半導体をベースとした磁気光学結晶とその応用

• 研究課題/領域番号: 14205003
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用物性・結晶工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 田中 雅明 東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (30192636)
• 研究分担者: 菅原 聡 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助手 (40282842)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 50,960千円 (直接経費: 39,200千円、間接経費: 11,760千円); 2005年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2004年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円); 2003年度: 12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円); 2002年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円)
• キーワード: 半導体磁気光学結晶 / スピン / 磁気光学効果 / MnAs / GaMnAs / InGaMnAs / トンネル磁気抵抗効果 / 導波路型光アイソレータ / 磁気光学結晶 / 強磁性半導体 / キュリー温度 / クラスター / 分子線エピタキシー / 強磁性ナノクラスター / スピントロニクス

研究概要

これまで行ってきた1)GaAs : MnAsナノクラスター構造を含む半導体ベース多層膜磁気光学結晶、2)3元および4元混晶のIII-V磁性半導体とヘテロ構造、3)Mn-デルタドープGaAs層を含むヘテロ構造の作製、物性機能の探索と最適化についての研究を引続き行い、基礎的な物性探索と機能設計の知見をまとめ、これに基づくいくつかのデバイス提案と試作を行い将来の方向性を示した。主な研究成果は下記の通りである。
・3元混晶(GaMn)As,4元混晶(InGaMn)As磁性半導体の、磁気特性(保持力、残留磁化、飽和磁化、磁気抵抗、ホール抵抗など)および磁気光学効果(ファラデー効果、カー効果)の最適化を行い、良好な結晶性と大きな磁気光学効果を得た。
・磁性混晶半導体やMnAsナノクラスタを含むヘテロ構造・多層膜の設計/作製、バンドエンジニアリングと光波エンジニアリングを活用した磁気光学効果(ファラデー効果、カー効果)の最適化と制御を行い、この材料系を用いた導波路型光アイソレータを設計試作した。
・GaAs : MnAsナノクラスター構造を含む半導体ヘテロ構造におけるトンネル磁気抵抗効果(TMR)を初めて観測し、TMRの最適化とデバイス試作を行った。
・Mn-デルタドープGaAs層を含むヘテロ構造のキュリー温度のさらなる高温化(192-250 K)に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Growth and magnetic properties of epitaxial MnAs thin films grown on InP (001) (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Yokoyama, S.Ohya, M.Tanaka
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 88 ページ: 12504-12504
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Growth and magnetic properties of epitaxial MnAs thin films grown on InP(001) (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Yokoyama, S.Ohya, M.Tanaka
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 88 ページ: 12504-12504
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Large magnetoresistance(>600%) of a GaAs : MnAs granular thin film at room temperature (2006)
  • 著者名/発表者名: M.Yokoyama, T.Ogawa, A.M.Nazmul, M.Tanaka
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 99
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Zinc-Blende-type MnAs nanoclusters embedded in GaAs (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yokoyama, H.Yamaguchi, T.Ogawa, M.Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn Delta Doping (2005)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, T.Amemiya, Y.Shuto, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 17201-17201
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Tunneling magnetoresistance in GaMnAs/AlAs/InGaAs/AlAs/ GaMnAs double-barrier magnetic tunnel junctions (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Ohya, P-N.Hai, M.Tanaka
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87 ページ: 12105-12105
  • NAID: 10015555965
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Precipitation of Amorphous Ferromagnetic Semiconductor Phase in Epitaxially Grown Mn-doped Ge Thin Film (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Sugahara, K.L.Lee, S.Yada, M.Tanaka
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics (Express Letter) 44
  • NAID: 10016873250
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn Delta Doping (2005)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, T.Amemiya, Y.Shuto, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Virtual Journal of Nanoscale Science ＆ Technology Vol.12, No.2
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Spintronics : Recent Progress and Tomorrow's Challenges (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Tanaka
  • 雑誌名: J.Crystal Growth 278(Invited paper) ページ: 25-37
