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半導体をベースとした磁気光学結晶の開発とデバイス応用

研究報告コード R070000048
整理番号 R070000048
掲載日 2008年4月11日
研究者
  • 田中 雅明
研究者所属機関
  • 東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻
研究機関
  • 東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻
報告名称 半導体をベースとした磁気光学結晶の開発とデバイス応用
報告概要 光エレクトロニクスや高速電子デバイスの主材料であるIII-V族化合物半導体をベースとした磁気光学結晶(半導体磁気光学結晶)を開発し、その作製技術を確立し、光物性・磁気光学物性を制御することによって、未来の高度情報通信・光ネットワークシステムに役立つ新機能デバイスを試作することを目的として研究を行った。研究対象とする物質系は、①GaAs等の化合物半導体中にMnAs等の強磁性金属ナノ・クラスターが埋め込まれた半導体/磁性金属ナノクラスター材料とそのヘテロ構造・多層膜②GaMnAsやInGaMnAs等のIII-V族ベースの磁性混晶半導体、磁性元素のデルタドーピングとその量子ヘテロ構造③強磁性金属(MnAs)/III-V族化合物半導体から成るハイブリッドヘテロ構造でいずれも本研究者らが分子線エピタキシー(MBE)を用いて作製し研究開発中の新物質である。本研究では、①②の物質系を主に(③は補足的に)用いて、従来の非磁性半導体では不可能であった、ファラデー効果やカー効果など、光の非相反性がもたらす巨大な磁気光学効果をもつ「半導体磁気光学結晶」を実現し、エピタキシャル成長とバンドエンジニアリング、光波エンジニアリングの手法をフルに活用することによってその物性機能を設計・制御することを目指した。
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研究分野
  • 電気光学効果,磁気光学効果
  • 半導体の結晶成長
  • 固体デバイス
関連発表論文 (1) S. Ohya, H. Shimizu, Y. Higo, J. M. Sun and M. Tanaka, "Growth and properties of quaternary alloy magnetic semiconductor (InGaMn)As", Jpn. J. Appl. Phys. 41. L24-L27 (2002).
(2) A. M. Nazmul, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Transport Properties of Mn delta-doped GaAs and the effect of selective doping", Appl. Phys. Lett. 80, pp. 3120-3122 (2002).
(3) M. Tanaka, <Invited paper> "Semiconductor-Based Magnetic Heterostructures for Spin Electronics", Proc. of the 2002 Asia-Pacific Workshop on Fundamental and Application of Advanced Semiconductor Devices (AWAD2002), pp.271-276, paper ED2002-172. SDM2002-122, Sapporo, Japan, July 2002.
(4) M. Tanaka <Invited paper>, "Ferromagnet (MnAs) / III-V Semiconductor Hybrid Structures", Special Issue on Semiconductor Spintronics, Semiconductor Science and Technology 17, No.4, pp. 327-341 (2002).
(5) H. Shimizu aud M. Tanaka, "Quantum size effect and ferromagnetic ordering in ultrathin GaMnAs/AlAs heterostructures", J. Appl. Phys, 91, pp.7487-7489 (2002).
(6) M. Tanaka and Y. Higo <Invited paper>, "Tunneling magnetoresistance in GaMnAs/AlAs/GaMnAs ferromagnetic semiconductor heterostructures", Physica E13, pp.495-503 (2002).
(7) H Shimizu and M Tanaka, "Magneto-optical properties of a Si-doped GaAs:MnAs based magneto-photonic crystal operating at 1.55 micron", Physica E13, pp.597-601 (2002).
(8) H. Shimizu and M. Tanaka, "Design of semiconductor-waveguide-type optical isolators using the non-reciprocal loss/gain in the magneto-optical waveguides having MnAs nanoclusters", Appl. Phys. Lett. 81, pp.5246-5248 (2002).
(9) 清水大雅、田中雅明 "III-V族半導体中に形成されたMnAsナノクラスター構造の磁気光学効果と半導体導波路型光アイソレータへの応用" 、電気学会マグネティックス研究会資料 MAG-02-30, pp.11-15, 東北大学電気通信研究所、2002年3月14日-15日.
