(57)【要約】【課題】大きな保磁力を有する磁性半導体素子を提供できる。【解決手段】磁性半導体素子１１は、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体からなる半導体領域１３と、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９を含み、半導体領域１３の主面１３ａ上に設けられた第１積層構造体１５とを備える。主面１３ａは半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上の角度で傾斜し、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかである第１金属磁性元素を含有する。第１積層構造体１５において、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の数は２以上であり、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の数は１以上であり、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９が交互に積層される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性半導体素子であって、
六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体からなる主面を有する半導体領域と、
第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、前記半導体領域の前記主面上に設けられた第１積層構造体と、
を備え、
前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上１７５度以下の角度で傾斜し、
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は第１金属磁性元素を含有し、前記第１金属磁性元素は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかであり、
前記第１積層構造体において、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上であり、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層が交互に積層されている、磁性半導体素子。
【請求項２】
前記遷移金属は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄの少なくともいずれかであり、
前記希土類金属は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくともいずれかである、請求項１に記載された磁性半導体素子。
【請求項３】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記第１金属磁性元素は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒの少なくともいずれかである、請求項１又は請求項２に記載された磁性半導体素子。
【請求項４】
前記第１積層構造体は、室温において強磁性を有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項５】
前記第１積層構造体のキュリー温度は６００ケルビン以上である、請求項４に記載された磁性半導体素子。
【請求項６】
前記第１積層構造体は室温において反強磁性を有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項７】
前記第１積層構造体のネール温度は６００ケルビン以上である、請求項６に記載された磁性半導体素子。
【請求項８】
前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する半極性面を備える、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項９】
前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する無極性面を備える、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１０】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚みは０．２ｎｍ以上であり、５ｎｍ以下である、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１１】
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚みは１ｎｍ以上であり、１５ｎｍ以下である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１２】
前記第１積層構造体における前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は周期的な配列を成しており、前記配列の周期は１．２ｎｍ以上であり、２０ｎｍ以下である、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１３】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の格子定数は前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の格子定数より大きい、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１４】
前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は前記半導体領域の前記主面の面内方向に圧縮歪みを内包しており、
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は前記半導体領域の前記主面の面内方向に引張歪みを内包している、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載に記載された磁性半導体素子。
【請求項１５】
前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は構成元素としてＡｌ又はＩｎを含む、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１６】
前記第１積層構造体は、該第１積層構造体の一部又は全部にｎ型ドーパントを含む、請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１７】
前記ｎ型ドーパントはＳｉである、請求項１６に記載された磁性半導体素子。
【請求項１８】
前記第１積層構造体は、該第１積層構造体の一部又は全部にｐ型ドーパントを含む、請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項１９】
前記ｐ型ドーパントはＭｇである、請求項１８に記載された磁性半導体素子。
【請求項２０】
第２金属磁性元素を含有する第３ＩＩＩ族窒化物半導体層と、
磁性金属元素を含有しない第４ＩＩＩ族窒化物半導体層とを備え、
前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層は交互に積層されて第２積層構造体を構成し、
前記第２積層構造体は前記第１積層構造体上に設けられ、
前記第２積層構造体における前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第２積層構造体における前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上である、請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載の磁性半導体素子。
【請求項２１】
前記第１積層構造体の周期は前記第２積層構造体の周期と異なり、
前記第１積層構造体の保磁力は前記第２積層構造体の保磁力と異なる、請求項２０に記載の磁性半導体素子。
【請求項２２】
磁性を有しない第５ＩＩＩ族窒化物半導体層を更に備え、
