研究課題別中間評価結果

１．研究課題名

ナノ構造磁性半導体の巨大磁気光学機能の創出

２．研究代表者名

岡　泰夫(東北大学　科学計測研究所　教授)

３．研究概要

　磁性イオンを含む磁性半導体のナノ構造を設計・作製し、次元性を十分に制御したナノ構造により発現される巨大磁気光学機能を創出することを目的とする。

　このため、磁性半導体のCd1-xMnxTe、Cd1-xMnxSe、Zn1-xMnxSeなどをベースとした量子井戸、量子細線、量子ドットを、分子線エピタキシー(MBE)法と電子線(EB)リソグラフィー法により作製する。これらのナノ構造に生じる磁性イオンと相互作用する電子や励起子の超高速スピンダイナミクス、磁気光学効果を解明し、この結果よりナノ構造磁性半導体の新しい巨大磁気光学機能について研究する。

４．中間評価結果

４−１．研究の進捗状況と今後の見込み

　当初の目標に沿って、MBEやEB描画装置など本研究の基盤となる大型実験装置の調整、整備などを進めてきて、Cd1-xMnxTe、Cd1-xMnxSe、Zn1-xMnxSeの二次元量子井戸、量子細線、量子ドットの磁性半導体ナノ構造が得られている。X線回折、原子間力顕微鏡などにより、これらの磁性半導体ナノ構造の結晶性、形状を評価した。また、電子状態、励起子と磁性イオンの相互作用とそのダイナミクスを、新たに構築した波長可変フェムト秒レーザを用いた超高速時間分解発光測定システムにより計測し、それぞれのナノ構造に起因した磁気光学特性を明らかにした。これらは、当初目標に沿った進捗である。ただし、形状、サイズ、位置などが制御できるナノ構造作製技術をさらに高めることが望まれる。光アイソレータ、新規な発光ダイオード、光スピンメモリーなどの応用の可能性が述べられているが、何かのデバイス機能を検証するのであるならば、具体的にアプローチ方法が提示され、実行に移される必要がある。

４−２．研究成果の現状と今後の見込み

　MBEによる量子井戸作製技術はかなりのレベルに達し、CdTe/Cd1-xMnxTe、(Cd1-xMnxTe/Cd1-yMgyTe、Cd1-xMnxTe/ZnTeおよびCd1-xMnxSe/Zn1-yCdySeが作製された。井戸構造に依存した光励起による励起子と磁性イオンによる励起子磁気ポーラロンの時間分解光物性ダイナミックスを観測し、磁場制御可能な井戸間の励起子トンネル効果などの観測に成功した。また、前記量子井戸をＥＢ描画することで26nmの線幅の量子細線を作製し、長さ方向に偏光した励起子発光を観測した。MBEによる原子層エピタキシー法とアニーリングを用いた自己組織化法で量子ドットを作製し、励起子発光の量子閉じこめ効果として、発光エネルギーのシフト及び発光寿命の大きな磁場依存性などを観測した。これらは、磁性半導体ナノ構造誘起の新規の磁気光学特性を観測した成果として評価される。しかし、“巨大”光学磁気光学機能と言うに値するほどの特筆すべき機能の発現とは言えない。この系の材料は特性制御の困難な材料であるが、MBEによる多層成長技術を駆使した量子井戸の作製にはかなりの成功を収めている。しかし、量子細線、量子ドットにおいてはＥＢリソグラフィー、自己組織化法によって形はできているが、結晶性、構造、サイズ、配置などの制御性は十分とは言えない。このあたりのナノ構造制御技術が進展すれば、より明確なナノ構造起因の磁気光学機能が明らかになることが見込まれる。

４−３．総合的評価

　研究代表者の研究室内で組織された研究チームで、目標に向けた努力が成されている。構造制御の困難な�U−�Y系磁性半導体で量子ナノ構造に起因したいくつかの磁気光学特性を見出しているのは評価される。しかし、インパクトの大きいユニークな成果とまでは行っていない。但し、この分野の研究は国内外でも緒についたばかりで、未踏の研究分野である。本チームは分子線エピタキシャル技術などの材料作製技術では十分な技術力をつけてきている。そこに磨きがかけられ、さらに、単一のナノ構造そのものの機能を評価する技術の構築ができれば、この分野をリードする立場を築く可能性はある。そのためにも、形状、位置制御性を含めた、量子細線、量子ドット作成技術の着実な進展を期待する。また、目標を絞った具体的でユニークな発想が求められる。チーム内外の知恵を集める努力が必要であろう。