スピンエレクトロニクスと 光スピニクス

1. 経産省先端技術講演会2002.2.22 スピンエレクトロニクスと光スピニクス 東京農工大学 工学部物理システム工学科 佐藤勝昭

2. 佐藤勝昭紹介 • １９６６京大修士修了 • １９６６－１９８４日本放送協会 • １９６６－１９６８大阪中央放送局 • １９６８－１９８４放送科学基礎研究所物性研究部 • １９８４東京農工大学工学部助教授 • １９８９　同教授（現在に到る）

3. 佐藤研究室の研究テーマ • 佐藤研究室は森下研究室とともに「量子機能工学」という研究分野を分担しています。 • 佐藤勝昭教授、石橋隆幸助手の関心をもっている研究テーマを、学生とともに進めています。 • 佐藤教授のこれまで行ってきた研究は、磁性半導体、三元化合物半導体、化合物磁性体、磁性金属磁性体、磁性体ナノ構造の作製と光学的な研究です。特に、磁気光学効果研究の専門家として知られており、「光と磁気」は、この分野の標準的教科書です。最近は、室温磁性半導体の研究にも取り組んでいます。 • 石橋助手は酸化物高温超伝導体の薄膜作製とエレクトロニクス素子の作製にとりくんでいます。

4. 佐藤勝昭の著書 • 専門である「光と磁気」、応用物性に関するいくつかの教科書のほか総計３０冊の著書があります。(分担執筆含む）

5. 実験室風景：もの作り系１ • ＭＢＥ装置を使って酸化物高温超伝導体や磁性半導体の薄膜を作製します。

6. 実験室風景：もの作り系２ • 電子ビームリソグラフィや • 集束イオンビーム装置 　を使って磁性体ナノ構造を作っています。

7. 実験室風景：もの作り系３ スパッタ法や電子ビーム蒸着法で磁性体薄膜を作ります。

8. 実験室風景：評価系１ ←ＶＳＭ装置で物質の磁化を測定します。 • 磁気光学スペクトル測定装置を使って磁性体の電子構造などを調べています。→

9. 実験室風景：評価系２ ＡＦＭ • ＡＦＭやＳＥＭを使ってナノメートル領域の表面を観察します。 ＶＢＬにあるＦＥ・ＳＥＭ

10. 実験室風景：評価系３ • 100フェムト秒という超短パルスレーザを用いて非線形磁気光学の実験をしています。

11. Contents • はじめに：いま磁性が面白い • 磁性の基礎 • スピン・エレクトロニクス • 光スピニクス • ナノテクノロジーとスピニクス • まとめ

12. 1. いま磁性が面白い • 磁気現象と電気伝導現象が結びついた • 電子がもつ２つの顔：電荷とスピン • ハードディスクに飛躍をもたらしたGMR • MRAMを産んだスピン依存トンネル効果 • 層間の磁気的つながりが距離で変わる • スピンを電気的に制御できる「磁性半導体」 • 磁性体から非磁性体にスピンを注入する • 高速性を目指して：スピンダイナミクス • 光磁気がハードディスクの限界を救う

13. ２．磁性の基礎 • 電子のもつ２つの顔 • 局在電子磁性と遍歴電子磁性 • 強磁性、反強磁性、ハーフメタル

14. 電子が持つ２つの顔：電荷とスピン • 電子は電荷eをもつと同時にスピン磁気モーメントをもっている。 電気伝導 q=e sz=1/2 磁性

15. 局在電子磁性と遍歴電子磁性 • 絶縁性磁性体：3d電子は格子位置付近に局在 • 格子位置に原子の磁気モーメント：交換相互作用でそろえ合うと強磁性が発現 • 金属性磁性体：3d電子は混成して結晶全体に広がりバンドをつくる（遍歴電子という） • 多数スピンバンドと少数スピンバンドが交換分裂で相対的にずれ→フェルミ面以下の電子数の差が磁気モーメントを作る • ハーフメタル磁性体：多数スピンは金属、小数スピンは半導体→フェルミ面付近のエネルギーの電子は100%スピン偏極

