高い偏極度、量子効率を併せ持つGaAs-GaAsP歪み超格子フォトカソードの開発西谷,A)

智博1古田B)、渡辺A)

史生 、宮本将博 、中西A)

延春 、桑原B)

高嶋A)

修 、山本

圭史 、竹田A)彊 、奥見A)尚人 、浪花D)

俊宏 、堀中真人 、山本B)

美和 、坂A)正治 、渡川貴 、加藤C)A)

和晃 、田中仙君 、A)

健一 、小早川A)E)

博道 、松山F)

名古屋大学大学院

理学研究科〒464-8602 愛知県名古屋市千種区不老町

B)

名古屋大学大学院

工学研究科〒464-8603 愛知県名古屋市千種区不老町

理化学研究所

播磨研究所

D)

大同工業大学

E)

大同特殊鋼
F)

工学部

〒679-5148 兵庫県佐用郡三日月町光都1-1-1〒457-8530 愛知県名古屋市南区滝春長10-3

技術開発研究所

大阪府立大学F)

哲也

A)

C)

B)

久 、

工学部

〒457-8545 名古屋市南区大同町2-30〒599-8531 大阪府堺市学園町1-1

異なる摂動エネルギーを与えることによる縮退の分離(歪み結晶)、2)バンドギャップの違う異種半導体を幾層も重ねることで多重量子井戸構造を形成し、量次世代のリニアコライダー（GLC）計画において、子閉じ込め効果による縮退の分離(超格子構造結晶)に超対称性粒子探索に偏極電子ビームは重要な役割を[1]担うことが期待されている 。これには、高い偏極度、 着目し、歪みGaAsフォトカソード（偏極度86%、量子効率0.1%）やGaAs-AlGaAs超格子構造フォトカソー
高い量子効率、マルチバンチビーム生成等の性能が[2]ド（偏極度68%、量子効率0.9%）を開発してきた 。
必要とされる。そこで我々は、バンドオフセットの更にGaAs-AlGaAs超格子構造フォトカソードでは量子利 点 に 着 目 し た GaAs‐GaAsP歪み超格子フォトカ
効率が高く、歪みGaAs構造では偏極度が高くできるソード開発を始めた。現在までに名古屋大学大学院
ことに着眼し、我々はこれら二つの効果を兼ね備え工学研究科で試作した結晶で偏極度92％、量子効率た歪み超格子構造フォトカソードとして、InGaAs0.5％という従来のInGaAs-AlGaAs歪み超格子フォトカ
GaAs歪み超格子フォトカソード（偏極度91％、量子ソードの性能に優るとも劣らぬ性能を達成できた。
効率0.004％）、InGaAs-AlGaAs歪み超格子フォトカ
更に表面電荷制限効果を受けることなくサブナノ秒マルチバンチビームが生成できることも確認できた。 ソード（偏極度80％、量子効率0.7％）の開発を行っ[2]てきた 。また、NEA表面電荷制限現象克服問題においては高い表面不純物密度を持つ超格子フォトカ
１．はじめにソードを用いると空間電荷制限のマルチバンチ偏極
GLC計画では偏極電子源フォトカソードに高い偏極電子ビームの引き出しが可能であることを実験で明[3]度（>90％）、高い量子効率、NEA表面電荷制限現象らかにした 。
[1]のないマルチバンチ電子ビームの引き出しできる性
本 研 究 で は 、 NEA 表面電荷制限現象が起きず、能が要求される。
InGaAs-AlGaAs歪み超格子構造フォトカソードより高GaAs型フォトカソードからの偏極電子ビームは、性能な歪み超格子構造フォトカソードとして、GaAs二つの重要な原理に基づいて生成される。1)バンドGaAsP歪み超格子フォトカソードの開発を追求した。
ギャップに相当する光子エネルギーを持った円偏光
GaAsPはバンドギャップを大きくとることで高い量子レーザーを照射することにより、価電子のスピン状効率が期待できる。また障壁層にこれまでの伝導帯態を選択して伝導帯に励起する。2)p型の不純物を混軌道を形成するⅢ族（Al、In）原子を混晶する代わり入した結晶表面を清浄化して、下方へのバンドベンに価電子帯軌道を形成するⅤ族（P）原子を混晶するディングを生じさせ、更にセシウム原子と酸素原子ことで、従来の超格子より井戸層、障壁層界面でのを蒸着して、真空準位を伝導帯より低い状態
価電子帯バンドオフセットを大きくし、重い正孔と（Negative Electron Affinity -NEA-）にした表面から偏軽い正孔の分離幅（エネルギースプリッティング極電子を引き出す。
δ）を大きくとることにより高い偏極度が期待でき50% を超えるスピン偏極度を達成するためには、価る。
電子帯のスピン状態の縮退をエネルギー的に分離する必要がある。Zinc-Blende型半導体であるGaAsでは、
２．G a A s ‑ G a A s P 歪み超格子フォトカソード
Γ点において重い正孔、軽い正孔準位の縮退のため
実 験 に 使 用 し た GaAs-GaAsP歪み超格子フォトカ最高偏極度が50％に制限される。100％近くスピンのソードサンプルSLSP-1、-2、-3の断面模式図を図１に偏極した電子を引き出すため、我々は、この縮退を示す。
解く方法として、1)格子不整合により結晶に歪みを加えることで、重い正孔と軽い正孔に対してそれぞれ概要

