JP7175502B2 - circularly polarized light emitting diode - Google Patents
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Description
本開示は、円偏光発光ダイオードに関する。 The present disclosure relates to circularly polarized light emitting diodes.
現在、光の偏光や位相を扱う光学技術の発展は目覚しく、円偏光を直接発光する光源として、半導体LED構造と強磁性体金属とを組み合わせた円偏光発光ダイオードが検討されている。 At present, the development of optical technology that deals with the polarization and phase of light is remarkable, and as a light source that directly emits circularly polarized light, a circularly polarized light emitting diode that combines a semiconductor LED structure and a ferromagnetic metal is being studied.
半導体LED構造と強磁性体金属とを単に直接接合しても、電気伝導度が大きく相違するため、強磁性体中のスピンの揃った電子を効率良く半導体LED構造中に入れることができない。そこで、トンネル伝導を利用して、強磁性体中のスピンの揃った電子を半導体LED構造中に入れることが検討されており、トンネル絶縁膜として、1nm程度の結晶性に優れた酸化アルミニウムの酸化膜を、半導体LED構造と強磁性体金属との間に配置することにより、室温で純粋な円偏光を生成する発光ダイオード素子が提案されている(非特許文献1)。 Even if the semiconductor LED structure and the ferromagnetic metal are simply directly bonded, the spin-aligned electrons in the ferromagnetic material cannot efficiently enter the semiconductor LED structure due to the large difference in electrical conductivity. Therefore, it is being studied to use tunnel conduction to put electrons with aligned spins in a ferromagnetic material into a semiconductor LED structure. A light-emitting diode device has been proposed that produces pure circularly polarized light at room temperature by placing a film between a semiconductor LED structure and a ferromagnetic metal [1].
酸化アルミニウム層は、半導体LED構造の砒化ガリウム層上に直接アルミニウム層をエピタキシャル成長させ、エピタキシャル成長させたアルミニウム層を自然酸化させることにより形成することができる。格子が揃った結晶化したアルミニウム層を酸化することにより、格子が揃った結晶化した酸化アルミニウム層を得ることができる。このようにして、強磁性体中のスピンの揃った電子を半導体LED構造中に入れることによって、実質的に100%の円偏光を発光するLEDを作製することができる。 The aluminum oxide layer can be formed by epitaxially growing an aluminum layer directly on the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure and naturally oxidizing the epitaxially grown aluminum layer. By oxidizing the lattice-aligned crystallized aluminum layer, a lattice-aligned crystallized aluminum oxide layer can be obtained. In this way, an LED that emits substantially 100% circularly polarized light can be fabricated by incorporating spin-aligned electrons in a ferromagnetic material into a semiconductor LED structure.
しかしながら、純粋円偏光発光時、円偏光発光ダイオード全体に10V程度の電圧がかかり、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウム層に10~20MV/cmの電界がかかる。この電界の大きさはサファイアに絶縁破壊が起きる電界強度と同程度であり、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウム層の結晶性を高品質にしても、絶縁破壊により発光が消失し得るため、歩留まりが低いという課題があった。 However, when purely circularly polarized light is emitted, a voltage of about 10 V is applied across the entire circularly polarized light emitting diode, and an electric field of 10 to 20 MV/cm is applied to the aluminum oxide layer of the tunnel insulating film. The magnitude of this electric field is about the same as the electric field strength that causes dielectric breakdown in sapphire, and even if the crystallinity of the aluminum oxide layer of the tunnel insulating film is high, the dielectric breakdown may cause light emission to disappear, resulting in a low yield. There was a problem.
また、円偏光発光ダイオードの発光面となる端面や膜中に漏れ電流が流れて非発光再結合が増加すること、及びトンネル絶縁膜となる酸化膜を自然酸化により形成する際に、トンネル絶縁膜に隣接する半導体層中に酸素が拡散して外部量子効率が低下することにより、純粋円偏光発光を得るために大きな電流密度が必要であった。 In addition, non-radiative recombination increases due to leakage current flowing in the end face and film that become the light emitting surface of the circularly polarized light emitting diode. Large current densities were required to obtain pure circularly polarized light emission due to oxygen diffusion into the semiconductor layer adjacent to the lower external quantum efficiency.
そのため、低電流密度での純粋円偏光生成及び歩留まりが向上した円偏光発光ダイオードが求められている。 Therefore, there is a need for circularly polarized light-emitting diodes that generate purely circularly polarized light at low current densities and have improved yields.
