(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの量子井戸を三つの障壁で隔て、二つの量子井戸間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする半導体スピンフィルター。
【請求項２】
ソース層（１）に設けられると共に、第１の障壁を形成する第一障壁層（２）と、ドレイン層（７）に設けられると共に、第二の障壁を形成する第二障壁層（６）と、前記第一障壁層（２）と前記第二障壁層（６）との間に第三の障壁を形成する中央障壁層（４）と、前記第一障壁層（２）と前記中央障壁層（４）との間に量子井戸を形成する第一井戸層（３）と、前記中央障壁層（４）と前記第二障壁層（６）との間に量子井戸を形成する第二井戸層（５）とを備え、
前記第一井戸層（３）および前記第二井戸層（５）の中でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする半導体スピンフィルター。
【請求項３】
ｎ型不純物が添加されたIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層（２）および前記第二障壁層（６）とし、ｐ型不純物が添加されたInPの層を前記中央障壁層（４）とし、不純物が添加されていないIn0.53Ga0.47Asの層を前記第一井戸層（３）および第二井戸層（５）として、内部電場に起因するスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項４】
ｐ型不純物が添加されたInPの層の代わりに、Ｐ型不純物が添加されたIn0.53Ga0.47Asの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする請求項３に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項５】
ｐ型不純物が添加されたInPの層の代わりに、In0.52Al0.48Asの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする請求項３に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項６】
不純物が添加されていないIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層（２）、前記第二障壁層（６）および前記中央障壁層（４）とし、不純物が添加されていないIn1-xGaxAsの層を前記第二井戸層（５）とし、かつ、値ｘを0.47から１まで変えて組成を連続的に変化させ、不純物が添加されていないIn1-xGaxAsの層を前記第一井戸層（３）とし、かつ、値ｘを１から0.47まで変えて組成を連続的に変化させたことを特徴とする請求項２に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項７】
不純物が添加されていないIn0.52Al0.48Asの層の代わりに、InPの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする請求項６に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項８】
前記中央障壁層（４）を除いたことを特徴とする請求項６に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項９】
不純物が添加されていないIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層（２）および前記第二障壁層（６）とし、不純物が添加されていないInPの層を前記中央障壁層（４）とし、不純物が添加されていないIn0.53Ga0.47Asの層を前記第一井戸層（３）および第二井戸層（５）として、前記第一障壁層（２）および前記第二障壁層（６）と前記中央障壁層（４）との間の界面での伝導電子帯のバンドの不連続性を用いて三重障壁構造を形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体スピンフィルター。
【請求項１０】
ｐ型不純物が添加されたIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層（２）および前記第二障壁層（６）とし、ｎ型不純物が添加されたIn0.52Al0.48Asの層を前記中央障壁層（４）とし、不純物が添加されていないIn0.53Ga0.47Asの層を前記第一井戸層（３）および第二井戸層（５）として、前記第一および第二井戸層（３，５）の内部電場の方向を逆にしたことを特徴とする請求項２に記載の半導体スピンフィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体中に存在する伝導電子または正孔（以下、単に「電子」と記述するが、同様のことは正孔についても当てはまる）を、それら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もった電子のみを抽出する電子デバイスである半導体スピンフィルターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体デバイスは、電子の有する電荷のみの自由度を用いて設計されてきた。しかし、電子は電荷と共にスピンの自由度を持つ。電子のスピンを利用した電子デバイスには、将来的に、電子のスピン物性を利用したスピン・トランジスタ（ S.Datta and B.Das, App1. Phys. Lett. 56, 665 (1990).:文献１）、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への応用が考えられる。
