特開 2024-17592 電子スピン伝送素子、発光装置、発光アレイ装置及びセンサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024017592

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】電子スピン伝送素子、発光装置、発光アレイ装置及びセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20240201BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022120334

(22)【出願日】2022-07-28

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、防衛装備庁 「令和元年度安全保障技術研究推進制度委託事業」「量子干渉効果による小型時計用発振器の高安定化の基礎研究」再委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】揖場 聡

(72)【発明者】

【氏名】大野 裕三

【テーマコード（参考）】

5F092

【Ｆターム（参考）】

5F092AC21

5F092BD03

5F092BD15

5F092BD23

5F092BD24

5F092BE21

(57)【要約】

【課題】電子の面内運動方向を制御することができる電子スピン伝送素子を提供する。
【解決手段】第１量子井戸層と、前記第１量子井戸層を挟むように配置された一対のバリア層と、を備え、前記第１量子井戸層は、主表面を（１１０）面とし、［００１］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅が３μｍ以下の線状構造を有する、第１電子スピン伝送素子。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１量子井戸層と、
前記第１量子井戸層を挟むように配置された一対のバリア層と、
を備え、
前記第１量子井戸層は、主表面を（１１０）面とし、［００１］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅が３μｍ以下の線状構造を有する、第１電子スピン伝送素子。

【請求項2】

前記第１量子井戸層が閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる、請求項１に記載の第１電子スピン伝送素子。

【請求項3】

一対の前記バリア層の少なくとも一方の前記第１量子井戸層側とは反対側の表面に配置された第１磁性体を更に備える、請求項１又は２に記載の第１電子スピン伝送素子。

【請求項4】

一対の前記バリア層の少なくとも一方の前記第１量子井戸層側とは反対側の表面に配置され、電場を発生する第１電場発生部を更に備える、請求項１又は２に記載の第１電子スピン伝送素子。

【請求項5】

第２量子井戸層と、
前記第２量子井戸層を挟むように配置された一対のバリア層と、
を備え、
前記第２量子井戸層は、主表面を（１１０）面とし、［－１１０］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅が３μｍ以下の線状構造を有する、第２電子スピン伝送素子。

【請求項6】

前記第２量子井戸層が閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる、請求項５に記載の第２電子スピン伝送素子。

【請求項7】

一対の前記バリア層の前記第２量子井戸層側とは反対側の表面に配置された第２磁性体を更に備える、請求項５又は６に記載の第２電子スピン伝送素子。

【請求項8】

請求項４に記載の第１電子スピン伝送素子と、
前記第１電子スピン伝送素子の前記第１量子井戸層の延在方向一端部に配置された発光素子と、
を備え、
前記発光素子は、前記第１量子井戸層の延在方向一端部に接続された活性層を有する、発光装置。

【請求項9】

請求項８に記載の発光装置の複数と、
複数の前記発光装置に接続された請求項５に記載の第２電子スピン伝送素子と、
を備え、
複数の前記発光装置の前記第１量子井戸層の延在方向他端部は、それぞれ前記第２電子スピン伝送素子の前記第２量子井戸層に接続されている、発光アレイ装置。

【請求項10】

請求項１に記載の第１電子スピン伝送素子と、
前記第１電子スピン伝送素子の前記第１量子井戸層の延在方向一端部に配置された発光素子と、
前記発光素子にて発生した光の偏光を検出する偏光検出器と、
を備え、
前記発光素子は、前記第１量子井戸層の延在方向一端部に接続された活性層を有する、センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子スピン伝送素子、発光装置、発光アレイ装置及びセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電子スピンを伝送する電子スピン伝送素子として、量子井戸層と、その量子井戸層を挟むように配置された一対のバリア層とを備える積層体からなる量子井戸構造が知られている。量子井戸構造は、一対のバリア層のバンドギャップが量子井戸層のバンドギャップよりも大きいことによって、量子井戸層に電子を閉じ込める。そのため、量子井戸層の電子の運動方向は面内に制限される。量子井戸層及びバリア層はそれぞれ、閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体で構成されている。バリア層を構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体としてはＡｌＧａＡｓが、量子井戸層を構成する半導体としてはＧａＡｓがそれぞれ広く利用されている。

