(57)【要約】【課題】高いスピン偏極率を得ることができるスピンフィルターを提供する。【解決手段】ＩｎＰ基板６１と、その上に形成され、ｎ型エミッタ層６３と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層６５と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓ第１井戸層であって、ｘの値が、０から０．５まで変調させた第１井戸層６７と、ｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層７１と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓ第２井戸層であって、ｘの値は、０．５から０まで変調させた第２井戸層７５と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層７７と、ｎ型コレクタ層８１とを含む。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１障壁層と、第２障壁層と、第３障壁層と、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に形成された第１井戸層であって、前記第１障壁層から前記第２障壁層に向けて価電子帯又は伝導帯のバンド端のエネルギーを組成変調により変化させた第１井戸層と、前記第２障壁層と前記第３障壁層との間に形成された第２井戸層であって、前記第２障壁層から前記第３障壁層に向けて価電子帯又は伝導帯のバンド端のエネルギーを組成変調により変化させた第２井戸層と、を含み、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間でキャリアに働くスピン−軌道相互作用の向きが反対になる三重障壁構造を有するスピンフィルターであって、
前記第２障壁層をｎ型或いはｐ型にドープすることによってエンハンスされたスピン−軌道相互作用を有することを特徴とするスピンフィルター。
【請求項２】
ＩｎＰ基板と、
該ＩｎＰ基板上に形成され、ｎ型エミッタ層と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）Ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ＸＡｓ第１井戸層であって、ｘの値を０からｘｍａｘ（０＜ｘｍａｘ≦１）まで変化させた第１井戸層と、ｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）Ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ＸＡｓ第２井戸層であって、ｘの値を、ｘ’ｍａｘ（０＜ｘ’ｍａｘ≦１）から０まで変調させた第２井戸層と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層と、ｎ型コレクタ層と、を含み、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間で第１導電型のキャリアに働くスピン−軌道相互作用の向きが反対になる三重障壁構造と
を有するスピンフィルター。
【請求項３】
ＩｎＰ基板と、
該ＩｎＰ基板上に形成され、ｐ型エミッタ層と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）Ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ＸＡｓ第１井戸層であって、ｘの値を０からｘｍａｘ（０＜ｘｍａｘ≦１）まで変化させた第１井戸層と、ｐ型又はｎ型にドープしたＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）Ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ＸＡｓ第２井戸層であって、ｘの値を、ｘ’ｍａｘ（０＜ｘ’ｍａｘ≦１）から０まで変調させた第２井戸層と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層と、ｐ型コレクタ層と、を含み、前記第１井戸層と前記第２井戸層とで第２導電型のキャリアに働くスピン−軌道相互作用の向きが反対になる三重障壁構造と
を有するスピンフィルター。
【請求項４】
前記第２障壁層にアトミック・プレーナ・ドーピングにより不純物を導入することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のスピンフィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャリアの持つスピンの物性に従って選別し、ある特定のスピンを持ったキャリアを抽出するスピンフィルターに関し、特に、半導体中の電子又は正孔のうち特定のスピンを有するキャリアを選択的に抽出する半導体スピンフィルター装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体デバイスは、キャリアの電荷に関する自由度を利用するものが主であった。最近、キャリアのスピンに関する自由度を利用するデバイス、例えば電子のスピン物性を利用したスピントランジスタ、スピンを用いた半導体量子ビットの情報読みとりデバイスなどへの応用が提案されている。電子のスピンの自由度を利用したデバイスでは、スピン偏極した電子を固体中にいかにしてつくり出すかが重要な要素技術となる。
【０００３】
