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2016 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

Research Project

Project/Area Number 14J11716
Research InstitutionOsaka Prefecture University

Principal Investigator

宮田 祐輔  大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Keywords希薄磁性半導体 / シリコン / 希土類元素 / 分子線エピタキシ法 / 電界効果トランジスタ / 有機強誘電体 / 磁気伝導特性
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、Ceを添加したSiエピタキシャル(Si:Ce)薄膜における磁気物性の発現に注目している。これまで、低温分子線エピタキシ成長によって、数%ものCeを含むSi:Ce薄膜の作製に成功し、Ceの固溶状態と相関のある特異な磁気伝導特性を示すことを明らかにしてきた。本年度は、Bの共添加法や電界効果によるキャリア制御を試み、スピン-キャリア相互作用を起源とする負の磁気抵抗効果(MR)や異常Hall効果の発現および制御を目指した。
Si:Ce薄膜は低温成長に伴うドナー性欠陥によりn型の伝導特性を示すため、キャリア制御を目的としたBの共添加及び、電界効果素子の作製を行った。半導体的な伝導特性を示すp型のSi:0.6at.%Ce,Bにおいて、20K以下の低温で3.0%程度の負のMRを明瞭に観測した。フィッティングによる解析や光電子分光法を用いたCeの価数評価の結果から、4f軌道に1つの孤立電子スピンを有するCe3+の局在磁気モーメントが、外部磁場によって秩序することで系の抵抗率を下げることを見出した。また本試料は明瞭な異常Hall効果も発現している。伝導キャリアが及ぼすMRや異常Hall効果の影響を明らかにするために、3倍周期の再構成表面を有するSi:0.6at.%Ceをチャネル層に用いた電界効果素子を作製した。ゲート電圧印加によって負のMR、異常Hall効果を制御することに成功した。蓄積・空乏・反転層の形成を示唆するドレイン電流や静電容量の増減を観測していることから、強誘電体の分極操作によってSi:Ceのキャリア密度が変化し、負のMRや異常Hall効果の発現に影響を及ぼしているものと考えられる。
上記のような、希土類元素を添加したSi薄膜におけるMRや異常Hall効果の電界制御に関する報告はこれまでに無く、半導体スピントロニクス分野における極めて重要な成果と考えられる。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (8 results)

All 2017 2016

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Cerium ion doping into self-assembled Ge using three-dimensional dot structure2017

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Kazuya Ueno, Takeshi Yoshimura, Atsushi Ashida and Norifumi Fujimura
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1016

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large enhancement of positive magnetoresistance by Ce doping in Si epitaxial thin films2016

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Kazuya Ueno, Yoshihiko Togawa, Takeshi Yoshimura, Atsushi Ashida and Norifumi Fujimura
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 109 Pages: 112101

    • DOI

      10.1063

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Field effect control of magneto-transport in Si epitaxial films doped with Ce by novel doping method using surface reconstruction2017

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Hayato Nonami, Daisuke Kiriya, Takeshi Yoshimura, Atsushi. Ashida and Norifumi Fujimura
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14 – 2017-03-17
  • [Presentation] Spin-related magneto-transport in semiconducting Ce doped p-type Si epitaxial films2016

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Takeshi Yoshimura, Atsushi. Ashida and Norifumi Fujimura
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Rare earth ion doping in Ge deposited by molecular beam epitaxy2016

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Kazuya Ueno, Takeshi Yoshimura, Atsushi. Ashida and Norifumi Fujimura
    • Organizer
      The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Carrier control in Ce doped Si thin films using organic ferroelectric-gate field effect transistors2016

    • Author(s)
      Hayato Nonami, Yusuke Miyata, Takeshi Yoshimura, Atsushi. Ashida and Norifumi Fujimura
    • Organizer
      35th Electronic Materials Symposium
    • Place of Presentation
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-08
  • [Presentation] Rare earth ion doping in Ge deposited by molecular beam epitaxy2016

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Hayato Nonami, Takeshi Yoshimura, Atsushi. Ashida and Norifumi Fujimura
    • Organizer
      35th Electronic Materials Symposium
    • Place of Presentation
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-08
  • [Presentation] Effect of carrier on magneto-transport characteristics of Ce doped Si films2016

    • Author(s)
      Yusuke Miyata, Hayato Nonami, Takeshi Yoshimura, Atsushi. Ashida and Norifumi Fujimura
    • Organizer
      35th Electronic Materials Symposium
    • Place of Presentation
      ラフォーレ琵琶湖(滋賀県守山市)
    • Year and Date
      2016-07-06 – 2016-07-08

URL: 

Published: 2018-01-16  

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