室温スピン注入を実現するInPベーススピントロニクス

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25390052
• 研究機関: 長岡技術科学大学
• 研究代表者: 内富 直隆 長岡技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20313562)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 半導体スピントロ二クス

研究実績の概要

本年度は、InPベーススピントロ二クスデバイスを実現するために、プロトタイプとして、InP基板に格子整合する半導体薄膜であるAl0.48In0.52As,　Ga0.47In0.53Asについて、ZnSnAs2薄膜とMn添加ZnSnAs2薄膜とのヘテロエピタキシャルを検討しInAlAs/ZnSnAs2:Mn構造の磁性量子井戸構造(ＭＱＷ)の作製を試みた。
InP基板上に低温分子線エピタキシー法(MBE)によって成長したZnSnAs2緩衝層およびInAlAs層について、高分解能X線回折パターン(HR-XRD)によって結晶構造を調べた。このHR-XRDで現れたフリンジパターンはZnSnAs2薄膜に起因するもので、良好な結晶性と界面状態を示している。さらに、断面透過型電子顕微鏡(TEM)によってZnSnAs2/InP上に成長した260nm厚のInAlAs層について,電子ビームを<110>InP方向から入射した断面観察を行った。このTEM像からInAlAsはZnSnAs2緩衝層にエピタキシャル成長しているが、あわせて貫通転位も見られる。InP/ZnSnAs2ヘテロ界面近傍のTEM像から界面層は非常に急峻でありフラットネスも良好であることが確認できた。次に、InAlAs/ZnSnAs2/InAlAsＱＷとInAlAs/ZnSnAs2:Mn/InAlAsＭＱＷのTEM像を調べた。InAlAs層は25nm、ZnSnAs2:Mn層のMn組成比は3%であり、InP基板側から4,6,9nmと膜厚を変えた。これらのTEM観察からMnAsなどの２次相は観測させず、良好なＱＷが実現されていることが確認できた。低温MBE成長でIII-V族半導体とII-IV-V2族半導体のヘテロエピタキシャル界面が良好に成長することを確認でき、ZnSnAs2:Mnからなる新たなエピタキシャル結晶工学技術の一端を構築できた。

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

ＺｎＳｎＡｓ２：Ｍｎ薄膜をＩｎＰベーススピントロ二クスデバイスに適用するためには、基本構造となる量子井戸構造などの作製が必要である。ＩｎＰ基板上で格子整合して結晶成長できるＩＩＩ－Ｖ族半導体のＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓと量子ナノ構造の作製を行った。分子線エピタキシーを用いて積層構造を作製する結晶成長条件については最適化されていないが、基本的な量子ナノ構造を作製できることを検証することができた。一方、ＺｎやＳｎがＩＩＩ－Ｖ族半導体ではドーパントとなるために、伝導性に影響することが予想される。特にＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さく伝導性がｐ型になる傾向がある。一方、ＩｎＡｌＡｓはバンドギャップが大きいことからＺｎＳｎＡｓ２とのヘテロ構造が安定であると考えられる。このような観点から、さらに結晶成長条件の最適化を検討する。このように研究の進捗はおおむね順調に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

研究の推進方向として、（１）ＺｎＳｎＡｓ２：Ｍｎ薄膜の強磁性発現のメカニズムの解明、（２）ＩｎＰベーススピントロ二クスデバイスへの展開を重点としている。強磁性半導体の発現メカニズムについては、蛍光Ｘ線ホログラムや電子線ホログラムを用いた局所構造に関する共同研究により解明を継続する。また、昨年から進めている３次元アトムプローブ法を用いた原子分布に関する研究については、引き続き解析を進めＭｎの局所分布などを明らかにし、Ｍｎを含むＺｎＳｎＡｓ２のコヒーレントクラスター磁性半導体の構造検証を進める。スピントロニクスデバイスへの応用については、スピン偏極注入を検証するために電極パターン形成などを行い、スピン注入実験を進めることを計画している。

