(57)【要約】【課題】磁場や磁性体を用いなくても、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができるスピンフィルタおよびスピン状態分離方法を提供する。【解決手段】スピンフィルタ１０は、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、二次元電子ガスチャネル１４にかかる有効なゲート電圧の勾配が生じるため、ゲート電極１１の下にある二次元電子ガスチャネル１４のスピン軌道相互作用はｙ軸方向に空間的に勾配を生じるようになっている。従って、この空間を電子スピンがｘ軸方向に伝搬する間に、スピン上向きキャリアと下向きキャリアは逆方向に力を受け、スピンは空間的に分離する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピンフィルタであって、
前記キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネルと、
前記半導体チャネルにゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、
を有し、前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とするスピンフィルタ。
【請求項２】
前記スピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なる層を挿入し、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする請求項１記載のスピンフィルタ。
【請求項３】
前記ゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備えることにより、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする請求項１記載のスピンフィルタ。
【請求項４】
前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピンフィルタ。
【請求項５】
磁性材料を用いたスピン検出用の電極を出力側に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピンフィルタ。
【請求項６】
磁性材料を用いたスピン注入用の電極を入力側に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピンフィルタ。
【請求項７】
半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピン状態分離方法であって、
前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬させる半導体チャネルに、ゲート電圧を印加し、
前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とするスピン状態分離方法。
【請求項８】
前記半導体チャネルを備えるスピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なる層を挿入し、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする請求項７記載のスピン状態分離方法。
【請求項９】
前記ゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備えることにより、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする請求項７記載のスピン状態分離方法。
【請求項１０】
前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のスピン状態分離方法。
【請求項１１】
磁性材料を用いた電極を出力側に備えて、前記キャリアのスピン状態を検出することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のスピン状態分離方法。
【請求項１２】
磁性材料を用いた電極を入力側に備えて、スピン偏極したキャリアを注入することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のスピン状態分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態を分離するスピンフィルタおよびスピン状態分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体デバイスにおいては、電子の有する電荷の性質のみを用いてきた。電子は電荷とともにスピンの自由度を有すが、これまで、電子のもつスピンの性質を積極的に用いたデバイスはなかった。最近、半導体デバイスは、微細化の限界に到達しつつあり、電子の有する「電荷」と「スピン」を同時に利用することにより、従来にない機能を有する新しいデバイスを標榜したスピントロニクスの分野が注目されるようになってきた。半導体中でスピンデバイスを実現するには、（１）スピン偏極したキャリアの生成、（２）スピンの輸送、記憶、演算操作、（２）最終的なスピン状態の検出、という操作手法を確立する必要がある。