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(11) H. Shimizu and M. Tanaka, "Design of semiconductor-waveguide-type optical isolators using the non-reciprocal loss/gain in the magneto-optical waveguides having MnAs nauoclusters", Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, Volume 7, Issue 1 , January 6, 2003. http://www.vjnano.org/
(12) G. Mahieu, P. Condette, B. Grandidier, J.P. Nys, G. Allan, D. Stievenard, Ph. Evert, H. Shimizu and M. Tanaka, "Compensation Mechanisms in Low-temperature Grown CaMnAs Investigated by Scanning Tunneling Microscopy", Appl. Phys. Lett. 82, pp.712-714 (2003).
(13) S. Sugahara and M. Tanaka, "Epitaxial Growth and Magnetic Properties of MnAs/AlAs/MnAs Magnetic Tunnel Junctions on Exact (111)B GaAs Substrates: the Effect of a Ultrathin GaAs Buffer Layer", J. Cryst. Growth 251, pp.317-322 (2003).
(14) A. M. Nazmul, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Structural and Transport Properties of Mn-delta-doped CaAs", J. Cryst. Growth 251, pp.303-310 (2003).
(15) M. Tanaka <Invited paper> "Spin-polarized Tunneling in Fully Epitaxial Semiconductor-based Magnetic
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(16) S. Ohya, H. Yamaguchi, and M. Tanaka, "Properties of Quaternary Alloy Magnetic Semiconductor (InGaMn)As Grown on InP", Journal of Superconductivity; Incorporating Novel Magnetism 16, pp. 139- 142 (2003).
(17) A. M. Nazmul, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Ferromagnetism and High Curie Temperature in Semiconductor Heterostructures with Mn-delta-doped GaAs and p-type Selective Doping", Phys. Rev. B67, pp.241308(R) 1-4 (2003).
(18) A. M. Nazmul, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Transport Properties and High Curie Temperature (172 K) of Mn-delta-doped GaAs with Selective p-type Doping", Physics of Semiconductors 2002, Proceedings of the 26th International Conference on The Physics of Semiconductors (ICPS26, Edinburgh, UK, July 29 -August 2, 2002), Institute of Physics Conference Series Number 171 (IoP, Bristol, UK), Edited by A. R. Long, J. H. Davies, paper E4.2.
(19) K. Ueda, H. Shimizu, and M. Tanaka, "Magneto-Optical Kerr Effect of Semiconductor-based Multilayer Structures Containing a GaAs:MnAs Granular Thin Film", Jpn. J. Appl. Phys. 42, L914-L917 (2003).
(20) S. Ohya, H. Kobayashi, and M. Tanaka, "Magnetic properties of heavily Mn-doped quaternary alloy magnetic semiconductor (InCaMn)As grown on InP", Appl. Phys. Lett. 83, pp.2175-2177 (2003).
(21) A. M. Nazmul, S. Kobayashi, S. Sugahara and M. Tanaka, "Electrical and optical control of ferromagnetism in III-V semiconductor heterostuctures at high temperature (~100 K)", Jpn. J. Appl. Phys. 43, pp.L233-L236 (2004).
(22) A. M. Nazmul, S. Kobayashi, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Control of Ferromagnetism in Mn Delta-doped GaAs-based Heterostructures", Physica E21, pp.937-942 (2004).
(23) S. Ohya, H. Kobayashi, and M. Tanaka, "Magnetic Properties and Curie Temperature (~130 K) of Heavily Mn-doped Quaternary Alloy Ferromagnetic Semiconductor (InGaMn)As Grown on InP", Physica E21, pp.975-977 (2004).
(24) R. Nakane, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Epitaxial growth and magnetic properties of MnAs/NiAs/MnAs spin-valve trilayers on GaAs(001) substrates", Physica E21, pp.991 -995 (2004).
(25) T. Ogawa, Y. Shuto, K. Ueda, and M. Tanaka, "Photo induced anomalous Hall effect m GaAs MnAs granular films", Physica E21, pp. 1041-1045 (2004).
(26) O. Rader, C. Pampuch, A. M. Shikin, W. Gudat, J. Okabayashi, T. Mizokawa, A. Fujimori, T. Hayashi, M. Tanaka, A. Tanaka, A. Kimura, "Resonant photoemission of Gal-xMhxAs at the Mn L edge", Phys. Rev. B69, pp. 075202/1-7 (2004).
(27) R. Nakane, S. Sugahara and M. Tanaka, "Effect of post-growth annealing on the morphology and magnetic properties of MnAS thin films grown on GaAs(001) substrates", J. Appl. Phys. 95, pp.6558-6561 (2004).
