半導体超構造の物質設計とスピン制御

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09244105
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 吉田 博 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30133929)
• 研究分担者: 梅原 雅捷 科学技術庁無機材質研究所, 主任研究官 ; 小柳 剛 山口大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90178385) ; 田中 雅明 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (30192636) ; 秋永 広幸 産業技術融合領域研究所, 主任研究官
• キーワード: 束縛磁気ポーラロン / 希薄磁性半導体 / 強磁性微細構造 / 物質設計 / 一次元半導体磁気光学結晶 / 強磁性金属 / 半導体ヘテロ構造 / 強磁性半導体(GaMn)As量子ヘテロ構造におけるトンネル磁気抵抗効果

研究概要

ZnOにおいて、ドナーとアクセプターによる同時ドーピング法による抵抵抗p型半導体創製法の物質設計を行った。ZnO中のMnは反強磁性状態となり、ホールドーピングにより強磁性状態となる。ZnO中のV,Cr,Fe,Co,Niは透明な強磁性体となる。また、GaNにMnをドープすると強磁性状態となりFeをドープすると反強磁性状態となる。(吉田)強磁性金属(MnAs)/半導体(GaAs)/強磁性金属(MnAs)から成る三層エピタキシャルヘテロ構造の磁気輸送特性において、固体磁気メモリやセンサの基本原理となるスピンバルブ効果を明瞭に観測した。強磁性半導体(GaMn)As量子ヘテロ構造(単一障壁および二重障壁構造)において、大きなトンネル磁気抵抗効果を明瞭に観測した。DBR/(GaAs:MnAsナノクラスタ)/DBR構造(一次元半導体磁気光学結晶)を作製し、所望の波長において光の局在による磁気光学効果の増大を室温で明瞭に観測した。(田中)Ge1-xMnxTe薄膜の磁気特性を明らかにし、アモルファスは常磁性であるのに対し、これをアニールで結晶化した薄膜は強磁性となることから、相転移による強磁性微細構造の作製が可能であることがわかった。クラスタイオンビーム法によるPb1-xMnxTe薄膜の作製を行い、Te組成制御およびAgドーピングによって、n、p型両方のエピタキシャル薄膜を得、各々の電気的特性を明らかにするとともに、pn接合を試作した。(小柳)磁化の揺らぎを考慮した希薄磁性半導体中の束縛磁気ポーラロンの新しい計算方法を開発し、低温から高温までの全温度領域に於て束縛磁気ポーラロンのenergeticsを記述出来る事を示した。また、正孔型束縛磁気ポーラロンの計算を行い、電子型の場合との相違を明らかにした。(梅原)強磁性体金属であるMnSbのナノサイズクラスターをGaAs基板上に分散させた超薄膜において、室温、かつ比較的小さな磁場で、10000%以上の磁気抵抗効果を示す材料の開発に成功した。この超薄膜は磁場に敏感な電流-電圧特性を示し、あるしきい値電圧以上で磁場の印加により2桁以上もの電流変化を示すことを発見した。(秋永)

