausbeute nicht beide gleichzeitig erfüllt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquelle zu schaffen, in der eine hohe Spinpolarisierung und eine hohe Quantenausbeute erzielt werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die oben genannte spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquelle verwendet wird.

Eine Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.

Der Übergitteraufbau ist durch abwechselndes Laminieren einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht ausgebildet. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind dünn, und der Übergitteraufbau weist eine Vielzahl von kurzen Abschnitten der ersten und der zweiten Schicht auf. Die erste Schicht ist entweder die belastete Trogschicht oder die Grenzschicht und die zweite Schicht ist die andere. Die erste Schicht weist als die belastete Trogschicht eine Gitterkonstante auf, die sich von derjenigen des Substrats unterscheidet, so daß der Übergitteraufbau die Belastung des Gitteraufbaus aufweist.

Zumindest ein Teil der Grenzschichten kann aus einem Material ausgebildet sein, das im wesentlichen dieselbe Gitterkonstante wie ein Material des Substrats aufweist, oder kann aus einem Material ausgebildet sein, das eine solche Gitterkonstante aufweist, daß ein Durchschnitt aus der Gitterkonstante des Materials der belasteten Trogschicht und derjenigen eines Materials der Grenzschicht etwa gleich der Gitterkonstante des Materials des Substrats ist.

Die belastete Trogschicht und die Grenzschicht können p-leitende Verunreinigungen mit im wesentlichen derselben Dichte aufweisen oder entweder die belastete Trogschicht oder die Grenzschicht kann eine im wesentlichen eigenleitende Sperrschicht sein und die andere kann eine p-leitende Verunreinigung aufweisen. In diesem Fall liegt die Verunreinigungsdichte wünschenswerterweise in einem Bereich von 5 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ bis 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³.

Der Übergitteraufbau kann eine solche Dicke aufweisen, daß der Übergitteraufbau das zugeführte Licht ausreichend nutzen kann, um die Elektronen von einem Valenzband auf ein Leitungsband zu erregen. Wenn ein Durchschnitt von Gitterkonstanten des belasteten Trogs und der Grenze im wesentlichen gleich einer Gitterkonstante des Substrats ist, kann der Übergitteraufbau so ausgebildet sein, daß er eine ausreichende Dicke aufweist, um einen zugeführten Lichstrahl zu nutzen.

Die Oberflächenschicht weist eine p-leitende Verunreinigung mit einer Dichte auf, die höher ist als diejenigen der belasteten Trogschicht und der Grenzschicht, um eine zweckmäßige Elektronenaffinität zu schaffen, so daß die Oberflächenschicht auf einer Seite der Oberflächenschicht des Elektronenquellenaufbaus einen gebogenen Abschnitt des Energiebands aufnehmen kann, wenn zwischen dem Substrat und der Oberflächenschicht Strom zugeführt wird.

Bei der Halbleiter-spinpolarisierten-Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf die Trogschicht des Übergitteraufbaus eine Druckbeanspruchung aufgebracht, so daß eine Energiedifferenz zwischen Bändern für schwere Löcher und leichte Löcher, welche Bänder aufgrund des Übergitteraufbaus herbeigeführt werden, weiter erhöht wird. Aus diesem Grunde können nur Elektronen in dem Band für die schweren Löcher selektiv und leicht durch Licht auf das Leitungsband erregt werden. Folglich können Elektronen, die eine höhere Spinpolarisierung als diejenige des herkömmlichen Aufbaus einer spinpolarisierten Elektronenquelle sowie eine hohe Quantenausbeute aufweisen, entnommen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Diagramme, die herkömmliche Vorrichtungen zeigen, bei denen ein belasteter Kristall bzw. ein nicht belasteter Übergitteraufbau verwendet werden;

Fig. 2 ein Diagramm, das eine spinpolarisierte Elektronen- Halbleiterquellenvorrichtung zeigt, bei der eine Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bei der ein belasteter Übergitteraufbau in einer Halbleiterquelle verwendet wird, wobei der belastete Übergitteraufbau in der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 3 ein Diagramm, das ein Energieband im belasteten Übergitteraufbau zeigt;