【０００３】
また、電子のスピンを用いた半導体量子ビットは、将来の量子コンピューターの構成要素となる技術である。これと同様の原理は、量子暗号、量子情報、量子テレポーテーションなどの技術分野に応用可能である。
【０００４】
電子のスピンの自由度を半導体電子デバイス中で利用するためには、スピン偏極した電子を半導体中に注入することが重要である。そのための従来技術には、次のようなものがある。
（ｉ）強磁性体金属から半導体二次元電子気体へのスピン注入の技術（ M.Johnson, Phys. Rev. B. 58, 1790 (1998):文献２、 C.-M.Hu, J.Nitta, A.Jensen, J.B.Hansen, and H.Takayanagi, Phys. Rev. B 63, 125333 (2001):文献３）。
（ii）希薄磁性半導体から非磁性半導体へのスピン注入の技術（ R.Fiederling, M.Keim, G.Reuscher, W.Ossau, G.Schmidt, A.Waag and L.W.Molenkamp, Nature 402 787 (1999).:文献４、 Y.Ohno, D.K.Young, B.Beschoten, F.Matsukura, H.Ohno and D.D.Awschalom, Nature 402 790 (1999).:文献５）。
（iii）磁場中での、半導体量子箱中のエネルギー準位のゼーマン分離を利用したスピン・フィルターの技術（ M.J.Gilbert and J.P.Bird, App1. Phys. Lett. 77, 1050 (2000).:文献６、 P.Recher, E.V.Sukhorukov and D.Loss, Phys. Rev. Lett. 85, 1962 (2000).:文献７）。
（iv）希薄磁性半導体を使った共鳴トンネル構造を利用したスピン・フィルターの技術。この技術は次の文献に示されている。
0004017095.tif 000002
【０００５】
これらの従来技術は、いずれも、材料の磁気的性質を用いたものである。たとえば、強磁性体金属から半導体二次電子気体へのスピン注入は、図１５に示すように、半導体１０１に形成された強磁性金属電極１０２、１０３に、電圧１０５を加える。これによって、半導体二次電子気体１０４へのスピン注入が行われ、スピンに依存する電流１０６が流れる。
【０００６】
前記のこれらの技術には次のような問題点がある。半導体へ注入されたスピン偏極した電子は、スピン注入に利用された磁性材料から漏れ出る磁場や外部印加された磁場からの影響を受ける。
【０００７】
つまり、材料の磁気的性質を用いた場合、材料の一部は、ある特定の方向の磁気モーメントを持っているか（磁性電極使用の場合：前記（ｉ）、（ii）で述べたもの）、材料中の電子の準位をスピンの偏極方向により分離するための外部磁場を印加することが必要である（エネルギー準位のゼーマン分離を利用する場合：前記（ii）、（iii）、（iv）で述べたもの）。そのため、従来技術では、非磁性半導体へ注入されたスピン偏極した電子は、スピン注入に利用された磁性材料から漏れ出る磁場や、外部印加された磁場からの影響を受けてしまうことが避けられない。
【０００８】
そこで、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・デバイスが提案されている。たとえば、半導体二重障壁構造を用いた共鳴トンネル・デバイスがある（ A.Voskoboynikov, Shiue Shin Liu and C.P.Lee, Phys. Rev. B 59, 12514 (2001).:文献１０、 A.Voskoboynikov, Shiue Shin Lin, C.P.Lee and O.Tretyak, J.Appl. Phys. 87, 387 (2001).:文献１１）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電子のスピン−軌道相互作用を利用した、従来のスピン・フィルター・デバイスには、次のような問題点がある。スピン・フィルターとしての性能を表すために、スピン偏極率が用いられる。このスピン偏極率は、スピン・アップの電流をＩ＋、スピン・ダウンの電流をＩ−としたときに、
【式１】
0004017095.tif 000003
で与えられる量である。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偏極率が高々４０％である。このために、半導体二重障壁構造では、スピン・フィルターとしての十分な機能を期待ですることがきない。
【００１０】
この発明は、前記の課題を解決し、材料の磁気的性質を用いることを不要にすると共に、高いスピン偏極率を得ることができる半導体スピンフィルターを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、二つの量子井戸を三つの障壁で隔て、二つの量子井戸間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする半導体スピンフィルターである。
【００１２】
前記構成によれば、半導体中に存在する電子または正孔を、それら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もった電子のみを抽出する電子デバイス（スピン・フィルター）、つまり、半導体三重障壁構造を用いたスピン・フィルターを実現することにある。このような電子デバイスは、将来的には、電子のスピン物性を利用したスピン・トランジスタ（文献１）、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等への応用が考えられる。
