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荷電制御強磁性半導体 コモンズ

国内特許コード P06P004501
整理番号 T26
掲載日 2006年10月5日
出願番号 特願2005-076104
公開番号 特開2006-261353
登録番号 特許第4446092号
出願日 平成17年3月16日(2005.3.16)
公開日 平成18年9月28日(2006.9.28)
登録日 平成22年1月29日(2010.1.29)
発明者
  • 黒田 眞司
  • 西沢 望
  • 尾崎 信彦
  • 瀧田 宏樹
出願人
  • 学校法人筑波大学
発明の名称 荷電制御強磁性半導体 コモンズ
発明の概要

【課題】室温以上の温度で強磁性転移を示し、その強磁性-常磁性間の転移を外部電界などのパラメーターで制御できる荷電制御強磁性半導体を実現する。
【解決手段】GaAsで形成された基板上に、II-VI族半導体であるZnTeにCrを添加した半導体であり、Cr組成5%の結晶で、ドーパントを同時に添加して成る薄膜を、分子線エピタキシー法により、結晶成長させて荷電制御強磁性半導体を製造し、添加するドーパントがp型の場合には、強磁性転移温度は低下し、逆にn型の場合には強磁性転移温度は上昇し、Cr組成を一定にしたまま、添加したドーパントの型および濃度により強磁性転移温度を変化させることが可能である。
【選択図】図4

従来技術、競合技術の概要


近年、半導体エレクトロニクスにおいて電子のスピンを利用したデバイス機能を実現しようとする「スピンエレクトロニクス」という新しい分野の研究が進展し、近い将来における実現が期待されている。



これは電子の電荷だけを利用する既存のエレクトロニクスの高度化(微細化、高速化、低消費電力化)あるいはこれまで実現不可能だった全く新しい機能(量子情報処理など)の実現が期待されるフロンティアである。



このスピンエレクトロニクスにおいて、半導体の構成元素の一部を磁性を有する原子(遷移元素、希土類元素など)で置換した半導体(希薄磁性半導体)は電子スピン制御の観点から重要な材料であり、その中でもとりわけ磁性原子の磁気モーメントが自発的に揃う「強磁性半導体」は、スピンの揃った自由電子の供給源など半導体スピンエレクトロニクスにおける基本的な機能実現のために必要な新材料と考えられる。



実用的なデバイス実現のためには、室温以上の温度で強磁性転移を示し、その強磁性-常磁性間の転移を外部電界などのパラメーターで制御できる半導体材料の開発が必須である。本発明はこの強磁性半導体の新しい材料開発に関するものである。



従来、強磁性半導体としてはMn添加のGaAsが最も良く研究されており、スピンエレクトロニクス・デバイス機能のデモンストレーションも報告されている。ただ強磁性転移温度が最高で200K程度と室温に達していないこと、および添加したMnが同時にアクセプターとして正孔を供給しそれが媒介して強磁性を発現するというメカニズムのため、強磁性を保ったままキャリアの型・濃度を制御することが困難である。



最近これに代わり、Cr添加のII-VI族半導体が強磁性半導体として注目されている。具体的には、理論計算に基づくCrあるいはV添加のII-VI族半導体における室温強磁性の予測について報告されている(非特許文献1および特許文献1)。



さらに、Cr添加のII-VI族半導体の試料作製および実験について報告され(非特許文献2および特許文献2)、その中で、II-VI族半導体ZnTeにCrを20%添加することにより、室温での強磁性転移が実現できることを示している。

【非特許文献1】K. Sato and H. Katayama-Yoshida, `Ab initio study on the magnetism in ZnO-, ZnS-, ZnSe- and ZnTe-based diluted magnetic semiconductors’ physica status solidi (b) vol.229, No.2, pp. 673-680 (2002).[著者: 佐藤 和則、吉田 博、 タイトル「ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTeベース希薄磁性半導体の磁性に関する第一原理計算による研究」、雑誌名: physica status soilidi (b)、発行所: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, (Weinheim, Germany)、発行日: 2002年1月、 229巻2号673-680頁]

【非特許文献2】H. Saito, V. Zayets, S. Yamagata, and K. Ando, ‘Room-temperature ferromagnetism in a II-VI diluted magnetic semiconductor Zn1-xCrxTe’, Physical Review Letters vol.90, No.20, 207202, 1-4 (2003).[著者: 齋藤 秀和、V. Zayets, 山形 伸二、安藤 功兒、タイトル「II-VI族希薄磁性半導体Zn1-xCrxTeにおける室温強磁性」、雑誌名: Physical Review Letters, 発行所: American Physical Society (U.S.A.)、発行日: 2003年5月20日、90巻20号207202番1-4頁]

【特許文献1】特開2002-255698号公報

【特許文献2】特開2003-318026号公報

産業上の利用分野


この発明は、荷電制御強磁性半導体に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
II-VI族半導体のII族原子がCrで置換され、II-VI族半導体のバンドギャップ中にCrのd電子の局在準位が形成されて成り、該d電子の局在準位中にあるフェルミ準位が、添加されるドーパントの濃度によってシフトして強磁性相互作用及び強磁性転移温度が変化する荷電制御強磁性半導体において、
前記Cr濃度は一定であり、
前記電子の局在準位中にあるフェルミ準位が、前記d電子状態密度が最大となる位置になるような濃度でn型ドーパントが添加されていることを特徴とする荷電制御強磁性半導体。

【請求項2】
前記Cr組成は、CrがII族原子を置換した混晶が高品質の単結晶として成長できる7%以下の範囲であり、強磁性転移温度が室温であることを特徴とする請求項1記載の荷電制御強磁性半導体。

【請求項3】
外部電界によりフェルミ準位を変調させることにより、強磁性―常磁性の磁気転移を制御できる電界効果トランジスター構造として適用されることを特徴とする請求項1又は2記載の荷電制御強磁性半導体。
産業区分
  • 磁性材料
  • 磁性材料
  • 固体素子
  • 電子応用機器
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005076104thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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