室温強磁性半導体を用いた新しい半導体デバイスの …...2012.5.29 長岡技術科学大学新技術説明会 Nagaoka University of Technology 研究・技術開発の背景

2012.5.29 長岡技術科学大学新技術説明会Nagaoka University of Technology

室温強磁性半導体を用いた新しい半導体デバイスの創製

長岡技術科学大学

工学部

電気系

教授

内富直隆

[email protected]


研究・技術開発の背景

Spintronics

=

charge

+ Photon

+ spin

半導体半導体エレクトロニクスエレクトロニクス電荷制御電荷制御

半導体スピントロニクス半導体スピントロニクス電荷制御＋電荷制御＋スピン制御スピン制御


磁気抵抗素子への応用MRAM

(Magnetoresistive random access memory

書き込みワード線

読み出しワード線

ビット線

電流

磁界

TMR 素子

FET

金属ベース・スピントロニクス

スピン依存伝導を利用した、GMRやTMRはすでに実用化されているGMRセンサー：

ハードディスクドライブ（HDD)の高密度化・大容量化

不揮発性メモリー：トンネル磁気抵抗効果を用いたMRAM


半導体ベース・スピントロニクス

＞ドーピングなどによるキャリアの制御＞混晶やヘテロ接合の結晶成長とバンドエンジニアリング＞電子のスピンを制御する電子デバイスや光デバイスなどの能動素子＞半導体エレクトロニクスとの整合性が高い


■

磁性半導体の強磁性転移温度（キュリー温度）は、実用化のために

室温300 K以上が必要であること。

■

磁性半導体に望まれる要件の一つとして、現在利用できる半導体プ

ロセス技術と整合性があること。

希薄磁性半導体

GaMnAs

(1) キュリー温度が100 K以上と比較的高いこと。(2) III-V 化合物半導体プロセスと整合性があること.

スピントロニクスデバイスのプロトタイプが作製されている。

磁性半導体に求められる要件

半導体スピントロにクスを実現するために磁性半導体材料に求められる要件として、


III-V族希薄磁性半導体はGaAs基板に格子整合デバイス応用の可能性

磁性半導体の代表的な報告例


代表的な磁性半導体

GaMnAs

III-V族GaAsに磁性イオンMn2+を添加したGaMnAsはGaAs基板に格子整合することから、半導体スピントロニクスへの応用が期待され盛んに研

究されている。

結晶成長後の熱処理

Mn

濃度を増やす

（Ga1-x

Mnx

)As

1990 1995 2000 2005 20100

50

100

150

200

250

300

Reco

rd T

c(K

)

Date (year)

191K

185K

X=20%

Our data152k

GaMnAsのスピントロニクスデバイス応用のために、室温強磁性の実現に向けた研究が行われている。


300KCr incorporated during MBE2.37(Zn,Cr)Te

600KCo incorporated during MBE3.2TiO2:Co

~300Mn-implanted epi3.52ZnSiGeN2329KBridgman bulk growth0.65ZnSnAs2350KMn

incorporated by diff.< 2.8(ZnMn)GeP2

312Sealed ampule

growth; insulating; 5.6% Mn

1.83-2.8(Zn1-xMnx)GeP2

>330Mn

incorporated by implant or MBE; p ~1020 cm-3

2.2(Ga,Mn)P:C>400Cr incorporated during

MBE3.4(Ga,Cr)N

940Mn

incorporated during MBE3.4(Ga,Mn)N

>300Mn

incorporated during MBE; n-type

3.4(Ga,Mn)N

228-370Mn

incorporated by diffn3.4(Ga,Mn)N

>300Solid-phase reaction of evap. Mn

1.72Cd1-xMnxGeP2(eV)

TC(K)SynthesisBandgapMaterial

室温強磁性半導体の報告例

利用できる室温強磁性半導体は？


II-VI族希薄磁性半導体：

MnはII族サイトをII族イオンとして置換するためキャリアは導入されない

III-V族希薄磁性半導体：

MnはIII族サイトII族イオンとして置換するためホールが導入される

> 通常、Mn間に反強磁性的相互作用が働く> Mnの固溶度が大きい

> ホール

を介在した強磁性的相互作用が働く> Mnの固溶度が小さい

II-IV-V2族希薄磁性半導体: Mn添加はII-VI族とIII-V族の両方の効果が期待できる

II-IV-V2族希薄磁性半導体への期待

Mn

As

Zn

Sn

Zn

Te

Cd

Cd

Mn

Cd

Ga

As

GaGa

Mn

> ホールを介在した強磁性的相互作用が働く> Mnの固溶度が大きい

CdMnTe

GaMnAs

ZnSnAs2:Mn


カルコパイライト型半導体（ＩＩ－ＩＶ－Ｖ２）

新しい室温強磁性半導体の提案ZnSnAs2

磁性原子Mnを添加

Mn

MnZn

Sn

As

格子整合室温強磁性半導体

ZnSnAs2 ZnSnAs2:Mn

5B 13Al 31Ga 49In 81Tl

6C 14Si 32Ge 50Sn 82Pb

7N 15P 33As 51Sb 83Bi

30Zn 48Cd80Hg

IIB

IIIA IVA VA


三元化合物半導体

ZnSnAs2

ZnSnAs2

InP

a=5.869Å

a=5.853Å

InP基板上で磁性半導体を含む半導体デバイスの可能性


Ultra High Vacuum System

~10‐10Torr

molecular flow with minimum collision

slow grow rate

~1Å/s

nanoscale

capability

in situ monitoring

probing surface structure during growth

real time feedback of growth rate

high purity source material

~99.9999%

excellent epitaxial film quality

high control of composition

shutter

cell temperature

Zn

SnEffusion cells

Cryo

panel (LN2

)