上記技術に関しては様々な先行文献が存在するが、多くは材料の磁気的性質を利用した技術に関する文献である。例えば、強磁性体金属から半導体２次元電子ガスへのスピン注入に関する技術が、Ｍ．  Ｊｏｈｎｓｏｎ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ．  ５８，  １７９０  （１９９８）に記載されている。図９は一般的な強磁性体金属から半導体２次元ガスへのスピン注入を応用したデバイスの構造を示す図である。図９に示すように、強磁性金属電極１０２から半導体二次元電子気体１０４へのスピン偏極した電子の注入は、半導体１０１上に形成された強磁性金属電極１０２、１０３に電圧１０５を加えることにより生じる。これにより、スピンに依存する電流１０６が流れる。このデバイスは、スピン偏極の度合いに応じて電流または電圧が変化する現象を電子デバイスに利用したデバイスである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術には以下のような問題がある。すなわち、半導体へ注入されたスピン偏極電子は、強磁性金属電極１０２、１０３から漏れ出る磁場や外部から印加された磁場による影響を受けやすい。材料の磁気的性質を利用する場合には、材料の一部がある特定の方向の磁気モーメントを有しているか、材料中の電子の準位をスピンの向きにより分離する（ゼーマン分離）ための外部磁場を印加する必要がある。
【０００５】
さらに、材料の磁気的性質に頼らない方法として電子のスピン−軌道相互作用を利用したスピンフィルターが提案されている。例えば、半導体二重障壁構造を用いた共鳴トンネル・デバイスが提案されている（Ａ．  Ｖｏｓｋｏｂｏｙｎｉｋｏｖ，  Ｓｈｉｕｅ  Ｓｈｉｎ  Ｌｉｕ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｐ．  Ｌｅｅ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ５９，  １２５１４  （１９９９）、Ｔ．  Ｋｏｇａ，  Ｊ．  Ｎｉｔｔａ，  Ｈ．  Ｔａｋａｙａｎａｇｉ  ａｎｄ  Ｓ．  Ｄａｔｔａ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ８８，  １２６６０１  （２００２）．）。電子のスピン−軌道相互作用を利用したスピンフィルターにおける特性を表すスピンフィルタリング効率は、以下の式（１）で表される。
｜Ｉ＋−Ｉ−｜／｜Ｉ＋＋Ｉ−｜            （１）
【０００６】
ここでＩ＋は第一スピン状態にある電子による電流、Ｉ−は第二スピン状態にある電子による電流である。半導体二重障壁構造では、障壁を透過する電子の総量に対するスピンフィルタリング効率が最大でも４０％程度である。このために、一般的な半導体二重障壁構造では、スピンフィルターとしての機能が十分に発揮されないと予測される。
【０００７】
本発明は、高いスピンフィルタリング効率を得ることができるスピンフィルターを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、第１障壁層と、第２障壁層と、第３障壁層と、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に形成された第１井戸層であって、前記第１障壁層から前記第２障壁層に向けて価電子帯又は伝導帯のバンド端のエネルギーを組成変調により変化させた第１井戸層と、前記第２障壁層と前記第３障壁層との間に形成された第２井戸層であって、前記第２障壁層から前記第３障壁層に向けて価電子帯又は伝導帯のバンド端のエネルギーを組成変調により変化させた第２井戸層と、を含み、前記第１井戸層と前記第２井戸層との間でキャリアに働くスピン−軌道相互作用の向きが反対になる三重障壁構造を有するスピンフィルターであって、前記第２障壁層をｎ型或いはｐ型にドープすることによってスピン−軌道相互作用の強さがエンハンスされていることを特徴とするスピンフィルターが提供される。
【０００９】
半導体へテロ構造中のキャリアに働くスピン−軌道相互作用（の大きさ）を操作するためには、電子のフェルミエネルギーを基準にした価電子帯及びスピンスプリットオフ帯（スピン軌道分離帯）のバンド端のエネルギーを空間的に変化させる必要がある。例えば、上記スピンフィルターにおいては、第２の障壁層をｎ型或いはｐ型にドープすることにより、価電子帯及びスピンスプリットオフ帯のバンド端のエネルギーの空間的変化を変化させることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
発明者らは、先の出願において、組成変調を用いた半導体三重障壁構造を提案した。まず、半導体三重障壁構造について、図面を参照しつつ説明する。図１は、組成変調を利用せず不純物ドーピングのみによって形成した半導体スピンフィルターの素子構造の概略的な構造例を示す断面図であり、図２は、図１に示す半導体スピンフィルターのエネルギーバンド図及びスピン分離エネルギーの値を示す図である。
【００１１】
図１に示す半導体スピンフィルターＡは、例えば、ＩｎＰ基板１と、その上に順に形成されｎ型にドーピングされたｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層３と、ｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層５（厚さ６ｎｍ）と、ｉ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ第１井戸層７（厚さ１０ｎｍ）と、ｐ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層１１（厚さ３．５ｎｍ）と、ｉ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ第２井戸層１５（厚さ１０ｎｍ）と、ｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層１７（厚さ６ｎｍ）と、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層２１とを有しており、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層２１からｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層５までは、島状の領域として形成されている。ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層３に対してコレクタ電極２３が、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層２１に対してエミッタ電極２５が形成されている。ここで、ｉ型とは、ノンドープ型のことである。尚、コレクタ層３からエミッタ層２１までの構造は上下が反転した構造であっても良い。ｎ型の不純物ドーピング量ＮＤは、例えば１０１８ｃｍ−３台であり、ｐ型の不純物ドーピング量ＮＡは、例えば１×１０１９ｃｍ−３程度である。また、第１障壁層５、第３障壁層１７に関しては、キャリアの不純物散乱を低減するためにｉ型にし、障壁層の外側（エミッタ側とコレクタ側）に不純物を導入するという方法もある。
【００１２】
図２に示すように、第２障壁層１１（図１）にｐ型の不純物がドーピングされているため、第２障壁層１１における伝導帯端及び価電子帯端のエネルギー値が高くなり、山形のポテンシャルが実現される。スピン分離エネルギー値（ΔＲ）についても、図２の上側に示されている。スピン分離エネルギー値（ΔＲ）は、Ｅｋｚ＝０．２ｅＶ、Ｅｋ‖＝０．１ｅＶの条件を用い、以下に示す（２）式と（３）式とに基づいて計算した。
【００１３】
ΔＲ＝２αｋ‖      （２）
【数１】
2004165438.tif 000003
【００１４】
ここで、ｋ‖は波数の面内方向の成分（ヘテロ界面に平行な成分）、ｈはプランク定数、Ｅｐは、ｋ・ｐインターラクションパラメータ、ｍ０は自由電子の質量、ＥＦは電子のフェルミエネルギー、ＥΓ８，ＥΓ７は、それぞれ、価電子帯、スピンスプリットオフ帯のバンド端のエネルギーである。
【００１５】
図２に示す矢印の長さは、フェルミエネルギーＥＦを基準としたΓ８とΓ７のエネルギー値、すなわち、ＥＦ−ＥΓ８とＥＦ−ＥΓ７との値に対応する。また、（３）式に示されるように、ラシュバのスピン−軌道相互作用係数αは、これらの値の逆数の微分の差として計算されることがわかる。
【００１６】
ドーピングによって実現した３重障壁スピンフィルターにおいては、図２に示すように、ラシュバのスピン分離エネルギーΔＲの値は、±１．５ｍｅＶから±２．５ｍｅＶ程度の比較的大きな値が得られている。尚、Ｉ−Ｖ特性に基づいて得られたスピンアップ電流のピーク値を与えるエミッタ−コレクタ電圧とスピンダウン電流のピーク値を与えるエミッタ−コレクタ電圧との差としては、第１及び第３障壁層のｎ型の不純物ドーピング量ＮＤが、２×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型の不純物ドーピング量ＮＡが、６．８５×１０１８ｃｍ−３の場合において約７ｍＶの値が得られ、ＮＤが４×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型の不純物ドーピング量ＮＡが１．３７×１０１９ｃｍ−３の場合において１２ｍＶ程度の値が得られる（Ｔ．  Ｋｏｇａ，  Ｊ．  Ｎｉｔｔａ，  ａｎｄ  Ｈ．  Ｔａｋａｙａｎａｇｉ，  ”Ｓｐｉｎ−Ｆｉｌｔｅｒ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｒａｓｈｂａ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ８８，  Ｎｏ．  １２，  ２５  Ｍａｒｃｈ  ２００２  ｐｐ．１２６６０１−１−１２６６０１−４．）。
【００１７】
このように、ドーピングにより実現した三重障壁スピンフィルターにおいては、非常に優れたスピン分離特性を示すことが理論的に示されたが、第２の障壁層に高濃度のｐ型不純物を制御性良くドーピングすることは、技術的には容易なことではない。また、高濃度不純物ドーピングのみによるバンドエンジニアリング自体制御性が悪く、かつ、不純物散乱などの影響も受けやすい。
【００１８】
そこで、発明者らは、半導体スピンフィルター装置を組成変調により実現することを考えた。図３に組成変調半導体スピンフィルター装置の構造例を示す模式的な断面図を、図４に、図３の構造に対応するエネルギーバンド図を示す。図３に示す半導体スピンフィルターＢは、例えば、ＩｎＰ基板３１と、その上に順に形成されｎ型にドーピングされたｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層３３と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層３５（厚さ６ｎｍ）と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）Ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ＸＡｓ第１井戸層３７（厚さ１０ｎｍ、ｘの値は、０から０．５までリニアに変調させる）と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層４１（厚さ３．５ｎｍ）と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）Ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ＸＡｓ第２井戸層４５（厚さ１０ｎｍ、ｘの値は、０．５から０までリニアに変調させる。）と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層４７（厚さ６ｎｍ）と、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層５１とを有しており、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層５１からｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層３５までは、島状の領域として形成されている。ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層３３に対してコレクタ電極５３が、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層５１に対してエミッタ電極５５が形成されている。
