(57)【要約】【課題】強磁性から常磁性への転移が必要とされる、強磁性体を用いたデバイスを小型化することが可能な磁性制御方法を提供する。【解決手段】強磁性半導体１１０の強磁性を常磁性に転移させる方法であって、光照射又は電界印加により強磁性半導体１１０に強磁性半導体１１０のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを与えて強磁性半導体１１０内に伝導電子を発生させ、該伝導電子により強磁性半導体１１０における強磁性を担うイオンの価数を変化させて強磁性半導体１１０の強磁性を常磁性に転移させる。【選択図】図１
2008135480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体の強磁性を常磁性に転移させる方法であって、
前記強磁性体内に伝導電子又は正孔を発生させ、前記伝導電子又は正孔を前記強磁性体の強磁性を担う元素にトラップさせることにより前記転移を行わせる
ことを特徴とする磁性制御方法。
【請求項２】
前記強磁性体は、強磁性半導体であり、
前記転移は、前記伝導電子又は正孔により前記強磁性半導体における強磁性を担うイオンの価数を変化させることにより行われる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁性制御方法。
【請求項３】
前記強磁性半導体は、ＧａＧｄＮであり、
前記転移は、Ｇｄイオンの価数を３から２に変化させることにより行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の磁性制御方法。
【請求項４】
前記伝導電子又は正孔の発生は、前記強磁性半導体への光照射により前記強磁性半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを前記強磁性半導体に与えることにより行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の磁性制御方法。
【請求項５】
前記伝導電子又は正孔の発生は、前記強磁性半導体への電界印加により前記強磁性半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを前記強磁性半導体に与えることにより行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の磁性制御方法。
【請求項６】
第１信号光の照射に応じて円偏光又は直線偏光の第２信号光を出力する発光素子と、
前記第２信号光の光路上に配置され、前記直線偏光の偏光方向と異なる偏光主軸を有する偏光子とを備え、
前記発光素子は、第１導電型の第１クラッド層及び第２導電型の第２クラッド層と、前記第１クラッド層及び第２クラッド層に挟まれ、前記第１信号光が照射され、前記第２信号光を出力する活性層と、前記活性層及び第１クラッド層に挟まれ、制御光が照射されるＧａＧｄＮ層とを有する
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
請求項３記載の磁性制御方法を用いたメモリであって、
前記ＧａＧｄＮから構成される記録層を備え、
前記記録層への光照射により情報の書き込みが行われる
ことを特徴とするメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性制御方法に関し、特に強磁性半導体の強磁性を常磁性に昇温法でない方法で転移させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピントロニクス（電子のスピンとエレクトロニクスを組み合わせた造語）と称される分野が注目を集めている。このスピントロニクスとは、電子が有する物理的性質であるところの電荷とスピンという２つの性質を利用し、まったく新しい機能を持つ素材や素子を開発する研究分野である。
【０００３】
このスピントロニクスにおいて、半導体に磁性を担う磁性元素（遷移元素、希土類元素等）を添加し、磁性元素で半導体の構成元素の一部を置換した半導体（以下、磁性半導体という）は電子スピン制御の観点から重要な材料である。そして、その中でもとりわけ磁性元素の磁気モーメントが揃った「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ている。
【０００４】
このような強磁性半導体を用いて実用的なデバイスを実現する場合、室温以上の温度で強磁性を示す強磁性半導体の開発が必須である。常温で強磁性を示す強磁性半導体としては、例えばＭｎと酸素とを不純物として含有させたＧａＮの結晶や、ＭｎとＳｉとを不純物として含有させたＧａＮ結晶が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１３７６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般的に強磁性から常磁性への転移は、強磁性体を強磁性転移温度（キュリー温度）以上に昇温することにより行われる。従って、強磁性半導体を用いて例えば磁気−電気間のエネルギー変換を行うデバイス（磁性メモリ等）を実現する場合、所望の磁性状態を発現・維持するために、強磁性半導体の温度を高精度に制御することが必要になる。その結果、デバイスの構造が複雑になり、デバイスが大型化する。