上記問題を解決するために、本発明者は鋭意研究を行い、トンネル絶縁膜として、酸化アルミニウム層と半導体LED構造の砒化ガリウム層との間に、絶縁性が高い砒化アルミニウムの半導体層を配置した構造を見出した。図1に、本開示の円偏光発光ダイオードの一例の断面模式図を示す。 In order to solve the above problems, the present inventors conducted intensive research and arranged a semiconductor layer of aluminum arsenide with high insulating properties as a tunnel insulating film between the aluminum oxide layer and the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure. found the structure. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an example of the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure.
本開示は、ダブルヘテロ構造、前記ダブルヘテロ構造上に配置されたトンネル絶縁膜、及び前記トンネル絶縁膜上に配置された強磁性体電極を有する円偏光発光ダイオードであって、
前記トンネル絶縁膜が、砒化アルミニウム層及び前記砒化アルミニウム層上に配置された酸化アルミニウム層を含み、
前記ダブルヘテロ構造が、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つ前記トンネル絶縁膜の前記砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む、
円偏光発光ダイオードを対象とする。
The present disclosure is a circularly polarized light emitting diode having a double heterostructure, a tunnel insulating film arranged on the double heterostructure, and a ferromagnetic electrode arranged on the tunnel insulating film,
the tunnel insulating film includes an aluminum arsenide layer and an aluminum oxide layer disposed on the aluminum arsenide layer;
wherein the double heterostructure contains gallium, aluminum, and arsenic, and a gallium arsenide layer disposed in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film;
It is intended for circularly polarized light emitting diodes.
本発明によれば、低電流密度での純粋円偏光生成及び歩留まりが向上した円偏光発光ダイオードを提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a circularly polarized light emitting diode which can generate purely circularly polarized light at a low current density and has an improved yield.
本開示は、ダブルヘテロ構造、前記ダブルヘテロ構造上に配置されたトンネル絶縁膜、及び前記トンネル絶縁膜上に配置された強磁性体電極を有する円偏光発光ダイオードであって、前記トンネル絶縁膜が、砒化アルミニウム層及び前記砒化アルミニウム層上に配置された酸化アルミニウム層を含み、前記ダブルヘテロ構造が、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つ前記トンネル絶縁膜の前記砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む、円偏光発光ダイオードを対象とする。 The present disclosure is a circularly polarized light emitting diode having a double heterostructure, a tunnel insulating film arranged on the double heterostructure, and a ferromagnetic electrode arranged on the tunnel insulating film, wherein the tunnel insulating film is , an aluminum arsenide layer and an aluminum oxide layer disposed on the aluminum arsenide layer, wherein the double heterostructure includes gallium, aluminum, and arsenic, and is disposed at a position of the tunnel insulating film in contact with the aluminum arsenide layer. A circularly polarized light-emitting diode that includes a gallium arsenide layer that has been coated.
本開示の円偏光発光ダイオードによれば、トンネル絶縁膜中の酸化アルミニウム層の結晶性を向上することができる。 According to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, it is possible to improve the crystallinity of the aluminum oxide layer in the tunnel insulating film.
従来、半導体LED構造の砒化ガリウム層上に接して酸化アルミニウム層を形成する場合は、酸素が砒化ガリウム層中に拡散して、砒化ガリウム層の最表面に酸化ヒ素の層が形成されてしまう。この場合、酸化ヒ素と酸化アルミニウムとは結晶構造が大きく相違するので、酸化アルミニウム層の結晶性が低下してしまう。 Conventionally, when an aluminum oxide layer is formed on and in contact with a gallium arsenide layer of a semiconductor LED structure, oxygen diffuses into the gallium arsenide layer to form an arsenic oxide layer on the outermost surface of the gallium arsenide layer. In this case, since arsenic oxide and aluminum oxide have a large difference in crystal structure, the crystallinity of the aluminum oxide layer is degraded.
これに対して、半導体LED構造の砒化ガリウム層上に砒化アルミニウム層を下地に配置する場合は、砒化アルミニウム層上に接してアルミニウム層を形成し、アルミニウム層を酸化して酸化アルミニウムを形成する。このアルミニウム層を酸化する際に、下地の砒化アルミニウム層の表面は酸化して酸化アルミニウムの層が形成される。砒化アルミニウム層の表面が酸化して形成される酸化アルミニウム層と、その上に接して配置される酸化アルミニウム層とは、結晶構造が同じであるので、結晶性が高い酸化アルミニウム層を得ることができる。 In contrast, if an aluminum arsenide layer is to be placed over the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure, an aluminum layer is formed over and in contact with the aluminum arsenide layer, and the aluminum layer is oxidized to form aluminum oxide. When this aluminum layer is oxidized, the surface of the underlying aluminum arsenide layer is oxidized to form an aluminum oxide layer. Since the aluminum oxide layer formed by oxidizing the surface of the aluminum arsenide layer and the aluminum oxide layer disposed thereon have the same crystal structure, it is possible to obtain an aluminum oxide layer with high crystallinity. can.