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Zinc-Blende-type MnAs nanoclusters embedded in GaAs (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yokoyama, H.Yamaguchi, T.Ogawa, M.Tanaka
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 97
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn Delta Doping (2005)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, T.Amemiya, Y.Shuto, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 95
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn Delta Doping (2005)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, T.Ainemiya, Y.Shuto, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 17201-17201
• [雑誌論文] Tunneling magnetoresistance in GaMnAs/AlAs/InGaAs/ AlAs/GaMnAs double-barrier magnetic tunnel junctions (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Ohya, P-N.Hai, M.Tanaka
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87 ページ: 12105-12105
  • NAID: 10015555965
• [雑誌論文] High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn Delta Doping (2005)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, T.Amemiya, Y.Shuto, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology Vol.12, No.2
• [雑誌論文] Spintronics : Recent Progress and Tomorrow's Challenges (Invited paper) (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Tanaka
  • 雑誌名: J.Crystal Growth (印刷中)
• [雑誌論文] Zinc-Blende-type MnAs nanoclusters embedded in GaAs (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yokoyama, H.Yamaguchi, T.Ogawa, M.Tanaka
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. (印刷中)
• [雑誌論文] Electrical and optical control of ferromagnetism in III-V semiconductor heterostructures at high temperature (〜100K) (2004)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, S.Kobayashi, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 43
  • NAID: 10012039243
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Photo-induced anomalous Hall effect in GaAs : MnAs granular films (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Ogawa, Y.Shuto, K.Ueda, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physica E21 ページ: 1041-1045
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Control of Ferromagnetism in Mn Delta-doped GaAs-based Heterostructures (2004)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, S.Kobayashi, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physica E21 ページ: 937-942
• [雑誌論文] Magnetic Properties and Curie Temperature (〜130K) of Heavily Mn-doped Quaternary Alloy Ferromagnetic Semiconductor (InGaMn) As Grown on InP (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Ohya, H.Kobayashi, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physica E21 ページ: 975-977
• [雑誌論文] "Epitaxial growth and magnetic properties of MnAs/NiAs/MnAs spin-valve trilayers on GaAs(001) substrates (2004). (2004)
  • 著者名/発表者名: R.Nakane, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physica E21 ページ: 991-995
• [雑誌論文] Compensation Mechanisms in Low-temperature Grown GaMnAs Investigated by Scanning Tunneling Microscopy (2003)
  • 著者名/発表者名: G.Mahieu, P.Condette, B.Grandidier, J.P.Nys, G.Allan, D.Stievenard, Ph.Evert, H.Shimizu, M.Tanaka
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 82 ページ: 712-714
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] GaAs/AlAs DBRとMnAsナノクラスターを含む半導体積層構造の設計及び磁気光学物性 (2003)
  • 著者名/発表者名: 上田和彦, 清水大雅, 田中雅明
  • 雑誌名: 日本応用磁気学会誌 Vol.27 ページ: 273-276
  • NAID: 10015759950
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ferromagnetism and High Curie Temperature in Semiconductor Heterostructures with Mn-delta-doped GaAs and p-type Selective Doping (2003)
  • 著者名/発表者名: A.M.Nazmul, S.Sugahara, M.Tanaka
  • 雑誌名: Phys.Rev. B67
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Magneto-Optical Kerr Effect of Semiconductor-based Multilayer Structures Containing a GaAs : MnAs Granular Thin Film (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Ueda, H.Shimizu, M.Tanaka