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、強磁性から常磁性への転移が必要とされる、強磁性体を用いたデバイスを小型化することが可能な磁性制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の磁性制御方法は、強磁性体の強磁性を常磁性に転移させる方法であって、前記強磁性体内に伝導電子又は正孔を発生させ、前記伝導電子又は正孔を前記強磁性体の強磁性を担う元素にトラップさせることにより前記転移を行わせることを特徴とする。ここで、前記強磁性体は、強磁性半導体であり、前記転移は、前記伝導電子又は正孔により前記強磁性半導体における強磁性を担うイオンの価数を変化させることにより行われてもよいし、前記強磁性半導体は、ＧａＧｄＮであり、前記転移は、Ｇｄイオンの価数を３から２に変化させることにより行われてもよい。また、前記伝導電子又は正孔の発生は、前記強磁性半導体への光照射により前記強磁性半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを前記強磁性半導体に与えることにより行われてもよいし、前記伝導電子又は正孔の発生は、前記強磁性半導体への電界印加により前記強磁性半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを前記強磁性半導体に与えることにより行われてもよい。
【０００８】
これによって、キャリア（伝導電子又は正孔）により強磁性体の強磁性を常磁性に転移させることができる。従って、強磁性体を用いて例えば磁気−電気間のエネルギー変換を行うデバイス（磁性メモリ等）を実現する場合でも、所望の磁性状態を発現・維持するために、強磁性体の温度を高精度に制御する必要が無くなる。その結果、強磁性体を用いたデバイスを小型化することができる。また、強磁性体においてキャリアを発生させた部分のみが強磁性から常磁性に転移する。従って、強磁性状態・常磁性状態の往復を微小領域で制御することが可能なデバイスを実現することができる。
【０００９】
また、本発明は、第１信号光の照射に応じて円偏光又は直線偏光の第２信号光を出力する発光素子と、前記第２信号光の光路上に配置され、前記直線偏光の偏光方向と異なる偏光主軸を有する偏光子とを備え、前記発光素子は、第１導電型の第１クラッド層及び第２導電型の第２クラッド層と、前記第１クラッド層及び第２クラッド層に挟まれ、前記第１信号光が照射され、前記第２信号光を出力する活性層と、前記活性層及び第１クラッド層に挟まれ、制御光が照射されるＧａＧｄＮ層とを有することを特徴とする光スイッチとすることもできる。
【００１０】
これによって、制御光の照射によりＧａＧｄＮ層にＧａＧｄＮのバンドギャップエネルギー以上のエネルギーが与えられ、直線偏光の第２信号光が出力される場合には、偏光子から光が出力されない。従って、制御光の制御を受けて信号光のスイッチングを行う光スイッチを実現できる。その結果、偏光子及び発光素子の構造を変化させることで、光スイッチから出力される信号光を変化させることができ、設計自由度の高い光スイッチを実現することができる。
【００１１】
さらに、本発明は、上記磁性制御方法を用いたメモリであって、前記ＧａＧｄＮから構成される記録層を備え、前記記録層への光照射により情報の書き込みが行われることを特徴とするメモリとすることもできる。
【００１２】
これによって、記録層に強磁性半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーの光が照射されることにより、強磁性半導体の磁性が常磁性に変化し、記録層に情報が書き込まれる。従って、記録層が強磁性半導体によってのみ形成されるので、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の構造を簡素化でき、小型のＲＡＭを実現できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、強磁性体を用いたデバイスを小型化することができる。また、強磁性状態・常磁性状態の往復を微小領域で制御することが可能なデバイスを実現することができる。制御光の制御を受けて信号光のスイッチングを行う設計自由度の高い光スイッチを実現できる。光の照射を受けて記録層に情報が書き込まれる小型のＲＡＭを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態における磁性制御方法、光スイッチ及びＲＡＭについて、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る強磁性半導体の断面図である。
【００１６】
この強磁性半導体１１０は、室温で強磁性を示し、ＲＦ−ＭＢＥ（Radio-Frequency Molecular Beam Epitaxy）法等の結晶成長技術を用いて基板１００上に形成される。
【００１７】
強磁性半導体１１０としては、遷移金属又は希土類元素が添加された半導体、例えばＧａＮにＧｄが添加されたＧａＧｄＮ等が用いられる。このとき、基板１００としてはＧａＮとの格子不整合が小さい６Ｈ−ＳｉＣ基板等が用いられる。そして、強磁性半導体１１０は、例えばＧａ及びＧｄを蒸発させて得られる分子線と、ＲＦプラズマを用いてＮ2ガスを分解することによって得られる窒素ラジカルとを約４００〜８００℃に加熱された基板１００に供給することにより形成される。
