半導体量子ナノ構造におけるスピン依存伝導とスピン制御

• Project/Area Number: 17686001
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Applied materials science/Crystal engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大野 裕三 Tohoku University, 電気通信研究所, 准教授 (00282012)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥29,380,000 (Direct Cost: ¥22,600,000、Indirect Cost: ¥6,780,000); Fiscal Year 2007: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2006: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2005: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
• Keywords: 強磁性半導体 / 半導体量子ナノ構造 / スピントロニクス / スピントランジスタ / 顕微分光 / スピン注入

Research Abstract

本研究課題では、磁性/非磁性半導体からなる量子ナノ構造デバイスの設計と作製を行い、電子、核、および磁性不純物原子のスピン状態を電気的または光学的に制御し、それらの相互作用の制御及びその結果もたらされる光・電子・磁気スピン物性を調べ、スピントロニクスデバイスの基盤技術を確立することを目的として研究を行った。最終年度である本年度の成果は以下の通りである。
・InPと格子整合した(In,Ga)As共鳴トンネルダイオードをベースに、ALD法により作成した高品質Al_2O_3絶縁膜からなるMISゲート構造と中空配線構造を有する量子ドットを作製し、狭ギャップ半導体人工原子の電子状態の実証に成功した。また、その有効g値の大きさを評価した。
・バルク半導体への高スピン偏極電流注入を実現するため、n^+-GaAs/n-GaAs構造上にスパッタ法によりCoFeB/MgO強磁性金属トンネル接合構造を形成し、接合抵抗の低抵抗化を確認した。
・空間分解能1.5μm、検出感度<1μradの磁場中顕微カー測定システムを用い、n-GaAsにおけるスピンホール効果のドーピング濃度(N_D)依存性および外部磁場依存性を調べ、その基本的な物性を考察した。N_D=3×10^<16>〜5×10^<17>CM^<-3>のn-GaAsについて、チャネル端のスピン蓄積を顕微カー回転測定により測定した結果、その大きさはN_Dに対し単調に変化せず、1×10^<17>CM^<-3>で極大を示すことがわかった。また、スピン緩和時間やスピン拡散長を実験から求め、スピンホール伝導率σ_<SH>のN_D依存性を調べたところ、σ_<SH>はN_Dとともに増大する関係を得た。
・位相制御されたrfパルス磁界を印加可能な磁気共鳴測定システムを構築した。これにより、半導体量子井戸構造中の核スピン状態の位相制御とその光検出を実証した。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of a few-electron In_<0.56>Ga_<0.44>As vertical quantum dot with an Al_2O_3 gate insulator (2008)
  • Author(s): T. Kita, D. Chiba, Y. Ohno, and H. Ohno
  • Journal Title: Physica E 40 Pages: 1930-1932
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A few-electron vertical In_<0.56>Ga_<0.44>As quantum dot with an insulating gate (2007)
  • Author(s): T. Kita, D. Chiba, Y. Ohno, and H. Ohno
  • Journal Title: Applied Physics Letters 91
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] (In, Ga)As gated-vertical quantum dot with an Al_2O_3 insulator (2007)
  • Author(s): T.Kita, D.Chiba, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Applied Physics Letters 90
• [Journal Article] Spin injection with three terminal device based on (Ga, Mn)As/n^+-GaAs tunnel junction (2007)
  • Author(s): T.Kita, M.Kohda, Y.Ohno, F.Matsukura, H.Ohno
  • Journal Title: physica status solidi (c) 3 Pages: 4164-4167
• [Journal Article] Single-electron Switching in Al_xGa_<1-x>As/GaAs Hall Devices (2006)
  • Author(s): J.Muller, Y.Li, S.Molnar, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Physical Review B 74
• [Journal Article] Bias Voltage Dependence of the Electron Spin Injection Studied in a Three-terminal Device Based on a (Ga,Mn)As/n^+-GaAs Esaki Diode (2006)
  • Author(s): M.Kohda, T.Kita, Y.Ohno, F.Matsukura, H.Ohno
  • Journal Title: Applied Physics Letters 89
• [Journal Article] Effect of n^+-GaAs Thickness and Doping Density on Spin Injection of GaMnAs/n^+-GaAs Esaki Tunnel Junction (2006)
  • Author(s): M.Kohda, Y.Ohno, F.Matsukura, H.Ohno
  • Journal Title: Physica E 32
• [Journal Article] Decomposition of 1/f Noise in Al_xGa_<1-x>As/GaAs Hall Devices (2006)
  • Author(s): Jens Muller, Stephan von Molnar, Yuzo Ohno, Hideo Ohno
