(57)【要約】【課題】スピン偏極度を定量的に検出する。【解決手段】二重量子井戸構造を有するスピンフィルタ（Ｂ）と、電子注入部（１０８）と電子検出部（１０９，１１０）を有し、第１の電子検出部（１０９）は、単一量子井戸構造を有する部分積層体（Ｃ）に設けられ、スピンフィルタ（Ｂ）を挟んで電子注入部（１０８）と反対側に配置され、第２の電子検出部（１１０）は二重量子井戸構造を有する部分積層体（Ｄ）に設けられ、スピンフィルタ（Ｂ）に対して電子注入部（１０８）と同じ側に設けられる。【選択図】  図５
2014146734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１半導体層と、
この第１半導体層内に前記基板に平行に形成された第１キャリア供給層と、
前記第１半導体層の上に形成された前記第１半導体層よりバンドギャップエネルギーが小さい第２半導体層と、
この第２半導体層の上に形成された前記第２半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きい第３半導体層と、
この第３半導体層の上の一部の第１領域に形成された前記第３半導体層よりバンドギャップエネルギーが小さい第４半導体層と、
この第４半導体層の上に形成された前記第４半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きい第５半導体層と、
この第５半導体層内に前記基板に平行に形成された第２キャリア供給層と、
前記第５半導体層の上の一部の領域に形成され、その直下の前記第２の半導体層および前記第４の半導体層の一部分に電界を印加する電界印加電極と、
前記第３半導体層の前記第４半導体層が形成されていない第２領域内において、前記第２半導体層内を流れる電子を検出する第１検出部と、
前記第５半導体層の前記電界印加電極が形成されていない領域内において、前記第４半導体層内を流れる電子を検出する第２検出部と、
前記第２半導体層のうち前記第２領域とは前記電界印加電極を挟んで平面視反対側に位置する部分に電子を注入する注入部と
を備え、
前記第２半導体層および前記第４半導体層は、それぞれ前記第３半導体層に近い側に前記第３半導体層から遠い側より伝導帯端のポテンシャルが高い障壁が形成され、
前記第４半導体層、前記第５半導体層および前記電界印加電極は、前記第１領域と前記第１領域以外の領域との境界に沿って前記第３半導体層の表面に垂直な側面を有し、
前記電界印加電極の前記第５半導体層の表面と垂直な側面の少なくとも一部は、前記第４半導体層および前記第５半導体層の前記側面と同一平面を形成する
ことを特徴とするスピン検出器。
【請求項２】
請求項１に記載されたスピン検出器において、
前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、
前記基板に沿って第１の方向に延在する平面視帯状の第１部分と、
前記基板に沿って前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、前記第１部分から枝分かれした平面視帯状の第２部分とを有し、
前記第４半導体層は、前記第２部分および前記第２部分に隣接する前記第１部分の一部の前記第３半導体層の上に形成され、
前記電界印加電極は、
少なくとも前記第１部分と前記第２部分とが枝分かれする部分を含む前記第２部分に隣接する前記第１部分の一部の前記第３半導体層の領域に対応する前記第５半導体層の上の領域に形成され、
前記第４半導体層、前記第５半導体層および前記電界印加電極の前記側面は、前記第１の方向と前記第２の方向の間の方向に沿って形成されている
ことを特徴とするスピン検出器。
【請求項３】
請求項２に記載されたスピン検出器において、
前記第１検出部は、前記電界印加電極を挟んで前記第２部分と反対側の前記第１部分の前記第３半導体層上に形成された第１オーミック電極を含み、
前記第２検出部は、前記第５半導体層上に形成された第２オーミック電極を含み、
前記注入部は、前記第１部分の
前記第１オーミック電極が設けられた領域と平面視前記電界印加電極を挟んで反対側の第１部分に設けられた第３オーミック電極を含み、
前記第１オーミック電極、前記第２オーミック電極および前記第３オーミック電極は、前記第２半導体層および前記第４半導体層に前記電界印加電極による電界が印加されない領域が形成される範囲に、前記電界印加電極と離間して配置される
ことを特徴とするスピン検出器。
【請求項４】
請求項１に記載されたスピン検出器において、
同一平面を形成する前記第４半導体層、前記第５半導体層および前記電界印加電極の前記側面は、前記第３半導体層の前記第１領域と前記第２領域との境界に沿って前記基板に平行な第１の方向に延在し、
前記電界印加電極は、前記第１の方向に沿って帯状に形成され、
前記第１検出部は、前記第３半導体層の前記第２領域を走査する第１スキャンニングゲートを含み、
前記第２検出部は、前記第５半導体層の前記電界印加電極が形成されていない領域を走査する第２スキャンゲートを含み、
前記注入部は、量子ポイントコンタクトを有する電子注入器である
ことを特徴とするスピン検出器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたスピン検出器において、
