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

2002 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, 助教授 (00282012) ; 松倉 文礼 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (50261574)
• キーワード: スピンコヒーレンス / 磁性半導体 / キャリアスピン / 核スピン / キャリア誘起強磁性 / スピン注入 / 核スピン共鳴 / 強磁性体

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、さらに(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て研究を進めている。本年度の主な成果は以下の通りである。
(1)強磁性/非磁性半導体ヘテロ接合におけるスピン偏極電流注入
p型強磁性半導体(Ga, Mn)Asから非磁性半導体GaAs/InGaAs発光ダイオード構造へのスピン注入において、端面から得た発光偏光度は(Ga, Mn)Asと井戸層の間のスペーサ層厚に依存せずほぼ1%であったのに対し、光学遷移の選択則を適用できる基板側からの発光の偏光度を測定したところ、スペーサ層厚を20nmまで薄くすると偏光度が7%まで増大することがわかった。一方、(Ga, Mn)Asの価電子帯から非磁性GaAsの伝導帯へのバンド間トンネルを用いたスピン偏極電子注入では、発光偏光度はスペーサ層厚に依存しないことがわかった。これらの結果は、電子・正孔のスピン緩和時間の長短により定性的に理解できる。
(2)キャリアスピンと核スピンとの相互作用の解明と制御
ドーピング方法やキャリア濃度の異なる(110)面GaAs/AlGaAs量子井戸構造を作製し、時間分解ファラデー回転測定によってスピンコヒーレンス時間を調べた。変調ドープ構造では共鳴スピン増幅を観測し、スピン位相緩和時間が〜10nsを超えていることを確認した。また、電子スピンと核スピンの相互作用ダイナミクスを調べ、低磁場で動的核スピン分極の磁化・緩和過程を観測した。

研究成果

• [文献書誌] M.Kohda: "Electrical electron spin injection with a p^+-(Ga, Mn)As/n^+-GaAs tunnel junction"Journal of Superconductivity. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] H.Sanada: "Drift transport of spin polarized electrons in GaAs"Journal of Superconductivity. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] K.Ohtani: "InAs/AlSb quantum cascade lasers operating at 10 μm"Applied Physics Letters. 82・7. 1003-1005 (2003)
• [文献書誌] K.Ohtani: "Intersubband absorption in n-doped InAs/AlSb multiple-quantum-well structures"Applied Physics Letters. 82・1. 37-39 (2003)
• [文献書誌] K.Ohtani: "An InAs-Based Intersubband Quantum Cascade Laser"Jpn. J. Appl. Phys. 41・11B. L1279-L1280 (2002)
• [文献書誌] H.Ohno: "Ferromagnetic semiconductors for spin electronics"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 242. 105-107 (2002)
• [文献書誌] T.Tsuruoka: "Local electronic structures of GaMnAs observed by cross-sectional scanning tunneling microscopy"Applied Physics Letters. 81・15. 2800-2802 (2003)
• [文献書誌] H.Sanada: "Relaxation of photoinjected spins during drift transport in GaAs"Applied Physics Letters. 81・15. 2788-2790 (2002)
• [文献書誌] K.Takamura: "Magnetic properties of(Al, Ga, Mn)As"Applied Physics Letters. 81・14. 2590-2592 (2002)
• [文献書誌] Y.Ohno: "Valence band barrier at(Ga, Mn)As/GaAs interfaces"Physica E. 13. 521-524 (2003)
• [文献書誌] H.Akinaga: "Semiconductor Spintronics"IEEE Transactions on Nanotechnology. 1・1. 19-31 (2002)
• [文献書誌] Y.Li: "Hall magnetometry on a single iron nanoparticle"Applied Physics Letters. 80・24. 4644-4646 (2002)
• [文献書誌] J.H.Zhao: "Growth and properties of(Ga, Mn)As on Si(100)substrate"Journal of Crystal Growth. 237-239. 1349-1352 (2002)
• [文献書誌] D.K.Young: "Anisotropic electrical spin injection in ferromagnetic semiconductor heterostructures"Applied Physics Letters. 80・9. 1598-1600 (2002)