また、本開示の円偏光発光ダイオードによれば、絶縁性が高い砒化アルミニウム層をトンネル絶縁膜の下地に配置しているので、膜中及び端面に漏れ電流が流れることを抑制することができる。 In addition, according to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, since the highly insulating aluminum arsenide layer is arranged under the tunnel insulating film, it is possible to suppress leakage current from flowing through the film and the end face.
さらには、本開示の円偏光発光ダイオードによれば、酸化アルミニウム層と半導体LED構造との間に砒化アルミニウム層を配置した構造を有するため、アルミニウム層を酸化して酸化アルミニウム層を形成する際に、半導体LED構造の半導体層への酸素の拡散を抑制することができる。 Furthermore, according to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, since it has a structure in which the aluminum arsenide layer is arranged between the aluminum oxide layer and the semiconductor LED structure, when the aluminum layer is oxidized to form the aluminum oxide layer, , the diffusion of oxygen into the semiconductor layers of the semiconductor LED structure can be suppressed.
このように、本開示の円偏光発光ダイオードによれば、酸化アルミニウム層と半導体LED構造の砒化ガリウム層との間に絶縁性が高い砒化アルミニウム層が配置され、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウム層の結晶性が向上し、膜中及び端面への漏れ電流が抑制され、半導体LED構造の半導体層への酸素の拡散が抑制される。これらに効果により従来よりも、トンネル絶縁膜の絶縁破壊が抑制されて大幅に歩留まりが向上し、且つ大幅に小さい電流密度で純粋円偏光発光を得ることができる。 Thus, according to the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure, an aluminum arsenide layer with high insulating properties is arranged between the aluminum oxide layer and the gallium arsenide layer of the semiconductor LED structure, and the crystal of the aluminum oxide layer of the tunnel insulating film properties are improved, the leakage current in the film and to the edge is suppressed, and the diffusion of oxygen into the semiconductor layers of the semiconductor LED structure is suppressed. Due to these effects, the dielectric breakdown of the tunnel insulating film is suppressed, the yield is greatly improved, and purely circularly polarized light emission can be obtained with a significantly lower current density than before.
本開示の円偏光発光ダイオードは、好ましくは50%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上の円偏光度を示す。本願において、前記好ましい範囲の円偏光度を、純粋円偏光という。円偏光度とは、右回り円偏光及び左回り円偏光のエレクトロルミネッセンス強度の合計に対する右回り円偏光または左回り円偏光のエレクトロルミネッセンス強度が占める割合をいう。 The circularly polarized light emitting diode of the present disclosure preferably exhibits a degree of circular polarization of 50% or higher, more preferably 80% or higher, even more preferably 90% or higher. In the present application, the degree of circular polarization within the preferred range is referred to as pure circular polarization. The degree of circular polarization refers to the ratio of the electroluminescence intensity of right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light to the sum of the electroluminescence intensities of right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light.
酸化アルミニウムは、AlOxで表され、xは好ましくは1.0~1.5である。砒化アルミニウムは、AlAsで表される。 Aluminum oxide is represented by AlOx, where x is preferably between 1.0 and 1.5. Aluminum arsenide is represented by AlAs.
本開示の円偏光発光ダイオードは、ダブルヘテロ構造を有する。砒化アルミニウム層及び酸化アルミニウム層を含むトンネル絶縁膜とダブルヘテロ構造との組み合わせにより、高い発光効率を得ることができる。 The circularly polarized light emitting diode of the present disclosure has a double heterostructure. A combination of the tunnel insulating film including the aluminum arsenide layer and the aluminum oxide layer and the double heterostructure can provide high luminous efficiency.
ダブルヘテロ構造は、砒化ガリウム系のダブルヘテロ構造であり、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つトンネル絶縁膜の砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む。 The double heterostructure is a gallium arsenide-based double heterostructure, and includes a gallium arsenide layer containing gallium, aluminum, and arsenic and located in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film.
ダブルヘテロ構造は、図1に例示するn型半導体が強磁性体電極側に配置されるPIN構造、またはNIP構造であることができる。 The double heterostructure can be a PIN structure or an NIP structure in which the n-type semiconductor illustrated in FIG. 1 is arranged on the ferromagnetic electrode side.
ダブルヘテロ構造は、好ましくはPIN構造である。強磁性体電極からスピンの揃った電子を、ダブルヘテロ構造の半導体LED構造中に入れるため、トンネル絶縁膜の砒化アルミニウム層に接するダブルヘテロ構造の層は、n型半導体であるn型砒化ガリウムが好ましい。電子はホールよりも緩和時間が長いので、ダブルヘテロ構造中の発光層まで、電子はスピンが揃ったまま到達することができる。 The double heterostructure is preferably a PIN structure. In order to put electrons with aligned spins from the ferromagnetic electrode into the double heterostructure semiconductor LED structure, the double heterostructure layer in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film is made of n-type gallium arsenide, which is an n-type semiconductor. preferable. Since electrons have a longer relaxation time than holes, the electrons can reach the light-emitting layer in the double heterostructure with their spins aligned.
