JP5198656B2 - 窒化物半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体デバイスに関し、特に、スピン光電子デバイスまたはスピントロニックデバイスに関すると共に、特に窒化物量子ドット内の励起子のスピンを、電界を用いて操作することに関する。

現在、スピントロニクスおよびスピン光電子工学という新たな研究領域に大きな関心が集まっている。この分野には、半導体の固体系におけるスピンの自由度を能動的に制御および操作する研究が含まれる。スピントロニクスは、電子の量子スピン状態を利用するものである。電子の固有スピンは、一般に「スピンアップ」および「スピンダウン」と呼ばれる２つの状態の一方をとることが可能であり、外部電界が印加されると、「スピンアップ」電子のエネルギー準位は、「スピンダウン」電子のエネルギー準位と異なるものになる。さらなる背景情報については、インターネット＜URL: https://en.wikipedia.org/wiki/spintronics＞のスピントロニクス（調査は、２００８年５月１３日に行った）、または、S. BandyopadhyayおよびM. Cahay (Taylor and Francis, Boca Raton, 2007年)による「Introduction to spintronics」に、見出すことができよう。実際、集積論理回路および記憶機能を有する低電力デバイスにとって、粒子荷電の代わりに粒子のスピンを用いることは、大きな将来性を提供するものである。最近の２０年間で、バルク半導体構造および量子井戸半導体構造におけるスピン特性の研究が広範囲にわたって行われてきたが、これらの構造における効果的なスピン緩和プロセスは、キャリアのスピン寿命を著しく制限するものであり、このため、室温において動作する半導体ベースのスピントロニックデバイスを実証することは、妨げられている。この問題の１つの有効な解決方法は、量子ドットを用いることである。これは、量子ドットが、キャリアの強い閉じ込めを提供可能だからである。しかし、量子ドットのナノ構造が、キャリアのスピン緩和の劇的衝撃（dramatic impact）を著しく低減するという利点を有しているとしても、ガリウムベースのＩＩＩ−ＶおよびＩＩ−ＶＩ材料系内の量子ドットでは、室温において、キャリアの長いスピン寿命、およびスピン操作を示すことはできていない。

このため、発光ダイオード、半導体レーザ、光起電力検出器、または、高出力および高温電子デバイスといった、広範囲にわたる光電子デバイスの製造において既に広く用いられている（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系に益々関心が集まっている。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系は、他のＩＩＩ−Ｖ材料およびＩＩ−ＶＩ材料系と比べて、室温で動作するスピントロニックデバイスに極めて有効である。これは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系が、大きなバンドギャップ、弱いスピン軌道結合、および、大きな励起子の結合エネルギーを提供するからである。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ系には、化学式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を有する全ての材料が含まれる。Takeuchi et al.（Appl. Phys. Lett. 88, 162114 (2006年)）は、立方晶バルクＧａＮのスピン寿命を測定した。彼らは、極めて低い温度（１００Ｋ未満）において、スピン寿命が５ｎｓよりも長いことを発見したが、温度が１００Ｋよりも上に上昇した時には、スピン寿命は劇的に低下することを記載している。上述のように、より高い温度における高速スピン緩和は、バルク材において示される強いスピン緩和プロセスによって説明され得る。しかし、T. Kuroda et al.（Appl. Phys. Lett. 85, 3116 (2004年)）が報告しているように、スピン寿命は、六方晶ＧａＮにおいてよりも長いことが分かっている。これは、主に、立方晶材料がより高い結晶学的対称を有しているためである。

系の次元（dimensionality of the system）を低減することは、これらの効率のよいスピン緩和プロセスの効果を無効にしてしまうことがある。しかし、Julier et al.（Phys. Statu Solidi (b) 216, 341 (1999年)）は、低温度であっても、ＩｎＧａＮ量子井戸内のスピン寿命は短いことを発見した。彼らは、ウルツ鉱窒化物量子井戸内に天然に存在する内部電界が、キャリアのスピン寿命を低減させ得ることを示した。さらに、温度を上昇させると、高速スピン緩和プロセスが解除され、スピン緩和時間は、より短くなる。従って、長いスピン寿命にとって、窒化物量子井戸は良好な候補ではないと思われる。

Arakawa et al.（Appl. Phys. Lett. 88, 083101 (2006年)）は、温度依存性を有さない比較的長いスピン寿命（２００ｐｓ）を有するＩｎＧａＮ量子ドットを用いることが可能であることを、最初に示した。しかし、温度依存性を有していないにもかかわらず、この系のスピン寿命は、長いスピン寿命を必要とするスピントロニックデバイスにおいて用いるには、まだ短すぎる。これは、おそらく、この文献で用いられた量子ドットが、従来のウルツ鉱窒化物材料系において成長され、量子ドット内には、強い内部電界が存在したからであろう。Julier et al.が示唆するように、ウルツ鉱窒化物材料系内に存在する内部電界は、キャリアのスピン寿命を低減させ得る。

D. Lagarde et al.（Phys. Rev. B 77, 041304 (2008年)）は、非極性の立方晶ＧａＮ量子ドットにおいて、励起子のスピン寿命のクエンチングを示した。さらに、この励起子のスピン寿命は、室温でも、寿命はクエンチされたまま維持される。これは、量子ドットによって提供される強い閉じ込めおよび大きな励起子の結合エネルギーのためである。しかし、実際のスピン光電子デバイスまたはスピントロニックデバイスにおいて必要とされる励起子のスピン操作については依然として欠如している。