【００１８】
ここで、「室温」の語は０℃以上、４０℃以下の範囲内に存在する温度を意味するものとして使用している。
【００１９】
上記構造を有する強磁性半導体１１０では、次のようにその磁性が制御される。
【００２０】
すなわち、強磁性半導体１１０を強磁性から常磁性に転移させる場合には、光照射又は電界印加により強磁性半導体１１０のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを強磁性半導体１１０に与え、強磁性半導体１１０にキャリア（伝導電子又は正孔）を発生させる。これにより、発生したキャリアが強磁性半導体１１０内の強磁性を担う遷移金属又は希土類元素イオンにトラップされ、その結果遷移金属又は希土類元素イオンの価数を変化させるため、強磁性半導体１１０の磁性が強磁性から常磁性に転移する。
【００２１】
具体的には、強磁性半導体１１０がＧａＧｄＮである場合には、例えば光照射によりＧａＧｄＮのバンドギャップエネルギーである３．５ｅＶ以上のエネルギーをＧａＧｄＮに与え、ＧａＧｄＮに伝導電子を発生させる。これにより、伝導電子がＧａＧｄＮ内における強磁性を担う強磁性元素Ｇｄにトラップされ、３価のＧｄイオンを常磁性の２価のＧｄイオンに変化させ、つまりＧｄイオンの価数を３価から２価に減少させるため、ＧａＧｄＮが強磁性から常磁性に転移する。
【００２２】
一方、強磁性半導体１１０を常磁性から強磁性に転移させる場合には、強磁性半導体１１０に磁場を印加する。これにより、強磁性半導体１１０内の磁気モーメントの方向が揃えられるため、強磁性半導体１１０が常磁性から強磁性に転移する。
【００２３】
図２Ａ及び２Ｂは、強磁性半導体１１０の発光スペクトルを示す図である。この発光スペクトルは、強磁性半導体１１０としてＧａ0.96Ｇｄ0.06Ｎが用いられ、励起光源としてＨｅ−Ｃｄレーザ（３２５ｎｍ＝３．８１４ｅＶ）が用いられた場合におけるものである。そして、図２Ａは強磁性半導体１１０の温度を２０Ｋ、５０Ｋ、１００Ｋ、１５０Ｋ、２００Ｋ及び３００Ｋと変化させた場合におけるものであり、図２Ｂは強磁性半導体１１０の温度を１０Ｋとした場合におけるものである。
【００２４】
図２Ａ及び２Ｂから、６５２ｎｍ（１．９ｅＶ）、７５５ｎｍ（１．６ｅＶ）及び８１０ｎｍ（１．５ｅＶ）の位置に発光ピークが現われていることがわかる。これらの発光ピークは、ＧａＮにおける３価のＴｂイオンの発光ピークに対応するものであるため、３価のＴｂイオンと等電子配置の２価のＧｄイオンの発光ピークであると考えられる。従って、強磁性半導体１１０では、光照射によりキャリアが生成されてＧａ0.96Ｇｄ0.06Ｎ層中のＧｄイオンの価数が３から２に減少することがわかる。すなわち、光照射により部分的に３価のＴｂイオンと等電子配置である２価のＧｄイオンが生成され、Ｇａ0.96Ｇｄ0.06Ｎ層が強磁性体から常磁性体に転移することがわかる。
【００２５】
以上のように本実施の形態の強磁性半導体１１０によれば、光照射又は電界印加によりその磁性が強磁性から常磁性に転移する。従って、強磁性半導体１１０を用いて例えば磁気−電気間のエネルギー変換を行うデバイス（磁性メモリ等）を実現する場合でも、所望の磁性状態を発現・維持するために、強磁性半導体１１０の温度を局所的（サブミクロンオーダー）に高精度に制御する必要が無くなる。その結果、強磁性半導体を用いたデバイスを小型化することができる。
【００２６】
また、本実施の形態の強磁性半導体１１０によれば、強磁性半導体１１０において光照射又は電界印加が行われた局所部分のみが強磁性から常磁性に転移する。従って、強磁性状態・常磁性状態の往復を微小領域で制御することが可能なデバイスを実現することができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態に係る光スイッチの構造を示す図である。
【００２８】
この光スイッチは、パルス状の制御光５００による制御を受けて信号光のスイッチングを行う光スイッチであって、外部からのパルス状の第１信号光５１０の照射を受けてパルス状で円偏光又は直線偏光の第２信号光５２０を出力する発光素子２００と、発光素子２００から出力される第２信号光５２０の光路上に配置され、パルス状の第３信号光５３０を出力する偏光子３００と、発光素子２００に磁場を印加するソレノイドコイル等の磁場印加手段４００とから構成される。
【００２９】
発光素子２００は、導電性の透明基板であるＧａＮ基板２１０と、ＧａＮ基板２１０上に順次積層されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２０、強磁性半導体層２３０、ＩｎＧａＮ活性層２４０及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５０と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２５０上に形成されたｎ型電極２６０と、ＧａＮ基板２１０上に形成されたｐ型電極２７０と、ｎ型電極２６０及びｐ型電極２７０の間に電圧を印加する直流電源２８０とから構成される。
【００３０】