前記第５ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記第１積層構造体と前記第２積層構造体の間に設けられる、請求項２０又は請求項２１に記載された磁性半導体素子。
【請求項２３】
前記第２金属磁性元素は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかである、請求項２０〜請求項２２のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項２４】
前記第２金属磁性元素は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくともいずれかである、請求項２０〜請求項２３のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項２５】
前記半導体領域はＧａＮ基板を備える、請求項１〜請求項２４のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項２６】
前記半導体領域は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられたＩＩＩ族窒化物系半導体層とを備える、請求項１〜請求項２４のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項２７】
前記半導体領域は、サファイア基板と、該サファイア基板上に設けられたＩＩＩ族窒化物系半導体層とを備える、請求項１〜請求項２４のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項２８】
前記第１積層構造体を含む磁気センサを備える、請求項１〜請求項２７のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項２９】
前記第１積層構造体を含む磁気メモリを備える、請求項１〜請求項２７のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【請求項３０】
前記第１積層構造体上に設けられた第２積層構造体と、
前記第１積層構造体と前記第２積層構造体との間に設けられたトンネル絶縁層と、
を更に備え、
前記第２積層構造体は、第３ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第４ＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、
前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層は第２金属磁性元素を含有し、前記第２金属磁性元素は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかであり、
前記第２積層構造体において、前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上であり、前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層が交互に積層されている、請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、ガドリニウムを含有するＧａＮ層を（０００１）面Ａｌ２Ｏ３基板上に成長することを開示する。非特許文献２は、ガドリニウムを含有するＡｌＧａＮ層を（１０００）面サファイア基板上に成長することを開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ishimaru  et  al.,   APL  101  (2012)   101912
【非特許文献２】第７４回応用物理学会秋季学術講演会 １６ｐ−Ｂ５−１４
【非特許文献３】Jpn.  J.   Appl.   Phys.  39 (2000)   413.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１の構造では、磁化強度は０．１ｅｍｕ／ｃｍ３以下である。この構造においては、ＧａＮ／ＧａＧｄＮ及びＧａＧｄＮ／ＧａＧｄＮの自然超格子が形成されて、外部磁場の印加に対して磁化状態の変化を示さない。非特許文献２の構造の磁気ヒステリシス、残留磁化、及び保磁力が小さい。
【０００５】
非特許文献３は、窒化ガリウムのｃ軸の傾斜とピエゾ分極との関係を開示する。
【０００６】
本発明の一側面は、このような事情を鑑みて為されたものであり、大きな保磁力を有する磁性半導体素子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】
一側面に係る磁性半導体素子は、六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体からなる主面を有する半導体領域と、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、前記半導体領域の前記主面上に設けられた第１積層構造体とを備え、前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上１７５度以下の角度で傾斜し、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は第１金属磁性元素を含有し、前記第１金属磁性元素は遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかであり、前記第１積層構造体において、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上であり、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層が交互に積層されている。
【０００８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、大きな保磁力を有する磁性半導体素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施の形態に係る磁性半導体素子の構造を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る磁性半導体素子の積層構造体におけるバンドダイアグラムを模式的に示す図面である。
【図３】図３は、ＩＩＩ族窒化物半導体の六方晶系の結晶格子においてｃ面、半極性面及び無極性面の例示を示す図面である。
【図４】図４は、非特許文献３に示される縦方向ピエゾ電界と窒化ガリウムのｃ軸からの角度との関係を示す図面である。
【図５】図５は、実施例１に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。
【図６】図６は、実施例１におけるエピタキシャル基板の磁化の測定結果を示す図面である。
【図７】図７は、実施例２に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。
【図８】図８は、実施例３に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。
【図９】図９は、実施例４に係る磁性半導体素子の構造を示す図面である。
【図１０】図１０は、実施例４に係る磁気抵抗効果の測定結果を示す図面である。
【図１１】図１１は、実施例５に係る磁性半導体素子の構造を示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例５に係る磁気抵抗効果の測定結果を示す図面である。
【図１３】図１３は、実施例６に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
いくつかの具体例を説明する。
【００１２】
一形態に係る磁性半導体素子は、（ａ）六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体からなる主面を有する半導体領域と、（ｂ）第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、前記半導体領域の前記主面上に設けられた第１積層構造体とを備え、前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上１７５度以下の角度で傾斜し、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は第１金属磁性元素を含有し、前記第１金属磁性元素は遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかであり、前記第１積層構造体において、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上であり、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層が交互に積層されている。