【００１３】
前記の半導体三重障壁構造を用いたスピン・フィルターにおいては、材料の磁気的性質を利用した従来のスピン・フィルターと違って、半導体へテロ構造の内部電場に起因するスピン−軌道相互作用を利用する。そのため、この発明の効果として主なものは、次の通りである。
【００１４】
まず、第一に、基礎学問的に、半導体中のスピン−軌道相互作用についての研究が促進される。この発明により、半導体中のスピン−軌道相互作用を利用したスピン・デバイスが開発されれば、今度は、そのスピン・デバイスを、（そのスピン・デバイスが利用している）半導体中のスピン−軌道相互作用を調べる道具として使用することができる。
【００１５】
第二に、半導体中の伝導電子の持つスピンの自由度を利用した新しい電子デバイス実現のためのブレーク・スルーとなる。この発明においては、半導体三重障壁構造において、第二の障壁と第三の障壁との間を透過する電子と、第三の障壁と第一の障壁との間を透過する電子の間で、ある特定の状態にスピン偏極した電子についてのみエネルギー・レベルを整合させることによってスピン・フィルターを実現しているので、材料の磁気的性質を利用した従来型のスピン・フィルターのように、スピン・フィルターを通して非磁性半導体に注入された電子が、スピン・フィルター作製に使用した材料から漏れ出る磁場から影響を受けることがない。また、この発明で提案したデバイスのスピン偏極率は、９８．５％に達する（従来型の共鳴トンネル構造ではスピン偏極率は高々４０％である。）スピン・トランジスタ等のスピン・デバイスの性能はスピン偏極率に依存し、理想的には１００％スピン偏極した電子であることが望まれている。さらに、この発明によるデバイスでは、外部より印加される磁場を必要としないので、スピン・フィルターを通して非磁性半導体に注入された電子が、外部磁場の影響を受けることもない。
【００１６】
第三に、この発明で提案したスピン・フィルターにより実現するスピン偏極率が１００％に近い電流は、量子コンピューターの構成要素となる量子ビットの量子力学的状態の読み出しに利用できることである。つまり、量子コンピューターの構成要素となる量子ビットを電子のスピンを用いて実現した場合、量子ビットの量子力学的状態は、スピン・アップの波動関数とスピン・ダウンの波動関数の重ね合わせで表されるので、量子ビットの量子力学的状態と１００％スピン偏極した電子を相互作用させることにより、量子ビットの量子力学的状態を知ることができる。さらに、これと同様の原理は、量子暗号、量子情報、量子テレポーテーションなどの技術分野にも応用可能である。
【００１７】
以上の理由により、この発明は、将来のスピン・デバイスの実現にとって、非常に重要な位置を占めるものあると考える。
【００１８】
請求項２の発明は、ソース層に設けられると共に、第一の障壁を形成する第一障壁層と、ドレイン層に設けられると共に、第二の障壁を形成する第二障壁層と、前記第一障壁層と前記第二障壁層との間に第三の障壁を形成する中央障壁層と、前記第一障壁層と前記中央障壁層との間に量子井戸を形成する第一井戸層と、前記中央障壁層と前記第二障壁層との間に量子井戸を形成する第二井戸層とを備え、前記第一井戸層および前記第二井戸層の中でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする半導体スピンフィルターである。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｎ型不純物が添加されたIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層および前記第二障壁層とし、ｐ型不純物が添加されたInPの層を前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn0.53Ga0.47Asの層を前記第一井戸層および第二井戸層として、内部電場に起因するスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になる三重障壁構造を形成することを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｐ型不純物が添加されたInPの層の代わりに、Ｐ型不純物が添加されたIn0.53Ga0.47Asの層を前記中央障壁層とすることを特徴とする。請求項５の発明は、請求項３に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｐ型不純物が添加されたInPの層の代わりに、In0.52Al0.48Asの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルターにおいて、不純物が添加されていないIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層、前記第二障壁層および前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn1-xGaxAsの層を前記第二井戸層とし、かつ、値ｘを0.47から１まで変えて組成を連続的に変化させ、不純物が添加されていないIn1-xGaxAsの層を前記第一井戸層とし、かつ、値ｘを１から0.47まで変えて組成を連続的に変化させたことを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項６に記載の半導体スピンフィルターにおいて、不純物が添加されていないIn0.52Al0.48Asの層の代わりに、InPの層を前記中央障壁層（４）とすることを特徴とする。