III-V半導体/磁性体融合系(GaAs:Mn)の形成とその物性

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08455006
• 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, 助教授 (30192636)
• 研究分担者: 成塚 重弥 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (80282680) ; 西永 頌 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (10023128)
• キーワード: III-V半導体 / 磁性体融合系 / GaAs : Mn / GaMnAs / MnAS / MnAs / GaAs / MnAs 三層構造 / 分子線エピタキシー / スピンバルブ / 磁気結合

研究概要

本研究では、「III-V 半導体/磁性体融合系(GaAs:Mn)」という新物質を分子線エピタキシー(MBE)を用いて形成し、その物性とくに強磁性MnAsや半導体中のMnイオンのスピンとキャリアの相互作用の関連を調べることを目的として研究を行った。強磁性MnAs上に良質の単結晶GaAs半導体をエピタキシャル成長させ、結晶の対称性や界面エネルギーなどの諸問題を克服し、テンプレート層の効果などを駆使することによって、MnAs上に良質のGaAsを成長させ、多層積層構造の形成に成功した。今年度は特にこの多層構造の様々な特性を評価し、以下の知見を得た。
まず、結晶構造や格子定数が大幅に異なるにもかかわらず、MBEを用いて強磁性金属と半導体から成るエピタキシャル成長を可能にし、GaAs(111)BおよびSi(111)基板上にMnAs/GaAs/MnAs三層構造を形成した。また、高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)による三層構造(各層の厚さは10nm)の断面観察、および室温における磁化測定によって、ヘテロ界面が原子レベルで急峻であることや良好な磁気特性をもつことを示した。上側のMnAs層の保持力が下側のMnAs層の保持力よりも大きいため、磁化特性にダブルステップが見られた。磁化のマイナーループを測ることによって、半導体(GaAs)を介した強磁性層(MnAs)間の磁気的結合を調べた結果、GaAsスペーサ膜厚が5nm以上の3層構造については非結合型であった。強磁性層(MnAs)間の磁気的結合と磁気抵抗効果については、さらに系統的にいくつかのサンプルの測定によって調べたところ、界面に平行方向の伝導においてスピンバルブ効果を実験的に観測した。

研究成果

• [文献書誌] T.Hayashi, M.Tanaka, K.Seto, T.Nishinaga, H.Shimada, K.Ando: "“Hall Effect and Magnetic Properties of III-V Based (GaMn) As/AlAs Magnetic Semiconductor Superlattice"" Journal of Applied Physics. 83. 6551-6553 (1998)
• [文献書誌] Masaaki Tanaka (Invited paper): "“Epitaxial Ferromagnetic Thin Films and Heterostructures of Mn-based Metallic and Semiconducting Compounds on GaAs"" Physica. E2. 372-380 (1998)
• [文献書誌] Masaaki Tanaka (Invited paper): "“Epitaxial Growth and Properties of III-V Based Ferromagnetic Semiconductor (GaMn) As and Its Heterostructures"" Journal of Vacuum Science & Technology. B16. 2267-2274 (1998)
• [文献書誌] M.Tanaka, K.Saito, and T.Nishinaga: "“Epitaxial MnAs/GaAs/MnAs Trilayer Magnetic Heterostructures"" Applied Physics Letters. 74. 64-66 (1999)
• [文献書誌] H.Shimizu, T.Hayashi, T.Nishinaga and M.Tanaka: "“Magnetic and Transport Properties of III-V Based Magnetic Semiconductor (GaMn) As : Growth Condition Dependence"" Applied Physics Letters. 74. 398-400 (1999)
• [文献書誌] M.Tanaka (Invited paper): "“Ferromagnet/Semiconductor Hybrid Structures Grown by Molecular Beam Epitaxy"" journal of Crystal Growth,. (in press). (1999)