【０００３】
このうち、半導体中にスピン偏極した電子を生成する最も確立された技術として、円偏光した光により価電子帯から伝導体にスピン偏極した電子を励起する方法がある。しかしながら、この方法の場合、選択則による制限により１００％スピン偏極した電子を得るのは不可能であり、電子とともに正孔が対となって生成されるため、電子−正孔再結合によりスピンの緩和時間を充分長くすることができないという問題があった。
【０００４】
また、強磁性体電極から半導体へのスピン注入は、金属と半導体のコンダクタンスの違いから半導体中で大きなスピン偏極度を得るのは困難であることが理論的に指摘されている。このようなコンダクタンスの違いを克服する方法として、強磁性体と半導体の間にトンネルバリアを挿入する方法が提案されているが、現在のところ依然大きなスピン偏極度は得られていない。
【０００５】
最近、III族を一部Ｍｎで置換したIII-V族希薄磁性半導体が合成できるようになってきたが、これに関しても、キャリアはｐ型で、スピン軌道相互作用の影響を受けスピン緩和が早く、また、強磁性転位温度（キュリー温度Ｔｃ）が室温以下（Ｔｃ＝１１０Ｋ）であるという問題がある。
【０００６】
このような状況の中、スピン偏極した電子の生成と輸送、スピン状態の検出という観点から、Ｓｔｅｒｎ−Ｇｅｒｌａｃｈ効果（以下、ＳＧ効果と呼ぶ）を用いた不均一磁場によるスピンフィルタが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
図８は、ＳＧ効果を概念的に示す図である。Ｓｔｅｒｎ−Ｇｅｒｌａｃｈ（1922）は、スピン１／２を持った銀（Ａｇ）の原子をオーブン炉からスリットを介して取り出し、この不均一な磁場勾配を通過させる実験を行うことにより、上向きおよび下向きスピンをそれぞれ有する原子ｅ1およびｅ2を空間的に分離することに成功した。
【０００８】
尚、非特許文献１においては、このＳＧ効果を用いて、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の一次元または二次元電子ガスと不均一磁場を組み合わせたスピンフィルタが提案されている。
【非特許文献１】J. Wroebel, T. Dietl, K. Fronc, A. Lusakowski, M. Czeczott, G. Grabecki, R. Hey, and K. H. Ploog, Physica E 10, 91 (2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述したＳＧ効果を用いたスピンフィルタは、半導体チャネルでの電子速度が速く、不均一磁場を通過する相互作用時間が短くなるため上向き、下向きスピンの充分な偏向角度が得られないため、実現するのは不可能であった。
【００１０】
また、磁性体を用いた不均一磁場は、二次元電子ガスに垂直な成分をゼロにすることは困難であり、この磁場の垂直成分は電子に対するローレンツ力として作用するため、スピン上向き、下向きにかかわらず、一定方向に軌道を曲げる効果として働き、ＳＧ効果によるキャリアスピンの空間分離を防げるという問題点があった。
【００１１】
元々、ＳＧ効果の実験は、上述したように電荷ゼロでスピン１／２を持った銀の原子が用いて行われたため、電荷を持った原子あるいは電子のＳＧ効果については、ローレンツ力を受けることからＳＧ効果の検証は困難であることが、予言されてきた。その理由は、ローレンツ力によりスピンの偏向角度に不確定性が生じることによる。その理由は次の通りである。電磁気学によれば、磁場Ｂは、磁荷が存在しないため、▽・Ｂ＝０を満たす。
【数１】
2006032569.tif 000003
【００１２】
ここで、簡単のため、図８の座標系において、∂Ｂｘ／∂ｘ＝０を仮定すると、ｙ軸方向の磁場勾配∂Ｂy／∂ｙがゼロでなければ、キャリアの伝搬方向に垂直なｚ軸方向にもゼロでない磁場勾配∂Ｂz／∂ｚ＝−（∂Ｂy／∂y）が存在する（この場合、ｚ方向の磁場成分の大きさ|∂Ｂz／∂ｚ|は最大となる）。
【００１３】
このｚ軸方向の磁場勾配∂Ｂz／∂ｚの存在により、ｚ軸方向に分布した電子は、異なった力を受け、スピン偏向角度に不確定性ΔφSGが生じることになる。即ち、電荷を持ったキャリアは、ローレンツ力を受けるため、スピン偏向角度に不確定性が生じ、この偏向角度の広がりがＳＧ効果観測の本質的な問題点であることが指摘されている。