【0003】

閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を材料とする量子井戸構造の電子スピン伝送素子として、量子井戸層の主表面が（１１０）面とされた（１１０）面量子構造の素子が知られている（特許文献１）。（１１０）面量子構造の電子スピン伝送素子において、量子井戸層内の電子スピンの歳差運動周波数を変調する方法として、量子井戸層に磁場を印加する方法が知られている（特許文献２）。また、量子井戸構造の電子スピン伝送素子を用いた発光装置が知られている（特許文献３）。

【0004】

また、量子井戸構造の電子スピン伝送素子として、量子井戸層の主表面が（００１）面とされた（００１）面量子構造の素子が知られている。非特許文献１には、（００１）面量子構造の電子スピン伝送素子として、［１００］方向、［１１０］方向、［０１０］方向、［－１１０］方向に量子井戸層を延在したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ細線が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００－２６９４４２号公報

【特許文献2】特開２０１５－２２５８７０号公報

【特許文献3】特開２０１８－１０８９７号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｊ．Ｉｓｈｉｈａｒａ，Ｍ．Ｏｎｏ，Ｙ．Ｏｈｎｏ，Ｈ．Ｏｈｎｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０２，２１２４０２（２０１３）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

（００１）面量子構造では、有効磁場が面直方向ではないため、面直方向を向いた電子スピンを、その面直方向を維持したまま長距離伝送することは難しい。一方、（１１０）面量子井戸構造では、［００１］方向以外に運動する電子に対する有効磁場が面直方向を向き、その電子に作用する有効磁場の大きさが電子の面内運動に応じて分布を取ることが知られている。しかし、（１１０）面量子井戸構造では電子の面内運動方向を制御することができないため、有効磁場の精緻な制御が困難である。

【0008】

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電子の面内運動方向を制御することができる電子スピン伝送素子を提供することを目的とする。また、この発明は、電子の面内運動方向を制御することができる電子スピン伝送素子を用いた発光装置、発光アレイ装置およびセンサ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

【0010】

［１］第１量子井戸層と、前記第１量子井戸層を挟むように配置された一対のバリア層と、を備え、前記第１量子井戸層は、主表面を（１１０）面とし、［００１］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅が３μｍ以下の線状構造を有する、第１電子スピン伝送素子。
［２］前記第１量子井戸層が閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる、［１］に記載の第１電子スピン伝送素子。
［３］一対の前記バリア層の少なくとも一方の前記第１量子井戸層側とは反対側の表面に配置された第１磁性体を更に備える、［１］又は［２］に記載の第１電子スピン伝送素子。
［４］一対の前記バリア層の少なくとも一方の前記第１量子井戸層側とは反対側の表面に配置され、電場を発生する第１電場発生部を更に備える、［１］から［３］のいずれかに記載の第１電子スピン伝送素子。

【0011】

［５］第２量子井戸層と、前記第２量子井戸層を挟むように配置された一対のバリア層と、を備え、前記第２量子井戸層は、主表面を（１１０）面とし、［－１１０］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅が３μｍ以下の線状構造を有する、第２電子スピン伝送素子。
［６］前記第２量子井戸層が閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる、［５］に記載の第２電子スピン伝送素子。
［７］一対の前記バリア層の前記第２量子井戸層側とは反対側の表面に配置された第２磁性体を更に備える、［５］又は［６］に記載の第２電子スピン伝送素子。

【0012】

［８］［４］に記載の第１電子スピン伝送素子と、前記第１電子スピン伝送素子の前記第１量子井戸層の延在方向一端部に配置された発光素子と、を備え、前記発光素子は、前記第１量子井戸層の延在方向一端部に接続された活性層を有する、発光装置。
［９］［８］に記載の発光装置の複数と、複数の前記発光装置に接続された［５］に記載の第２電子スピン伝送素子と、を備え、複数の前記発光装置の前記第１量子井戸層の延在方向他端部は、それぞれ前記第２電子スピン伝送素子の前記第２量子井戸層に接続されている、発光アレイ装置。
［１０］［１］に記載の第１電子スピン伝送素子と、前記第１電子スピン伝送素子の第１量子井戸層の延在方向一端部に配置された発光素子と、前記発光素子にて発生した光の偏光を検出する偏光検出器と、を備え、前記発光素子は、前記第１量子井戸層の延在方向一端部に接続された活性層を有する、センサ装置。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電子の面内運動方向を制御することができる電子スピン伝送素子を提供することが可能となる。また、本発明によれば、電子の面内運動方向を制御することができる電子スピン伝送素子を用いた発光装置、発光アレイ装置およびセンサ装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る第１電子スピン伝送素子の斜視図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係る第１電子スピン伝送素子の一変形例を示す斜視図である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態に係る第２電子スピン伝送素子の斜視図である。