Fig. 4A und 4B Diagramme zur Erklärung gebogener Abschnitte einer Oberflächenschicht der Halbleiterquelle;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abgabe spinpolarisierter Elektronen zeigt, wenn ein erregender Lichtstrahl ausgestrahlt wird;

und

Fig. 6 ein Diagramm, das den belasteten Übergitteraufbau zeigt, wenn jede Schicht des Übergitteraufbaus aus einer Vielzahl von Unterschichten ausgebildet ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das die spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquellenvorrichtung, die eine Halbleiterspinpolarisierte-Elektronenquellenvorrichtung aufweist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Vorrichtung eine spinpolarisierte Elektronen-Halbleiterquelle 20, eine Stromversorgung 22 zum Zuführen einer Gleichstromspannung zur Halbleiterquelle 20 und eine Licht-Erregungsvorrichtung 28 mit einer Lasereinheit zum Zuführen eines Lichtstrahls mit einer Kreispolarisierung und einer spezifischen Energie oder Wellenlänge zur Halbleiterquelle 20 auf. Die Halbleiterquelle 20 ist in einer Vakuumkammer 26 untergebracht und gibt spinpolarisierte Elektronen 42 ab, wenn durch die Stromversorgung 22 eine Vorspannung an die Halbleiterquelle 20 angelegt wird und durch die Lichtquelle 28 der Lichtstrahl auf die Halbleiterquelle 20 gestrahlt wird. Die abgegebenen Elektronen 42 werden durch eine Ablenkvorrichtung 24 abgelenkt und in eine Meßvorrichtung 30, wie z. B. einen Mott-Polarisierungs-Analysator, zur Messung der Spinpolarisierung und einer Quantenausbeute eingegeben.

In der Halbleiterquelle 20 sind auf einem Substrat 2 aus p-leitendem GaAs aufeinanderfolgend eine Sperrschicht 4 aus p-leitendem Al0,35Ga0,65As, ein Übergitteraufbau 6 und eine Oberflächenschicht 8 aus p&spplus;-leitendem In0,15Ga0,85As ausgebildet. Die Sperrschicht 4 weist eine Dicke von 1 um und eine Be-Akzeptordichte von 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ auf und hindert im Substrat 2 erzeugte Elektronen daran, in den Übergitteraufbau 6 zu gehen. Im Übergitteraufbau 6 sind eine belastete Trogschicht 12 und eine Grenzschicht 14 abwechselnd laminiert. Die belastete Trogschicht 12 ist aus einem Material hergestellt, das eine Gitterkonstante aufweist, die größer ist als diejenige des Substrats 2, wobei eine Druckbeanspruchung innen in einer Ebene aufgebracht wird, und weist eine Dicke auf, die gleich wie oder geringer ist als eine Wellenlänge einer Elektronenwelle. Bei dieser Ausführungsform ist die belastete Trogschicht 12 aus p-leitendem In0,15Ga0,85As ausgebildet und weist eine Dicke von 2,0 nm und eine Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ auf. Die Grenzschicht 14 ist in dieser Ausführungsform aus demselben Material ausgebildet wie das Substrat 2 und weist eine solche Dicke auf, daß ein Elektron die Grenzschicht 14 übertragen kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Grenzschicht 14 aus p-leitendem GaAs ausgebildet und weist eine Dicke von 3,1 nm und eine Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ auf. Die belastete Trogschicht 12 und die Grenzschicht 14 stellen einen einzelnen kurzen Abschnitt des Übergitteraufbaus 6 dar. Der Übergitteraufbau weist eine Vielzahl von Abschnitten auf, z. B. 18 Abschnitte (was 91,8 nm entspricht) in dieser Ausführungsform. Die Oberflächenschicht 8 nimmt einen Biegeabschnitt eines Bandaufbaus der Halbleiterquelle 20 auf, wenn die Gleichstromspannung angelegt wird, und weist in dieser Ausführungsform eine Dicke von 4,8 nm und eine Be-Dichte von 4 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ auf. Eine (nicht gezeigte) Abdeckschicht aus As wird bei einem Herstellungsverfahren auf der Oberflächenschicht 8 zur Oberflächenpassivierung geschaffen und diese wird bei der Messung entfernt.

Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung der Elektronen- Halbleiterquelle 20 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Die Herstellung der Elektronen-Halbleiterquelle 20 der vorliegenden Erfindung wird bei einer Substrattemperatur von 520 C unter Verwendung einer Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) als ein Kristallwachstumsverfahren ausgeführt. Zuerst wird die Sperrschicht 4 aus p-leitendem Al0,35Ga0,65As auf dem Substrat 2 aus p-leitendem GaAs mit einer flachen Oberfläche so ausgebildet, daß sie eine Dicke von 1 um und eine Be-Akzeptordichte von 5 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ aufweist. Anschließend wird der Übergitteraufbau 6, der eine Vielzahl von kurzen Abschnitten aus der belasteten Trogschicht 12 und der Grenzschicht 14 aufweist, die abwechselnd laminiert sind, auf der Sperrschicht 4 ausgebildet. Die belastete Trogschicht 12 aus einem p-leitenden In0,15Ga0,85As wird so ausgebildet, daß sie eine Dicke von 2,0 nm und eine Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufweist, und die Grenzschicht 14 aus p-leitendem GaAs wird so ausgebildet, daß sie eine Dicke von 3,1 nm und eine Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ aufweist. Eine abwechselnde Schicht aus der belasteten Trogschicht 12 und der Grenzschicht 14 wird mehrere Male, z. B. in dieser Ausführungsform 18 mal (was 91,8 nm entspricht), wiederholt. Schließlich wird die Oberflächenschicht 8 aus p&spplus;-leitendem In0,15Ga0,85As so ausgebildet, daß sie eine Dicke von 4,8 nm und eine Be-Dichte von 4 · 10¹&sup9; cm&supmin;³ aufweist. Danach wird die Temperatur des Substrats auf -10 C abgekühlt und eine As-Schutzschicht von etwa 1 um aufgebracht, um eine Oxidation der Oberfläche in der Atmosphäre zu verhindern. Somit ist die Vorrichtung fertiggestellt.

Als nächstes wird das Verfahren zur Messung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute der Elektronen-Haibleiterquelle 20 beschrieben.

Die Vakuumkammer 26 wurde auf den Basisdruck von etwa 6 · 10&supmin;¹&sup0; Torr entleert. Nach der Einbringung in die Ultrahoch-Jakuumkammer 26 wurde die Halbleiterquelle 20 auf 400 C erwärnt, so daß die As-Schutzschicht verdampft und von der Oberfläche entfernt wurde, so daß eine saubere Oberfläche erzielt werden konnte. Dann wurde eine Mehrlagenschicht aus Cs und O auf der Oberfläche, von der die As-Schicht entfernt ist, ausgebildet, um eine negative Elektronenaffinität (NEA) zu erzielen. Damit wurde die Vorbereitung der Messung fertiggestellt. Die Polarisierungsmessung wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Durch die Stromversorgung 22 wird an die Halbleiterquelle 20 eine Hochspannung angelegt, so daß sich die Oberflächenschicht 8 auf einer Massespannung befindet und das Substrat 2 bei etwa -4kV liegt. Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, weist die Lichtquelle 28 einen Dauerstrich-Titan : Saphirlaser auf, der durch einen Argonlaer erregt wird, und ein kreisförmig polarisierter monochromatischer Lichtstrahl mit 915 nm wird mit 100 uW von der Lichtquelle 28 durch eine Lambda-Viertel-Platte auf die Halbleiterquelle 20 gestrahlt. Der Halbleiterquelle 20 entzogene Elektronen werden bis auf 100 keV beschleunigt und durch eine Ablenkvorrichtung 24 so abgelenkt, daß die Elektronen in den Mott-Polarisierungs-Analysator 30 eingegeben werden. Folglich konnten bei der Messung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute der Halbleiterquelle 20 eine maximale Spinpolarisierung von 87% uni eine maximale Quantenausbeute von 2% erzielt werden. D. h., sowohl die hohe Spinpolarisierung als auch die hohe Quantenausbeute konnten gleichzeitig erfüllt werden.