本発明に包含される基本的な理論考察の点において関連する従来技術は、１９９２年にLes editionsが刊行した、G. Bastardによる「Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures」と称する本、および、１９８４年のF. MeierおよびB. Zakharchenyaによる「Optical Orientation」（Modern problems in condensed matter sciences, Amsterdam）と称する本の中に見出される。

本発明は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ量子ドット（ここで、０≦ｘ＜１、および、０≦ｙ≦１）を含有する活性領域を含む層構造と、該量子ドット内の励起子のスピン配向を変更するために該活性領域を横切って電界を印加する手段とを備える窒化物半導体デバイスを提供する。

本デバイスは、１００Ｋよりも高い温度、または１５０Ｋよりも高い温度において動作可能なように構成されていることが好ましい。これらの温度は、半導体量子ドットに基づいた公知のスピントロニックデバイスによって得られる温度よりも高い動作温度である。

本デバイスは、活性領域を横切って印加された電界の値の少なくとも１つの範囲に関して（この範囲は、ゼロ電界を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい）、室温において動作可能なように構成されていることがより好ましい。ここで用いられる「室温」という用語は、３００Ｋ（２７°Ｃ）の温度を意味するものである。デバイスが３００Ｋにおいて動作可能であるために、デバイスは、３００Ｋにおける励起子のスピン寿命が、活性領域を横切って印加された電界の値の少なくとも１つの範囲に関して（この範囲は、ゼロ電界を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい）、好ましくは少なくとも１ｎｓであり、より好ましくは少なくとも１０ｎｓであり、特に好ましくは少なくとも１５ｎｓまたは少なくとも２０ｎｓであるように、構成されている。３００Ｋにおける励起子のスピン寿命が、少なくとも１ｎｓ（または少なくとも１０ｎｓ、または少なくとも１５ｎｓ、または少なくとも２０ｎｓ）であるようにデバイスを構成することは、励起子のスピンに起因するデバイス性能の効果が、３００Ｋにおいて現れることを確実にする（および同様に、１００Ｋ（または１５０Ｋ）における励起子のスピン寿命が、少なくとも１ｎｓ（または、少なくとも１０ｎｓ、または少なくとも１５ｎｓ、または少なくとも２０ｎｓ）であるようにデバイスを構成することは、励起子のスピンに起因するデバイス性能の効果が、１００Ｋ（または１５０Ｋ）におけるデバイスの動作において現れることを確実にする）。実験では、本発明が、３００Ｋにおいて２０ｎｓよりも長い励起子のスピン寿命を提供可能であることが、分かった。

一般的には、より長いスピン寿命が常に望まれるが、所望の励起子のスピン寿命は、意図される用途に依存するものである。例えば、量子情報処理では、スピン寿命は、スピン上で動作を行うために必要とされる時間よりも長くなければならない。本発明を、量子計算に適用するならば、１ｎｓの励起子のスピン寿命にて、（時間的尺度がピコ秒の桁である）幾つかの量子演算を行うために十分な時間が提供される。他の例として、本発明を、スピンレーザに適用するならば、高度の回転偏光および低閾値電流を実証するには、２．５ｎｓよりも長いスピン寿命が必要になると思われる（Appl. Phys. Lett., Vol. 94, p131108 (2009年)）。この文献は、７７Ｋにおける２．５ｎｓのスピン寿命が高い回転偏光度を導くが、室温ではスピン寿命が著しく短いため、室温における偏光度は低いことを報告している。本発明をスピンレーザに適用する際には、室温において高い回転偏光度を得ることが可能でなければならない。

本デバイスは、量子ドット内の励起子が、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、２５ｍｅＶまたはそれ以上の結合エネルギーを有するように構成されていることが好ましい。（量子ドット内の励起子が２５ｍｅＶまたはそれ以上の結合エネルギーを有する、印加された電界の範囲は、印加されたゼロ電界を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい）。（以下に記載する）特定の構成のデバイスが、室温動作を可能にする程度に十分に長い励起子のスピン寿命を有することが分かった。また、これは、デバイスが、２５ｍｅＶまたはそれ以上の励起子の結合エネルギーを有する励起子を備えていることに起因すると想定される。従って、量子ドット内の内部電界またはビルトイン電界が弱いまたはゼロであるように、デバイスを構成することによって、励起子の結合エネルギーを、２５ｍｅＶまたはそれ以上にすることが可能である。こうすることによって、室温における長い励起子のスピン寿命が提供され（ここで、「長い」励起子のスピン寿命とは、好ましくは少なくとも１ｎｓ、より好ましくは少なくとも１０ｎｓ、および特に好ましくは少なくとも１５ｎｓまたは少なくとも２０ｎｓである）、室温において動作可能なスピントロニックデバイスを製造することが可能になる。

本デバイスは、量子ドット内の励起子が、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、５０ｍｅＶまたはそれ以上の結合エネルギーを有するように構成されていてよい。

量子ドットの寸法は、量子ドット内の励起子が、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、２５ｍｅＶまたはそれ以上の結合エネルギーを有するように選択されていてよい。これらの寸法は、量子ドット内の励起子が、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、５０ｍｅＶまたはそれ以上の結合エネルギーを有するように選択されていてよい。

活性領域の内部の各量子ドットは、５０ｎｍ未満の寸法を有していてよい。

層構造は、無極性の基板の上に配置されていてよい。これによって、ビルトイン電界も低減され、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、２５ｍｅＶまたはそれ以上の励起子の結合エネルギーを得ることが可能になる。

