(57)【要約】【課題】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。【解決手段】スピン−軌道相互作用を利用したスピン選択性のある第１導電型のキャリア注入源（５、７、１１、１５、１７、２１）と、キャリア注入源から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを取り出すキャリア選択層とを有し、キャリア選択層は、キャリア注入源（５、７、１１、１５、１７、２１）から、外側の一定方向に延在する複数の第１障壁３１ａと、複数の第１障壁３１ａ間に画定される第１のキャリアガイド部３ａとを有する。【選択図】  図２
2004165426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のスピン選択性のあるキャリア注入源と、
該キャリア注入源から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを取り出すキャリア選択層と
を有するスピンフィルター装置。
【請求項２】
前記キャリア選択層は、
前記キャリア注入源から、外側の一定方向に延在する複数の第１障壁と、
該複数の第１障壁間に画定される第１のキャリアガイド部と
を有していることを特徴とする請求項１に記載のスピンフィルター装置。
【請求項３】
前記キャリア選択層は、さらに、前記第１のキャリアガイド部と異なる方向に延在する複数の第２障壁と、
該複数の第２障壁間に画定される第２のキャリアガイド部と
を有していることを特徴とする請求項２に記載のスピンフィルター。
【請求項４】
さらに、前記キャリア注入源又は前記キャリア選択層に接して形成され、前記キャリア注入源より注入されたキャリアのうち、前記キャリア選択層を通過できなかったキャリアを取り除くための電極を有する請求項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。
【請求項５】
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うち少なくとも一方のバンド端のエネルギーが変化する第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うち少なくとも一方のバンド端のエネルギーが変化する第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と、
前記第３障壁層に接して形成されたエミッタ層と、
前記第１障壁層に接して形成されたコレクタ層であって、前記エミッタ層から前記三重障壁構造を通過したキャリアを受け入れる第１のコレクタ層と、該第１のコレクタ層に隣接して形成され、前記三重障壁構造を通過したキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを取り出す第２のコレクタ層と
を有するスピンフィルター装置。
【請求項６】
第２のコレクタ層は、
前記三重障壁構造と前記第１のコレクタ層との界面から、外側の一定方向に延在する複数の第１障壁と、
該複数の第１障壁間に画定される第１のキャリアガイド部と
を有していることを特徴とする請求項５に記載のスピンフィルター装置。
【請求項７】
前記第２のコレクタ層は、
さらに、前記第１のキャリアガイド部と平行かつ反対方向に延在する複数の第２障壁と、
該複数の第２障壁間に画定される第２のキャリアガイド部と
を有していることを特徴とする請求項６に記載のスピンフィルター装置。
【請求項８】
さらに、第１のコレクタ層に接して前記三重障壁構造の反対側に設けられた第３のコレクタ層と、
該第３のコレクタ層に形成され、前記第１又は第２のキャリアガイド部のうち少なくとも一方においてエネルギーを失ったキャリアを引き抜くコレクタ電極とを有することを特徴とする請求項５から７までのいずれか１項に記載のスピンフィルター装置。
【請求項９】
前記第１又は第２のキャリアガイド部の先の前記第２のコレクタ層に、前記第１又は第２のキャリアガイド部のうち少なくとも一方においてエネルギーを失ったキャリアと、エネルギーを失わなかったキャリアとを分離するエネルギー障壁が設けられていることを特徴とする請求項５から８までのいずれか１項に記載のスピンフィルター装置。