In der ersten Ausführungsform sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, im Ubergitteraufbau 6, der aus einer abwechselnden Laminierung der belasteten Trogschicht 12 und der Grenzschicht 14 besteht, aufgrund des Quanteneffekts Minibänder für die schweren Löcher und leichten Löcher ausgebildet. Folglich wird die Entartung des Bandes für schwere Löcher und des Bandes für leichte Löcher im Valenzband beseitigt, so daß diese Bänder jeweils unterschiedliche Energieniveaus aufweisen. In diesem Fall weist das schwere Loch eine große effektive Masse auf und nimmt ein etwas niedrigeres Energieniveau ein als dasjenige des Bandes für schwere Löcher aus Kristall-GaAs und deshalb ist die Energieniveauverschiebung des Minibands für schwere Löcher nicht unterscheidbar. Andererseits weist das leichte Loch eine geringe effektive Masse auf, und das Energieniveau des Minibands für leichte Löcher wird in eine niedrige Energieniveaurichtung mit einem großen Abstand zum Energieniveau des Kristall-GaAs bewegt und deshalb ist die Energieniveauverschiebung des Minibands für leichte Löcher unterscheidbar. In diesem Fall wirkt, da das Material der belasteten Trogschicht 12 eine Gitterkonstante aufweist, die größer ist als diejenigen des Substrats 2 und der Grenzschicht 14, eine Druckbeanspruchung in einer Richtung entlang der Anpassungsebene zwischen dem Gitter der belasteten Trogschicht 12 und demjenigen der Grenzschicht 14, so daß die belastete Trogschicht so belastet wird, daß ein Abstand zwischen Gittern in einer Laminierungsrichtung verlängert wird. Folglich wird die Energiedifferenz zwischen dem Miniband für schwere Löcher und dem Miniband für leichte Löcher verglichen mit dem Fall des belasteten Kristalls, in dem nur die Gitter belastet werden, noch größer.

Auf diese Weise kann der Übergitteraufbau, der eine Vielzahl von kurzen Abschnitten aus der belasteten Trogschicht 12 und der Grenzschicht 14 aufweist, vollständiger auf Elektronen im Miniband für schwere Löcher beschränkt werden, die aufgrund einer optischen Erregung auf das Leitungsband übergehen. Deshalb werden Elektronen, die in das Leitungs-Miniband erregt werden und eine Spinpolarisierung von im wesentlichen bis zu 100% aufweisen, in der Halbleiterquelle 20 erzeugt und zur Oberflächenschicht 8 getrieben. In diesem Fall ist, wenn die Be-Dosismenge geringer ist, die Anzahl erregter Elektronen vermindert. Wenn jedoch die Be-Dosismenge höher ist, werden aufgrund der Akzeptorverunreinigung in der Halbleiterquelle 20 irgendwelche Gitterfehler ausgebildet, um eine Spinstreuung zu verursachen, so daß die Spinpolarisierung vermindert ist. Deshalb liegt die Be- Dichte der belasteten Trogschicht 12 oder der Grenzschicht 14 wünschenswerterweise in einem Bereich von 1 · 10¹&sup6; bis 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³.

Da die Breite des Mini-Leitungsbandes ausreichend groß ist, weil der Übergitteraufbau aus einer Vielzahl von kurzen Abschnitten besteht, weisen die Elektronen eine hohe Elektronenbeweglichkeit wie in einem sehr großen Kristall auf. Aus diesem Grunde können sich die spinpolarisierten Elektronen in einer kurzen Zeit, während derer sie keiner Spinstreuung ausgesetzt sind, zur Oberflächenschicht 8 bewegen. In der Oberflächenschicht 8 werden die Elektronen aufgrund eines großen inneren elektrischen Feldes beschleunigt, um aus der Halbleiterquelle 20 herauszugehen. In diesem Fall wird, wenn die Akzeptordichte der Oberflächenschicht 8 so hoch ist wie diejenige des belasteten Trogs oder der Grenzschicht, ein Abschnitt des Übergitteraufbaus 6 sowie die Oberflächenschicht 8 so gebogen, daß die Spinstreuung bewirkt wird, wie es in Fig. 4A gezeigt ist. Deshalb ist es wünschenswert, daß der gebogene Abschnitt nur in der Oberflächenschicht 8 aufgenommen wird, wie es in Fig. 4B gezeigt ist. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß die Oberflächenschicht 8 stark mit Be dotiert ist. Wenn jedoch die Akzeptordichte der Oberflächenschicht 8 zu hoch ist, weist die Oberflächenschicht 8 in bezug auf die Elektronenaffinität keine gute Übereinstimmung mit der Cs-O-Mehrlagenschicht auf. Daher soll die Oberflächenschicht 8 wünschenswerterweise die Dicke von etwa 4,8 nm und die Be-Dichte in einem Bereich von 1 · 10¹&sup9; bis 1 · 10²&sup0; cm&supmin;³ aufweisen.

