室温強磁性窒化物半導体ナノ構造とナノスピントロニクスデバイス応用に関する研究

2008 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 18360009
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用物性・結晶工学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 朝日 一 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (90192947)
• 研究分担者: 長谷川 繁彦 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (50189528) ; 江村 修一 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (90127192) ; 周 逸凱 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60346179)
• 研究期間 (年度): 2006 – 2008
• キーワード: スピンエレクトロニクス / 半導体物性 / MBE / ナノ材料 / 結晶工学

研究概要

(1) GaGdN/GaN超格子構造を成長し、キャリア誘起磁性による磁化の向上を観測した。
(2) 室温強磁性を示すGaCrNナノロッド構造の成長を実現した。
(3) GaGdN を低温成長することにより、Gd 濃度の増加とそれに伴う飽和磁化の大幅な増大を実現した。Si の同時ドーピングにより更なる飽和磁化の増大が可能なことを示した。
(4) Alフラックスを減少させて成長することにより、ヘテロ界面が平坦でAlドロップレットのない良好なGaCrN/AlN多重量子ディスク(MQDisk)ナノロッド構造の成長に成功した。
(5) GaCrN/AlN/GaCrN 三層構造ダイオードを作製し、77K においてトンネル磁気抵抗(TMR)効果を観測した。全半導体ベースのTMR デバイスでは最高の温度でのTMR 効果の観測である。
(6) AlNの代わりにAlGaNに置換えたGaCrN/AlGaN-MQW構造とすることによっても平坦なヘテロ界面を持つ良好なMQW構造が成長可能なことが分かった。この知見に基づき、AlGaNGaCrN/AlGaN三層構造磁気トンネルデバイスを試作した。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal growth and characterization of GaCrN nanorods on Si substrate (2009)
  • 著者名/発表者名: H. Tambo, S. Kimura, Y. Yamauchi, Y. Hiromura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural and magnetic properties of GaGdN/GaN superlattice structures (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, S.W. Choi, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Thin Solid Films (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural properties of AlCrN, GaCrN and InCrN (2009)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, K. Tokuda, Y. K. Zhou, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Crystal Growth 311 ページ: 2046-2048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of aligned CrN nanoclusters in Cr-deltadoped GaN (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Phys. : Condens. Matter 21 ページ: 064216-1-064216-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and characterization of InCrN and(In, Ga, Cr)N (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, K. Tokuda, Y. Hiromura, S. Hayakawa, Y.K. Zhou, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Phys. Stat. Sol (c)5 ページ: 1532-1535
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure of Ga1-xCrxN and Si-doping effects studied by photoemission and X-ray absorption spectroscopy (2008)
  • 著者名/発表者名: G. S. Song, M. Kobayashi, J. I. Hwang, T. Kataoka, M. Takizawa, A. Fujimori, T. Ohkouchi, Y. Takeda, T. Okane, Y. Saitoh, H. Yamagami, F.-H. Chang, L. Lee, H.-J. Lin, D. J. Huang, C. T. Chen, S. Kimura, M. Funakoshi, S. Hasegawa, and H. Asahi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 78 ページ: 033304-1-033304-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large magnetization in high Gdconcentration GaGdN and Si-doped GaGdN grown at low temperatures (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, S. W. Choi, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 92 ページ: 6062505-1-6062505-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low temperature molecular-beam epitaxy growth of cubic GaCrN (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, Y. Yamauchi, Y. K. Zhou, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 310 ページ: 40-46
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cr atom alignment in Cr-delta-doped GaN (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, H. Ofuchi, Y. Nakata, Y. K. Zhou, C. W. Choi, Y. Yamauchi, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: American Institute of Physics CP 882 ページ: 410-412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth and Characterization of Ferromagnetic Cubic GaCrN: Structural and magnetic properties (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, H. Ofuchi, Y .K. Zhou, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 301-322 ページ: 651-655
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular-beam epitaxy growth and characterization of ferromagnetic cubic GaCrN on GaAs substrate (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kobayashi, S. Shanthi, S. Kimura, Y. K. Zhou, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 308 ページ: 58-62
