私達の生活を支えている半導体デバイスは電子の電荷を用いて膨大な情報の処理を行っています。しかし、もともと電子は電荷だけでなくスピンも有していますが、今までそれらは利用されてきませんでした。しかし、半導体中でスピンの自由度を利用することにより、半導体が持つ自由度の高い構造設計と多様な制御・検出方法とスピンを融合させた新たな機能を持つ量子デバイスの実現が可能となります。そのためには、まず半導体中にスピンの揃った(=スピン偏極した)キャリアを注入する必要があります。私達の研究室は、強磁性半導体(Ga,Mn)Asを用いて(非磁性)半導体へスピン偏極したホール/電子の電気的注入を実現しました。
　図1に試料の構造を示します。ホールスピン注入では強磁性半導体(Ga,Mn)Asからスピン偏極したホールを非磁性半導体中に注入します。電子スピン注入では、強磁性半導体(Ga,Mn)Asが高濃度P型半導体のためそのまま用いてもスピン偏極電子を注入することは出来ません。そこで、p+-(Ga,Mn)As/n+-GaAsトンネル接合(スピンエサキダイオード)を用いて(Ga,Mn)Asの価電子帯からn-GaAsの伝導帯へスピン偏極した電子を注入します。そして注入されたスピン偏極キャリア検出には、非磁性半導体中に形成した量子井戸からの発光の偏光を観測します。

図１.ホールスピン注入試料の試料構造(左)と電子スピン注入試料のバンド構造(右)。

図２.ホールスピン注入試料の偏光率磁場依存性(左)と最大偏光率の温度依存性(右)。

またスピンエサキダイオードを用いてスピン偏極ホールをスピン偏極電子に変換した構造では、偏光率がn+非磁性半導体層のドーピング量、厚さに強く依存することがわかり、構造を最適化することによって22.1%という大きな偏光率を得ることに成功しました。







温度10K
印加磁場1T














図３.n+非磁性半導体層のドーピング量、厚さを変えて作製したスピン偏極電子注入構造における偏光率の印加電圧依存性




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