(57)【要約】【課題】半導体中のスピン偏極キャリアの輸送距離を、より長くできるようにする。【解決手段】半導体からなるチャネル層１０１と、スピン偏極キャリア生成部１０２と、表面弾性波発生部１０３と、スピン軌道相互作用調整部１０４とを備える。スピン偏極キャリア生成部１０２は、チャネル層１０１のキャリア生成箇所にスピン偏極キャリアを生成する。表面弾性波発生部１０３は、キャリア生成箇所を通過する表面弾性波１３１をチャネル層１０１の上に発生させる。スピン軌道相互作用調整部１０４は、チャネル層１０１内の伝導帯電子に働く異なる２つのスピン軌道相互作用の大きさを一致させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層のキャリア生成箇所にスピン偏極キャリアを生成するスピン偏極キャリア生成手段と、
前記キャリア生成箇所を通過する表面弾性波を前記チャネル層に発生させる表面弾性波発生手段と、
前記チャネル層内の伝導帯電子に働く異なる２つのスピン軌道相互作用の大きさを一致させるスピン軌道相互作用調整手段と
を少なくとも備えることを特徴とするスピン偏極キャリア輸送装置。
【請求項２】
請求項１記載のスピン偏極キャリア輸送装置において、
前記チャネル層は、主表面を（００１）とされた閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する半導体の基板に形成された量子井戸構造であり、
前記表面弾性波発生手段は、互いに異なる方向に進行して所定の箇所で干渉する第１表面弾性波および第２表面弾性波を前記チャネル層に発生させる第１表面弾性波発生手段および第２表面弾性波発生手段から構成され、
前記第１表面弾性波と前記第２表面弾性波とが干渉して前記チャネル層に生成されるピエゾポテンシャルが進行する領域に前記キャリア生成箇所が配置されている
ことを特徴とするスピン偏極キャリア輸送装置。
【請求項３】
請求項２記載のスピン偏極キャリア輸送装置において、
前記スピン偏極キャリア生成手段は、前記キャリア生成箇所の上に形成されて、磁化された強磁性体からなる電極から構成され、
前記スピン軌道相互作用調整手段は、前記第１表面弾性波発生手段および前記第２表面弾性波発生手段が出力する表面弾性波の振幅を制御する振幅制御手段である
ことを特徴とするスピン偏極キャリア輸送装置。
【請求項４】
請求項２記載のスピン偏極キャリア輸送装置において、
前記スピン偏極キャリア生成手段は、前記キャリア生成箇所に円偏光のレーザー光を照射するレーザー照射手段であり、
前記スピン軌道相互作用調整手段は、前記キャリア生成箇所に電界を印加する電界印加手段である
ことを特徴とするスピン偏極キャリア輸送装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピン偏極キャリア輸送装置において、
前記表面弾性波発生手段は、前記チャネル層の上に形成された櫛形電極から構成されていることを特徴とするスピン偏極キャリア輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体中でスピン偏極キャリアを輸送するスピン偏極キャリア輸送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代の技術として、半導体中のキャリアスピンを用いた半導体スピントロニクスと呼ばれる分野が注目されている。例えば、従来型の半導体に新たにスピン自由度を付加したスピンメモリや量子演算素子など、次世代の素子の創出が期待されている。これらの技術の多くでは、スピンの方向が確率的に一方に偏っている状態であるスピン偏極したキャリアを、半導体内で効率的に輸送させることが重要となる。
【０００３】
半導体中のスピン偏極キャリアを輸送させる技術としては、直流電界による輸送が知られている（非特許文献１参照）。この方法は、キャリアが電荷を有することにより、電界の存在下でローレンツ力と呼ばれる力を受けて運動することを利用したものである。
【０００４】
別の手法としては、半導体量子井戸試料上で表面弾性波を生じさせ、表面弾性波によるピエゾ電界がつくる閉じ込めポテンシャルを用いてスピンを輸送する方法がある。表面弾性波を利用したスピン輸送の実験に関しては、例えば非特許文献２に報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J. M. Kikkawa and D. D. Awschalom, "Lateral drag of spin coherence in gallium arsenide", Nature, vol.397, pp.139-141, 1999.
【非特許文献２】T.Sogawa et al. , "Transport and Lifetime Enhancement of Photoexcited Spins in GaAs by Surface AcousticWaves", Physical Review Letters, vol.87, no.27, 276601, 2001.
