| 研究実績の概要 |
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。
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