Weiterhin wird, da vom Substrat zur obersten Schicht im Übergitteraufbau 6 keine Gitterrelaxation erzeugt wird, d. h., fast kein Kristallbaufehler vorhanden ist, nicht die Rekombination erregter Elektronen erzeugt. Zusätzlich kann, da die Halbleiterquelle 20 so konstruiert werden kann, daß der Photonen-Absorptionsbereich dicker ist als der belastete Kristall, das erregende Licht so effektiv genutzt werden, daß eine hohe Quantenausbeute erzielt werden kann.

Wie es oben beschrieben worden ist, können Elektronen, die eine hohe Spinpolarisierung nahe 100% aufweisen, mit einer hohen Quantenausbeute in der spinpolarisierten Elektronen-Halbleiterquelle 20 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entnommen werden.

(ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM)

Als nächstes wird die Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquellenvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform wird das in Fig. 2 gezeigte Aufbaudiagramm verwendet, und das Substrat 2, die Sperrschicht 4, eine belastete Trogschicht 12, die Grenzschicht 14 und die Oberflächenschicht 8 sind aus p-leitendem GaAs, p-leitendem Al0,35Ga0,65As, p-leitendem In0,15Ga0,85As, p- leitendem Al0,35Ga0,65As bzw. p&spplus;-leitendem In0,15Ga0,85As ausgebildet.

Das Herstellungsverfahren der Halbleiterquelle 20 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war im wesentlichen dasselbe wie in der ersten Ausführungsform. Der Aufbau der Halbleiterquelle 20 war derselbe wie in der ersten Ausführungsform abgesehen davon, daß die Grenzschicht 14 aus p-leitendem Al0,35Ga0,65As mit einer Dicke von 3,1 nm und einer Be- Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ verwendet wird. Folglich konnten bei der Messung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute der Halbleiterquelle 20 unter der Voraussetzung einer Bestrahlung mit 100 uW im Dauerstrichbetrieb unter Verwendung eines erregenden Lasers mit einer Wellenlänge von 830 nm, eine maximale Spinpolarisierung von 90% und eine Quantenausbeute von 2% erzielt werden. D. h., eine höhere Spinpolarisierung als in der ersten Ausführungsform konnte erreicht werden, was die Erzielung der hohen Leistung zur Folge hat.

Dies liegt daran, daß das AlGaAs, das ein breiteres verbotenes Band als ein Material des Substrats 2 aufweist, als das Material der Grenzschicht 14 verwendet wird, und deshalb wird eine Energiedifferenz zwischen dem Miniband für die schweren Löcher und dem Miniband für die leichten Löcher größer als in der ersten Ausführungsform, so daß die Spinpolarisierung noch mehr verbessert wird als in der ersten Ausführungsform.

(DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM)

Nachfolgend wird die Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquelle gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der Halbleiterquelle 20 wird in dieser Ausführungsform auch der in Fig. 2 gezeigte Aufbau verwendet, und das Substrat 2, die Sperrschicht 4, eine belastete Trogschicht 12, die Grenzschicht 14 und die Oberflächenschicht 8 sind aus p- leitendem GaAs, p-leitendem Al0,35Ga0,65As, p-leitendem In0,15Ga0,85As, p-leitendem GaP0,2As0,8 bzw. p&spplus;-leitendem In0,15Ga0,85As ausgebildet.

Das Herstellungsverfahren der Halbleiterquelle 20 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war im wesentlichen dasselbe wie in der ersten Ausführungsform. Der Aufbau der Halbleiterquelle 20 war derselbe wie in der ersten Ausführungsform abgesehen davon, daß die Grenzschicht 14 aus p-leitendem GaP0,2As0,8 mit einer Dicke von 3,1 nm und einer Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ verwendet wird und die Dicke der Übergitteraufbauschicht insgesamt 300 nm beträgt. Folglich konnten bei der Messung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute der Halbleiterquelle 20 unter der Voraussetzung einer Bestrahlung mit 100 uW im Dauerstrichbetrieb unter Verwendung eines erregenden Lasers mit einer Wellenlänge von 880 nm, eine maximale Spinpolarisierung von 88% und eine Quantenausbeute von 4% erzielt werden. D. h., eine höhere Spinpolarisierung als in der ersten und eine höhere Quantenausbeute als in der ersten und zweiten Ausführungsform konnten erreicht werden, was die Erzielung der hohen Leistung zur Folge hat.