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunnel magnetoresistance in GaCrN/AlN/GaCrN ferromagnetic semiconductor tunnel junctions (2006)
  • 著者名/発表者名: M. S. Kim, Y. K. Zhou, M. Funakoshi, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 89 ページ: 232511-1-232511-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local crystal structure and local electronic structure around Cr in low-temperature-grown GaCrN layers (2006)
  • 著者名/発表者名: M. Hashimoto, S. Emura, H. Tanaka, T. Honma, N. Umesaki, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Appl Phys 100 ページ: 103907-1-103907-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetism in short-period GaGdN/GaN superlattices grown by RF-MBE (2006)
  • 著者名/発表者名: S. W. Choi, Y. K. Zhou, M. S. Kim, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Phys. Stat. Sol (a)203 ページ: 2774-2777
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nature of deep level defects in GaCrN diluted magnetic semiconductor (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Shanthi, S. Kimura, M.S. Kim, S. Kobayashi, Y.K. Zhou, H. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 45(4B) ページ: 3522-3525
  • 査読あり
• [雑誌論文] optical and electrical properties of GaN and AlN doped with rare-earth element Gd (2006)
  • 著者名/発表者名: S. W. Choi, Y. K. Zhou, S. Emura, N. Teraguchi, A. Suzuki and H. Asahi, Magnetic
  • 雑誌名: Phys. Stat. Sol (c)3 ページ: 2250-2253
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetic cubic GaCrN epitaxial growth over MgO substarte-effect of growth condition (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Shanthi, Y.K. Zhou, M.S. Kim, S. Kobayashi, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 45(1A) ページ: 76-78
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emission spectra from AlN and GaN doped with rare earth elements (2006)
  • 著者名/発表者名: S. W. Choi, S. Emura, S. Kimura, M. S. Kim, Y. K. Zhou, N. Teraguchi, A. Suzuki, A. Yanase, and H. Asahi
  • 雑誌名: J. Alloys and Compounds 408-412 ページ: 717-720
  • 査読あり
• [学会発表] Ferromagnetism and Luminescence of Diluted Magnetic Semiconductors GaGdN and AlGdN (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Emura, M. Takahashi, H. Tambo, T. Nakamura, Y.K Zhou, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: 2008 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: ボストン(米国)(招待講演)
  • 年月日: 2008-12-02
• [学会発表] Growth and characterization of transition-metal and rare-earth doped III-nitride based magnetic semiconductors for nano-spintronics(招待講演) (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Asahi, S. Hasegawa, S. Emura and Y. K. Zhou
  • 学会等名: 4th Handai Nanoscinece and Nanotechnology International Symposium
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2008-10-01
• [学会発表] Crystal growth and characterization of GaCrN nanorods on Si substrate (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Tambo, S. Kimura, Y. Yamauchi, Y. Hiromura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Growth of III-Nitrides
  • 発表場所: 伊豆
  • 年月日: 2008-10-01
• [学会発表] Magnetic properties of GaGdN studied by SQUID and SX-MCD (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi, Y. K. Zhou, S. Emura, T. Nakamura, S. Hasegawa and H Asahi
  • 学会等名: 5th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Semiconductors
  • 発表場所: Foz do Iguacu(ブラジル)
  • 年月日: 2008-08-05
• [学会発表] Annealing effect in GaDyN on optical and magnetic properties (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, M. Takahashi, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: 5th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Semiconductors
  • 発表場所: Foz do Iguacu(ブラジル)
  • 年月日: 2008-08-04
• [学会発表] Structural properties of AlCrN (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, K. Tokuda, Y. K. Zhou, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: GaCrN and InCrN, 15th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
  • 発表場所: バンクーバー(カナダ)
  • 年月日: 2008-08-04
• [学会発表] Third magnetic phase of GaGdN detected by SX-MCD (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Takahashi, Y. Hiromura, S. Emura, T. Nakamura Y. K. Zhou, S. Hasegawa and H Asahi
