スピン依存共鳴トンネル伝導現象とデバイスの研究

自旋相关共振隧道现象及器件研究

基本信息

批准号：
17656104
负责人：
田中雅明
金额：
$ 2.24万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2007
项目状态：
已结题

项目摘要

強磁性半導体量子ヘテロ構造においては、量子サイズ効果によって様々な新しい機能が実現されると期待されている。しかし、今まで強磁性半導体ヘテロ構造における伝導特性の研究においては、明瞭な量子サイズ効果の観測は報告されてこなかった。我々は、強磁性半導体GaMnAsを量子井戸とする量子ヘテロ構造において、量子サイズ効果およびそれに起因したトンネル磁気抵抗効果(TMR)の振動現象を初めて明瞭に観測した。また、4・4Luttinger-Kohn k・p Hamiltonian、pd交換相互作用行列、およびトランスファー行列法を用いて、実験的に得られたGaMnAs量子井戸の量子準位を良く説明できることが分かった。MBE法を用いて、p-GaAs(001)基板上にGa0.95Mn0.05As(20 nm)/GaAs(1 nm)/A10.5Ga0.5As(4 nm)/GaAs(1 nm)/Ga0.95Mn0.05As(d nm)/GaAs(1 nm)/AlAS(4 nm)/Be:GaAs(100 nm)からなるGaMnAs量子井戸二重障壁ヘテロ構造を作製し、これらの素子において得られたd^2I/olV^2-V特性を測定した。すべての素子において、負のバイアス側、すなわち、正孔がp-GaAs基板から上部GaMnAs電極に向かって流れるバイアス側で、振動的な振る舞いが観測された。これらのピークは、量子井戸膜厚の増加に伴い、小さなバイアス側ヘシフトし、振動の周期は短くなっている。このような振動現象は、GaMnAs単一障壁磁気トンネル接合では見られなかった。従って、これらの振動は、GaMnAs量子井戸における量子サイズ効果に起因すると考えられる。これらの素子におけるTMRのバイアス依存性の測定を行ったところ、共鳴ピークに対応したバイアス電圧でTMRの増大が観測された。このように、本研究では、強磁性半導体ヘテロ構造において、量子サイズ効果とそれによるTMRの振動現象を初めて観測することに成功した。

在铁磁半导体量子异质结构中，有望通过量子尺寸效应实现各种新功能。然而，迄今为止，在铁磁半导体异质结构的传导特性研究中，尚未有关于量子尺寸效应的明确观察报道。我们首次在铁磁半导体GaMnAs制成的具有量子阱的量子异质结构中清楚地观察到量子尺寸效应及其引起的隧道磁阻效应（TMR）的振荡现象。我们还发现，使用4.4Luttinger-Kohn k.p哈密顿量、p-d交换相互作用矩阵和转移矩阵方法可以很好地解释实验获得的GaMnAs量子阱的量子能级。 Ga0.95Mn0.05As(20 nm)/GaAs(1 nm)/A10.5Ga0.5As(4 nm)/GaAs(1 nm)/Ga0.95Mn0 在 p-GaAs(001) 基板上使用 MBE 方法 .05As( d nm)/GaAs(1 nm)/AlAS(4 nm)/Be:GaAs(100我们制造了由 2 nm 组成的 GaMnAs 量子阱双势垒异质结构，并测量了这些器件中获得的 d^2I/olV^2-V 特性。在所有器件中，在负偏压侧观察到振荡行为，其中空穴从 p-GaAs 衬底流向上部 GaMnAs 电极。随着量子阱膜厚度的增加，这些峰值移动到较小偏置侧，并且振荡周期变得更短。在 GaMnAs 单势垒磁隧道结中没有观察到这种振动现象。因此，这些振荡被认为是由于 GaMnAs 量子阱中的量子尺寸效应造成的。当我们测量这些器件中 TMR 的偏置依赖性时，我们观察到在对应于谐振峰值的偏置电压下 TMR 有所增加。这样，在本研究中，我们首次成功观察到了铁磁半导体异质结构中的量子尺寸效应以及由此产生的TMR振荡现象。