(57)【要約】光を透過するＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を用いて安定した強磁性特性を得る。ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、Ｃｃ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属よりなる群から選ばれる少なくとも一種の金属が含有されている。そしてこれらの希土類金属濃度の調整、およびこれらの希土類金属からの二種類以上の金属の組み合わせ、ｐ型およびｎ型ドーパントの添加などにより強磁性特性を調整する。
2003105162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属が含有されていることを特徴とする強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体。
【請求項２】
ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体。
【請求項３】
ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体に、Ｇｄと共にドナーが含有されていることを特徴とする強磁性ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体。
【請求項４】
ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされていることを特徴とする請求の範囲第３項記載の強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体。
【請求項５】
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の半導体を用い、その磁気光学効果を利用する磁気光学スピンエレクトロニクスデバイス。
【請求項６】
ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、
（１）Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属元素
（２）前記希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属元素と、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、および
（３）前記（１）または（２）と、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方、
のいずれかを添加し、前記希土類金属元素の組合せにより強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整する方法。
【請求項７】
強磁性特性が強磁性転移温度であることを特徴とする請求の範囲第６項記載の強磁性特性を調整する方法。
【請求項８】
請求の範囲第６項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、強磁性のエネルギー状態を調整するとともに、該金属元素自身により導入されたホールまたは電子による運動エネルギーによって全エネルギーを低下させることにより、強磁性状態を安定化させる方法。
【請求項９】
請求の範囲第６項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、該希土類金属元素自身により導入されたホールまたは電子によって、希土類金属原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御するとともに、該希土類金属元素の混晶による光の透過特性を制御することにより、所望の光フィルタ特性を有する強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体とする方法。
【請求項１０】
ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、
（１）Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、
（２）前記希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、および
（３）前記（１）または（２）と、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方、
のいずれかを添加し、前記希土類金属元素、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素またはｎ型ドーパントもしくはｐ型ドーパントの濃度の調整により強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整する方法。
【請求項１１】
強磁性特性が強磁性転移温度であることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の強磁性特性を調整する方法。
【請求項１２】
