Formation of single-crystal Si spin glass with a single W atom as a magnetic dopant and elucidation of its magnetic properties

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02560
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: Okada Naoya 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10717234)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 内田 紀行 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (60400636)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: スピン / 遷移金属 / シリサイド / エピタキシャル成長 / CVD / シリコン

Outline of Final Research Achievements

In this study, we form the WSin film with a W atom concentration of ~1017-1022/cm3. For this purpose, the cluster epitaxy method, which is a WSin film formation technology, is used. In order to control the W atom concentration, we clarified the substrate temperature dependence of the Si epitaxial growth rate and the MSin cluster synthesis rate, and then demonstrated the epitaxial growth of WSin films on the Si surface. Furthermore, we demonstrated the formation of not only WSin films but also MoSin films as other transition metal species. We also investigated the charge state of MSin clusters in Si crystals from ab initio calculations, and showed that the carrier type can be controlled depending on M.

Free Research Field

半導体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究ではWSin膜の強磁性特性の発現の実証には至らなかったが、本研究で実証できたSi結晶中のW濃度の制御方法は、Si結晶を利用した新しい概念のスピン伝送路や、量子ビット生成デバイスとしてのポテンシャルを有している。さらに他の応用可能性として、不揮発メモリデバイス向けのスピントラップ薄膜、微細CMOSのソース/ドレイン向けの接合薄膜、高効率太陽電池材料向けの多重励起子生成薄膜、などが挙げられる。