【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キャリアを選別し、ある特定のスピンを持ったキャリアのみを抽出するのに適したスピンフィルター装置に関し、特に、半導体中の電子又は正孔のうち特定のスピンを持ったもの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取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いかにしてフィルタリングする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。磁性体金属から半導体２次元電子ガスへのスピン偏極した電子の注入は、半導体上に形成された強磁性金属電極に電圧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が流れる。スピン偏極の度合いに応じて電流又は電圧が変化する現象を電子デバイスに利用することができる。
【０００４】
さらに、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））。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。
スピンフィルタリング効率＝｜Ｉ＋−Ｉ−｜／｜Ｉ＋＋Ｉ−｜      （１）
【０００５】
ここで、Ｉ＋、Ｉ−、は、それぞれ、第１、第２スピン状態にある電子による電流である。尚、第１、第２スピン状態は、図７（Ｂ）において後述する時計回りスピン状態と反時計回りスピン状態で例示することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記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ていなかった。そこで、第１から第３までの障壁層と、第１障壁層と第２障壁層との間と、第２障壁層と第３障壁層との間に第１及び第２の井戸層をそれぞれ設けた半導体三重障壁構造が提唱されている。このような半導体三重障壁構造を用いた半導体スピンフィルターを用いると、スピンフィルタリング効率が１００％に近くなる、従って、ほぼ１００％の効率で、２種類のスピン状態のうちの１つの状態に属する電子を選択的に得ることができる（Ｔ．Ｋｏｇａ，  Ｊ．Ｎｉｔｔａ，  Ｈ．Ｔａｋａｙａｎａｇｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｄａｔｔａ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ  ８８，１２６６０１  （２００２）．）。
【０００７】
図７は、半導体三重障壁構造を用いた半導体スピン注入源の構造を示す斜視図である。図７に示すように、半導体スピン注入源（スピンフィルター装置）Ａは、半導体基板１０１上に、ｎ型不純物がドーピングされたコレクタ層１０３と、島状に加工された半導体積層構造であって、ｎ型第１障壁層１０５と、第１井戸層１０７と、ｐ型第２障壁層１１１と、第２井戸層１１５と、ｎ型第３障壁層１１７と、ｎ型エミッタ層１２１と、の半導体積層構造とを有している。ｎ型コレクタ層１０３に対してコレクタ電極１２５が、ｎ型エミッタ層に対してエミッタ電極１２３が形成されている。
【０００８】
図７に示す構造において、スピンフィルター効率が最大になるようなエミッタ−コレクタ電圧を印加すると、第１又は第２のスピン状態に属する電子のうちのマジョリティースピンを持った電子流が、ヘテロ界面とある一定の入射角を保ちながらホットエレクトロンとしてコレクタ層１０３に注入される。より詳細には、ｎ型第１障壁層１０５とｎ型コレクタ層１０３との界面からコレクタ層１０３内に注入された電子であって、符号１３１で示される円錐面上に沿ってコレクタ層１０３に注入される。これらの円錐面上に沿って注入された電子のスピン状態は、円錐の切断面において、図７（Ｂ）に示すようになっている。
【０００９】
つまり、これらのスピン状態の量子化軸は、個々の電子（キャリア）毎に波動ベクトルの面内成分（ヘテロ接合界面に平行な方向の成分）の方向を基準に決められるため、スピンフィルターによって取り出された電子流が全体としてある特定の方向にスピン偏極しているというわけでない。