請求の範囲第１０項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、強磁性のエネルギー状態を調整するとともに、該金属元素自身により導入されたホールまたは電子による運動エネルギーによって全エネルギーを低下させることにより、強磁性状態を安定化させる方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１０項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、該希土類金属元素自身により導入されたホールまたは電子によって、希土類金属原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御するとともに、該希土類金属元素の混晶による光の透過特性を制御することにより、所望の光フィルタ特性を有する強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体とする方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、赤外光から紫外光までの光を透過するＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を混晶させることにより強磁性特性を実現させた単結晶の強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体およびこれらの半導体の強磁性特性の調整方法に関する。
背景技術
光を透過しながら強磁性特性を有する単結晶の強磁性薄膜が得られれば、大量の情報伝達に必要な光アイソレータや光による高密度磁気記録が可能になり、将来の大量情報伝達に必要な電子磁気材料を作製することができる。そのため、光を透過しながら強磁性を有する材料が望まれている。
一方、ダイヤモンドなどのＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体は、そのバンドギャップ（Ｅｇ）が大きく〔ダイヤモンド（Ｅｇ＝５．４ｅＶ）、ＺｎＳｅ（Ｅｇ＝２．７ｅＶ）、ＺｎＯ（Ｅｇ＝３．３ｅＶ）、ＺｎＳ（Ｅｇ＝３．９ｅＶ）、ＧａＮ（Ｅｇ＝３．３ｅＶ）、ＡｌＮ（Ｅｇ＝６．４ｅＶ）、ＢＮ（Ｅｇ＝６．４ｅＶ）〕、赤色から紫外の波長の光でも透過するという性質を有すると共に、そのエキシトンの結合エネルギーが大きく、これらの材料で強磁性が得られればコヒーレントなスピン状態を利用した光量子コンピュータなどスピンエレクトロニクスのための光デバイス作製のために大きな発展が期待される。
本発明者らは、先に、遷移金属を含有する強磁性ＺｎＯ系化合物およびその強磁性特性の調整方法に関する発明を特許出願した（特許文献１）。
しかし、従来は、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ化合物半導体に希土類金属をドープした強磁性状態の報告例はなく、高い強磁性転移温度（キューリー点）をもつＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性状態の実現は報告されていない。また、シリコンテクノロジーとの関連で強磁性を示すシリコンも強磁性の報告例がなく、シリコンにおいて強磁性が実現できればその応用範囲が広がる。
特許文献１：特開２００１−１３０９１５号公報
発明の開示
前述のように、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を用いて安定した強磁性特性が得られれば、そのエキシトンの結合エネルギーが大きいＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体からなる半導体レーザなどの発光素子と組み合わせて利用することができ、しかも、磁気光学効果を利用する磁気光学スピンエレクトロニクスのデバイス応用において非常に用途が大きくなる。
さらに、前述のように、光を照射し、磁化状態を変化させることにより、強磁性体メモリを構成する場合、強磁性転移温度（キュリー温度）を光の照射により変化するような温度（室温よりわずかに高い温度）に設定するなど、強磁性特性が所望の特性になるように作製する必要がある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、光を透過するＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を用いて、強磁性が得られるＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を作成するに当り、例えば、強磁性転移温度などの、その強磁性特性を調整することができる強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整する方法を提供することにある。
本発明者らは、光を透過する材料として特に適したワイドバンドギャップをもつＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を用い、強磁性特性を有する単結晶を得るため鋭意検討を重ねた。
その結果、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属は、非平衡結晶成長法により低温でＩＶ族系半導体のＳｉや、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のＧａやＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体のＺｎなどの金属イオンの１ａｔ％〜２５ａｔ％程度を置き換え（混晶化させ）ても十分に単結晶が得られることを見出した。
また、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属をＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に混晶させると、電子状態の変化によりホールまたは電子をドープする（電子を増やしたり減らす）ことにより、強磁性が得られることを見出した。
ただし、ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体にＧｄを単独で混晶しても強磁性を示さないが、この場合も酸素などのドナーをドープすることにより強磁性が得られることを見出した。
さらに、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属をＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に混晶させることにより、４ｆ電子にホールを添加したのと同様の効果が得られることを見出した。