ダブルヘテロ構造は、より好ましくは、p型砒化アルミニウムガリウム層、p型砒化ガリウム層、n型砒化アルミニウムガリウム層、及びn型砒化ガリウム層を含むPIN構造を有し、ダブルヘテロ構造のn型砒化ガリウム層上に接してトンネル絶縁膜の砒化アルミニウム層が配置される。この場合、p型砒化ガリウム層が発光層となる。 The double heterostructure more preferably has a PIN structure including a p-type aluminum gallium arsenide layer, a p-type gallium arsenide layer, an n-type aluminum gallium arsenide layer, and an n-type gallium arsenide layer, and the n-type arsenide of the double heterostructure An aluminum arsenide layer of a tunnel insulating film is arranged on and in contact with the gallium layer. In this case, the p-type gallium arsenide layer becomes the light emitting layer.
p型砒化アルミニウムガリウム層の砒化アルミニウムガリウムは、p-AlaGabAsで表され、好ましくは、aは0.10~0.45、bは0.55~0.90である。p型砒化アルミニウムガリウム層は、好ましくはC、Be、Zn、Si、またはそれらの組み合わせがドープされている。p型砒化アルミニウムガリウム層には、好ましくは、1×1017~1×1018/cm3のドーパントがドープされている。 The aluminum gallium arsenide of the p-type aluminum gallium arsenide layer is represented by p-Al a Ga b As, preferably a is 0.10 to 0.45 and b is 0.55 to 0.90. The p-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with C, Be, Zn, Si, or combinations thereof. The p-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1×10 17 to 1×10 18 /cm 3 .
p型砒化ガリウム層の砒化ガリウムは、p-GaAsで表される。p型砒化ガリウム層は、好ましくはC、Be、Zn、Si、またはそれらの組み合わせがドープされている。p型砒化ガリウム層には、好ましくは、1×1017 ~1×1018/cm3のドーパントがドープされている。 Gallium arsenide in the p-type gallium arsenide layer is represented by p-GaAs. The p-type gallium arsenide layer is preferably doped with C, Be, Zn, Si, or combinations thereof. The p-type gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1×10 17 to 1×10 18 /cm 3 .
n型砒化アルミニウムガリウム層の砒化アルミニウムガリウムは、n-AlcGadAsで表され、好ましくは、cは0.10~0.45、及びdは0.55~0.90である。n型砒化アルミニウムガリウム層は、好ましくはSn、Si、Te、またはそれらの組み合わせがドープされている。n型砒化アルミニウムガリウム層には、好ましくは、1×1016 ~1×1018/cm3のドーパントがドープされている。 The aluminum gallium arsenide of the n-type aluminum gallium arsenide layer is represented by n-Al c Ga d As, preferably c is 0.10-0.45 and d is 0.55-0.90. The n-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with Sn, Si, Te, or combinations thereof. The n-type aluminum gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1×10 16 to 1×10 18 /cm 3 .
n型砒化ガリウム層の砒化ガリウムは、n-GaAsで表される。n型砒化ガリウム層は、好ましくはSn、Si、Te、またはそれらの組み合わせがドープされている。n型砒化ガリウム層には、好ましくは、1×1018 ~5×1019/cm3のドーパントがドープされている。 Gallium arsenide in the n-type gallium arsenide layer is represented by n-GaAs. The n-type gallium arsenide layer is preferably doped with Sn, Si, Te, or combinations thereof. The n-type gallium arsenide layer is preferably doped with a dopant of 1×10 18 to 5×10 19 /cm 3 .
ダブルヘテロ構造は、好ましくは拡散防止層を含む。拡散防止層は、例えば、p型砒化ガリウム層とn型砒化アルミニウムガリウム層との間に配置され、ドーパントの拡散を防止することができる。拡散防止層は、好ましくはノンドープの砒化アルミニウムガリウム層である。 The double heterostructure preferably includes an anti-diffusion layer. A diffusion barrier layer may be disposed, for example, between the p-type gallium arsenide layer and the n-type aluminum gallium arsenide layer to prevent dopant diffusion. The diffusion barrier layer is preferably an undoped aluminum gallium arsenide layer.
ノンドープの砒化アルミニウムガリウム層は、好ましくはAleGafAsで表され、eは0.10~0.45、fは0.55~0.90である。 The non-doped aluminum gallium arsenide layer is preferably represented by Al e Ga f As, where e is 0.10-0.45 and f is 0.55-0.90.