Da GaP0,2As0,8, das eine kleinere Gitterkonstante als das GaAs- Substrat 2 aufweist, als die Grenzschicht 14 verwendet wird, kann, wenn die Grenzschicht 14 in Kombination mit der belasteten In0,15Ga0,85As-Trogschicht 12, die eine größere Gitterkonstante als das GaAs-Substrat 2 aufweist, verwendet wird, die durchschnittliche Gitterkonstante aus der belasteten Trogschicht 12 und der Grenzschicht 14 so eingestellt werden, daß diese im wesentlichen dieselbe ist wie diejenige des GaAs-Substrats 2. Folglich kann die Dicke des Übergitteraufbaus 6 ohne die Gitterrelaxation dicker und dicker gemacht werden. Aus diesem Grunde kann die Quantenausbeute stärker verbessert werden als in der ersten und zweiten Ausführungsform.

(VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM)

Nachfolgend wird die Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquelle gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der Halbleiterquelle 20 der vierten Ausführungsform wird der in Fig. 1 gezeigte Aufbau verwendet. Das Substrat 2, die Sperrschicht 4, eine belastete Trogschicht 12, die Grenzschicht 14 und die Oberflächenschicht 8 sind aus p-leitendem GaAs, p-leitendem GaAs, eigenleitendem In0,15Ga0,85As, p-leitendem GaAs bzw. p&spplus;-leitendem In0,15Ga0,85As ausgebildet.

Das Herstellungsverfahren der Halbleiterquelle 20 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war im wesentlichen dasselbe wie in der ersten Ausführungsform. Der Aufbau der Halbleiterquelle 20 war derselbe wie in der ersten Ausführungsform abgesehen davon, daß das p-leitende Al0,35Ga0,65As mit einer Dicke von 3,1 nm und einer Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ als die Grenzschicht 14 verwendet wird und das undotierte eigenleitende In0,15Ga0,85As mit 2,0 nm als die belastete Trogschicht 12 verwendet wird. Folglich konnten bei der Messung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute der Halbleiterquelle 20 unter der Voraussetzung einer Bestrahlung mit 100 uW im Dauerstrichbetrieb unter Verwendung eines erregenden Lasers mit einer Wellenlänge von 915 nm, eine Spinpolarisierung von 87% und eine Quantenausbeute von 3% erzielt werden. D. h., eine höhere Quantenausbeute als in der ersten Ausführungsform konnte erreicht werden, was die Erzielung der hohen Leistung zur Folge hat.

Da die belastete Trogschicht 12 keine ionisierte Verunreinigung enthält, gibt es eine geringere Rekombination, die aufgrund irgendeines durch das Vorhandensein der Verunreinigung verursachten Gitterfehlers erzeugt wird. Dieser Effekt beeinflußt stark die Quantenausbeute, da die Wahrscheinlichkeit, daß sich erregte spinpolarisierte Elektronen in der belasteten Trogschicht 12 befinden, größer ist als die Wahrscheinlichkeit, daß sich diese in der Grenzschicht 14 befinden. Deshalb kann eine höhere Quantenausbeute als in der ersten Ausführungsform erzielt werden.

(FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM)

Nachfolgend wird die Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquellenvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der Halbleiterquelle 20 der fünften Ausführungsform wird der in Fig. 2 gezeigte Aufbau verwendet, und das Substrat 2, die Sperrschicht 4, eine belastete Trogschicht 12, die Grenzschicht 14 und die Oberflächenschicht 8 sind aus p-leitendem GaAs, p-leitendem Al0,35Ga0,65As, p-leitendem In0,15Ga0,85As, undotiertem eigenleitendem GaAs bzw. p&spplus;-leitendem In0,15Ga0,85As ausgebildet.