このように、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属をＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に混晶させるだけで安定した強磁性状態にすることができる。
そして、本発明者らが、さらに鋭意検討を重ねた結果、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素は、電子スピンｓ＝１／２、１、３／２、２、５／２、３、７／２をもつ高スピン状態となり、その含有濃度を変化したり、これらの元素の２種類以上の組合せや、その割合を変えた混晶にしたり、ｎ型および／またはｐ型のドーパントを添加したりすることにより、強磁性転移温度を変化させ得ることを見出した。
また、同様にして、反強磁性や常磁性状態より強磁性状態を安定化させ得ること、その強磁性状態のエネルギー（例えば、僅かの差で反強磁性的なスピングラス状態になるが、通常は強磁性状態を維持するエネルギー）を調整し得ることを見出した。
さらに、前述の希土類金属元素の種類により最低透過波長が異なり、これらの元素の２種類以上を選択的に混晶することにより、所望のフィルタ機能をもたせ得ることを見出した。
このように、これらの希土類金属元素の濃度や混合割合を調整することにより、所望の磁気特性を有する単結晶で、かつ、強磁性のＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体が得られる。
すなわち、本発明の強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体は、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属が含有されているものである。
ここに、ＩＶ族系半導体とは、Ｓｉ、ダイヤモンド、またはＧｅである。また、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体とは、ＩＩＩ族原子であるＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、またはＴｌとＶ族原子であるＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、またはＢｉとの組み合わせからできる化合物であり、具体的には、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、またはＢＮ等である。また、ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体とは、ＩＩ族原子であるＢｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃａ、Ｓｒ、またはＢａとＶＩ族原子であるＯ、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅとの組み合わせからできる化合物であり、具体的には、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＣｄＳ、またはＣｄＳｅ等である。
前述の希土類金属元素は、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｇａ、ＡｌやＩｎなどの金属元素とイオン半径が比較的近く、非平衡結晶成長法により低温で１ａｔ％〜２５ａｔ％位まで固溶しても母体半導体構造の単結晶を維持すると共に、その透明性を維持しながら、母体半導体構造で強磁性の性質を呈する。
前記、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属が前述の半導体に含有されることにより、その金属元素の４ｆ電子の原子準位とｐ−ｆ混成の状態がそれぞれ異なり、ホールまたは電子をドープするよりも直接的に、これらの強磁性特性が変化し、強磁性転移温度などの強磁性特性を調整することができる。
ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされても、ドーパントは、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の母体に入るため、希土類金属元素間の影響のように直接的ではないが、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体を構成する原子に近い４ｆ電子に作用して、ホールまたは電子が変動し、その強磁性特性を調整することができる。
本発明によるＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性の調整方法は、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、
（１）Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属元素、
（２）前記希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属元素と、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、および
（３）前記（１）または（２）と、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方、
のいずれかを添加し、前記希土類金属元素の組合せにより強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整することを特徴とする。
また、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、