【００１９】
尚、コレクタ層３３からエミッタ層５１までの構造は上下が反転した構造であっても良い。図１の構造と異なり、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層３５（厚さ６ｎｍ）からｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層４７（厚さ６ｎｍ）までには、不純物がドーピングされていない。その代わりに、第１井戸層３７と第２井戸層４５とでは、ＩｎＰとの格子整合を保ちながら、（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓのｘを変化させることにより組成変調層を形成している。
【００２０】
その結果、図４に示すように、第１井戸層３７と第２井戸層４５とは、伝導帯端のエネルギーＥｃが第２障壁層４１に向けて高くなる。また、図２に示すエネルギーバンド図と異なり組成を傾斜させたため、第１井戸層３７と第２井戸層４５とにおいて、厚さ方向にバンドギャップが変化する。より詳細に説明すると、第２障壁層４１に向けてバンドギャップが次第に大きくなり、フェルミエネルギーＥＦを基準とした伝導帯端のエネルギー値が高くなるとともに、価電子帯端のエネルギー値は低くなる。組成変調の場合には、第２障壁層４１にｐ型の不純物をドーピングしなくても、伝導帯端のエネルギー値が山型のポテンシャル構造になり、３重障壁スピンフィルターをドーピングにより実現した場合と同様の効果が期待できる。
【００２１】
図５に、組成傾斜層を利用して実現した３重障壁スピンフィルターのスピンに依存した電流−電圧特性を示す。図５に示すように、第一スピン状態にある電子による電流のピークに対応する電圧と第二スピン状態にある電子による電流のピークに対応する電圧との差は、１．５ｍＶ程度と前述の第２障壁層にｐ型の不純物をドーピングした構造（約１２ｍＶ）と比較してかなり小さくなっていることがわかる。これは、ラシュバのスピン−軌道相互作用係数αの値が、（３）式に示されるように、ＥＦ−ＥΓ８とＥＦ−ＥΓ７との値の逆数の微分として表されるからである。
【００２２】
以上の検討により、発明者は、スピンフィルターとしての性能を向上させるためには、伝導帯のみでなく価電子帯のエネルギーバンド構造の設計が重要であると考えた。半導体ヘテロ構造に単なる組成傾斜層を形成する構造のみではなく、スピンフィルターとしての性能をさらに向上させる構造を思いついた。すなわち、半導体ヘテロ構造にイオン化されたｎ型の不純物を導入すると、導入された領域のバンド構造が歪み、ポテンシャルエネルギーが低くなる。これを利用して、第２障壁層にｎ型の不純物を導入すればよい。
【００２３】
上記考察に基づき、本発明の一実施の形態による半導体スピンフィルター装置について、図面を参照して説明する。図６は、本実施の形態による半導体スピンフィルター装置の構造を示す断面図である。図７は、図６に示す半導体スピンフィルター装置の構造のエネルギーバンド図である。図６に示すように、本実施の形態による半導体スピンフィルター装置Ｃは、例えば、ＩｎＰ基板６１と、その上に順に形成されｎ型にドーピングされたｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層６３と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層６５（厚さ６ｎｍ）と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓ第１井戸層６７（厚さ１０ｎｍ、ｘの値は、０から０．５までリニアに変調させる。）と、ｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層７１（厚さ３．５ｎｍ）と、ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓ第２井戸層７５（厚さ１０ｎｍ、ｘの値は、０．５から０までリニアに変調させる。）と、ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層７７（厚さ６ｎｍ）と、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層８１とを有しており、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層８１からｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層６５までは、島状の領域として形成されている。ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層６３に対してエミッタ電極８３が、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層８１に対してコレクタ電極８５が形成されている。
【００２４】