1E-mail: nisitani@spin.phys.nagoya-u.ac.jp

NEA 表面電荷制限を回避するために最表面のGaAs層（層厚5 nm）だけ6×1019cm-3と1桁大きい値に選び、電子放出過程におけるスピン減偏極を抑えるために超格子内部の不純物密度は1.5×1018cm-3と表面高ドープ層より低い値に選んだ。本サンプルは名古屋大学大学院工学研究科のMOCVD装置を用いて作製した。

３．実験結果と考察
3.1 偏極度と量子効率

図1 GaAs-GaAsP歪み超格子フォトカソードの断面図（SL pair：超格子組数、LW,B：井戸、障壁層厚）
これらのサンプルは比較的大きい価電子帯バンドオフセット値を持つため（Qv=0.60）、量子閉じ込め効果による重い正孔、軽い正孔準位の縮退分離（δ）が大きくできる。また、量子井戸のGaAs層に約1% の歪みがかかっており、歪による縮退分離効果が加算的に働くので、高い偏極度を期待することができる。Kronig-Penny-Bastard モデルによる計算結果を表1に示す。サンプルはδが80meV以上と見積もられた。また、バンドギャップが大きいため（Eg=~1.6eV）、高い量子効率も同時に得られると期待される。
表1 バンドギャップ(Eth)と縮退の分離幅δ
Eth(eV)δ(meV)SLSP-11.6283SLSP-2
1.6194SLSP-31.6283

100

フォトカソードの基本特性である偏極度と量子効率の測定結果を表2に、SLSP-3の偏極度、量子効率の励起波長依存のグラフを図2に示す。全てのサンプルで偏極度〜90% 、量子効率>0.3%が得られ、高い偏極度と高い量子効率の両立が実現できることを確認した。特に、分離幅δが最も大きいと期待できるSLSP2で、サンプル中で最も高い偏極度が得られた。また、
SLSP3は超格子の組数が他のサンプルの2倍であるにもかかわらず高い偏極度で、最も高い量子効率を得た。
表2 最大偏極度になる励起レーザー波長での偏極度と量子効率偏極度
量子効率
励起レーザー(%)(%)
エネルギー(eV)SLSP-1870.3
1.61
SLSP-2920.51.59
SLSP-3890.71.60
また、SLSP-1についてダブルバンチ電子ビーム生成
実験では、NEA 表面電荷制限が起こらずに空間電荷[5]制限のビームの引き出しを達成した 。更に、UVSOR
BL5A (OKAZAKI, JAPAN)でSLSP-2を用いた放射光によるXPS実験でNEA 表面電荷制限現象の原因となる
Surface Photovoltage Effectの観測を行い、超格子フォトカソードに対してSurface Photovoltage Effect の強い[6]抑制効果があることを確認した 。

100100200700

750800

Wavelength(nm)図21E-5850

1E-3401E-4200700

750800

Wavelength(nm)1E-5850

Polarization(%)

1E-4608060

1E-3QE4080

QE

1E-3

Polarization(%)

80600.010.01QE

Polarization(%)

