希薄磁性半導体ナノ構造格子の開発と応用

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08555001
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 岡 泰夫 東北大学, 科学計測研究所, 教授 (60013520)
• 研究分担者: 村山 明宏 旭コマグ(株), 開発部, 主任技師 ; SHEN J.X. 東北大学, 科学計測研究所, 助手 (60292281) ; 梁田 興平 東北大学, 科学計測研究所, 助手 (70006146)
• キーワード: 希薄磁性半導体 / ナノ構造 / 磁気光学効果 / 量子ドット / 量子細線 / エピタキシ-成長 / 超高速分光 / 磁気ポーラロン

研究概要

マンガン・イオンを成分元素として含む希薄磁性半導体を用いて、次元性を十分に制御したナノ構造格子(量子ドット、量子細線、量子スラブ)を開発し、これらの希薄磁性半導体ナノ構造格子に発現される新しい磁気光物性とその応用を開拓することが、本研究の目的である。具体的には、Cd_<1-x>Mn_xTe、Cd_<1-x>Mn_xSeなどを主材料とした新しい希薄磁性半導体低次元量子構造の作製技術を開発する。量子構造中で磁性イオンと相互作用をする電子や励起子の超高速ダイナミクス、エネルギー緩和過程を明らかにし、これらのナノ構造に付随する電子現像の磁気光学デバイスへの応用を探求する。
本年度は磁性イオン蒸発源を備えた多元成分分子線エピタキシ-装置の開発を行った。この装置は、反射高速電子回折装置を備えており成長表面の観察ができるため、エピタキシ-成長の原子オーダーの制御が可能になった。この装置を用いて、Cd_<1-x>Mn_xTe、Cd_<1-x>Mg_xTeエピタキシ-膜や多重量子井戸の作製を行った。またホット・ウォール・エピタキシ-法によりCd_<1-x>Mn_xTe系の非対称2重量子井戸の作成や、スパッタ法によるCd_<1-x>Mn_xSe系量子ドットの作成を行い、希薄磁性半導体ナノ構造格子を得た。
得られた希薄磁性半導体ナノ構造格子試料を、ピコ・フェムト秒領域(10^<-10>〜10^<-13>秒)の超短パルスを発生させるレーザーを用いて、時間分解分光法、縮退四光波混合、過渡吸収分光法により調べ、量子格子中で磁性イオンと相互作用をする電子や励起子のダイナミクス、超高速エネルギー緩和過程を明らかにした。その結果、2重量子井戸中での励起子やキャリアーの超高速トンネル過程、量子ドット中での励起子磁気ポーラロンの束縛状態、生成、消滅ダイナミクスなどの詳細について新たな結果を得て、学会発表および論文出版を行った。

研究成果

• [文献書誌] J.N.Zeng, M.C.Debnath, I.Souma and Y.Oka: "Exciton Dynamics and Carrier Tunneling Processes in Zn_<1-x>Cd_xSe/ZnSe Asymmetric Double Quantum Wells" J.Surface Analysis. 3. 529-532 (1997)
• [文献書誌] Y.Oka, H.Okamoto, S.Takano, K.Egawa, Matsui, K.Yanata,: "Magneto-Optical Properties and Exciton Dymanics in Nanostructure Diluted Magnetic Semiconductors : Cd_<1-x>Mn_xSe QDs and Zn_<1-x>Cd_xSe/ZnSe Quantum Wells" J.Surface Analysis. 3. 524-528 (1997)
• [文献書誌] J.-Y.Jen, Y.Oka, J.Anderson, M.Gorska: "Magnetic Field Induced Exciton Confinement in Heavily Doped GaAs/Al_<1-x>Ga_xAs Quantum Wells" High Magnetic Fields in the Physics of Semicondutors II (World Scientific 1997). 2. 705-708 (1997)
• [文献書誌] Y.Oka, K.Matsui, S.Takano, T.Hisatsugu, H.Okamoto,: "Ultrafast Dynamics of Excitons in Cd_<1-x>Mn_xTe/ZnTe (x=0-0.02)Quantum Wells" High Magnetic Fields in the Physics of Semiconductors II (World Scientific 1997). 2. 553-556 (1997)
• [文献書誌] Y.Oka: "Excitonic Effects in Cd_<1-x>Mn_xSe Quantum Dots and Cd_<1-x>Mn_xTe/ZnTe Quantum Wells" Phys.Stat.Sol.(b). 202. 795-804 (1997)
• [文献書誌] Y.Oka: "Excitonic Properties and Dynamics in Non-Magnetic and Diluted Magnetic II-VI Semiconductor Nanostructures" Nonlinear Optics. 18. 207-214 (1997)