2014 Fiscal Year Annual Research Report
有機強誘電体／シリコン系希薄磁性半導体へテロ接合における電界効果スピン制御
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14J11716
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
宮田 祐輔 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 磁性半導体素子 / シリコン / 希土類元素 / ドーピング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではSi系希薄磁性半導体として希土類元素Ceを添加した単結晶Si薄膜の開発を目標としている。これまで低温MBE成長によって膜中に均一にCeを分散させることに成功しているが、Ceの有する局在スピン間の相互作用を誘発させるために必要な、高濃度にCeを添加したp型のSi:Ce薄膜を得ることが困難であった。そこで本年度は、再構成表面を利用した高濃度Ceドーピング、及びBの共添加によるホールドーピングを行った。
三倍周期の再構成表面は、Ceが高濃度に分布し、かつ表面平坦性が非常に高いため、これを利用した高濃度Ceドーピングが可能である。Ce濃度や成長温度と再構成表面の形成膜厚との相関をから、Ce濃度が高く成長温度が高いほど薄い膜厚で再構成表面が形成することを明らかにした。この現象は熱エネルギーによるCeの表面偏析で説明できる可能性を示唆した。
MBEにBセルを導入しBの共添加を行ったところ、p型の伝導特性を有するSi:0.1at%Ce薄膜の作製に成功した。この試料の詳細な輸送特性を評価したところ、室温から液体ヘリウム温度領域までホッピング伝導が支配的であり、キャリア濃度はほとんど温度依存しないことが明らかとなった。Ceを共添加していないp型のSi:Ce薄膜は、抵抗率・キャリア濃度が温度依存性を示さない縮退したバンド伝導である。従って、Ce添加によって生じた局在準位間のホッピング伝導である可能性が示唆される。また、この試料は4T以下の低磁場で負の、それ以上の高磁場で正の磁気抵抗効果（MR）を有していることも明らかとなった。種々のMRメカニズムが考えられる中で、Ceの局在スピンと伝導キャリアの相互作用によってMRが誘発された可能性があることを示した。
さらに、特異な磁気特性を示すGe:Ce量子ドットの作製にも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ドナー密度の大きな低温成長Si:Ce薄膜のp型化は困難と予想されたが、n型キャリアのエネルギー準位を把握し、その濃度を減少させることによって低温成長でもp型の伝導特性を有する試料の作製に成功した。Ge:Ce量子ドットの作製も並行して行い、特異な磁気特性を有するIV族系希薄磁性半導体を作製した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回B共添加によってp型の伝導特性を有する試料の作製に成功したが、高いキャリア濃度を有するため、キャリア濃度は金属的な特性しか示さなかった。これは、Si:Ce薄膜の高いドナー密度が原因であると考えられる。そこで、製膜速度や成長温度のさらなる最適化を行い、シリサイドが析出しない低温アニールを施すことによってドナー密度の低減を試みる。
また、当初の計画通り電場を用いたキャリア制御についても進展させ、強誘電体薄膜、及びデバイスの作製を試みる。
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