次年度使用額が生じた理由

納品された物品の支払いが遅れている会計上の理由により次年度に繰り越されたもの。

次年度使用額の使用計画

平成２７年度に消耗品購入の一部として使用予定。

研究成果

• [雑誌論文] 2.Inhomogeneous distribution of manganese atoms in ferromagnetic ZnSnAs2:Mn thin films on InP revealed Three-Dimensional Atom Probe investigation (2015)
  • 著者名/発表者名: Naotaka Uchitomi, Hiroaki Inoue., Takahiro Kato, Hideyuki Toyota., and Hiroshi Uchida,
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 17B905-1-4
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 1.Preparation of thermoelectric Si:B/SiGe multilayer structures on quartz glasses by RF-magnetron sputtering with layer-by-layer annealing methods (2014)
  • 著者名/発表者名: Takuya Ookura, Hideyuki Toyota, Masatoshi Takeda, Toshio Kambayashi, Naotaka Uchitomi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 53 ページ: 087102-1-5
  • 査読あり
• [学会発表] Characterization of Ferromagnetic Semiconductor ZnSnAs2:Mn Thin Films using Laser-assisted Three-dimensional Atom Probe Technique (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Inoue, T.Kato, H.Toyota, H.Uchida and N.Uchitomi
  • 学会等名: The 19th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
  • 発表場所: Tokyo JAPAN
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-16
• [学会発表] Structural and Magnetic Properties of InMnAs Thin Films grown by Low-temperature Molecular Beam Epitaxy on InP (001) Substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshizawa, S.Hayashi,T. Kato, H. Toyota and N. Uchitomi
  • 学会等名: 19th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
  • 発表場所: Tokyo JAPAN
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-16
• [学会発表] Inhomogeneous distribution of manganese atoms in ferromagnetic ZnSnAs2:Mn thin films on InP revealed by Three-Dimensional Atom Probe investigation (2014)
  • 著者名/発表者名: N.Uchitomi., H.Inoue., T.Kato., H.Toyota., H. Uchida
  • 学会等名: The 59th Annual Magnetism and Magnetic Materials (MMM) Conference
  • 発表場所: Hawaii USA
  • 年月日: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [学会発表] Characterization of Ferromagnetic ZnSnAs2:Mn Thin Films using Laser-assisted Three-dimensional Atom Probe Technique (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Inoue, T.Kato, H.Toyota, H.Uchida and N.Uchitomi
  • 学会等名: 19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
  • 発表場所: Niigata, JAPAN
  • 年月日: 2014-09-01 – 2014-09-05
• [学会発表] Growth of Ferromagnetic InMnAs Thin Films by Low-temperature Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates, (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Yoshizawa, T.Kato, H.Toyota and N.Uchitomi
  • 学会等名: 19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
  • 発表場所: Niigata JAPAN
  • 年月日: 2014-09-01 – 2014-09-05
• [学会発表] Low-temperature heteroepitaxial growth of InAlAs layers on ZnSnAs2/InP(001), (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Oomae, A. Suzuki, H. Toyota, S. Nakamura, N. Uchitomi
  • 学会等名: 19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
  • 発表場所: Niigata JAPAN
  • 年月日: 2014-09-01 – 2014-09-05
• [学会発表] Growth and Characterization of III-group element doped ZnSnAs2 Thin Films on InP substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kato, T.Uchiyama, H.Toyota, and N.Uchitomi,
  • 学会等名: 19th International Conference on Ternary and Multinary Compounds
  • 発表場所: Niigata JAPAN
  • 年月日: 2014-09-01 – 2014-09-05
• [学会発表] Room-Temperature Ferromagnetic InMnAs Thin Films Grown by Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: H.Yoshizawa, T.Kato, H.Toyota and N.Uchitomi
  • 学会等名: 12th RIEC International Workshop on Spintronics
  • 発表場所: Sendai, JAPAN
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
• [図書] Chemical Research and Applications, Chalcopyrite, Chemical Composition, Occurrence and Uses (2014)
  • 著者名/発表者名: J.T.Asubar, H.Oomae, N.Uchitomi
  • 総ページ数: 42
  • 出版者: Nova Science Publishers, Inc