【図4】図４は、本発明の一実施形態に係る第２電子スピン伝送素子の一変形例を示す斜視図である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態に係る発光装置の斜視図である。

【図6】図６は、本発明の一実施形態に係る発光アレイ装置の斜視図である。

【図7】図７は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の斜視図である。

【図8】図８は、本シミュレーションにおいて算出したスピン角度の定義を示す概念図である。

【図9】図９は、第１量子井戸層のラシュバ係数と第１量子井戸層内の電子のスピン角度との関係をシミュレーションによって算出した結果である。

【図10】図１０は、第１電子スピン伝送素子の第１量子井戸層から発光素子（ＬＥＤ素子）の活性層に注入される電子スピンのスピン角度と発光素子に発光する発光光の発光円偏光度との関係をシミュレーションによって算出した結果である。

【図11】第１電子スピン伝送素子の第１量子井戸層から発光素子（レーザ発光素子）の活性層に注入される電子スピンのスピン角度と、発光素子にて発光する発光光の発光円偏光度と関係をシミュレーションによって算出した結果である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態の電子スピン伝送素子、発光装置、発光アレイ装置およびセンサ装置について説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0016】

［電子スピン伝送素子］
（第１電子スピン伝送素子）
図１は、本発明の一実施形態に係る第１電子スピン伝送素子の斜視図である。
図１に示すように、第１電子スピン伝送素子１０ａは、第１量子井戸層１２と、第１量子井戸層１２を挟むように配置された一対のバリア層（第１下側バリア層１１、第１上側バリア層１３）と、を備える。第１量子井戸層１２は、主表面を（１１０）面とし、［００１］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向（［－１１０］方向）の幅Ｗ_１が３μｍ以下の線状構造を有する。第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２及び第１上側バリア層１３の積層方向は、［１１０］方向とされている。

【0017】

第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２及び第１上側バリア層１３はそれぞれ、半導体で構成されている。第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２及び第１上側バリア層を構成する半導体は、例えば、閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体であってもよい。第１下側バリア層１１及び第１上側バリア層１３を構成する半導体は、第１量子井戸層１２を構成する半導体よりもバンドギャップが大きい。このため、第１量子井戸層１２に電子が閉じ込められる。第１下側バリア層１１及び第１上側バリア層１３を構成する半導体としては、例えば、ＡｌＧａＡｓを用いることができる。第１量子井戸層１２を構成する半導体としては、例えば、ＧａＡｓを用いることができる。

【0018】

第１量子井戸層１２は、［００１］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅Ｗ_１が３μｍ以下の線状構造であるので、第１量子井戸層１２に閉じ込められた電子スピン１は、第１量子井戸層１２の延在方向（［００１］方向）に移動する。延在方向に移動する電子スピン１が感じるドレッセルハウス有効磁場（結晶構造由来の電場によって生成する有効磁場）はゼロである。このため、第１量子井戸層１２内の電子スピン１（偏極）は磁場に敏感に応答して歳差運動する。また、第１量子井戸層１２の幅Ｗ_１が３μｍ以下とされているので、面直方向に電場を印加することにより、歳差運動によって電子スピン１のスピン角度が変化する方向を第１量子井戸層１２の延在方向に沿う方向に制限できる。したがって、第１電子スピン伝送素子１０ａは、環境磁場（外部から印加される磁場）またはラシュバ有効磁場（電場の印加によって発生する有効磁場）により、第１量子井戸層１２の延在方向に沿って電子スピン１のスピン角度を変化させることができるという特徴を持つ。

【0019】

第１量子井戸層１２の延在方向に垂直な方向の幅Ｗ_１は２μｍ以下であってもよい。また、第１量子井戸層１２の延在方向に垂直な方向の幅Ｗ_１は０．１μｍ以下であってもよい。第１量子井戸層１２の積層方向（［１１０］方向）の厚さは、特に制限はないが、例えば、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。

【0020】

第１下側バリア層１１のサイズは、特に制限はない。図１において、第１下側バリア層１１の長さ及び幅は、第１量子井戸層１２と同じであるが、これに限定されるものではない。第１下側バリア層１１の長さ及び幅は、第１量子井戸層１２よりも大きくてもよい。第１下側バリア層１１の厚さは、特に制限はないが、例えば、０．１ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。

