実施例1は、図4に示すように、GaP 基板と 、GaAsP/GaAs歪み超格子層を用いたスピン偏極� �子発生素子である。すなわち、GaP から成る 基板10上に、厚さ500nm のGaAsから成る中間層20 が形成され、その上に、厚さ1 μm のバッフ� ��層30が形成され、そのバッファ層30の上に歪 み超格子層40が形成され、その歪み超格子層4 0の上に、厚さ5nm のキャップ層50が形成され� ��いる。

 この構造は、高偏極度、高輝度のスピン偏� ��電子源を目的として設計された透過型歪み� ��格子半導体フォトカソードである。歪み超� ��子層40は、理論計算に基づき、図4のように� ��計された。すなわち、バッファ層30は、Znが 濃度1.5 ×10 ¹⁸ cm ^-3 に添加された厚さ1 μm のGaAs _0.65 P _0.35 で構成されている。また、歪み超格子層40は� ��厚さ4.3nm のGaAsから成る井戸層401と、厚さ4. 3nm のGaAs _0.65 P _0.35 から成る障壁層402を1組として、12組で構成さ れており、総合厚さは103.2nm である。また、 井戸層401と障壁層402には、共に、Znが濃度1.5� �×10 ¹⁸ cm ^-3 で添加されている。これは、p型半導体とし� �、励起された電子を少数キャリアとするた� �である。そして、歪み超格子層40の上には、 厚さ5nm のZnが濃度6 ×10 ¹⁹ cm ^-3 で添加されたGaAsから成るキャップ層50が形成 されている。

 この構造から計算されるバンド構造を図2 に示す。この構造では、重い正孔バンドと、 軽い正孔バンドの分離幅が107 meV であり、� �論的には100%のスピン偏極度が期待できる。� ��た、バンド構造から偏極電子の励起には、7 80nm 程度の励起光波長が最適であることがわ かる。ここで、透過型スピン偏極電子発生素 子を想定する場合、基板が780nm の光を透過� �る必要があり、基板10としてはGaP を選択す� ��こととなる。この場合、バッファ層30の格� �定数は0.558 nmであるのに対して、基板10の格 子定数は0.539 nmとなるため、バッファ層30の� ��晶の方が、基板10の結晶よりも格子定数が� �きくなる。このため、バッファ層30を基板10� ��上に直接、成長させた場合には、バッファ� ��30には、圧縮歪みがかかる。この圧縮歪み� �引張歪みに変化させて、高偏極度を得るた� �には、本発明の要部である中間層20が必要と なる。本発明の設計指針にしたがって、本構 造では中間層20として厚さ500nm のGaAs層を導� �した。上記組成のバッファ層30と中間層20と� ��組み合わせでは、バッファ層の臨界膜厚は� ��式(7) に基づき、7nm である。しかし、バッ ファ層30が歪み超格子の厚さに対して薄すぎ� ��と、歪み超格子に掛かるべき歪みがバッフ� ��層に掛かって好ましくないという理由から� ��バッファ層の厚さは歪み超格子の厚さの10� �程度が望ましいので、バッファ層の厚さを1� ��クロンとした。この厚さの違いにより、約9 0%の歪みが歪み超格子に掛かり、バッファ層� ��は約10%の歪みが掛かることになる。バッフ� ��層の厚さは、素子全体の大きさが大き過ぎ� ��い範囲であれば、いくらでも厚くて構わな� ��。

 図5に、バッファ層の表面のAFM 像を示す� ��図5(b)は、GaP 基板に直接GaAsP バッファ層を 積層した場合のバッファ層表面のAFM 像、図5 (a)は、GaP 基板上に、GaAs中間層を成長させて 、その中間層上にGaAsP バッファ層を成長さ� �た場合のバッファ層表面のAFM 像である。中 間層が介在されている場合には、図5(a)から� �らかなように、大きなクラック状の欠陥が� �られ、さらにその間隔は0.5 ~1 μm 程度ある ことが確認できている。クラック密度として は、圧縮歪みにより生じた転位密度よりも低 い。