ダブルヘテロ構造は、単結晶基板上に形成することができる。単結晶基板として、例えば、図1に例示するような(100)面を有するp型砒化ガリウム基板を用いることができる。 A double heterostructure can be formed on a single crystal substrate. As the single crystal substrate, for example, a p-type gallium arsenide substrate having a (100) plane as illustrated in FIG. 1 can be used.
ダブルヘテロ構造は、単結晶基板とクラッド層との間に、バッファ層を含んでもよい。単結晶基板上に、表面が平坦なバッファ層をエピタキシャル成長させ、その上にクラッド層をエピタキシャル成長させることにより、結晶性が良好なクラッド層を形成することができる。単結晶基板とクラッド層との間に配置されるバッファ層として、例えばp型砒化ガリウム層を用いることができる。バッファ層としてのp型砒化ガリウム層も、好ましくは、GaAsで表され、上記同様の種類及び量のドーパントがドープされている。 The double heterostructure may include a buffer layer between the single crystal substrate and the clad layer. A clad layer with good crystallinity can be formed by epitaxially growing a buffer layer having a flat surface on a single crystal substrate and epitaxially growing a clad layer thereon. A p-type gallium arsenide layer, for example, can be used as the buffer layer arranged between the single crystal substrate and the clad layer. A p-type gallium arsenide layer as a buffer layer is also preferably represented by GaAs and is doped with the same types and amounts of dopants as above.
砒化アルミニウム層の厚みは、好ましくは2.0nm~2.8nm、より好ましくは2.0nm~2.4nmである。砒化アルミニウム層の厚みは2.2nm以上であってもよい。砒化アルミニウム層の厚みが前記好ましい範囲内にあることにより、表面がより平坦な砒化アルミニウム層を得ることができ、その上に形成する酸化アルミニウム層の結晶性を向上することができる。 The thickness of the aluminum arsenide layer is preferably 2.0 nm to 2.8 nm, more preferably 2.0 nm to 2.4 nm. The thickness of the aluminum arsenide layer may be 2.2 nm or more. When the thickness of the aluminum arsenide layer is within the preferred range, the aluminum arsenide layer can be obtained with a flatter surface, and the crystallinity of the aluminum oxide layer formed thereon can be improved.
酸化アルミニウム層の厚みは、好ましくは0.2nm~1.0nm、より好ましくは0.6nm~1.0nmである。酸化アルミニウム層の厚みは0.8nm以下であってもよい。酸化アルミニウム層の厚みが前記好ましい範囲内にあることにより、トンネル伝導による半導体層への電子注入効率を向上することができる。 The thickness of the aluminum oxide layer is preferably 0.2 nm to 1.0 nm, more preferably 0.6 nm to 1.0 nm. The thickness of the aluminum oxide layer may be 0.8 nm or less. By setting the thickness of the aluminum oxide layer within the preferable range, the efficiency of electron injection into the semiconductor layer by tunnel conduction can be improved.
砒化アルミニウム層及び酸化アルミニウム層を含むトンネル絶縁膜の厚みは、好ましくは2.2nm~3.0nmである。トンネル絶縁膜の厚みが前記好ましい範囲内にあることにより、より良好に電子をトンネル伝導させることができ、また、トンネル絶縁膜全体に印加される電界が低下するので、トンネル絶縁膜の絶縁破壊がより抑制される。 The thickness of the tunnel insulating film including the aluminum arsenide layer and the aluminum oxide layer is preferably 2.2 nm to 3.0 nm. When the thickness of the tunnel insulating film is within the preferred range, electrons can be tunneled more satisfactorily, and the electric field applied to the entire tunnel insulating film is reduced, so that dielectric breakdown of the tunnel insulating film is prevented. more restrained.
強磁性体電極は、好ましくはFe、FeCo、FeCoBまたはGaMnAsで構成される。 The ferromagnetic electrodes are preferably composed of Fe, FeCo, FeCoB or GaMnAs.
本開示の円偏光発光ダイオードは、強磁性体電極の上に、好ましくは強磁性体電極の酸化防止電極を含む。酸化防止電極は、好ましくはAu層及びTi層からなるAu/Ti電極、Au層及びCr層からなるAu/Cr電極、または単層のAu電極である。 The circularly polarized light emitting diode of the present disclosure includes an anti-oxidation electrode on the ferromagnetic electrode, preferably the ferromagnetic electrode. The antioxidation electrode is preferably an Au/Ti electrode consisting of an Au layer and a Ti layer, an Au/Cr electrode consisting of an Au layer and a Cr layer, or a single layer Au electrode.