この基板は、立方晶ＧａＮ、ｍ面ＧａＮ、およびａ面六方晶ＧａＮのうちの１つを含んでいてよい。

電界を印加する手段は、活性領域の対向し合う側面に配置された電極を備えていてよい。

電界を印加する手段は、量子細線を含んでいてよい。

電界を印加する手段は、使用時に、量子ドットの成長方向に対してほぼ直角に電界を印加するように配置されていてよい。あるいは、電界を印加する手段は、使用時に、量子ドットの成長方向にほぼ平行な電界を印加するように配置されていてよい。

電界を印加する手段は、使用時に、量子ドットのビルトイン電界の方向に対して実質的に逆の成分を有する電界を印加するように配置されていてよい。このようなデバイスでは、量子ドットのビルトイン電界の方向に位置する印加された電界の規模が増大するにつれて、励起子のスピン寿命は増大する。

活性層は、２つまたはそれ以上の量子ドット層を含んでいてよい。あるいは、単一の、量子ドット層だけを有していてよい。

量子ドットは、細長い量子ドットであってよい。

量子ドットは、インターフェース異方性（interface anisotropy）を有していてよい。

本デバイスは、光電子デバイスであってよい。本デバイスは、光ポンプされた光電子デバイスであってよい。

活性領域を横切る電界を変更することによって、デバイスからの光出力の強度を変更することが可能である。あるいは、活性領域を横切る電界を変更することによって、デバイスからの光出力の偏光を変えることが可能である。

近年、量子ドット内の励起子のスピン操作について多く論証されてきたが、室温において動作する半導体ベースのスピントロニックデバイスを開発する努力は続いている。量子ドットナノ構造が、キャリアのスピン緩和の劇的衝撃を大幅に低減するという利点を有しているとしても、これまでのところ、ＧａベースのＩＩＩ−ＶおよびＩＩ−ＶＩ量子ドットが、室温におけるキャリアの長いスピン寿命およびスピン操作を示すことはできていない。

本発明の原理によれば、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系内に成長させた量子ドット中の励起子の、室温におけるスピン操作を実現可能な、新規の種類のデバイスが提供される。さらに、これらのデバイスは、室温において、励起子の長いスピン可干渉時間（coherence time）を提供する。

当業者には公知であるように、励起子とは、電子と、絶縁体または半導体において「正孔」または単に「ホール」と呼ばれる架空の粒子とが束縛された状態のことである。ホールは、例えば光子の吸収の後に電子がより高いエネルギーバンドに励起する時に、形成される。このバンドにおいて電子が欠損することによって、電子と逆の電荷を有する「ホール」が残留する。このため、電子およびホールは、クーロン力によって共に引き寄せられ合う。

これらの利点は、ピエゾ電界および自発分極電界に起因する内部電界の効果が弱い窒化物量子ドットを用いて、または、わずかな内部電界を示すか若しくは全く内部電界を示さない窒化物量子ドットを用いて、励起子の結合エネルギーを、２５ｍｅＶまたはそれ以上になるようにすることによって実現される。すなわち、内部電界が弱い、または、ゼロである場合、励起子の電子およびホールは、結合エネルギーが２５ｍｅＶよりも下に低減される範囲までは、電界によって分離されない。これは、量子ドットを、量子ドットの寸法、特に量子ドットの高さが、２５ｍｅＶよりも大きな励起子の結合エネルギーを提供する（すなわち、強い閉じ込めを提供する）ように成長させることによって、または、例えば立方晶ＧａＮといった無極性の基板の上に量子ドットを成長させることによって、それぞれ実現される。（内部電界のピエゾ成分は、量子ドットが無極性の基板上に成長されていても存在するが、この成分は、一般に極わずかであり、励起子の結合エネルギーを２５ｍｅＶよりも下には低減させることはない。さらに、閉じ込めが増大することによって量子ドットのサイズが低減するため、ピエゾ電界が励起子の電子およびホールに与える影響は低減され、５０ｎｍまたはそれ未満の典型的な寸法を有する量子ドットでは、ピエゾ電界は、電子およびホールにわずかな影響しか与えないか、または何の影響も与えない）。励起子のスピン配向を電界によって制御する新規の方法を提供することも本発明の範囲である。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系の励起子の結合エネルギーが強力であるため、励起子のスピンは、室温まではロバストである。このため、本発明は、量子閉じ込めシュタルク効果によって、電界を用いて、空間的に励起子の電子およびホールを分離する。これによって、励起子の結合エネルギーの低減が導かれる。従って、電子・ホール交換相互作用によって行われるスピン緩和プロセスは、励起子のスピン緩和を生成する。結果として、励起子のスピン偏極は、印加された電界の値と共に変化する。

あるいは、印加された電界を、極性量子ドット内のキャリア上のビルトイン電界効果をさらに遮るために用いてもよい。この場合、励起子は、印加された電界下で、より長いスピン寿命およびより高いスピン偏極度を示す。

従って、本発明の一目的は、室温において、励起子の長いスピン寿命を提供する、新規の種類のスピンベース半導体デバイスを生成することにある。

他の目的は、電界による、励起子のスピン寿命の制御を提供することにある。

本発明の上述の目的、並びに、他の目的、特徴、および利点は、以下の発明の詳細な説明を、添付の図面を共に考慮することによってより容易に理解されよう。

図１は、本発明の窒化物量子ドットスピンデバイスの典型的な一実施形態の構成を示す、概略的な断面図である。 図２は、本発明において製造された、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎＮ材料系におけるデバイスの活性領域を示す、概略的な断面図である。 図３は、本発明に係る、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎＮ材料系の分相された量子ドットを有して形成されたデバイスの活性領域を示す、概略的な断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に従って成長させた、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎＮ材料系の量子ドットスピンデバイスを示す、概略的な断面図である。 図５は、本発明の一実施形態に従って成長させた、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎＮ材料系における量子ドットスピンデバイスの、異なる２つの値の印加された電界における波長に対する、光ルミネセンスの直線偏光度を示す図である。 図６は、本発明を用いた、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎＮ材料系におけるスピンレーザデバイスを示す概略的な断面図である。