Das Herstellungsverfahren der Halbleiterquelle 20 gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war im wesentlichen dasselbe wie in der ersten Ausführungsform. Der Aufbau der Halbleiterquelle 20 war derselbe wie in der ersten Ausführungsform abgesehen davon, daß das undotierte eigenleitende GaAs mit einer Dicke von 3,1 nm als die Grenzschicht 14 verwendet wird und das p-leitende In0,15Ga0,85As mit 2,0 nm und einer Be-Dichte von 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ als die belastete Trogschicht 12 verwendet wird. Folglich konnten bei der Messung der Spinpolarisierung und der Quantenausbeute der Vorrichtung unter der Voraussetzung einer Bestrahlung mit 100 uW im Dauerstrichbetrieb unter Verwendung eines erregenden Lasers mit einer Wellenlänge von 915 nm, eine Spinpolarisierung von 89% und eine Quantenausbeute von 2% erzielt werden. D. h., eine höhere Spinpolarisierung als in der ersten Ausführungsform konnte erreicht werden, was die Erzielung der hohen Leistung zur Folge hat.

Da die belastete Trogschicht 12 eine Akzeptorverunreinigung enthält, aber die Grenzschicht 14 keine enthält, wird das Energieband aufgrund einer Raumladung an vielen Abschnitten im Übergitteraufbau 6 gebogen. Die gebogenen Abschnitte des Energiebands erhöhen die effektive Grenzhöhe gegen Löcher. Folglich wird die Energiedifferenz zwischen dem Miniband für die schweren Löcher und dem Miniband für die leichten Löcher größer als in der ersten Ausführungsform. Deshalb kann eine größere Spinpolarisierung als in der ersten Ausführungsform erzielt werden.

In den oben erwähnten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nur GaAs für das Substrat verwendet. Es ist jedoch offensichtlich, daß auch ein Verbindungshalbleiter, wie z. B. InP, InAs, GaSb und GaP, und ein Element-Halbleiter, wie z. B. Si und Ge, als das Substrat verwendet werden können oder das andere Einzelkristall-Halbleitersubstrat und Einzelkristall-Metallsubstrat verwendet werden können. In der obigen Beschreibung sind nur GaAs, InGaAs, AlGaAs und GaPAs als Halbleitermaterial, das den belasteten Übergitteraufbau bildet, gezeigt. Es ist jedoch offensichtlich, daß jede Kombination aus Halbleitermaterialien, die die in der vorliegenden Erfindung angegebene Bedingung erfüllt, möglich ist und daß ein repräsentativer Verbindungshalbleiter, wie z. B. InP, InAlAs, InAlGaAs, AlGaPAs, GaSb, Al- GaSb, InAs, GaP, GaN und AsGaN und der andere Halbleiter verwendet werden können.

Als die Sperrschicht ist nur AlGaAs gezeigt. Es kann jedoch auch ein anderes Halbleitermaterial, das eine geringere Elektronenaffinität als das Substrat aufweist, verwendet werden. Weiterhin kann, obgleich nur InGaAs als das Material der Oberflächenschicht gezeigt ist, das dasselbe wie das Material der belasteten Trogschicht ist, das Material der Oberflächenschicht dasselbe sein wie das Material der Grenzschicht oder es kann ein anderes Halbleitermaterial verwendet werden, das verglichen mit dem Material des kurzen Abschnitts des Übergitters keine so geringe Elektronenaffinität aufweist. Weiterhin ist nur As als die Schutzschicht vor Oxidation in der Atmosphäre gezeigt. Es kann jedoch auch ein Material, wie z. B. Sb und InAs, das bei einer Temperatur verdampft, bei der der Übergitteraufbau nicht beschädigt wird, für die Schutzschicht verwendet werden.

In der vorliegenden Erfindung sind die erste bis fünfte Ausführungsform offenbart. Es ist offensichtlich, daß die Halbleiter-spinpolarisierte-Elektronenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung sogar in Kombination aus irgendwelchen der ersten bis fünften Ausführungsformen verwirklicht werden kann. Zum Beispiel sind in der zweiten bis fünften Ausführungsform zwei von drei Bedingungen, d. h., die Zusammensetzung der Grenzschicht, das Vorhandensein/Nichtvorhandensein einer Belastung in der Grenzschicht und eine Schicht für eine Verunreinigung, die dotiert werden soll, fest und nur eine Bedingung wird verändert. Es ist jedoch offensichtlich, daß selbst in dem Fall, daß zwei oder mehr Bedingungen verändert werden, eine höhere Leistung der Vorrichtung als in der ersten Ausführungsform erzielt werden kann.