前記第４半導体層の前記側面の前記基板に平行な延在方向は、前記第１検出部と前記注入部とを結ぶ直線と直角以外の角度をなす
ことを特徴とするスピン検出器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載されたスピン検出器を用意するステップと、
前記第２半導体層および前記第４半導体層に前記基板に平行な方向の磁界を印加するとともに、前記電界印加電極により前記第２半導体層および前記第４半導体層に前記基板と垂直な方向の電界を印加するステップと、
前記注入部より前記第２半導体層のうち前記第２領域とは前記電界印加電極を挟んで平面視反対側に位置する部分に電子を注入するステップと、
前記第１検出部により、前記第２領域内において、前記第２半導体層内を流れる電子を検出するステップと、
前記第２検出部により、前記第５半導体層の前記電界印加電極が形成されていない領域内において、前記第４半導体層内を流れる電子を検出するステップと、
前記第１検出部により検出された値と前記第２検出部により検出された値とに基づいて偏極度を演算するステップと
を有するスピン検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン検出器およびスピン検出方法に関し、特に、二重量子井戸を有するスピンフィルタを用いたスピン検出器およびスピン検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子のスピンを利用した電子素子が開発されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。例えば、特許文献３、特許文献４には、二重量子井戸構造を利用して、ある特定の方向にスピン偏極した電子流を選択的に取り出すスピンフィルタ（スピン偏極装置）が開示されている。
【０００３】
このスピンフィルタは、２つの量子井戸を３つの障壁層で挟んだ三重障壁構造を有し、対向するラシュバ（Ｒａｓｈｂａ）効果によって２つの量子井戸の間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になるポテンシャルを実現している。このような構造を有するスピン偏極装置の電子物性は、実験的にも理論的にも研究が進められている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６５４２６
【特許文献２】特開２００４−１６５４３８
【特許文献３】特開２０１２−０２３２６５
【特許文献４】特開２０１２−０４９２９３
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Koga, Takaaki; Matsuura, Toru; Faniel, Sebastien; et al., "Beating Analysis of Shubnikov de Haas Oscillation in In0.53Ga0.47As Double Quantum Well toward Spin Filter Applications", IEICE Transactions on Electronics Volume: E95C Issue: 5 Pages: 770-776 Published: MAY 2012
【非特許文献２】Topinka, M. A. et al. Coherent branched flow in a two-dimensional electron gas. Nature 410 183-186 (2001)
【非特許文献３】B. J. van Wees et al., "Quantized conductance of point contacts in a two-dimensional electron gas", Phys. Rev. Lett. 60, 848-850 (1988)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
今後の電子のスピンを利用した電子素子の開発には、スピンの偏極の程度、すなわちスピン偏極度を定量的に検出する技術の確立が望まれる。
【０００７】
本発明は、スピン偏極度を検出するスピン検出器およびスピン検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明に係るスピン検出器は、基板の上に形成された第１半導体層と、この第１半導体層内に前記基板に平行に形成された第１キャリア供給層と、前記第１半導体層の上に形成された前記第１半導体層よりバンドギャップエネルギーが小さい第２半導体層と、この第２半導体層の上に形成された前記第２半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きい第３半導体層と、この第３半導体層の上の一部の第１領域に形成された前記第３半導体層よりバンドギャップエネルギーが小さい第４半導体層と、この第４半導体層の上に形成された前記第４半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きい第５半導体層と、この第５半導体層内に前記基板に平行に形成された第２キャリア供給層