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、磁場や磁性体を一切用いなくても、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができるスピンフィルタおよびスピン状態分離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】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピンフィルタであって、前記キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネルと、前記半導体チャネルにゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段と、を有し、前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記スピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なる層を挿入し、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記ゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備えることにより、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の本発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いたスピン検出用の電極を出力側に有することを特徴とする。
【００２０】
請求項６記載の本発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いたスピン注入用の電極を入力側に有することを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の本発明は、半導体中を伝搬するキャリアのスピン状態毎にキャリアを分離するスピン状態分離方法であって、前記キャリアを閉じこめて、前記キャリアを伝搬させる半導体チャネルに、ゲート電圧を印加し、前記ゲート電圧によって、前記半導体チャネルのスピン軌道相互作用の強さを、前記キャリアが伝搬する方向と垂直な方向に空間勾配をもたせて非一様となるように制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項８記載の本発明は、請求項７記載の発明において、前記半導体チャネルを備えるスピンフィルタは、前記半導体チャネル上に厚さの異なる層を挿入し、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。
【００２３】
請求項９記載の本発明は、請求項７記載の発明において、前記ゲート電圧を印加するゲート電圧印加手段は、印加する電圧が異なる複数のゲート電極を備えることにより、前記スピン軌道相互作用の強さに空間勾配をもたせることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０記載の本発明は、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の発明において、前記半導体チャネルは、弾性散乱体が導入されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１記載の本発明は、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いた電極を出力側に備えて、前記キャリアのスピン状態を検出することを特徴とする。
【００２６】
請求項１２記載の本発明は、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の発明において、磁性材料を用いた電極を入力側に備えて、スピン偏極したキャリアを注入することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、半導体チャネルのスピン軌道相互作用をゲート電圧により制御可能であるので、スピン軌道相互作用の空間的勾配を利用して、ＳＧ効果を半導体中で実現することができる。
【００２８】
この結果、磁場や磁性体を一切用いることなく、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００３０】
＜基本的事項＞
まず、本発明を実施する上での前提となる基本的事項について説明する。以下に説明する基本的事項は、本発明の全ての実施形態に共通である。
【００３１】
スピン軌道相互作用は、Ｄｉｒａｃによって相対論的な考察から与えられているため、多くの場合無視できるが、III-V族半導体では、空間的な反転対称性の破れによるスピン軌道相互作用が無視できなくなる場合がある。Ｒａｓｈｂａのスピン軌道相互作用は、半導体ヘテロ界面の作る電界に起因し、電子を閉じこめる量子井戸の形状が空間的に非対称になるにつれ電界の効果が強くなりスピン軌道相互作用が大きくなることが予想されていた。ｋ・ｐ摂動法によれば、スピン軌道相互作用の強さαは次式で与えられる（Th. Schaepers, G. Engels, J. Lange, Th. Klocke, M. Hollfelder, and H. Lueth, J. Appl. Phys.83,4324(1998)を参照）。
