| 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（NW）技術よる新奇のNW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NW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NW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NWの構造評価、強磁性体ナノクラスタ（NC）の磁区構造評価、母体となる半導体NWの磁気輸送特性評価および強磁性体トンネル障壁電極の検討等を中心に研究を推進した。
海外研究協力先との連携による磁気輸送特性評価のため、作製した縦型NWを根元から機械的に剥離後、別のSiO2/Si(111)基板上に横倒した試料を用いて実験を行った。母体となるInAs単体のNWでは電流と磁場方向の角度に依存した磁気抵抗効果を示し、その温度依存性の知見を得たが、NW中の電子散乱を議論する十分な測定データが得られておらず、系統的なメカニズム構築に向け、試料数を増やして実験を行った結果、NWの表面状態が電子の散乱に大きく寄与しているとの知見を得た。また磁気力顕微鏡による磁区構造評価では、別にSi(111)基板上に選択形成した強磁性体NCを用いて、磁区・磁壁とNCの面積・厚さとの関係を評価し、NC面積30,000nm2以下で単磁区であり、比較的大面積で2つの磁区を持つNCでは実際にブロッホおよびネール磁壁を持つと考えられる観察結果を得た。さらに北陸先端大との新たな連携により、スパッタ装置を用いたCoFe(10nm)/MgO(1nm)/CoFe(5nm)トンネル障壁薄膜の堆積と磁化率測定（@4K及び300K）を行った。強磁性体CoFe多結晶膜の冷却過程における磁区の磁化方向に依存すると考えられるヒステリシス曲線を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
第2年度の目標であった量子ドット内包半導体コア・シェル型ナノワイヤ（NW）と強磁性体積層構造の作製については、当初計画のコア・シェル型および縦型pn接合NWの作製技術の確立には至っていないが、新たな研究協力先を開拓し連携を進めることにより、初年度後に今後の研究の推進方策で計画した通り、CoFe/MgO系強磁性体トンネル障壁薄膜電極に関する検討を実際に進めることができた。また当初計画の通り、海外研究協力先に研究滞在し、磁気抵抗効果・磁気輸送特性評価に関する連携を引き続き積極的に推進した。磁気抵抗効果の角度依存性特性・温度依存性等、1本の横倒しNWの磁気輸送特性評価に関するデータを蓄積することで、母体となるInAs半導体NW中の電子輸送・散乱がNWの表面状態に大きく影響しているとの知見を得ており、研究成果の学術論文発表を現在準備している。ただし、MnAs強磁性体ナノ構造を含む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は、これまで得られた複雑な物理現象を解明するため、さらなる追加実験を海外研究協力先との間で計画しており、未だ1次元メゾスコピック系物性物理の解明に時間を要している。最終目標達成のために必要な実験データの取得を優先し、現在までに多くの重要な知見が得られているものの、pn接合コア・シェル型NWの作製と特性評価および縦型NWデバイスプロセスの検討等、当初目標への到達度という観点からは、やや遅れていると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
第2年度で検討した強磁性体トンネル障壁電極構造を実際に用いて、ナノワイヤ（NW）へのスピン偏極電流注入を早期に実証することを目指す。まずはこれまで検討してきたCoFe/MgOと共にFe/AlOx等、有望な強磁性体トンネル障壁電極を1本の横倒しNW上に形成し、トンネル障壁電極の磁化方向等に起因した1次元磁気輸送特性に関する知見を得たい。NWを絶縁膜で埋め込んだ後、電極を形成する部分のみNWを再度露出させ、トンネル障壁薄膜電極を平坦に形成するデバイスプロセスを確立する必要があるが、これまでの非磁性金属Au/Ti電極形成プロセスの知見を活かし、ドライエッチング条件等の最適化を進める。これらに関しては、第2年度に初めて実施した北陸先端大との連携に加え、期初からこれまで積極的に進めてきた海外研究協力先との連携を引き続き鋭意推進することで効率的に実施する。さらにこれら強磁性体トンネル障壁電極に関する知見と共に、InAsP量子ドットを内包するInP半導体NWに対して得られた、InAsP量子ドットからの単一光子発光に係る知見を基に、pn接合コア・シェル型NW発光ダイオードの作製と、スピン偏極電流注入によるエレクトロルミネセンス特性評価を目指す。当初計画の通り、具体的には、縦型NWスピン発光ダイオード上のMnAs強磁性体ナノ構造の有無によるスピン偏極率依存性の測定を実施する計画であるが、これらに関しては、これまで実績のある学内研究協力先との連携により研究を推進する。
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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。装置運用の当初見込みよりも少ない交換回数で済んだため、残額を次年度使用額に繰り越すこととなった。次年度も、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、残額を含む次年度予算の多くはキャリアガス等の消耗品購入に充てる予定である。スピン偏極電流注入に用いるCoFe/MgO/CoFe等のトンネル障壁電極の磁区構造評価は磁気力顕微鏡によるが、消耗品である高分解能プローブ（探針）が次年度不足した場合、その購入（10本1組27万円）も計画する。また、多くの研究成果発表が期待される次年度は、特に国際会議出張旅費と会議参加登録費、学術論文発表等に重点的な支出を予定している。
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