量子ドット内の「ビルトイン電界」とは、ピエゾ電界およびパイロ電界の両方に由来する電界を指す。ＩＩＩ−窒化物量子ドットにおいて数ＭＶ／ｃｍに達することが可能なビルトイン電界は、電子およびホールを、量子ドットのそれぞれ反対側の端部に空間的に分離する。これは、電子およびホールが逆の電荷を有しているからである。ビルトイン電界の方向は、一般に、量子ドットの成長方向に沿っている。

以下に、図面に示される、本発明の特定の好適な実施の形態を参照しながら、本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明の窒化物量子ドットスピンデバイスの典型的な一実施形態の構成を示す断面図である。

この図には、デバイスの活性領域１０２が示されている。活性領域１０２は、半導体材料から成るデバイスの構造内に埋め込まれた窒化物量子ドットを含んでいる。このデバイスの構造は、１０１として概略的に示される１つまたは複数の下層と、活性領域１０２と、活性領域の上に配置された、１０３として概略的に示される１つまたは複数の上層とを含む。活性領域１０２を横切って電界を選択的に印加するために、背面電極１０４ａおよび上部電極１０４ｂが、電圧源１０５に接続されている。

次に、本発明の量子ドット活性領域１０２を説明する。

図２は、本発明の窒化物活性領域を示す概略的な断面図である。図２の活性領域１０２は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ量子ドットの活性層１０２ａを含んでいてよい。この活性層１０２ａは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ構造の下層１０１（図１参照）の上、または異なる量子ドット層１０２ａを分離している障壁層１０２ｂの上に配置されている。Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ量子ドットは、０≦ｘ＜１および０≦ｙ≦１である組成を有していてよく、従って、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮを含んでいてよい。量子ドットは、３つの全ての寸法が、それぞれ、５０ｎｍ未満であるサイズを有していてよい。量子ドットは、好ましくは、非意図的にドープされている。

本発明の活性領域１０２の量子ドット層１０２ａ内の窒化物量子ドットは、好ましくは、ドット内の励起子のスピンが、量子ドットのビルトイン電界によって悪影響を受けないか、または、ほとんど悪影響を受けないようになっており、このため、３００Ｋにおける励起子のスピン寿命は、電極１０４ａ，１０４ｂによって活性領域を横切って印加される電界の値の少なくとも１つの範囲（この範囲は、ゼロ電界を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい）に関して、好ましくは少なくとも１ｎｓ、より好ましくは少なくとも１０ｎｓ、および特に好ましくは少なくとも１５ｎｓまたは少なくとも２０ｎｓである。３００Ｋにおける励起子のスピン寿命が少なくとも１ｎｓ（または少なくとも１０ｎｓ、または少なくとも１５ｎｓ、または少なくとも２０ｎｓ）であるようにデバイスを構成することは、励起子のスピンに起因するデバイス性能の効果が、３００Ｋにおいて示されることを確実にする。あるいは、特定の用途では、１００Ｋまたそれ以上の動作温度が、許容され得る。このような場合、量子ドット層１０２ａの窒化物量子ドットは、所望の動作温度における励起子のスピン寿命が、電極１０４ａ，１０４ｂによって活性領域を横切って印加された電界の値の少なくとも１つの範囲に関して、より好ましくは少なくとも１０ｎｓ、および特に好ましくは少なくとも１５ｎｓまたは少なくとも２０ｎｓであるように構成されている。

上述のように、励起子の結合エネルギーが、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、２５ｍｅＶまたはそれ以上、好ましくは５０ｍｅＶまたはそれ以上である場合に、所望の励起子のスピン寿命を得ることが可能である。これを実現するための１つの方法は、本発明のデバイスを無極性の基板上に成長させることである。これによって、ビルトイン電界のパイロ電界成分およびピエゾ電界成分は、極わずかになるため、励起子のスピン寿命に重大な影響を与えないので、励起子の結合エネルギーが２５ｍｅＶまたはそれ以上になる。無極性の基板は、立方晶ＧａＮ、ｍ面もしくはａ面六方晶ＧａＮ、または、同様の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系における任意の無極性の基板であってよい。

あるいは、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系における有極性の基板を本発明において用いてもよい。この場合、量子ドットは、量子ドットの高さが、励起子の強い閉じ込めを導くようなサイズを有していてよく、ビルトイン電界が、量子閉じ込めシュタルク効果によって、励起子の電子およびホールの波動関数の重複を強く低減しないので、励起子の結合エネルギーは、２５ｍｅＶまたはそれ以上になる。したがって、量子ドットは、その高さが、励起子の閉じ込めを提供し、励起子の結合エネルギーが、活性領域を横切って印加された電界の少なくとも１つの範囲に関して、２５ｍｅＶよりも高く、好ましくは５０ｍｅＶよりも高くなるようなサイズを有していてよい。

活性領域１０２は、１つまたは複数の量子ドット層１０２ａを備えていてよい。これらの量子ドット層１０２ａは、組成において異なっていてよい。これらの量子ドット層１０２ａは、厚みにおいて異なっていてよい。

量子ドット活性層１０２ａは、１つまたは複数の量子ドットを含んでいてよい。量子ドット活性層１０２ａの量子ドットの密度は、隣接し合う量子ドット内に存在する励起子間の横方向の電子結合を十分に提供できる程度であってもよいし、または、いかなる横方向の電子結合も十分に提供できない程度であってもよい。（隣接し合う量子ドット内に存在する励起子間の結合の結果）電子的に結合される量子ドットは、本発明を、例えば量子コンピュータまたは量子論理ゲートに適用する場合に、有効である。

