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2014 Fiscal Year Research-status Report

室温スピン注入を実現するInPベーススピントロニクス

Research Project

Project/Area Number 25390052
Research InstitutionNagaoka University of Technology

Principal Investigator

内富 直隆  長岡技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20313562)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords半導体スピントロ二クス
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、InPベーススピントロ二クスデバイスを実現するために、プロトタイプとして、InP基板に格子整合する半導体薄膜であるAl0.48In0.52As, Ga0.47In0.53Asについて、ZnSnAs2薄膜とMn添加ZnSnAs2薄膜とのヘテロエピタキシャルを検討しInAlAs/ZnSnAs2:Mn構造の磁性量子井戸構造(MQW)の作製を試みた。
InP基板上に低温分子線エピタキシー法(MBE)によって成長したZnSnAs2緩衝層およびInAlAs層について、高分解能X線回折パターン(HR-XRD)によって結晶構造を調べた。このHR-XRDで現れたフリンジパターンはZnSnAs2薄膜に起因するもので、良好な結晶性と界面状態を示している。さらに、断面透過型電子顕微鏡(TEM)によってZnSnAs2/InP上に成長した260nm厚のInAlAs層について,電子ビームを<110>InP方向から入射した断面観察を行った。このTEM像からInAlAsはZnSnAs2緩衝層にエピタキシャル成長しているが、あわせて貫通転位も見られる。InP/ZnSnAs2ヘテロ界面近傍のTEM像から界面層は非常に急峻でありフラットネスも良好であることが確認できた。次に、InAlAs/ZnSnAs2/InAlAsQWとInAlAs/ZnSnAs2:Mn/InAlAsMQWのTEM像を調べた。InAlAs層は25nm、ZnSnAs2:Mn層のMn組成比は3%であり、InP基板側から4,6,9nmと膜厚を変えた。これらのTEM観察からMnAsなどの2次相は観測させず、良好なQWが実現されていることが確認できた。低温MBE成長でIII-V族半導体とII-IV-V2族半導体のヘテロエピタキシャル界面が良好に成長することを確認でき、ZnSnAs2:Mnからなる新たなエピタキシャル結晶工学技術の一端を構築できた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ZnSnAs2:Mn薄膜をInPベーススピントロ二クスデバイスに適用するためには、基本構造となる量子井戸構造などの作製が必要である。InP基板上で格子整合して結晶成長できるIII-V族半導体のInGaAsやInAlAsと量子ナノ構造の作製を行った。分子線エピタキシーを用いて積層構造を作製する結晶成長条件については最適化されていないが、基本的な量子ナノ構造を作製できることを検証することができた。一方、ZnやSnがIII-V族半導体ではドーパントとなるために、伝導性に影響することが予想される。特にInGaAsはバンドギャップが小さく伝導性がp型になる傾向がある。一方、InAlAsはバンドギャップが大きいことからZnSnAs2とのヘテロ構造が安定であると考えられる。このような観点から、さらに結晶成長条件の最適化を検討する。このように研究の進捗はおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

研究の推進方向として、(1)ZnSnAs2:Mn薄膜の強磁性発現のメカニズムの解明、(2)InPベーススピントロ二クスデバイスへの展開を重点としている。強磁性半導体の発現メカニズムについては、蛍光X線ホログラムや電子線ホログラムを用いた局所構造に関する共同研究により解明を継続する。また、昨年から進めている3次元アトムプローブ法を用いた原子分布に関する研究については、引き続き解析を進めMnの局所分布などを明らかにし、Mnを含むZnSnAs2のコヒーレントクラスター磁性半導体の構造検証を進める。スピントロニクスデバイスへの応用については、スピン偏極注入を検証するために電極パターン形成などを行い、スピン注入実験を進めることを計画している。

Causes of Carryover

納品された物品の支払いが遅れている会計上の理由により次年度に繰り越されたもの。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成27年度に消耗品購入の一部として使用予定。

  • Research Products

    (11 results)

All 2015 2014

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (8 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] 2.Inhomogeneous distribution of manganese atoms in ferromagnetic ZnSnAs2:Mn thin films on InP revealed Three-Dimensional Atom Probe investigation2015