(LN2

)

substrateFluorescent screen

~10-10

Torr

RHEED gun

view port

Mn

As

substrate heater

UHV pump

ion gauge

substrate stage

Source oven

shutter

分子線エピタキシーを用いる

MBEMn:ZnSnAs2薄膜の作製方法


6 2 .0 6 2 .5 6 3 .0 6 3 .5 6 4 .0 6 4 .5 6 5 .0

In P

In P

InP

Zn Sn A s2

Z n S n A s2

ZnSnA s2

Zn3A s

2

T s= 3 20oC

Ts= 30 0oC

T s= 2 80oC

In P (0 0 4 ) p eak

inte

nsity

[arb

. uni

ts]

2 [d eg ]

Ts= 2 6 5oCZn 3A s 2

2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0 3 0 0 3 1 0 3 2 0 3 3 00

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0A s

Sn

% co

mpo

sitio

nS u b stra te tem p era tu re T

S [

oC ]

Zn Sn A sZ n

@ Ts=300°C最適

TS 300ºC

ZnSnAs2薄膜の成膜条件


1nm

ZnSnAs2

InP

High interfacial quality

ZnSnAs2/InP界面のTEM


ZnSnAs2:Mn=2.4%

InPa=0.5869c=0.5869ZnSnAs2a=0.5869c=0.5918

InPa=0.5869c=0.5869ZnSnAs2a=0.5869c=0.5918

ZnSnAs2:Mn/InPの逆格子空間マップ

Δｃ＝０．０４９Å

ZnSnAs2:Mn=5%


0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0-0 .5

0 .0

0 .5

1 .0

1 .5

2 .0

M [a

rb. u

nits

]

T [K ]

3 3 3 K

InP substrate

ZnSnAs2

:Mn

Applied H=300 öe

-5 0 0 0 -2 5 0 0 0 2 5 0 0 5 0 0 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

5K

300K

1.5B/Mn atom

M [

emu

/cm

3]

H [O e ]

Mn：ZnSnAs2薄膜の室温強磁性

Ｔｃ～３３３Ｋ

Mn:4%


17

In-plane In-plane

ZnSnAs2：Mn

薄膜のM-H曲線

ZnSnAs2:Mn (5%), Mn(7%)


磁界

H

偏光子１偏光子２

ファラデー回転素子

永久磁石

光アイソレータ４５度偏光方向

光アイソレータは、順方向には光を通すが逆方向には光を通さない素子である。光通信では、半導体レーザの戻り光が発振モードの変化、周波数特性の劣化、

雑音発生の原因となるために、光アイソレータによって戻り光を抑制する

想定される用途

１

磁気光学効果を示す材料が必要

磁気光学応用への可能性


導波型薄膜光アイソレータへの応用

Magnetic-optic film(Mn-ZnSnAs2 film)Rib waveguide

InP substrate

室温強磁性半導体Mn-ZnSnAs2薄膜を用いたInP光・電子集積回路と半導体導波路光アイソレータの一体化の可能性

Magnetic field

Linearly polarized light

Faraday rotation

非相反性


0ZE 0ZERashbaスピン軌道相互作用

真空中のスピン軌道相互作用

zV(z)

eE(z)

1

effB

想定される用途

２

これまで、電子のスピンは磁場によって制御されてきた。

半導体量子井戸構造では、スピン軌道相互作用により電子スピンを電場で制御することができる

２次元電子２次元電子

有効磁場

2

02 cmEPH BSO

電子スピンの電場制御の可能性


InGaAs

InAlAs

ZnSnAs(Mn) ZnSnAs(Mn)

InP

GateDMS DrainDMS Source

スピン

注入スピン

検出

>Spin polarized field effect transistor (SPIN FET)

S.Datta

and B.Das, Appl.Phys.Lett. 56,665 (1990)

)(])(

[ UpXEE

PHSO

1113 200

20

2

InPベーススピンFETへの応用

Rashba

Spintronics

スピン伝導

強磁性半導体Mn添加ZnSnAs2をスピン注入・検出の電極として使用する


• 現在、磁性半導体薄膜（ＺｎＳｎＡｓ２：Ｍｎ）について薄膜形成が可能なところまで開発済み。

しかし、デバイス応用の点が未解決である。

• 今後、磁性半導体薄膜（ＺｎＳｎＡｓ２：Ｍｎ）について実験データを蓄積し、トンネル磁気抵抗素子などに応用することでデバイス応用の可能性を実証予定。

実用化に向けた課題


•

発明の名称

：磁性半導体薄膜及び磁性半導体薄膜の製造方法

•

出願番号：特願2006-238022

•

出願人

：長岡技術科学大学

•

発明者

：内富直隆

本技術に関する知的財産権


長岡技術科学大学

総務部

産学・地域連携課

知的財産係

ＴＥＬ

０２５８－４７

－９２７９

ＦＡＸ

０２５８－４７

－９０４０

e-mail

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お問い合わせ先

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