（１）Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素
（２）前記希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、および
（３）前記（１）または（２）と、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方、
のいずれかを添加し、前記希土類金属元素、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、またはｎ型ドーパントもしくはｐ型ドーパントの濃度の調整により強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整することを特徴とする。
具体的には、前記方法により、強磁性特性の一つである強磁性転移温度を所望の温度に調整することができる。
また、前記（２）に列記される希土類金属元素の少なくとも１種以上とアクチニド元素の少なくとも１種以上を混晶させ、強磁性のエネルギー状態を調整すると共に、該金属元素自身により導入されたホールまたは電子による運動エネルギーによって全エネルギーを低下させることにより、強磁性状態を安定化させることができる。
また、前記（２）に列記される希土類金属元素の少なくとも１種以上とアクチニド元素の少なくとも１種以上を混晶させ、該希土類金属元素自身により導入されたホールまたは電子によって、金属原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御することにより、強磁性状態を安定化させることができる。
さらに、前記（２）に列記される希土類金属元素の少なくとも１種以上とアクチニド元素の少なくとも１種以上を混晶させ、該希土類金属元素自身により導入されたホールまたは電子によって、金属原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御すると共に、該希土類金属元素とアクチニド元素との混晶による光の透過特性を制御することにより、所望の光フィルタ特性を有する強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体とすることができる。
さらに、希土類金属磁性半導体の磁気状態を反映した、希土類元素固有のシャープで温度変化しない発光を用いて円偏光した光を発生させることができる。
紫外光で励起したときの発光波長の温度依存性を観測すると液体ヘリウム温度から室温まで全く変化しないが、これは４ｆ内殻電子の基底状態と励起状態にエネルギー準位がシャープであり、格子振動や母体半導体の湿度依存性の影響を全く無視できるため温度変化しないと考えられる。これまで、ＡｌＧａＳｂ発光素子による発光を用いた光通信が行われているが、このとき、温度変化による波長変化が起こるためにペルチェ素子などの使用を必要としている。本発明の半導体は、温度によって波長変化しないことから、高性能光通信に適する。
４ｆ電子がゼロのＬａを除くランタノイド元素に属する希土類金属イオンの４ｆ電子状態は希土類金属の原子位置に強く局在し、高スピン状態による大きな電子スピンと軌道角運動量による軌道角運動量スピンをもっている。また、４ｆ電子と価電子の５ｄ電子はｌｅＶ（８０００Ｋに相当）の強い強磁性スピン相互作用をしている。これらを半導体に固溶することにより強磁性状態が安定化し、半導体中のバンドギャップに形成されるバンド幅の狭い、部分的に電子によって占有された、電子相関エネルギーの大きな不純物バンドを利用して、バンドエネルギーの利得により、強磁性状態を実現することが出来る。
第１図は、ＳｉにＧｄを５ａｔ％ドープしたときの全状態密度と５ｄの部分状態密度である。↑スピンと↓スピンの全状態密度から鋭いピークをつくるものは４ｆ電子状態であり、↑スピンと↓スピンで大きな交換分裂が生じ、大きな磁気モーメントを持つ強磁性状態となっていることがわかる。
第２図は、ＳｉにＥｕを５ａｔ％ドープしたときの全状態密度と５ｄの部分状態密度である。↑スピンと↓スピンの全状態密度から鋭いピークをつくるものは４ｆ電子状態であり、↑スピンと↓スピンで大きな交換分裂が生じ、大きな磁気モーメントを持つ強磁性状態となっていることがわかる。
第３図は、ＳｉにＣｅを５ａｔ％ドープしたときの全状態密度と５ｄの部分状態密度である。↑スピンと↓スピンの全状態密度から鋭いピークをつくるものは４ｆ電子状態であり、↑スピンと↓スピンで大きな交換分裂が生じ、大きな磁気モーメントを持つ強磁性状態となっていることがわかる。
本発明により、希土類元素の種類の選択や濃度の調整により、例えば、ＡｌＮやＧａＮで室温を超える４００Ｋ以上の高い強磁性転移温度をもつ可視光を通す、透明な強磁性半導体が得られる。また、強磁性で透明な物質を光が透過するとき光の円偏向方向が回転する効果をカー効果という。大きな回転角が得られる方が光アイソレータなどの磁気光学効果を利用したデバイスとしての性能が優れている。ＧａＮやＡｌＮにＥｕをドープしたものやＧｄ＋Ｏをドープしたものでは可視領域で下記の様な大きなカー回転角（室温において、３ｍｍの厚さ）が得られる。
ＧａＮ：Ｅｕ（１０ａｔ％）……………１２０°
ＡｌＮ：Ｅｕ（８ａｔ％）……………１０５°
ＧａＮ：Ｇｄ（５ａｔ％）＋Ｏ（５ａｔ％）……………１１０°
ＡｌＮ：Ｇｄ（１０ａｔ％）＋Ｏ（１０ａｔ％）……………１３０°
例えば、ＧａＮやＡｌＮのＧａやＡｌ位置をＥｕで置換するとＥｕ３＋となるが、電子ドープすることにより大きく強磁性転移温度を制御することができ、カー回転角の大きさについてもＥｕ不純物濃度と電子ドープ量とを調整することによりその大きさを０から１５０度程度まで制御できる。