単結晶基板は、金属板上に配置することができる。金属板は、好ましくは、Cu、Al、またはAuで構成され、より好ましくはCuで構成される。 A single crystal substrate can be placed on a metal plate. The metal plate is preferably made of Cu, Al or Au, more preferably made of Cu.
単結晶基板と金属板との間に、オーミック接合層を配置することができる。オーミック接合層は、好ましくは、In/Agペースト、AuZn/Agペースト、またはAu/Agペーストで構成され、より好ましくはIn/Agペーストで構成される。 An ohmic contact layer can be arranged between the single crystal substrate and the metal plate. The ohmic contact layer is preferably composed of In/Ag paste, AuZn/Ag paste, or Au/Ag paste, more preferably In/Ag paste.
本開示の円偏光ダイオードは、分子線エピタキシー(MBE)を用いて作製することができる。酸化アルミニウムの層は、MBEで形成したアルミニウム層を酸化することにより形成することができる。アルミニウム層の酸化は、形成する酸化アルミニウム層の結晶性劣化防止のため、好ましくは、室温以下の温度で行う。酸化させる雰囲気は、好ましくは乾燥空気であり、乾燥空気中で自然酸化させて酸化アルミニウム層を形成することができる。自然酸化させる時間は、好ましくは10時間以上である。1回でアルミニウム層を自然酸化させる場合、自然酸化させる最大厚みは0.7nmである。そのため、0.7nm超の酸化アルミニウム層を形成する場合は、一旦、0.7nmの酸化アルミニウム層を形成し、酸化アルミニウム層上にアルミニウム層を形成し酸化することができる。 Circularly polarized diodes of the present disclosure can be fabricated using molecular beam epitaxy (MBE). A layer of aluminum oxide can be formed by oxidizing an aluminum layer formed by MBE. The oxidation of the aluminum layer is preferably performed at room temperature or below in order to prevent deterioration of the crystallinity of the aluminum oxide layer to be formed. The oxidizing atmosphere is preferably dry air, and the aluminum oxide layer can be formed by natural oxidation in dry air. The natural oxidation time is preferably 10 hours or more. When the aluminum layer is naturally oxidized once, the maximum thickness for natural oxidation is 0.7 nm. Therefore, when forming an aluminum oxide layer with a thickness of more than 0.7 nm, it is possible to form an aluminum oxide layer of 0.7 nm once, form an aluminum layer on the aluminum oxide layer, and oxidize the aluminum oxide layer.
(実施例1)
(円偏光発光層の形成)
Cu基板上にIn/Agペーストを塗布し、In/Agペースト上にp型Znドープp-GaAs(1×1018/cm3)基板を配置した。電子線エピタキシー法(MBE法)を用い、基板温度510℃で、以下の順番で、上記基板上に、図1に断面模式図として示すダブルヘテロ構造の円偏光発光層を形成した:
1.厚さ500nmのBeドープp型GaAs(1×1018/cm3)(バッファ層);
2.厚さ500nmのBeドープp-Al0.3Ga0.7As(1×1018/cm3)(クラッド層);
3.厚さ500nmのBeドープp-Ga7As(1×1018/cm3)(発光層);
4.厚さ15nmのノンドープAl0.3Ga0.7As(ドーパントの拡散防止層);
5.厚さ300nmのSiドープn型Al0.3Ga0.7As(1×1017/cm3)(クラッド層);
6.厚さ15nmのSiドープn型GaAs(5×1018/cm3)(バッファ層)。
(Example 1)
(Formation of circularly polarized light-emitting layer)
An In/Ag paste was applied on a Cu substrate, and a p-type Zn-doped p-GaAs (1×10 18 /cm 3 ) substrate was placed on the In/Ag paste. Using an electron beam epitaxy method (MBE method), a substrate temperature of 510° C. was used to form a circularly polarized light-emitting layer with a double heterostructure shown in FIG. 1 as a schematic cross-sectional view on the substrate in the following order:
1. 500 nm thick Be-doped p-type GaAs (1×10 18 /cm 3 ) (buffer layer);
2. 500 nm thick Be-doped p-Al 0.3 Ga 0.7 As (1×10 18 /cm 3 ) (cladding layer);
3. 500 nm thick Be-doped p-Ga 7 As (1×10 18 /cm 3 ) (light-emitting layer);
4. Non-doped Al 0.3 Ga 0.7 As (dopant diffusion prevention layer) with a thickness of 15 nm;
5. 300 nm thick Si-doped n-type Al 0.3 Ga 0.7 As (1×10 17 /cm 3 ) (cladding layer);
6. 15 nm thick Si-doped n-type GaAs (5×10 18 /cm 3 ) (buffer layer).