従って、半導体三重障壁構造を用いた半導体スピンフィルター装置において、スピンダウン電子とスピンアップ電子とを完全に切り分けて選択的に取り出すことが難しかった。
本発明は、高いスピン偏極率を得るとともに、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ことができるスピンフィルター装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、特定のスピン選択性のあるキャリア注入源と、該キャリア注入源から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを取り出すキャリア選択層とを有するスピンフィルター装置が提供される。キャリア注入源としては、例えば、スピン−軌道相互作用の働く向きがデバイス構造中に存在する２つの量子井戸間で反対になる３重障壁スピンフィルターを用いても良い。
【００１１】
上記スピンフィルター装置では、キャリア注入源から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを取り出すことができる。
前記キャリア選択層は、前記キャリア注入源から、外側の一定方向に延在する複数の第１障壁と、該複数の第１障壁間に画定される第１のキャリアガイド部とを有しているのが好ましい。
上記スピンフィルター装置では、キャリア注入源から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを複数の第１障壁に沿う方向に取り出すことができる。
【００１２】
前記キャリア選択層は、さらに、前記第１のキャリアガイド部と異なる方向に延在する複数の第２障壁と、該複数の第２障壁間に画定される第２のキャリアガイド部とを有しているのが好ましい。
【００１３】
上記スピンフィルター装置では、キャリア注入源から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを、第１のキャリアガイド部と平行かつ反対の方向である複数の第２障壁に沿う方向に取り出すことができる。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、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うち少なくとも一方のバンド端のエネルギーが変化する第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うち少なくとも一方のバンド端のエネルギーが変化する第２井戸層と、を含み、前記第１井戸層と前記第２井戸層とでキャリアのスピン−軌道相互作用の働く向きが反対になる三重障壁構造と、前記第３障壁層に（直接又は間接的に）接して形成されたエミッタ層と、前記第１障壁層に（直接又は間接的に）接して形成されたコレクタ層であって、前記エミッタ層から前記三重障壁構造を通過したキャリアを受け入れる第１のコレクタ層と、該第１のコレクタ層に隣接して形成され、前記三重障壁構造を通過したキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを取り出す第２のコレクタ層とを有するスピンフィルター装置が提供される。尚、バンド端のエネルギーはフェルミ面を基準として計られ、ここで言う価電子帯はスピン・スプリット・オフ帯（スピン軌道分離帯）を含む。
【００１５】
スピン−軌道相互作用の働く向きが反対になる三重障壁構造を実現するには、不純物ドーピング或いは組成変調によるバンドエンジニアリングにより、伝導帯又は価電子帯のバンド端のエネルギーを変化させる等の方法があり、上記スピンフィルター装置によれば、三重障壁構造から注入されたキャリアのうち特定の方向にスピン偏極したキャリアのみを選択的に取り出すことができる。
【００１６】
第２のコレクタ層は、前記三重障壁構造と前記第１のコレクタ層との界面から、外側の一定方向に延在する複数の第１障壁と、該複数の第１障壁間に画定される第１のキャリアガイド部とを有しているのが好ましく、前記第２のコレクタ層は、さらに、前記第１のキャリアガイド部と平行かつ反対方向に延在する複数の第２障壁と、該複数の第２障壁間に画定される第２のキャリアガイド部とを有しているのが好ましい。
【００１７】