  • 学会等名: 29th International Conference on Physics of Semiconductors
  • 発表場所: リオデジャネイロ(ブラジル)
  • 年月日: 2008-07-29
• [学会発表] Orbital ordering on dilute Cr3+ ions doped in GaN (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Emura, S. Kimura, K. Tokuda, Y. K. Zhou, S. Hasegawa and H Asahi
  • 学会等名: 29th International Conference on Physics of Semiconductors
  • 発表場所: リオデジャネイロ(ブラジル)
  • 年月日: 2008-07-29
• [学会発表] Formation of aligned CrN nano-clusters in Cr-delta-doped GaN (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: International Conference on Quantum Simulators and Design 2008
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2008-06-01
• [学会発表] Growth and characterization of InCrN and (In, Ga, Cr)N diluted magnetic semiconductors (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, Y. Hiromura, Y. K. Zhou, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: 7th International Conference on Nitride Semiconductors
  • 発表場所: ラスベガス(米国)
  • 年月日: 2007-09-19
• [学会発表] High Gd concentration GaGdN grown at low temperature (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, S.W. Choi, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: SpinTech-IV
  • 発表場所: ハワイ(米国)
  • 年月日: 2007-06-21
• [学会発表] MBE Growth and Characterization of Rare-Earth Doped Nitride Semiconductors for Spintronics (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Asahi, Y.K. Zhou, S. Emura and S. Hasegawa
  • 学会等名: E-MRS2007
  • 発表場所: ストラスブルグ(フランス)(招待講演)
  • 年月日: 2007-05-29
• [学会発表] Evolution of Cr-doped and Gd-doped GaN layers grown at low temperatures (2006)
  • 著者名/発表者名: Y. K. Zhou, S.W. Choi, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: IUMRS International Conference in Asia 2006【最優秀論文賞】
  • 発表場所: チェジュ島(韓国)
  • 年月日: 2006-09-12
• [学会発表] Magnetic properties of Gd-doped GaN single layer and GaGdN short period superlattices grown by RF-MBE (2006)
  • 著者名/発表者名: S. W. Choi, Y. K. Zhou, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: IUMRS International Conference in Asia 2006
  • 発表場所: チェジュ島(韓国)
  • 年月日: 2006-09-12
• [学会発表] Electronic structure of ferromagnetic element Cr in DMS GaCrN observed in X-ray absorption spectra (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Emura, S. Kimura, M. Hashimoto, S. Kobayashi, S. W. Choi, M.S. Kim, Y. K. Zhou and H. Asahi
  • 学会等名: IUMRS International Conference in Asia 2006
  • 発表場所: チェジュ島(韓国)
  • 年月日: 2006-09-11
• [学会発表] Growth and Characterization of Ferromagnetic Cubic GaCrN (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Kabayashi, Y. K. Zhou, S. Choi, S. Subashcandran, H. Ofuchi, M. Ishimaru, Y. Hirotsu, S. Emura, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: 14th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2006-09-04
• [学会発表] Electronic State and Local Structure Analysis of GaGdN by HX-PES and XAFS (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Emura, S.W. Choi, J.J. Kim, S. Kimura, S. Kobayashi, Y. K. Zhou, K. Kobayashi, H. Asahi, N. Teraguchi and A. Suzuki
  • 学会等名: International Conference on Physics and Applications of Spin Related Phenomena in Semiconductors
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2006-08-17
• [学会発表] Magnetic properties of GaGdN/GaN superlattices grown by RF-MBE (2006)
  • 著者名/発表者名: S. W. Choi, Y. K. Zhou, S. Kimura, S. Emura, S. Hasegawa, and H. Asahi
  • 学会等名: International Conference on Physics and Applications of Spin Related Phenomena in Semiconductors
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 2006-08-17
• [学会発表] Cr atom alignment in Cr-delta-doped GaN (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Kimura, S. Emura, H. Ofuchi, Y. Nakata, Y. K. Zhou, C. W. Choi, Y. Yamauchi, S. Hasegawa and H. Asahi
  • 学会等名: The XIII International Conference on XAFS
  • 発表場所: スタンフォード(米国)
  • 年月日: 2006-07-13
• [図書] 薄膜ハンドブック (2008)
  • 著者名/発表者名: 朝日一
  • 総ページ数: 10-14
  • 出版者: オーム社
• [備考]
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/pem/
• [産業財産権] 磁性制御方法 (2006)
  • 発明者名: 江村修一、朝日一、周逸凱
  • 権利者名: 大阪大学
  • 産業財産権番号: 特許,特願2006-319153
  • 出願年月日: 2006-11-27
• [産業財産権] 強磁性材料 (2006)
  • 発明者名: 周逸凱、朝日一
  • 権利者名: 大阪大学
  • 産業財産権番号: 特願2006-294577
  • 出願年月日: 2006-10-30