【００１３】
この磁性半導体素子によれば、半導体領域の主面が該半導体領域のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上１７５度以下の角度で傾斜するとき、この主面上への成長において自然超格子が形成されることがなく、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層を備える第１積層構造体が、半導体領域の主面上に設けられる。第１積層構造体において、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は、遷移金属の磁気及び希土類金属の少なくともいずれかである第１金属磁性元素を備えると共に、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層によって磁気的に隔てられる。この第１積層構造体において、第１金属磁性元素の磁性金属及び第１積層構造体の構造に応じて、磁気秩序が形成される。また、第１積層構造体が、半導体領域のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して傾斜する主面上に設けられる。この主面の法線がｃ軸に対して傾斜することにより、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層を含む第１積層構造体に磁気的な秩序に係る異方性を付与できる。５度以上１７５度以下の傾斜角に係る主面の傾斜による磁気的異方性により、第１積層構造体に高い保滋力を提供できる。
【００１４】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記遷移金属は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄの少なくともいずれかであり、前記希土類金属は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくともいずれかであることができる。
【００１５】
この磁性半導体素子によれば、上記の列記の遷移金属及び／又は希土類金属を磁性元素として利用できる。
【００１６】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記第１金属磁性元素は、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒの少なくともいずれかであることができる。
【００１７】
この磁性半導体素子によれば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びエルビウム（Ｅｒ）は磁性金属として役立つ。
【００１８】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１積層構造体は、室温において強磁性を有することができる。
【００１９】
この磁性半導体素子によれば、第１積層構造体は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層を隔てる第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さ、及び第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の磁性金属の磁気モーメントに応じて、磁気秩序として強磁性を生成する。
【００２０】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１積層構造体のキュリー温度は６００ケルビン以上であることができる。
【００２１】
この磁性半導体素子によれば、高い保磁力に加えて、高いキュリー温度の磁性構造を提供できる。
【００２２】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１積層構造体は室温において反強磁性を有することができる。
【００２３】
この磁性半導体素子によれば、第１積層構造体は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層を隔てる第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さ、及び第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の磁性金属の磁気モーメントに応じて、磁気秩序として反強磁性を生成する。
【００２４】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１の積層構造のネール温度は６００ケルビン以上であることができる。
【００２５】
この磁性半導体素子によれば、高いネール温度の磁性構造を提供できる。
【００２６】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する半極性面を備えることができる。
【００２７】
この磁性半導体素子によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する半極性面を主面に適用するとき、比較的大きな磁気的異方性を第１積層構造体に実現できる。
【００２８】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記半導体領域の前記主面は、前記半導体領域の前記ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する無極性面を備えることができる。
【００２９】
この磁性半導体素子によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する無極性面を主面に適用するとき、比較的大きな磁気的異方性を第１積層構造体に実現できる。
【００３０】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚みは０．２ｎｍ以上であり、５ｎｍ以下であることができる。
【００３１】
この磁性半導体素子によれば、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さ範囲の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は、磁性金属原子を取り込んだ磁性薄膜を提供できる。
【００３２】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚みは１ｎｍ以上であり、１５ｎｍ以下であることができる。
【００３３】
この磁性半導体素子によれば、１ｎｍ以上１５ｎｍ以下の厚さ範囲の第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は、該第２ＩＩＩ族窒化物半導体層を介して隔てられる隣り合う第１ＩＩＩ族窒化物半導体層間の磁気的結合の程度を制御するために有用である。第１積層構造体は、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さ及び磁性金属原子の磁気的性質に依存した磁気秩序と発現する。
【００３４】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１積層構造体における前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は周期的な配列を成しており、前記配列の周期は１．２ｎｍ以上であり、２０ｎｍ以下であることができる。
【００３５】
この磁性半導体素子によれば、第１積層構造体における周期構造は、磁気的な秩序の形成に有効である。
