半導体-磁性体複合ナノ構造における光スピン注入と輸送

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450002
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 岡 泰夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (60013520)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高橋 昌明 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (80006147) ; 村山 明宏 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (00333906)
• Keywords: スピン注入 / 半導体 / 磁性半導体 / 磁性体 / スピンエレクトロニクス / ナノ構造 / リソグラフィー / フォトルミネッセンス

Research Abstract

本研究は、II-VI族半導体と磁性体を素材として、量子細線、量子ドット、量子井戸などを組合せた「複合ナノ構造」を作製し、この複合構造における光励起による電子スピンの輸送、注入、スピン制御を研究することにある。「スピン輸送」、「スピン注入」は、物質内に光や電流により電子スピンを偏極して生成させ、この電子スピン状態を保存したまま輸送し、別の場所に注入させることである。この現象は、電子のスピン状態により作動するスピントランジスターなどの将来の「スピンエレクトロニクス」の基礎物性技術として重要である。複合ナノ構造の素材としては、Cdte、CdSe、ZnTe、ZuSeなどのII-VI族半導体とMn、Coなどの磁性体、またこれらの磁性イオンを含む磁性半導体を用いた。特に光励起により、磁性イオンを含む層にスピンを偏極させた電子正孔対を生成させ、これらの電子正孔をナノ構造の中を電界や磁界、濃度勾配により輸送し、他の場所にある量子井戸へ注入する手法を確立した。また磁性体薄膜により、電子スピンの向きを変調させ電子スピン状態の制御を試みている。
半導体-磁性体複合ナノ構造は、分子線エピタキシー法によりCdTe系、CdSe系、ZnSe系の二次元量子井戸およびMn、Co系磁性層を結合させて、格子整合性のよいCdSe/Zn_<1-y>Cd_ySe、ZnSe/Zn_<1-y>Mg_ySe系井戸および磁性層を含む量子井戸を作製し、量子井戸の井戸幅、障壁層幅および格子不整性を、X線回折により評価した。熱電界放射型の電子線描画装置により、設計仕様の量子ドット井戸、量子細線を描画し、20nmのナノ構造を作製した。また、加工精度が優れている「ドライエッチング法」と、結晶への損傷は少ない「ウエットエッチング法」を併用して、加工損傷が少なく光学特性の劣化がない極微細加工技術を確立している。
これらの磁性半導体ナノ構造に起きる励起子のスピンダイナミクスと、スピン緩和現象を、フェムト秒パルスレーザーを用いたフォトルミネッセンス時間分解分光を行い明らかにした。

Research Products

• [Publications] M.Nogaku, J.X.Shen, R.Pittini, T.Sato, Y.Oka: "transient-Level Crossing of Free and Bound Excitonic Magnetic Polarons in Cd_<1-x>Mn_xTe Single Crystals"Physical Review B. 63. 153314-1-153314-4 (2001)
• [Publications] Z.H.Chen, M.C.Debnath, K.Shibata, t.Saitou, T.Sato, Y.Oka: "Modification of Exchange Interaction Parameters by Wire Width in Cd_<0.95>Mn_<0.05>Te/Cd_<0.90>Mg_<0.10>Te Quantum Wires"Journal of Applied Physics. 89・11. 6701-6703 (2001)
• [Publications] K.Kayanuma, E.Shirado, M.C.Debnath, I.Souma, Z.Chen, Y.Oka: "Spin Transport Dynamics of Excitons in CdTe/Cd_<1-x>Mn_xTe Quantum Wells"Journal of Applied Physics. 89・11. 7278-7280 (2001)
• [Publications] K.Kayanuma, E.Shirado, M.C.Debnath, I.Souma, S.Permogorov, Y.Oka: "Tunneling of Spin Polarized Excitons in Double Quantum Wells of Cd_<1-x>Mn_xTe and CdTe"Physical E. 10. 295-299 (2001)
• [Publications] J.X.Shen, R.Pittini, Y.Oka: "Strong Anti-Stokes Photoluminescence of GaAs Free Excitons in GaAs/Ga_<1-x>Al_xAs Heterojunctions"Physical Review B. 64. 195321-1-195321-4 (2001)
• [Publications] M.C.Debnath, I.Souma, M.Takahashi, T.Sato, R.Pittini, F.Sato, M.Tanaka, Y.Oka: "Excitonic Properties of Cd_<1-x>Mn_xTe Quantum Wells Grown by Molecular Beam Epitaxy"Journal of Crystal Growth. 229. 109-113 (2001)
• [Publications] 岡 泰夫: "ナノマテリアルの最新技術(シーエムシー):小泉他編"ナノコンポジットによる新機能付与-スピンエレクトロニクス(半導体と磁性体の複合薄膜、希薄磁性半導体)-. 331 (2001)