Zusätzlich ist es offensichtlich, daß die belastete Trogschicht oder Grenzschicht in eine Vielzahl von Unterschichten geteilt werden können, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. In Fig. 6 ist die belastete Trogschicht aus einer Mehrlagenschicht ausgebildet, in der eine GaAs-Unterschicht und eine InAs-Unterschicht mehrere Male abwechselnd laminiert sind, und die Grenzschicht ist aus einer Mehrlagenschicht ausgebildet, in der eine AlAs-Unterschicht und eine GaAs-Unterschicht mehrere Male abwechselnd laminiert sind. Die Unterschicht-Aufbauten wirken wie die InGaAs-Schicht bzw. die AlGaAs-Schicht.

Gemäß der spinpolarisierten Elektronen-Halbleiterquelle der vorliegenden Erfindung kann eine große Menge von Elektronen mit einer großen Spinpolarisierung entnommen und die Betriebslebensdauer verlängert werden, da die Halbleiter-spinpolarisierte- Elektronenquelle mit einer schwachen erregenden Lichtstärke arbeitet.


Anspruch[de]

1. Eine Halbleiter-spinpolarisierte Elektronenquellenvorrichtung mit einer Elektronenquelle, die folgendes aufweist:

ein Substrat (2);

eine Sperrschicht (4) zum Blockieren der Elektroneninjektion aus dem Substrat;

wobei der auf der Sperrschicht ausgebildete p-leitende Übergitteraufbau (6) eine Belastung eines Gitteraufbaus ohne eine Gitterlockerung aufweist und aus einer Laminatschicht besteht, in der eine Vielzahl von belasteten Trogschichten und eine Vielzahl von Grenzschichten abwechselnd laminiert sind, zur Ausbildung eines Minibands für schwere Löcher und eines Minibands für leichte Löcher, wobei die Belastung eine Druckbeanspruchung ist, die belastete Trogschicht aus einem Material besteht, das eine Gitterkonstante aufweist, die größer ist als diejenige des Substrats, und eine Dicke aufweist, die etwa gleich wie oder geringer ist als eine Wellenlänge einer Elektronenwelle, was die Energiedifferenz zwischen den Minibändern für schwere und leichte Löcher erhöht, Elektronen ansprechend auf einen zugeführten Lichtstrahl von dem Miniband für schwere Löcher auf ein Leitungs-Miniband erregt werden, und die Grenzschicht eine Schichtdicke aufweist, die die Ausbildung des Leitungs-Minibands zuläßt; und so daß ein Elektron im Leitungs-Miniband basierend auf dem Esaki-Effekt übertragen kann; und

eine Oberflächenschicht (8), die auf dem Übergitteraufbau (6) ausgebildet ist, zum Aussenden der im Übergitteraufbau erregten Elektronen; so daß, wenn an die Elektronenquelle ein Gleichstrom angelegt wird, ein Biegeabschnitt eines Bandaufbaus der Elektronenquelle angepaßt werden kann.

2. Elektronenquellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (8) eine p-leitende Verunreinigung mit einer Dichte aufweist, die höher ist als diejenige im Übergitteraufbau, so daß die Oberflächenschicht (8) auf einer Seite der Oberflächenschicht (8) des Elektronenquellenaufbaus einen gebogenen Abschnitt des Energiebands aufnehmen kann, wenn zwischen dem Substrat (2) und der Oberflächenschicht (8) Strom zugeführt wird.

3. Elektronenquellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (8) aus einem Material ausgebildet ist, das eine Elektronenaffinität aufweist, die etwas geringer ist als diejenige eines Materials des Übergitteraufbaus (6).

4. Elektronenquellenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungsdichte in einem Bereich von 5 · 10¹&sup6; cm&supmin;³ bis 1 · 10¹&sup8; cm&supmin;³ liegt.

5. Elektronenquellenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der p-leitenden Verunreinigung dotierten Schichten im wesentlichen dieselbe Verunreinigungsdichte aufweisen.

6. Elektronenquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchschnitt aus der Gitterkonstante der belasteten Trogschicht und derjenigen der Grenzschichten im wesentlichen gleich einer Gitterkonstante des Substrats (2) ist.







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