スピン制御された半導体超構造の電子物性と応用

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09244103
• 研究種目: 重点領域研究
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 大野 英男 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (00152215)
• 研究分担者: 樽茶 清悟 日本電信電話(株), 基礎研究所・材料物性研究部, 主幹研究員 ; 鈴木 直 大阪大学, 基礎工学部, 教授 (40029559) ; 勝本 信吾 東京大学, 物性研究所, 助教授 (10185829)
• キーワード: 希薄磁性半導体 / (Ga,Mn)As / RKKY相互作用 / sp-d交換相互作用 / スピン緩和 / 金属絶縁体遷移(リエントラント) / 巨大磁気抵抗 / 人工原子

研究概要

本年度は主に、分子線エピタキシ法により作製した磁性半導体GaMnAsとその超構造について、その強磁性発現機構やキャリア状態を解明した。また、非磁性半導体をベースとした人工原子を形成し、その中の電子状態をトンネルスペクトルスコピにより観測した。
1.磁性半導体(GaMnAs)とその超構造を形成し、磁気輸送特性及び磁気光学特性を調べた結果、GaMnAsの強磁性発現機構がRKKY相互作用であることを解明し、その大きさについて定量的に明らかにした。さらに(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)Asの3層構造で、非磁性半導体で隔てられた強磁性(Ga,Mn)As間にもキャリアを媒介とした相互作用が働いていることを示す結果を得た。また、半導体量子井戸におけるキャリアの輸送特性とスピン緩和時間の関係を明らかにした。2.磁性半導体InMnAsとGnMnAsの薄膜の極低温(〜30mK)までの電気伝導特性をを0〜15Tの磁場中で測定した。特に、Mn濃度が7%のGaMnAsは1K以下で伝導特性に大きな異方性があることを見い出した。これはGaMnAsにかかる歪とその異方性に起因し、それが磁気抵抗や絶縁体金属移転等のGaMnAsの特異な伝導特性に影響していると考えられる。3.閃亜鉛鋼型GaMnAsの電子状態を第一原理計算により求めた。閃亜鉛鋼型MnAsにおいては、最近接Mn原子間に強磁性的な有効交換相互作用が働いていること、また強磁性状態のGaMnAsの価電子帯のキャリア・スピンとMn原子上のスピンとの相互作用は反強磁性的であるという知見を得た。4.非磁性GaAs/AlGaAs/InGaAsヘテロ接合半導体を用いて量子ドット(人工原子)を作製し、磁場中での様々な電子状態遷移(スピン状態遷移、スピン偏極、フント則の消失等)が基底状態と励起状態の交叉に起因することを初めて明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] F.Matsukura: "Growth and properties of(Ga,Mn)As:A new III-V diluted magnetic semiconductor" Appl.Surf.Sci.113/114. 178-182 (1997)
• [文献書誌] A.Shen: "Epitaxy and properties of InMnAs/AlGaSb diluted magnetic III-V semiconductor heterostructure" Appl.Surf.Sci.113/114. 183-188 (1997)
• [文献書誌] A.Shen: "Epitaxy of(Ga,Mn)As,a new diluted magnetic semiconductor based on GaAs" J.Cryst.Growth. 175/176. 1069-1074 (1997)
• [文献書誌] A.Shen: "(Ga,Mn)As/GaAs diluted magnetic semiconductor superlattice structures prepared by molecular beam epitaxy" Jpn.J.Appl.Phys.36. L73-L75 (1997)
• [文献書誌] S.P.Guo: "InAs self-organized quantum dashes grown on GaAs(211)B" Appl.Phys.Lett.70. 2738-2740 (1997)
• [文献書誌] A.Oiwa: "Nonmetal-metal-nonmetal transition and large negative magnetoresistance in(Ga,Mn)As" Solid State Communn.103. 209-213 (1997)
• [文献書誌] A.Shen: "Reflection high-energy electron diffraction oscillaton during growth of GaAs at low temperatures under high As overpressure" Appl.Phys.Lett.71. 1540-1542 (1997)
• [文献書誌] H.Ohno: "Preparation and properties of III-V based new diluted magnetic semiconductors" Advances in Colloid and Interface Science. 71/72. 61-75 (1997)
• [文献書誌] F.Matsukura: "Transport Properties and Origin of Ferromagnetism in(Ga,Mn)As" Phys.Rev.B. 57. R2037-R2040 (1997)
• [文献書誌] H.Ohno: "Ferromagnetic(Ga,Mn)As and its heterostructures" Physica B 発表予定. (1998)
• [文献書誌] T.Kuroiwa: "Faraday rotation of ferromagnetic(Ga,Mn)As" Electron.Lett.34. 190-191 (1998)
• [文献書誌] A.Oiwa: "Giant Negative Magnetoresistance of(Ga,Mn)As/GaAs in the Vicinity of a Metal-Insulator Transitions" Physica status solidi. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] S.Katsumoto: "Storngly Anisotropic Hopping Conduction in(Ga,Mn)As/GaAs" Physica status solidi. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] A.Oiwa: "Low Temperature Conduction and Giant Negative Magnetoresistance in III-V Based Diluted Magnetic Semiconductor:(Ga,Mn)As/GaAs" Physica B. (発表予定). (1998)
• [文献書誌] M.Shirai: "Band structures of zinc-blende type MnAs and(MnAs)_1(GaAs)_1 superlattice" J.Magn.Magn.Mater.117-181(発表予定). (1998)
• [文献書誌] S.Tarucha: "Atomic-like properties of semiconductor quantum dots" Jpn.J.Appl.Phys.36. 3917-3920 (1997)
• [文献書誌] D.G.Austing: "Vertical single electron transistor with separate gates" Jpn.J.Appl.Phys.36. 4151-4155 (1997)
• [文献書誌] L.P.Kouwenhoven: "Excitation spectra of circular few--electron quantum dots" Science. 278. 1788-1792 (1997)
• [文献書誌] D.G.Austing: "Multiple-gated submicron vertical tunneling structures" Semicond.Sci.Technol.12-5. 631-636 (1997)
• [文献書誌] Y.Tokura: "Many body effects in an artificial atom" Physica B. (発表予定). (1998)