電界放出型フォトカソードを用いるスピン偏極電子源の開発,A)

桑 原 真 人 1 、 中 西 彊 A) 、山口浩一 B) 、三浦 健 B) 、堀中博道 C) 、奥見正治 A)、香月真澄 A)、和田公路 A)、
古田史生 A)、西谷智博 A)、山本将博 A)、杉山陽栄 D)、宮本延春 A)、山本尚人 A)、浪花健一 A)、小早川
久 D)
A)

名古屋大学大学院 理学研究科

B)

電気通信大学大学院 工学研究科C)D)〒464-8602〒182-8585

大阪府立大学大学院 工学研究科

名古屋大学大学院 工学研究科

愛知県名古屋市千種区不老町
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大阪府堺市学園町1-1

愛知県名古屋市千種区不老町

FEA は 、 先 端 の 尖 っ た ニ ー ド ル 形 状 を し た も の が数 十µm間隔で配列したものである。そして、ひと高輝度・低エミッタンスのスピン偏極電子源はつのニードルは数µmオーダーの大きさであり、そリニアコライダーに必要不可欠であり、我々はすの 先 端 曲 率 半 径 は 数 十 nm〜 数 nmという小さな構で に GaAs-GaAsP超格子フォトカソードなどの開発造を持ったマイクロデバイスである。電界の集中により高偏極度、マルチバンチビーム生成等に成は先端部で最大になり、その先端曲率半径が小さ功している。しかしこの偏極電子源はNEA表面をいほど電界が強くなっていく。この電界により、必須とするために常に寿命問題を抱えており超高先端の非常に狭い領域から大きな電流密度のビー真空や電界放出暗電流の削減に最先端技術が求め
ム を 引 き 出 す こ と が で き る 。 GaAsで作られたFEAられる。そこで、我々は別の可能性を有するものに、円偏光レーザーを照射してニードル先端からと し て 、 NEA 表面を必要としない方法の開発を開
電子を真空中に引き出せば、偏極したビームでか始した。それは、ニードル状の微小領域から電界放出機構を利用してビームを取り出すものである。 つビームの断面積も小さいものができるはずである。すなわち、低エミッタンスビーム生成の可能
そ の 一 歩 と し て 、 ま ず ピ ラ ミ ッ ド 状GaAsからの性 を 示 し て い る 。 FEA は電界で引き出すためPEAレーザー励起・電子ビームの引き出しを試みた。
（Positive Electron Affinity）表面からでも電子の引その電界放出特性について報告する。
き 出 し が で き る 。 こ れ に よ り 、 NEA表面寿命問題が回避できると考えている。
１．はじめに概要

我 々 は 、 GLC計画において重要な役割を果たす偏極電子源の開発研究を行ってきた。偏極電子の生 成 は 、 GaAs 系 半 導 体 フ ォ ト カ ソ ー ド に 円 偏 光
レーザーを照射し、特定のスピンの電子を選択的に価電子帯から伝導帯へ励起する。この励起電子は拡散して、NEA（Negative Electron Affinity：負の電子親和性）表面より真空中へと引き出される。
GLC計 画 の よ う な リ ニ ア コ ラ イ ダ ー や 高 輝 度 のFEL（ 自 由 電 子 レ ー ザ ー ） 、 第 四 世 代 放 射 光 源 な
どでは、大電流で低エミッタンスの電子ビームが必要とされている。この実現のために、空間電荷制限効果を抑制し、電子を速やかに加速する必要がある。しかしながら、印加電圧を高めることでカソード電極より発生する電界放出暗電流が、アノード電極に衝突して不純物の放出を招く。これにより、イオンバックボンバードメントを起こし、破 壊 さ れ や す い NEA状態が劣化する。すなわち、NEA表面寿命問題を誘発する。
これを克服するために、本研究ではフィールドエミッションを利用することとし、フィールドエミッタとしてGaAs-FEAを用いる実験を行った。

1

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

図１：FEA用高電界印加装置の全体図

DarkCurrent(afterNEA)
DarkCurrent(beforeNEA)