【非特許文献３】J.A.H.Stotz et al. , "Spin transport and manipulation by mobile potential dots in GaAs quantum wells", Physica E, vol.32, pp.446-449, 2006.
【非特許文献４】Munekazu Ohno and Kanji Yoh, "Datta-Das-type spin-field-effect transistor in the nonballistic regime", Physical Review B, vol.77, 045323, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、半導体中のスピンを情報の媒体として伝達しようとする場合、より長い距離を輸送（伝達）できることが重要となる。
【０００７】
直流電界を用いたスピン輸送手法では、輸送可能な距離は、スピン緩和時間（スピン偏極率がゼロに減衰していくときの減衰時定数）で決定される。従って、輸送可能な距離を長くするためには、スピン緩和時間を長くすることが必要となる。スピン緩和時間を長くするためには、スピン緩和の原因となる電子正孔相互作用を抑制するために、不純物のドーピングが必要であり、かつ、ドーピング密度を精密に制御しなければならないという問題がある。
【０００８】
一方、表面弾性波を用いたスピン輸送手法では、電子・正孔相互作用に起因するスピン緩和機構を効果的に抑制することができることが知られている。しかし、表面弾性波を用いたスピン輸送では、D'yakonov-Perel'機構と呼ばれるスピン軌道相互作用に起因するスピン緩和のため、スピンの輸送可能距離は数十〜数百μｍが限界であるという問題がある（非特許文献３参照）。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体中のスピン偏極キャリアの輸送距離を、より長くできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスピン偏極キャリア輸送装置は、半導体からなるチャネル層と、チャネル層のキャリア生成箇所にスピン偏極キャリアを生成するスピン偏極キャリア生成手段と、キャリア生成箇所を通過する表面弾性波をチャネル層に発生させる表面弾性波発生手段と、チャネル層内の伝導帯電子に働く異なる２つのスピン軌道相互作用の大きさを一致させるスピン軌道相互作用調整手段とを少なくとも備える。
【００１１】
上記スピン偏極キャリア輸送装置において、チャネル層は、主表面を（００１）とされた閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する半導体の基板に形成された量子井戸構造であり、表面弾性波発生手段は、互いに異なる方向に進行して所定の箇所で干渉（交差）する第１表面弾性波および第２表面弾性波をチャネル層に発生させる第１表面弾性波発生手段および第２表面弾性波発生手段から構成され、第１表面弾性波と第２表面弾性波とが干渉してチャネル層に生成されるピエゾポテンシャルが進行する領域にキャリア生成箇所が配置されていればよい。
【００１２】
上記スピン偏極キャリア輸送装置において、スピン偏極キャリア生成手段は、キャリア生成箇所の上に形成されて、磁化された強磁性体からなる電極から構成され、スピン軌道相互作用調整手段は、第１表面弾性波発生手段および第２表面弾性波発生手段が出力する表面弾性波の振幅を制御する振幅制御手段であればよい。また、スピン偏極キャリア生成手段は、キャリア生成箇所に円偏光のレーザー光を照射するレーザー照射手段であり、スピン軌道相互作用調整手段は、キャリア生成箇所に電界を印加する電界印加手段であってもよい。なお、表面弾性波発生手段は、チャネル層の上に形成された櫛形電極から構成されていればよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、チャネル層内の伝導帯電子に働く異なる２つのスピン軌道相互作用の大きさを一致させるようにしたので、半導体中のスピン偏極キャリアの輸送距離を、より長くできるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるスピン偏極キャリア輸送装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、磁場ベクトルの波数に対する依存性を示す特性図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態の実施例１におけるスピン偏極キャリア輸送装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態の実施例２におけるスピン偏極キャリア輸送装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるスピン偏極キャリア輸送装置の構成を示す構成図である。このスピン偏極キャリア輸送装置は、半導体からなるチャネル層１０１と、スピン偏極キャリア生成部１０２と、表面弾性波発生部１０３と、スピン軌道相互作用調整部１０４とを備える。
