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

2001 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: MnAs / GaAs / ファラデー効果 / 磁気光学効果 / DBR / 光アイソレータ / 横磁気カー効果 / 導波路型光アイソレータ

研究概要

前年度までにエピタキシャル成長技術を確立したIII-V族強磁性半導体混晶や量子ヘテロ構造の磁気光学効果の評価と設計・制御、およびこれらの物性機能に基づく半導体基板上に集積可能な導波路型光アイソレータの設計行った。具体的な研究成果を下記に述べる。
(1)磁気光学効果の設計・制御、特に半導体多層反射膜(DBR)を用いた光局在による磁気光学効果の増大とその最適化:GaAs中にMnAs強磁性金属ナノクラスタを埋め込んだグラニュラー構造を作製し、その光物性、磁気光学物性を評価し、誘電率テンソルの波長依存性を決定した。GaAs/AlAs半導体多層反射膜(DBR)を用いることにより、DBR/GaAs : MnAs磁性層/DBRのような微小共振器構造を作製し、GaAs : MnAs磁性層に特定波長の光を局在させ、磁気光学効果(ファラデー効果)を増大させた。従来の光アイソレータに用いられている材料(YIG, CdMnHgTe)に比べて単位膜厚当たり10倍以上のファラデー回転角を達成した。さらに磁気光学デバイスヘの応用を念頭においた材料および構造の最適設計を行った。
(2)導波路型光アイソレータの設計:磁気光学デバイスヘの応用として、1.55ミクロン帯で動作する導波路型光アイソレータの提案・解析・設計を行った。このデバイスは非磁性半導体導波路コア層とクラッド層の間にInAlAs : MnAs磁性層を挿入し、横磁気力ー効果を用いて光の進行方向によって損失に差を生じさせ、かつ電流注入によって損失を補償するもので、光アイソレーションを実現できることを理論計算によって示した。これにより、InP基板上での半導体光デバイスとの集積化可能な光通信用アイソレータが実現可能であることを示した。

研究成果

• [文献書誌] M.Tanaka, H.Shimizu, M.Miyamura: "Enhancement of Magneto-optical Effect in a GaAs : MnAs Hybrid Structure Sandwiched by GaAs/AlAs Distributed Bragg Reflectors : Epitaxial Semiconductor-based Magneto-photonic Crystal"Journal of Crystal Growth. Vol.227-228. 839-846 (2001)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Miyamura, M.Tanaka: "Magneto-optical Properties of a GaAs:MnAs Hybrid Structure Sandwiched by GaAs/AlAs Distributed Bragg Reflector : Enhanced Magneto-optical Effect and Theoretical Analysis"Applied Physics Letters. Vol.78. 1523-1525 (2001)
• [文献書誌] 清水大雅, 宮村信, 田中雅明: "MnAsナノクラスターとGaAs/AIAs半導体DBRからなる多層膜における磁気光学効果の増大"日本応用磁気学会誌. Vol.25. 655-658 (2001)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Magneto-Optical Properties of Semiconductor-Based Superlattices having GaAs with MnAs Nanoclusters"Journal of Applied Physics. Vol.89. 7281-7283 (2001)
• [文献書誌] M.Tanaka, Y. Mishima: "Low Temperature Molecular Beam Epitaxy Growth and Properties of(Ga, Er)As"Journal of Crystal Growth. Vol.227-228. 857-861 (2001)
• [文献書誌] S.Ohya, H.Shimizu, Y.Higo, J.M. Sun, M. Tanaka: "Growth and properties of quaternary alloy magnetic semiconductor (InGaMn)As"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.41. L24-L27 (2002)