(28) M. Yokoyama, H. Yamaguchi, T. Ogawa, and M. Tanaka, "Zine-Blende-type MnAs nanoclusters embedded in GaAs", submitted to J. Appl. Phys.
(29) M. Tanaka <Invited paper>, "Spintronics: Recent Progress and Tomorrow's Challenges", J, Crystal Growth, to be published.
(30) R. Nakane, J. Kondo, M. W. Yuan, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Growth and magnetic properties of epitaxial metallic MnAs/NiAs/MnAs heterostructures grown on exact GaAs(111)B substrates", J. Crystal
Growth, to be published.
(31) A. M. Nazmul, T. Amemiya, Y. Shuto, S. Sugahara, and M. Tanaka, "High Temperature Ferromagnetism in GaAs-based Heterostructures with Mn delta Doping", submitted.
(32)田中雅明「スピンエレクトロニクス 半導体と磁気体の一体化に挑む 原子レベルのものづくりで新領域」、 Science and Technology Journal, 2002年5月号,pp.22-23.
(33)田中雅明「強磁性半導体ヘテロ接合におけるトンネル磁気抵抗」固体物理 vol.37(11),pp.853-860(2002).
(34) M. Tanaka, "A New Spin on Semiconductors -New Technology-", Look Japan Vol.48,pp.28-29, December 2002. University of Tokyo associate professor Tanako Masaaki describes the revolutionary advances his lab has made in spin electronics research.
(35) 田中雅明、アーサンナズムル、菅原聡、「磁性元素を含むIII-V族半導体ヘテロ接合:磁気輸送特性と強磁性制御」、マテリアルインテグレーション2003年9月号(特集:スピントロニクス)vol.16,No.9,pp.5-10(2003).
(36) 田中雅明「半導体スピントロニクス」応用物理学会スピンエレクトロニクス研究会入門セミナーテキスト pp.51-58, 2003年12月19日.
(37) 田中雅明「MnデルタドープGaAsを含む強磁性半導体ヘテロ構造:Tcの上昇と磁性制御」日本応用磁気学会誌、 Vol. 28 No.2, pp. 66-71 (2004).
(38) 田中雅明「半導体スピンエレクトロニクス-現状と展望」応用物理 73巻 第4号基礎講座<スピンエレクトロニクス>pp.508-5 17 (2004).
(39) 田中雅明「第15章 半導体をベ-スとしたヘテロ構造-強磁性転移温度と磁性制御-」『スピンエレクトロニクスの基礎と最前線』 pp.184-198, シーエムシー出版 2004年6月発行.
(40) 田中雅明「半導体スピントロニクス」、『ナノマテリアルハンドブック』 第5章第5節 エヌティーエス 2004年11月発行予定.
(41) 田中雅明「磁性半導体材料」、『電子材料ハンドブック』 5.6.4節 朝倉書店(印刷中).
(42) 日本工業新聞(2002年1月1日掲載)"創意の種子で、科学技術創造立国へ" 新春座談会 尾身大臣 vs. 先端技術大賞受賞者 尾身幸次、田中雅明、増田幸一郎、小西史一
(43) "夢に向かって- 'さきがけ研究21' 研究者に聞く 半導体と磁性体を一本化 東京大学工学系研究科 田中雅明助教授" 、化学工業日報 20000号記念特集号 2002年11月18日掲載.
(44) Scientific American, pp.30-31, March 2003, "Getting Warmer MAGNETIC SEMICONDUCTORS REACH HIGHER TEMPERATURES". In late 2002 Masaaki Tanaka and his co-workers at the University of Tokyo reported that applying a relatively simple annealing process to manganes-doped gallium arsenide boosted its maximum working temperature (known as the Curie temperature) as high as 172 kelvins. That is still far below room temperature, but the result constitutes "a genuine milestone," according to spintronics expert David D. Awschalom of the University of California at Santa Barbara.
(45)ますますホット、磁性半導体:これまでは極低温でしか働かなかったが、日本の研究チームなどが目覚ましい改善を成し遂げた 日経サイエンス、2003年5月号 p16.