【0021】

第１上側バリア層１３のサイズは、特に制限はない。図１において、第１上側バリア層１３の長さ及び幅は、第１量子井戸層１２と同じであるが、これに限定されるものではない。第１上側バリア層１３の長さ及び幅は、第１量子井戸層１２よりも大きくてもよい。第１上側バリア層１３の厚さは、特に制限はないが、例えば、０．１ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。

【0022】

第１電子スピン伝送素子１０ａは、例えば、基板（不図示）の上に、第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２、第１上側バリア層１３をこの順で積層する方法によって製造することができる。第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２及び第１上側バリア層１３を積層する方法としては、分子線エピタキシー法や化学気相成長法を用いることができる。基板としては、例えば、主表面が（１１０）面である閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物を用いてもよい。第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２及び第１上側バリア層１３の長さや幅は、成膜時に調整してもよいし、エッチング法などの微細加工技術により調整してもよい。

【0023】

図２は、本発明の一実施形態に係る第１電子スピン伝送素子の一変形例を示す斜視図である。
図２に示す第１電子スピン伝送素子１０ｂは、第１下側バリア層１１と第１量子井戸層１２と第１上側バリア層１３とを備える第１電子スピン伝送素子１０ａの第１上側バリア層１３の第１量子井戸層１２側とは反対側の表面に第１磁性体１４と第１電場発生部１５とを配置した素子である。なお、第１磁性体１４と第１電場発生部１５は、第１下側バリア層１１の第１量子井戸層１２側とは反対側の表面に配置してもよい。

【0024】

第１磁性体１４は、第１量子井戸層１２に電子スピン１を注入するための注入電極として作用する。第１磁性体１４としては、例えば、強磁性体を用いることができる。強磁性体の例としては、鉄、コバルト、ニッケル、およびその合金、フェライトなどを挙げることができる。第１磁性体１４と第１上側バリア層１３との間に、トンネル絶縁層を介在させてもよい。トンネル絶縁層の材料としては、例えば、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ガリウムを用いることができる。

【0025】

第１電場発生部１５は、例えば、電極板であって、第１電場発生部１５から第１量子井戸層１２に対して面直電場を印加するように構成されていてもよい。面直電場の環境で［００１］方向に運動する電子は［－１１０］方向軸に沿ったラシュバ有効磁場を感じ、その磁場を軸として歳差運動することでスピン方向が回転する。電極板としては、例えば、金、アルミニウムを用いることができる。

【0026】

電子スピン１のスピン角度は、電子スピン１に印加する電場の強度によって制御することができる。なお、図２においては、電子スピン１のスピン角度は、面直方向に上向き（第１上側バリア層１３側向き）から電子スピン１から面直方向に下向き（第１下側バリア層１１側向き）の電子スピン２と１８０度変化しているが、電子スピン１のスピン角度の変化量はこれに制限されるものでない。電子スピン１のスピン角度は、例えば、印加電場を強くすること、第１電場発生部１５の長さを長くすることによって１８０度以上変化させることも可能である。

【0027】

（第２電子スピン伝送素子）
図３は、本発明の一実施形態に係る第２電子スピン伝送素子の斜視図である。
図３に示すように、第２電子スピン伝送素子２０ａは、第２量子井戸層２２と、第２量子井戸層２２を挟むように配置された一対のバリア層（第２下側バリア層２１、第２上側バリア層２３）と、を備える。第２量子井戸層２２は、主表面を（１１０）面とし、［－１１０］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅Ｗ_２が３μｍ以下の線状構造を有する。

【0028】

第２下側バリア層２１、第２量子井戸層２２及び第２上側バリア層２３はそれぞれ、半導体で構成されている。第２下側バリア層２１、第２量子井戸層２２及び第２上側バリア層２３を構成する半導体の例はそれぞれ、上述の第１電子スピン伝送素子１０ａの第１下側バリア層１１、第１量子井戸層１２及び第１上側バリア層１３の場合と同じである。

【0029】

第２量子井戸層２２は、［－１１０］方向に延在し且つ延在方向に垂直な方向の幅Ｗ_２が３μｍ以下の線状構造であるので、第２量子井戸層２２に閉じ込められた電子スピン１は、第２量子井戸層２２の延在方向（［－１１０］方向）に移動する。［－１１０］方向に沿って運動する電子スピン１が感じるドレッセルハウス有効磁場は面直方向である。このため、電子スピン１は、ドレッセルハウス有効磁場によって面直方向に固定される。したがって、第２電子スピン伝送素子２０ａは、電子スピン１の緩和時間が長く、スピン情報を長距離伝送できるという特徴を持つ。