16. 局在磁性モデル 強磁性 J>0 常磁性 反強磁性 J<0 交換相互作用 H=-JS1S2

17. バンドと磁性 Ef Ef Ef 交換分裂 通常金属 ハーフメタル 強磁性金属

18. ３．スピンエレクトロニクス • 金属磁性体の接合を用いた巨大磁気抵抗効果(GMR) • 絶縁体超薄膜を金属磁性体ではさんだ磁気トンネル接合によるトンネル磁気抵抗効果(TMR) • 半導体スピンエレクトロニクス • 非磁性半導体のスピン現象 • 磁性半導体、希薄磁性半導体

19. 10年で100倍 10年で10倍 ハードディスクの高密度化とGMRヘッド GMRヘッドによる

20. 層間 結合系の巨大磁気抵抗効果（ GMR ） MR ratio R(H)/R(0) • スピン依存散乱 Fe Cr Baibich et al.: PRL 62 (88) 2472 H (kOe)

21. GMR 振動と層間結合 Co/Cu superlattice MR ratio (%) Cu thickness (Å) Mosca et al.: JMMM94 (91) L1

22. 非結合系のGMR • ソフト磁性体とハード磁性体との３層構造 M 自由 NiFe Cu MR 固定 Co Shinjo et al.: JPSJ 59 (90) 3061 H (Oe)

23. スピンバルブ • NiFe(free)/Cu/NiFe(pinned)/AF(FeMn)の非結合型サンドイッチ構造 NiFe free Cu 交換バイアス NiFe pinned AF layer (e.g. FeMn) 最近はSAFに置き換え

24. スピン依存トンネル効果とトンネル磁気抵抗効果（TMR）スピン依存トンネル効果とトンネル磁気抵抗効果（TMR） current FM2 insulator FM1 I FM2 • 強磁性体(FM)/絶縁体(I)/強磁性体(FM)構造 • M.Julliere: Phys. Lett. 54A, 225 (1975) • S. Maekawa and V.Gafvert: IEEE Trans Magn. MAG-18, 707 (1982) • Y.Suezawa and Y.Gondo: Proc. ISPMM., Sendai, 1987 (World Scientific, 1987)p.303 • J.C.Slonchevsky: Phys. Rev. B39, 6995 (1989) • T. Miyazaki, N. Tezuka: JMMM 109, 79 (1995) voltage current FM1

25. TMRデバイス • 絶縁体の作製技術が鍵を握っている。→ • 最近大幅に改善 • TMR ratio as large as 45% was reported. (Parkin: Intermag 99) • Bias dependence of TMR has been much improved by double tunnel junction. (Inomata: JJAP 36, L1380 (1997))

26. TMRを用いたMRAM • ビット線とワード線でアクセス • 固定層に電流の作る磁界で記録 • トンネル磁気抵抗効果で読出し • 構造がシンプル

27. MRAM と他のメモリとの比較

28. 磁性半導体とは • 磁性と半導体性を兼ね備えた物質の総称 • 第１世代：CdCr2Se4, EuOなど60年代後半 • 磁気メモリ：磁気ヒステリシス応用 磁性の起源：電子のもつスピン • 半導体電子デバイス： • 伝導性の起源：電子のもつ電荷

29. 磁性半導体の何が面白いの？ • 磁性の原因となっている原子の磁気モーメントと、電気伝導の原因になっている伝導電子の　スピン磁気モーメントの間に互いにそろえ合う力(交換相互作用)が働く • これにより、巨大磁気抵抗効果(GMR)、巨大磁気光学効果、電気による磁性の制御などに道が開ける

30. 磁性半導体の物性CdCr2Se4(第１世代の磁性半導体)磁性半導体の物性CdCr2Se4(第１世代の磁性半導体) Magnetic red shift GMR 吸収端のred shift 巨大磁気抵抗効果

31. 磁性半導体は何の役に立つの？ • 大きな磁気抵抗効果 • 高感度再生用GMRヘッド、固体磁気メモリ(MRAM) • 大きな磁気光学効果 • ファイバ通信用光アイソレータ • 伝導電子スピンと原子磁気モーメントの相互作用 • コイルを使わず電気や光で磁気をコントロール • バンドギャップのmagnetic red shift • 磁界で色が変わる材料

32. いままで実用例はあるの？ • 電気と磁気の関わりを使ったデバイス • 提案はあるが、低温がネックとなって実用化せず。 • CdCr2Se4, EuSなどは結晶、薄膜作製が困難 • GaAs:MnなどはMnが入りづらい • 光と磁気の関わりを使ったデバイス • Cd1-xMnxTe、Cd1-x-yHgxMnyTeではファイバアンプ励起光源用光アイソレータとして実用化

