半導体スピントロニクス・ヘテロ構造電子デバイスの研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14076207
• 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: 井上 順一郎 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60115532) ; 菅原 聡 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助手 (40282842)
• キーワード: スピントロニクス / 電子デバイス / 強磁性転移温度 / トンネル磁気抵抗効果 / スピンMOSFET / 強磁性半導体 / デルタドープ / 磁気抵抗効果

研究概要

■エピタキシャルMnAs/III-V/MnAs強磁性トンネル接合デバイスにおけるトンネル磁気抵抗効果:エピタキシャル成長技術を駆使してすべて単結晶からなるMnAs/III-V/MnAs強磁性トンネル接合(MTJ)を作製し、強磁性金属/半導体からなる複合ヘテロ構造としては初めて明瞭なトンネル磁気抵抗効果(TMR)を観測した。そのTMR比は半導体(GaAs, AlAs)障壁層とその界面の品質に依存し、低温(10K)では最大30%以上に達した。
■MnデルタドープGaAs/p-AlGaAsから成る半導体ヘテロ構造の形成とキュリー温度の高温化、電界および光による磁性制御:MnデノレタドープGaAsとp型AlGaAsからなる選択ドープヘテロ構造(下図2)を作製し、III-V族(GaAs, InAs)ベース磁性半導体では最も高いキュリー温度172Kを実現した。さらに、当該のIII-V族磁性半導体ヘテロ構造において電界効果トランジスタ構造を作製し、ゲート電圧による磁性(強磁性<->常磁性の転移)の制御に成功した。また、光照射による磁化の変化も観測した。
■新規なスピントロニクス・三端子デバイスの提案・解析と再構成可能な論理回路への応用:将来のスピントロニクス・デバイスとして、スピンフィルタートランジスタやスピンMOSFETといったスピン依存電動を持つ新しい3端子デバイスの提案・理論解析も行い、その有用性を理論的に示した。またスピンMOSFETを用いた再構成可能な論理回路を設計した。
■強磁性半導体中の磁性不純物間相互作用とキュリー温度:III-V族強磁性半導体の強磁性発現メカニズムとして、不純物準位と半導体の価電子帯とがp-d混成することにより価電子帯上端近傍で共鳴的準位が形成され、これを介して磁性不純物間に強い相互作用が生じる機構を提案した。この相互作用の具体的表式とそれから得られるキュリー温度の組成依存性を理論的に明らかにした。
■半金属を用いた強磁性接合における磁気抵抗効果:半金属を用いた強磁性接合系の磁気抵抗効果の特徴について理論的に調べ、半金属層の伝導特性が金属的振る舞いから半導体的振る舞いへの推移する領域で磁気抵抗比が極大を示すことを明らかにした。この領域では電気抵抗は十分低くデバイス作製にとって好都合となる条件を実現できる可能性があることを指摘した。

研究成果

• [文献書誌] A.M.Nazmul, S.Sugahara, M.Tanaka: "Ferromagnetism and High Curie Temperature in Semiconductor Heterostructures with Mn-delta-doped GaAs and p-type Selective Doping"Physical Review. B67. 241308(R)1-241308(R)4 (2003)
• [文献書誌] S.Sugahara, M.Tanaka: "Epitaxial Growth and Magnetic Properties of MnAs/AlAs/MnAs Magnetic Tunnel Junctions on Exact (III)B GaAs Substrates : the Effect of a Ultrathin GaAs Buffer Layer"Journal of Crystal Growth. 251. 317-322 (2003)
• [文献書誌] S.Ohya, H.Kobayashi, M.Tanaka: "Magnetic properties of heavily Mn-doped quaternary alloy magnetic semiconductor (InGaMn)As grown on InP"Applied Physics Letters. 83. 2175-2177 (2003)
• [文献書誌] M.Tanaka: "Spin-polarized Tunneling in Fully Epitaxial Semiconductor-based Magnetic Tunnel Junctions"Journal of Superconductivity ; Incorporating Novel Magnetism. 16. 241-248 (2003)
• [文献書誌] J.Inoue, G.E.W.Bauer, L.W.Morenkamp: "Diffuse transport and spin accumulation in a Rashba two-dimensional electron gas"Physical Review. B67. 033104 (2003)
• [文献書誌] J.Inoue: "Effective exchange interaction and Curie temperature in magnetic semiconductors"Physical Review. B67. 125302 (2003)