さらに、前記第１のコレクタ層に接して前記三重障壁構造の反対側に設けられた第３のコレクタ層と、該第３のコレクタ層に形成され、前記第１又は第２のキャリアガイド部のうち少なくとも一方においてエネルギーを失ったキャリアを引き抜くコレクタ電極とを有しているのが好ましい。
【００１８】
また、前記第１又は第２のキャリアガイド部の先の前記第２のコレクタ層に、前記第１又は第２のキャリアガイド部のうち少なくとも一方においてエネルギーを失ったキャリアと、エネルギーを失わなかったキャリアとを分離するエネルギー障壁が設けられているのが好ましい。
前記第１又は第２のキャリアガイド部のうち少なくとも一方においてエネルギーを失ったキャリアはエネルギー障壁を越えられず、ホットキャリアのみがエネルギー障壁を越えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本明細書において、特定のスピン選択性のあるキャリア注入源とは、例えばスピン−軌道相互作用を利用したスピンフィルターなどを指す。
発明者は、ある特定の方向にスピン偏極した電子流のみを選択的に取り出すことができるデバイス構造を思いついた。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１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斜視図である。図２（Ａ）は、図１の側断面図であり、図２（Ｂ）は、図１のヘテロ界面に沿って切った断面図である。図３は、図１の半導体スピン注入源のエネルギーバンド構造の例を示す図である。
【００２０】
図１から図３までに示すように、本実施の形態による半導体スピンフィルター装置Ｂは、ＩｎＰ半導体基板（図示せず）上に、ｎ型不純物がドーピングされたコレクタ層３と、島状に加工された三重障壁構造と、ｎ型エミッタ層２１と、の半導体積層構造とを有している。ｎ型コレクタ層３に対してコレクタ電極２５ａ、ｂが、ｎ型エミッタ層に対してエミッタ電極２３が形成されている。
【００２１】
より詳細には、例えばＩｎＰ基板（図示せず）上に順に形成された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ＩｎＰ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、エミッタ層２１から第１障壁層５までは、島状の領域として積層構造を形成している。
【００２２】
コレクタ層３は、島状の領域として形成された三重障壁構造の直下の領域である第１のコレクタ層３ｃと、第１のコレクタ層３ｃの側部に形成された第２のコレクタ層３ａ・３ｂと、第１のコレクタ層３ｃ、第２のコレクタ層３ａ・３ｂの下方（基板側）に形成された第３のコレクタ層３ｄとに大別される。尚、第１、第２のガイド部３１ａ・３１ｂは第２のコレクタ層３ａ・３ｂに含まれる。
【００２３】
エミッタ層２１に対してエミッタ電極２３が、第２のコレクタ層３ａ・３ｂに対して、それぞれ互いに分離された第１のコレクタ電極２５ａと第２のコレクタ電極２５ｂとが、第３のコレクタ層３ｄに対して第３のコレクタ電極２５ｃが形成されている。
【００２４】
第２のコレクタ層３ａ・３ｂ中には、例えば第１障壁層５からコレクタ層３中の上記積層構造領域下のコレクタ層３ｃに注入されたホットエレクトロンを、第１のコレクタ電極２５ａ側又は第２のコレクタ電極２５ｂ側のいずれか一方に導くための第１の電子誘導部３ａ’又は第２の電子誘導部３ｂ’を画定する第１のガイド部３１ａ及び第２のガイド部３１ｂが多数形成されている。これらの第１のガイド部３１ａ及び第２のガイド部３１ｂのうち隣接するガイド部間に、第１の電子誘導部３ａ’又は第２の電子誘導部３ｂ’が形成されている。
【００２５】
第１のガイド部３１ａ及び第２のガイド部３１ｂは、例えば半導体微細加工技術を用いてコレクタ層３（第２のコレクタ層３ａ・３ｂ）内に形成された微小な絶縁体平板構造であり、例えば、それぞれの平板のサイズは、幅Ｗが２μｍ（電子の平均自由行程と同程度かそれ以下）、厚さｔが０．０５μｍから１μｍである。また、平板と平板の間隔（第１、第２電子誘導部の幅ｔ’）は、０．２μｍ程度と電子の平均自由行程に比べて十分小さい（電子の平均自由行程の１０分の１程度が望ましい）。第１のガイド部３１ａ及び第２のガイド部３１ｂの高さは、コレクタ層３（第２のコレクタ層３ａ・３ｂ）の厚み（高さ）に等しいか電子の平均自由行程と同程度かそれ以上の長さがある。第１のガイド部３１ａ及び第２のガイド部３１ｂは、例えば、電子線リソグラフィー技術とドライエッチング技術とを利用して第２のコレクタ層３ａ・３ｂに溝部を形成し、この溝部内に例えばｉ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ障壁層を選択的に成長させるか、或いは、ＳｉＯ２などの絶縁膜を埋め込むなどの方法により形成する。或いは、溝部中には何も充填せずに空のままでも良い。