と、前記第５半導体層の上の一部の領域に形成され、その直下の前記第２の半導体層および前記第４の半導体層の一部分に電界を印加する電界印加電極と、前記第３半導体層の前記第４半導体層が形成されていない第２領域内において、前記第２半導体層内を流れる電子を検出する第１検出部と、前記第５半導体層の前記電界印加電極が形成されていない領域内において、前記第４半導体層内を流れる電子を検出する第２検出部と、前記第２半導体層のうち前記第２領域とは前記電界印加電極を挟んで平面視反対側に位置する部分に電子を注入する注入部とを備え、前記第２半導体層および前記第４半導体層は、それぞれ前記第３半導体層に近い側に前記第３半導体層から遠い側より伝導帯端のポテンシャルが高い障壁が形成され、前記第４半導体層、前記第５半導体層および前記電界印加電極は、前記第１領域と前記第１領域以外の領域との境界に沿って前記第３半導体層の表面に垂直な側面を有し、前記電界印加電極の前記第５半導体層の表面と垂直な側面の少なくとも一部は、前記第４半導体層および前記第５半導体層の前記側面と同一平面を形成することを特徴とする。
【０００９】
より具体的には、前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、前記基板に沿って第１の方向に延在する平面視帯状の第１部分と、前記基板に沿って前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、前記第１部分から枝分かれした平面視帯状の第２部分とを有し、前記第４半導体層は、前記第２部分および前記第２部分に隣接する前記第１部分の一部の前記第３半導体層の上に形成され、前記電界印加電極は、少なくとも前記第１部分と前記第２部分とが枝分かれする部分を含む前記第２部分に隣接する前記第１部分の一部の前記第３半導体層の領域に対応する前記第５半導体層の上の領域に形成され、前記第４半導体層、前記第５半導体層および前記電界印加電極の前記側面は、前記第１の方向と前記第２の方向の間の方向に沿って形成されていてもよい。
【００１０】
さらには、前記第１検出部は、前記電界印加電極を挟んで前記第２部分と反対側の前記第１部分の前記第３半導体層上に形成された第１オーミック電極を含み、前記第２検出部は、前記第５半導体層上に形成された第２オーミック電極を含み、前記注入部は、前記第１部分の前記第１オーミック電極が設けられた領域と平面視前記電界印加電極を挟んで反対側の第１部分に設けられた第３オーミック電極を含み、前記第１オーミック電極、前記第２オーミック電極および前記第３オーミック電極は、前記第２半導体層および前記第４半導体層に前記電界印加電極による電界が印加されない領域が形成される範囲に、前記電界印加電極と離間して配置されるようにしてもよい。
【００１１】
また、同一平面を形成する前記第４半導体層、前記第５半導体層および前記電界印加電極の前記側面は、前記第３半導体層の前記第１領域と前記第２領域との境界に沿って前記基板に平行な第１の方向に延在し、前記電界印加電極は、前記第１の方向に沿って帯状に形成され、前記第１検出部は、前記第３半導体層の前記第２領域を走査する第１スキャンニングゲートを含み、前記第２検出部は、前記第５半導体層の前記電界印加電極が形成されていない領域を走査する第２スキャンゲートを含み、前記注入部は、量子ポイントコンタクトを有する電子注入器であることを特徴としてもよい。
【００１２】
さらには、前記第４半導体層の前記側面の前記基板に平行な延在方向は、前記第１検出部と前記注入部とを結ぶ直線と直角以外の角度をなすようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係るスピン検出方法は、上記のスピン検出器を用意するステップと、前記第２半導体層および前記第４半導体層に前記基板に平行な方向の磁界を印加するとともに、前記電界印加電極により前記第２半導体層および前記第４半導体層に前記基板と垂直な方向の電界を印加するステップと、前記注入部より前記第２半導体層のうち前記第２領域とは前記電界印加電極を挟んで平面視反対側に位置する部分に電子を注入するステップと、前記第１検出部により、前記第２領域内において、前記第２半導体層内を流れる電子を検出するステップと、前記第２検出部により、前記第５半導体層の前記電界印加電極が形成されていない領域内において、前記第４半導体層内を流れる電子を検出するステップと、前記第１検出部により検出された値と前記第２検出部により検出された値とに基づいて偏極度を演算するステップとを有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１半導体層乃至第５半導体層および電界印加電極によって二重量子井戸構造を有するスピンフィルタが構成される。注入部により第２半導体層に注入された電子は、スピンフィルタ内を通過する過程において、一方の方向に偏極した電子が第２半導体層内を流れて第１検出部により検出され、他方の方向に偏極した電子は、スピンフィルタ内で第４半導体層に移動した後、第４半導体層の側面で反射され、第２検出部により検出される。