 このバッファ層30の上に設計した歪み超格� �層40を形成し、さらに、その上に、高Znドー� ��GaAsから成るキャップ層50を形成後、表面をC s:O蒸着によりNEA 表面を形成した。これは、� ��事関数を小さくして、電子を真空中に取り� ��し易くするためである。この構造のスピン� ��極電子発生素子の基板10の裏側からの励起� �照射により、偏極度測定を行った。その結� �を図6に示す。横軸は励起光波長、縦軸はス� ��ン偏極度である。GaAs中間層を導入しなかっ たものは、最大偏極度で70% 以下と非常に低� ��値となっている。それに対して、GaAs中間層 を導入したものは90% の偏極度を達成してい� ��ことがわかる。本実施例において、中間層� ��望ましい厚さは、370nm以上500nm以下である。 中間層の厚さが、370nmよりも薄いと、バッフ� ��層の歪みに対する中間層の歪みを5%よりも� �さくすることができないので、望ましくな� �。また、中間層の厚さは、基板の裏面から� �起光を導入する場合に、光損失を低減する� �めに、なるべく薄い方が望ましい。中間層� �500nmよりも厚いと、光損失が大きくなり、望 ましいくない。さらに、望ましくは、370nm以� ��400nm以下である。
この実施例において、バッファ層は、中間層 の格子定数よりも格子定数が小さく、歪み超 格子層の少なくとも井戸層の格子定数よりも 小さい格子定数を有する結晶であれば、任意 組成比のGaAsP(2元を含む)を用いることででき� ��歪み超格子層も任意組成比のGaAsP/GaAsP超格� �を用いることができる。また、中間層も、� �子定数の上述した関係を満たすのであれば� �GaAsP、GaInP, GaInAs(いずれも2元系を含む)を用� ��ることができる。基板には、GaP、その他の� ��板を用いても良い。

 実施例2は、図7に示すように、GaAs基板と� ��GaInP/GaInAs歪み超格子層を用いたスピン偏極� ��子発生素子である。電子源の目的によって� ��、フォトカソードから取り出せる電流を大� ��くする必要がある。その一つの方法は、励� ��光のパワーを大きくすることである。また� ��電子顕微鏡への応用などを想定した場合、� ��型のレーザーではなく、小型で汎用性の高� ��半導体レーザーの利用が有効である。半導� ��レーザーにおいては、発光波長900 ~1000nmで� ��W の出力を持つ汎用品が多く存在する。し� ��がって、この波長域の励起光により電子が� ��起される歪み超格子の利用が有効である。� ��た、小型化のためには透過型が必須である� ��

 図7に示すように、本実施例のスピン偏極電 子発生素子は、GaAsから成る基板11上に、厚さ 500nm のInAsから成る中間層21が形成され、そ� �上に、厚さ1 μm のバッファ層31が形成され� ��そのバッファ層31の上に歪み超格子層41が形 成され、その歪み超格子層41の上にキャップ� ��51が形成されている。バッファ層31は、Znが� ��度1.5 ×10 ¹⁸ cm ^-3 に添加された厚さ1 μm のGa _0.4 In _0.6 Pで構成されている。また、歪み超格子層41は 、厚さ4nm のGa _0.4 In _0.6 Asから成る井戸層411と、厚さ4nm のGa _0.4 In _0.6 P から成る障壁層412を1組として、12組で構成 され、総合厚さは、96nmである。また、井戸� �411と障壁層412には、共に、Znが濃度1.5 ×10 ¹⁸ cm ^-3 で添加されている。そして、歪み超格子層41� ��上には、厚さ5nm のZnが濃度6 ×10 ¹⁹ cm ^-3 で添加されたGaAsから成るキャップ層51が形成 されている。

 この構造のスピン偏極電子発生素子は、900- 1000nmの励起光で励起される。この波長範囲の 光を透過する基板としては、GaAs基板が適切� �ある。しかし、この場合も、バッファ層の� �子定数は基板の格子定数よりも大きくなる� �そのため、本発明による中間層が有効とな� �。このような汎用な高強度半導体レーザー� �利用は、これまでも望まれてきたが、本発� �によって、高い偏極度を維持したまま、初� �て実現できる構造である。上記組成のバッ� �ァ層31と中間層21との組み合わせでは、バッ� ��ァ層の臨界膜厚は、式(7) に基づき、1nm で ある。しかし、バッファ層31が歪み超格子の� ��さに対して薄すぎると、歪み超格子に掛か� ��べき歪みがバッファ層に掛かって好ましく� ��いという理由から、バッファ層の厚さは歪� ��超格子の厚さの10倍程度が望ましいので、� �ッファ層の厚さを1ミクロンとした。この厚� ��の違いにより、約90%の歪みが歪み超格子に� ��かり、バッファ層には約10%の歪みが掛かる� ��とになる。バッファ層の厚さは、素子全体� ��大きさが大き過ぎない範囲であれば、いく� ��でも厚くて構わない。
 本実施例において、中間層の望ましい厚さ� ��、250nm以上、500nm以下である。
 中間層の厚さが、250nmよりも薄いと、バッ� �ァ層の歪みに対する中間層の歪みを5%よりも 小さくすることができないので、望ましくな い。また、中間層の厚さは、基板の裏面から 励起光を導入する場合に、光損失を低減する ために、なるべく薄い方が望ましい。中間層 が500nmよりも厚いと、光損失が大きくなり、� ��ましいくない。さらに、望ましくは、250nm� �上400nm以下である。この実施例において、バ ッファ層は、中間層の格子定数よりも格子定 数が小さく、歪み超格子層の少なくとも井戸 層の格子定数よりも小さい格子定数を有する 結晶であれば、任意組成比のGaInP(2元を含む)� ��用いることででき、歪み超格子層も任意組� ��比のGaInP/GaInP超格子を用いることができる� �また、中間層も、格子定数の上述した関係� �満たすのであれば、GaAsP、GaInP, GaInAs(いずれ も2元系を含む)を用いることができる。基板� ��は、GaAs、その他の基板を用いても良い。

