スピン制御された半導体超構造の電子物性と応用

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09244103
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (A)
• 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): 樽茶 清悟 東京大学, 理学研究科, 教授 (40302799) ; 鈴木 直 大阪大学, 基礎工学科, 教授 (40029559) ; 勝本 信吾 東京大学, 物性研究所, 助教授 (10185829)
• Keywords: (非)磁性半導体 / (Ga,Mn)As / 磁気異方性 / バルクハウゼンジャンプ / 異方性磁気抵抗 / 第一原理電子状態計算 / スピン緩和 / 人工原子(分子)

Research Abstract

本年度は磁性半導体・非磁性半導体及びそれらの超構造について、輸送測定を中心にスピンにまつわる特異な物性(スピン-キャリア間相互作用、スピン緩和、トンネル輸送、異方性など)の観測と解明を行った。
磁性半導体に対しては実験的に、1.(Ga,Mn)Asの極低温・強磁場での測定から正孔濃度の正確な値を決め、その値を用いた解析より強磁性転移温度で現れる抵抗の極大が臨界散乱によるものであることを明らかにした。2.(Ga,Mn)As(411)を作製し、圧縮歪みを持つ場合磁化容易軸は(100)面内にあること、また磁化測定によりその方向は[110]方向であることを明らかにした。3.引っ張り歪みを持つ(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As三層構造を作製し、巨大磁気抵抗効果が観測される金属系材料と同じ起源を持つ磁気抵抗効果を観測した。4.(In,Mn)Asと(Ga,Mn)Asの極低温輸送特性にバルクハウゼン・ジャンプを観測し、さらに(Ga,Mn)Asに異方性磁気抵抗が存在することを確認した。また理論的には、5.(Ga,Mn)Asで格子間位置を占めたMn原子はドナとして働き、Mn3d軌道は伝導バンドのGa4s軌道とも比較的強く混成することを明らかにした。6.磁性半導体MnTeのTeをSbで置換すると価電子バンドに正孔が導入され、その結果際近接Mn原子間に強磁性的な相互作用が生じることが確かめられた。7.MnAs/GaAs(001)多層膜では、正孔の空間分布は強磁性層内及びヘテロ構造の界面付近に偏っており、GaAs層が正孔にとって障壁となっていることを明らかにした。
非磁性半導体に対して、1.GaAs/(Al,Ga)As二重量子井戸構造において、層間のエッジ-バルク・トンネル散逸の大きさが、それに寄与する最上位のランダウ準位のスピンの方向に依存することを示した。2.GaAs/(Al,Ga)As多重量子井戸構造における電子のスピン緩和時間は40K以上でD'yakonov-Perel'機構で説明できることを示した。また(In,Ga)As/(In,Al)As多重量子井構造ではあまり良い一致は見られないがEllot-Yafet機構を支持することを明らかにした。3.強磁場中の量子ドット(「人工原子」)の電子状態遷移で、量子充填率1の近傍で形成される最大密度電子液滴の安定性を明らかにし、液滴の空間的分布を反映して静電容量変化が起こることを見いだした。4.量子ドットを縦に重ねた「人工分子」において、理論的解析により、少数電子の強い相互作用に起因して特異なスピン状態が出現することを明らかにした。