このようにしてスピン自由度を電荷自由度に変換することにより、スピン偏極度を定量的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスピン検出器の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係るスピン検出器のスピンフィルタの構成と原理を模式的に説明する図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係るスピン検出器のＩＩ−ＩＩ線における断面構造を模式的に表す図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係るスピン検出器のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面構造を模式的に表す図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係るスピン検出器の動作を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施の形態に係るスピン検出器の構成を模式的に示す図である。
【図７】図７は、第２の実施の形態に係るスピン検出器の断面構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
１．第１の実施の形態
１−１．第１の実施の形態に係るスピン検出器の構成
本実施の形態に係るスピン検出器１は、基本的には、電子注入器と、電子注入器により注入された電子をそのスピンに応じて選別するスピン選別器（スピンフィルタ）と、スピンフィルタで選別された電子をそれぞれ検出する電子検出器とから構成され、スピン自由度を電荷自由度に変換するものである。特に、第１の電子検出器は、スピンフィルタを挟んで電子注入器と反対側に位置する単一量子井戸構造を有する領域に設けられ、第２の電子検出部は、スピンフィルタに対して電子注入器と同じ側に位置する二重量子井戸構造を有する領域に設けられる。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスピン検出器１の構成を示す平面図であり、図２は、図１中Ｉ−Ｉ線におけるスピン検知器の断面を示す図、図３は、ＩＩ−ＩＩ線における断面を示す図、図４は、ＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面を示す図である。
このスピン検出器１は、基板１０１上にバンドギャップエネルギーが異なる複数の半導体材料を積層して量子井戸構造を形成する半導体積層体を有し、図１に示すように、平面視帯状に形成された部分積層体Ａ、ＣおよびＤが部分積層体Ｂに連結されて、平面視略「ｙ」字型に形成された半導体デバイスである。
なお、説明の便宜を図るために、スピン検出器１を構成する半導体積層体を、積層された半導体層の違いや電極の有無に応じて、基板１０１に平行な面内で３つの部分に分け、それぞれを「部分積層体Ａ」、「部分積層体Ｂ」、「部分積層体Ｃ」、「部分積層体Ｄ」と呼ぶことがある。
【００１９】
ここで、スピン検出器１の部分積層体Ｂは、図２に示すように、基板１０１の上に第１の半導体層１０２から第５の半導体層１０６および電界印加電極１０７を積層した構造を有し、ラシュバ効果を有する二重量子井戸を用いたスピンフィルタとして作用する。
【００２０】
また、部分積層体Ａ、ＣおよびＤのうち、部分積層体ＡおよびＣは、図３に示すように、基板１０１の上に積層された第１の半導体層１０２から第３の半導体層１０４からなる。部分積層体ＡおよびＣには、第２半導体層１０３を単一の量子井戸層とする単一量子井戸構造が形成されている。また、部分積層体Ｄは、図４に示すように、第１の半導体層１０２から第５の半導体層１０６を積層し、部分積層体Ｂのスピンフィルタと連続した二重量子井戸構造が形成されている。
【００２１】
以上の説明は、スピン検出器１の平面形状に着目した、便宜的なものであり、各部分積層体を構成する各半導体層は、結晶性を保って一体に形成される。これを半導体層の積層構造の共通性の観点から説明するならば、部分ＡおよびＣは、基板１０１の上に形成された第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された第２半導体層１０３と、この第２半導体層１０３の上に形成された第３半導体層１０４とからなる。また、部分積層体ＢおよびＤは、基板１０１の上に形成された第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された第２半導体層１０３と、この第２半導体層１０３の上に形成された第３半導体層１０４と、この第３半導体層１０４の上の一部の第１領域に形成された第４半導体層１０５と、この第４半導体層１０５の上に形成された第５半導体層１０６とからなる。
【００２２】
このうち、第２半導体層１０３のバンドギャップエネルギーは第１半導体層のバンドギャップエネルギーより小さく、第３半導体層１０４のバンドギャップエネルギーは、第２半導体層１０３のバンドギャップエネルギーより大きい。また、第４半導体層１０５のバンドギャップエネルギーは、第３半導体層１０４のバンドギャップエネルギーより小さく、第５半導体層１０５のバンドギャップエネルギーは、第４半導体層１０５のバンドギャップエネルギーより大きい。