【００２６】
図３に示すように三重障壁スピンフィルターのエネルギーバンド図によれば、エミッタ層２１とコレクタ層３との間に三重障壁構造が形成され、第１井戸層７と第２井戸層１５に、ある与えられた電子（キャリア）についてのスピン時計周り状態の準位ＥＣＷとスピン反時計周り状態の準位ＥＣＣＷとが、それぞれ形成されるが、ＥＣＷとＥＣＣＷとのエネルギー的な位置関係が第１井戸層７と第２井戸層１５との間で逆になる。
【００２７】
図４は、図３に示すエネルギーバンド構造を有する半導体スピンフィルター構造における三重障壁構造を通過した電流に基づく電気的特性の計算例を示す図である。この特性は、スピンに依存する電子の障壁透過確率を全てのモード（ｋｘ、ｋｙ）について加算することにより得られるスピンに依存するトンネル電流の値を、相対的なエミッターコレクタ電圧ＶＥＣの値の関数としてプロットしたものである（Ｔ．Ｋｏｇａ，  Ｊ．  Ｎｉｔｔａ，  Ｈ．  Ｔａｋａｙａｎａｇｉ，  ａｎｄ  Ｓ．  Ｄａｔｔａ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ８８，  １２６６０１  （２００２）．）。図４に示すように、エミッタ層２１（図３）とコレクタ層３（図３）との電位ＶＣＥを変化させると、スピン時計周り状態の電子とスピン反時計周り状態の電子を選択的に取り出すことができる。
【００２８】
第１の電子障壁層５からその直下の第１コレクタ層３ｃに注入されたホットエレクトロンは、隣接する第１のガイド部３１ａ間又は第２のガイド部３１ｂ間の第１の電子誘導部３ａ’又は第２の電子誘導部３ｂ’を通過し、第１のコレクタ電極２５ａ又は第２のコレクタ電極２５ｂのいずれか一方に到達する。例えば、第１のコレクタ電極２５ａにダウンスピンを有するホットエレクトロン３７が到達し、第２のコレクタ電極２５ｂにアップスピンを有するホットエレクトロン４１が到達する。第１のガイド部３１ａ又は第２のガイド部３１ｂのいずれかに平行な向きの運動量を有するホットエレクトロンは、第１のガイド部３１ａ又は第２のガイド部３１ｂのいずれにも衝突せずに（エネルギーを失わずに）、第１のガイド部３１ａ間又は第２のガイド部３１ｂ間を弾道的（バリスティック）に通過し、第１又は第２のコレクタ電極２５ａ、２５ｂに到達する（図５（Ｂ）参照）。
【００２９】
第１のガイド部３１ａ又は第２のガイド部３１ｂのいずれかに平行な向きの運動量を有するホットエレクトロン以外のホットエレクトロンは、第１のガイド部３１ａ又は第２のガイド部３１ｂとの衝突を繰り返し、エネルギーを失って、半導体格子内の電子と熱平衡状態にある冷たい電子に緩和する。この冷たい電子は、第１又は第２のコレクタ電極２５ａ又は２５ｂには到達しないようにする。
【００３０】
図５（Ａ）、（Ｂ）により具体的なデバイス構造を示す。例えば、図５（Ａ）の断面図及び図５（Ｂ）のエネルギーバンド図に示すように、図１及び図２（Ａ）、（Ｂ）に示す構造において、第３のコレクタ層３ｄの三重障壁構造とは反対側に第３のコレクタ電極２５ｃを形成しておく。加えて、第２のコレクタ層３ａ・３ｂ中に形成された第１のガイド部３１ａの第１のコレクタ電極２５ａ側の先端部と第１のコレクタ電極２５ａとの間と、第２のガイド部３１ｂの第２のコレクタ電極２５ｂ側の先端部と第２のコレクタ電極２５ｂとの間に、あるエネルギー障壁高さを有するエネルギー障壁層２６ａ・２６ｂを設ける。図５（Ａ）、（Ｂ）では、エネルギー障壁層２６ａ・２６ｂは、第１のコレクタ電極２５ａ、第２のコレクタ電極２５ｂとそれぞれ接触している。エネルギー障壁層２６ａ・２６ｂの厚みは、理想的には数ｎｍと非常に薄いものだが、その値に限定しない。
【００３１】