請求項８の発明は、請求項６に記載の半導体スピンフィルターにおいて、前記中央障壁層（４）を除いたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルター、において、不純物が添加されていないIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層および前記第二障壁層とし、不純物が添加されていないInPの層を前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn0.53Ga0.47Asの層を前記第一井戸層および第二井戸層として、前記第一障壁層および前記第二障壁層と前記中央障壁層との間の界面での伝導電子帯のバンドの不連続性を用いて三重障壁構造を形成することを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明は、請求項２に記載の半導体スピンフィルターにおいて、ｐ型不純物が添加されたIn0.52Al0.48Asの層を前記第一障壁層および前記第二障壁層とし、ｎ型不純物が添加されたIn0.52Al0.48Asの層を前記中央障壁層とし、不純物が添加されていないIn0.53Ga0.47Asの層を前記第一井戸層および第二井戸層として、前記第一および第二井戸層の内部電場の方向を逆にしたことを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
［実施の形態１］
実施の形態１による半導体スピンフィルターを図１に示す。図１の半導体スピンフィルターは、In0.53Ga0.47Asソース層１、第一障壁層としてIn0.52Al0.48As障壁層２、第一井戸層としてIn0.53Ga0.47As井戸層３、中央障壁層としてInP障壁層４、第二井戸層としてIn0.53Ga0.47As井戸層５、第二障壁層としてIn0.52Al0.48As障壁層６、In1-xGaxAsドレイン層７、および金属電極８、９で構成されている。
【００２８】
この実施の形態では、In0.52Al0.48As障壁層２、In0.53Ga0.47As井戸層３、InP障壁層４、In0.53Ga0.47As井戸層５、In0.52Al0.48As障壁層６、In1-xGaxAsドレイン層７、および金属電極８の順に、各層がIn0.53Ga0.47Asソース層１に積層された構造である。また、In0.53Ga0.47Asソース層１には、金属電極９が積層された構造である。
【００２９】
前記構造は、一般には、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy:MBE法）や、有機金属気相成長法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD法）といった、既存の半導体薄膜成長法によって作製される。この発明では、構造の作製法をこれらに限定しない。
【００３０】
前記構造は、大まかに層と呼ばれる六つの部分に分けられ、図の上側からそれぞれ、Inl-xGaxAsドレイン層７、In0.52Al0.48As障壁層６、In0.53Ga0.47As井戸層５、InP障壁層４、In0.53Ga0.47As井戸層３、In0.52Al0.48As障壁層２、In0.53Ga0.47Asソース層１と呼ぶ。ここでの、Inl-xGaxAs、In0.52Al0.48As、In0.53Ga0.47As、InP等は、半導体材料の名前である。この発明で述べる電子デバイスは、これらの材料を用いれば、実際に動作することが、理論計算の結果確認された。しかし、この発明の適用範囲は、これらの材料に限定されない。
【００３１】
そして、これらの半導体材料を用いた構成によって、二つのIn0.53Ga0.47As井戸層３、５を、三つの障壁、つまり、In0.52Al0.48As障壁層２、６およびInP障壁層４で隔て、二つのIn0.53Ga0.47As井戸層３、５間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になるように構成された三重障壁構造が形成される。
【００３２】
また、この発明で利用する、半導体ヘテロ構造内部電場に起因する電子のスピン−軌道相互作用については、以前に提案がなされている（ E. I. Rashba, Sov. Phys. -Solid State 2, 1109 (1960); E. I. Rashba and V. I. Sheka, in : Landau Level Spectroscopy, ed. By G. Landwehr and E. I. Rashba (North-Holland, Amsterdam, 1991), v.1, p.131.:文献１２）。その大きさについても、様々な半導体について、具体的に調べられている。これについては、次の文献に示されている。
0004017095.tif 000004
【００３３】
特に、中央のInP障壁層４の代わりにIn0.52Al0.48As障壁層を用いて、同様の構造を作製しても、同等性能のスピン・フィルター・デバイスを得ることができることが、理論計算の結果確認されている。ここでは、図１に示す構造が、InP単結晶基板の（００１）面上に成長させることを想定している。しかし、この発明の適用範囲は、基板に用いる材料およびその結晶面をこれらに限定されない。
【００３４】
図１の構成では、それぞれの層の層厚、不純物濃度および不純物の種類として、次の表１に示すものを用いている。しかし、この発明の範囲はこれらに限定されない。
【表１】
0004017095.tif 000005
【００３５】
Inl-xGaxAsドレイン層７のGa組成ｘは、Inl-xGaxAsの伝導電子帯の下端のエネルギーが、In0.53Ga0.47Asの伝導電子帯の下端のエネルギーよりも、約２７０meV大きくなるように選ばれるべきである。しかし、この発明の範囲はこの限りではない。