第１半導体層１０２、第３半導体層１０４、第５半導体層１０６は、第２半導体層１０２および第４半導体層１０３に対して障壁層として働き、例えば、第２半導体層１０３および第４半導体層１０５の膜厚を１０ｎｍ程度とすることにより、これらの障壁層１０２、１０４、１０６に挟まれた第２半導体層１０３および第４半導体層１０５は、それぞれ第１量子井戸層および第２量子井戸層を構成する。
【００２３】
また、第１半導体層１０２内には、基板１０１に平行に形成された第１キャリア供給層として、ドープ層１０２ｄが形成されている。また、第５半導体層１０６内にも、第５半導体層１０６内に基板１０１に平行に形成された第２キャリア供給層として、ドープ層１０６ｄが形成されている。
【００２４】
例えば、基板１０１は、高抵抗ＩｎＰから構成すればよい。また、障壁層となる第１半導体層１０２、第３半導体層１０４および第５半導体層１０６は、ＩｎＡｌＡｓ、例えば、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓから構成し、第３半導体層１０４の層厚は５ｎｍ程度とすればよい。また、量子井戸層となる第２半導体層１０４および第４半導体層１０５は、ＩｎＧａＡｓ、例えば、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓから構成すればよく、層厚は１０〜２０ｎｍ程度とすればよい。また、第１キャリア供給層となるドープ層１０２ｄおよび第２キャリア供給層となるドープ層１０６ｄは、ｎ型としたＩｎＡｌＡｓから構成すればよい。
【００２５】
以下、説明の便宜を図るために、第３半導体層１０４のうち、第４半導体層１０５が形成される領域を「第１領域」と呼び、第４半導体層１０５が形成されない領域を「第２領域」と呼ぶことがある。
【００２６】
ここで、第４半導体層１０５、第５半導体層１０６および電界印加電極１０７は、上記第１領域と上記第２領域との境界に沿って第３半導体層１０４の表面に垂直な側面１０５ａ、１０６ａを有し、これらの側面は同一平面を形成している。
【００２７】
また、本実施の形態に係るスピン検出器２は、部分積層体Ａの第３半導体層１０４の上に形成されたオーミック電極１０８と、部分積層体Ｃの第３半導体層１０４の上に形成制されたオーミック電極１０９と、部分積層体Ｄの第５半導体層１０６の上に形成されたオーミック電極１１０とを備えていても良い。
ここでオーミック電極１０８は、第１量子井戸層となる第３半導体層１０４に電子を注入するための電極である。また、オーミック電極１０９は、部分積層体Ｃの第２半導体層１０３中の電子を検出する第１検出部の一部となり、オーミック電極１１０は、部分積層体Ｄの第４半導体層１０５中の電子を検出する第２検出部の一部となる。
【００２８】
なお、第１オーミック電極１０８および第２オーミック電極１０９は、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから構成すればよく、第２半導体層１０４との間で合金領域が形成されていればよい。また、第３オーミック電極１１０も、同様にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから構成すればよく、第４半導体層１０５との間で合金領域が形成されていればよい。
【００２９】
［スピンフィルタの構成］
次に本実施の形態に係るスピン検出器のスピンフィルタ（部分Ｂ）について説明する。
このスピンフィルタは、図２に示すように、基板１０１の上に形成された第１半導体層１０２と、この第１半導体層１０２内に基板１０１に平行に形成された第１キャリア供給層１０２ｄと、第１半導体層１０２の上に形成された第２半導体層１０３と、この第２半導体層１０３の上に形成された第３半導体層１０４と、この第３半導体層１０４の上の一部の第１領域（ＢおよびＤ）に形成された第４半導体層１０５と、この第４半導体層１０５の上に形成された第５半導体層１０６と、第５半導体層１０６の上の一部の領域に形成され、その直下の半導体層に電界を印加する電界印加電極１０７とからなる。
このような量子井戸層の近傍にキャリア供給層となるドープ層１０１ｄ、１０６ｄを形成することにより、図２に示すように、２つの量子井戸層（第２半導体層１０３および第４半導体層１０５）のポテンシャルが勾配を持つ。その結果、第２半導体層（第１量子井戸層）１０３および第４半導体層（第２量子井戸層）１０５においては、それぞれ第３半導体層１０４に近い側に、第３半導体層１０４から遠い側よりも伝導帯端のポテンシャルが高い障壁が形成される。
【００３０】
ここに各半導体層に平行な方向の磁場を印加するとともに、電界印加電極１０７から電界を印加すると、一方のスピンの電子が、２つの量子井戸の間で共鳴を起こす条件とすることができ、一方のスピンの電子を２つの井戸間でトンネリングさせる（高い確率でトンネリングさせる）ことができる。
【００３１】
また、電界印加電極１０７は、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕから構成すればよく、例えば、第５半導体層１０６にショットキー接続させればよい。
【００３２】
なお、部分Ａ、Ｃの第１半導体層１０２乃至第３半導体層、および部分Ｄの第１半導体層乃至第５半導体層１０については、スピンフィルタ（部分Ｂ）における各半導体層と共通の組成と構造を有するので、詳細な説明は省略する。