【００３６】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の格子定数は前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の格子定数より大きくてもよい。この磁性半導体素子によれば、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層における固有の格子定数が第２ＩＩＩ族窒化物半導体層における固有の格子定数より大きいので、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は圧縮歪みを内包すると共に第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は引張歪みを内包する。ここで、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層における固有の格子定数は無歪みの格子定数を示す。
【００３７】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は前記半導体領域の前記主面の面内方向に圧縮歪みを内包しており、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は前記半導体領域の前記主面の面内方向に引張歪みを内包している。この磁性半導体素子によれば、面内の歪みにより、小さいバンドギャップの窒化物半導体層にピエゾ電界が加えられて、そのピエゾ電界に応じてバンド構造が影響を受ける。このため、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層と第２ＩＩＩ族窒化物半導体層との界面に沿って二次元電子ガス又は二次元正孔ガスが生成される。圧縮歪み及び引張歪みは、主面の半極性に応じた異方性を示す。
【００３８】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第２ＩＩＩ族窒化物半導体層は構成元素としてＡｌまたはＩｎを含むことができる。この磁性半導体素子は、非磁性の元素として、ガリウム、インジウム及びアルミニウムの少なくともいずれかを備えることができる。
【００３９】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１積層構造体は、該第１積層構造体の一部又は全部にｎ型ドーパントを含むことができる。この磁性半導体素子によれば、ｎ型ドーパントの添加により、窒化物半導体のキャリア濃度を変更できる。ｎ型ドーパントは第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の一部又は全部に添加されることができ、また第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の一部又は全部に添加されることができる。また、一形態に係る磁性半導体素子では、前記ｎ型ドーパントはＳｉであることができる。この磁性半導体素子によれば、シリコンは非磁性のｎ型ドーパントとして有用である。
【００４０】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記第１積層構造体は、該第１積層構造体の一部又は全部にｐ型ドーパントを含むことができる。この磁性半導体素子によれば、ｐ型ドーパントの添加により、窒化物半導体のキャリア濃度を変更できる。ｐ型ドーパントは第１ＩＩＩ族窒化物半導体層の一部又は全部に添加されることができ、また第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の一部又は全部に添加されることができる。また、一形態に係る磁性半導体素子では、前記ｐ型ドーパントはＭｇであることができる。この磁性半導体素子によれば、マグネシウムは非磁性のｐ型ドーパントとして有用である。
【００４１】
一形態に係る磁性半導体素子は、第２金属磁性元素を含有する第３ＩＩＩ族窒化物半導体層と、磁性金属元素を含有しない第４ＩＩＩ族窒化物半導体層とを備え、前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層は交互に積層されて第２積層構造体を構成し、前記第２積層構造体は前記第１積層構造体上に設けられ、前記第２積層構造体における前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第２積層構造体における前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上である。この磁性半導体素子によれば、第１積層構造体とは別に第２積層構造体が設けられていてもよい。第２積層構造体と第１積層構造体との磁気的結合により、多彩な磁気効果が発揮される。また、一形態に係る磁性半導体素子においては、前記第１積層構造体の周期は前記第２積層構造体の周期と異なり、前記第１積層構造体の保磁力は前記第２積層構造体の保磁力と異なる。この磁性半導体素子によれば、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層が周期的に配列されることができる。また、第３ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第４ＩＩＩ族窒化物半導体層が周期的に配列されることができる、単一の磁性半導体素子に、互いに異なる周期を有する複数の積層構造体が設けられる。第１積層構造体は第２積層構造体と異なる磁気的特性を示す。また、一形態に係る磁性半導体素子では、前記第２金属磁性元素は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの少なくともいずれかであることができる。
【００４２】
一形態に係る磁性半導体素子は、磁性を有しない第５ＩＩＩ族窒化物半導体層を更に備え、前記第５ＩＩＩ族窒化物半導体層は、前記第１積層構造体と前記第２積層構造体の間に設けられる。この磁性半導体素子によれば、第５ＩＩＩ族窒化物半導体層は、その非磁性的な性質によって、第１積層構造体及び第２積層構造体は、それぞれの磁気的な性質を有することができ、また第１積層構造体は、第５ＩＩＩ族窒化物半導体層を介して第２積層構造体に磁気的に結合される。
【００４３】
一形態に係る磁性半導体素子では、前記半導体領域は、例えばＧａＮ基板を備えることができる。また、前記半導体領域は、例えば、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられたＩＩＩ族窒化物系半導体層とを備えることができる。更には、前記半導体領域は、例えば、サファイア基板と、該サファイア基板上に設けられたＩＩＩ族窒化物系半導体層とを備えることができる。これらの磁性半導体素子によれば、磁性半導体素子のための支持体が、ＧａＮ基板、シリコン基板、及びサファイア基板等によって提供される。
【００４４】
一形態に係る磁性半導体素子は、前記第１積層構造体を含む磁気センサとして構成されることができる。この磁性半導体素子は、一又は複数の積層構造体によって磁気センサを提供できる。また、一形態に係る磁性半導体素子は、前記第１積層構造体を含む磁気メモリとして構成されることができる。この磁性半導体素子は、一又は複数の積層構造体によって磁気メモリを提供できる。
【００４５】
一形態に係る磁性半導体素子は、前記第１積層構造体上に設けられた第２積層構造体と、前記第１積層構造体と前記第２積層構造体との間に設けられたトンネル絶縁層とを更に備え、前記第２積層構造体は、第３ＩＩＩ族窒化物半導体層及び第４ＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、前記半導体領域の前記主面上に設けられ、前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層は第２金属磁性元素を含有し、前記第２金属磁性元素は遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかであり、前記第２積層構造体において、前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は２以上であり、前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層の数は１以上であり、前記第３ＩＩＩ族窒化物半導体層及び前記第４ＩＩＩ族窒化物半導体層が交互に積層されている。
【００４６】
この磁性半導体素子によれば、磁気メモリに好適な構造を提供できる。
【００４７】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、磁性半導体素子、及び磁性半導体素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４８】