上記構造において、エミッタ電極２３と第３のコレクタ電極２５ｃとの間に電圧を印加すると、三重障壁構造からホットエレクトロンが第１のコレクタ層３ｃ中に注入される。
【００３２】
図５（Ｂ）に示されるように、第１のガイド層３ａ又は第２のガイド層３ｂ中において例えば障壁層ガイド層３１ａ、３１ｂと衝突してエネルギーを失った冷たい電子ＣＥは、エネルギー障壁層２６ａ・２６ｂを越えられず、第３のコレクタ電極２５ｃにより引き抜かれる。第１のガイド層３ａ又は第２のガイド層３ｂ中においてエネルギーをほとんど失わなかった熱い電子（ホットエレクトロン）ＨＥは、エネルギー障壁層２６ａ・２６ｂを越え、第１のコレクタ電極２５ａ又は第２のコレクタ電極２５ｂにより引き抜かれる。
【００３３】
冷たい電子ＣＥは、第１のコレクタ電極２５ａ又は第２のコレクタ電極２５ｂのいずれにも到達しないが、ホットエレクトロンＨＥは第１のコレクタ電極２５ａ又は第２のコレクタ電極２５ｂのいずれかに到達することができるようにエネルギー障壁層２６ａ・２６ｂの障壁の高さを決めることにより、高速のホットエレクトロンＨＥのみを第１のコレクタ電極２５ａ又は第２のコレクタ電極２５ｂに選択的に集めることができる。
【００３４】
また、第１、第２のコレクタ電極２５ａ、２５ｂを設ける代わりに、コレクタ側のスピン偏極選択フィルターと第１、第２のコレクタ電極２５ａ、２５ｂの間に偏極スピンを利用するデバイス構造を作っておけば、偏極スピンの影響により特性が変化するデバイス、スピン偏極した電子を必要とするデバイス応用に利用できる。
【００３５】
尚、第３のコレクタ電極２５ｃにより、冷たい電子のみを選択的に引き抜くことにより、冷たい電子がコレクタ層中に蓄積されてしまうという問題点を解決することができる。
例えば、時計周りのスピン状態にある電子が三重障壁スピンフィルターを通過するようにエミッタ−コレクタ電圧ＶＣＥを印加すると、三重障壁構造から時計周りのスピン状態にある電子がホットエレクトロンとしてコレクタ層３内に注入され、反時計周りのスピン状態にある電子が三重障壁スピンフィルターを通過するようにエミッタ−コレクタ電圧ＶＣＥを印加すると、三重障壁構造から反時計周りのスピン状態にある電子がホットエレクトロンとしてコレクタ層３内に注入される。さらに、コレクタ層内に設けられた上記実施の形態によるコレクタ側スピン偏極選択フィルター構造を併用すれば、ある特定の方向へのスピン偏極率が非常に高い電流を取り出すことができる。例えば、図７（Ａ）に示す半導体三重障壁構造を用いた半導体スピンフィルター装置にコレクタ側スピン偏極選択フィルター構造を適用すると、図４に示す時計回りスピンによる電流ＩＥＣがピークを持つ電圧ＶＥＣ（スピンフィルタリング効率が最大となる電圧：図４では約−７Ｖ）を印加することで図７（Ｂ）のａに示すように時計周りスピン状態が得られ、図４に示す反時計回りスピンによる電流ＩＥＣがピークを持つ電圧ＶＥＣ（スピンフィルタリング効率が最大となる電圧：図４では約５Ｖ）を印加することで図７（Ｂ）のｂに示すように反時計回りスピン状態が得られる。すなわち、図７（Ａ）の装置にコレクタ側スピン偏極選択フィルター構造を適用することにより、２つのスピン状態ａ，ｂのいずれかを選択的に抽出できる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本発明の第１の実施の形態によるスピンフィルター装置は、スピン偏極したホットエレクトロンを利用するデバイスに応用することができる。図６を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態によるデバイスについて説明する。図６は、第１の実施の形態の図２に対応する図である。図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本実施の形態によるデバイスでは、第１の電子誘導部３ａ’と第１のコレクタ電極２５ａとの間に領域Ｒ１が画定され、第２の電子誘導部３ｂ’と第２のコレクタ電極２５ｂとの間に領域Ｒ２が画定されている。領域Ｒ１又は領域Ｒ２の少なくとも一方に、スピン偏極したホットエレクトロンを利用するデバイス構造が形成されている。より具体的には、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ホットエレクトロン３７、４１の通り道（パス）に、例えば量子ドットＱＤを形成しておく。