図２の本発明の活性領域１０２は、１つまたは複数の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ障壁層１０２ｂを含んでいてよい。障壁層１０２ｂのバンドギャップは、量子ドット層１０２ａのバンドギャップよりも大きくてよい。障壁層１０２ｂは、１ｎｍよりも厚く、かつ、５０ｎｍよりも薄い厚みを有していてよい。障壁層の厚みが１ｎｍ未満であるならば、この層が、障壁層として有効に機能することは不可能であろう。１ｎｍ未満の厚みでは、障壁層が、下層の量子ドット層を完全に覆わないので、次に成長させる量子ドット層が、下層の量子ドット層上に成長し、量子ドットが形成されないことが起こり得る（量子ドットが形成されたとしても、低品質である可能性が高い）。また、障壁層が、５０ｎｍよりも厚いならば、幾つかの量子ドット層を含む活性領域を備えるＬＥＤの性能は、著しく低下することが分かっている。これは、活性領域の材料の質が低下すること、および、活性領域の全体的な電気抵抗が増大すること（電気抵抗は、障壁層が厚くなるにつれて増大する）が原因であると考えられる。

障壁層１０２ｂは全て、同一であってもよい。障壁層１０２ｂは、組成において異なっていてよい。障壁層１０２ｂは、厚みにおいて異なっていてよい。障壁層１０２ｂは、非意図的にドープされていてもよいし、または、選択的にｎ型またはｐ型ドープされていてもよい。例えば、有極性の基板の上に成長させた量子ドットの場合、障壁層１０２ｂをドープすることによって、ピエゾ電界の値を変更し、該電界の値を、ピエゾ電界を遮るために必要とされる値に変更し、長い励起子のスピン寿命を得ることが可能である。

本発明の図２の活性領域１０２は、２つまたはそれ以上の量子ドット層１０２ａを含んでいてよく、ここで、量子ドットは、垂直方向に並べられていてもよい（すなわち、１つの層内の量子ドットが、下の層内の量子ドットの上方に配置されていてよい）。量子ドット層１０２ａの垂直方向に配置された複数の量子ドットは、異なる層内の量子ドット内に存在する励起子に、垂直方向の電子結合を提供してもよいし、または、垂直方向の電子結合を提供しなくてもよい。

活性領域１０２の量子ドット層１０２ａの窒化物量子ドットは、該量子ドットの成長軸に法線方向に長く延びた構造を有していてよい、および／または、インターフェース異方性を有していてよい。この場合、励起子の固有状態は、直線偏光した状態であり、そのため、本発明の動作は、直線偏光した励起子の状態に基づくことになる。１つの量子ドットの対称性を破り、そうすることによって直線偏光した状態を得るには、１つの量子ドットがわずかに伸長しているだけで十分である（例えば４％からの伸長で十分である）。（図２または図４の実施例では、量子ドットの成長方向は、基板４０１に対して直角である。）そして、伸長を得るために、一横方向（すなわち、基板に対して平行な一方向）における量子ドットのサイズは、該一横方向と直交する別の横方向における量子ドットのサイズとは異なっている。インターフェース異方性が存在する場合、この場合も先と同様に、異方性の度合いが、量子ドットの対称性が破られる程度（必要とされる異方性の度合いが、量子ドットの形状および組成に依存する程度）に十分に大きいならば、これらの状態は、直線偏光した状態である。これは、量子ドットと周りを取り囲む材料との間のインターフェースにおいて対称性の低減が存在する場合に（すなわち、インターフェースにおける化学結合の方向性が、全て同一の方向でない場合に）、起こり得る。

あるいは、活性領域１０２の量子ドット層１０２ａの窒化物量子ドットは、窒化物量子ドットの成長軸に対して任意の法線方向に長く延びた構造を有していなくてもよいし、または、インターフェース異方性を有していなくてもよい。この場合、励起子の固有状態は、円偏光した状態であり、そのため、本発明の動作は、円偏光した励起子の状態に基づくことになる。円偏光した固有状態が好ましいか、または直線偏光した固有状態が好ましいかについては、どの種類のデバイスに本発明を適用させるかに依存している。例えば、発光デバイスでは、固有状態の偏光は、放射された光の偏光に由来する（そのため、円偏光した励起子の固有状態は、円偏光した光を導くことになる）。他の一実施例である量子コンピュータの場合は、直線の固有状態が好ましい（これは、量子コンピュータが、状態の重ね合わせを必要とし、直線スピン状態は、円偏光した状態を直線状に重ね合わせたものだからである）。

図２の量子ドット層１０２ａの量子ドットは、ストランスキー・クラスタノフ成長プロセスによって成長させることが可能である。あるいは、これらの量子ドットを、当業者は、任意の好適な窒化物量子ドット成長プロセスによって成長させることも可能である。このプロセスには、ヴォルマー・ウェーバー成長プロセス、または、図３に示される分相された量子ドットが含まれるが、これらに限定されない。

本発明の活性領域１０２は、成長法として、分子線エピタキシー法を用いて成長させてもよいし、または、当業者が、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料に基づく量子ドットを成長させるための任意の成長方法を用いて、成長させることも可能である。この成長方法には、有機金属化学気相堆積法、または、ハイブリッド気相エピタキシー法が含まれるが、これらに限定されない。

