Abstract

This thesis presents the studies on the fabrication and fundamental properties of nanostructure materials for semiconductor spin-based electronics; MnAs thin films, III-V:MnAs granular thin films, and III-V quarternary alloy ferromagnetic semiconductor [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As thin films.

A variety of materials and structures for semiconductor spin-based electronics have been investigated for decades. For example, III-V ferromagnetic semiconductors, such as (Ga(1-x)Mnx)As and (In(1-x)Mnx)As, are potential candidates, but their Curie temperatures are much lower than room temperature. On the other hand, spinodal decomposition which is often observed in wide-gap-semiconductor based diluted magnetic semiconductors and diluted magnetic oxides, such as GaN:Mn and ZnO:Co, has recently generated much attention, because it can lead to high Curie temperature, but such materials have some difficulties for device applications. In this thesis, we have fabricated and investigated the properties of ferromagnetic materials which have high Curie temperature and excellent compatibility with III-V semiconductor devices.

First, the growth and fundamental properties of ferromagnetic MnAs thin films on InP substrates are described. We have successfully grown the MnAs thin films on InP(001) substrates by molecular beam epitaxy (MBE), and characterized the structural and magnetic properties. The epitaxial orientation was as follows: MnAs //InP(001), MnAs[0001]//InP , and MnAs //InP[110]. The easy magnetization axis was in-plane and along the MnAs direction. The Curie temperature was 321 K. We also succeeded in the growth of MnAs thin films on In0.65Ga0.35As0.75P0.25 layers in the same manner. Excellent compatibility of MnAs with InP based materials is demonstrated.

Next, the fabrication and fundamental properties of the III-V:MnAs granular thin films, where MnAs nanoclusters are embedded in a host III-V semiconductor matrix, are described. Generally, overgrowth of a semiconductor layer on a ferromagnetic layer is very difficult because of the difference in crystal structure between ferromagnets and semiconductors. However, a semiconductor layer can be easily grown on a III-V:MnAs granular layer, and this is one of the advantages of the granular thin films. We fabricated GaAs:MnAs granular thin films with MnAs nanoclusters of NiAs-type crystal structure, by annealing (Ga1-xMnx)As films at 600°C. GaAs:MnAs granular thin films showed a large magneto-optical effect and a large magnetoresistance change (>600%) at room temperature. Furthermore, by annealing (Ga1-xMnx)As around 500°C, we also fabricated GaAs:MnAs granular thin films with MnAs nanoclusters of zinc-blende(ZB)-type crystal structure. The Curie temperature of the GaAs:MnAs granular thin films with ZB-type MnAs nanoclusters was 360 K.

We also succeed in fabricating (InyGa(1-y))As:MnAs and (InyAl(1-y))As:MnAs granular thin films, which are compatible with InP. These III-V:MnAs granular thin films showed a large magneto-optical effect at room temperature. Adding to the unique fundamental properties, the III-V:MnAs granular thin films were well compatible with both GaAs and InP based III-V semiconductors. Furthermore, we applied the (InyGa(1-y))As:MnAs and (InyAl(1-y))As:MnAs granular thin films to a magneto-optical device operating at room-temperature, that is, a semiconductor waveguide-type optical isolator based on the nonreciprocal loss effect. We integrated the III-V:MnAs granular layers into semiconductor optical amplifier, and observed the optical absorption based on the nonreciprocal loss shift.

Finally, the fabrication and the fundamental properties of III-V quarternary alloy ferromagnetic semiconductor [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As thin films are presented. In particular, their magnetic anisotropy was investigated. We found that the compressively strained [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As thin films showed uniaxial magnetic anisotropy along the direction by using planar Hall effect measurements. We controlled the magnetic anisotropy of [(InyGa(1-y))1-xMnx]As by changing the In content and thus the strain in the ferromagnetic films. A series of the [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As thin films were grown by MBE with various In content (y) of 0.38 -0.54 and with Mn content (x) of 0.12. As y increased, that is, the compressive strain becomes dominant over the tensile strain, the easy magnetization axis changed to an in-plane direction from the perpendicular direction. The relationship between the strain and magnetic anisotropy in [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As well agreed with that in other III-V ferromagnetic semiconductors ((Ga(1-x)Mnx)As and (In(1-x)Mnx)As). Additionally, we found that the perpendicular component of the magnetic anisotropy is increase by low-temperature annealing, probably because of the reduction of the interstitial Mn atoms. Moreover, we grew the [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As thin films with high x of up to 0.40. When the thickness of [(InyGa(1-y))(1-x)Mnx]As thin films was below 10 nm, the Curie temperature was around 100 K. On the other hand, the thickness was above 10 nm, especially at a thickness of 100 nm and x = 0.40, the Curie temperature was above the room temperature, though the origin of high temperature ferromagnetism needs to be further investigated.