図１は、本実施の形態に係る磁性半導体素子の構造を模式的に示す図面である。磁性半導体素子１１は、半導体領域１３及び積層領域１４を備える。半導体領域１３は、六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体からなる主面１３ａを有する。図１には、典型的な＜０００１＞軸の向きを表すｃ軸ベクトルＣＶ、及び主面１３ａの法線を示す法線ベクトルＮＶが示される。半導体領域１３の主面１３ａは、該半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上の角度で傾斜する。この角度範囲によれば、この主面上への成長において自然超格子が形成されることがなく、また積層領域１４に磁気的な秩序に係る異方性を付与でき、積層領域１４の保磁力を高めることができる。また、主面１３ａは、該ｃ面に対して１７５度以下の角度で傾斜する。この角度は、ｃ軸ベクトルＣＶと法線ベクトルＮＶとの成す角度として表される。この角度範囲によれば、この主面上への成長において自然超格子が形成されることがなく、また積層領域１４に磁気的な秩序に係る異方性を付与でき、積層領域１４の保磁力を高めることができる。本実施例では、積層領域１４は第１積層構造体１５を備える。第１積層構造体１５は、半導体領域１３の主面１３ａ上に設けられており、また第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９を含む。第１積層構造体１５において、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の数は２以上であり、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の数は１以上である。第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９が交互に積層軸Ａｘの方向に積層されて、第１積層構造体１５を構成する。本実施例では、第１積層構造体１５の積層軸Ａｘは主面１３ａの法線方向に延在する。
【００４９】
磁性半導体素子１１の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、例えばＩｎＸ１ＡｌＹ１Ｇａ１−Ｘ１−Ｙ１Ｎ（０≦Ｘ１≦１、０≦Ｙ１≦１、０≦Ｘ１＋Ｙ１≦１）を備え、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、又はＩｎＡｌＧａＮであることができる。第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、構成元素として第１金属磁性元素を含有する。本実施例では、第１金属磁性元素２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体の構成元素として第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７に含まれている。第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７において、第１金属磁性元素２０は遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかであることができる。例えば、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、第１金属磁性元素２０として遷移金属を備えることができ、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、第１金属磁性元素２０として希土類金属を備えることができ、また第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、第１金属磁性元素２０として遷移金属及び希土類金属を備えることができる。一実施例では、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、磁性層として例えばＧａＧｄＮであり、ガドリニウム（Ｇｄ）の組成は例えばＩＩＩ族元素に対して３０％であることができる。
【００５０】
また、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、例えばＩｎＸ２ＡｌＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｙ２≦１、０≦Ｘ２＋Ｙ２≦１）を備え、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、又はＩｎＡｌＧａＮであることができる。本実施例では、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は実質的に非磁性を示す。ＩＩＩ族窒化物半導体層（１７、１９）は構成元素としてＧａ、ＡｌまたはＩｎを含むことができる。ガリウム、インジウム及びアルミニウムの少なくともいずれか一つが、非磁性の元素としてＩＩＩ族窒化物半導体層（１７、１９）に含まれることができる。
【００５１】
図２は、本実施の形態に係る磁性半導体素子の積層構造体におけるバンドダイアグラムを模式的に示す図面である。第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９が２つの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ、１７ｂ）の間に設けられており、本実施例では、一方の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ）が第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９とヘテロ接合２１ａを形成し、他方の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ｂ）は第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９とヘテロ接合２１ｂを形成する。ヘテロ接合２１ａ、２１ｂは、半導体領域１３の主面１３ａの傾斜に対応した角度（例えば、５度以上１７５度以下の範囲の角度）で、半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して傾斜する。第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、２つの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ、１７ｂ）を電気伝導の点で隔てており、伝導帯又は価電子帯に係るキャリア伝導に対して障壁として、具体的にはバリア層として働く。第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９のバンドギャップは、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ）のバンドギャップより大きく、また第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ｂ）のバンドギャップより大きい。ヘテロ界面では、井戸となる第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７には、二次元キャリアガス２２（例えば電子ガス）が誘起される。二次元キャリアガス２２の作用により、磁性に寄与するキャリア濃度が調整される。
【００５２】
磁性半導体素子１１では、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の固有の格子定数が第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の固有の格子定数より大きいとき、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は圧縮歪みを内包すると共に第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は引張歪みを内包する。ここで、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９における固有の格子定数は無歪みの格子定数を示す。
【００５３】
