半導体超構造における電子のスピンコヒーレンスとその制御

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12305001
• 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: 大野 裕三 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (00282012) ; 松倉 文礼 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (50261574)
• キーワード: キャリア誘起強磁性 / 希薄磁性半導体 / GaMnAs / InMnAs / 巨大磁気抵抗効果 / 分子線エピタキシ / トンネル磁気抵抗効果 / 核スピン共鳴

研究概要

本研究では、従来の非磁性半導体量子構造と、新たに創生されつつある強磁性半導体との融合構造に基礎を置き、そこにおける(1)電子のスピンコヒーレンスの顕示と外場によるその制御、(2)核スピンや磁性イオンとの相互作用の解明と制御、(3)スピンに依存する電子・光物性を活用した新しいデバイスのプロトタイプの作製、を目的とし、・スピンの注入、輸送、記憶などの機能を有する半導体ヘテロ超構造及び強磁性半導体融合構造の設計と作製、・半導体中のキャリアスピンと核スピンあるいは局在スピンとの相互作用の解明と制御、及び・外部電磁界によるキャリアスピン状態の制御について研究を進めてきた。本年度の主な成果は以下の通りである。
・強磁性半導体(In,Mn)Asをチャネルとする電界効果トランジスタ構造を作製し、高濃度p型の(In,Mn)Asのキャリア密度のゲート制御を確認した。さらに、キャリア濃度を変化させることにより、温度を一定に保ったまま、磁性(強磁性転移温度)を制御することに初めて成功した。
・InGaAsをバッファー層とし、強磁性半導体(Ga,Mn)Asに圧縮歪を加えて磁化容易軸を面と垂直方向に向けた(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As3層構造を作製し、巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗など、磁気エレクトロニクスデバイスに応用されている現象を全て半導体で構成されたデバイスにおいて観測した。
・(110)面方位に形成したGaAs/AlGaAs量子井戸に電子を変調ドーピングすることにより、室温で10nsを超える極めて長い電子のスピン緩和時間を観測した。また、このn型変調ドープ(110)GaAs/AlGaAs量子井戸のスピンダイナミクスを時間分解ファラデー効果測定によって調べ、レーザーパルスによって生成されたスピン偏極電子と核スピンの相互作用の共鳴現象を観測した。

研究成果

• [文献書誌] H.Ohno: "A ferromagnetic III-V semiconductor : (Ga,Mn)As"Solid State Communications. 117・3. 179-186 (2001)
• [文献書誌] H.Ofuchi: "Fluorescence extended-x-ray absorption fine structure study on local structures around Mn-atoms in thin (In,Mn)As layer and (In,Mn)As quantum dots"Journal of Applied Physics. 89・1. 66-70 (2001)
• [文献書誌] H.Ohno: "Spin-Dependent Properties of Ferromagnetic/Nonmagnetic GaAs Heterostructures"Material Science and Engineering B. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] H.Ohno: "Electric-field control of ferromagnetism"Nature. 408・6815. 944-946 (2000)
• [文献書誌] T.Dietl: "Ferromagnetism in III-V and II-VI semiconductor structures"Physica E. 9・1. 185-193 (2001)
• [文献書誌] D.Chiba: "Magnetoresistance effect and interlayer coupling of (Ga,Mn)As trilayer structures"Applied Physics Letters. 77・12. 1873-1875 (2000)
• [文献書誌] T.Shono: "Observation of magnetic domain structure in a ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with a scanning Hall probe microscope"Applied Physics Letters. 77・9. 1363-1365 (2000)
• [文献書誌] H.Ohno: "Ferromagnetic III-V heterostructures"Journal of Vacuum Science and Technology B. 18・4. 2039-2043 (2000)
• [文献書誌] T.Shono: "Magnetic domain structures of (Ga,Mn)As investigated by scanning Hall probe microscopy"Physica B. 284. 1125 (2000)
• [文献書誌] Y.Ohno: "MBE growth and electroluminescence of ferromagnetic/non-magnetic semiconductor pn junctions based on (Ga,Mn)As"Applied Surface Science. 159-160. 308-312 (2000)
• [文献書誌] F.Matsukura: "Molecular beam epitaxy of GaSb with high concentration of Mn"Applied Surface Science. 159-160. 265-269 (2000)
• [文献書誌] H.Ohldag: "Magnetic moment of Mn in the ferromagnetic semiconductor (Ga_<0.98>Mn_<0.02>)As"Applied Physics Letters. 76・20. 2928-2930 (2000)
• [文献書誌] I.Arata: "Temperature dependence of electroluminescence and I-V characteristics of ferromagnetic/non-magnetic semiconductor pn junctions"Physica E. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] T.Adachi: "Spin relaxation in n-modulation doped GaAs/AlGaAs (110) quantum wells"Physica E. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] Y.Ohno: "Electrical Spin Injection in Ferromagnetic/Nonmagnetic Semiconductor Heterostructures"Physica E. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] D.Chiba: "Properties of (Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As magnetic trilayer structures"Physica E. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] T.Omiya: "Magnetotransport properties of (Ga,Mn)As grown on GaAs(411)A substrate"Physica E. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] T.Fukumura: "Magnetic domain structure of a ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As observed with scanning probe microscopes"Physica E. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] S.Ueda: "Magnetic circular dichroism in Mn 2p core absorption of Ga_<1-X>Mn_XAs"Physica E. (印刷中). (2001)