【００１６】
スピン偏極キャリア生成部１０２は、チャネル層１０１のキャリア生成箇所にスピン偏極キャリアを生成する。表面弾性波発生部１０３は、キャリア生成箇所を通過する表面弾性波１３１をチャネル層１０１の上に発生させる。スピン軌道相互作用調整部１０４は、チャネル層１０１内の伝導帯電子に働く異なる２つのスピン軌道相互作用の大きさを一致させる。
【００１７】
上述した本実施の形態におけるスピン偏極キャリア輸送装置では、スピン偏極キャリア生成部１０２によりチャネル層１０１のキャリア生成箇所に生成されたスピン偏極キャリアは、表面弾性波発生部１０３により生成された表面弾性波１３１により、表面弾性波１３１が進行する方向に輸送される。このようにスピン偏極キャリアが輸送される中で、スピン軌道相互作用調整部１０４によりチャネル層１０１内の伝導帯電子に働く異なる２つのスピン軌道相互作用の大きさが一致する状態とされているので、この輸送の過程においては、D'yakonov-Perel'機構によるスピン緩和が抑制されるようになる。この結果、本実施の形態によれば、半導体中のスピン偏極キャリアの輸送距離が、より長くなる。
【００１８】
以下、より詳細に説明する。
【００１９】
半導体中の伝導帯電子に対するスピン軌道相互作用は、当該電子に働く有効磁場として現れる。半導体チャネルが、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する半導体材料の層（基板）で形成され、（００１）面の２次元系とみなされる場合、有効磁場ベクトルの各成分は波数ベクトルの成分（ｋX、ｋY、ｋZ）の１次結合で表される。さらにこの項は、以下の式（１）に示される、αタイプとβタイプの２種類に分類されることが知られている（非特許文献４参照）。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
磁場ベクトルは、波数に対して、図２に示すような依存性を持つ。通常、磁場ベクトルΩα（ｋ）＋Ωβ（ｋ）の方向は、波数ベクトルの方向、すなわち運動方向に依存する。そのため一般的には、電子がランダムな散乱を受けると、有効磁場もランダムに変動する。
【００２２】
スピンの緩和が、D'yakonov-Perel'機構によって支配される系においては、上述した有効磁場の変動がスピン緩和の原因となる。発生した散乱と散乱との間において、電子は特定の波数を持って運動するため、有効磁場を感じて有効磁場の周りを回転（歳差運動）する。この回転の角度は、時間と磁場の大きさに比例する。散乱に伴い波数がランダムに変化すると、スピンの向きは徐々に初期の状態が失われていく。
【００２３】
発明者らは、材料および構造などを調節することによって、|α|と|β|の値を等しくした状態に着目した。|α|＝|β|の状態では、ベクトルΩα（ｋ）＋Ωβ（ｋ）の方向が波数によらず同じ方向となる。この結果、ある初期状態にある電子スピンの運動に注目すると、スピンは散乱経路によらず位置のみの関数として表されるようになる。つまり、任意の２地点の間を移動する電子は、複数回の散乱と共に様々な経路をとりうるが、最終的なスピンの向きは散乱経路には依存せず必ず決まったスピンの向きになる。この原理により、|α|＝|β|が実現された系においては、D'yakonov-Perel'機構によるスピン緩和は完全に抑制される。実際には、他の機構によるスピン緩和があるため緩和時間は無限大にはならないが、|α|＝|β|の状態においてスピンの寿命が１桁以上増大することが実験的に観測された。
【００２４】
上述したような、D'yakonov-Perel'機構によるスピン緩和が抑制された永続的スピン螺旋状態を輸送中のスピンに対して適用することで、スピンの輸送距離を飛躍的に伸ばすことが期待される。これまで報告されている表面弾性波によって輸送される電子のスピン緩和は、D'yakonov Perel'機構によって支配されていることが知られているため、この効果の実現が期待できる。
【００２５】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００２６】
[実施例１]
はじめに、実施例１について図３を用いて説明する。図３は、実施例１におけるスピン偏極キャリア輸送装置の構成を示す構成図である。このスピン偏極キャリア輸送装置は、まず、量子井戸構造からなるチャネル層３０１が形成された基板３０２を備える。また、チャネル層３０１の上に形成され、互いに異なる方向に進行して所定の箇所で干渉（交差）する第１表面弾性波および第２表面弾性波をチャネル層３０１に発生させる第１表面弾性波発生部３０３および第２表面弾性波発生部３０４を備える。第１表面弾性波発生部３０３および第２表面弾性波発生部３０４は、例えば、チャネル層３０１の上に形成された櫛形電極から構成されている。
