Si系希薄磁性半導体中で新規に発見された磁気輸送異常の電子論的アプローチ

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Siにf電子系金属、Ceを希薄にドーピングした系で、磁性・超常磁性・スピングラス、巨大磁気抵抗、近藤効果等の現象が確認された。これまでの検討では、高キャリア濃度では強磁性カップリングが安定化し、低キャリア濃度では強相関的物性が安定化している。しかしながら、Ceがアクセプターとして働くためキャリア濃度依存性の詳細な検討には至っておらず、それらの現象がキャリアの運動エネルギーの利得によって生じるものか、またはf軌道を介して生じるものか明らかではない。今年度、Si:Ce MOS構造を作成し、外部電界を用いてSi:Ceと絶縁体界面のキャリアを独立制御することによる磁気秩序の変化を調べた。本年度得られた結果を研究実施計画に沿って報告する。(1)超平坦Si:Ce薄膜上へのSiO_2絶縁膜の作成表面凹凸5nmの超平坦膜上に酸素雰囲気下でのRapid Thermal Annealing法(RTA)及びSputtering法によるSiO_2絶縁膜形成を試みた。RTAを用いた方法では、熱処理に伴うCeの酸化により均質な絶縁膜が形成されなかった。一方Sputtering法を用いて作成した50nmのSiO_2絶縁膜は、リーク電流が1x10^<-9>A/cm^2(15V)と比較的良好であることを確認した。また、C-V測定により外部電界によって半導体一絶縁体界面に蓄積層と反転層の形成を確認し、Si:Ceと絶縁体界面のキャリアを独立制御することができた。(2)Si:Ce MOS構造を用いた磁気輸送特性の評価上記(1)において作成された試料の異なるゲート電圧におけるHall測定を行った。P型キャリアが蓄積される-10Vのゲート電圧にて異常Hall効果を確認し、外部電界によって誘起されたキャリアによって磁気秩序が制御できることを明らかにした。また、これはSi:Ceの磁気特性にキャリア濃度・タイプが大きな役割を果たしているとも言える。