IV族半導体中磁性不純物の２次元構造創成とスピン注入電極への応用

• Project Area: 3D Active-Site Science
• Project/Area Number: 17H05225
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 三木 一司 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (30354335)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: シリコン / ドーパント / 磁性不純物 / 3Dイメージング

Outline of Annual Research Achievements

活性化サイト一つ、ドーパントは、半導体中に正負の符号のキャリア源を発生する為に、デバイス技術として使われてきた。ドーパントの局所構造は半導体結晶の原子置換位置であり、半導体結晶の結合電子数より電子が過剰になるか不足するかで、発生できるキャリアの符号が決まる。ドーパントの一つ、MnドーパントはSi半導体及びIIIV族化合物半導体ではスピン源にもなり、RKKY相互作用を通して磁性を引き起こす報告がされスピントロニクス分野始まるきっかけになった。更に、Mn等の磁性不純物が２次元規則構造を形成すると、ハーフメタルになるとの理論的予測がされ、Digital Magnetic Alloyと呼ばれている。
昨年度、我々は、Mnドーパントが2次元性を持つ可能性を、Si(001) 4°オフ基板上のGe/Si界面構造と偏光XAFS法を利用することにより得た。Si(001) 4°オフ基板を用いることで、Mnの１次元構造を同じ方向に揃えることができる。又、Ge/SiとSi/Si界面を比較することによりMnドープ層より上と下の構造を区別できる。XAFSの偏光方向をMnの一次元構造に対して、面内水平、面内垂直、面法線方向の３方向をとることにより、結合方向の空間内の方向を特定できる。面内で異方性が強く、２つにモデルが提唱した。更にGe/Si界面にMnをドーピングした試料の電気的特性を評価し、70-120Kで異常ホール効果を示したを示した。
今年度は、シリコン基板上Mnドーパントとβ型酸化ガリウム中Snドーパントの構造モデルを決定する為に蛍光X線ホログラフィ計測を行った。後者は解析の結果、二つあるGa原子の置換位置のうちGa2の方がメジャーな置換位置になっている事が分かった。現在、サポートデータを構築しながら論文執筆中である。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University College, London(英国)
• [Journal Article] Atomic layer doping of Mn magnetic impurities from surface chains at a Ge/Si hetero-interface (2018)
  • Author(s): Murata Koichi、Kirkham Christopher、Tsubomatsu Satoshi、Kanazawa Takashi、Nitta Kiyofumi、Terada Yasuko、Uruga Tomoya、Nittoh Koh-ichi、Bowler David R.、Miki Kazushi
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 10 Issue: 1 Pages: 295-301
  • DOI: 10.1039/c7nr07177a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dopant activation mechanism of Bi wire-δ-doping into Si crystal, investigated with wavelength dispersive fluorescence x-ray absorption fine structure and density functional theory (2017)
  • Author(s): Koichi Murata、Christopher Kirkham、Masaru Shimomura、Kiyofumi Nitta、Tomoya Uruga、Yasuko Terada、Koh-ichi Nittoh、David R Bowler、Kazushi Miki
  • Journal Title: J. Phys.: Condens. Matter Volume: 29 Issue: 15 Pages: 155001-155001
  • DOI: 10.1088/1361-648x/aa6180
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autosurfactant of the second kind: Bi enables δ-doping of Bi in Si (2017)
  • Author(s): K. Murata, K. Miki, and S. Fukatsu
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 152104 Volume: 111 Issue: 15 Pages: 152104-152104
  • DOI: 10.1063/1.5001154
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Sn: β型酸化ガリウムのドーパント局所構造 (2019)
  • Author(s): 三木 一司、八方 直久、木村 耕治、佐々木 公平、唐 佳藝、縄田 皓太郎、北藤 滉、北村 真也、尾崎 ひかる、久常 健太郎、山口 亮太、田尻 寛男、山腰 茂伸、林 好一、倉又 朗人
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Si結晶中へのBiのイオン注入ドーピング (2018)
  • Author(s): 三木 一司、河裾 厚男、前川 雅樹、田尻 寛男、八方 直久、Ang Artoni Kevin Roquero、林 好一
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Formation of Uniform and High-Coverage Monolayer Films of 2 Dimetional Midnanometer-Sized Gold Particles over the Entire Surfaces of 1.5-in. Substrates. (2018)
  • Author(s): 三木一司
  • Organizer: 平成30年度大阪大学国際合同会議「次世代機能性材料・表面/界面物性の解明と機能探索の動向」
  • Invited
• [Presentation] Doping of wired-Mn magnetic impurities at Ge/Si interface (2017)
  • Author(s): K. Murata, K. Miki, C. Kirkham, S. Tsubomatsu, T. Kanazawa, K. Nitta, Y. Terada, T. Uruga, K. Nittoh and D.R. Bowler
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] IV族半導体中磁性不純物の２次元構造創成とスピン注入電極への応用 (2017)
  • Author(s): 三木一司
  • Organizer: 科研費新学術領域研究「３Ｄ活性サイト科学」公募研究キックオフミーティング
• [Presentation] 界面ナノ構造を利用したGe/Si界面へのMnδドーピング (2017)
  • Author(s): 村田晃一、三木一司、Kirkham Christopher、坪松 悟史、金;澤孝、新田清文、寺田靖子、宇留賀朋哉、日塔光一、David R. Bowler
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 重金属半導体ドーパントの一次元構造体とその局所構造評価 (2017)
  • Author(s): 三木一司
  • Organizer: 表面界面・薄膜ナノ構造研究会「ナノビーム時代の表面界面薄膜回折」
  • Invited
• [Presentation] 重金属ドーパントの局所構造解析 (2017)
  • Author(s): 三木一司
  • Organizer: 科研費新学術領域研究「３Ｄ活性サイト科学」公募研究発表会
• [Presentation] IV族半導体中磁性不純物の２次元構造創成とスピン注入電極への応用 (2017)
  • Author(s): 三木一司
  • Organizer: 科研費新学術領域研究「3D活性サイト科学」第7回成果発表会