【００３６】
図１では、二つのIn0.53Ga0.47As井戸層３、５を、三つのIn0.52Al0.48As障壁層２、６およびInP障壁層４で隔て、二つの量子井戸間でスピン−軌道相互作用の向きが反対方向になるように構成された三重障壁構造が形成される。
【００３７】
この三重障壁構造を利用した半導体スピンフィルターの動作原理について説明する。そのために、図１と表１とで特定した構造のポテンシャル模式図を図２に示す。ポテンシャル模式図とは、デバイス中に存在する伝導電子が感じる位置エネルギーＵ（ｚ）を、場所を示す値ｚの関数としてプロットしたものである。図２の値ｚが図１の縦方向に対応し、図２の左側が図１の上側に対応し、図２の右側が図１の下側に対応する。実際のデバイスでは、図２の左側がデバイスの表面側、図２の右側がデバイスの基板側に対応することを想定しているが、この発明の範囲はこれに限定されない。また、ここでの説明は、極低温下（４．２Ｋ以下）でのデバイス動作を想定しているが、この発明の範囲はそれに限定されない。
【００３８】
図１に示したデバイスでは、上で述べたそれぞれの層に対して垂直の方向に電流が流れる。電流の流れる方向は、電子の流れる方向と逆向きに定義されているので、電子は、図１の上側から下側（図２の左側から右側）に向かって流れる。これらの電子の量子力学的状態は、値ｋで表される波数ベクトルの成分（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）を指定することで、一意に決まることが知られている。図１に示したデバイスでは、各障壁層（In0.52Al0.48As障壁層２、６およびInP障壁層４）に垂直な方向をｚ方向と定義すると、Inl-xGaxAsドレイン層７に存在する電子にとって、障壁の透過前と透過後で、ｘ、ｙ方向の波数ベクトルの成分ｋｘ、ｋｙは保存することが知られている。また、このｋｘとｋｙで指定される電子の状態を、電子のモードと呼び、各モードにおける電子の障壁の透過確率のスピン依存性により、スピン・フィルターが実現する。
【００３９】
電子の各モードにおける障壁の透過確率のスピン依存性は、次に示す半導体ヘテロ構造の内部電場に起因するスピン−軌道相互作用によって発生する。
【式２】
0004017095.tif 000006
ここで、Ｅ（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）は、波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）を持つ電子の総エネルギー、Ｕ（ｚ）は、半導体ヘテロ構造に起因する電子のポテンシャル・エネルギーで、図２の縦軸に相当する。また、（１）式の
【式３】
0004017095.tif 000007
は、半導体ヘテロ構造内部の電場に起因するスピン−軌道相互作用によるエネルギーに相当し、プラス、マイナスの符号は、スピン・アップ、スピン・ダウンの電子にそれぞれ対応する。また、逆に、この発明での電子のスピンのアップ、ダウンの方向は、そのような関係を満たすように定義されている。
【００４０】
スピン−軌道相互作用係数α（ｚ）の大きさは、半導体ヘテロ構造内部の電場の大きさに比例することが知られている。つまり、半導体ヘテロ構造内部での電場は、Ｕ（ｚ）の傾きに比例する値なので、あるモード（ｋｘ、ｋｙ）にある電子にとって、In0.53Ga0.47As井戸層５の中でのα（ｚ）の値と、In0.53Ga0.47As井戸層３の中でのα（ｚ）の値では、符号を異にすることがわかる（図２参照）。この実施の形態では、In0.53Ga0.47As井戸層３、５内の内部電場をスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）に反映させるために、In0.52Al0.48As障壁層２、６とInP障壁層４を適当な不純物濃度でドープしている。ただし、α（ｚ）の値の起源については、In0.53Ga0.47As井戸層３、５中での内部電場以外が原因となっていてもよいので、この発明では、α（ｚ）の値の起源を、In0.53Ga0.47As井戸層３、５内での内部電場には限定しない。
【００４１】
よって、In0.53Ga0.47As井戸層５の中では、スピン・ダウンの電子のエネルギーが、スピン・アップの電子のエネルギーよりも大きくなり、In0.53Ga0.47As井戸層３の中ではスピン・アップの電子のエネルギーが、スピン・ダウンの電子のエネルギーよりも大きくなる。したがって、Inl-xGaxAsドレイン層７とIn0.53Ga0.47Asソース層１との間に、ある特定のソース・ドレイン電圧１１をかけることにより、図３に示すように、電子の流れが発生し、この電子流の反対方向に、透過電流（トンネル電流）であるスピン偏極した電流が流れる。この様子は、図１の電流１２に示されている。電流１２は、スピン・フィルターを通したスピンに依存するものである。つまり、ある特定のソース・ドレイン電圧１１をかけることにより、スピン・アップ、または、スピン・ダウンのみの電子のエネルギーのレベルを、In0.53Ga0.47As井戸層５、３の間で整合させることができ、スピン・フィルターが実現する。
【００４２】
図１に示す半導体三重構造の実際の動作特性は、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）について足し合わせることで得られる（ Y.Ando and T.Itoh, J.App1. Phys. 61, 1497 (1987).:文献２１）。図４に、このようにして計算された、電子のスピンに依存する障壁のトンネル電流の値を、相対的なソース・ドレイン電圧（△VSD）の値の関数としてプロットしたものを示す。図４では、横軸は、In0.52Al0.48As障壁層６における不純物濃度（N1）を示す。N1を変えるのと同様の効果は、ソース・ドレイン電圧VSDを変えることによっても得られるため、図４の横軸は相対的なソース・ドレイン電圧△VSDに対応する。