磁性半導体素子１１において、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は半導体領域１３の主面１３ａの面内方向に圧縮歪みを内包しており、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は半導体領域１３の主面１３ａの面内方向に引張歪みを内包している。この磁性半導体素子１１によれば、面内の歪みにより、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９にはピエゾ分極が生成される。そのピエゾ分極の強さに応じて、それらのバンド構造は影響を受ける。小さいバンドギャップの窒化物半導体層に加わるピエゾ電界の向きに応じて、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９との界面に沿って二次元電子ガス又は二次元正孔ガスが生成される。圧縮歪み及び引張歪みは、半導体領域１３の主面１３ａの傾斜角度に応じた異方性を示す。
【００５４】
第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、２つの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ、１７ｂ）の間においてトンネル効果によるキャリア遷移が可能な程度の厚さを有する。これ故に、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ、１７ｂ）及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成するように配置されている。
【００５５】
第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、トンネル効果により第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９を遷移するキャリアのスピンを実質的に反転させるような金属元素を実質的に含有しないことが好ましい。この形態では、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ、１７ｂ）を磁気秩序の点で隔てており、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７（１７ａ、１７ｂ）は、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の厚さに応じて第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９を介した磁気的結合を成すと共に、第１金属磁性元素２０の種類及び含有量に応じてこの第１金属磁性元素２０に起因した磁気秩序を第１積層構造体１５の一部又は全体で発現する。この磁気秩序は、強磁性及び／又は反強磁性である。
【００５６】
磁性半導体素子１１は、第１電極３０ａ及び第２電極３０ｂを備える。図１を参照すると、第１電極３０ａ及び第２電極３０ｂは、積層軸Ａｘの方向に第１積層構造体１５を通してキャリアを流すことができるように設けられる。一実施例では、第１電極３０ａ及び第２電極３０ｂは第１積層構造体１５を挟むように設けられ、この構造では、積層軸Ａｘに沿って、第１電極３０ａ、積層領域１４及び第２電極３０ｂがされており、第１電極３０ａは、パッシベーション膜２４の開口２４ａを介して積層領域１４に接触を成す。第１電極３０ａは、直下に位置する半導体（積層領域１４）に対してオーミック接触を成す。第２電極３０ｂは、直下に位置する半導体（基板裏面１３ｂ）に対してオーミック接触を成す。
【００５７】
一実施例では、第１積層構造体１５では、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は超格子を構成するように配列されることができる。この構造では、実質的に同じ厚さの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と、実質的に同じ厚さの第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９とが交互に配列されている。しかしながら、第１積層構造体１５は超格子構造に限定されることない。例えば、実質的に互いに異なる厚さの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と、実質的に互いに同じ厚さの第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９とが交互に配列されることができ、この構造では電気伝導及び磁気結合に係るバリア層の厚さが実質的に同じである。この構造では各磁気層の厚みを変化させることで、各磁気層の磁化方向、磁化強度を個別に変化させることができ、強磁性、反強磁性、或いはフェリ磁性等、磁化状態を変化させることができる。或いは、実質的に互いに同じ厚さの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と、実質的に互いに異なる厚さの第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９とが交互に配列されることができ、この構造では電気伝導及び磁気結合に係る磁気層の厚さが実質的に同じである。この構造では各バリア層の厚みを変化させることで、各磁気層間の磁気的相互作用の強さを個別に変化させることができ、強磁性、反強磁性、或いはフェリ磁性等、磁化状態を変化させることができる。また、或いは、実質的に互いに異なる厚さの第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と、実質的に互いに異なる厚さの第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９とが交互に配列されることができ、この構造では電気伝導及び磁気結合に係るバリア層及び磁気層の厚さが共に異なる。この構造では各磁気層の磁化方向、磁化強度、各磁気層間の磁気的相互作用の強さを個別に変化させることができ、強磁性、反強磁性、或いはフェリ磁性等、磁化状態を変化させることができる。
【００５８】
この磁性半導体素子１１によれば、半導体領域１３の主面１３ａが該半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して５度以上１７５度以下の角度で傾斜するとき、この主面１３ａ上への成長において自然超格子が形成されることがなく、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と第２ＩＩＩ族窒化物半導体層とを備える第１積層構造体１５が、半導体領域１３の主面１３ａ上に設けられる。第１積層構造体１５において、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７が第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９によって隔てられる。また、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかである第１金属磁性元素２０を備える。この第１積層構造体１５において、第１金属磁性元素２０の磁性金属及び第１積層構造体の層構造に応じて、磁気秩序が形成される。
【００５９】
第１積層構造体１５が、半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して傾斜する主面上に設けられる。この主面１３ａの法線がｃ軸の傾斜することにより、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の各々に、磁気的な結合に係る異方性を付与できる。また、磁気的な秩序に係る異方性を第１積層構造体１５に付与できる。５度以上１７５度以下の傾斜角に係る主面１３ａの傾斜による磁気的異方性により、第１積層構造体１５に高い保滋力を提供できる。本実施例では、半導体領域１３は、基板１３ｃ及びＩＩＩ族窒化物半導体層１３ｄを含み、ＩＩＩ族窒化物半導体層１３ｄが主面１３ａを提供する。基板１３ｃは、例えばＧａＮ、Ｓｉ等からなることができる。具体的には、半導体領域１３は、例えばＧａＮ基板を備えることができる。また、半導体領域１３は、例えば、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体層とを備えることができる。更には、半導体領域１３は、例えば、サファイア基板と、該サファイア基板上に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体層とを備えることができる。これらの具体例では、磁性半導体素子１１のための基板１３ｃ（支持体）が、ＧａＮ基板、シリコン基板、及びサファイア基板等によって提供される。