カー効果による巨大な磁気光学効果がえられるため、磁気光学光を使ったメモリーや演算装置または光アイソレータなどにおいて、高性能かが期待される。また、遷移金属を含有させた場合は３ｄ電子間の遷移により、その発光は幅の広い連続的なエネルギースペクトルとなり、しかも、温度に対してその波長が大きく変化する。これに対して、希土類金属は局在した４ｆ電子間の遷移によるものであり、シャープなスペクトルを持ち、しかも、温度に対してその波長が全く変化しない利点があり、将来のスピンエレクトロニクスを利用した情報通信に極めて有用である。
発明を実施するための最良の形態
次に、図面を参照しながら本発明の強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体およびその強磁性特性の調整方法について説明する。本発明の強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体は、ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属が含有されている。
以下、ＩＶ族系半導体としてＳｉを用いた場合について主に説明する。ＩＶ族系半導体のＳｉを用いて強磁性材料を得る場合、Ｇｄ、ＴｂまたはＤｙなどの希土類金属元素は、反強磁性的なスピングラス状態よりも、４ｆ電子が母体半導体Ｓｉの３ｐ電子と強くｐ−ｆ混成することにより、第４図における反強磁性スピングラス状態の全エネルギーと強磁性状態の全エネルギーとの差△Ｅが示されるように、いずれも、これらの希土類金属元素のみを単独で混晶させるだけで強磁性を示す。
この混晶割合は、Ｓｉに対して５ａｔ％の例であるが、混晶割合としては、数ａｔ％でも強磁性を示し、また、多くしても結晶性を害することがなく、１ａｔ％から１００ａｔ％、好ましくは５ａｔ％〜２５ａｔ％であれば、充分な強磁性を得やすい。この希土類金属元素は１種類である必要はなく、後述するように２種類以上を混晶化（合金化）することができる。
第５図は、このような希土類金属元素を含有するＳｉの薄膜を成膜するための装置の一例であるＭＢＥ装置の模式図であり、該装置は、１．３３×１０−６Ｐａ程度の超高真空を維持できるチャンバー１内の基板ホルダー４に、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣやサファイアなどからなる基板５を設置し、ヒータ７により基板５を加熱できるようになっている。
そして、基板ホルダー４に保持される基板５と対向するように、成長する化合物を構成する元素の材料（ソース源）Ｓｉを入れたセル２ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種以上の金属を入れたセル（１個しか示されていないが、２種類以上を混晶させる場合は２個以上設けられている）２ｂ、ｎ型ドーパントのＰ、ＡｓやＳｂなどを入れたセル２ｃ、ｐ型ドーパントのＢ、ＡｌやＧａを入れたセル２ｄ、ラジカルＳｉを発生させるＲＦラジカルセル３ａが設けられている。なお、Ｓｉや希土類金属などの固体原料は、これらの金属のＳｉ化合物をセルに入れて原子状にすることもできる。
なお、固体（単体）を入れるセル２ａ〜２ｄは、図示されていないが、それぞれに設けられ、加熱により固体ソースを原子状にして蒸発させられるようになっており、ラジカルセル３ａは、ＲＦ（高周波）コイル８により活性化させている。このＳｉ、希土類金属元素およびｎ型ドーパント材料としては、純度９９．９９９９９％の固体ソースを原子状にし、使用する。なお、Ｓｉや希土類金属元素は分子ガスにマイクロ波領域の電磁波を照射することにより原子状にすることもできる。
そして、Ｓｉ薄膜６を基板５上に成長させながら、ｎ型ドーパントのＰ、ＳｂやＡｓを流量１．３３×１０−５Ｐａで、さらに、ｐ型ドーパントである原子状Ｂ、ＡｌやＧａを６．６５×１０−５Ｐａで、また、例えば、Ｇｄ、ＴｂまたはＤｙの原子状希土類金属元素を１．３３×１０−５Ｐａで、同時に基板５上に流しながら、３５０〜８００℃で成長することにより、希土類金属元素を混晶させたＳｉ薄膜６を成長させることができる。
以上の説明では、ｎ型ドーパントやｐ型ドーパントをドーピングする例で説明しているが、前述の第４図および後述する表１および表２の例は、いずれのドーパントもドーピングしないで、Ｇｄ、ＴｂまたはＤｙをドーピングした例である。
このようにして、Ｇｄ、ＴｂまたはＤｙを混晶させたＳｉ薄膜は、第４図に示されるように、Ｇｄ、ＴｂまたはＤｙが、反強磁性的スピングラス状態エネルギーと強磁性状態のエネルギーの差△Ｅが、それぞれ、４．０８（２．０４）×１３．６ｍｅＶ、５．１４（２．５７）×１３．６ｍｅＶ、１．１０（０．５５）×１３．６ｍｅＶと大きく、強磁性を示していることが分かる。
この例では、Ｓｉに希土類金属元素をドープしたが、ＧａＮのＩＩＩ−Ｖ族系窒化物では、バンドギャップの大きさが大きいのみであり、しかも、ＧａＮと同様の４配位構造であり、バンドギャップが異なるのみであるので、同じように、ＴｂまたはＤｙをドープして強磁性の単結晶が得られる。
ただし、Ｇｄ（５ａｔ％）の場合はドナーとして酸素を１ａｔ％以上、好ましくは３ａｔ％以上ドープすることによりｎ型キャリアをドープして強磁性体となる。また、Ｇｄ（１０ａｔ％）の場合には、ドナーとして酸素を２ａｔ％以上、好ましくは５ａｔ％以上ドープすることによりｎ型キャリアをドープして強磁性体となる。
本発明の強磁性Ｓｉによれば、希土類金属元素を混晶させているため、Ｓｉ原子がＧｄ３＋、Ｔｂ３＋やＤｙ３＋などの希土類金属元素と置換されて、ダイヤモンド構造を維持する。しかも、Ｇｄ、ＴｂまたはＤｙなどの前述の希土類金属元素は、ホールが増加する電子構造になっており、第４図に示されるように、このままの状態でも強磁性状態で安定する。しかも、この強磁性Ｓｉは、後述する表１および表２にも示されるように、その磁気モーメントが大きく、７μＢ（ボーア磁子）、９μＢ、および１０μＢの磁気モーメントを持つＧｄ、ＴｂおよびＤｙ含有のＳｉ系化合物が得られ、非常に磁性の強い強磁性磁石が得られる。