0.01

401E-4200700750800

Wavelength(nm)GaAs-GaAsP歪み超格子フォトカソードから引き出した偏極電子ビームの偏極度と量子効率のレーザー波長依存性

1E-5850

Polarization(%)

GaAs型フォトカソードでは、高い偏極度を得るた
めに価電子帯での重い正孔、軽い正孔準位の縮退分離（δ）は重要なパラメータとなる。そこで、偏極度、量子効率のデータを読み代え、右巻き、左巻きスピン電子の量子効率スペクトルを導出した。これらが重い正孔、軽い正孔準位からの励起電子スペクトルにほぼ対応していると見なして、それぞれの量子効率スペクトルの立ち上がり励起エネルギーの間隔を見積ることにした。
図3にSLSP-2の右巻き、左巻きスピン電子の量子効率（QEL 、QER ）とそれぞれの微分スペクトルを示す。
SLSP-2は、バンド構造の計算結果から今回のサンプルの中で最もδが大きいと期待できる。微分スペクト
ルのピークからQEL 、QERの立ち上がりを見積った。
それぞれの微分スペクトラムピークのエネルギー間
隔 は 〜 60meVと 大 き く 、 dQEL/dE の ピ ー ク で は 、dQER/dEとの重なりが殆ど見られない。これは、重い正孔、軽い正孔準位が十分に分離しているためであると考えられる。

100

GaAs‑AlGaAs超格子
歪みGaAs結晶
InGaAs‑AlGaAs歪み超格子
GaAs‑GaAsP歪み超格子

9080
7060500102030δ'(meV)

405060

図4 偏極度とδ’の相関
100

歪みGaAs結晶
InGaAs‑AlGaAs歪み超格子
GaAs‑GaAsP歪み超格子9080

δ'(meV)

3.2 右巻き、左巻きスピン電子の量子効率

7060504030

Q EL
QE

R30

1E-3QEL,R

dQEL,R /dE

1E-41E-51540

1560

1580

1600

1620

1640

1660Excitation Energy(meV)

図3 SLSP-3から得られたUp-spin,Down-spin電子の量子効率と微分スペクトラム

40506070δ(meV)

8090100

図5 δ’とδの相関生成の性能について試験を行った。
SLSP-2、SLSP-3のテストサンプルでこれまでにない高い偏極度（〜90％）、高い量子効率（>0.5％）を同時に達成できた。また、GaAs-GaAsP歪み超格子フォトカソードはsurface photovoltage effect現象の抑制が強く、NEA 表面電荷制限現象のないダブルバンチ電子ビーム生成を達成できることを確認した。
これらの成果から、GaAs-GaAsP歪み超格子フォトカソードが、リニアコライダーの要求を満たす有望な偏極電子源結晶であることが実証された。

次に右巻き、左巻きスピン電子の量子効率の微分
参考文献
スペクトラムのそれぞれのピーク間隔をδ’とし、こ[1] GLC group, GLC Project Report (2003) 139
れまで開発したフォトカソードとGaAs-GaAsP歪み超格子テストサンプルの偏極度とδ’の相関を図4に示す。 [2] T. Nakanishi et al., 7th Polarized Gas Targets andPolarized Beams, AIP. Conf. Proc. 421 (1997) 300
GaAs-GaAsPひずみ超格子フォトカソードテストサン[3] K. Togawa, et al., Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res.
プ ル は 他 の フ ォ ト カ ソ ー ド に 比 べ δ ’が大きく
A414 (1998) 431（>45meV）、85 %以上の偏極度が期待できると考え[4] Y. Kurihara, et al., Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res.
られる。更にδ’と理論計算から出されたδとの相関
A313 (1992) 393
を室温エネルギー（~25meV）以上のδを持つフォト[5] K. Togawa, et al., Proceedings of the 25th Linear
カソードについて図5に示す。δは40meV付近からδ’Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji,との差が大きくなる傾向がある。この原因についてJapan) [12P-09]
は更に考察を進めている。
[6] S. Tanaka, et al., Submitted to J. Appl. Phys.

４．まとめ
GaAs-GaAsP歪み超格子フォトカソードでのGLC計画が要求する偏極度、量子効率、バンチ電子ビーム