スピン依存共鳴トンネル伝導現象とデバイスの研究

• Project/Area Number: 17656104
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Electronic materials/Electric materials
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田中 雅明 The University of Tokyo, 大学院・工学系研究科, 教授 (30192636)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,500,000); Fiscal Year 2007: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2005: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / GaMnAs / スピン / 強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果 / 共鳴トンネル効果 / 量子井戸 / InGaMnAs / スピン依存トンネル現象

Research Abstract

強磁性半導体量子ヘテロ構造においては、量子サイズ効果によって様々な新しい機能が実現されると期待されている。しかし、今まで強磁性半導体ヘテロ構造における伝導特性の研究においては、明瞭な量子サイズ効果の観測は報告されてこなかった。我々は、強磁性半導体GaMnAsを量子井戸とする量子ヘテロ構造において、量子サイズ効果およびそれに起因したトンネル磁気抵抗効果(TMR)の振動現象を初めて明瞭に観測した。また、4・4Luttinger-Kohn k・p Hamiltonian、pd交換相互作用行列、およびトランスファー行列法を用いて、実験的に得られたGaMnAs量子井戸の量子準位を良く説明できることが分かった。
MBE法を用いて、p-GaAs(001)基板上にGa0.95Mn0.05As(20 nm)/GaAs(1 nm)/A10.5Ga0.5As(4 nm)/GaAs(1 nm)/Ga0.95Mn0.05As(d nm)/GaAs(1 nm)/AlAS(4 nm)/Be:GaAs(100 nm)からなるGaMnAs量子井戸二重障壁ヘテロ構造を作製し、これらの素子において得られたd^2I/olV^2-V特性を測定した。すべての素子において、負のバイアス側、すなわち、正孔がp-GaAs基板から上部GaMnAs電極に向かって流れるバイアス側で、振動的な振る舞いが観測された。これらのピークは、量子井戸膜厚の増加に伴い、小さなバイアス側ヘシフトし、振動の周期は短くなっている。このような振動現象は、GaMnAs単一障壁磁気トンネル接合では見られなかった。従って、これらの振動は、GaMnAs量子井戸における量子サイズ効果に起因すると考えられる。これらの素子におけるTMRのバイアス依存性の測定を行ったところ、共鳴ピークに対応したバイアス電圧でTMRの増大が観測された。このように、本研究では、強磁性半導体ヘテロ構造において、量子サイズ効果とそれによるTMRの振動現象を初めて観測することに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Quantum-size effect and tunneling magnetoresistance in ferromagnetic-semiconductor quantum heterostructures (2007)
  • Author(s): S. Ohya, P. N. Hai, Y. Mizuno, and M. Tanaka,
  • Journal Title: Physical Review B 75
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin-dependent transport properties in GaMnAs-based spin hot-carrier transistors (2007)
  • Author(s): Y. Mizuno, S. Ohya, P-N. Hai, and M. Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Properties of heavily Mn-doped GaMnAs with Curie temperature of 172.5 K (2007)
  • Author(s): K. Ohno, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Journal Title: Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 20 Pages: 417-420
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magneto-optical and magnetotransport properties of heavily Mn-doped GaMnAs (2007)
  • Author(s): S.Ohya, K.Ohno, M.Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90
• [Journal Article] Quantum-size effect and tunneling magnetoresistance in GaMnAs quantum-well heterostructures (2006)
  • Author(s): S.Ohya, P.N.Hai, Y.Mizuno, M.Tanaka
  • Journal Title: physica status solidi C3 Pages: 4184-4187
• [Journal Article] Tunneling magnetoresistance of MnAs thin film/GaAs/AlAs/GaAs : MnAs nanoclusters and its AlAs barrier thickness dependence (2006)
  • Author(s): Pham Nam Hai, M.Yokoyama, S.Ohya, M.Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Letters 89
• [Journal Article] Spin polarized tunneling in III-V based heterostructures with a ferromagnetic MnAs thin film and GaAs : MnAs nanoclusters (2006)
  • Author(s): P.N.Hai, M.Yokoyama, S.Ohya, M.Tanaka
  • Journal Title: Physica E32 Pages: 416-418
• [Journal Article] Growth and magnetic properties, of epitaxial MnAs thin films grown on InP (001) (2006)
  • Author(s): M.Yokoyama, S.Ohya, M.Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Letters 88 Pages: 12504-12504
• [Journal Article] Tunneling magnetoresistance in GaMnAs / AIAs / InGaAs / AIAs / GaMnAs double -barrier magnetic tunnel junctions (2005)
  • Author(s): S.Ohya, P-N.Hai, M.Tanaka
  • Journal Title: Applied Physics Letters 87 Pages: 12105-12105
• [Journal Article] High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn Delta Doping (2005)
  • Author(s): A.M.Nazmul, T.Amemiya, Y.Shuto, S.Sugahara, M.Tanaka
  • Journal Title: Physical Review Letters 95 Pages: 17201-17201
• [Journal Article] Zinc-Blende-type MnAs nanoclusters embedded in GaAs (2005)
  • Author(s): M.Yokoyama, H.Yamaguchi, T.Ogawa, M.Tanaka
  • Journal Title: Journal of Applied Physics 97
• [Journal Article] Precipitation of Amorphous Ferromagnetic Semiconductor Phase in Epitaxially Grown Mn-doped Ge Thin Film (2005)
  • Author(s): S.Sugahara, K.L.Lee, S.Yada, M.Tanaka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics (Express Letter) 44
  • NAID: 10016873250
• [Journal Article] Tunneling magnetoresistance in GaMnAs / AIAs / InGaAs / AIAs / GaMnAs double-barrier magnetic tunnel junctions (2005)
  • Author(s): S.Ohya, P-N.Hai, M.Tanaka
  • Journal Title: Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology Vol.12, No.2(http://www.vjnano.org.)
• [Presentation] (invited) "Recent Progress in Ferromagnetic Semiconductor Heterostructures" (2007)
  • Author(s): S. Ohya and M. Tanaka
  • Organizer: 1st International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications (ISAMMA)
  • Place of Presentation: Hotel Shilla, Jeju Island, Korea
• [Book] (Invited review) "TMR in Semiconductors", Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, Vol. 5 Spintronics and Magnetoelectronics, edited by H. Kronmuller and S. Parkin (2007)
  • Author(s): S. Ohya and M. Tanaka
  • Total Pages: 3064
  • Publisher: John Wiley & Sons Ltd. (Chichester, UK)