次に、本発明の、スピンベースデバイスの動作について説明する。

本デバイスの活性領域１０２の量子ドット層１０２ａの量子ドット内に光学的または電気的に生成された、スピン偏極した励起子は、励起子の寿命が続く間はずっと、そのスピン配向を維持する。これは、ビルトイン電界が存在せず、またはこれらが与える影響が弱く、励起子の結合エネルギーが強いためである。これは、電子スピンおよびホールスピンが、励起子の寿命が続く間はずっと緩和しないことを意味している。例えば、本発明に従って製造された、発光する光電子デバイスでは、放射された光は偏光される。励起子のスピン偏極は、放射された光の偏光度によって監視することが可能である。励起子のスピン配向のクエンチングの結果、放射された光の偏光度は、励起子の寿命の間ずっと一定に維持される。

図１の実施形態では、電極１０４ａと１０４ｂとの間に、電圧が選択的に印加される。ここで、電極１０４ａと１０４ｂとの間に発生する電界は、量子ドット層１０２ａの量子ドット内の励起子のスピン配向を偏光させる程度に十分に強い。結果として、励起子のスピン緩和時間は、短縮される。例えば、本発明に従って製造された発光光電子デバイスの場合、放射された光の偏光度は、低減される。電極１０４ａおよび１０４ｂに印加された電圧によって発生した電界は、量子閉じ込めシュタルク効果によって量子ドットのバンド構造を変更し、電子とホールとを分離することによって、励起子の結合エネルギーを低減させ得る。励起子のスピン緩和は、電極１０４ａおよび１０４ｂに印加された電圧の値によって制御される。

典型的には、電極１０４ａおよび１０４ｂは、金属から構成されている。電極１０４ａと１０４ｂとの間では、電位差が維持される。例えば、電位は、任意の適用可能な値であってよい。

電極１０４ａおよび１０４ｂに印加された電位は、変調されてもよいし、または変調されなくてもよい（すなわち連続的である）。

図１の実施形態では、電極１０４ａおよび１０４ｂは、一般に、量子ドットの成長方向に対して直角に配置されており、電極１０４ａ，１０４ｂによって発生した電界の方向は、量子ドットの成長方向に平行、またはほぼ平行である。すなわち、この電界は、図１に示されるデバイスの配向に垂直になっている。（図１では、成長方向は、基板の平面に対してほぼ直角であると想定される）。あるいは、電極１０４ａ，１０４ｂは、電極１０４ａ，１０４ｂによって発生した電界の方向が、量子ドットの成長方向に対して直角、または、ほぼ直角になるように、すなわち、該電界が、図１に示されるデバイスの配向に水平になるように配置されていてもよいし、または、電極１０４ａ，１０４ｂは、量子ドットの成長方向に対して任意の角度において、電界を提供するように配向されていてもよい。

上述のように、図１では、成長方向は、基板の平面に対してほぼ直角であると想定される。本発明は、原理的に、基板の平面に対してほぼ直角である成長方向に限定されるものではなく（現在ではこの方向が最も一般的であるが）、図１に示される電極配置を変形させて、基板の平面に対して実質的に直角ではない成長方向を可能にしてもよい。

あるいは、有極性の窒化物量子ドットの場合、電極１０４ａおよび１０４ｂによって発生した電界を用いて、励起子に与えるビルトイン電界効果を低減させることが可能であり、これによって、励起子のスピン偏極率は増大し、励起子のスピン寿命は延長される。このため、電極１０４ａ，１０４ｂは、ビルトイン電界の逆である非ゼロ成分を有する電界を印加することが必要になる（これは、電極１０４ａ，１０４ｂによって印加された電界が、実質的に、ビルトイン電界の逆である可能性を含む）。本実施形態を用いて、電極１０４ａ，１０４ｂによって電界が活性領域１０２を横切って印加されない場合に、励起子の短いスピン寿命を有するデバイスを得ることが可能である。このデバイスでは、励起子のスピン寿命は、活性領域１０２を横切って印加される電界が増大するにつれて、増大する。従って、このようなデバイスは、電極１０４ａ，１０４ｂによって電界が活性領域１０２を横切って印加されない場合に、２５ｍｅＶよりも低い励起子の結合エネルギーを有するが、励起子に与えるビルトイン電界の影響を十分に低減することが可能な程度の大きな電界が印加される場合、２５ｍｅＶ以上の励起子の結合エネルギーを有することになる。従って、このようなデバイスでは、活性領域を横切る電界が増大するにつれて、励起子のスピン寿命が増大する。

次に、本発明の具体的な一実施例について説明する。

図４に示された構造を有する本発明のデバイスは、活性領域４０３内に、極性Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．７５Ｎ／ＧａＮ量子ドットを用いて製造される。このデバイスの構造は、分子線エピタキシーによって成長させた発光ダイオード構造である。ＩｎＧａＮ量子ドット活性領域４０３は、ｎ型ドープされたＧａＮ層４０２とｐ型ドープされた上位のＧａＮ層４０４との間に埋め込まれている。このデバイスは、基板４０１の上に成長されている。上部コンタクト４０５ａは、金から構成されていてよい。底部コンタクト４０５ｂは、インジウムから構成されていてよい。本実施形態では、デバイスの活性領域４０３は、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．７５Ｎ量子ドットの５つの層１０２ａを含む。これらの層は、６ｎｍの厚みを有する非意図的にドープされたＧａＮ障壁層１０２ｂによって分離されている。量子ドットは、その高さが約２ｎｍであり、その、基部における横方向のサイズが約１０ｎｍであるような寸法を有している。このような寸法は、励起子の強い閉じ込めを導き、弱いビルトイン電界効果が観測される（励起子の放射寿命は、約４００ｐｓである。Ｍ． Senes et al.,（Phys. Rev. B 75, 045314, 2007年）を参照）。量子ドットは、量子ドットの成長軸に対して法線の方向に長く延びている、および／または、インターフェース異方性を有してもよく、励起子の固有状態は直線偏光した状態である。上部コンタクト４０５ａによって覆われていないｐ型ＧａＮ層４０４の一部に焦点をあわせた、直線偏光したレーザ光線４０７によって、スピン偏極した励起子が光学的に生成される。デバイスによって放射された光４０８は、収集され、偏光について分析される。まず、コンタクト４０５ａと４０５ｂとの間に電圧を印加せず、直線偏光したレーザ励起の後、放射された光４０８の直線偏光が測定される。その後、コンタクト４０５ａおよび４０５ｂに、一定の−５Ｖの逆バイアス電位４０６が印加され、放射された光４０８の偏光が測定される。量子ドット内の偏光されていないキャリアの電気的注入を回避するために、ＬＥＤに印加された逆バイアス電位４０６を用いることが可能である。