次に、希土類金属元素の濃度を変えることによる磁気特性の変化を調べた。前述の２５ａｔ％濃度の希土類金属元素を含有させたものの他に濃度が５、１０、１５、２０ａｔ％のものを作製し、それぞれの磁気モーメント（×９．２４７Ｊ／Ｔ）および強磁性転移温度（度Ｋ）を調べた。磁気モーメントおよび強磁性転移温度はＳＱＵＩＤ（ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅ；超伝導量子干渉素子）による帯磁率の測定から得られたものである。
その結果が表１および表２に示されている。表１および表２から、混晶割合が大きくなる（濃度が高い）ほど強磁性転移温度が上昇する傾向が見られ、混晶割合にほぼ比例して増加する。この関係を第６図に示す。また、スピン間の強磁性的相互作用も希土類金属元素濃度の増加に伴って増大することが分かる。
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前述のように、希土類金属元素では、Ｇｄは電子スピンｓ＝７／２、軌道角運動量Ｌ＝０、をもつ高スピン状態となり、また、Ｔｂは電子スピンｓ＝３、軌道角運動量Ｌ＝３、また、Ｄｙは電子スピンｓ＝５／２、軌道角運動量Ｌ＝５、をもつ高スピン状態となり、この表１および表２、および第６図からも明らかなように、その濃度を変化させることにより、強磁性的なスピン間相互作用と強磁性転移温度を調整し、制御することができることが分かる。なお、強磁性転移温度は、３００度Ｋ以上になるようにすることが、実用上好ましい。
さらに、本発明者らは、これらの希土類金属元素を２種類以上混晶させることにより、ホールや電子の状態を調整できると共に、それぞれの磁気特性を併せもたせることができることを見出した。例えば、Ｇｄ、Ｔｂ、またはＤｙとＬｕを混晶させ、ＤｙとＬｕを合せて２５ａｔ％とし、Ｄｙ０．２５−ｘＬｕｘＳｉ０．７５のｘを種々変化させた。その結果、第７図に示されるように、強磁性転移温度を大きく変化させることができ、ｘ＝０．０４で０度Ｋとすることができた。
ｘ＝０〜０．１０の範囲を選定することにより、所望の強磁性転移温度に設定することができる。また、ＴｂとＬｕを同様に合せて２５ａｔ％混晶させ、Ｔｂ０．２５−ｘＬｕｘＳｉ０．７５のｘを種々変化させることができる。また、図示されていないが、磁気モーメントについても両者の混合割合に応じた磁気モーメントが得られる。
前述の各例は、希土類金属元素を２種類以上ドープすることにより、その強磁性特性を変化させたが、上記の希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と、５ｆ電子がゼロのＡｃを除くアクチニド元素に属するＴｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素をドープした場合も、それぞれの濃度を変えることにより磁気モーメントや強磁性転移温度を調整することができる。
さらに、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントをドープしても、同様にホールまたは電子の量を変化させることができ、その強磁性状態を変化させることができる。
この場合、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントは、Ｓｉの伝導帯や価電子帯に入り、その近くにある希土類金属元素の４ｆ電子に作用するため、必ずしもドーピングされたドーパントがそのまま全て作用することにはならないが、４ｆ電子に作用することにより、その強磁性状態を変化させ、強磁性転移温度にも変化を与える。
例えば、ｎ型ドーパントをドープすることにより、電子を供給したことになり、Ｇｄ、Ｔｂ、またはＤｙ、Ｌｕを混晶させながらｎ型ドーパントをドープすることは、前述のＧｄ、Ｔｂ、またはＤｙにさらにＬｕを添加するのと同様の効果が得られる。
例えば、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパント（電子またはホール）のドーピングによる（反強磁性スピングラス状態のエネルギー）−（強磁性状態エネルギー）＝△Ｅの変化が顕著であるＧｄをＳｉに混晶させた例で、不純物をドーピングしたときの不純物濃度（ａｔ％）に対する△Ｅの関係を第８図に示す。
このように、ホールの導入により強磁性が安定化し、一方、電子ドープにより強磁性が消失するので、その強磁性特性を調整することができる。Ｇｄ、Ｔｂ、またはＤｙなどの希土類金属元素は、元々強磁性を示し、反強磁性スピングラス状態との間でこれほど大きな変化はないが、同様の強磁性状態を変化させることができ、強磁性転移温度を調整することができる。
なお、このドーパントによる調整は、前述の２種類の希土類金属を混晶する調整と異なり、磁気モーメントそのものはＳｉに混晶させた希土類金属の材料により定まる値を維持する。
ｎ型ドーパントとしては、Ｐ、ＡｓまたはＳｂを使用することができ、ドーピングの原料としては、これらのＳｉ化合物を使用することもできる。また、ドナー濃度としては、１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。例えば、１０２０〜１０２１ｃｍ−３程度にドープすれば、前述の混晶割合の１〜１０ａｔ％程度に相当する。また、ｐ型ドーパントとしては、前述のようにＢ、ＡｌまたはＧａを用いることができる。
ワイドギャップ半導体であるＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体やＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体に混晶させる希土類金属元素により、その透過する最小の波長が異なり、混晶する希土類金属元素を２種類以上混合することにより、その通す光の最小波長を調整することができ、所望の波長以下の光をカットする光フィルタを形成することができる。すなわち、所望の波長の光を透過させる強磁性のＩＩＩ−Ｖ族系窒化物（ＧａＮ）が得られる。前述の各希土類金属元素を５ａｔ％ＧａＮに混晶させたときの通す光の最小波長は表３に示す通りになった。ただし、Ｇｄは酸素を５ａｔ％ドープした。すなわち、この例によれば、所望の波長の光に対して、透明な強磁性磁石を得ることができる。
