III-V族希薄磁性半導体におけるキャリア誘起磁性とその制御

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08455002
• Research Institution: TOHOKU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 大野 英男 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (00152215)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大野 裕三 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (00282012) ; 松倉 文ひろ 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (50261574)
• Keywords: (Ca,Mn)As / キャリア誘起磁性 / 半導体量子構造 / RKKY相互作用 / 電界効果トランジスタ

Research Abstract

これまでにIII-V族半導体をベースにした希薄磁性半導体(In,Mn)As、(Ca,Mn)Asの成長が分子線エピタキシの低温成長で可能であって、さらにp形の試料では低温で正孔誘起の強磁性が現れることを確認した。
しかし、これらの正孔誘起磁性の起源をはじめとしてIII-V族希薄磁性半導体の磁性とキャリア濃度・Mn濃度との関係、またそれらと結晶成長条件との関連は解明されておらず、またド-ピングや電界効果などによるIII-V族希薄磁性半導体の磁性の制御の可能性も追及されていなかった。
本研究では、以上の背景の下に、我々が開発した強磁性III-V族希薄磁性半導体(Ga,Mn)Asを用いて、磁性とキャリア濃度・Mn濃度の関係、量子構造の作製、更にキャリア濃度で磁性を制御する可能性を探求することを目的として行なわれた。
本研究の成果概要は以下の通りである。
1.Mn組成を変えた(Ca,Mn)Asの磁気輸送特性・磁化特性を調べ、強磁性転移温度と正孔濃度のMn組成依存性を明らかにした。強磁性転移温度はMn濃度0.05以下で組成に比例して増加し、これまでに得られている最高の強磁性転移温度110Kである。
2.(Ca,Mn)As/(AL,Ga)Asの強磁性半導体/非磁性半導体超格子構造・量子構造の作製が可能であり、これらの構造においても強磁性的性質が保たれる。
3.常磁性領域での抵抗率の磁場依存性と強磁性転移温度から、(Ga,Mn)Asの強磁性秩序の起源がRKKY相互作用であることを明らかにし、キャリア濃度と強磁性転移温度の関係に対する知見を得た。
これらのことは、キャリア濃度を制御することにより、磁性を制御できること、またヘテロ接合及び量子構造を利用した電界トランジスタ等のデバイスの可能性が開けたことを示すものである。

Research Products

• [Publications] A. SHEN: "(Ca,Mn)As/GaAs Diluted Magnetic Semiconductor Superlattice Prepared by Molecular Beam Epitaxy" Jpn.J.Appl.Phys.36. L73-L75 (1997)
• [Publications] 松倉文ひろ: "III-V族スペース希薄磁性半導体のGMR" 固体物理. 32. 249-257 (1997)
• [Publications] F.Matsukura: "Growth and properties of (Ga,Mn) As : A new III-V diluted magnetic semiconductor" Appl.Surf.Sci.113/114. 178-182 (1997)
• [Publications] A.Shen: "Epitaxy and properties of InMnAs/AlGaSb diluted magnetic III-V semiconductor heterostructures" Appl.Surf.Sci.113/114. 183-188 (1997)
• [Publications] A.Shen: "Epitaxy of (Ga,Mn) As,new diluted magnetic semiconductor based on GaAs" J.Cryst.Growth. 175/176. 1069-1074 (1997)
• [Publications] A.Oiwa: "NONMETAL-METAL-NONMETAL TRANSITION AND LARGE NEGATIVE MAGNETORESISTANCE IN (Ga,Mn) As/GaAs" Solid State Communn.209-213 (1997)
• [Publications] H.Ohno: "Preparation and properties of III-V based new diluted magnetic semiconductors" Advances in Colloid and Interface Science. 71/72. 61-75 (1997)
• [Publications] F.Matsukura: "Transport Properties and Origin of Ferromagnetism in (Ga,Mn) As" Phys.Rev.B57. R2037-R2040 (1998)
• [Publications] T.Kuroiwa: "Faraday rotation of ferromagnetic (Ga,Mn) As" Electron.Lett.34. 190-192 (1998)
• [Publications] H.Ohno: "Ferromagnetic (Ga,Mn) As and its heterostructures" Physica B.(印刷中). (1998)
• [Publications] A.Shen: "Superlattice and multilayer structures based on ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn) As" Physica B. (印刷中). (1998)