スピン自由度を生かした新しい強磁性半導体量子ヘテロ構造とデバイスの創製

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近年、強磁性半導体GaMnAsをベースとした量子ヘテロ構造を用いて、量子サイズ効果と磁性を組み合わせることによって、トンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magnetoresistance ; TMR)を増大させたり、スイッチング機能付き不揮発性メモリが実現できたりすると期待されている。理論計算により、非磁性GaAsを量子井戸として有するGaMnAs共鳴トンネルダイオード(Resonant tunneling diode ; RTD)や、強磁性GaMnAs量子井戸を有するGaMnAs RTDにおいては、量子サイズ効果によって、それぞれ800%、10^6%程度もの大きなTMRが得られると予測されている。今まで、GaMnAsをベースとした量子構造の作製が行われ、量子サイズ効果の観測が試みられてきた。しかし、今のところ、GaAs量子井戸構造、GaMnAs量子井戸構造のいずれにおいても、量子サイズ効果および量子サイズ効果に起因したTMRは全く観測されていない。またその理由も明らかにされていない。そこで、本研究では、InGaAsを量子井戸として有するGa_<0.94>Mn_<0.06>As/AlAs(dnm)/In_<0.4>Ga_<0.6>As(0.42nm)/AlAs(dnm)/Ga_<0.94>Mn_<0.06>As RTDを分子線エピタキシー法を用いて作製し、量子サイズ効果に起因したTMRの観測を試みた。その結果、強磁性半導体ヘテロ構造において初めて、負のTMRおよび、AlAs膜厚の増加に伴うTMR比の振動現象を観測した。さらに、Luttinger-Kohn k・pモデルを用いてこの構造におけるTMRの理論計算を行った。その結果、共鳴トンネル効果によって、TMR比がAlAs膜厚の増加に対して振動するという結果が得られた。この結果は、実験的に得られたTMRの振動現象が共鳴トンネル効果に起因することを示唆している。