Research Products

• [Publications] A.Shen: "Superlattice and multilayer structures based on ferromagnetic semiconductor(Ga,Mn)As" Physica B. 249-251. 809-813 (1998)
• [Publications] S.P.Gou: "Self-Organized(In,Mn)As diluted magnetic semiconductor nanostructures on GaAs substrates" Applied Surface Science. 130-132. 797-802 (1998)
• [Publications] S.Kishimoto: "Etched-backgate field-effect transistor structure for magnetotunneling study of low-dimensional electron systems" Solid-State Electronics. 42(7-8). 1187-1190 (1998)
• [Publications] H.Ohno: "Spontaneous splliting of ferromagnetic(Ga,Mn)As observed by resonant tunneling spectroscopy" Applied Physics Letters. 73(15). 363-365 (1998)
• [Publications] H.Ohno: "Making nonmagnetic semiconductor magnetic" Science. 281. 951-956 (1998)
• [Publications] N.Akiba: "Interlayer exchange in (Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As semiconducting ferromagnet/nonmagnet/ferromagnet trilayer structures" Applied Physics Letters. 73(15). 2122-2124 (1998)
• [Publications] H.Ohno: "Magnetotransport and magneic properties of(Ga,Mn)As and its heterostructures" Acta Physica Polonica A. 94 2. 155-164 (1998)
• [Publications] S.Kishimoto: "Spin dependence of the interlayer tunneling in double quantum wells in the quantum Hall regime" Physica B. 256-258. 535-539 (1998)
• [Publications] N.Akiba: "Magnetotunneling spectroscopy of resonant tunneling diode using ferromagnetic(Ga,Mn)As" Physica B. 256-258. 561-564 (1998)
• [Publications] Y.H.Matsuda: "Cyclotron resonance in Cd_<1-x>Fe_xS and Ga_<1-x>Mn_xAs at megagauss magnetic fields" Physica B. 256-258. 565-568 (1998)
• [Publications] H.Nojiri: "ESR study of Mn doped II-VI and III-V DMS" Physica B. 256-258. 569-572 (1998)
• [Publications] F.Matsukura: "Magnetotransport properties of all semiconductor(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As tri-layer structures" Physica B. 256-258. 573-576 (1998)
• [Publications] R.Terauchi: "Carrier Mobility Dependence of Electron Spin Relaxation in GaAs Quantum Wells" Japanese Journal of Applied Physics. 38 4B. in press (1999)
• [Publications] S.Katsumoto: "Strongly Anisotropic Hopping Conduction in (Ga,Mn)As/GaAs" Phys.Stat.Solidi(b). 205. 115-118 (1998)
• [Publications] A.Oiwa: "Giant Negative Magnetoresistance of (Ga,Mn)As/GaAs in the Vicinity of a Metal-Insulator Transitions" Phys.Stat.Solidi(b). 205. 167-171 (1998)
• [Publications] A.Oiwa: "Low-temperature conduction and giant negative magnetoresistance in III-V-based diluted magnetic semiconductor(Ga,Mn)As/GaAs" Physica B. 249-251. 775-779 (1998)
• [Publications] Y.Iye: "Magnetic field-induced metal-insulator transitions in graphite and diluted magnetic semiconductor" Phil.Trans.R.Soc.Lond.A. 356. 157 (1998)
• [Publications] A.Oiwa: "Magnetic and Transport Properties of Ferromagnetic Semiconductor Heterostructures(In,Mn)As/(Ga,Al)Sb" Physical Review B. 598. 5826-5831 (1998)
• [Publications] 勝本信吾: "III-V族希薄磁性半導体の電気伝導" 日本物理学会誌. 53 7. 491-498 (1998)
• [Publications] 大岩顕: "III-V族希薄磁性半導体(In,Mn)Asの光キャリア誘起強磁性" 固体物理. 33. 775-779 (1998)
• [Publications] T.Ogawa: "First-Principles Calculations of Electronic Structures of Diluted Magnetic Semiconductors(Ga,Mn)As" Journal of Magnetism and Materials. in press. (1999)
• [Publications] M.Shirai: "First-Principles Electronic Structure Calculations of MnAs/GaAs(001)Magnetic Multilayers" Japanese Journal of Applied Physics. in press. (1999)
• [Publications] S.Sasaki: "Spin state in circular and elliptic quantum dots" Physica B. 256-258. 157-161 (1998)
• [Publications] D.G.Austing: "Quantum dot molecules" Physica B. 249-251. 157-161 (1998)
• [Publications] S.Tarucha: "Electronic states in quantum dot atoms and molecules" Physica E. 3. 112-120 (1998)
• [Publications] P.D.Ye: "Huge magnetoresistance oscillations in periodic magnetic fileds" Physica B. 249-251. 330-333 (1998)
• [Publications] Y.Tokura: "Many-body effect in an artificial atom" Physica B. 246-247. 83-87 (1998)
• [Publications] D.G.Austing: "Artificial atoms at filling factor of 1 or less" Japanese Journal of Applied Physics. in press. (1999)
• [Publications] Y.Tokura: "Single electron tunneling in two vertically coupled quantum dots" J.Phys.Cond.Mat.to be published. (1999)
• [Publications] 大野英男: "半導体結晶成長" コロナ社 大野英男編, 31 (1999)