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以上のように、本発明によれば、混晶される希土類金属元素自身などにより導入されたホールまたは電子の運動エネルギーによって、全エネルギーを変化させることができ、その全エネルギーを低下させるように導入するホールまたは電子を調整しているため、強磁性状態を安定化させることができる。また、導入されるホールまたは電子によって希土類金属原子間の磁気的相互作用の大きさおよび符号が変化し、そのホールまたは電子によってこれらを制御することにより、強磁性状態を安定化させることができる。
前述の例では、希土類金属元素を含有する薄膜を成膜する方法として、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用いたが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置でも同様に成膜することができる。この場合、Ｇａ、Ａｌや希土類金属などの金属材料は、例えば、ジメチルガリウムやジメチルアルミニウムなどの有機金属化合物として、ＭＯＣＶＤ装置内に導入する。
このようなＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法などを用いれば、非平衡状態で成膜することができ、所望の濃度で遷移金属元素などをドーピングすることができる。成膜の成長法としては、これらの方法に限らず、Ｇａ窒化物固体、Ａｌ窒化物固体、希土類金属元素金属の固体をターゲットとし、活性化したドーパントを基板上に吹きつけながら成膜するレーザアブレーション法でも薄膜を成膜することができる。
さらに、希土類金属元素やその酸化物を原料としてドープする場合、ラジオ波、レーザ、Ｘ線、または電子線によって電子励起して原子状にするＥＣＲプラズマを用いることもできる。ｎ型ドーパントやｐ型ドーパントでも同様にＥＣＲプラズマを用いることができる。このようなＥＣＲプラズマを用いることにより、原子状にして高濃度までドープすることができるというメリットがある。
（実施例）
実施例１
ＡｌＮに希土類金属を５ａｔ％ドープしたときの、強磁性転移温度を第９図に示す。室温を超える３００Ｋ以上の高い強磁性転移温度を示し、希土類金属の種類の選択により強磁性転移温度を調整することができ、可視光を通す、透明な強磁性半導体が得られた。また、強磁性転移温度は（Ｔｃ）は、混入させる希土類金属の濃度（Ｃ）のルートに比例する（Ｔｃ∝√Ｃ）ことが実験から明らかになった。
実施例２
ＧａＮに希土類金属を５ａｔ％および１０ａｔ％ドープしたときの、強磁性転移温度を第１０図に示す。室温を超える４００Ｋ以上の高い強磁性転移温度を示し、希土類金属の種類の選択及び濃度の調整により強磁性転移温度を調整することができ、可視光を通す、透明な強磁性半導体が得られた。
実施例３
ＧａＮにＧｄを５ａｔ％ドープしたときの、ドナーである酸素のドープ濃度と強磁性転移温度を第１１図に示す。ＧａＮにＧｄをドープしたものは単独では強磁性を示さないが、ドナーである酸素をドープすることにより、ドナー濃度を変化させて強磁性転移温度を調整できることが明らかである。
産業上の利用可能性
本発明によれば、ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体にＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属を含有させるだけで、大きな磁気光学効果を持ち、室温を超える高い強磁性転移温度をもつ強磁性単結晶が得られるため、強磁性半導体スピンエレクトロニクス材料として、すでに実現しているｎ型およびｐ型の透明電極として使用されているＺｎＯや透明伝導酸化物（ＴＣＯ）、光ファイバと組み合わせることにより、量子コンピュータや大容量光磁気記録、また、可視光から紫外領域に亘る光エレクトロニクス材料として、高性能な情報通信、量子コンピュータへの応用が可能となる。
また、本発明の半導体は、４ｆ希土類のｆ電子内殻遷移を反映し、室温までは全く温度変化することなく一定の波長の発光が得られる。このことから、ｐ型およびｎ型の半導体に調整することができ、巨大な磁気光学効果を有する透明な強磁性半導体や円偏光発光デバイス（スピン半導体レーザー）に応用できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、Ｓｉ中のＧｄの強磁性状態における電子状態密度である。第２図は、Ｓｉ中のＥｕの強磁性状態における電子状態密度である。第３図は、Ｓｉ中のＣｅの強磁性状態における電子状態密度である。第４図は、Ｇｄ、Ｔｂ、またはＤｙなどの希土類金属をＳｉに混晶させたときの反強磁性的スピングラス状態の全エネルギーと強磁性状態の全エネルギーとの差△Ｅを示す図である。第５図は、本発明の強磁性シリコン薄膜を形成する装置の一例を示すＭＢＥ装置の模式図である。第６図は、Ｓｉに混晶させる希土類金属の濃度を変えたときの強磁性転移温度の変化を示す図である。第７図は、２種類以上の希土類金属元素を混晶させたときのその割合による強磁性転移温度の変化の状態を説明する図である。第８図は、Ｇｄを例としたｎ型およびｐ型のドーパントを添加したときの磁性状態の変化を示す説明図である。第９図は、実施例１の強磁性半導体の強磁性転移温度を示すグラフである。第１０図は、実施例２の強磁性半導体の強磁性転移温度を示すグラフである。第１１図は、実施例３の強磁性半導体の強磁性転移温度を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年5月6日(2004.5.6)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素を混晶させることにより強磁性状態としたことを特徴とする強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体。