33. 光ファイバ増幅器とアイソレータ

34. 磁性半導体の再ブーム • III-V系希薄磁性半導体の登場 • 宗片、大野ら：InMnAs, GaMnAsのキャリア誘起強磁性を発見。非平衡低温成長でMnを大量置換。 • IIIV族は結晶性のよいものが得られる。 • Pn両型があるのでデバイスを作りやすい。 • デバイス作製技術が確立している。 • キュリー温度の高いものが得られない。

35. GaMnAs，InMnAsにおけるMn濃度と格子定数、キュリー温度GaMnAs，InMnAsにおけるMn濃度と格子定数、キュリー温度 キュリー温度　vs. Mn濃度 格子定数　vs. Mn濃度

36. Degree of polarization DP DP (%) Ga1-xMnxAsLEDに見られる円偏光発光の磁界依存性 スピン注入現象の証拠と考えられる Y. Ohno, D.K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno and D.D. Awschalom, Nature 402 (1999) 790

37. Hall Resistance R () InMnAs FETのゲート電圧による磁性の制御 チャネルのホール濃度を ゲート電圧で制御→Tcが変化 →ヒステリシスの変化 Ohno

38. 室温磁性半導体への道 理論 • 2000Wide gap 半導体。P-型（RKKY) (東北大） • 2000ZnO:Mnなど。P型(二重交換相互作用)(阪大) 実験 • 2000CdMnGeP2 (筆者ら) • 2000ZnO:Co (阪大産研） • 2001TiO2:Mn(東工大) • 2001ZnMnGeAs2(North Western大) • 2001 ZnGeP2(筆者ら) • 2002 ZnGeP2(東大)

39. カルコパイライト系新磁性半導体 • ２燐化カドミウム・ゲルマニウム(CdGeP2)を母体とし、マンガン(Mn)を高濃度に添加した物質 • 製造方法：母体単結晶にMnを蒸着し熱拡散 • 結晶構造は？ • カルコパイライト構造 • Ｍｎ濃度は？ • 最表面Mn/Cd=53%, 深さ0.6mで12.7% • 平均：実効層厚0.5mに平均20%

40. カルコパイライト構造 Si, Ge IV ダイヤモンド構造 GaP III V 閃亜鉛鉱構造 II CdGeP2 IV V カルコパイライト Ge Cd P

41. II-IV-V2カルコパイライト半導体

42. 成膜時の RHEED パターンの変化CdGeP2:Mn • Mn-堆積前 • Mn-堆積後 • 500ºC、30分の 　アニール後

43. Deposition of Mn on ZnGeP2 at 400oC Before deposition Before deposition Mn evap. 180s Mn evap. 60s

44. Mn deposition 300-1800s Mn evap. 300s Mn evap. 1080s After deposition Mn evap. 1800s

45. 新磁性半導体の物性 • Mn添加層も半導体： • バンドギャップが存在。ワイド化(1.72→3.24eV) [蛍光スペクトルの測定による] • Mn添加層は強磁性体： • 磁気ヒステリシスを観測(磁化率計による) • 表面に磁化が存在(磁気力顕微鏡(MFM)による） • 磁性半導体特有の磁気光学効果： • 磁気カー楕円率のピーク＝母体のバンドギャップ • ファラデー回転に換算すると5.7×104度/cm

46. Cross sectional SEM photograph

47. 室温のヒステリシス曲線 反磁性の 補正後 0.4 H parallel e.m.u.) T=300 K 生データ 0.2 -3 0.0 Magnetization (x10 -0.2 -0.4 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 H field (x10 kOe)

48. 磁化の温度変化（H=0） S = 1/2 Magnetization(emu) Tc=320K S = 5/2 Temperature (K)

49. 残留磁化状態における室温のMFM 像と AFM 像 (a) MFM 像 (b) AFM 像

50. 0.05 0.00 [degree] -0.05 k h , k q -0.10 q k h k -0.15 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Photon Energy [eV] 磁気光学カー効果 •  =n2 =12.1 (n =3.48 at =800 nmを利用) K=-iK =-i0.12 deg (=800 nm)→F/l＝5.2104 deg/cmと推定される。 ファラデー回転の推定：