【００４３】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１の図２に示す構造から中央のInP障壁層４を除き、そこに、実施の形態１のInP障壁層４と同等の濃度の不純物を導入したIn0.53Ga0.47As層（In0.53Ga0.47As中央不純物導入層）を挿入している。この実施の形態では、図５に示すように、構造の中央には明白なポテンシャル障壁が存在しないが、両端の障壁の間に存在する山型のポテンシャルが、中央のポテンシャル障壁の役目を果たす。この結果、この実施の形態も、この発明で提案する三重障壁構造に含まれる。また、図６に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００４４】
この実施の形態で提案するデバイス構造における各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類の一例を、次の表２に示す。
【表２】
0004017095.tif 000008
【００４５】
［実施の形態３］
実施の形態３では、不純物原子の導入なしに、実施の形態１のIn0.53Ga0.47As井戸層３、５に用いる材料の組成を連続的に変化させることによって、図７に示すように、実施の形態１に示す三重障壁構造を実現している。そして、図８に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００４６】
この実施の形態で提案する構造における各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類の一例を、次の表３に示す。なお、この実施の形態による量子井戸層を、In1-xGaxAs井戸層３ＡおよびIn1-xGaxAs井戸層５Ａで表している。また、この実施の形態では、実施の形態１のInP障壁層４の代わりに、In0.52Al0.48As中央障壁層を用いている。また、In0.52Al0.48As中央障壁層の代わりに、InPの層を中央障壁層層として用いることが可能である。In0.52Al0.48As中央障壁層を用いているのは、単に一例を示しているに過ぎない。
【表３】
0004017095.tif 000009
【００４７】
この実施の形態で利用した背景となる物理的原理は、Inl-xGaxAs合金系のバンド・ギャップの値が、ｘの値を0.47（Inl-xGaxAsの格子定数がInPのそれと一致する組成）から１まで連続的に変化させるにつれて、0.783eVから1.44eVに連続的に変化するという事実である。つまり、Inl-xGaxAsの組成ｘをこの様に連続的に変化させることにより、伝導帯端で与えられるポテンシャル・エネルギーの値を連続的に変化させることができるため、この方法によっても、実施の形態１で示した三重障壁構造に類する構造を実現することができる。また、実施の形態２の実施の形態１に対する関係と同様に、この実施の形態で示した構造からIn0.52Al0.48As中央障壁層をなくした構造でも、原理的にはこの実施の形態と同様の効果を期待でき、この発明の範囲から除外されない。
【００４８】
［実施の形態４］
実施の形態４による半導体スピンフィルターは次のような構造をしている。実施の形態１では、In0.53Ga0.47As井戸層３、５内の内部電場をスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）に反映させるために、In0.52Al0.48As障壁層２、６とInP障壁層４とを適当な不純物濃度でドープしているが、同様の効果は、In0.53Ga0.47As井戸層３、５内の内部電場を利用せずに、In0.52Al0.48As障壁層２、６とInP障壁層４との間の界面での伝導電子帯のバンドの不連続性を用いることによっても実現できる。よって、下に示すような、各障壁層内に不純物原子を含まないような構造も、この発明の範囲からは除外されない。
【００４９】
この実施の形態で提案する構造における各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類の一例を、次の表４に示す。なお、この実施の形態における三重障壁構造のそれぞれの層の層厚についても、この発明では、ここに示された値に限定されない。
【表４】
0004017095.tif 000010
【００５０】
この構造による半導体スピンフィルターの動作原理を説明するために、In0.52Al0.48As障壁層６とIn0.53Ga0.47As井戸層５の間の界面を界面Ｓ１、In0.53Ga0.47As 井戸層５とInP障壁層４との間の界面を界面Ｓ２、InP障壁層４とIn0.53Ga0.47As井戸層３との間の界面を界面Ｓ３、In0.53Ga0.47As井戸層３とIn0.52Al0.48As障壁層２との間の界面を界面Ｓ４と呼ぶ。また、界面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４それぞれからのスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）への寄与をα１、α２、α３、α４と呼ぶ。
【００５１】