【数２】
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【００３２】
ここで、Ψ(z)は量子井戸の電子波動関数、Ｅpはｋ・ｐ摂動のバンドパラメータ、ＥFはフェルミエネルギー、ｍoは自由電子の有効質量、ＥГ7(z)とＥГ8(z)は、価電子帯のスピン分離バンドエネルギーとバンド端エネルギー、hはプランク定数に対応する。（１）式より、ＩｎＡｓやＩｎＳｂなどの狭ギャップ半導体ほどスピン軌道相互作用が大きくなることが予想される。また、量子井戸を作るポテンシャルの傾きが大きければ、大きいほど、スピン軌道相互作用は大きくなる。発明者らは、シュブニコフ・ドハース振動に現れるビートの解析（T. Koga, J.Nitta, T.Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett.89,46801(2002)を参照）や、反弱局在効果の実験（Th. Schaepers, G. Engels, J. Lange, Th. Klocke, M. Hollfelder, and H. Lueth, J. Appl. Phys.83,4324(1998)を参照）から、量子井戸の対称性は、ゲート電圧によって変調可能であり、Ｒａｓｈｂａスピン軌道相互作用はゲート電圧によって制御できることを確認した。
【００３３】
図１（ａ）は、ＩｎＡｓ層を挿入したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ二次元電子ガスヘテロ構造のシュブニコフ・ドハース振動のゲート電圧依存性を示す図である。尚、実線が実験値、点線が理論値である。図１（ｂ）は、シュブニコフ・ドハース振動に現れるビートの解析によって求めたスピン軌道相互作用αのキャリア濃度依存性を示す図であり、図１（ａ）の結果から算出されたスピン軌道相互作用αとキャリア濃度の関係を示している。ここで、キャリア濃度はゲート電圧に対応（例えば、Ｖｇ＝０ＶはＮｓ＝２．４５ｘ１０12ｃｍ-2、Ｖｇ＝−０．７ＶはＮｓ＝１．７ｘ１０12ｃｍ-2に対応）しているので、ゲート電圧によってスピン軌道相互作用の強さαが制御可能であることを示している。尚、バックゲートとフロントゲートの２つのゲート電極をもちいることにより、キャリア濃度を変えることなく、量子井戸のポテンシャル形状のみを変化させることにより、スピン軌道相互作用が変化することも実験的に確認されている。
【００３４】
Ｒａｓｈｂａスピン軌道相互作用によりスピンの縮退がとけ、フェルミエネルギー付近では、上向き、下向きスピンのエネルギー差ΔRは、ΔR＝±αｋFで与えられる。ここで、ｋFはフェルミ波数に対応する。したがって、電子のｇ−因子とボーア電子μBにより、あたかも以下のような有効磁場を感じていることに相当する。
【数３】
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【００３５】
ここで、図８に示すＳＧ効果について説明する。Ｚｅｅｍａｎ効果による、ハミルトニアンは、磁場Ｂ中において次式で与えられる。
【００３６】
Ｈz＝ｓｇμBＢ      （３）
ここで、スピンｓ＝±１／２、ｇはｇ−因子、μBはボーア磁子、Ｂが磁場を表す。このＺｅｅｍａｎエネルギーの空間変化は、ポテンシャルの空間変化に対応し電子スピンに対する力を及ぼす。例えば、図８に示す磁場Ｂのｙ軸成分に空間的勾配を与えると
【数４】
2006032569.tif 000006
【００３７】
の力を受けるが、ｙ軸方向に対し上向き、下向きスピンはそれぞれ反対方向に力を受け、スピンがこの空間的な磁場勾配の中を伝搬する際、分離が生じる。このＳＧ効果によるスピンの偏向角度φSGは以下のように与えられる。
【数５】
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【００３８】
ここで、Δtは、電子スピンが不均一磁場中を伝搬する時間に対応し、ｙ軸方向に運動量Δｐyの変化を生じることに対応している。ｐｘは電子スピンのｘ軸方向の運動量成分、Ｆｙ・Δｔは電子スピンがｙ軸方向に受ける力積である。
【００３９】
本発明の要点はＲａｓｈｂａスピン軌道相互作用によって生じるスピン上向き下向きのエネルギー差ΔR＝±αｋFをゲート電圧によって空間勾配をもたせることによりスピン上向きキャリアと下向きキャリアに逆向きの力を与え、空間分離させスピンフィルタを構成することにある。これは、上述したＳＧ効果と対比させて考えると、Ｒａｓｈｂａスピン軌道相互作用に起因した有効磁場Ｂｅｆｆをゲート電極により空間的勾配をもたせたスピンフィルタ機能を実現することに対応する。この場合においては、磁場Ｂの空間勾配が存在しないため、二次元電子化ガスに垂直なｚ軸方向の磁場をゼロにし、ＳＧ効果の妨げとなるローレンツ効果を排除できる。
【００４０】
