2015 Fiscal Year Annual Research Report
有機強誘電体／シリコン系希薄磁性半導体へテロ接合における電界効果スピン制御
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14J11716
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
宮田 祐輔 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 希薄磁性半導体 / 磁気伝導特性 / 分子線エピタキシ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
希土類元素を添加した半導体は、希土類元素に起因する発光特性や磁気物性を発現するため、古くから研究されている機能性材料である。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を共添加することで得られたp型の伝導特性を有するSi:Ce（Si:Ce,B）における磁気伝導特性を詳細に検討し、Ceの局在スピンが影響する磁気物性の発現を目指した。
Bの昇華性を考慮し、Siのフラックス速度を変化させ正孔濃度制御を試みた結果、縮退や非縮退伝導を示すSi:Ce,Bを得ることに成功した。これらの試料は以下に示す特異な磁気抵抗効果（MR）を発現している。正孔濃度1020cm-3オーダーの縮退伝導を示す試料では、80K以下の低温で温度減少に伴い増大する正のMRを発現する。しかし、Ceを添加していない試料においても同様のMRが観測されたため、p-f交換相互作用などCe添加によるMRではないと考えられる。一方で、正孔濃度1019cm-3以下の非縮退な半導体的伝導特性を有するSi:Ce,Bにおいては、正孔濃度やCe濃度に依存した負のMRが観測された。本試料の正孔は強く束縛され、弱局在モデルが適用できない。そこでスピン秩序モデルを用いてMRの解析を行った結果、理論式を用いたフィッティングは実験結果をよく説明できた。従って、スピン秩序モデル、すなわちCeの局在スピンが磁場印加によって部分的に整列し抵抗率が減少することによってMRが発現している可能性が示された。希土類元素を添加したSi薄膜におけるMRと伝導キャリアの相関を明らかにした報告はこれまでに無く、電場を用いたスピン制御に繋がる重要な成果と考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」に示した負のMR発現は、本研究の目的である電界効果スピン制御を達成するための重要な成果である。これまで、Bの昇華性によって高正孔濃度な縮退伝導を示すSi:Ce,Bしか得られなかったが、Siのフラックス速度を調整することによって、正孔濃度が系統的に変化するSi:Ce,Bを得ることに成功した。これにより、当初の計画通りSi:Ce中でCeの局在スピンに依存した伝導を観測するに至った。
Si:Ceのスピン依存伝導を電界制御するための強誘電体ゲート電界効果トランジスタの作製も並行して行っている。Ceの酸化抑制のため、135℃以下の低温で作製可能な有機強誘電体P(VDF-TrFE)薄膜に着目し、Si/P(VDF-TrFE)界面を利用した不揮発な伝導制御を試みている。現在、5V以下の電圧で強誘電性由来のヒステリシスを示すと同時に明瞭なON/OFF比が得られるトランジスタの作製に成功している。
また、Ceの固溶限界を増大させるためにGeの自己形成ナノドットを用いたドーピング法についても検討している。Geナノドット中のCeの置換型固溶限界はSi薄膜の固溶限界の3.5倍に相当する0.7at.%であることを明らかにした。Ce添加Geナノドットはこの置換型固溶限界を境に特異な磁気特性も観測されており、Ceの4f軌道に起因する新奇な磁気物性の発現も期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、Si:Ce薄膜における磁気物性発現メカニズムの解明、及び電界制御を目指す。Ceの固溶状態と相関のある正のMRについては、その温度依存性や異方性が十分に解明されていない。また、再構成表面を用いた高濃度Ce添加によって50%もの室温MRが観測された結果も得られており、Ceの固溶状態と電子状態・磁気物性の相関についてより詳細な検討を行う。p型Si:Ce,Bにおける負のMRについても、より詳細な温度依存性・異方性・Ceの固溶状態との相関を解明する。負のMRの起源がスピン秩序モデルで説明できるならば、置換型Ceの濃度とMR比や磁気秩序温度に相関があると考えられる。従って、キャリア濃度だけでなく、Ce濃度を系統的に変化させた試料におけるMRを評価し、その発現メカニズムを解明する。
現在までの進捗状況にも記載した通り、有機強誘電体薄膜をゲートに用いた電界効果トランジスタの作製も試みている。チャネル層にSi:Ce薄膜を用いた場合、低温成長に起因する高いドナー密度の影響で空乏層が数十nm以下しか形成されないため、明瞭なON/OFF比が得られない。そこで、高抵抗バッファ層上に10nm程度のSi:Ce薄膜を堆積させ、膜厚方向の伝導を抑制する。特に、Ceが高濃度に分布し、かつ極めて高い表面平坦性を有する再構成表面を利用することで、高濃度Ce添加Si中における磁気伝導特性の伝導キャリア依存性を解明する。
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Research Products
(7 results)
