Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

半導体磁気光学結晶 / スピン / 磁気光学効果 / MnAs / GaMnAs / InGaMnAs / トンネル磁気抵抗効果 / 導波路型光アイソレータ / 磁気光学結晶 / 強磁性半導体 / キュリー温度 / クラスター / 分子線エピタキシー / 強磁性ナノクラスター / スピントロニクス

これまで行ってきた1)GaAs : MnAsナノクラスター構造を含む半導体ベース多層膜磁気光学結晶、2)3元および4元混晶のIII-V磁性半導体とヘテロ構造、3)Mn-デルタドープGaAs層を含むヘテロ構造の作製、物性機能の探索と最適化についての研究を引続き行い、基礎的な物性探索と機能設計の知見をまとめ、これに基づくいくつかのデバイス提案と試作を行い将来の方向性を示した。主な研究成果は下記の通りである。
・3元混晶(GaMn)As,4元混晶(InGaMn)As磁性半導体の、磁気特性(保持力、残留磁化、飽和磁化、磁気抵抗、ホール抵抗など)および磁気光学効果(ファラデー効果、カー効果)の最適化を行い、良好な結晶性と大きな磁気光学効果を得た。
・磁性混晶半導体やMnAsナノクラスタを含むヘテロ構造・多層膜の設計/作製、バンドエンジニアリングと光波エンジニアリングを活用した磁気光学効果(ファラデー効果、カー効果)の最適化と制御を行い、この材料系を用いた導波路型光アイソレータを設計試作した。
・GaAs : MnAsナノクラスター構造を含む半導体ヘテロ構造におけるトンネル磁気抵抗効果(TMR)を初めて観測し、TMRの最適化とデバイス試作を行った。
・Mn-デルタドープGaAs層を含むヘテロ構造のキュリー温度のさらなる高温化(192-250 K)に成功した。

強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果(TMR) / GaMnAs / 共鳴トンネル効果 / InGaMnAs / 強磁性半導体 / 負のTMR / TMR比の振動 / トンネル磁気抵抗効果 / MnAs / トンネル磁気抵抗デバイス / スピントロニクス / 三端子デバイス / 量子効果デバイス / 分子線エピタキシー / ヘテロ構造 / スピン / 電子スピントロニクスデバイス

非磁性半導体や強磁性半導体を量子井戸層として有する強磁性半導体GaMnAs二重障壁強磁性トンネル接合においては、量子サイズ効果とトンネル磁気抵抗効果(TMR)を組み合わせた新しい様々な機能が実現できると期待される。しかし、共鳴トンネル効果とTMR効果が同時に起こる現象は磁性半導体ヘテロ構造においては未だ明瞭に観測されていない。本研究では、In_<0.4>Ga_<0.6>Asの非磁性量子井戸層を有するGa_<0.94>Mn_<0.06>As(20nm)/AlAs(dnm)/In_<0.4>Ga_<0.6>As(0.42nm)/AlAs(dnm)/Ga_<0.94>Mn_<0.06>As(20nm)二重障壁強磁性トンネル接合を、p型GaAs(001)基板上に分子線エピタキシー法を用いて作製した。測定温度は7.0K、磁場は面内[100]方向に印加し、10mVのバイアス電圧を印加して測定を行ったところ、反平行磁化の時の抵抗が平行磁化の時の抵抗に対して低くなる負のTMRがAlAs膜厚(dnm)が2.07nmおよび1.24nmのときに観測された。さらに、TMR比のAlAs膜厚依存性を測定したところ、TMRがAlAsの膜厚に対して、0%を中心に振動することが分かった。振動の周期は約0.8nmである。このような負のTMRとTMR比の振動が観測されたのは、磁性半導体系では初めてである。
この現象を理解するために、Luttinger Kohn k・p Hamiltonianモデルおよびtransfer matrix法を用いてGaMnAs/AlAs/InGaAs/AlAs/GaMnAs RTDにおけるTMRの振る舞いに関する理論計算を行い、実験的に観測されたTMR振動がInGaAs量子井戸における量子サイズ効果に起因することを示唆した。トンネル確率のk_<//>依存性を計算・解析することにより、負のTMRは共鳴トンネル現象が起こるAlAs膜厚よりわずかに薄い膜厚で起こることがわかった。

【研究分担者】
菅原聡	東京大学	大学院新領域創成科学研究科	助手	(Kakenデータベース)