 実施例3は、図8に示すように、GaN 基板と、 GaN/GaInN 歪み超格子層を用いたスピン偏極電� ��発生素子である。図8に示すように、本実施 例のスピン偏極電子発生素子は、GaN から成� ��基板12上に、厚さ500nm のInN から成る中間� �22が形成され、その上に、厚さ1 μm のバッ� ��ァ層32が形成され、そのバッファ層32の上に 歪み超格子層42が形成され、その歪み超格子� ��42の上にキャップ層52が形成されている。バ ッファ層32は、Mgが濃度1.5 ×10 ¹⁸ cm ^-3 に添加された厚さ1 μm のGaN で構成されて� �る。また、歪み超格子層42は、厚さ4nm のGa _0.8 In _0.2 N から成る井戸層421と、厚さ4nm のGaN から� �る障壁層422を1組として、12組で構成され、� �合厚さは、96nmである。また、井戸層421と障� ��層422には、共に、Mgが濃度1.5 ×10 ¹⁸ cm ^-3 で添加されている。そして、歪み超格子層42� ��上には、厚さ5nm のMgが濃度6 ×10 ¹⁹ cm ^-3 で添加されたGa _0.7 In _0.3 N から成るキャップ層52が形成されている。

 一般に、バンドギャップが大きいほど、フ� ��トカソード表面からの電子の取出しが容易� ��なり、量子効率が良くなることが知られて� ��る。また、寿命も長くなることが知られて� ��る。そのため、ワイドバンドギャップ材料� ��期待されている。この材料系で、結晶性な� ��を考慮したときに最も実現可能な超格子層� ��、GaN/GaInN である。また、基板にはGaN かAlN  を用いることになり、やはりこの場合も、� ��ッファ層の格子定数は基板の格子定数より� ��大きくなる。そのため、本発明による中間� ��が有効となる。上記組成のバッファ層31と� �間層21との組み合わせでは、バッファ層の臨 界膜厚は、式(7) に基づき、1nm である。し� �し、バッファ層31が歪み超格子の厚さに対し て薄すぎると、歪み超格子に掛かるべき歪み がバッファ層に掛かって好ましくないという 理由から、バッファ層の厚さは歪み超格子の 厚さの10倍程度が望ましいので、バッファ層� ��厚さを1ミクロンとした。この厚さの違いに より、約90%の歪みが歪み超格子に掛かり、バ ッファ層には約10%の歪みが掛かることになる 。バッファ層の厚さは、素子全体の大きさが 大き過ぎない範囲であれば、いくらでも厚く て構わない。
本実施例において、中間層の望ましい厚さは 、85nm以上、500nm以下である。中間層の厚さが 、85nmよりも薄いと、バッファ層の歪みに対� �る中間層の歪みを5%よりも小さくすることが できないので、望ましくない。また、中間層 の厚さは、中間層で吸収する波長の励起光を 基板の裏面から導入する場合に、光損失を低 減するために、なるべく薄い方が望ましい。 たとえば、波長430mmを用いる場合には、中間� ��が500nmよりも厚いと、光損失が大きくなり� �望ましいくない。さらに、望ましくは、85nm� ��上400nm以下である。この実施例において、� �ッファ層は、中間層の格子定数よりも格子� �数が小さく、歪み超格子層の少なくとも井� �層の格子定数よりも小さい格子定数を有す� �結晶であれば、任意組成比のAlGaN, GaInN(いず れも2元系を含む)を用いることででき、歪み� ��格子層も任意組成比のAlGaN/AlGaN超格子、GaInN /AlGaNの超格子を用いることができる。また、 中間層も、格子定数の上述した関係を満たす のであれば、GaInN、AlGaN, AlGaInN(いずれも2元� �を含む)を用いることができる。基板には、G aNの他、サファイア、SiCなど、その他の基板� ��用いても良い。