【００３３】
１−２．  第１の実施の形態に係るスピン検出器の製造方法
上述したスピン検出器は次のようにして製造することができる。
まず、高抵抗ＩｎＰからなる基板１０１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、第１半導体層１０２から第５半導体層１０６を順にエピタキシャル成長させて、二重量子井戸構造を有する半導体基板を得る。
【００３４】
このようにして得られた半導体基板を、フォトリソグラフィまたは電子線リソグラフィとウェットまたはドライエッチングにより、選択的にエッチングして、図１に示すような略「ｙ」字型の平面形状を得る。また、同様の手法を用いて、第４半導体層１０５および第５半導体層１０６の一部を除去して、第５半導体層１０６および第４半導体層１０５の側面１０６ａ、１０５ａを形成するとともに、図１において部分ＡおよびＣを単一量子井戸構造とする。このとき、第３半導体層１０４の材料としてＩｎＰを用いれば、第３半導体層１０４をクエン酸系エッチング溶液に対するエッチストップとして用いることができる。平面視帯状に形成された部分積層体Ａ、ＣおよびＤの幅はμｍオーダーとする。
【００３５】
残った第５半導体層１０６のうち、スピンフィルタの一部を形成する領域に電界印加電極１０７を形成して、ラシュバ効果のある二重量子井戸スピンフィルタ（部分Ｂ）を構成する。電界印加電極１０７は、真空蒸着法やスパッタ法などの堆積技術を用いたリフトオフ法により形成することができる。
【００３６】
最後に、第１乃至第３オーミック電極１０８，１０９、１１０を形成する。これらの電極も真空蒸着法やスパッタ法などの堆積技術を用いたリフトオフ法により形成することができる。
【００３７】
１−３．  第１の実施の形態に係るスピン検出器によるスピン検出動作
本実施の形態に係るスピン検出器１によるスピン検出方法は次のとおりである。
まず、スピン検出器１の近傍に設けられた磁場発生器１５０（図５参照。）により、第２半導体層１０３および第４半導体層１０５、すなわち量子井戸層に、基板１０１に平行な方向の磁界を印加するとともに、電界印加電極１０７により第２半導体層１０３および第４半導体層１０５に基板１０１と垂直な方向の電界を印加する。
この状態で注入部となる第１オーミック電極１０８より電子を第１量子井戸層を形成する第２半導体層１０３に注入し、第１検出部となる第２オーミック電極１０９と第２検出部となる第３オーミック電極１１０とを介してそれぞれ電流を検出する。
最後に、第２オーミック電極１０９を介して検出された値と第３オーミック電極１１０を介して検出された値とに基づいて、例えば、両者の比を演算することによって、注入した電子の偏極度を演算することができる。
【００３８】
ここで、本実施の形態に係るスピン検出器によるスピン検知動作について、図３乃至図５を参照しながら説明する。
【００３９】
スピン検出器の二重量子井戸構造を備えたスピンフィルタは、図２に示すようなポテンシャル勾配を有している。
このような二重量子井戸構造において、電界印加電極１０７の領域以外の、すなわち、電界が印加されない部分積層体Ａ内の第２半導体層（第１量子井戸層）１０３の領域（電界が印加されない領域）では、スピン偏極がない状態の電子によるチャネルが形成されるようになり、電界印加電極１０７と第１オーミック電極１０８および第２オーミック電極１０９との間の第２半導体層（第１量子井戸層）１０３では、電子が移動できる状態となっている。
【００４０】
これに対し、電界印加電極１０７の下の領域内、すなわち、部分積層体Ｂ内においては、第１量子井戸層となる第２半導体層１０３を任意の１つの向きに流れる電子のエネルギーは、上向きスピンの電子のエネルギーが下向きスピンの電子のエネルギーよりも大きく、第２量子井戸層となる第４半導体層１０５では、下向きスピンの電子のエネルギーが上向きスピンの電子のエネルギーよりも大きい状態となる。この結果、電界印加電極１０７により電界が印加される領域では、第２半導体層（第１量子井戸層）１０３および第４半導体層（第２量子井戸層）１０５に、各々異なる方向にスピン偏極した電子が偏在する状態となる。
【００４１】
すると、図５に示すように、第１オーミック電極１０８と第２オーミック電極１０９および第３オーミック電極１１０との間にそれぞれ電位差を与え、電界印加電極１０７に正電圧を印加すると、部分Ａの第２半導体層（第１量子井戸層）１０３には、図３に示すように、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とが流れる。
【００４２】
これらの電子のうち上向きスピンの電子は、スピンフィルタ（部分積層体Ｂ）内では、第２半導体層（第１量子井戸層）１０３と第４半導体層（第２量子井戸層）１０５との間で共鳴を起こさず、トンネリングしない。したがって、下向きスピンの電子は、スピンフィルタ（部分積層体Ｂ）内および部分積層体Ｃ内の第２半導体層（第１量子井戸層）１０３を通じて、第２オーミック電極１０９を介して検出される。
【００４３】