研究成果

• [文献書誌] H. Katayama-Yoshida: "Theoretical Predictions for Codoping Properties in Wide Band-gap Semiconductors"Jpn. J. Appl. Phys. (2000)
• [文献書誌] H. Katayama-Yoshida: "Materials Design in Diamond from the First Principles Calculation : Prediction and experiment"Advanced Materials 99, - New Semiconducting Materials : Diamond and Related Materials. 35 (1999)
• [文献書誌] H. Katayama-Yoshida: "Co-doping Method in Wide Band-gap Semiconductors : Application to GaN, AlN, ZnSe, CuInS2 and Diamond"Inst. Phys. Conf. Ser. No. 162, Compound Semiconductors 1998 (edited by H. Sakaki, J-C Woo, N. Yokoyama, and H. Hirayama, IOP publishing Ltd. London, 1999). No.162. 747-756 (1999)
• [文献書誌] 吉田博: "半導体における第一原理からの物質設計"まてりあ. 38・2. 134-143 (1999)
• [文献書誌] 吉田博: "ワイドギャップ半導体の新しい価電子制御法:予測と実験"まてりあ. 第39巻. (2000)
• [文献書誌] K. Shirai: "Anharmonicities in optical spectra of a-rhombohedral boron"Physica B. 263-264. 791-794 (1999)
• [文献書誌] T. Yamamoto: "Solution Using a Codoping Method to Unipolarity for the Fabrication of p-Type ZnO"Jpn. J. Appl. Phys.. 38. L166-L169 (1999)
• [文献書誌] T. Yamamoto: "Unipolarity of ZnO with a Wide-Band Gap and its Solution Using Codoping Method"J. Crystal Growth. (2000)
• [文献書誌] T. Yamamoto: "Effects of oxygen incorporation in p-type AlN crystals doped with carbon species"Physica B. 273-274. 113-115 (1999)
• [文献書誌] T. Yamamoto: "Differences in the electronic structures and compensation mechanism between n-type Zn-and Cd-doped CuInS2 crystals"Physica B. 273-274. 927-929 (1999)
• [文献書誌] M. Tanaka: "Expitaxial Growth and Properties of MnAs/GaAs/MnAs Trilayer Heterostructures"J. Magnetism & Magnetic Materials. 198. 719-721 (1999)
• [文献書誌] M. Tanaka: "Ferromagnet/Semiconductor Hybrid Structures Grown by Molecular Beam Epitaxy"J. Crystal Growth. 201/202. 660-669 (1999)
• [文献書誌] T. Hayashi: "Tunneling Spectroscopy and Magnetoresistance in (GaMn)As/AlAs/(GaMn)As Ultrathin Magnetic Semiconductor Heterostructures"J. Crystal Growth. 201/202. 689-692 (1999)
• [文献書誌] J. Okabayashi: "Mn 3d Partial Density of States in (GaMn)As Studied by Resonance Photoemission Spectroscopy"Phys Rev. B. 59. R2486-R2489 (1999)
• [文献書誌] M. Oshima: "Photoelectron Spectroscopy and Magnetic Properties of Manganese Pnictides Nanocrystals Formed on Passivated GaAs Substrates"Jpn. J. Appl. Phys. 38. 373-376 (1999)
• [文献書誌] K. Shimada: "Spin-Resolved Core-Level and Valence-Band Photoemission Spectroscopy of Ferromagnetic MnAs"J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 101-103. 383-387 (1999)
• [文献書誌] J. Szczytko: "Mn Impurity in (GaMn)As Epilayers"Phys. Rev. B. 60. 8304 (1999)
• [文献書誌] Y. Mishima: "Low-Temperature MBE Growth and Properties of (Ga, Er)As"18th Electronic Mateials Symposium. paper I-7. 209-212 (1999)
• [文献書誌] M. Oshima: "Growth and Properties of magnetic Nanostructures o Semiconductor Surface"J. Magnetic Society of Japan. 24・2. 67-73 (2000)
• [文献書誌] H. Shimizu: "Enhanced Magneto-Optical Effect of GaAs : MnAs Magnetic Nanoclusters with GaAs/AlAs Distributed Bragg Reflectors : A Semiconductor Based Mgneto-Photonic Crystal"5th Symp. on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. paper C2. 68-71 (1999)
• [文献書誌] H. Shimizu: "Magneto-Optical Spectra of Ferromagnetic Semiconductor GaMnAs"5th Symp. on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. paper H14. 192-195 (1999)
• [文献書誌] J. Okabayashi: "Electronic Structure of Gal-xMnxAs Studied by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy"5th Symp. on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. paper H2. 158-161 (1999)
• [文献書誌] Y. Fukuma: "Magnetic properties of Gel-xMnxTe films prepared by sputtering method"5th Symposium on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. (1999)
• [文献書誌] Masakatsu Umehara: "Anomalous dense conduction electron states and magnetism in EuSe : Homogeneous electron state and carrier induced magnetic ordering"Phys. Rev. B. 60, No. 1. 445-454 (1999)
• [文献書誌] H. Akinaga: "Room-temperature thousand-fold magentoresistance change in MnSb granular films : Magnetoresistive switch effect"Appl. Phys. Lett.. 76, 3. 357-359 (2000)
• [文献書誌] M. Mizuguchi: "Formation and structural investigation of MnSb dots on S-passivated GaAs(001) substrates"J. Cryst. Growth.. (2000)
• [文献書誌] M. Mizuguchi: "Formation and magnetotransport properties of nanoscale MnSb dots"J. Appl. Phys.. (2000)
• [文献書誌] M. Mizuguchi: "Crystallographic and magneto-optical studies of nanoscaled MnSb dots grown on GaAs"Appl. Phys. Lett.. (2000)