希土類元素により機能附活した希薄磁性半導体の創製

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Mn添加GaN(GaMnN)は、半導体でありながら室温で強磁性を示すという新機能材料であり、Mnの状態制御によりその機能をコントロールできる材料であることが明らかになりつつある。本研究は、このGaMnNに機能附活元素として希土類元素(RE)を添加して、局在性の強い4f電子を持ち、結晶中でも大きなスピン・軌道量子数を持つREと、不純物バンドを形成し偏在性を獲得したMn3d電子の相互作用を利用して大きな磁気抵抗効果を発現する、革新的機能材料の創製を行おうというものである。具体的には、(a) おなじGaN結晶内にREとMnが共存した、GaMnN:REの合成、および、(b) 強磁性発現層と磁気抵抗エンハンス層を分けたGaMnN/GaN:RE積層構造の作製を試み、大きな磁気抵抗効果発現のための効果的なRE元素種・濃度・構造の探索を行う。平成21年度には、スパッタ法により、Mnをはじめとする3d遷移金属添加GaN、AlNおよびこれらの混晶と、4f希土類金属添加AlN薄膜の合成を試みた。3d遷移金属については濃度が20%までの配向性膜を得ることに成功した。4f希土類金属元素については、Gd添加を試み、濃度が5%までの非常に高い配向性を持った膜が形成できることを確認した。これらの膜は、表面、界面平坦性の極めて高い緻密な膜で、(b) 強磁性発現層と磁気抵抗エンハンス層を分けたGaMnN/GaN:RE積層構造の作製が可能であることが確認できた。また、3dおよび4f元素同時添加膜の合成を試み、室温で超常磁性的振る舞いを確認した。現在、フェルミレベル制御による強磁性発現を目指している。