 井戸層組成をGa _0.9 In _0.1 Asとした以外は、実施例2と同様とした。
実施例2より本実施例のほうが、励起波長900nm により適切な素子が作成できた。

 以上述べた全ての実施例において、歪み� ��格子層の組成や組成比は一例であって、他� ��組成比であっても良いし、組成が上記実施� ��と異なっていても良い。また、全実施例で� ��中間層は、2元系材料を選択しているが、バ ッファ層の格子定数よりも、中間層の格子定 数の方が大きいものであれば、この中間層も 3元、4元系の材料を選択することも可能であ� ��。また、中間層の格子定数は、バッファ層� ��格子定数に対して、0.1% 以上( 中間層の格� ��定数-バッファ層の格子定数)/バッファ層の� ��子定数)であることが望ましい。さらに、望 ましくは、0.5% 以上である。

 また、基板、中間層、バッファ層の組成及� ��組成比は、励起光を吸収することのない、� ��成又は組成比であって、中間層の格子定数� ��、バッファ層の格子定数よりも大きい材料� ��使用することが、望ましい。この場合に、� ��ピン偏極電子の外部量子効率を大きく向上� ��せることができる。
 製造方法については、MOCVD 法など、公知の 方法を用いることができ、良く知られている ので記載を省略した。

 次に、本発明のスピン偏極電子発生素子� ��用いたスピン偏極電子発生装置について説� ��する。図9は、スピン偏極電子線発生装置100 の構成を説明する概念図である。このスピン 偏極電子線発生装置100は、図示しない排気系 に接続されて超高真空に維持される気密な真 空容器112を備えている。この真空容器112は、 励起光Lが入射される開口114を形成する筒状� �ポート116と、Mott散乱偏極度測定装置或いは� ��影型表面電子顕微鏡(LEEM)などのスピン偏極� ��子線利用機器に接続されて真空容器112内で� ��生させられたスピン偏極電子線Bをそれらの 機器へ導くための筒状の接続用のポート118と が設けられている。上記ポート116の開口114は 、石英などの透光板119によって気密に閉じら れている。

 上記排気系は、高真空とするために真空容� ��112内を排気するターボポンプとロータリポ� ��プとが直列に接続された粗排気系と、真空� ��器112全体を200℃程度でベーキングした後に� ��気して真空容器112内を10 ^-10  Pa台の超高真空とするためにイオンポンプとN EG ポンプとを用いる本排気系とから構成さ� �る。

  上記真空容器112には、図10に示す素子保 持装置120によって上記開口114の中心位置とな るように保持される偏極電子線発生素子122と 、図示しない支持装置によって支持されて上 記偏極電子線発生素子122からスピン偏極電子 線Bを引き出すための電界を印加する円筒状� �アノード電極124と、アノード電極124により� �き出されたスピン偏極電子線Bを収束させる� ��めの円筒状のソレノイドレンズ126と、前記� ��出口114へ向かうように上記スピン偏極電子� ��Bの進行方向を直角に曲げて偏極電子のスピ ン軸を進行方向に対してたとえば直角とする ための偏向電磁石(スピンマニピュレータ)128� ��が、一直線上に所定の間隔で配置されてい� ��。また、真空容器112において、上記ポート1 18と偏向電磁石(スピンマニピュレータ)128と� �間には、スピン偏極電子線Bのスピンの向き( 方位角)を制御するための円筒状のソレノイ� �レンズ130が配設されている。

 図10に詳しく示すように、偏極電子源素� �保持装置120は、円筒状の一端部が外向きに� �き出してポート116に固定されているカソー� �ホルダ132と、そのカソードホルダ132を介し� �真空容器112のポート116に固定されて上記偏� �電子線発生素子122をその両端面が露出する� �うに周縁部で保持し位置決めする保持ブロ� �ク134と、前記円筒状のアノード電極124と同� �となるように上記カソードホルダ132に嵌め� �けられたカソード電極136とを備えている。� �ソード電極136は周壁部134aと底壁部136bとを有 する有底円筒状を成し、その底壁部136bは、� �極電子線発生素子122の中央部を露出させる� �めに中央部に貫通して形成された中央穴136c� ��、外周部から中央穴136cに向かうに従って薄 くなる厚み形状とを備えている。前記アノー ド電極124は、カソード電極136へ向かうに従っ て小径となるテーパ形状を備え、上記中央穴 136cから露出した偏極電子線発生素子122付近� �電界強度が最も大きくなるようにされてい� �。上記アノード電極124およびカソード電極13 6は、暗電流を抑制するためにその表面が鏡� �仕上げされたものであり、たとえばステン� �ス鋼により構成される。