本論文は、「Fabrication and properties of III-V/MnAs hybrid structures and III-V based ferromagnetic semiconductors(III-V/MnAs複合構造およびIII-V族ベース強磁性半導体の作製と物性に関する研究)」と題し、英文で書かれている。本論文は、III-V/MnAs複合構造およびIII-V族ベース強磁性半導体の作製、構造評価、磁性、磁気光学物性、磁気輸送特性、および応用可能性についての研究成果を記述しており、全7章から成る。

第1章は「Introduction」であり、スピントロニクスと半導体ベースの強磁性材料に関する研究の背景と状況を述べ、特に、半導体ベースの強磁性材料を5つに分類してその特色を整理したうえで、本論文の構成と目的を示している。

第2章は「Epitaxial growth of MnAs thin films on III-V semiconductors」であり、InP(001)基板上への強磁性金属MnAs薄膜の分子線エピタキシー(MBE)法によるエピタキシャル成長とその構造および磁性について記述している。この研究により、InP基板上およびInP基板上に成長したInGaAsP層上に初めて単結晶MnAs薄膜を成長することに成功し、そのエピタキシャル関係と磁気特性を明らかにしている。

第3章は「GaAs:MnAs granular thin films with NiAs-type MnAs nanoclusters」であり、GaAs結晶中にナノスケールの強磁性MnAs微粒子を析出させたGaAs:MnAsグラニュラー薄膜についての様々な物性を明らかにしている。このMnAs微粒子はバルクと同じNiAs型六方晶である。特に、室温で600%にもおよぶ正の磁気抵抗効果を見出し、その特性を詳細に調べた結果を記している。

第4章は「GaAs:MnAs granular thin films with zinc-blende-type MnAs nanoclusters」であり、3章と同様のGaAs:MnAsグラニュラー薄膜であるが、MnAsの結晶構造が閃亜鉛鉱型(zinc-blende type)の場合について、その構造と物性を調べている。ここでも室温で400%の正の磁気抵抗効果を見出したほか、光吸収、磁気光学効果の測定により、誘電率テンソルの波長依存性を明らかにし、GaAs:MnAsグラニュラー薄膜(NiAs型)と比較検討している。

第5章は「Fabrication and fundamental properties of InGaAs:MnAs and InAlAs:MnAs granular films」であり、InGaAsおよびInAlAs結晶中にナノスケールの強磁性MnAs微粒子(NiAs型)を析出させたInGaAs:MnAsおよびInAlAs:MnAsグラニュラー薄膜についての様々な物性を明らかにしている。また、これらのグラニュラー薄膜を用いた導波路型光アイソレータ構造を試作し、横磁気カー効果による光アイソレーションを観測した結果について述べている。

第6章は「Quaternary III-V alloy ferromagnetic semiconductor InGaMnAs thin films」であり、四元混晶強磁性半導体(InyGa1-y)1-xMnxAsの物性について述べている。(InyGa1-y)1-xMnxAsではその磁気異方性を歪みによって制御可能であること、巨大なプレーナホール効果を示し、それを用いて面内に一軸磁気異方性をもつことが示されること、閃亜鉛鉱型の結晶構造を保ったまま高いMn 組成(x=0.2-0.4)の試料をMBE成長することができ、スピノーダル分解によってMn濃度分布に不均一性が生ずることによって高い強磁性転移温度を示すこと、などを明らかにしている。

第7章は「Concluding remarks and outlook」であり、本論文で得られた結果のまとめと今後の展望を述べている。

以上これを要するに、本論文は、InP基板上に成長可能なIII-V族化合物半導体をベースとする強磁性材料であるIII-V/MnAsグラニュラー構造および四元強磁性半導体InGaMnAsを作製し、その構造、磁性、磁気光学効果、磁気輸送特性を明らかにし、室温で動作するデバイス応用の可能性を示したものであって、電子工学上、寄与するところが少なくない。

よって本論文は、博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。