DarkCurrent [nA]400300200100022.533.544.5Gap [mm]る。
アノード・
図５：電極の電界特性（@20kV印加）
図１に、この実験に使用した装置を示す。
カソード間電この装置は、励起レーザー光をフォトカソード
圧 20kV（セラミックスの耐圧）下で、電極間距離に垂直入射して、カソード表面中心部に高電界をを変えたときの暗電流測定を行った。カソードに、印加し、電子ビームを引き出す構造をとっている。
Cs 付加前後で電界特性を測定した結果、付加前は装置は超高真空にした状態で、フォトカソード表暗 電 流 が gap2mm 以 上 で 0.1nA 以 下 、 付 加 後 は面をアニールにより洗浄できる。また、カソード
gap3.2mm以 上 で 0.1nA以下であった。図５にその結果を示す。よって、この装置では印加電界強度を4.8MV/m（@20kV,gap3.2mm）までかけることができる。

２．装置

2.2 超高真空

図２：装置の電極周辺断面図の 真 空 準 位 を 下 げ る Cs と O2 （NF3）添加も可能である（NEA表面作成可能）。

2.1 高電圧印加部（電極）フォトカソードとアノード電極間の距離は可変である。電極形状の決定には、シミュレーション
コ ー ドEGUNにより電極間距離5mmのときのビーム軌 道 計 算 を 行 い 、 且 つ 電 界 計 算 コ ー ド POISSONにより電極表面電界を計算した。この計算により、暗電流の要因となる過度の高電界が電極表面にかからないように最適な電極形状を決定した。電極作成では、電極材料として炭素含有量が少なく真空 特 性 が 良 い ス テ ン レ ス 鋼SUS316Lを使用した。
これは電極特性においても良い結果が得られているものである。超精密NC旋盤により切削後、電解複合研磨を施すことにより表面処理を行った。

超高真空生成のため、装置全体をボックスに入れ 、200℃で50時間ベーキングを行った。スパッタ
イ オ ン ポ ン プ お よ び NEGポンプを併用して本排気を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 真 空 度 は 6×10-9Paの超高真空を得ている。また、この真空度は清浄なNEA表面の作成・維持も可能にしている。

2.3 その他
Cs供給にはSAES-getters社のCs-Dispenserを使用した 。 O2 ま た は NF3 は 本 体 に つ い た バ リ ア ブ ル リ ーク バ ル ブ （ 10-9Pa台 の リ ー ク 量 調 整 可 能 ） に よ り
真空容器内に導入する方式をとった。
励起用光源はTi:Sapphire CWレーザーを使用した。
Ti:Sapphire レ ー ザ ー は 、 励 起 光5W(@532nm)にて波長 730nm〜 950nm、 パ ワ ー 550mW(@820nm) を出力するものである。このレーザー光を、マルチモード光ファイバーで装置手前まで輸送する。レンズで絞り、グラントムソン偏光子、1/4波長板を通すことで、円偏光にしている。ビューイングポートを介して真空中に入射し、結晶表面に照射する。

３．フォトカソード
結晶基板は、中央部分にニードル領域が存在する構造になっている（図６左）。ニードルはそれぞれ、20µm間隔で配列されている（図６右）。
0.001

図３：カソード・アノード電極（研磨後）Q.E.

フ ォ ト カ ソ ー ド 結 晶 は 、 ヒ ー タ ー 付 き の Mo製
ロ ッ ド に 装 着 し 、 Taのキャップにより固定する。
その上よりカソード電極を付ける構造になってい0.00080.00060.00040.0002

図６：結晶外観（左）とニードル領域のSEM像
01.45
1.5
1.55
1.6（右）
1.651.7
このフォPhoton Energy [eV]トカソード
図８：光電流の励起エネルギー依存特性は以下の工

図４：カソード部品構成

程により作成される。ニードル域を作るため、初めに中央部以外をエッチングにより削り落とす。その後ニードルを作成する。作成方法は、レジストをスピンコートさせた上にレジストパターンマスクをし、露光させる。次に現像を行い、エッチングパターンの膜を基板表面に焼き付ける。リン酸系エッチャントによりウェットエッチングを行い、ニードル形状を得る。これは、異方性エッチングであり 、 形 状 は ピ ラ ミ ッ ド 型 に な る [1]。ここで、結晶基 板 に は p 型 GaAs（ Znドープ 〜2×1019cm-3）を使用している。なお、今回使用した結晶は、電気通信大学電子工学科の山口研究室にて作成したものである。

