実験装置

本研究室では、以下の実験設備を用いて研究を行っています。

 前後のプロセスは、末岡研のナノ構造作製装置を利用しています(共同研究)。


超高真空エピタキシー結晶成長 (C263クリーンルーム)


超高真空複合エピタキシーシステム
III-V族化合物半導体量子構造と金属磁性体のエピタキシャル結晶成長

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III-V族化合物半導体の量子井戸(GaAs/AlGaAs)や自己組織化量子ドット(InAs, InGaAs/GaAs)などの高品質エピタキシャル結晶成長を行う分子線エピタキシー装置と、金属磁性体薄膜を作製する超高真空蒸着装置を、超高真空基板搬送システムにより連結した超高真空複合エピタキシーシステム(エイコーエンジニアリング社超高真空複合エピタキシーシステム)です。分子線エピタキシー装置では、10−11 Torr台の超高真空下で5本の蒸着セルとAsバルブドクラッキングセルが使用できます。また、反射高エネルギー電子回折装置(RHEED)で結晶成長の状態をリアルタイムでモニターできます。超高真空蒸着装置では、10−9 Torr台の超高真空下で5個の電子線蒸着源が使用できます。超高真空基板搬送システムは10−9 Torr台の真空度に保たれており、分子線エピタキシー装置で結晶成長させた直後の清浄な半導体表面を大気にさらすことなく、連続して金属磁性体薄膜をエピタキシャル成長させることができます。

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化合物半導体分子線エピタキシー装置
II-VI族化合物希薄磁性半導体量子構造の結晶成長

equip1-MBE3

II-VI族化合物半導体の量子井戸(ZnCdSe/ZnSe, CdTe/CdMgTe)や自己組織化量子ドット(CdSe/ZnSe)、Mnなどの磁性イオンを含む希薄磁性半導体(ZnCdMnSe, CdMnTe)の高品質エピタキシャル結晶成長を行う分子線エピタキシー装置(エイコーエンジニアリング社化合物半導体用MBE)です。10−11 Torr台の超高真空下で7本の蒸着セルと1本の高温蒸着セル、窒素ガスプラズマソースが使用できます。また、反射高エネルギー電子回折装置(RHEED)で結晶成長の状態をリアルタイムでモニターできます。各セルのシャッターは、自作のプログラムによりPC制御できます。

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超高真空スパッター装置
金属磁性体薄膜の結晶成長

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金属強磁性体やガラス・酸化物薄膜作製を行う超高真空スパッター装置(ユニバーサルシステムズ社多元スパッター装置)です。10−9 Torr台の超高真空性能を持ち、4本のAJA社製UHVスパッターソースが使用できます。また、ソースシャッターは、自作のプログラムにより自動制御できます。

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レーザー分光システム (L113レーザー分光室)


磁場中スピン分解フェムト秒ポンププローブ分光

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フェムト秒からピコ秒・ナノ秒領域における超高速スピンダイナミクスを実時間で計測できる、世界的に見ても独特のスピン・エネルギー同時分解フェムト秒ポンププローブ過度吸収分光システムです(時間分解能150 fs)。Oxford Instruments社Spectromagにより最大10 Teslaの磁場印加が可能で、測定温度は2 Kから室温まで変えられます。スペクトラフィジックス社波長可変フェムト秒パルス発振レーザーシステムMillennia+Tsunami+Evolution+Spitfire+OPA (下の写真)により、励起エネルギーを広い波長範囲で連続的に変えることができます。測定を行う光学系は、日本ローパー社ポンププローブシステムをベースにした自作です。

さらに、チョッパーとロックインアンプを用いた高感度変調測定も行っています。この場合、励起エネルギーと検出エネルギーは同じですが(単色ポンププローブ)、OPAにより広い波長範囲でそのエネルギー変えることができます。

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磁場中スピン分解ピコ秒発光分光

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ピコ秒発光分光システムの全景。コヒーレントフェムト秒レーザーシステムと超伝導マグネット、ヘリウムガスコンプレッサー冷凍機、ストリークカメラ2台、CCD分光器により構成されており、様々な発光分光に対応します。

シングルフォトンカウンティング可能なストリークカメラ(浜松ホトニクスC4334+C5094)を用いたスピン・エネルギー同時分解ピコ秒発光分光システムです。装置応答曲線の時間半値幅は15 psですが、コンボリューション計算により5 psの時間分解能が得られます。測定磁場として最大10 Teslaの印加が可能で、測定温度は2 Kから室温まで変えられます。フェムト秒パルス発振チタンサファイアレーザー(コヒーレント社Verdi 8W+Mira900 下の写真)からの第二および第三高調波とOPOにより、250 nmから900 nmまでの広い波長範囲で励起エネルギーを変えることができます。

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磁場中スピン分解顕微ピコ秒発光分光

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ナノ領域におけるスピンダイナミクスを計測する自作の磁場中スピン分解顕微ピコ秒発光分光システムです。20~100倍の顕微鏡対物レンズを用いた測定が可能で、アクティブ除振システムとの併用により、励起レーザー光スポットを1 ミクロン程度まで絞り込めます。フェムト秒パルス発振チタンサファイアレーザー(コヒーレント社Verdi 5W+Mira900)からの第二高調波と基本発振により、励起エネルギーを変えることができます。Jobin Yvon社の高感度CCD検出器とTRIAX550分光器を用いた発光スペクトルの測定に加えて、時間相関単一光子計数法による時間分解発光測定が可能です。測定磁場はOxford Instruments社MicrostatBTにより最大5 Teslaの印加が可能で、測定温度は6 Kから室温まで変えられます。

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ナノ構造の作製 (L157ナノファブクリーンルーム)


電子ビームリソグラフィー装置

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半導体量子井戸や金属磁性薄膜の微細加工を行うための電子ビームリソグラフィー装置(エリオニクス社ELS-7300)です。電界放射型の電子銃を備え、サブミクロンオーダーのデバイス構造の作製に加えて、数十 nmオーダーの量子細線や量子ディスクの作製が可能です。また、FE-SEMとしての性能(空間分解能)は1.5 nmです。

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