(57)【要約】【課題】ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の強磁性は正孔媒介の磁性スピン間相互作用により生じ、これまでの最高強磁性転移温度は１１０Ｋであるため、室温で動作する素子は作製されていない。そのため、室温動作素子の実現に向けて強磁性転移温度の向上が期待されている。【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体にＭｎなどの磁性元素とＢｅ、Ｃなどの非磁性アクセプタ元素を同時にドーピングさせてなることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体。分子線エピタキシ法おいて、ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体に磁性元素と非磁性アクセプタ元素を同時にドーピングすることにより強磁性転移温度を向上させる。また、同時ドーピングした後に熱処理するとさらに強磁性転移温度を向上させることができる。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体に磁性元素と非磁性アクセプタ元素を同時にドーピングさせてなることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体。
【請求項２】
磁性元素がＭｎで非磁性アクセプタ元素がＢｅ又はＣであることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体。
【請求項３】
分子線エピタキシ法おいて、ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体に磁性元素と非磁性アクセプタ元素を同時にドーピングすることにより強磁性転移温度を向上させることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の製造方法。
【請求項４】
同時にドーピングした後に熱処理することを特徴とする請求項３記載のＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性転移温度を向上させたＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体と磁性体の両方の性質を持つ新機能素子材料として、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓや（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓで代表される強磁性半導体が注目されている。これらを用いた新しい応用上の可能性（磁気抵抗効果　、スピン偏極電流注入　、電界印加強磁性制御　）が検討されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の強磁性は正孔媒介の磁性スピン間相互作用により生じ、これまでの最高強磁性転移温度は１１０Ｋであるため、室温で動作する素子は作製されていない。そのため、室温動作素子の実現に向けて強磁性転移温度の向上が期待されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の強磁性は正孔が媒介する磁性スピン間の相互作用により生じることが、多くの実験及び理論により示されている。広く受け入れられている平均場理論に基づくモデルによると、強磁性転移温度を向上するためには、磁性イオン濃度を増加すること及び正孔濃度を増加することが必要である　。
【０００５】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体中でＭｎがＩＩＩ族サイトを置換する形で取り込まれる場合、Ｍｎは２価であるので、Ｍｎは磁性スピンと正孔の両方を同時に供給する。遷移金属のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体中への固溶度は極めて低いため、例えば、ＧａＡｓ中に通常の結晶成長条件において導入できるＭｎ量は０．１％（Ｇａ＋Ｍｎを１００％とした際の原子％）以下である。一方、強磁性的性質を発現させるためには１原子％程度以上の磁性イオンの導入が不可欠であるので、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ、（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓは低温分子線エピタキシ法により極度に非平衡な結晶成長条件下で行われる。
【０００６】
しかし、そのような条件下においても、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ中に導入可能な最大Ｍｎ濃度は１０原子％程度であり、Ｍｎ濃度を向上することは現段階では困難である。また、理想的な場合、Ｍｎ濃度と正孔濃度は等しくあるべきであるが、そのような状況は起こり得ず、正孔濃度はＭｎ濃度の３０％程度以下である　。
【０００７】
これは、低温成長であるためダブル・ドナーであるＡｓのアンチサイトが大量に混入すること、格子位置のＭｎ以外にやはりダブル・ドナーとして働く格子間のＭｎが大量に存在するなどの、格子欠陥に起因する補償効果によるものと考えられている。従って、これまでは正孔濃度を向上することも困難とされてきた。
【０００８】
理論的モデルでは、ホスト化合物半導体をワイドギャップ材料（ＧａＮやＺｎＯなど）にすることにより強磁性転移温度が向上することが予言されている　。最近これらの材料における高い強磁性温度の実験的観測の報告もなされているが、磁性半導体そのもののではなく析出物の強磁性的性質を見ている可能性を排除できていない。
【０００９】
本発明者は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に磁性元素と非磁性元素を同時に高濃度にドーピングすることにより、強磁性転移温度を１００Ｋ以上に向上できることを見出した。
すなわち、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体に磁性元素と非磁性アクセプタ元素を同時にドーピングさせてなることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体である。
また、本発明は、磁性元素がＭｎで非磁性アクセプタ元素がＢｅ又はＣであることを特徴とする上記のＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体である。
さらに、本発明は、分子線エピタキシ法おいて、ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体に磁性元素と非磁性アクセプタ元素を同時にドーピングすることにより強磁性転移温度を向上させることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の製造方法である。
また、本発明は、同時にドーピングした後に熱処理することを特徴とする上記のＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の製造方法である。
【００１０】
