半導体トンネル磁気抵抗デバイスの基礎研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14655115
• 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: トンネル磁気抵抗効果 / MnAs / GaMnAs / トンネル磁気抵抗デバイス / スピントロニクス / 強磁性半導体 / 三端子デバイス / 量子効果デバイス

研究概要

半導体をベースとしたエピタキシャル強磁性トンネル接合(MTJ)を、分子線エピタキシー法によって半導体基板上に作製し、そのトンネル磁気抵抗(TMR)効果を解明し、最適化し、制御することを目的とする研究を行った。対象とする材料系は、(1)GaMnAs/AlAs/GaMnAs強磁性半導体ヘテロ構造と、(2)MnAs/AlAs/MnAs強磁性金属/半導体ヘテロ構造、の2種類である。さらに、(3)GaMnAs/AlAs/GaMnAs/AlAs/GaMnAs強磁性2重障壁構造などを作製し、量子効果デバイスを用いたTMRの増大とバイアス依存性の改善を狙った。
(1)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。
(2)強磁性2重障壁構造などを作製し、量子効果デバイスを用いたTMRの増大とバイアス依存性の改善を試みた。実験的には大きなTMRには至らなかったが、GaMnAs/AlAs/InGaAs/AlAs/GaMnAs強磁性2重障壁構造において、負のTMRを観測した。また、AlAs障壁膜厚を変えるとTMRの値が振動的に変化することを見出した。この現象を説明するために、強結合近似を用いたTMRの理論計算を行いつつある。
(3)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。

研究成果

• [文献書誌] G.Mahieu, P.Condette, B.Grandidier, J.P.Nys, G.Allan, D.Stievenard, Ph.Ebert, H.Shimizu, M.Tanaka: "Compensation Mechanisms in Low-temperature Grown GaMnAs Investigated by Scanning Tunneling Microscopy"Applied Physics Letters. 82. 712-714 (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] S.Ohya, H.Yamaguchi, M.Tanaka: "Properties of Quaternary Alloy Magnetic Semiconductor (InGaMn)As Grown on InP"Journal of Superconductivity ; Incorporating Novel Magnetism. 16. 139-142 (2003)
• [文献書誌] S.Sugahara, M.Tanaka: "A Spin-Filter Transistor and Its Applications"Physica. E21. 996-1001 (2004)