上述したように、従来の強磁性体が作る磁場勾配を用いたスピンフィルタでは、電子がスピンとともに電荷をもっていることから、二次元電子ガス平面（ｘ−ｙ平面）に垂直な磁場成分によりローレンツ力の影響を受け電子スピンの軌道が曲げられる効果を無視できず、スピンフィルタを構成することが困難であった。
【００４１】
これに対して、本発明では、Ｒａｓｈｂａスピン軌道相互作用によるポテンシャルの勾配をもちいるため、外部磁場は一切必要としない。したがって、ローレンツ力により電子軌道が曲がる効果は全く無視できるものである。ヘテロ界面に起因した電界の方向をｚ軸方向とすると、Ｒａｓｈｂａスピン軌道相互作用のハミルトニアンは、次式で与えられる。
【数６】
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【００４２】
ここで、σはパウリのスピンマトリックス、ｐは運動量に対応する。このＲａｓｈｂａハミルトニアンにより、電子の分散エネルギーは、
【数７】
2006032569.tif 000009
【００４３】
で与えられる。ここで、ｋは波数、ｍ＊は電子の有効質量である。スピン軌道相互作用αがｙ軸方向に空間的な勾配があると、式（７）は、以下のように表せる。
【数８】
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【００４４】
フェルミ波数ｋFでスピン上向き、下向きエネルギーは、それぞれ±αｋFとなる。したがって、スピン軌道相互作用の強さαに空間的勾配α（ｙ）を与えると、上向き、下向きスピンは、それぞれ反対方向に力を受け、次式のように表せる。
【数９】
2006032569.tif 000011
【００４５】
ＳＧ効果と同様にスピンの空間的分離が可能となる。このＳＧ効果に起因したスピンの偏向角度φSGは、
【数１０】
2006032569.tif 000012
【００４６】
で与えられる。ここで、Δｔ＝Ｌ／ｖＦ、ｐｘ＝hｋＦである。尚、Ｌは半導体チャネルの長さ、ｖＦはフェルミ速度である。
【００４７】
チャネルの幅を０．５μｍ、図１の実験結果からこのチャネル幅にゲートによりスピン軌道相互作用の強さをΔα（ｙ）＝５×１０-12［ｅＶｍ］だけ変化させることは、充分可能である。スピン軌道相互作用がｙ軸方向に空間変化している領域をＬ＝２μｍ、キャリア濃度をｎs＝１×１０11ｃｍ-2、有効質量ｍ＊＝０．０４とすると、フェルミ速度ｖFはｖF＝２．２×１０5ｍ／ｓとなり、上の式に代入するとφSG＝９．１［ｄｅｇ］が得られる。スピン軌道相互作用の空間変化する領域Ｌを長くすることにより、スピンの偏向角度を大きくすることが可能となる。例えば、Ｌ＝５μｍとすると、φSG＝２１．６ｄｅｇとなる。
【００４８】
尚、上記基本的事項においては、Ｒａｓｈｂａのスピン軌道相互作用を利用したスピンフィルタについて説明したが、本発明はＲａｓｈｂａのスピン軌道相互作用に限定されるものではなく、他のスピン軌道相互作用であってもゲート電圧により制御され得るため、他のスピン軌道相互作用を利用したスピンフィルタであってもよい。
【００４９】
＜スピンフィルタの装置構成＞
図２は、上述した基本的事項のもとに構成されたスピンフィルタ１の機能構成の概略を示すブロック図である。図２に示すスピンフィルタ１は、キャリアを閉じこめて、伝搬する半導体チャネル２、半導体チャネル２にゲート電圧を印加するゲート電圧印加部３、印加されたゲート電圧により半導体チャネル２のスピン軌道相互作用に空間勾配を生成させるスピン軌道相互作用空間勾配生成部４を備えている。
【００５０】
半導体チャネル２は、キャリアの一つの空間次元方向に対する可動領域が他の二つの空間次元方向に対する可動領域に比べて無視できる程度に小さい二次元的な領域を有しており、キャリアはこの領域中で二次元電子ガスとして振舞う（以後、この二次元領域を「二次元電子ガスチャネル」と呼ぶ）。この二次元電子ガスチャネルは、例えば半導体量子井戸構造を形成することによってキャリアを二次元領域に閉じ込めている。このように空間一次元方向に幅の狭い半導体量子井戸構造は、よく知られているように、例えば具体的には、ＧａＡｓの薄膜の両面をＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓで挟んで積層したり、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ薄膜の両面をＩｎＰで挟んで積層したりして構成することができる。
【００５１】
ゲート電圧印加部３は、ゲート電極下の半導体チャネル２に有効なゲート電圧を印加するものである。尚、ゲート電極は、トップゲート、バックゲートのいずれであってもよいし、トップゲート及びバックゲートの２つのゲート電極を備えるものであってもよい。
【００５２】
スピン軌道相互作用空間勾配生成部４は、本発明の特徴的な部位であり、具体的には、後述するように各態様が考えられる。以下、具体的なスピンフィルタの構成について説明する。
【実施例１】
【００５３】
図３（ａ）は、本発明の１実施例に係るスピンフィルタ１０をｚ軸方向から見た概略図であり（上面図）、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。