量子ドットＱＤにトラップされた電子（キャリア）或いは量子ドットＱＤ内に形成された量子準位と、量子ドットＱＤに衝突するホットエレクトロン３７、４１とがスピンに依存する相互作用を起こす。この現象を利用して、例えば、第１のコレクタ電極２５ａと第２のコレクタ電極２５ｂとを、上記パス毎に分離しておき、分離されたそれぞれのコレクタ電極に到達する電子の数（電流値）を計測することにより、個々の量子ドットＱＤのスピン状態を読み出す、スピン情報読み取りデバイスを実現することができる。或いは、量子ドットに特定の波長の光を照射するか、上述の量子ドットＱＤとスピン偏極したホットエレクトロンが相互作用する際に発生するフォトンやフォノンのスペクトラムを測定することにより、個々の量子ドットＱＤのスピン状態を読み出すことも可能である。
【００３７】
このような、量子ドットのスピン状態読み取りデバイスは、スピンの重ね合わせ状態を利用した量子コンピュータ実現のために必要不可欠な技術である。また、上述の量子ドットのスピン状態読み取りデバイスと同様の原理を利用することにより、量子ドットへのスピン情報書き込みデバイスへの応用も可能である。
【００３８】
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、キャリアには、電子のみでなく正孔も含まれる。
【００３９】
また、本実施の形態では、キャリア注入源から、外側の一定方向に延在する複数の第１障壁と、複数の第１障壁間に画定される第１のキャリアガイド部とを有するとともに、第１のキャリアガイド部と異なる方向に延在する複数の第２障壁と、複数の第２障壁間に画定される第２のキャリアガイド部とを有するスピンフィルターを例にしたが、キャリアのガイド方向は任意であり、また、１方向以上であれば３以上の方向にキャリアをガイドしても良く、このような装置も本発明の範疇に入ることは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の半導体スピンフィルター装置によれば、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ことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、図１の側断面図であり、図２（Ｂ）は、図１のヘテロ界面に沿って切った断面図である。
【図３】図３は、図１の半導体スピンフィルター装置で使用した半導体スピン注入源（半導体三重障壁スピンフィルター）のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図４】図３に示すエネルギーバンド構造を有する半導体スピンフィルター構造における三重障壁構造を通過したスピンに依存した電流の電流−電圧特性の計算例を示す図である。
【図５】本実施の形態による半導体スピンフィルター装置を利用した装置の断面図（図５（Ａ））と、そのエネルギーバンド図（図５（Ｂ））である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第２の実施の形態によるデバイス構造を示す図である。
【図７】図７（Ａ）は、半導体三重障壁構造を用いた半導体スピンフィルター装置の構造を示す斜視図であり、図７（Ｂ）はスピンフィルタリング効率が最大となる電圧で図７（Ａ）に示す装置を動作させたときの透過した電子のスピン状態を示す概念的な図であり、図７（Ａ）の装置で２つのスピン状態ａ，ｂのいずれかを抽出できることを示している。
【符号の説明】
３…コレクタ層、３ａ’…第１の電子誘導部、３ｂ’…第２の電子誘導部、３ｃ…積層構造領域下のコレクタ層、５…第１障壁層、７…第１井戸層、１１…第２障壁層、１５…第２井戸層、１７…第３障壁層、２１…エミッタ層、２３…エミッタ電極、２５ａ…第１のコレクタ電極、２５ｂ…第２のコレクタ電極、３１ａ…第１のガイド部、３１ｂ…第２のガイド部。
【図１】
2004165426.tif 000003
【図２】
2004165426.tif 000004
【図３】
2004165426.tif 000005
【図４】
2004165426.tif 000006
【図５】
2004165426.tif 000007
【図６】
2004165426.tif 000008
【図７】
2004165426.tif 000009