【0030】

第２量子井戸層２２の延在方向に垂直な方向（［－００１］方向）の幅Ｗ_２は２μｍ以下であってもよい。また、第２量子井戸層２２の延在方向に垂直な方向の幅Ｗ_２は０．１μｍ以下であってもよい。第１量子井戸層１２の積層方向（［１１０］方向）の厚さは、特に制限はないが、例えば、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。

【0031】

第２下側バリア層２１及び第２上側バリア層２３のサイズは、特に制限はない。第２下側バリア層２１及び第２上側バリア層２３のサイズはそれぞれ、上述の第１電子スピン伝送素子１０ａの第１下側バリア層１１及び第１上側バリア層１３の場合と同様であってもよい。

【0032】

第２電子スピン伝送素子２０ａは、例えば、第２下側バリア層２１の上に、第２量子井戸層２２と第２上側バリア層２３とをこの順で積層する方法によって製造することができる。第２下側バリア層２１、第２量子井戸層２２及び第２上側バリア層２３を積層する方法並びにそれらの長さや幅の調整方法は、上述の第１電子スピン伝送素子１０ａの場合と同様である。

【0033】

図４は、本発明の一実施形態に係る第２電子スピン伝送素子の一変形例を示す斜視図である。
図４に示す第２電子スピン伝送素子２０ｂは、図３に示す第２電子スピン伝送素子２０ａの第２上側バリア層２３の第２量子井戸層２２側とは反対側の表面に配置された第２磁性体２４を更に備える。なお、第２磁性体２４は、第２下側バリア層２１の第１量子井戸層１２側とは反対側の表面に配置してもよい。

【0034】

第２磁性体２４は、第２量子井戸層２２を移動する電子スピン１が注入され、注入された電子スピン１が第２量子井戸層２２に再度注入される中継器として作用する。電子スピン１は伝送中に環境磁気ノイズ等によりスピンが乱されるため、徐々にスピン信号が減衰することがある。そこで、第２磁性体２４を設けることで、より一層の長距離伝送が可能となる。電子スピン１が第２磁性体２４に注入することで、第２磁性体２４の磁化方向が電子スピン方向へ揃う。即ち、伝送される電子スピン１のスピン情報を第２磁性体２４に一時記憶させる。次に、第２磁性体２４にバイアスを印加して、第２磁性体２４から第２量子井戸層２２へ電子スピン１を注入することで、再び電子スピンを伝送する。これを繰り返すことで、電子スピン１のスピン情報の長距離伝送が可能となる。

【0035】

第２磁性体２４としては、強磁性体を用いることができる。強磁性体の例としては、鉄、コバルト、ニッケル、およびその合金、フェライトなどを挙げることができる。第２磁性体２４の間隔は、特に制限はないが、例えば、１００μｍ以下である。

【0036】

［発光装置・発光アレイ装置］
図５は、本発明の一実施形態に係る発光装置の斜視図である。
図５に示すように、発光装置３０ａは、第１電子スピン伝送素子１０ｂと、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１量子井戸層１２の延在方向一端部に配置された発光素子３１ａと、を備える。

【0037】

第１電子スピン伝送素子１０ｂは、第１下側バリア層１１と第１量子井戸層１２と第１上側バリア層１３とを備える第１電子スピン伝送素子１０ａの第１上側バリア層１３の第１量子井戸層１２側とは反対側の表面に第１磁性体１４と第１電場発生部１５とを配置した素子である。第１電子スピン伝送素子１０ｂは、第１電場発生部１５によって、第１量子井戸層１２内の電子に印加される電場の強度を調整することによって電子スピン１のスピン角度を制御する。なお、第１電子スピン伝送素子１０ｂは、第１磁性体１４を有しているが、第１量子井戸層１２に電子が注入されるように構成されていれば、第１磁性体１４を省略してもよい。