【００５４】
図３（ｂ）に示すように、スピンフィルタ１０は、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、二次元電子ガスチャネル１４にかかる有効なゲート電圧の勾配が生じるため、ゲート電極１１の下にある二次元電子ガスチャネル１４のスピン軌道相互作用はｙ軸方向に空間的に勾配を生じるようになっている。従って、この空間を電子スピンがｘ軸方向に伝搬する間に、スピン上向きキャリアと下向きキャリアは逆方向に力を受け、スピンは空間的に分離する。例えば、ゲート電極１１で覆われた後方にＹ型の分岐を設けておけば、端子Ｔ１には上向きスピン、端子Ｔ２には下向きスピンが流れ込む。
【００５５】
ここで、図３に示すように二次元電子ガスチャネル１４の長さをＬ、幅をＷとすると、Ｙ型分岐で１００％スピン偏極した電子を分離するための条件は、
tanφSG＞Ｗ／Ｌ
である。例えば、Ｌ＝２μｍとすると、Ｗを１μｍ以下に充分細くすることは可能であり、一例として、φSG＝２２ｄｅｇであればＷ＝０．８μｍで上の条件は満たさせる。
【００５６】
尚、スピン検出手段の構成は、上述したＹ型の分岐に限定されるものではなく、分離したスピン状態を図３のｙ軸方向に沿って測定することができるものであれば如何なる構成であってもよい。また、ゲート絶縁層１２は、必ずしも絶縁体である必要はなく、半導体であってもよいものである。
【実施例２】
【００５７】
図４は、本発明の１実施例に係るスピンフィルタ２０をｚ軸方向から見た概略図である。上述したスピンフィルタ１０は、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、スピン軌道相互作用に空間的な勾配を持たせていたが、スピンフィルタ２０は、ｙ軸方向に複数の異なるゲート電圧を有するゲート電極２１ｉ（ｉ＝ａ，ｂ，…，ｎ；図４においては３つ）を備えることにより、スピン軌道相互作用に空間的な勾配を持たせるようにしたものである。それ以外の構成については、スピンフィルタ１０と同様である。尚、本実施例以降においては、実施例１と異なる構成及び機能のみ説明し、その他の構成及び機能に関しては同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【実施例３】
【００５８】
図５は、本発明の１実施例に係るスピンフィルタ３０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ３０は、スピンフィルタ１０又は２０の二次元電子ガスチャネル１４にアンチ・ドットや人工的な不純物を導入し、キャリアである電子スピンの伝搬をドリフト速度に減速し、スピンの緩和長を長く保つようにしたものである。
【００５９】
ここで、半導体チャネル２にアンチ・ドットや人工的な不純物を導入する意義について説明する。
【００６０】
一般的に、スピン軌道相互作用の強い系ではスピン緩和によりスピンの情報が長距離に渡って保持されないことが予言されている。しかしながら、最近のＭｏｎｔｅ  Ｃａｒｌｏシミュレーションの手法をもちいた、Ｒａｓｈｂａのスピン軌道相互作用のある２次元電子ガス系でスピンの緩和時間の計算によれば、アンチ・ドットなど人工的な弾性散乱体を導入することにより、電子の運動量緩和時間の１０００倍以上までスピン緩和時間が長くなることが示されている。この結果は、スピン緩和機構がＤ’ｙａｋｏｎｏｖ−Ｐｅｒｅｌ’機構に起因する場合、散乱によりスピンの歳差運動が抑えられ、緩和時間が長くなることに起因する。ＩｎＧａＡｓ系二次元電子ガスにおいては、スピン緩和にＤ’ｙａｋｏｎｏｖ−Ｐｅｒｅｌ’機構が重要な役割を果たしていることを確認しており、チャネルに、人工的なアンチ・ドットや不純物散乱体を導入することによりスピン緩和を長くすることが可能となる（T. Koga, J.Nitta, T.Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett.89,46801(2002)を参照）。
【００６１】
この場合、散乱体により電子スピンは、ドリフト速度ｖdで非一様スピン軌道相互作用領域を伝搬することになる。すると非一様スピン軌道相互作用領域における滞在時間Δtが長くなり、大きな偏向角度φSGを得ることができる。電子スピンが、ドリフト速度ｖdで伝搬する際、非一様スピン軌道相互作用領域で受ける力は、式（９）より
【数１１】
2006032569.tif 000013
【００６２】
となるが、有効的なｘ軸方向の運動量も〈ｐx〉＝ｍ*ｖdとなり、偏向角度は次式で与えられる。
【数１２】
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【００６３】
式（１２）は、式（１０）のフェルミ速度ｖFがドリフト速度ｖdで置き換わったことになっており、チャネルを拡散的な系にすることにより、非一様スピン軌道相互作用領域における滞在時間Δtが長くなり、大きな偏向角度φSGを得るには、都合が良いことを示している。ちなみ、不純物散乱により電子移動度μが、μ＝１０，０００ｃｍ2／Ｖｓ、ｘ方向に電子を加速するための電界Ｅ＝１／ｃｍを印加したとするドリフト速度ｖd＝１００ｍ／ｓｅｃとなり、Δα（ｙ）＝５×１０-13［ｅＶｍ］、Ｌ＝１μｍとしても大きな偏向角度φSG＝８２．５ｄｅｇが得られる。