一方、下向きスピンの電子は、第２半導体層（第１量子井戸層）１０３と第４半導体層（第２量子井戸層）１０５との間で共鳴を起こし、図３に示すように、スピンフィルタ内において、第２半導体層（第１量子井戸層）１０３から第４半導体層（第２量子井戸層）１０５にトンネリングする。トンネリングした下向きスピンの電子は、第４半導体層（第２量子井戸層）１０５の一端が側面１０５ａにより閉じられているため、側面１０５ａで反射され、正電圧が印加されている第３オーミック電極１１０の側に走行して、第３オーミック電極１１０を介して検出される。
【００４４】
以上のようにして検出されたスピンの異なる電子による２つの電流値の比を取れば、スピン偏極度を定量的に検出することができる。
【００４５】
なお、電界印加電極１０７への電圧印加または磁場発生器１５０によるスピンフィルタ部分への磁場の印加をＯＮ／ＯＦＦすることによって、スピンフィルタとしての機能をＯＮ／ＯＦＦすることができる。
【００４６】
１−４．  第１の実施の形態の効果
本実施の形態に係るスピン検知器によれば、ラシュバ効果を有する二重量子井戸構造を有するスピンフィルタを用いて分離された２つのスピンの異なる電子による電流値の比を取ることによって、第１オーミック電極１０８から注入された電流のスピン偏極度を定量的に検出することができる。
【００４７】
２．第２の実施の形態
次に本発明の第２の実施の形態に係るスピン検出器について、図６および図７を参照して説明する。
【００４８】
２−１．第２の実施の形態に係るスピン検出器の構成
第２の実施の形態に係るスピン検出器２は、電子注入器と、電子注入器により注入された電子をそのスピンに応じて選別するスピン選別器（スピンフィルタ）と、スピンフィルタで選別された電子をそれぞれ検出する電子検出器とから構成され、スピン自由度を電荷自由度に変換する点において、上述した第１の実施の形態に係るスピン検出器と共通するが、図６に示すように、半導体積層体が平面視略矩形に形成されていること、電界印加電極２０７が、基板２０１平行な１の方向（第１の方向）に沿って帯状に形成されること、電子注入器（注入部）として量子ポイントコンタクトを有する電子注入器２１０を採用すること、電子検出器としてスキャニングゲート２３０、２３０’を用いた走査型ゲート顕微鏡２４０を採用すること等を特徴とする。
【００４９】
すなわち、本実施の形態に係るスピン検出器２は、図７に示すように、基板２０１上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなる第１半導体層２０２と、この第１半導体層２０２上に形成されたＩｎＧａＡｓからなる第２半導体層２０３と、この第２半導体層２０３上に形成されたＩｎＰからなる第３半導体層２０４と、この第３半導体層の一部の領域（第１領域）上に形成されたＩｎＧａＡｓからなる第４半導体層２０５と、この第４半導体層２０５上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなる第５半導体層２０６とを有する半導体積層体を備えている。
【００５０】
なお、説明の便宜を図るために、スピン検出器２を構成する半導体積層体を、第４半導体層２０５の有無や電界印加電極２０７の有無に応じて、図６および図７に示すように、基板２０１に平行な面内で３つの部分に分け、それぞれを「部分積層体Ｅ」、「部分積層体Ｆ」、「部分積層体Ｇ」と呼ぶことがある。
【００５１】
上記の半導体積層体において、第２半導体層２０３および第４半導体層２０５の膜厚を１０ｎｍ程度とすることにより、第１半導体層２０２、第３半導体層２０４、第５半導体層２０６は、第２半導体層２０２および第４半導体層２０３に対して障壁層として働き、これらの障壁層１０２、１０４、１０６に挟まれた第２半導体層２０３および第４半導体層２０５は、それぞれ第１量子井戸層および第２量子井戸層を構成する。
さらに、第１の半導体層２０２および第５の半導体層２０６は、基板２０１に平行に形成された第１キャリア供給層となるｎ型ドープ層２０２ｄおよび第２キャリア供給層となるｎ型ドープ層２０６ｄを備えている。
その結果、スピン検出器２を構成する上記の半導体積層体のうち、部分積層体ＥおよびＦは、ラシュバ効果を有する二重量子井戸構造を構成し、部分積層体Ｇは、単一量子井戸構造を有することとなる。
【００５２】
ここで、第３半導体層２０４の表面に対して垂直な第４半導体層２０５の側面２０５ａおよび第５半導体層２０６の側面２０６ａは、図６に示すように、第１半導体層２０２乃至第３半導体層２０４からなる半導体積層体を縦断する方向に沿った平面を形成している。
【００５３】
電界印加電極２０７は、第５半導体層２０６の表面に側面２０６ａに沿って沿って帯状に形成され、第４半導体層２０５の側面２０５ａおよび第５半導体層２０６の側面２０６ａを含む領域Ｆの部分にスピンフィルタが形成されている。  
【００５４】
また、電子検出器として作用する走査型局所ゲート顕微鏡２４０は、導電性コートをしたＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）ティップをスキャニングゲート（プローブ）２３０として用いている。この走査型局所ゲート顕微鏡２４０は、スキャニングゲートを負のバイアス電圧を印加した状態で、上記の半導体積層体の表面、すなわち第３半導体層２０４の表面または第５半導体層２０６の表面を走査しながら、電子注入器２１０とスキャニングゲート２３０との間の電圧を測定する。