    • Author(s)
      Naotaka Uchitomi, Hiroaki Inoue., Takahiro Kato, Hideyuki Toyota., and Hiroshi Uchida,
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 117 Pages: 17B905-1-4

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 1.Preparation of thermoelectric Si:B/SiGe multilayer structures on quartz glasses by RF-magnetron sputtering with layer-by-layer annealing methods2014

    • Author(s)
      Takuya Ookura, Hideyuki Toyota, Masatoshi Takeda, Toshio Kambayashi, Naotaka Uchitomi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 53 Pages: 087102-1-5

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Characterization of Ferromagnetic Semiconductor ZnSnAs2:Mn Thin Films using Laser-assisted Three-dimensional Atom Probe Technique2014

    • Author(s)
      H.Inoue, T.Kato, H.Toyota, H.Uchida and N.Uchitomi
    • Organizer
      The 19th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
    • Place of Presentation
      Tokyo JAPAN
    • Year and Date
      2014-12-15 – 2014-12-16
  • [Presentation] Structural and Magnetic Properties of InMnAs Thin Films grown by Low-temperature Molecular Beam Epitaxy on InP (001) Substrates2014

    • Author(s)
      H. Yoshizawa, S.Hayashi,T. Kato, H. Toyota and N. Uchitomi
    • Organizer
      19th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
    • Place of Presentation
      Tokyo JAPAN
    • Year and Date
      2014-12-15 – 2014-12-16
  • [Presentation] Inhomogeneous distribution of manganese atoms in ferromagnetic ZnSnAs2:Mn thin films on InP revealed by Three-Dimensional Atom Probe investigation2014

    • Author(s)
      N.Uchitomi., H.Inoue., T.Kato., H.Toyota., H. Uchida
    • Organizer
      The 59th Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
    • Place of Presentation
      Hawaii USA
    • Year and Date
      2014-11-03 – 2014-11-07
  • [Presentation] Characterization of Ferromagnetic ZnSnAs2:Mn Thin Films using Laser-assisted Three-dimensional Atom Probe Technique2014

    • Author(s)
      H.Inoue, T.Kato, H.Toyota, H.Uchida and N.Uchitomi
    • Organizer
      19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
    • Place of Presentation
      Niigata, JAPAN
    • Year and Date
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [Presentation] Growth of Ferromagnetic InMnAs Thin Films by Low-temperature Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates,2014

    • Author(s)
      H.Yoshizawa, T.Kato, H.Toyota and N.Uchitomi
    • Organizer
      19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
    • Place of Presentation
      Niigata JAPAN
    • Year and Date
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [Presentation] Low-temperature heteroepitaxial growth of InAlAs layers on ZnSnAs2/InP(001),2014

    • Author(s)
      H. Oomae, A. Suzuki, H. Toyota, S. Nakamura, N. Uchitomi
    • Organizer
      19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
    • Place of Presentation
      Niigata JAPAN
    • Year and Date
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [Presentation] Growth and Characterization of III-group element doped ZnSnAs2 Thin Films on InP substrates2014

    • Author(s)
      T. Kato, T.Uchiyama, H.Toyota, and N.Uchitomi,
    • Organizer
      19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
    • Place of Presentation
      Niigata JAPAN
    • Year and Date
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [Presentation] Room-Temperature Ferromagnetic InMnAs Thin Films Grown by Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates2014

    • Author(s)
      H.Yoshizawa, T.Kato, H.Toyota and N.Uchitomi
    • Organizer
      12th RIEC International Workshop on Spintronics
    • Place of Presentation
      Sendai, JAPAN
    • Year and Date
      2014-06-25 – 2014-06-27
  • [Book] Chemical Research and Applications, Chalcopyrite, Chemical Composition, Occurrence and Uses2014

    • Author(s)
      J.T.Asubar, H.Oomae, N.Uchitomi
    • Total Pages
      42
    • Publisher
      Nova Science Publishers, Inc

URL: 

Published: 2016-05-27  

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