図５は、上部コンタクト４０５ａと底部コンタクト４０５ｂとの間にバイアス電位が印加された励起子の偏光の変化を示す観測結果のグラフである。発光の直線偏光度は、バイアス電位が、０Ｖから−５Ｖまで増大する時に、１０％から２０％に倍増することが示されている。

図５の結果は、印加された電界が、本発明のデバイスの有極性のＩｎＧａＮ量子ドット内に存在するビルトイン電界を遮ることを示している。ビルトイン電界のスクリーニングが、励起子の結合エネルギーの増大を導き、これによって、スピン緩和プロセスの効果を強く抑制することを導く。結果として、光ルミネセンスの偏光度は増大する。

次に、本発明のさらなる一実施例について説明する。

本発明の他の一実施形態によれば、電界に誘導された励起子のスピン切替を用いて、室温で動作する光ポンプされたスピンレーザを構成することが可能である。

図６は、本発明を用いた光ポンプされたスピンレーザを概略的に示す図である。図６のスピンレーザは、基板６０１上に配置された（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ材料系において形成されたバッファ層６０２を含んでいてよい。バッファ層６０２の上には、第１のクラッド層６０３、本実施例では（Ａｌ、Ｇａ）Ｎクラッド層６０３が、配置されている。第１のクラッド層６０３の上には、第１の導光層６０４、本実施例では（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ導光層６０４が、配置されている。活性領域６０５の上に、第１の実施形態において説明した窒化物量子ドットを含む第２の導光層６０６、本実施例では（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ導光層６０６が、配置されている。第２の導光層６０６の上には、第２のクラッド層６０７、本実施例では（Ａｌ、Ｇａ）Ｎクラッド層６０７が、配置されている。最後に、第２のクラッド層６０７の上には、キャッピング層６０８が配置されている。電極６０９ａおよび６０９ｂが、それぞれ、スピンレーザ構造の上部および底部に配置されており、電極６０９ａと６０９ｂとの間には、電気バイアス電位６１０が印加され、電界を、量子ドット活性領域６０５を通して導いている。

ポンプビームとして用いられる偏光された励起レーザービーム６１１は、上部電極６０９ａに形成された開口部を通して、スピンレーザ構造の上部に焦点を当てている。このスピンレーザの放射されたレーザービーム６１２は、本発明のデバイスの成長軸に対して直角に放射される。

偏光された励起レーザービーム６１１は、図６のスピンレーザ構造の活性領域６０５の窒化物量子ドットにおいて、スピン偏極した励起子を生成する。結果として、スピンレーザの放射されたレーザービーム６１２は、偏光される。さらに、レーザの利得は、励起子のスピン偏極に依存している。励起子がスピン偏極されるならば、スピンレーザの利得曲線は、閾値よりも高く、スピンレーザはスイッチオンされる。電極６０９ａと６０９ｂとの間にバイアス電位６１０が印加され、励起子のスピンがその方向性を失うと、スピンレーザの利得曲線は、閾値よりも低くなり、スピンレーザはスイッチオフされる。従って、上部電極６０９ａと底部電極６０９ｂとの間に印加されるバイアス電位を変化させること（および従って、活性領域１０２を横切って印加される電界を変化させること）によって、デバイスは、そのＯＦＦ状態とＯＮ状態との間において切替えられ、これによって、デバイスからの光出力の強度を変化されることが可能である。

さらに、デバイスがそのＯＮ状態にある時、印加されたバイアス電位６１０を用いて、スピンレーザからの光出力の強度を変調することが可能である。これは、活性領域の窒化物量子ドット内の励起子のスピン配向を変調することによって行われる。これによって、励起子のスピン偏極は変化する。この変化は、レーザの利得を変化させ、これによってレーザ出力を変化させる。

本発明を用いた、デバイスの本実施例に含まれるスピンレーザの基本的動作原理の点において関連する従来技術は、「spin injection, spin transport and spin coherence」 (Semicond. Sci. Technol. 17, 285-297 (2002年))と称するM. Oestreich et al.による記事、および、２００４年４月１日にM. Oestreichに付与されたドイツ特許第ＤＥ第１０２４３９４４号に見いだされる。

本スピンレーザの利点は、スピンレーザが、一定のキャリア密度において動作可能であり、温度変動および波長のシフトを回避するという点である。さらに、スピン配向およびキャリア密度の両方を変調することが可能であり、スピンレーザは、同一の変調周波数を有する従来のレーザと比べて、２倍の情報を運ぶことが可能である。本発明を用いることの主な利点は、スピンレーザが室温において動作するという点である。