そうすると、図９から明らかに、α１＝−α４、α２＝一α３の関係が成り立っているのがわかるので、In0.53Ga0.47As井戸層５とその両隣の層との界面からのα（ｚ）への寄与への総量と、In0.53Ga0.47As井戸層３とその両隣の層との界面からのα（ｚ）への寄与への総量は、互いにそれらの絶対値の値が等しく反対の符号を持った量であることがわかる。よって、実施の形態１と同様の説明により、図９の構造でもスピン・フィルターが実現することがわかる。そして、図１０に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００５２】
［実施の形態５］
実施の形態５では、実施の形態１のIn0.52Al0.48As障壁層６、２にｐ型不純物がドープされたものを用いている。また、InP障壁層４として、ｎ型不純物がドープされたIn0.52Al0.48As障壁層を用いている。この結果、In0.52Al0.48As障壁層６、２にｐ型不純物がドープされ、InP障壁層４として、ｎ型不純物がドープされているため、In0.53Ga0.47As井戸層５、３内での内部電場の方向が、実施の形態１のそれぞれの場合に比べて反対向きである。
【００５３】
そのため、In0.53Ga0.47As井戸層５、３内での、スピンの向きによる電子のエネルギー準位の分かれ方は、図１１に示すように、実施の形態１に比べて逆である。例えば、In0.53Ga0.47As井戸層５について、図２ではスピン・ダウンの電子のエネルギーの方がスピン・アップの電子のエネルギーよりも高くなっているが、図１１ではスピン・アップの電子のエネルギーの方がスピン・ダウンの電子のエネルギーよりも高くなっている。しかし、実施の形態１で説明したのと同様の原理によって、スピン・フィルターが実現する。そして、図１２に示すように、スピン偏極した電流が矢印と反対方向に流れる。
【００５４】
この実施の形態では、実施の形態１、４におけるInP障壁層４が、In0.52Al0.48As障壁層（中央）に置き変わっているが、それは、図１１に示した特定の構造においては、中央障壁層の障壁の高さを高くする必要があるためで、この実施の形態の適用範囲は、この特定の材料を使った中央の障壁層に限定されない。また、この実施の形態での各層の層厚、不純物濃度、不純物の種類を次の表５に示すが、この発明の適用範囲は、これらには限定されない。
【表５】
0004017095.tif 000011
【００５５】
［参考例］
図１３は半導体スピンフィルターの参考例を示す。この参考例では、実施の形態１にあるIn0.53Ga0.47Asソース層１やIn1-xGaxAsドレイン層７が存在しない、二重量子井戸構造をとっている。図１３の半導体スピンフィルターは、In0.52Al0.48Asバッファー層２１、第一キャリア供給層としてIn0.52Al0.48Asキャリア供給層２２、In0.52Al0.48Asスペーサー層２３、第一井戸層としてIn0.53Ga0.47As井戸層２４、InP障壁層２５、第二井戸層としてIn0.53Ga0.47As井戸層２６、第二キャリア層としてIn0.52Al0.48Asキャリア供給層２７、および、第二、第一電極として金属電極２８、２９で構成されている。
【００５６】
In0.52Al0.48Asキャリア供給層２２、In0.52Al0.48Asスペーサー層２３、In0.53Ga0.47As井戸層２４の順に、各層がIn0.52Al0.48Asバッファー層２１に積層された構造である。In0.53Ga0.47As井戸層２４には、InP障壁層２５および金属電極２９が積層され、さらに、InP障壁層２５には、In0.53Ga0.47As井戸層２６、In0.52Al0.48Asキャリア供給層２７および金属電極２８が順に積層された構造である。
【００５７】
この構造の半導体スピンフィルターでは、図１４に示すように、実施の形態１にあるIn0.53Ga0.47Asソース層１やIn1-xGaxAsドレイン層７が存在しない二重量子井戸構造をとっている。なお、図１４では、図面の都合上、半導体材料等の名称を省略している。たとえば、金属電極２８を単に層２８としている。また、図中の実線、破線は、それぞれ、スピン・アップ、スピン・ダウンの電子濃度の分布を模式的に表したものである。さらに、これらの曲線の縦方向の相対的位置関係は、ある得られたモード（kx,ky）での電子のエネルギーに対応している。
【００５８】
図１４に示す構造でも、In0.53Ga0.47As井戸層２６とIn0.53Ga0.47As井戸層２４との間でスピン−軌道相互作用係数α（ｚ）の値の符号が逆になるので、実施の形態１と同様の原理に基づいて、スピン・フィルターが実現する。ただし、この実施の形態では、実施の形態１で示したようなIn0.53Ga0.47Asソース層１とInl-xGaxAsドレイン層７との間でのスピン・フィルターではなく、In0.53Ga0.47As井戸層２６とIn0.53Ga0.47As井戸層２４との間で働くスピン・フィルターである。そして、金属電極２８と金属電極２９との間に、ある特定の電圧３１をかけることにより、電子の流れが発生し、この電子流の反対方向に、スピン偏極した電流３２が流れる。
【００５９】
このような二重量子井戸構造を実現するための、各層の層厚、不純物濃度を次の表６に示す。しかし、この発明の範囲は、ここに示される値には限定されない。また、In0.53Ga0.47As井戸層２６とIn0.53Ga0.47As井戸層２４との内に存在する伝導電子の総数は、概ね、2.4×1012cm-2程度である。なお、表６では、紙面の都合上、各層２１〜２７および金属電極２８、２９を簡略して記載している。たとえば、金属電極２８を単に層２８としている。
【表６】
0004017095.tif 000012
【００６０】