【0038】

発光素子３１ａは、下側バリア層３２と、活性層３３と、上側バリア層３４と、正孔注入電極３５とが、この順で積層された円柱状のＬＥＤまたはレーザ発光素子とされている。正孔注入電極３５は円環状であり、円環状の正孔注入電極３５の中央は、上側バリア層３４が露出されるように構成されている。下側バリア層３２及び上側バリア層３４は、電子および正孔を閉じ込める機能を有する。さらに上側バリア層３４は、正孔を輸送する機能を有する。活性層３３は、第１量子井戸層１２の延在方向一端部に接続されている。下側バリア層３２、活性層３３及び上側バリア層３４はそれぞれ、半導体で構成されている。下側バリア層３２、活性層３３及び上側バリア層３４を構成する半導体は、閃亜鉛鉱構造のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体であってもよい。下側バリア層３２及び上側バリア層３４を構成する半導体は、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１下側バリア層１１及び第１上側バリア層１３と同じ材料であってもよく、例えば、ＡｌＧａＡｓを用いることができる。活性層３３を構成する半導体は、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１量子井戸層１２と同じ材料であってもよく、例えば、ＧａＡｓを用いることができる。なお、発光装置３０ａにおいて、発光素子３１ａの上側バリア層３４は、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１上側バリア層１３と比較して、厚さが厚くなっているが、発光素子３１ａの上側バリア層３４の厚さは特に制限はない。発光素子３１ａの上側バリア層３４の厚さは、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１上側バリア層１３と同じであってもよいし、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１上側バリア層１３よりも薄くてもよい。

【0039】

発光装置３０ａは、次のようにして発光する。
まず、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１磁性体１４から第１量子井戸層１２に電子スピン１が注入される。注入された電子スピン１は、発光素子３１ａに向かって第１量子井戸層１２内を移動する。第１量子井戸層１２内を移動する電子スピン１は、第１電場発生部１５にて電場が印加されることによって発生するラシュバ有効磁場によりスピン角度が制御される。スピン角度が制御された電子スピン２は発光素子３１ａの活性層３３に注入される。活性層３３において、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１量子井戸層１２から注入された電子スピン２と正孔注入電極３５から上側バリア層３４を介して送られた正孔とが結合されて発光光３が生成する。生成した発光光３は、上側バリア層３４を介して、円環状の正孔注入電極３５の中央から取りされる。発光光３の偏光は、第１量子井戸層１２から伝送される電子スピンの状態によって切り替えることが可能となる。例えば、電子スピンのスピン角度が、面直方向に上向き（第１上側バリア層１３側向き）となる角度の電子スピン１である場合、発光光３は左円偏光となり、面直方向に下向き（第１下側バリア層１１側向き）となる角度の電子スピン２の場合は、発光光３は右円偏光となる。

【0040】

図６は、本発明の一実施形態に係る発光アレイ装置の斜視図である。
図６に示す発光アレイ装置３００は、３つの発光装置３０ａと、３つの発光装置３０ａに接続された第２電子スピン伝送素子２０ｂと、を備える。

【0041】

発光装置３０ａは、第１電子スピン伝送素子１０ｃと、発光素子３１ａとを備える。第１電子スピン伝送素子１０ｃは、第１磁性体１４を有しないこと以外は、上述の第１電子スピン伝送素子１０ｂと同じである。すなわち、第１電子スピン伝送素子１０ｃは、第１下側バリア層１１と第１量子井戸層１２と第１上側バリア層１３とを備える第１電子スピン伝送素子１０ａの第１上側バリア層１３の第１量子井戸層１２側とは反対側の表面に第１電場発生部１５を配置した素子である。
発光素子３１ａは、上述の発光素子３１ａと同じである。

【0042】

第２電子スピン伝送素子２０ｂは、第２下側バリア層２１と第２量子井戸層２２と第２上側バリア層２３とを備える第２電子スピン伝送素子２０ａの第２上側バリア層２３の第２量子井戸層２２側とは反対側の表面に第２磁性体２４ａ、２４ｂを配置した素子である。第２磁性体２４ａは、第２量子井戸層２２に電子スピン１を注入する電子スピン１の注入電極として作用する。第２磁性体２４ｂは、第２量子井戸層２２を移動する電子スピン１が注入され、注入された電子スピン１が第２量子井戸層２２に再度注入する中継器として作用する。第２磁性体２４ａ、２４ｂとしては、強磁性体を用いることができる。強磁性体の例としては、鉄、コバルト、ニッケル、およびその合金、フェライトなどを挙げることができる。

【0043】

３つの発光装置３０ａの第１量子井戸層１２の延在方向における他端部は、それぞれ第２電子スピン伝送素子２０ｂの第２量子井戸層２２に接続されている。なお、図６に示す発光アレイ装置３００において、発光素子３１ａは３つとされているが、発光素子３１ａの数はこれに限定されるものではない。発光素子３１ａは、４つ以上であってもよく、また２つであってもよい。