【００６０】
図３は、ＩＩＩ族窒化物半導体の六方晶系の結晶格子においてｃ面、半極性面及び無極性面の例示を示す。六方晶系結晶構造ＣＹＴＨＥＸでは、六方晶系結晶格子は、ｃ軸方向に異方性を示すけれども、３つのａ軸方向は等価である。図３に示されるように、半極性面ＳＰ及び無極性面ＮＰは、ゼロより大きな角度でｃ面（極性面）ＰＰに対して傾斜している。ｃ面（極性面）ＰＰ内の向きに関して、ｃ面は等方的であって、磁化容易軸の向きが結晶構造以外の影響を容易に受ける。
【００６１】
一方、第１積層構造体１５内の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の各々は、第１積層構造体１５における積層軸（図１おける積層軸Ａｘ）に直交する面内に沿って延在するので、積層軸Ａｘがｃ軸に対して傾斜することにより、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、その面内において異方性を示す。半極性面及び無極性面の利用によれば、その面内異方性の向きに応じて磁化容易軸が定まり、この方向に磁化が揃いやすい。このため、半極性面及び無極性面上にエピタキシャルに成長された第１積層構造体１５は、ｃ面上にエピタキシャルに成長された積層構造体と異なって、面内異方性の向きに応じた磁化容易軸を有する。したがって、半極性面及び無極性面上の第１積層構造体１５は、ｃ面上の積層構造体に比べて高い保磁力及び残留磁化を有する。また、５度以上１７５度以下の傾斜角に係る主面１３ａの傾斜は、保磁力の増強だけでなく、キュリー温度を高くする点においても有効である。
【００６２】
図４は、非特許文献３に示される縦方向ピエゾ電界と窒化ガリウムのｃ軸からの角度との関係を示す。実質的に半極性を示す主面１３ａの傾斜角は、例えば５度以上３５度以下、６０度以上８５度以下の範囲であることができ、例えば９５度以上１２０度以下、１４５度以上１７５度以下の範囲であることができる。また、実質的に無極性を示す主面１３ａの傾斜角は、例えば３５度以上６０度以下、８５度以上９５度以下の範囲、１２０度以上１４５度以下であることができる。典型的な無極性面は、ｍ面、ａ面である。
【００６３】
半導体領域１３の主面１３ａは、該半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する半極性面を備えることが好ましい。この磁性半導体素子１１では、ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する半極性面を主面１３ａに適用するとき、比較的大きな結晶異方性を第１積層構造体１５に実現できる。また、半導体領域１３の主面１３ａは、該ｃ面に対して１５０度以下の角度で傾斜する半極性面を備えるとき、比較的大きな結晶異方性を第１積層構造体１５に実現できる。
【００６４】
また、半導体領域１３の主面１３ａは、該半導体領域１３のＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する無極性面を備えることが好ましい。この磁性半導体素子１１では、ＩＩＩ族窒化物半導体のｃ面に対して３０度以上の角度で傾斜する無極性面を主面１３ａに適用するとき、比較的大きな結晶異方性を第１積層構造体１５に実現できる。また、半導体領域１３の主面１３ａは、該ｃ面に対して１５０度以下の角度で傾斜する無極性面を備えるとき、比較的大きな結晶異方性を第１積層構造体１５に実現できる。
【００６５】
第１金属磁性元素２０として、遷移金属は、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくともいずれか一つであることができる。また、第１金属磁性元素２０として、希土類金属は、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジウム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホロミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテリビウム（Ｙｂ）、ルテニウム（Ｌｕ）の少なくともいずれか一つであることができ、例えばランタン（Ｌａ）及びルテニウム（Ｌｕ）では、４ｆ軌道が閉殻であるけれども、５ｄ軌道を単独の電子が占める。この磁性半導体素子１１では、上記の遷移金属及び／又は希土類金属を磁性元素として利用できる。
【００６６】
第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の第１金属磁性元素２０は、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、及びエルビウム（Ｅｒ）の少なくともいずれか一つであることが好ましい。これらの元素は、磁性金属として役立つ。この磁性半導体素子１１によれば、これらの元素はＩＩＩ族窒化物半導体層に添加された場合、比較的強い磁化を示すことが実験又は計算により示されている。
【００６７】
第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の各々の交互積層を含む第１積層構造体１５、例えばＧａＧｄＮ（厚さ：１ｎｍ）／ＡｌＧａＮ（厚さ：３ｎｍ）の５０周期からなる超格子構造は、室温（例えば摂氏２５度）において強磁性を有する。この磁性半導体素子１１によれば、第１積層構造体は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層を隔てる第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さ、及び磁性金属の種類（磁気モーメント）に応じて、磁気秩序として強磁性を発現する。磁性金属元素と「ＭＧ」として記載するとき、窒化ガリウム系半導体の磁性半導体は「ＧａＸＭＧ１−ＸＮ」と表される。この「ＧａＸＭＧ１−ＸＮ」において、磁性金属元素の組成「Ｘ」は例えば１％以上であり、例えば５０％以下である。
【００６８】
第１積層構造体１５、例えばＧａＧｄＮ（厚さ：１ｎｍ）／ＡｌＧａＮ（厚さ：３ｎｍ）の５０周期からなる超格子構造は、例えば３００ケルビン以上のキュリー温度を示す。また、発明者の実験によれば、第１積層構造体１５は６００ケルビン以上のキュリー温度を有することができる。この磁性半導体素子１１によれば、高い保磁力に加えて、高いキュリー温度の磁性構造を提供できる。
【００６９】
第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の各々の交互積層を含む第１積層構造体１５、例えばＧａＧａＮ（厚さ：１ｎｍ）／ＡｌＧａＮ（厚さ：１ｎｍ）の５０周期からなる超格子構造は、室温（例えば摂氏２５度）において反強磁性を有する。この磁性半導体素子１１によれば、第１積層構造体１５は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層を隔てる第２ＩＩＩ族窒化物半導体層の厚さ、及び磁性金属の種類（磁気モーメント）に応じて、磁気秩序として反強磁性を発現できる。
【００７０】
第１積層構造体１５、例えばＧａＧａＮ（厚さ：１ｎｍ）／ＡｌＧａＮ（厚さ：１ｎｍ）の５０周期からなる超格子構造は、例えば３００ケルビン以上のネール温度を示す。また、発明者の実験によれば、第１積層構造体１５は６００ケルビン以上のネール温度を有することができる。この磁性半導体素子１１によれば、高い保磁力に比べて、高いネール温度の磁性構造を提供できる。
【００７１】
第１積層構造体１５においては、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の厚みは０．２ｎｍ以上であることができ、０．２ｎｍ以上の厚さによって第１ＩＩＩ族窒化物半導体層は十分な磁化強度を示すことができる。また、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の厚みは５ｎｍ以下であることができ、５ｎｍ以下の厚さによって磁気層の結晶性が良好に保たれる。この磁性半導体素子１１では、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さ範囲の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、磁気を発現できような形態で磁性金属原子を取り込んだ磁性薄膜を提供できると共に、下地の面方位に規定される半極性又は無極性の表面を有する。第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７は、ヘテロ界面の形成のために下地を提供できる。