  • Journal Title: Physical Review Letters 96
• [Journal Article] Optical pump-probe measurements of local nuclear spin coherence in semiconductor quantum wells (2006)
  • Author(s): H.Sanada, Y.Kondo, S.Matsuzaka, K.Morita, C.Y.Hu, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Physical Review Letters 96
• [Journal Article] Low-frequency noise in submicron GaAs/AlxGa1-xAs Hall devices (2005)
  • Author(s): J Muller, Y.Li, S.von Molnar, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 290-291 Pages: 1161-1164
• [Journal Article] Magnetization reversal in elongated Fe nanoparticles (2005)
  • Author(s): Y.Li, P.Xiong, S.von Molnar, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Physical Review B 71
  • NAID: 120003781029
• [Journal Article] Spin precession of holes in wurtzite GaN studied using the time-resolved Kerr rotation technique (2005)
  • Author(s): C.Y.Hu, K.Morita, H.Sanada, S.Matsuzaka, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Physical Review B 72
• [Journal Article] Strong anisotropic spin dynamics in narrow n-InGaAs/AlGaAs(110) quantum wells (2005)
  • Author(s): K.Morita, H.Sanada, S.Matsuzaka, C.Y.Hu, Y.Ohno, H.Ohno
  • Journal Title: Applied Physics Letters 87
• [Presentation] 非磁性半導体におけるコヒーレントスピンダイナミクスの制御と光検出,"(招待講演) (2008)
  • Author(s): 大野裕三
  • Organizer: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 日本大学理工学部船橋キャンパス
• [Presentation] GaAs量子井戸中における核スピンコヒーレンスの電界制御 (2008)
  • Author(s): 小野真証
  • Organizer: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 日本大学理工学部船橋キャンパス
• [Presentation] CoFeB/MgO/n-GaAsトンネル接合の作製と評価(I) (2008)
  • Author(s): 大野裕三
  • Organizer: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 日本大学理工学部船橋キャンパス
• [Presentation] Optical detection of nuclear spin coherent oscillations in a GaAs quantum well (2007)
  • Author(s): M. Ono
  • Organizer: Fourth International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (Spintech IV)
  • Place of Presentation: Maui, Hawaii, USA
• [Presentation] In_<0.56>Ga_<0.44>As gated vertical quantum dot based on a metal insulator semiconductor structure (2007)
  • Author(s): T. Kita
  • Organizer: 13th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-13)
  • Place of Presentation: Genova Magazzini del Cotone
• [Presentation] Optical Detection of Local Nuclear Spin Coherence in Semiconductor Quantum Wells by a Pump-probe technique (Invited) (2007)
  • Author(s): Y. Ohno
  • Organizer: 5th International Conference on Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors (HCIS-I5)
  • Place of Presentation: University of Tokyo, Tokyo, Japan
• [Presentation] GaAs量子井戸中におけるI=3/2核スピンコヒーレンスの光検出 (2007)
  • Author(s): 小野真証
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
• [Presentation] 顕微カー回転測定法を用いた半導体中スピン流の空間マッピング (2007)
  • Author(s): 松坂俊一郎
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
• [Presentation] MOS-Gate 付きIn_<0.56>Ga_<0.44>As縦型量子ドットにおける電子状態の制御 (2007)
  • Author(s): 北 智洋
  • Organizer: 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
• [Presentation] High-Sensitivity Kerr Rotation Microscope for Probing Spin Transport in Semiconductors (2007)
  • Author(s): Shunichiro Matsuzaka
  • Organizer: The 34th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS 2007)
  • Place of Presentation: Kyoto University, Kyoto