以上説明した実施の形態１〜５によれば、半導体ヘテロ構造中に存在する内部電場に起因する電子のスピン−軌道相互作用を利用して、スピン・フィルターを実現することが可能になる。この結果、半導体三重障壁を用いたスピン・フィルターでは、少なくとも理論的な電流のスピン偏極率が９８．５％に達するものを設計することが可能である。一方、半導体二重障壁構造を用いた共鳴トンネル・デバイスである従来のスピン・フィルター・デバイス（文献１０、文献１１）では、電子が障壁を透過する透過確率のスピン依存はあまり大きくなく、スピン・フィルターとしての十分な性能を得ることは難しい。
【００６１】
つまり、半導体三重障壁構造では、第一、第二障壁の間と、第二、第三障壁の間での、電子のスピンに依存したエネルギー・レベルを整合させることにより、スピン・フィルターを実現しているので、従来提案された半導体二重障壁構造を利用したスピン・フィルター（文献１０、文献１１）では、電流のスピン偏極率が高々４０％であるのに対し、この発明で提案する半導体三重障壁を用いたスピン・フィルターでは、電流のスピン偏極率が前記のように９８．５％に達する。
【００６２】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明による半導体三重障壁構造では、第二、第三の障壁の間を透過する電子と、第三、第一の障壁の間を透過する電子の間で、ある特定の状態にスピン偏極した電子についてのみ、エネルギー・レベルを整合させることができるので、スピン・フィルターとしての性能を表すスピン偏極率が９８．５％に達する。さらに、デバイス構造の最適化を行うことにより、これ以上の値のスピン偏極率を達成することが可能である。
【００６３】
また、この発明によれば、磁気的性質を基本的にもたない（磁気的性質を全くもたない材料はない）材料のみを用いてスピン・フィルターを作製することができるため、非磁性半導体に注入された電子スピンは、デバイス材料から漏れ出る磁場の影響を受けることがない。また、スピン・フィルター作動のための外部磁場を印加する必要もなく、半導体中に注入されたスピンが外部磁場からの影響を受けることもない。また、この発明では、注入するスピンの極性をソース・ドレイン間のバイアス電圧を変えることにより、容易に制御することができる。
【００６４】
スピン・トランジスタ等のスピン・デバイスの性能はスピン偏極率に依存し、理想的には１００％スピン偏極した電子であることが望まれる。また、量子コンピューターの構成要素となる量子ビットを電子のスピンを用いて実現した場合、量子ビットの量子力学的状態は、スピン・アップの波動関数とスピン・ダウンの波動関数の重ね合わせで表されるので、量子ビットの量子力学的状態と１００％スピン偏極した電子を相互作用させることにより、量子ビットの量子力学的状態を知ることができる。さらに、これと同様の原理は、量子暗号、量子情報、量子テレポーテーションなどの技術分野にも応用可能である。以上の理由により、この発明は、これらのスピン・デバイスの実現にとって、非常に重要な位置を占める。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による半導体スピンフィルターを示す構造模式図である。
【図２】  図１の半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図３】  図１の半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図４】  図１で示した三重障壁構造におけるスピンに依存したトンネル電流を示す図である。
【図５】  実施の形態２による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図６】  実施の形態２による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図７】  実施の形態３による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図８】  実施の形態３による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図９】  実施の形態４による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１０】  実施の形態４による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１１】  実施の形態５による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１２】  実施の形態５による半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１３】  参考例にかかる半導体スピンフィルターを示す構造模式図である。
【図１４】  同参考例にかかる半導体スピンフィルターのポテンシャル模式図である。
【図１５】  従来の技術による強磁性体金属から半導体二次電子気体へのスピン注入を示す斜視図である。
【図１】
0004017095.tif 000013
【図２】
0004017095.tif 000014
【図３】
0004017095.tif 000015
【図４】
0004017095.tif 000016
【図５】
0004017095.tif 000017
【図６】
0004017095.tif 000018
【図７】
0004017095.tif 000019
【図８】
0004017095.tif 000020
【図９】
0004017095.tif 000021
【図１０】
0004017095.tif 000022
【図１１】
0004017095.tif 000023
【図１２】
0004017095.tif 000024
【図１３】
0004017095.tif 000025
【図１４】
0004017095.tif 000026
【図１５】
0004017095.tif 000027