このような走査型局所ゲート顕微鏡を用いた二次元電子ガスの測定手法については、非特許文献２および非特許文献３を参照されたい。
【００５５】
２−２．  第２の実施の形態に係るスピン検出器の製造方法
上述したような半導体積層体は、第１の実施の形態と同様に、まず、有機金属気相成長法を用いたエピタキシャル成長により二重量子井戸構造を有する半導体基板を、フォトリソグラフィまたは電子線リソグラフィとウェットまたはドライエッチングとにより、選択的にエッチングする。このとき、第３半導体層２０４にＩｎＰを用い、エッチング溶液としてクエン酸系エッチング溶液を用いることによって、第３半導体層２０４をエッチストップとして使用することができる。
【００５６】
また、電界印加電極２０７は、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕ等の材料を第５半導体層２０６の所定の領域に蒸着することによって形成することができる。
【００５７】
また、電子注入器（注入部）として作用する量子ポイントコンタクトを有する電子注入器２１０は、ドライエッチングによって第２半導体層２０３を選択的に除去することによって作成することができるが、第２半導体層２０３上に形成された表面ゲート（図示せず。）による空乏層化によっても実現することができる。
【００５８】
２−３．  第２の実施の形態に係るスピン検出器によるスピン検出動作
次に本実施の形態に係るスピン検出器２を用いたスピン検出について図３乃至図５を参照しながら説明する。
まず、スピン検出器２の近傍に設けられた磁場発生器２５０により、第２半導体層２０３および第４半導体層２０５、すなわち量子井戸層に、基板２０１に平行な方向の磁界を印加するとともに、電界印加電極２０７により第２半導体層１０３および第４半導体層１０５に基板２０１と垂直な方向の電界を印加する。
この状態で、スピン状態を判別したい電子を電子注入器２１０によって第１量子井戸層である第２半導体層２０３中に注入する。注入された電子は、二次元電子ガスとなって第２半導体層２０３内で広がっていく。
【００５９】
このようにして第２半導体層２０３内を広がった二次元電子ガスは、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とを含むと考えられるが、ラシュバ効果を有する二重量子井戸構造を有するスピンフィルタ内において、すなわち、電界印加電極２０７の直下において、上向きスピンの電子は第２半導体層（第１量子井戸）２０３内にとどまり、第２半導体層２０３内をスピンフィルタを横切る形で領域Ｇに流れ込む。
領域Ｇの第２半導体層（第１量子井戸層）２０３を流れる上向きスピンの電子は、スキャニングゲート２３０を介して検出され、走査型局所ゲート顕微鏡２４０によって上向きスピンの電子の密度を表す電圧値の空間的な分布を得ることができる。
【００６０】
一方、上向きスピンの電子よりも高いエネルギーを有する下向きスピンの電子は、スピンフィルタ内において、第２半導体層（第１量子井戸層）２０３から第４半導体層（第２量子井戸層）２０５にトンネリングする。トンネリングした下向きスピンの電子は、第４半導体層（第２量子井戸層）２０５の一端が側面２０５ａにより閉じられているため、側面２０５ａで反射され、領域Ｅの第４半導体層２０５に流れ込むことになる。
このように領域Ｅの第４半導体層（第２量子井戸層）２０５を流れる下向きスピンの電子は、スキャニングゲート２３０’を介して検出され、走査型局所ゲート顕微鏡２４０によって下向きスピンの電子の密度を表す電圧値の空間的な分布を得ることができる。
【００６１】
以上のようにして検出されたスピンの異なる電子による２つの電圧分布から、例えば、それぞれの最大値または平均値の比を取ることによって、電流源２２０から注入された電子のスピン偏極度を定量的に検出することができる。
【００６２】
なお、電界印加電極１０７への電圧印加または磁場発生器１５０によるスピンフィルタ部分への磁場の印加をＯＮ／ＯＦＦすることによって、スピンフィルタとしての機能をＯＮ／ＯＦＦすることができる。
【００６３】
２−４．  第２の実施の形態の効果
本実施の形態に係るスピン検知器によれば、ラシュバ効果を有する二重量子井戸構造を有するスピンフィルタを用いて分離された２つのスピンの異なる電子を、走査型局所ゲート顕微鏡２４０を用いて電圧の空間分布に変換することによって、量子ポイントコンタクト２１０から注入された電流のスピン偏極度を定量的に検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、電子のスピンを利用した電子素子に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…第２半導体層（第１量子井戸層）、１０４…第３半導体層（障壁層）、１０５…第４半導体層（第２量子井戸層）、１０６…第５半導体層、１０７…電界印加電極。
【図１】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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