 上記保持ブロック134には、それにより保� ��されている偏極電子線発生素子122の基板側� ��面すなわち裏面の中央部を露出させるため� ��貫通して形成された貫通穴138と、その貫通� ��138の外周側に位置して保持ブロック134内に� ��め着けられた円筒状のヒータ140とが設けら� ��ている。上記保持ブロック134はたとえば偏� ��電子線発生素子122の構成元素に対して非反� ��性の金属材料たとえばモリブデン、タンタ� ��等により構成されている。

 また、真空容器112のポート116内には、偏極� ��子線発生素子122の非基板側表面すなわち電� ��放出側表面を負の電子親和性(NEA :Negative El ectron Affinity) 表面とするために、アノード� �極124およびカソード電極136付近でセシウムCs および酸素Oを放出するセシウム放出装置144� �よび図示はしていないが酸素Oを導入する装� ��がそれぞれ設けられている。セシウム放出� ��置144は、たとえば、CsCrO ₄  および還元剤がゲッター剤とともにニクロム 製スリーブ内に収容されることにより構成さ れ、そのヒータの通電加熱によりCsCrO ₄  を還元させることでセシウムCsを放出する。� ��極電子線発生素子122の清浄にされた表面層� ��表面にセシウムCsおよび酸素Oが付加される� ��とによりおよそ数原子層の厚さを持つ電気2 重層ポテンシャルが形成されて真空順位が下 げられる。すなわち、真空中へ伝導帯にある 偏極電子が放出されるための電子親和性が負 とされて、スピン偏極電子線Bを得るための� �子効率が高められる。なお、酸素Oを導入す� ��代りに、三フッ化窒素NF ₃  などのフッ化窒素を導入する装置を設けて、 前記電子放出側表面にセシウムCsおよびフッ� ��窒素を付加しても、同様の効果が得られる� ��

  前記励起光Lは、励起光入射装置146によ� ��発生させられて偏極電子線発生素子122の基� ��側表面すなわち裏面に入射させられるよう� ��なっている。励起光入射装置146は、たとえ� ��レーザ光源148と、そのレーザ光源148から出� ��されたレーザ光を直線偏光から円偏光に変� ��して励起光Lとするための直線偏光子150およ びλ/4波長板152と、その励起光Lを収束させる� ��めにカソードホルダ132から透光板119側へ突� ��されたレンズ支持部156により前記アノード� ��極124と同心に支持されることにより真空容� ��112内に配置されたレンズ154とを備え、収束� ��ンズ154は、ポート116の開口114を塞ぐように� ��けられた透光板119および保持ブロック134に� ��成された貫通穴138を通して、励起光Lを小さ なスポット径で偏極電子線発生素子122の基板 側から入射させ、超格子半導体光電層166に収 束させる。収束レンズ154と偏極電子線発生素 子122との間の距離すなわち焦点距離fは、上� �透光板119の厚み寸法と保持ブロック134の厚� �寸法とを加えた値よりも大きいが、アノー� �電極124、ソレノイドレンズ126、および偏向� �磁石(スピンマニピュレータ)128を通して偏極 電子線発生素子122の非基板側表面に収束する 場合に比較して、大幅に短縮されている。こ の装置例よりさらに収束レンズ154と偏極電子 線発生素子122の距離を短くすることは可能で あり、たとえば負の電子親和性表面処理(NEA  活性化)は別の真空容器で行った偏極電子線� �生素子122をロードロック機構によりカソー� �電極136にセットする方式を採用すると円筒� �のヒータ140は不要となり、収束レンズ154と� �極電子線発生素子122との間の距離を数mm以内 にすることができる。

 なお、励起光入射装置146の収束レンズ154� ��、真空容器112の外部に設けても良い。また� ��ポート118に、Mott散乱偏極度測定装置或いは 投影型表面電子顕微鏡(LEEM)などを接続するこ とにより、本スピン偏極電子発生装置をMott� �乱偏極度測定装置や、投影型表面電子顕微� �などのスピン偏極電子線応用装置とするこ� �ができる。

  本実施例のスピン偏極電子発生装置は� �スピン偏極電子発生素子と、該スピン偏極� �子発生素子の半導体光電層に励起光を入射� �せる励起光入射装置とを含み、該半導体光� �層に励起光が収束されることによって該半� �体光電層からスピン方向が偏在しているス� �ン偏極電子を発生させ、励起光入射装置は� �スピン偏極電子発生素子の基板側から半導� �光電層に励起光を収束させる構成である。