上記構造では、第２障壁層７１にｎ型の不純物がドーピングされている。第２障壁層７１にｎ型の不純物をドーピングすると、上述のように導入された部分のバンド構造が変化し、図７にエネルギーバンド図で示す構造になる。すなわち、第２障壁層７１にｎ型の不純物をドーピングすると、図７に示すように第２障壁層７１の部分のポテンシャルエネルギーが下がる。より詳細には、フェルミエネルギーＥＦを基準とした伝導帯端と価電子帯端との両方のバンド端のエネルギーが下がる。その結果、第１及び第２の井戸層における価電子帯端の傾斜が急になり、価電子帯とスピン・スプリット・オフ帯のエネルギー［実際には（３）式の（１／｛ＥＦ−ＥΓ８｝）と（１／｛ＥＦ−ＥΓ７｝）］の微分値が単なる組成変調構造の場合よりも大きくなる。従って、第１及び第２の井戸層内のスピン−軌道相互作用が大きくなった結果、それぞれのΔＲの絶対値も大きくなる。第２障壁層への不純物のドーピングは、原子層ドーピング（アトミック・プレーナ・ドーピング：ＡＰＤ）を用いても良い。
【００２５】
図８に、図６及び図７とに示す構造におけるそれぞれのスピン状態による電流の対電圧特性を示す。前述の図５に示す、第２障壁層がノンドープの場合の第一スピン状態にある電子による電流が最大になる電圧と、第二スピン状態にある電子による電流が最大になる電圧との差が、約１．５ｍｅＶであるのに対して、図８に示すように、第２障壁層にｎ型不純物をドーピングした場合のこれに相当する電圧の差は約１０ｍｅＶであり、分離特性が大幅に向上することがわかる。
【００２６】
以上のように、組成傾斜層でつくられた量子井戸を有する組成変調三重障壁スピンフィルター装置の構造において、組成傾斜層に挟まれた第２障壁層にｎ型不純物をドーピングすることにより価電子帯における組成傾斜層のエネルギー変化の傾きを大きくすることができ、第一スピン状態にある電子による電流が最大になる電圧と、第二スピン状態にある電子による電流が最大になる電圧との差を大きくすることができる。
【００２７】
加えて、組成傾斜層を用いずに第２の障壁層にｐ型不純物を導入する構造（ドーピングにより実現した三重障壁スピンフィルター）と比べて、エネルギーバンド構造の設計が簡単になり、精度の良い構造設計を行うことができるという利点がある。
【００２８】
以上、実施の形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。例えば、三重障壁構造の代わりに多重障壁構造を用いても良い。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による三重障壁スピンフィルターによれば、価電子帯における組成傾斜層のエネルギー変化の傾きを大きくすることができ、第一スピン状態にある電子による電流が最大になる電圧と、第二スピン状態にある電子による電流が最大になる電圧との差を大きくすることができる。
【００３０】
加えて、組成傾斜層を用いずに第２の障壁層にｐ型不純物を導入する構造（ドーピングにより実現した三重障壁スピンフィルター）と比べて、エネルギーバンド構造の設計が簡単になり、精度の良い構造設計を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】組成変調を利用せず不純物ドーピングのみによって形成した半導体スピンフィルター素子の概略的な構造例を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体スピンフィルターのエネルギーバンド図及びスピン分離エネルギーの値を示す図である。
【図３】組成変調半導体スピンフィルター装置の構造例を示す模式的な断面図である。
【図４】図３の構造に対応するエネルギーバンド図及びスピン分離エネルギーの値を示す図である。
【図５】第２障壁層をドープしない場合の組成変調半導体スピンフィルター装置における、第一および第二スピン状態にある電子による電流−電圧特性を示す図である。
【図６】本実施の形態による半導体スピンフィルター装置の構造を示す断面図である。
【図７】図６に示す半導体スピンフィルター装置の構造のエネルギーバンド図及びスピン分離エネルギーの値を示す図である。
【図８】第２障壁層をｎ型にドープした場合の組成変調半導体スピンフィルター装置における、第一および第二スピン状態にある電子による電流−電圧特性を示す図である。
【図９】一般的な強磁性体金属から半導体２次元ガスへのスピン注入を応用したデバイスの構造を示す図である。
【符号の説明】
Ｃ…半導体スピンフィルター装置、６１…ＩｎＰ基板、６３…ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓエミッタ層、６５…ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第１障壁層、６７…ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓ第１井戸層、７１…ｎ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第２障壁層、７５…ｉ型（Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８）ｘ（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７）１−ｘＡｓ第２井戸層、７７…ｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ第３障壁層、８１…ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓコレクタ層、８３…エミッタ電極、８５…コレクタ電極。
【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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【図９】
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