【００２７】
基板３０２は、主表面を（００１）とされた閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する半導体から構成され、例えば、ＧａＡｓから構成されている。また、チャネル層３０１は、基板３０２の上に形成された障壁層、量子井戸層、障壁層からなる単一量子井戸から構成されたものであればよい。例えば、ＡｌＧａＡｓからなる２つの障壁層に、ＧａＡｓからなる井戸幅（層厚）２０ｎｍ程度の量子井戸層が挟まれた構造となっていればよい。また、障壁層の厚さは、５０ｎｍ程度とすればよい。この構造とすることで、表面から５０ｎｍ程度下の領域に、量子井戸層からなる半導体チャネルが形成されるようになる。
【００２８】
また、第１表面弾性波発生部３０３による第１表面弾性波と、第２表面弾性波発生部３０４による第２表面弾性波とが干渉してチャネル層３０１に生成されるピエゾポテンシャルが進行する領域に、磁化された強磁性体からなる電極３０５が配置されている。電極３０５に電圧を印加することで、スピン偏極キャリア生成手段となり、電極３０５の配置箇所が、キャリア生成箇所となる。
【００２９】
また、このスピン偏極キャリア輸送装置は、第１表面弾性波発生部３０３および第２表面弾性波発生部３０４が出力する表面弾性波の振幅を制御する振幅制御部３０６を備える。振幅制御部３０６が、スピン軌道相互作用調整手段となる。
【００３０】
以下、動作について説明すると、まず、第１表面弾性波発生部３０３および第２表面弾性波発生部３０４に、例えば、周波数０．８２ＧＨｚの高周波電圧を印加する。これにより、第１表面弾性波発生部３０３より［−１１０］方向に第１表面弾性波が発生し、第２表面弾性波発生部３０４より［１１０］方向に、第２表面弾性波が発生する。これらの表面弾性波は、進行方向に対して垂直な方向に波面が広がっており、これらに対応してチャネル層３０１の表面（障壁層の上）に、線状のピエゾポテンシャルが形成される。
【００３１】
また、上述した第１表面弾性波および第２表面弾性波が交渉すると、各々の波面が交差した箇所に対応し、点状のピエゾポテンシャルが発生し、これが、[０１０]方向に進行する。さらに、チャネル層３０１の井戸層は、表面から十分に近いため、縦方向（層方向）のピエゾ電界も同時に発生する。
【００３２】
上述した点状のピエゾポテンシャルの発生により、この発生領域には、前述したαタイプのスピン軌道相互作用であるラッシュバ（Rashba）スピン軌道相互作用が発生する。βタイプのスピン軌道相互作用は、チャネル層３０１を構成する半導体材料で決まる固有の値を持つのに対し、ラッシュバスピン軌道相互作用は、電界に比例する。このため、振幅制御部３０６により第１表面弾性波発生部３０３および第２表面弾性波発生部３０４に供給するＲＦ電圧の振幅を調整することで、ラッシュバスピン軌道相互作用、言い換えるとαタイプのスピン軌道相互作用が調整できる。
【００３３】
従って、振幅制御部３０６によりαタイプのスピン軌道相互作用を調整し、これをβタイプのスピン軌道相互作用に一致させることで、点状のピエゾポテンシャルが進行する輸送経路において、｜α｜＝｜β｜の性質を有する半導体チャネルが実現できる。この状態で、上述したチャネル層３０１における輸送経路中のキャリア生成箇所に、電圧を印加した電極３０５によりスピン偏極電子を注入すれば、注入された電子は、歳差運動しながら１ｍｍ以上の距離を輸送されていくようになる。このように、実施例１によれば、スピン偏極電子を、より長く輸送できるようになる。
【００３４】
[実施例２]
次に、実施例２について図４を用いて説明する。図４は、実施例２におけるスピン偏極キャリア輸送装置の構成を示す構成図である。このスピン偏極キャリア輸送装置は、まず、量子井戸構造からなるチャネル層４０１が形成された基板４０２を備える。また、チャネル層４０１の上に形成され、互いに異なる方向に進行して所定の箇所で干渉（交差）する第１表面弾性波および第２表面弾性波をチャネル層４０１に発生させる第１表面弾性波発生部４０３および第２表面弾性波発生部４０４を備える。第１表面弾性波発生部４０３および第２表面弾性波発生部４０４は、例えば、チャネル層４０１の上に形成された櫛形電極から構成されている。
【００３５】
