GaNベースの透明強磁性半導体の創製に関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15034211
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 周 逸凱 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (60346179)
• 研究分担者: 朝日 一 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (90192947)
• キーワード: スピントロニクス / 窒化物半導体 / 希薄磁性半導体 / MBE成長 / 室温強磁性半導体

研究概要

これまでに、ガスソースMBE法により、ワイドギャップ半導体GaNに磁性原子Mn,Crを添加したGaMnN、GaCrN希薄磁性半導体を創製し、相分離のない混晶であることを確認し、室温以上での強磁性を確認した。GaCrNの方が良好な特性であり、強磁性転移温度は400K以上である。なお、これらからの強力なホトルミネセンス(PL)発光も観測され、光る高温強磁性半導体と言える。強磁性転移温度は400K以上であることから、室温動作スピントロニクスデバイス応用への足がかりを掴んだ。
本年度は、(a)Gd、Dy、Eu、Tbなどの希土類金属を添加したGaNを成長した。(b)各試料に対して、結晶性の評価(X線回折、XAFS、ラマン散乱測定)を行い、希土類原子はGaサイトに置換されていて相分離のないことを確認した。添加した各濃度の試料の磁化測定を行い、磁気特性を調べた。(c)成長した試料に対して、PL測定、磁場PL測定を行い、発光の起源及び偏光特性などを調べた。特にGaCrNに対し、時間分解PL測定から、band-to-band遷移による発光であることが分かり、再結合ダイナミックスを調べた。(d)DyN/GaN超格子構造を作製し、光学、磁気特性を調べ、4000Gaussの磁場を印加した場合、10Kで3%の磁気抵抗比が得られた。その起因はDyNの強磁性であるが、しかし、GaNをベースとした磁性半導体はスピン制御トンネルテバイスの材料として利用できることを示唆した。

研究成果

• [文献書誌] M.Hashimoto, Y.K.Zhou, H.Tampo, M.Kanamura, H.Asahi: "Magnetic and optical properties of GaMnN grown by ammonia source molecular beam epitaxy"J.Cryst.Growth. 252. 499-504 (2003)
• [文献書誌] M.Hashimoto, Y.K.Zhou, M.Kanamura, H.Katayama-Yoshida, H.Asahi: "MBE growth and properties of GaCrN"J.Cryst.Growth. 251. 327-330 (2003)
• [文献書誌] H.Asahi, Y.K.Zhou, M.Hashimoto, R.Asano, H.Tanaka: "New III-V-based magnetic semiconductors and their optical and magnetic properties"Proc.of SPIE. 4999. 221-228 (2003)
• [文献書誌] Y.K.Zhou, M.Hashimoto, M.Kanamura, H.Asahi: "Room Temperature Ferromagnetism in III-V-Based Diluted Magnetic Semiconductor GaCrN Grown by ECR Molecular-Beam Epitaxy"Journal of Superconductivity. 16(1). 37-40 (2003)