| 研究課題/領域番号 |
17H02775
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
長谷川 繁彦 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (50189528)
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| 研究分担者 |
薮内 敦 京都大学, 原子炉実験所, 助教 (90551367)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | エピタキシャル成長 / 窒化物半導体 / 空間分布制御 / 結晶構造 / 磁気特性 / 陽電子消滅法 / 低速陽電子ビーム / 原子空孔 |
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| 研究実績の概要 |
1.希土類添加III族窒化物磁性半導体を再現性良く形成する上で，磁性元素である希土類(RE)イオンの空間分布制御が不可欠である．RE元素としてGdとTbに焦点をあて，ランダム分布型試料（GaGdN，GaTbN薄膜）と2次元規則分布型試料（[REN/GaN]×n積層構造，REN：希土類窒化物）をプラズマ支援分子線エピタキシー（PA-MBE）法でGaN(0001)上に形成し，次の知見を得た．
(1)ランダム分布型添加：(i)標準的なPA-MBE成長条件下では，Gaサイトを置換してGdやTbを添加できる濃度範囲は8%程度であること，(ii)この濃度範囲ではGaN上にGaGdNやGaTbNがコヒーレントにエピタキシャル成長すること，(iii)その磁気特性解析から，常磁性，超常磁性，強磁性の3成分の混在状態であること，(iv)その大半は常磁性成分であること，が明らかとなった．ランダム分布型添加方式では，添加したRE元素は磁気的に孤立状態にあることを示唆している．
(2)2次元規則分布型添加：GaN層を5 nmに固定して[REN/GaN]×n積層構造を形成した．REN層厚が1分子層ではコヒーレントにエピタキシャル成長可能であった．4分子層では，二次相の析出が観測された．前者では，超常磁性，強磁性成分の割合がランダム分布型添加に比べて増加しており，REイオンの空間分布制御が磁気特性向上に重要であることを示唆している．
2.希土類イオン注入法によるランダム分布型試料作製のため，Sm，Gd，Tbイオン源の開発を行った．III族窒化物磁性半導体の磁性発現機構を理解する上で，試料中に含まれるGa空孔に関する評価が不可欠であり，そのための低速陽電子ビーム装置の開発と最終調整を行った．当初の想定通りの強度の低速陽電子ビームを試料位置まで輸送できることを確認し，陽電子消滅ガンマ線測定系の整備・調整も概ね完了した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
全体の実験計画を再度見直し，平成29年度実施予定内容の一部（Gd添加3次元規則分布）と平成30年度実施予定内容の一部（Tb添加ランダム分布）を入れ替えて実施した．そのため，当初計画内容と平成29年度研究実績には食い違いが生じているが，概ね予定通りに進んでいる．また，希土類イオンランダム分布型試料作製に用いるイオン注入装置の整備と，イオン注入法・PA-MBE法で作製した試料に含まれるGa空孔について評価する低速陽電子ビーム装置の開発・調整もおおむね完了しており，予定通りである．
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| 今後の研究の推進方策 |
H30年度前半では，PA-MBE法による2次元規則分布型についての試料作製ならびに評価に重点を置く．特に，結晶成長においてはRENナノ薄膜の臨界膜厚の評価と，RENナノ薄膜を用いて作製した積層構造の電気的磁気的特性評価に焦点を当てる．後半から，RENナノ薄膜／非磁性半導体積層構造において，RENナノ薄膜層間で交換相互作用が働くことを狙った構造の試料（3次元規則分布型試料）の作製に取り組み，その電気・光学・磁気特性評価を実施する．
2次元規則分布型試料の断面透過電子顕微鏡観察，走査型トンネル顕微鏡によるRENナノ薄膜表面構造評価などのナノスケール評価を進める．
H29年度に整備したイオン注入装置を用いて，Sm，Gd，Tbイオンランダム分布型GaN薄膜試料の作製を行い，それらに含まれるGa空孔について低速陽電子ビームを用いて評価する．また，PA-MBE法で作製した試料についても低速陽電子ビームにより調べ，希土類イオンランダム分布型試料の場合との違いを明らかにする．
以上の結果から，希土類イオンの空間分布を制御してIII 族窒化物半導体中に取り込めることを示すとともに，その空間分布と磁気特性の相関を解析して磁性機能発現機構の提案を目指す．
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