価数制御によるスピネル型希薄磁性半導体の設計と開発

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非磁性半導体への3d遷移金属元素等の添加により磁性を付与させた希薄磁性半導体は,スピントロニクスへの応用の観点から注目を集めている.我々の以前の研究により,強磁性を示すMn添加GaNでは,Mnの異価数共存状態がキャリアを生み,磁気モーメント間の相互作用を仲介していることが示唆されている.本研究では,GaNと類似の電子状態を持つGa_2O_3を対象として,異価数共存状態と磁気特性および電気伝導度の相関を検証し,希薄磁性半導体の設計指針を確立することを目指している.著者らはこれまでに,Al_2O_3基板上にパルスレーザー堆積法により堆積したMn添加Ga_2O_3がスピネル構造を呈し,室温においても強磁性を示すことを確認した.また,Mn添加Ga_2O_3薄膜と同じスピネル型の結晶構造を持つMgAl_2O_4基板上に成膜を行い,単結晶基板と同程度の高い結晶性を有する薄膜の作製に成功している.当該年度は雰囲気制御により試料中のMn価数のコントロールを試みた.系統的なXRDおよびTEM観察から,雰囲気制御下においても結晶性が損なわれることなく薄膜を作製することが可能であることがわかった.また,Mnの価数をMn-L_<2,3>X線吸収端近傍構造の解析から評価したところ,通常の作製条件では2価のみのMnが,雰囲気制御により2価および3価の異価数共存状態をとることがわかった.一方,この薄膜は高い絶縁性を示し,Mnの酸化還元準位やGa_2O_3の欠陥による準位がフェルミレベルをピニングしている可能性が示唆される.