(トンネル絶縁膜の形成)
電子線エピタキシー法(MBE法)を用い、基板温度25℃で、以下の順番で、ダブルヘテロ構造上に、図1に断面模式図として示すトンネル絶縁膜を形成した:
7.厚さ2.0nmのAlAs層を成膜(トンネル絶縁膜);
8.厚さ0.56nmのAl層を成膜;
9.乾燥空気中に10時間暴露することによりAl層を酸化して、厚さ0.70nmの酸化アルミニウム層を形成(トンネル絶縁膜);
(Formation of tunnel insulating film)
Using an electron beam epitaxy method (MBE method), a tunnel insulating film shown as a cross-sectional schematic diagram in FIG. 1 was formed on the double heterostructure in the following order at a substrate temperature of 25° C.:
7. Deposit an AlAs layer with a thickness of 2.0 nm (tunnel insulating film);
8. Deposit an Al layer with a thickness of 0.56 nm;
9. Oxidize the Al layer by exposing it to dry air for 10 hours to form a 0.70 nm thick aluminum oxide layer (tunnel insulating film);
(磁性金属電極の作製)
形成したトンネル絶縁膜の上に、下記の手順で、強磁性体電極(Fe)層及びAu/Ti層(電極層)を、電子線蒸着装置の真空チャンバー内で蒸着した:
10.フォトリソグラフィー法により幅40nmのレジストパターンをGaAs(110)方向に平行に形成;
11.上面に、幅40μm、長さ1mm、及び厚さ100nmのFe膜を成膜(強磁性電極);
12.Fe膜上に、幅40μm、長さ1mm、及び厚さ20nmのTi膜を成膜(Fe膜の酸化保護膜);
13.Ti膜上に、幅40μm、長さ1mm、及び厚さ50nmのAuを成膜(電極)。
(Preparation of magnetic metal electrode)
On the formed tunnel insulating film, a ferromagnetic electrode (Fe) layer and an Au/Ti layer (electrode layer) were vapor-deposited in a vacuum chamber of an electron beam vapor deposition apparatus according to the following procedure:
10. Form a resist pattern with a width of 40 nm parallel to the GaAs (110) direction by photolithography;
11. On the upper surface, a Fe film with a width of 40 μm, a length of 1 mm, and a thickness of 100 nm is formed (ferromagnetic electrode);
12. Form a Ti film with a width of 40 μm, a length of 1 mm, and a thickness of 20 nm on the Fe film (oxidation protective film of the Fe film);
13. An Au film (electrode) having a width of 40 μm, a length of 1 mm, and a thickness of 50 nm was formed on the Ti film.
図3の矢印で示すように示すように、Feで構成された強磁性体電極に5kOeの磁場を印加し、面内方向(発光方向)に磁化させた。 As indicated by the arrow in FIG. 3, a magnetic field of 5 kOe was applied to the ferromagnetic electrode made of Fe to magnetize it in the in-plane direction (light emission direction).
上記のようにして、長さLが1mm、幅Wが1mmの円偏光発光ダイオード素子を作製した。図1に、実施例1で作製した円偏光発光ダイオード素子の断面模式図を示す。図3に、円偏光発光ダイオード素子の長さL及び幅W、強磁性体電極の磁化方向、並びに発光方向を示す斜視図を示す。 As described above, a circularly polarized light emitting diode device having a length L of 1 mm and a width W of 1 mm was produced. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the circularly polarized light-emitting diode element produced in Example 1. As shown in FIG. FIG. 3 shows a perspective view showing the length L and width W of the circularly polarized light emitting diode element, the magnetization direction of the ferromagnetic electrode, and the light emitting direction.
(実施例2~6)
図3における長さL及び幅Wを表1に示す組み合わせとして、円偏光発光ダイオードを作製した。その際、強磁性体電極のFeは、幅40nm及び厚み100mmを一定とし、長さは、円偏光発光ダイオード素子の長さLと同じになるようにした。
(Examples 2-6)
Circularly polarized light emitting diodes were manufactured with the combinations of length L and width W in FIG. 3 shown in Table 1. At that time, the Fe of the ferromagnetic electrode had a constant width of 40 nm and a thickness of 100 mm, and the length was made equal to the length L of the circularly polarized light emitting diode element.
(比較例1)
AlAs層を形成せずに、GaAs上にAlをエピタキシャル成長(0.56nm)させて、乾燥大気による自然酸化(0.70nm)を行った後、さらにAl成長(0.24nm)させて乾燥大気による自然酸化(0.30nm)させて、結晶性酸化アルミニウム層(合計1.0nm)を形成し、長さLを1.00mm、幅Wを1.80mmとしたこと以外は、実施例1と同じ方法で、図2に断面模式図として示す円偏光発光ダイオードを作製した。
(Comparative example 1)
Without forming an AlAs layer, Al was epitaxially grown (0.56 nm) on GaAs, naturally oxidized (0.70 nm) in dry air, and then further Al was grown (0.24 nm) and oxidized in dry air. Same as Example 1 except that natural oxidation (0.30 nm) was performed to form a crystalline aluminum oxide layer (1.0 nm in total), and the length L was 1.00 mm and the width W was 1.80 mm. A circularly polarized light-emitting diode shown as a cross-sectional schematic diagram in FIG. 2 was manufactured by the method.
