シリコン系強磁性半導体の創製とそのスピンデバイスへの応用

硅基铁磁半导体的制备及其在自旋器件中的应用

基本信息

批准号：
16686024
负责人：
菅原聡
金额：
$ 14.98万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology (2006)The University of Tokyo (2004-2005)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

強磁性半導体は高いスピン分極率や,電界効果磁性制御といった通常の強磁性金属では持ち得ない機能を有していることから,スピンバイスへの応用上極めて有用な機能材料である,強磁性半導体はこれまで化合物半導体を中心に研究が進められてきたが,集積エレクトロニクスの中心であるシリコンテクノロジーに整合するものは本研究課題の開始当時には,ほとんど報告されていなかった.本研究課題では,SiやGeといったIV族半導体をホスト材料として強磁性半導体を実現することを目標とした。Siをホスト材料とする強磁性半導体の実現に向けて,Si中にMn,Cr,Feをドープした場合のエピタキシャル成長の過程(特に基板温度と遷移金属の濃度の関係)を詳細に調べ,この磁性について調べた.Siの場合では,ドープした遷移金属の量によっては,マクロには強磁性を示すものもあった.また,同様にいくつかの他の研究機関からMnドープSiが強磁性を示すことが報告されたが,これらの報告ではバンド構造についての評価はなく,これらが真の強磁性半導体として振舞うかは不明であった.本研究課題では,強磁性発現の起源を明らかにするため,磁気円二色性によるバンド構造の評価を行った.この詳細な観測から,Mn, Cr, Feのどれを用いても,これまでのところバンド構造のスピン分裂によって磁性を発現させているものは得られていないと結論した.一方,Geついては,Mnをドープすることによって,容易に強磁性を示す試料が得られた.詳細な構造評価と磁気円二色性を使った電子構造の評価から,Ge_<1-x>Mn_xの膜構造と磁性は,成長速度に強く依存して大きく変化することがわかった.成長速度が遅い場合,GeにMnをドープしてもMnを含まないGeのマトリックスと高濃度にMnを含むアモルファスのGe_<1-y>Mn_yに相分離することが明らかになった.このアモルファスGe_<1-y>Mn_yは強磁性半導体として振舞うことを明らかにした.成長速度を増加させると,アモルファス相の析出は抑えられ,Mnの濃度の濃いナノスケールのGe_<1-y>Mn_y柱状構造と,Mn濃度の低いGe_<1-z>Mn_zマトリックスに分離するが,膜全体はダイヤモンド構造を維持していると考えられる構造となった.このナノ柱状構造は非常に高い強磁性転移温度を発現できる可能性が理論的に指摘されている構造である.磁気円二色性の評価からは,強磁性析出物によるものは確認されなかった.強磁性転移温度は150K程度であったが,今後キャリア密度の制御等によって,非常に高いキュリー温度が得られる可能性を見出した.また,GeにFeをドープした場合では,バンドのスピン分裂による強磁性が発現し,容易に強磁性半導体が実現できることを明らかにした.

铁磁半导体具有普通铁磁金属（例如高自旋极化性和野外效应磁控制）的功能，而铁电磁半导体是旋转虎钳应用的极其有用的功能材料。对铁磁半导体的研究主要是在复合半导体上进行的，但是在本研究主题开始时，几乎没有关于与硅技术（综合电子设备中心的硅技术）进行的任何报告。该研究主题的目的是使用IV组半导体（例如SI和GE）作为宿主材料实现铁磁半导体。为了实现使用SI作为宿主材料的铁磁半导体，我们研究了SI用Mn，CR和FE掺杂Si时的外延生长过程（尤其是底物温度与过渡金属浓度之间的关系），并研究了这种磁性。在SI的情况下，一些宏根据掺杂过渡金属的量表现出铁磁特性。同样，其他一些研究机构报告说，掺杂MN的SI表现出铁磁特性，但是这些报告没有评估带状结构，并且尚不清楚这些报告是否表现为真正的铁磁半导体。在本研究主题中，我们使用磁圆形二色性评估了带状结构，以阐明铁磁表达的起源。从这些详细的观察结果中，我们发现MN，CR和我们得出的结论是，由于带结构的旋转分裂，该FE都没有用于产生磁性。但是，对于GE，通过掺杂MN轻松获得了表现出铁磁性的样品。详细的结构评估和使用磁性圆形二色性对电子结构的评估表明，GE_ <1-x> Mn_x的膜结构和磁性取决于生长速率。当生长速率缓慢时，揭示了即使在GE中掺杂Mn时，相位分离也会发生在GE的基质中，该基质中不包含Mn和无定形的GE_ <1-Y> Mn_y，含有高浓度。这种无定形的ge__ <1-y> mn_y表现为铁磁半导体。当增长率增加时，无定形的GE_ <1-y> Mn_y是无定形的半导体。抑制了Ruphase相的沉淀，并具有高浓度的Mn和GE__ <1-Z> Mn_z矩阵，纳米级GE_ <1-Y> Mn_y柱状结构具有低浓度的Mn，但整个膜被认为可以维持钻石结构。从理论上指出，这种纳米颜色结构是一种可能表现出很高的铁磁过渡温度的结构。通过评估磁圆二色性，而铁磁降水均未证实。铁磁过渡温度约为150K，但发现将来通过控制载体密度可以获得很高的居里温度。此外，当GE与Fe掺杂时，由于频带的自旋分裂而引起的铁磁特性很容易实现。