III-V族ベース強磁性半導体によるバンドエンジニアリングと磁気光学デバイスへの応用

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11305023
• 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 名城大学, 理工学部, 助教授 (80282680) ; 西永 頌 名城大学, 理工学部, 教授 (10023128) ; 中野 義昭 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (50183885)
• キーワード: 磁気光学結晶 / MnAs / GaAs / グラニュラー / 磁気光学効果 / 光の局在 / DBR / GaMnAs

研究概要

これまでIII-V族には適当な磁気光学材料が無かったため、ガーネット系やII-VI族系に比べて磁気光学デバイスに関する研究が無かった。本研究ではIII-V族をベースとするGaAs:MnAsグラニュラー材料を用いた半導体をベースとした1次元磁気光学結晶の研究を行った。GaAs:MnAsグラニュラー材料は、室温でかなり大きな磁気光学効果を示す材料であるが、III-V族をベースとした半導体多層構造を形成し、磁性層への光の閉じ込めによって室温で磁気光学効果を増大させることに成功した。MBEによるエピタキシャル成長技術を駆使することにより、磁性半導体(GaMnAs)をアニールして形成される半導体(GaAs)/強磁性金属(MnAs)ナノ複合材料の薄膜と、その上下に形成した非磁性半導体の多層反射膜(GaAs/AlAs DBR)から成る多層膜構造を作製し、透過で磁気光学効果を調べたところ、ほぼ設計された波長で、室温において磁気光学効果が数倍大きくなることを観測した。ここでは両側の非磁性半導体多層膜をGaAs/AlAsから成る多層反射膜(DBR)構造とし、各層の膜厚はλ/4n(λは動作波長、nは各層の屈折率)、中央の磁性層はGaAs:MnAsナノクラスター構造でその膜厚は、λ/2nとしている。ある特定の波長で磁気光学効果の増大が観測されたのは、上下のDBR構造によって特定の波長(ブラッグ波長λ)の光が多重反射を起こし中央の磁性層に閉じ込められるというマイクロキャビティ効果のため、波長λにおける磁気光学効果(ファラデー効果)が強められる、という一種の光波エンジニアリングを行ったことによる。この多層構造は、半導体材料やDBRの周期など構造パラメータを変えることにより動作波長が広い範囲で制御可能で設計自由度が大きいこと、III-V族半導体光デバイス・光回路との集積化が容易なことなど、従来の磁気光学材料・デバイスにない優れた特長を有している。

研究成果

• [文献書誌] M.Tanaka (Invited paper): "Ferromagnetic Semiconductor Heterostructures Based on (GaMn) As"J.Vac.Sci. & Technol.. A18. 1247-1253 (2000)
• [文献書誌] H.Shimizu,M.Miyamura,and M.Tanaka: "Enhanced Magneto-Optical Effect in a GaAs : MnAs Nanoscale Hybrid Structure Combined with GaAs/AlAs Distributed Bragg Reflectors"J.Vac.Sci. & Technol.. B18. 2063-2065 (2000)
• [文献書誌] M.Tanaka (Invited paper): "Semiconductor Spintronic Materials and Devices : Current Status and Future Prospects"Future Electron Device Journal,. 11(3). 67-75 (2000)
• [文献書誌] A.Grandidier,J.P.Nys,C.Delerue,D.Stievenard,Y.Higo,and M.Tanaka: "Atomic-Scale Study of GaMnAs/GaAs Layers"Appl.Phys.Lett.. 77. 4001-4003 (2000)
• [文献書誌] H.Shimizu,M.Miyamura,and M.Tanaka: "Magneto-optical Properties of a GaAs : MnAs Hybrid Structure Sandwiched by GaAs/AlAs Distributed Bragg Reflectors : Enhanced Magneto-optical Effect and Theoretical Analysis"Appl.Phys.Lett.. 78. 1523-1525 (2001)
• [文献書誌] A.M.Nazmul,H.Shimizu and M.Tanaka: "Magneto-optical Spectra of Epitaxial Ferromagnetic MnAs films Grown on Si and GaAs Substrates""J.Appl.Phys.. 87. 6791-6793 (2000)