【0044】

発光アレイ装置３００は、次のようにして発光する。
まず、第２電子スピン伝送素子２０ｂの第２磁性体２４ａから第２量子井戸層２２に電子スピン１が注入される。注入された電子スピン１は、第２量子井戸層２２の延在方向に沿って移動する。第２量子井戸層２２内を移動する電子スピン１の一部は、第１電子スピン伝送素子１０ｃの第１量子井戸層１２に移動する。移動した電子スピン１は、発光素子３１ａに向かって第１量子井戸層１２内を伝送される。第１量子井戸層１２内を移動する電子スピン１は、第１電場発生部１５にて電場が印加されることによって発生するラシュバ有効磁場によりスピン角度が制御される。スピン角度が制御された電子スピンが発光素子３１ａに注入されることによって発光光３が生成する。

【0045】

発光アレイ装置３００は、例えば、基板の上に、バリア層（ＡｌＧａＡｓ）、量子井戸層（ＧａＡｓ）、バリア層（ＡｌＧａＡｓ）をこの順で積層する。得られた積層体を［００１］方向と［－１１０］方向とに沿って切断して、［００１］方向と［－１１０］方向と延在した積層体を得る。次いで、切断後の積層体を、第１電子スピン伝送素子１０ｃ、第２電子スピン伝送素子２０ｂ及び発光装置３０ａを形成するようにエッチングする。

【0046】

以上のような構成とされた発光装置３０ａ及び発光アレイ装置３００によれば、第１電子スピン伝送素子１０ｂ、１０ｃの第１量子井戸層１２を移動する電子スピン１のスピン角度が環境磁場４によって変化しやすいので、発光円偏光度が異なる発光光を確実に得ることができる。

【0047】

［センサ装置］
図７は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の斜視図である。
図７に示すように、センサ装置４０は、第１電子スピン伝送素子１０ｄと、第１電子スピン伝送素子１０ｄの第１量子井戸層１２の延在方向一端部に配置された発光素子３１と、発光素子３１にて発生した光の偏光を検出する偏光検出器４１と、を備える。

【0048】

第１電子スピン伝送素子１０ｄは、第１電場発生部１５を有しないこと以外は、上述の第１電子スピン伝送素子１０ｂと同じである。

【0049】

発光素子３１は、下側バリア層３２と、活性層３３と、上側バリア層３４と、正孔注入電極３５とが、この順で積層された円柱状のＬＥＤ発光素子とされている。発光素子３１の活性層３３は、第１量子井戸層１２の延在方向一端部に接続されている。下側バリア層３２、活性層３３、上側バリア層３４及び正孔注入電極３５の材料は、上述の発光素子３１ａの場合と同じである。

【0050】

センサ装置４０は、次のようにして環境磁場を検出する。
まず、第１電子スピン伝送素子１０ｄの第１磁性体１４から第１量子井戸層１２に電子スピン１が注入される。注入された電子スピン１は、発光素子３１に向かって第１量子井戸層１２内を移動する。第１量子井戸層１２内を移動する電子スピン１は、検知部４２で検知された環境磁場４が印加されることによってスピン角度が変化する。スピン角度が変化した電子スピン２は発光素子３１の活性層３３に注入される。活性層３３において、第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１量子井戸層１２から注入された電子スピンと正孔注入電極３５から上側バリア層３４を介して送られた正孔とが結合されて発光光３が生成する。生成した発光光３は、上側バリア層３４を介して、円環状の正孔注入電極３５の中央から取りされる。取り出された発光光３の偏光を、偏光検出器４１で検出する。

【0051】

以上のような構成とされたセンサ装置４０によれば、第１電子スピン伝送素子１０ｄの第１量子井戸層１２を移動する電子スピン１のスピン角度が環境磁場４によって変化しやすいので、環境磁場４を精度よく検出することができる。

【0052】

［シミュレーション］
次に、本発明の効果を、シミュレーションによって検証した。その結果を説明する。
図８は、本シミュレーションにおいて算出したスピン角度の定義を示す概念図である。本シミュレーションでは、電子スピンのスピン角度は、量子井戸層の［００１］方向（延在方向）と電子スピンの向きとがなす角度とした。電子スピンの向きが、［００－１］方向であるときのスピン角度をゼロとした。また、電子スピンの向きが半時計周りとなる方向にあるときのスピン角度を正とし、電子スピンの向きが時計周りとなる方向にあるときのスピン角度を負とした。