ＩｎＧａＮ活性層２４０には、直流電源２８０により発光を引き起こす直前の電圧が印加されている。従って、ＩｎＧａＮ活性層２４０にＨｉレベルの第１信号光５１０が照射された場合には発光が起こってＩｎＧａＮ活性層２４０から光が出力される。一方、ＩｎＧａＮ活性層２４０にＬｏレベルの第１信号光５１０が照射された場合には、発光が起こらずＩｎＧａＮ活性層２４０からは光が出力されない。その結果、第１信号光５１０と等しいタイミングでＨｉレベル及びＬｏレベルとなる、つまり第１信号光５１０のパルス波形に対応したパルス波形を持つ第２信号光５２０がＩｎＧａＮ活性層２４０から出力される。
【００３１】
強磁性半導体層２３０としては、第１の実施の形態の強磁性半導体１１０が用いられる。強磁性半導体層２３０には、制御光５００が照射されている。強磁性半導体層２３０にＨｉレベルの制御光５００、つまり強磁性半導体層２３０のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーの光が照射された場合には、強磁性半導体層２３０の磁性が強磁性から常磁性に転移する。一方、強磁性半導体層２３０にＬｏレベルの制御光５００、つまり強磁性半導体層２３０のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光が照射された場合には、強磁性半導体層２３０の磁性は変化しない。このとき、強磁性半導体層２３０には、磁場印加手段４００により常に一定の磁場が印加されている。従って、強磁性半導体層２３０は、Ｈｉレベルの制御光５００が照射されている場合に常磁性を示し、Ｌｏレベルの制御光５００が照射されている場合に強磁性を示す。
【００３２】
偏光子３００の偏光主軸は、第２信号光５２０が直線偏光である場合のその偏光方向と異なる、つまり直交する。従って、第２信号光５２０が直線偏光である場合には、光が遮断されて偏光子３００からは光が出力されない。一方、第２信号光５２０が円偏光である場合には、光の一部が通過して偏光子３００から光が出力される。その結果、図４に示されるような、第１信号光５１０がＨｉレベルであり、かつ制御光５００がＬｏレベルである場合にのみＨｉレベルとなり、それ以外はＬｏレベルとなるパルス波形を持つ第３信号光５３０が偏光子３００から出力される。
【００３３】
以上のように本実施の形態の光スイッチによれば、偏光子３００及び発光素子２００の構造を変化させることで、光スイッチから出力される信号光を変化させることができる。従って、設計自由度の高い光スイッチを実現することができる。
【００３４】
（第３の実施の形態）
図５は、本実施の形態に係るＲＡＭ６００の構造を示す図である。
【００３５】
このＲＡＭ６００は、第１の実施の形態の強磁性半導体１１０から構成される複数のメモリセル６１０がマトリクス状に配列（例えば、Ｍ列Ｎ行配列：Ｍ×Ｎ配列）されて構成されている。ＲＡＭ６００では、各メモリセル６１０に強磁性半導体１１０のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーの光が照射されることにより、強磁性半導体１１０が常磁性に変化し、メモリセル６１０に記録情報が書き込まれる。
【００３６】
以上のように本実施の形態のＲＡＭ６００によれば、メモリセル６１０が強磁性半導体１１０によってのみ形成される。従って、例えば、強磁性半導体層を形成し、その強磁性半導体層を複数のセルに区分するだけでＲＡＭ６００を形成できる。その結果、ＲＡＭの構造を簡素化でき、小型のＲＡＭを実現できる。
【００３７】
以上、本発明の磁性制御方法、光スイッチ及びＲＡＭについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、強磁性体を用いる分野に適用でき、特にスピントロニクスと称される電子のスピンを利用した素子の分野に適用できる
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る強磁性半導体の断面図である。
【図２Ａ】同実施の形態に係る強磁性半導体の発光スペクトルを示す図である。
【図２Ｂ】同実施の形態に係る強磁性半導体の発光スペクトルを示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る光スイッチの構造を示す図である。
【図４】第１信号光、第３信号光及び制御光を示す図である。
【図５】第３の実施の形態に係るＲＡＭの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１００    基板
１１０    強磁性半導体
２００    発光素子
２１０    ＧａＮ基板
２２０    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２３０    強磁性半導体層
２４０    ＩｎＧａＮ活性層
２５０    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
２６０    ｎ型電極
２７０    ｐ型電極
２８０    直流電源
３００    偏光子
４００    磁場印加手段
５００    制御光
５１０    第１信号光
５２０    第２信号光
５３０    第３信号光
６００    ＲＡＭ
６１０    メモリセル
【図１】
2008135480.tif 000003
【図２Ａ】
2008135480.tif 000004
【図２Ｂ】
2008135480.tif 000005
【図３】
2008135480.tif 000006
【図４】
2008135480.tif 000007
【図５】
2008135480.tif 000008