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 42
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Magnetic properties of heavily Mn-doped quaternary alloy magnetic semiconductor (InGaMn)As grown on InP (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Ohya, H.Kobayashi, M.Tanaka
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 83 ページ: 2175-2177
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Ferromagnet (MnAs)/III-V Semiconductor Hybrid Structures (2002)
  • 著者名/発表者名: M.Tanaka
  • 雑誌名: Special Issue on Semiconductor Spintronics, Semiconductor Science and Technology 17,No.4(Invited paper) ページ: 327-341
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum size effect and ferromagnetic ordering in ultrathin GaMnAs/AlAs heterostructures (2002)
  • 著者名/発表者名: H.Shimizu, M.Tanaka
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 91 ページ: 7487-7489
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Magneto-optical properties of a Si-doped GaAs : MnAs based magneto-photonic crystal operating at 1.55 micron (2002)
  • 著者名/発表者名: H.Shimizu, M.Tanaka
  • 雑誌名: Physica E13 ページ: 597-601
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Design of semiconductor-waveguide-type optical isolators using the non-reciprocal loss/gain in the magneto-optical waveguides having MnAs nanoclusters (2002)
  • 著者名/発表者名: H.Shimizu, M.Tanaka
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 81 ページ: 5246-5248
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] G.Mahieu, P.Condette, B.Grandidier, J.P.Nys, G.Allan, D.Stievenard, Ph.Evert, H.Shimizu, M.Tanaka: "Compensation Mechanisms in Low-temperature Grown GaMnAs Investigated by Scanning Tunneling Microscopy"Applied Physics Letters. 82. 712-714 (2003)
• [文献書誌] A.M.Nazmul, S.Sugahara, M.Tanaka: "Ferromagnetism and High Curie Temperature in Semiconductor Heterostructures with Mn-delta-doped GaAs and p-type Selective Doping"Physical Review. B67. 241308(R)-1-241308(R)-4 (2003)
• [文献書誌] S.Ohya, H.Kobayashi, M.Tanaka: "Magnetic properties of heavily Mn-doped quaternary alloy magnetic semiconductor (InGaMn)As grown on InP"Applied Physics Letters. 83. 2175-2177 (2003)
• [文献書誌] Ueda, H.Shimizu, M.Tanaka: "Magneto-Optical Kerr Effect of Semiconductor-based Multilayer Structures Containing a GaAs : MnAs Granular Thin Film"Japanese. Journal of Applied.Physics 42. 42. L914-L917 (2003)
• [文献書誌] S.Ohya, H.Yamaguchi, M.Tanaka: "Properties of Quaternary Alloy Magnetic Semiconductor (InGaMn)As Grown on InP"Journal of Superconductivity ; Incorporating Novel Magnetism. 16. 139-142 (2003)
• [文献書誌] T.Ogawa, Y.Shuto, K.Ueda, M.Tanaka: "Photo-induced anomalous Hall effect in GaAs : MnAs granular films"Physica. E21. 1041-1045 (2004)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Design of semiconductor-waveguide-type optical isolators using the non-reciprocal loss/gain in the magneto-optical waveguides having MnAs nanoclusters"Applied Physics Letters. Vol.81. 5246-5248 (2002)
• [文献書誌] A.M.Nazmul, S.Sugahara, M.Tanaka: "Transport Properties of Mn delta-doped GaAs and the effect of selectived doping"Applied Physics Letters. Vol.80. 3020-3022 (2002)
• [文献書誌] M.Tanaka: "Ferromagnet(MnAs)/III-V Semiconductor Hybrid Structures"Semiconductor Science and Technology. Vol.17No,4. 327-341 (2002)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Magneto-optical properties of a Si-doped GaAs : MnAs based magneto-photonic crystal operating at 1.55 micron"Physica E. Vol.13. 597-601 (2002)
• [文献書誌] G.Mahieu, H.Shimizu, M.Tanaka et a1.: "Compensation Mechanisms in Low-temperature Grown GaMnAs Investigated by Scanning Tunneling Microscopy"Applied Physics Letters. Vol.82. 712-714 (2003)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Quantum size effect and ferromagnetic ordering in ultrathin GaMnAs/AlAs heterostructures"Journal of Applied Physics. Vol.91. 7487-7489 (2002)