【0053】

（シミュレーション結果１）
図２に示す第１電子スピン伝送素子１０ｂを想定した。第１量子井戸層１２のラシュバ係数と第１量子井戸層１２内の電子のスピン角度との関係をシミュレーションによって算出した。シミュレーションの条件は、第１量子井戸層１２の材料：ＧａＡｓ、延在方向に垂直な方向の幅：１μｍ、延在方向に沿う方向の長さ：１０μｍ、厚さ：２０ｎｍとし、第１電場発生部１５を幅：１μｍ、長さ：７μｍの金属板とした。その結果を、図９に示す。

【0054】

図９のグラフにおいて、横軸は、第１量子井戸層１２のラシュバ係数を示し、横軸は、第１量子井戸層１２内の電子のスピン角度を示す。図９のグラフから、第１量子井戸層１２のラシュバ係数と第１量子井戸層１２内の電子のスピン角度とが高い相関性を有することが確認された。ラシュバ係数は、ラシュバ有効磁場を発生させるために印加される電場の大きさと比例関係にある。したがって、図９のグラフから、本シミュレーションの条件にある第１電子スピン伝送素子１０ｂは、第１電場発生部１５から面直方向に第１量子井戸層１２に印加される電場の大きさと、第１量子井戸層１２内の電子のスピン角度とが高い相関性を示すことがわかる。

【0055】

（シミュレーション結果２）
図５に示す発光装置３０ａを想定した。第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１量子井戸層１２から発光素子３１ａの活性層３３に注入される電子スピンのスピン角度と発光素子３１ａに発光する発光光３の発光円偏光度との関係をシミュレーションによって算出した。シミュレーションの条件は、スピン寿命：１ｎｓ、キャリア寿命：１ｎｓとした。その結果を、図１０に示す。

【0056】

図１０のグラフにおいて、横軸は、スピン角度を示し、横軸は、発光円偏光度を示す。図１０のグラフから、発光装置３０ａにて得られる発光光の発光円偏光度は、活性層３３に注入される電子スピンのスピン角度と高い相関性を有することが確認された。したがって、図１０のグラフから、本発明に従う発光装置によれば、第１電場発生部１５から面直方向に第１量子井戸層１２に印加される電場の強さを調整することによって、発光円偏光度が異なる発光光を得ることが可能となることがわかる。また、図１０のグラフから、発光素子にて得られた発光光の発光円偏光度から活性層３３に注入される電子スピンのスピン角度を精度よく予測することが可能であることわかる。よって、本発明に従うセンサ装置によれば、発光光の発光円偏光度から環境磁場の強さを計測することが可能となることがわかる。

【0057】

（シミュレーション結果３）
図５に示す発光装置３０ａにおいて、発光素子３１ａがレーザ発光素子である場合を想定した。第１電子スピン伝送素子１０ｂの第１量子井戸層１２からレーザ発光素子の活性層に注入される電子スピンのスピン角度と、レーザ発光素子にて発光する発光光の発光円偏光度と関係をシミュレーションによって算出した。シミュレーションの条件は、スピン寿命：１ｎｓ、キャリア寿命：１ｎｓとした。その結果を、図１１に示す。

【0058】

図１１のグラフにおいて、横軸は、スピン角度を示し、横軸は、発光円偏光度を示す。図１１のグラフから、発光素子３１ａがレーザ発光素子である場合は、レーザ光の閾値特性によりスピン角度と発光円偏光度は非線形な関係となること、わずかなスピン角度で１００％の円偏光度を得ることができることがわかる。このため、レーザ発光素子を用いた本発明の発光装置によれば、第１電場発生部１５から第１量子井戸層１２に印加する電場を変えて、電子スピンのスピン角度を制御することよって、円偏光切替光源を実現できることがわかる。

【符号の説明】

【0059】

１ 電子スピン
２ 電子スピン
３ 発光光
４ 環境磁場
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 第１電子スピン伝送素子
１１ 第１下側バリア層
１２ 第１量子井戸層
１３ 第１上側バリア層
１４ 第１磁性体
１５ 第１電場発生部
２０ａ、２０ｂ 第２電子スピン伝送素子
２１ 第２下側バリア層
２２ 第２量子井戸層
２３ 第２上側バリア層
２４ 第２磁性体
２４ａ、２４ｂ 第２磁性体
３０ａ 発光装置
３１、３１ａ 発光素子
３２ 下側バリア層
３３ 活性層
３４ 上側バリア層
３５ 正孔注入電極
４０ センサ装置
４１ 偏光検出器
４２ 検知部
３００ 発光アレイ装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】