半導体をベースとした磁気光学結晶とその応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14205003
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 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)
• キーワード: 分子線エピタキシー / 半導体磁気光学結晶 / 強磁性ナノクラスター / スピン / 磁気光学効果 / スピントロニクス / MnAs / GaMnAs

研究概要

光エレクトロニクスデバイスの主材料であるIII-V族化合物半導体をベースとした半導体磁気光学結晶を開発し、その光物性・磁気光学物性を制御することによって、未来の光情報通信システムに役立つ新機能デバイスを試作する。対象とする物質系は、(1)GaAs等の半導体中にMnAs等の強磁性金属ナノクラスターが埋め込まれたグラニュラー材料、(2)GaMnAsやInGaMnAs等の磁性混晶半導体とそのヘテロ構造、(3)強磁性金属(MnAs)/III-V半導体から成るヘテロ構造、でいずれも本研究者が研究開発中の新物質である。これらの物質系を用いて、従来の半導体では実現不可能であった、ファラデー効果やカー効果など光の非相反性が与たらす巨大な磁気光学効果をもつ「半導体をベースとした磁気光学結晶」を実現し、エピタキシャル成長とバンドエンジニアリング、光波エンジニアリングの手法を駆使することによってその物性機能を設計・制御する。
初年度には、GaAs : MnAsの組み合わせを中心とした半導体:強磁性体からなる複合ナノクラスター構造の形成技術を確立し、物性(磁性、伝導、磁気光学効果などの諸特性)を最適化するための研究を行った。具体的には、
(1)III-V族磁性混晶半導体(GaMnAs, InGaMnAs, InAIMnAs)を低温分子線エピタキシーによってGaAsまたはInP半導体基板上にエピタキシャル成長し、その構造、磁性、磁気光学効果を調べた。
(2)さらに、高温(500〜700℃)で熱処理することによりMnAsナノクラスターを析出させ、MnAsナノクラスター構造を化合物半導体マトリクス中に形成した。このように作成した半導体:強磁性体ナノクラスター構造が室温で大きな磁気光学効果を示すことを観測した。
(3)RHEED,透過型電子顕微鏡を用いてこれらの構造評価を行い、クラスタの平均サイズやサイズのばらつきを調べつつ、磁性、伝導、磁気光学効果との関連を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Design of semiconductor-waveguide-type optical isolators using the non-reciprocal loss/gain in the magneto-optical waveguides having MnAs nanoclusters"Applied Physics Letters. Vol.81. 5246-5248 (2002)
• [文献書誌] A.M.Nazmul, S.Sugahara, M.Tanaka: "Transport Properties of Mn delta-doped GaAs and the effect of selectived doping"Applied Physics Letters. Vol.80. 3020-3022 (2002)
• [文献書誌] M.Tanaka: "Ferromagnet(MnAs)/III-V Semiconductor Hybrid Structures"Semiconductor Science and Technology. Vol.17No,4. 327-341 (2002)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Magneto-optical properties of a Si-doped GaAs : MnAs based magneto-photonic crystal operating at 1.55 micron"Physica E. Vol.13. 597-601 (2002)
• [文献書誌] G.Mahieu, H.Shimizu, M.Tanaka et a1.: "Compensation Mechanisms in Low-temperature Grown GaMnAs Investigated by Scanning Tunneling Microscopy"Applied Physics Letters. Vol.82. 712-714 (2003)
• [文献書誌] H.Shimizu, M.Tanaka: "Quantum size effect and ferromagnetic ordering in ultrathin GaMnAs/AlAs heterostructures"Journal of Applied Physics. Vol.91. 7487-7489 (2002)