半導体-磁性体複合ナノ構造における光スピン注入と輸送

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450002
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 岡 泰夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (60013520)
• 研究分担者: 富田 卓朗 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 ; 村山 明宏 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (00333906)
• キーワード: スピン注入 / 半導体 / 磁性半導体 / 磁性体 / スピンエレクトロニクス / ナノ構造 / リソグラフィー / フォトルミネッセンス

研究概要

本研究は、II-VI族半導体と磁性体を素材として、量子細線、量子ドット、量子井戸などで構成される「複合ナノ構造」を作製し、この複合構造における光励起による電子スピンの輸送、注入、スピン制御を研究することにある。「スピン輸送」、「スピン注入」は、物質内に光や電流により電子スピンを偏極して生成させ、この電子スピン状態を保存したまま輸送し、別の場所に注入させることであり、この電子スピン制御は、電子のスピン状態により作動するスピントランジスターなどの将来の「スピンエレクトロニクス」の基礎要素技術として必要なものである。複合ナノ構造の素材としては、CdTe、CdSe、ZnTe、ZnSeなどのII-VI族半導体とMn、Coなどの磁性体、またこれらの磁性イオンを含む磁性半導体を用いた。特に磁場中の光励起により、磁性イオンを含む層にスピンを偏極させた電子正孔対を生成させ、これらの電子正孔をナノ構造の中を濃度勾配により輸送し、他の場所にある量子井戸へ注入する手法を確立した。また複合構造における磁性体薄膜により、半導体中の電子スピンの向きを制御することを試みている。
磁性半導体-磁性体複合ナノ構造は、分子線エピタキシー法とスパッター法を組み合わせて作製した。CdTe/Cd_<1-x>Mn_xTe系、CdSe/Cd_<1-x>Mn_xSe系、ZnTe/Zn_<1-x>Mn_xTe系、ZnSe/Zn_<1-x>Mn_xSe系の二次元量子井戸およびCo系磁性層を結合させて磁性層を含む量子井戸を作製した。これらの量子井戸の井戸幅、障壁層幅および格子不整性を、X線回折により評価した。熱電界放射型の電子線描画装置により20-100nmの量子ドット、量子細線を描画し、加工精度が優れている「ドライエッチング法」と、結晶への損傷は少ない「ウエットエッチング法」を併用して、光学特性の劣化が少ない極微細加工を行なった。これらの磁性半導体ナノ構造に起きる励起子のスピンダイナミクスと、スピン緩和現象を、フェムト秒パルスレーザーを用いたフォトルミネッセンス時間分解分光、ブリルアン散乱分光を行い明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] K.Hyomi, A.Murayama, Y.Oka, C.M.Falco: "Misfit Strain and Magnetic Anisotropies in Ultrathin Co Films Hetero-Epitaxially Grown on Au/Cu/Si(111)"J.Crystal Growth. 235. 567-571 (2002)
• [文献書誌] K.Kayanuma, M.C.Debnath, I.Souma, Z.H.Chen, A.Murayama, Y.Oka: "Exciton Spin Injection in CdTe/Cd_<1-x>Mn_xTe Double Quantum Wells"Phys.Stat.Sol.(b). 229. 761-764 (2002)
• [文献書誌] M.C.Debnath, Z.H.Chen, I.Souma, K.Sato, A.Murayama, Y.Oka: "Spin-Dependent Carrier Confinements and Radiative Recombinations in Zn_<1-x>Mn_xTe/Zn_<1-y>Mg_yTe Spin Superlattices"Phys.Stat.Sol.(b). 229. 695-699 (2002)
• [文献書誌] K.Hyomi, A.Murayama, U.Hiller, Y.Oka, C.M.Falco: "Surface Magnetic Anisotropy of Co(OOO1) and Effects of Ultrathin Cu-Overlayers Studied by In-Situ Spin-Wave Brillouin Light Scattering"Appl.Phys.Lett.. 80. 282-284 (2002)
• [文献書誌] Y.Oka, K.Kayanuma, S.Shirotori, A.Murayama, I.Souma, Z.H.Chen: "Excitonic Properties and Dynamics in Diluted Magnetic Semiconductor Quantum Nanostructures"Nonlinear Optics. 29. 491-499 (2002)
• [文献書誌] Y.Oka, K.Kayanuma, S.Shirotori, A.Murayama, I.Souma, Z.H.Chen: "Magneto-Optical Properties and Exciton Dynamics in Diluted Magnetic Semiconductor Nanostructures"J.Luminescence. 100. 175-190 (2002)