図4に、本開示の円偏光発光ダイオードで得られたフォトンエネルギーとエレクトロルミネッセンス強度(EL強度)との関係を表すグラフを示す。λ/4板及び直線偏光子を用いて、右回り円偏光及び左回り円偏光を分けて測定した。EL強度は、室温において、電流値I=4.0mA、電流密度J=10A/cm2で測定した。電流密度Jは、電流値を、強磁性体電極の面積で除した値である。 FIG. 4 shows a graph representing the relationship between photon energy and electroluminescence intensity (EL intensity) obtained in the circularly polarized light emitting diode of the present disclosure. Right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light were separately measured using a λ/4 plate and a linear polarizer. The EL intensity was measured at room temperature with a current value of I=4.0 mA and a current density of J=10 A/cm 2 . The current density J is a value obtained by dividing the current value by the area of the ferromagnetic electrode.
図4において、σ+が右回り円偏光のEL強度を示し、σ-が左回り円偏光のEL強度を示す。EL強度全体に対する右回り円偏光のEL強度の比率は最大91.7%であり、実質的に純粋な円偏光発光が得られた。 In FIG. 4, σ+ indicates the EL intensity of right-handed circularly polarized light, and σ− indicates the EL intensity of left-handed circularly polarized light. The ratio of the EL intensity of right-handed circularly polarized light to the total EL intensity was up to 91.7%, resulting in substantially pure circularly polarized light emission.
表3に、実施例1~6で作製した円偏光発光ダイオードの歩留まりを示す。表4に、比較例1で作製した円偏光発光ダイオードの歩留まりを示す。比較例1で作製した円偏光発光ダイオードの多くは絶縁破壊が発生し、実質的に純粋な円偏光発光を示した割合は5%であった。一方で、実施例1~6で作製した円偏光発光ダイオードは、実質的に純粋な円偏光発光を示した割合は67%であり、大幅に歩留まりが向上した。 Table 3 shows the yield of the circularly polarized light emitting diodes produced in Examples 1-6. Table 4 shows the yield of circularly polarized light emitting diodes produced in Comparative Example 1. Dielectric breakdown occurred in many of the circularly polarized light emitting diodes produced in Comparative Example 1, and the ratio of substantially pure circularly polarized light emission was 5%. On the other hand, the circularly polarized light emitting diodes produced in Examples 1 to 6 exhibited substantially pure circularly polarized light emission in 67% of the cases, which greatly improved the yield.
図5に、実施例1~6で作製した円偏光発光ダイオードと、比較例1で作製した円偏光発光ダイオードの、電流密度に対する円偏光度の関係を表すグラフを示す。実施例1~6で作製した円偏光発光ダイオードは、比較例1で作製した円偏光発光ダイオードの約1/10の電流密度で、純粋円偏光発光を示した。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the degree of circular polarization and the current density of the circularly polarized light emitting diodes produced in Examples 1 to 6 and the circularly polarized light emitting diode produced in Comparative Example 1. In FIG. The circularly polarized light emitting diodes fabricated in Examples 1 to 6 exhibited pure circularly polarized light emission at current densities about 1/10 that of the circularly polarized light emitting diodes fabricated in Comparative Example 1.
100 円偏光発光ダイオード
10 強磁性体電極
100 circularly polarized
Claims (4)
前記トンネル絶縁膜が、砒化アルミニウム層及び前記砒化アルミニウム層上に配置された酸化アルミニウム層を含み、
前記ダブルヘテロ構造が、ガリウム、アルミニウム、及びヒ素を含み、且つ前記トンネル絶縁膜の前記砒化アルミニウム層に接する位置に配置された砒化ガリウム層を含む、
円偏光発光ダイオード。 A circularly polarized light emitting diode having a double heterostructure, a tunnel insulating film arranged on the double heterostructure, and a ferromagnetic electrode arranged on the tunnel insulating film,
the tunnel insulating film includes an aluminum arsenide layer and an aluminum oxide layer disposed on the aluminum arsenide layer;
wherein the double heterostructure contains gallium, aluminum, and arsenic, and a gallium arsenide layer disposed in contact with the aluminum arsenide layer of the tunnel insulating film;
Circularly polarized light emitting diode.
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