本発明の強磁性半導体において、ＩＩＩ−Ｖ族半導体はＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＮ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＡｓ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＩｎＳｂなど磁性元素および非磁性アクセプタ元素のドープが可能なものであればいかなるものでもよい。磁性元素の種類は、例えば、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒからなる遷移金属から選ばれる。
【００１１】
非磁性元素は、アクセプタとして正孔を供給する働きを持つ必要があり、これらの働きは正孔濃度増加につながり、強磁性転移温度の向上に結びつく。したがって、ＩＩＩ−Ｖ族半導体中でアクセプタとして働くＢｅ、Ｃ、Ｍｇ，Ｚｎが有効なドーパントであり、Ｓｉ，Ｓｎ等のｎ型ドーパントは適しない。ＢｅやＣなどの非磁性元素は格子位置に収まる際はアクセプタとして働く。
【００１２】
さらに、ＩＩＩ−Ｖ族磁性半導体に対して通常２５０〜３００℃程度で数分〜数時間の熱処理により結晶内原子配置を変え、これによりドナーとして働くＶ族元素のアンチサイト及び格子間原子の低減が可能なので、成長時の同時ドーピングと成長後の熱処理の併用がより有効である。
【００１３】
本発明の方法は、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を用いて実施できる。例えば、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓや（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓなどの正孔誘起ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の成長時に非磁性元素のＢｅやＣなどをパーセント・オーダでドーピングすることにより実施可能である。
【００１４】
例えば、Ｍｎ組成が５原子％の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓへの１．５原子％程度のＢｅドーピングで、強磁性転移温度を６０Ｋから８５Ｋに、更に、２５０℃、３０分の熱処理で１３５Ｋまで強磁性転移温度の向上が可能である。ＭｎとＢｅの濃度、結晶成長条件、磁性イオン濃度、非磁性ドーパント濃度、又は熱処理条件などの最適化により、更なる強磁性転移温度の向上が可能となる。
【００１５】
【実施例】
強磁性半導体に非磁性元素をドーピングすることが、強磁性転移温度の向上において極めて有効な手段であることを、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ：Ｂｅを対象例として確認した。この方法の効果は熱処理を併用することにより大きくなる。この方法で用いられる非磁性ドーパント元素は、自身がアクセプタとして働く。
【００１６】
実施例１
ＭｎとＢｅを同時ドーピングした（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ：ＢｅをＭＢＥ法により半絶縁性ＧａＡｓ（００１）基板上に作製し、その強磁性転移温度を評価した。作製した強磁性半導体の構造は表１に示すとおりである。
【００１７】
【表１】
2004063832.tif 000002
【００１８】
半絶縁性ＧａＡｓ（００１）基板直上の厚さ１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層は約５６０℃で成長し、それ以外の層は約２５０℃で成長した。ＢｅとＭｎを同時にドーピングすることにより入れた層はＭｎ組成５．１原子％、Ｂｅ組成約１．５原子％であり、比較のためのＢｅがドーピングされていない厚さ１５０ｎｍの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層と見分けがつけられるように、厚さを５０ｎｍとした。中間の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層と最上層の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ：Ｂｅ層ではＭｎ組成が等しく、強磁性転移温度に影響を与えることが知られているその他の成長条件（ＩＩＩ／Ｖ分子線強度比、成長温度など）も同じとした。
【００１９】
図１に、作製した強磁性半導体試料の残留磁化の熱処理温度依存性の結果を示す。２Ｋで１Ｔの磁場を［１１０］方向に印加した後、磁場をゼロＴにセットし、温度を上げながら磁化を測定した。残留磁化がゼロに落ちる温度が強磁性転移温度である。
【００２０】
まず、実線で示す熱処理を施していない試料の結果に着目する。３０　Ｋ付近と６０Ｋ付近に見られる段が、それぞれ下層と中層の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの強磁性転移温度に対応するもので、８５Ｋ付近の磁化がゼロに落ちる温度が最上層のＢｅドープした（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの強磁性転移温度に対応する（約３０Ｋ付近の段はこの図１からは定かではないが、データを微分することによって、その存在は明確である）。このことから、Ｂｅをドーピングすることによって強磁性転移温度が明らかに向上していることが分かる。
【００２１】
次に、熱処理を施した試料（２５０℃において１５分と３０分）の結果に注目する。熱処理の効果はＢｅをドープした層において顕著である。図２に、それぞれの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層に対して熱処理時間と強磁性転移温度の関係をまとめた。Ｂｅをドープしていないボトムの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層、ミドルの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層と、Ｂｅをドープしたトップの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層では成長条件が全く同じであるので、その熱処理効果の差はＢｅの有無によって現れることは明らかである。熱処理後の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ：Ｂｅの強磁性転移温度１３５Ｋは、現在までに報告されている（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの強磁性転移温度で最高のものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、従来困難とされてきた正孔誘起ＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体の大幅な強磁性転移温度の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１で作製したＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体試料の残留磁化の熱処理温度依存性を示すグラフである。
【図２】図２は、実施例１で作製したＩＩＩ−Ｖ族強磁性半導体試料の強磁性転移温度の熱処理時間依存性を示すグラフである。
【図１】
2004063832.tif 000003
【図２】
2004063832.tif 000004