本発明において、図４の電極４０５ａ，４０５ｂ、および図６の電極６０９ａ，６０９ｂを使用することは、量子ドットを横切って電界を発生させるために好適な１つの方法であるが、本発明は、この方法に限定されず、任意の好適な、量子ドットを横切って電界を印加する方法を用いてもよいことは、理解されよう。

例えば、活性領域の窒化物量子ドットを、１つまたは複数の量子細線の中に埋め込んで、１つまたは複数の量子細線と接触させる、または、１つまたは複数の量子細線とほぼ接触させてもよいが、これに限定されない。これらの実施形態では、量子細線を用いて、量子ドットを横切って電界を発生させることが可能である。

さらに、本発明は、その用途においても、示した実施例に限定されるものではない。具体的には、本発明を、光電子デバイスに関連して説明してきたが、本発明は、これに限定されず、一般的には、スピン偏極したキャリアの電気的注入およびスピン偏極の電気的検出を介して、電子デバイスにも適用可能である。本発明は、異なる多数の種類のデバイスにおいて使用可能である。これらのデバイスの例には、量子論理ゲート、量子計算、量子情報、スピンメモリ、スピントランジスタ、スピン発光ダイオード、および、好ましい実施形態に記載した窒化物量子ドットを用いた、室温における励起子のスピン操作を必要とすると共にこれに基づいた他のあらゆるデバイスが挙げられる。本発明を光電子デバイス以外のデバイスに適用する場合には、このデバイスは、一般に、本願に記載した活性領域と構造が類似している活性領域を有する。このデバイスは、例えばここに記載した任意の方法に係る、活性領域を横切って選択的に電界を印加する好適な手段を有していなければならない。デバイス構造の残りの部材は、特定の種類のデバイスに適した構造を規定する（例えば、本発明をスピントランジスタに適用する際に、トランジスタの構造を規定する）ために好適な層を含む。

本発明は、量子ドットが約２ｎｍの高さおよび約１０ｎｍの横方向のサイズを有している活性領域に限定されるものではなく、量子ドットの高さおよび横方向の寸法は、５０ｎｍまでの任意の値をとることが可能である。しかしながら、量子ドットの高さは、その横方向の寸法よりも短いことが一般的であろう。

以上に、本発明を、本発明の具体的な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲の原理から逸脱することなく、本発明を変形すること、本発明から削除すること、本発明に付加することを、多数行ってもよいことは、当業者に自明であることは容易に理解されよう。従って、本発明は、上述の本発明の特定の実施形態に限定されることを意図するものではなく、添付の特許請求の範囲において具体的に記載される特徴に関する範囲内で実施可能な全ての実施形態を含むこと、および、その同等な全てのものを包含することを意図するものであることは、理解されよう。

このように記載した本発明は、同一の方法を、多数の方法に変形すること可能であることは明らかである。このような変形は、本発明の原理および範囲から逸脱したものと見なされるものではなく、当業者には明らかであるこのような全ての変形は、以下の特許請求の範囲内に含まれることを意図するものである。

１０１ 下層（基板）
１０２ 活性領域
１０２ａ 量子ドット層（量子ドット）
１０２ｂ 障壁層
１０３ 上層
１０４ａ 背面電極（電界を印加する手段）
１０４ｂ 上部電極（電界を印加する手段）
１０５ 電圧源（電界を印加する手段）
４０１ 基板
４０２ ｎ−ＧａＮ層
４０３ 活性領域
４０４ ｐ−ＧａＮ層
４０５ａ 上部コンタクト（電界を印加する手段）
４０５ｂ 底部コンタクト（電界を印加する手段）
４０６ バイアス電位（電界を印加する手段）
４０７ レーザ光線
４０８ 放射された光
６０１ 基板
６０２ バッファ層
６０３ 第１のクラッド層
６０４ 第１の導光層
６０５ 活性領域
６０６ 第２の導光層
６０７ 第２のクラッド層
６０８ キャッピング層
６０９ａ 上部電極（電界を印加する手段）
６０９ｂ 底部電極（電界を印加する手段）
６１０ バイアス電位（電界を印加する手段）
６１１ レーザービーム
６１２ 放射されたレーザービーム

Claims (12)

1. Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ量子ドット（０≦ｘ＜１および０≦ｙ≦１）を含有する活性領域を含む層構造と、上記量子ドット内の励起子のスピン配向を変更するために上記活性領域を横切って電界を印加する手段とを備え、
   上記電界を印加する手段は、使用時に、量子ドットの成長方向に対してほぼ直角に電界を印加するように配置されている、窒化物半導体デバイス。
2. 上記電界を印加する手段は、上記活性領域の対向し合う側面上に配置された電極を含む、請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
3. 上記電界を印加する手段は、量子細線を含む、請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
4. 上記電界を印加する手段は、使用時に、上記量子ドットのビルトイン電界の方向に対して実質的に逆の成分を有する電界を印加するように配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
5. 上記活性領域は、２つまたはそれ以上の量子ドット層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
6. 上記活性領域の内部の各量子ドットは、５０ｎｍ未満の寸法を有している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
7. 上記量子ドットは、細長い量子ドットである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
8. 上記量子ドットは、インターフェース異方性を有している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
9. 光電子デバイスを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
10. 光ポンプされた光電子デバイスを含む、請求項９に記載の窒化物半導体デバイス。
11. 上記活性領域を横切る電界を変更することによって、上記デバイスからの光出力の強度が変更される、請求項９または１０に記載の窒化物半導体デバイス。
12. 上記活性領域を横切る電界を変更することによって、上記窒化物半導体デバイスからの光出力の偏光が変更される、請求項９または１０に記載の窒化物半導体デバイス。

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