基板４０２は、主表面を（００１）とされた閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する半導体から構成され、例えば、ＧａＡｓから構成されている。また、チャネル層４０１は、基板４０２の上に形成された障壁層、量子井戸層、障壁層からなる単一量子井戸から構成されたものである。例えば、ＡｌＧａＡｓからなる２つの障壁層に、ＧａＡｓからなる井戸幅（層厚）２０ｎｍ程度の量子井戸層が挟まれた構造となっている。障壁層の厚さは、５０ｎｍ程度である。この構造とすることで、表面から５０ｎｍ程度下の領域に、量子井戸層からなる半導体チャネル（チャネル層４０１）が形成されるようになる。
【００３６】
また、第１表面弾性波発生部４０３による第１表面弾性波と、第２表面弾性波発生部４０４による第２表面弾性波とが干渉してチャネル層４０１に生成されるピエゾポテンシャルが進行する領域のいずれかの箇所（キャリア生成箇所）に円偏光のレーザー光を照射するレーザー照射部４０５を備える。表面弾性波により形成されたポテンシャルが存在する領域に，円偏光のレーザー光を照射すると，スピン偏極電子を生成することができる。レーザー照射部４０５が、スピン偏極キャリア生成手段となり、レーザー光の照射箇所が、キャリア生成箇所となる。なお、照射されるレーザー光のスポットサイズは、スピン軌道相互作用によってスピンが１回転する距離よりも十分小さい１μｍ程度とする。
【００３７】
また、このスピン偏極キャリア輸送装置は、第１表面弾性波と第２表面弾性波とが干渉してチャネル層４０１に生成されるピエゾポテンシャルが進行する領域（キャリア生成箇所）に電界を印加する電界印加部４０６を備える。電界印加部４０６が、スピン軌道相互作用調整手段となる。電界印加部４０６は、例えば、メッシュ状の金属電極から構成することができる。メッシュ状の金属電極であれば、メッシュの孔部にチャネル層４０１の表面が露出するので、レーザー光が照射でき、スピン偏極キャリアが生成できる。
【００３８】
以下、動作について説明すると、まず、第１表面弾性波発生部４０３および第２表面弾性波発生部４０４に、例えば、周波数０．８２ＧＨｚの高周波電圧を印加する。これにより、第１表面弾性波発生部４０３より［−１１０］方向に第１表面弾性波が発生し、第２表面弾性波発生部４０４より［１１０］方向に、第２表面弾性波が発生する。これらの表面弾性波は、進行方向に対して垂直な方向に波面が広がっており、これらに対応してチャネル層４０１の表面（障壁層の上）に、線状のピエゾポテンシャルが形成される。
【００３９】
また、上述した第１表面弾性波および第２表面弾性波が交渉すると、各々の波面が交差した箇所に対応し、点状のピエゾポテンシャルが発生し、これが、[０１０]方向に進行する。さらに、チャネル層４０１の井戸層は、表面から十分に近いため、縦方向（層方向）のピエゾ電界も同時に発生する。
【００４０】
上述した点状のピエゾポテンシャルの発生により、この発生領域には、前述したαタイプのスピン軌道相互作用であるラッシュバスピン軌道相互作用が発生する。βタイプのスピン軌道相互作用は、チャネル層４０１を構成する半導体材料で決まる固有の値を持つのに対し、ラッシュバスピン軌道相互作用は、電界に比例する。このため、電界印加部４０６により印加する電界を調整することで、ラッシュバスピン軌道相互作用、言い換えるとαタイプのスピン軌道相互作用が調整できる。
【００４１】
従って、電界印加部４０６によりαタイプのスピン軌道相互作用を調整し、これをβタイプのスピン軌道相互作用に一致させることで、点状のピエゾポテンシャルが進行する輸送経路において、｜α｜＝｜β｜の性質を有する半導体チャネルが実現できる。この状態で、上述したチャネル層４０１における輸送経路中のキャリア生成箇所に、レーザー照射部４０５によりレーザー光を照射してスピン偏極電子を注入すれば、注入された電子は、歳差運動しながら１ｍｍ以上の距離を輸送されていくようになる。このように、実施例２によれば、スピン偏極電子を、より長く輸送できるようになる。
【００４２】
以上に説明したように、本発明によれば、表面弾性波によるスピン輸送において、スピン軌道相互作用の大きさを調整して|α|＝|β|の性質を容易に実現し、スピン緩和時間を著しく長くしたので、スピン情報を保った状態で、半導体中のスピン偏極キャリアの輸送距離をより長くすることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、メッシュ状の金属電極で電界を印加するようにしたが、これに限るものではない、表面弾性波によるスピン輸送経路に電界が印加できればよく、例えば、チャネル層を備える基板の裏面側より電界を印加する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０１…チャネル層、１０２…スピン偏極キャリア生成部、１０３…表面弾性波発生部、１０４…スピン軌道相互作用調整部、１３１…表面弾性波。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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