４．測定と結果
4.1 フォトカソード表面処理
GaAs-FEA 結 晶 は HCl飽 和 イ ソ プ ロ パ ノ ー ル 溶 液
リ ン ス [2] により酸化膜除去を行い、装置にインストールする。超高真空下で結晶の加熱洗浄（ 550℃ で 1時間）を行い、結晶表面を清浄な状態にした。

4.2 電界-電流特性の測定と結果
高電界印加装置で最大電界を印加したが、光電流は観測されなかった。そのため、Cs付加により
真 空 準 位 を 下 げ つ つ も 、 PEA 表 面 状 態 で 測 定 を行っている。図７に結果を示す。
-46
Q.E. 5.3e-8
Q.E. 1.4e-6ln(I/E^2) :I[A],E[V/m]-47

界による表面トンネル確率のエネルギー依存を示すことがわかった。ニードル形状を持たないGaAs
表 面 の PEA 状態では、今回の結果のような1.6eV付近の急激な変化は起こさない。従って測定結果は、励起電子が真空障壁を越えた事による増加ではなく、トンネル効果によるものであることを示している。

５．まとめと今後の方針
こ の 実 験 は 、 GaAsニードルからの励起電子を電界放出により引き出すことが可能であることを示した。今後さらに、偏極度測定を行い、引き出し
電 子 ビ ー ム が 偏 極 し た状態であることを確認し、減偏極効果がどれだけなのかも測定する予定である。
今 回 は Cs の 付 加 に よ り 真 空 準 位 を 引 き 下 げ た
PEA 状 態 に し な け れ ば な ら な か っ た 。 こ れ は 、 形状因子による電界増倍効果がまだ不十分であることを示している。ニードル形状からシミュレー
シ ョ ン に よ り 求 め た 電 界 増 倍 係 数 は 8であった。と こ ろ がCs付加を用いないフィールドエミッターと し て は 100以 上 の 増 倍 係 数 が 必 要 と 推 測 さ れ る 。
このため、現在われわれはGaAsニードルにカーボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ （ CNT）をつけ、その先端より偏極電子を取り出す試みを開始している。これは、CNTの高アスペクト比を利用して、電界増倍効果を 高 め る も の で あ る 。 こ の 手 法 に は 、 CNT中のス
ピ ン 輸 送 現 象 の 解 明 や 、 GaAsとCNTの接触抵抗の軽減など未解決の課題は多いが、将来的には大変興味あるものである。

参考文献-48-49[1] K.Yamaguchi and S.Tada : “ Fabrication of GaAs

-50-51-52-53
1.5 10-7 2 10-7 2.5 10-7 3 10-7 3.5 10-7 4 10-7 4.5 10-7 5 10-7

1/E :E[V/m]図７：光電流の電界特性（F‑Nプロット）
こ の 図 に は 、 量 子 効 率 （Q.E.）の違う二つのサンプルを示した。いずれのサンプルにおいても高電 界 印 加 の 下 で は 、 F-Nプロットにおいて右下がりの直線にのる結果を得た。この結果から光電流が電界放出により引き出されていることが分かる。

4.3 量子効率の波長依存測定の結果量子効率のレーザー波長依存について測定した。
図 ８ に 結 果 を 示 す 。 測定は-20kV印加、gap=5.34mmの 高 電 界 印 加 状 態 （ 約 2.9MV/m）を一定に保ったまま、レーザー波長を変えていった。図８は横軸に励起光子エネルギーをとり、縦軸はQEを示し、実 線 は WKB近似により求めたトンネル確率の関数でフィットされた曲線である。測定結果は、高電Microtips for Scanning Tunneling Microscopy by
Wet Etching “, J. Electrochem. Soc., Vol.143, No.8
(1996) pp.2616-2619[2] O.E.Tereshchenko,”Composition and structure of HClisopropanol treated and vacuum annealed GaAs(100)surfaces”,J.Vac.Sci.Technol.A 17(5)