【実施例４】
【００６４】
図６は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ４０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ４０は、スピンフィルタ１０、２０又は３０の出力側の端子Ｔ１及びＴ２に磁性体電極を用いたもので、各磁性体電極のスピンを逆向きにすることにより、一方の端子のみにキャリアが流れるようにしたものである。例えば、図６においては、端子Ｔ１にのみ電流が流れるが、端子Ｔ２には電流は流れない。しかし、各磁性体電極に磁場を印加して、それぞれのスピンの向きを反転させると、今度は、端子Ｔ２に電流が流れ、端子Ｔ１には電流は流れない。
【００６５】
このように、スピンフィルタ４０においては、出力側の磁性体電極を制御することで、端子間の電流を制御することが可能となっている。
【実施例５】
【００６６】
図７は、本発明の一実施例に係るスピンフィルタ５０をｚ軸方向から見た概略図である。スピンフィルタ５０は、スピンフィルタ１０、２０又は３０の入力側の端子Ｔ０に磁性体電極を用いたもので、端子Ｔ０から注入されたキャリアのスピンの向きにより出力側の端子Ｔ１又はＴ２のいずれか一方の端子のみにキャリアが流れるようにしたものである。例えば、図７においては、端子Ｔ１にのみ電流が流れるが、端子Ｔ２には電流は流れない。しかし、磁性体電極に磁場を印加して、スピンの向きを反転させると、今度は、端子Ｔ２に電流が流れ、端子Ｔ１には電流は流れない。
【００６７】
このように、スピンフィルタ５０においては、入力側の磁性体電極を制御することで、端子間の電流を制御することが可能となっている。
【００６８】
以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施例に対して種々の変形や変更を施すことができる。例えば、上記実施例においては、ｙ軸方向に厚さの異なったゲート絶縁層１２を挿入することにより、又は、ｙ軸方向に複数の異なるゲート電圧を有するゲート電極２１ｉを備えることにより、ゲート電極１１の下にある二次元電子ガスチャネル１４のスピン軌道相互作用はｙ軸方向に空間的に勾配を生じるが、スピン軌道相互作用の空間的勾配を生成する方法はこれに限定されず、他の方法であってもよい。例えば、二次元電子ガスチャネル１４のｙ軸方向の厚さを不均一にして、スピン軌道相互作用の空間的勾配を生成してもよいものである。
【００６９】
従って、本発明の実施の形態によれば、半導体チャネルのスピン軌道相互作用をゲート電圧により制御可能であるので、スピン軌道相互作用の空間的勾配を利用して、ＳＧ効果を半導体中で実現することができる。
【００７０】
この結果、磁場や磁性体を一切用いることなく、半導体中を伝搬するキャリアの異なるスピン状態を分離するのに充分なスピンの偏向角度を得ることができる。
【００７１】
また、半導体チャネルに弾性散乱体を導入することにより、スピンの緩和を充分に長くすることができるので、室温においても動作可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】半導体チャネルのスピン軌道相互作用とキャリア濃度（ゲート電圧）の関係を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスピンフィルタの機能構成を示すブロック図である。
【図３】図１のスピンフィルタの具体的な実施例１を示す図である。
【図４】図１のスピンフィルタの具体的な実施例２を示す図である。
【図５】図１のスピンフィルタの具体的な実施例３を示す図である。
【図６】図１のスピンフィルタの具体的な実施例４を示す図である。
【図７】図１のスピンフィルタの具体的な実施例５を示す図である。
【図８】Stern-Gerlachの実験を概念的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００７３】
１，１０，２０，３０，４０，５０…スピンフィルタ
２…半導体チャネル
３…ゲート電圧印加部
４…スピン軌道相互作用空間勾配生成部
１１，２１ｉ…ゲート電極
１２…ゲート絶縁層
１４…二次元電子ガスチャネル
【図１】
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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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【図７】
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【図８】
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