| 研究課題/領域番号 |
16K13671
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
原 真二郎 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 准教授 (50374616)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 縦型ナノワイヤ / ヘテロ接合ナノワイヤ / 選択成長 / 縦型スピン発光ダイオード / ボトムアップ形成 |
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| 研究実績の概要 |
独自の半導体ナノワイヤとスピントロニクス技術の融合により新奇のナノワイヤ磁気エレクトロニクスを提案する。種々の半導体ウェハ上で位置・サイズ制御可能なボトムアップ型作製技術の開発と、高いアスペクト比の垂直自立型半導体pn接合ナノワイヤに、スピン偏極キャリア注入を可能とする強磁性体ナノ構造とトンネル障壁電極を積層した垂直自立型ナノワイヤスピン発光ダイオードの実現を目指す。これを目的として本年度は、縦型強磁性体／半導体ヘテロ接合ナノワイヤ（NW）の構造評価、物性評価を中心に研究を推進した。
有機金属気相選択成長によりInAs半導体NWを形成後、エンドタキシと呼ばれる独自の結晶成長様式によりMnAs強磁性体ナノクラスタ（NC）を複数積層した縦方向ヘテロ接合NWを用い、NC形成位置がNWの屈曲位置に及ぼす影響やNCの形状制御性を評価した。NW頂上のNCに比べ、NW中間位置のNCではNWの<111>B（縦）方向の成長速度が速く、縦方向に伸長したNCとなる。またNWが屈曲する場合、中間位置のNC部で屈曲し、NC形成が開始される六角柱NWの稜線方向に屈曲する傾向にあるとの知見を得た。次にヘテロ接合NWの磁区構造と磁気輸送特性評価を目的として、作製した縦型NWを根元から機械的に剥離後、別のSiO2／Si(111)基板上に横倒し、磁気力顕微鏡によりNWの磁区構造の外部印加磁場（B）方向及び強度依存性評価を行った他、母体となるInAs半導体NWに関しては横倒し後、電極を形成し、海外研究協力者と連携の下、磁気輸送特性・角度依存磁気抵抗効果・温度依存性等の物性評価を実施した。<111>B方向に伸長したNCでは磁化困難軸方向の磁化を示唆した結果を得ており、NC形状による磁化方向制御の可能性を示した。InAs単体のNWは電流とB方向の角度に依存した磁気抵抗効果を示し、さらにその温度依存性の知見を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度の目標であったヘテロ接合ナノワイヤ（NW）における強磁性体ナノクラスタ（NC）の形成メカニズムの解明については、結晶成長装置の原料供給系の一部不具合もあり、完全な形成位置制御までには至っていないが、ヘテロ接合NWのいくつかで確認された、NW中間位置におけるNC形成部でのNWの屈曲に関する実験的知見を得た。走査型電子顕微鏡による構造評価を鋭意推進し、NCの形成温度に依存して生じる屈曲方向の変化から、NCの形成初期過程に関する知見を得た他、磁気力顕微鏡による磁区構造の外部印加磁場依存性評価の結果、NC形状によりその磁化方向を制御可能であるとの指針を得た。また、Arガスエッチングによる自然酸化膜除去等、1本の横倒しNWの電極形成プロセス技術についてもほぼ確立した。さらに、計画通り海外研究協力先との連携を推進し、磁気抵抗効果・磁気輸送特性評価等、1本の横倒しNWの磁気物性評価を実際に複数回実施できたため、おおむね順調に進展していると判断する。ただし、母体であるInAs半導体NW単体における磁気抵抗効果の角度依存性特性や、MnAs強磁性体NCを含むMnAs/InAsヘテロ接合NWにおける負の磁気抵抗効果等に関して、大変興味深いが複雑な物理現象を示唆する測定結果を得ており、追加実験の計画等を含め、その物性解明に時間を要している。
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| 今後の研究の推進方策 |
母体であるInAs半導体NW単体および、MnAs強磁性体／InAs半導体ヘテロ接合NWの磁気抵抗効果・磁気輸送特性評価に関しては、測定するNWのサンプル数を増やすことで、異なるサイズのNWサンプル等の測定を通じた、より信頼性の高い評価結果から、複雑な物理現象の解明を目指す。そのため、引き続き海外研究協力先との連携を鋭意継続することで物理現象解明を進め、学術論文発表等も積極的に推進する。NCの完全な形成位置制御に関しては、InAs半導体NWの内部に存在する回転双晶の位置あるいは回転双晶の粗密とNC形成位置との相関関係を評価する適切な手法の確立自体が困難であることが予想されるため、初年度の実験で得られたNWの屈曲評価の結果等と合わせて、形成メカニズム解明を進める予定である。また、これまで述べたNWと異なる材料系であるが、InAsP量子ドットを内包するInP半導体NWでは、InAsP量子ドットからの単一光子発光に係るフォトルミネセンス測定の結果を得ており、これらの測定結果を踏まえて、量子ドットを内包するpn接合NWの作製を進める予定である。1本の横倒しNWの電極形成プロセスでは、非磁性金属であるAu／Ti電極を用いてきたが、NWへのスピン偏極電流注入の実現に向け、CoFe／MgO等、強磁性体トンネル障壁電極の材料・構造検討を進めたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究ではヘテロ接合ナノワイヤの結晶成長に有機金属気相成長装置を用いる。結晶成長装置での原料ガス供給に水素をキャリアガスとして用いるため、圧縮水素ボンベを消耗品として購入するが、水素供給装置の構造上（ボンベ8本立てで4本ずつ使用）、1回の交換でボンベ4本を交換する。年度内最後の交換用圧縮水素ボンベ4本分の購入では、一部当予算で賄えず、3本分のみの支出となったため、残額を次年度使用額に繰り越すこととなった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度以降も、原料ガス供給用のキャリアガスである圧縮水素ボンベは、結晶成長装置の消耗品として必需品のため、残額を含めた次年度予算の多くは、原料ガスや化学薬品類を含む消耗品の購入に充てる予定である。強磁性体の磁区構造評価に用いる磁気力顕微鏡（MFM）の使用頻度にもよるが、消耗品であるMFM用プローブ（探針）が不足した場合、その購入も計画する。また、研究成果発表や最新の研究動向調査等のため、国際会議への出張旅費と会議参加登録費への支出も予定している。
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