(46) 日経サイエンス、2003年7月号 ひらめきの瞬間(21世紀の担い手たち)No.55整列! スピントロニクス 田中雅明 東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻助教授 http://www.nitto.co.jp/company/culture/ad/science/science_55/
(47) 172Kで強磁性示す 東大、半導体構造作製に成功 新たなデバイスへ道 日刊工業新聞 2003年10月16日(33面)
(48)) 零下101度でも「強磁性」東大、高速半導体使い実現 日経産業新聞 2003年10月24日(6面)
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(50) M. Tanaka , "Semiconductor-Based Magnetic Heterostructures for Spin Electronics", 2002 Asia-Pacific Workshop on Fundamental and Application of Advanced Semiconductor Devices (AWAD-2002), July I -3, 2002 Hokkaido University, Sapporo, Japan
(51) M. Tanaka , "Spin-polarized Tunneling in Fully Epitaxial Semiconductor-based Magnetic Tunnel Junctions", 2nd International Conference on the Physics and Application of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PAPSPS 2002), paper L1 , Wuerzburg, Germany. July 23-26, 2002.
(52) M. Tanaka , "High Ferromagnetic Transition Temperature (172K) in Mn-delta-doped CaAs Heterostructures with p-type Selective Doping", 10th International Advanced Heterostructure Workshop, the Big Island of Hawaii, December 1-6, 2002.
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(58) M. Tanaka , "Ferromagnetic heterostructures for semiconductor spintronics", Japan-US Workshop on Frontiers of Nanoscale Science and Technology, Komaba, University of Tokyo, July 10-12, 2003.
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(65) A. M. Nazmul, T. Amemiya, S. Sugahara, and M. Tanaka, "Ferromagnetism in Semiconductor-based Heterostructures", International Conference on Physics for Understanding and Applications, Auditorium BUET, Dhaka, Bangladesh, 22-24 February, 2004.
(66) M. Tanaka , "Ferromagnetic heterostructures for spintronics", International Symposium on Mesoscopic Superconductivity and Spintronics 2004 (MS+S2004), NTT Basic Research Laboratories Atsugi, Kanagawa, March 1-4, 2004.
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(68) M. Tanaka , "Nanospintronics Design and Realization", International Conference on Nanospintronics Design and Realization (ICNDR), 24-28 May, 2004.
(69) M. Tanaka <Plenary talk>, "Spintronics: Recent Progress and Tomorrow's Challenges", International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE2004), Edinburgh, UK, August 22-27, 2004.
(70) M. Tanaka , M. Tanaka, S. Sugahara, and A. M. Nazmul, "Magnetic Semiconductors and Heterostructures for Spin Electronics", The First Asia Forum on Magnetics, Okinawa Convention Center, Ginowan, Okinawa, Japan, September 21-24, 2004.
(71) M. Tanaka and S. Sugahara, "Spin-polarised metal-oxide-semiconductor field-effect transistor and reconfigurable logic design", 7th Oxford-Kobe Materials Seminar on Spintronic Materials and Technology, Kobe Institute, September 2-4, (2004).
(72) M. Tanaka, "Spintronics Materials and Devices", International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM-2004), Rump Session B 'Challenges of Spintronics: from basic physics to nanoscale devices', Tokyo, September 15-17, 2004.
(73) M. Tanaka, "Ferromagnetic Semiconductor Heterostructures for Spintronics". Advanced Heterostructure Workshop, the Big Island of Hawaii, December 5-10, 2004.
(74) M. Tanaka, "Ferromagnetic Semiconductor Heterostructures and Devices for Spintronics", Spintronics tutorial session at the American Physical Society March Meeting, Los Angeles, March 20-25, 2005.
(75) M. Tanaka, "Heterojunction Engineering of Semiconductor Ferromagnetism" (suggested title), American Physical Society March Meeting, Los Angeles, March 20-25, 2005.
(76) M. Tanaka and S. Sugahara (Invited), "Spin devices for integrated circuits", International Magnetics Conference (Intermag 2005), Nagoya Congress Center, April 4-8, 2005 .
研究制度
  • 戦略的創造研究推進事業 さきがけタイプ(旧若手個人研究推進事業を含む)/光と制御
研究報告資料
  • 田中 雅明. 半導体をベースとした磁気光学結晶の開発とデバイス応用. さきがけライブ2004 ナノテクノロジー分野合同研究報告会 「光と制御」領域 講演要旨集(1期生)(研究期間2001-2004), 2005. p.78 - 91.

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