【請求項２】ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体。
【請求項３】ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体に、Ｇｄと共にドナーが含有されていることを特徴とする強磁性ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体。
【請求項４】ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方がドーピングされていることを特徴とする請求の範囲第３項記載の強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体。
【請求項５】請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の半導体を用い、その磁気光学効果を利用する磁気光学スピンエレクトロニクスデバイス。
【請求項６】ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、
（１）Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属元素
（２）前記希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも２種の金属元素と、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、および
（３）前記（１）または（２）と、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方、
のいずれかを添加して強磁性状態とし、かつ前記希土類金属元素の組合せにより強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整する方法。
【請求項７】強磁性特性が強磁性転移温度であることを特徴とする請求の範囲第６項記載の強磁性特性を調整する方法。
【請求項８】請求の範囲第６項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、強磁性のエネルギー状態を調整するとともに、該金属元素自身により導入されたホールまたは電子による運動エネルギーによって全エネルギーを低下させることにより、強磁性状態を安定化させる方法。
【請求項９】請求の範囲第６項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、該希土類金属元素自身により導入されたホールまたは電子によって、希土類金属原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御するとともに、該希土類金属元素の混晶による光の透過特性を制御することにより、所望の光フィルタ特性を有する強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体とする方法。
【請求項１０】ＩＶ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、またはＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体に、
（１）Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、
（２）前記希土類金属元素よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、および
（３）前記（１）または（２）と、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントの少なくとも一方、
のいずれかを添加して強磁性状態とし、かつ前記希土類金属元素、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、ＮｏおよびＬｒよりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素、またはｎ型ドーパントもしくはｐ型ドーパントの濃度の調整により強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体の強磁性特性を調整する方法。
【請求項１１】強磁性特性が強磁性転移温度であることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の強磁性特性を調整する方法。
【請求項１２】請求の範囲第１０項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、強磁性のエネルギー状態を調整するとともに、該金属元素自身により導入されたホールまたは電子による運動エネルギーによって全エネルギーを低下させることにより、強磁性状態を安定化させる方法。
【請求項１３】請求の範囲第１０項記載の方法において、希土類金属元素を少なくとも２種以上混晶させ、該希土類金属元素自身により導入されたホールまたは電子によって、希土類金属原子間の磁気的相互作用の大きさと符号を制御するとともに、該希土類金属元素の混晶による光の透過特性を制御することにより、所望の光フィルタ特性を有する強磁性ＩＶ族系半導体、強磁性ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体、または強磁性ＩＩ−ＶＩ族系化合物半導体とする方法。




【国際調査報告】
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2003105162.tif 000019
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