【００７２】
第１積層構造体１５においては、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の厚みは１ｎｍ以上であることができ、１ｎｍ以上の厚さによって、磁気層間を隔てるバリア層として、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は磁気層間の磁気的相互作用を制御することができ、これ以下の厚みではキャリアのトンネルが顕著で磁気層間を磁気的に隔てることができない。また、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の厚みは１５ｎｍ以下であることができ、１５ｎｍ以下の厚さによって、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は磁気層間の磁気的相互作用を制御することができ、これ以上の厚みでは磁気層間の磁気的相互作用が実質的にゼロになる。この磁性半導体素子１１では、１ｎｍ以上１５ｎｍ以下の厚さ範囲の第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、該第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９を介して隔てられる隣り合う第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７間の磁気的結合の程度を制御するために有用であると共に、下地の面方位に規定される半極性又は無極性の表面を有する。第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は、ヘテロ界面の形成のために下地を提供できる。第１積層構造体１５における磁気的性質は、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の厚さ及び磁性金属原子の磁気的性質に依存する。
【００７３】
第１積層構造体１５における第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９は周期的な配列を成すことが好ましい。この配列の周期は１．２ｎｍ以上であり、２０ｎｍ以下であることができる。第１積層構造体１５における周期構造は、磁気的な結合において磁気的秩序の形成に有効である。
【００７４】
これらの積層構造は、例えば分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法、原子層堆積法等を用いるエピタキシャル結晶成長によって作製されることができる。
【００７５】
再び図１を参照しながら、磁性半導体素子１１として磁気メモリに係る実施例を説明する。この実施例では、積層領域１４は。第１積層構造体１５と、第１積層構造体１５上に設けられた第２積層構造体２７を更に備える。この第２積層構造体２７は、第３ＩＩＩ族窒化物半導体層２９及び第４ＩＩＩ族窒化物半導体層３１を含み、第３ＩＩＩ族窒化物半導体層２９及び第４ＩＩＩ族窒化物半導体層３１は、それぞれ、既に行われた第１積層構造体１５のための説明における第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７及び第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９と類似の構造を有することができる。第３ＩＩＩ族窒化物半導体層２９は、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７と同様に金属磁性元素を含有し、この金属磁性元素は、既に列記された遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備える。本実施例では、第４ＩＩＩ族窒化物半導体層３１は実質的に非磁性を示す。第２積層構造体２７において、第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７に対応する第３ＩＩＩ族窒化物半導体層２９の数は２以上であり、第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９に対応する第４ＩＩＩ族窒化物半導体層３１の数は１以上である。第１積層構造体１５に関する説明から理解されるように、第３ＩＩＩ族窒化物半導体層２９及び第４ＩＩＩ族窒化物半導体層３１が交互に積層されて第２積層構造体２７を構成する。また、磁気メモリのための磁性半導体素子１１は、第１積層構造体１５及び第２積層構造体２７の一方から他方を磁気的及び電気伝導の点で分離するトンネル絶縁層３３を備える。実質的に非磁性を示すトンネル絶縁層３３は、例えば第１積層構造体１５及び第２積層構造体２７内の半導体層のバンドギャップより大きなバンドギャップを有するＩＩＩ族窒化物からなることができ、このＩＩＩ族窒化物は、例えばＡｌＮ、ＡｌＧａＮであることができる。トンネル絶縁層３３の厚さは、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍであることができる。本実施例においては、第１積層構造体１５の磁性金属は第２積層構造体２７の磁性金属と同じであってもよく、また、第１積層構造体１５と異なる磁性金属を第２積層構造体２７に適用してもよい。また、第１積層構造体１５内の半導体層の積層数は、第２積層構造体２７内の半導体層の積層数と異なっていても良い。
【００７６】
上記の説明では、磁性半導体素子１１として例えば磁気センサ、磁気メモリ及びスピントルクダイオード等に適用される基本構造を説明してきた。
【００７７】
（実施例１）
図５は、実施例１に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。ｃ面、｛２０−２１｝面、及びｍ面の主面を有する３種類のＧａＮ基板を準備する。｛２０−２１｝面の法線軸は、ＧａＮ基板のｃ軸に対して約７５度の角度でｃ軸からｍ軸の方向に傾斜している。各ＧａＮ基板上に有機金属気相成長法でｎ型ＧａＮ層を成長する。ｎ型ＧａＮ層の厚さは２マイクロメートルであり、その成長温度は、摂氏１０００度である。
【００７８】
次いで、個々のＧａＮ基板上に、アンドープＧａＧｄＮ層（厚さ１ｎｍ、Ｇｄの組成３０％）及びアンドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ａｌの組成１０％）を含む超格子構造（５０周期）を分子線エピタキシー法で成長する。ガリウム源としてＧａ金属を用い、アルミニウム源としてＡｌ金属を用い、窒素源としてＲＦパワー２５０ワットの高周波プラズマによって生成された窒素ラジカルを用いる。成長の基板温度は例えば摂氏７００度であり、成長レートは０．２４マイクロメートル／時間である。
【００７９】
実施例１の積層構造８の詳細については、まずアンドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）をｎ型ＧａＮ層の上に成長しており、最後にアンドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）を成長している。これらの成長により、３種類のエピタキシャル基板を作製する。エピタキシャル基板は、磁気層としてアンドープＧａＧｄＮ層（厚さ１ｎｍ、Ｇｄの組成３０％を含み、障壁層としてアンドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ａｌの組成１０％を含む。この実施例では、アンドープＡｌＧａＮ層は引張歪みを内包し、アンドープＧａＧｄＮ層は圧縮歪みを内包する。
【００８０】
ｃ面ＧａＮ基板上に超格子を含む構造をエピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃとして参照する。｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上に超格子を含む構造をエピタキシャル基板Ｅ１Ｐ７５として参照する。ｍ面ＧａＮ基板上に超格子を含む構造をエピタキシャル基板Ｅ１Ｐｍとして参照する。
【００８１】
図６は、エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ、Ｅ１Ｐｍ及びＥｍＰ７５の磁化の測定結果を示す図面である。磁化測定は、ＳＱＵＩＤを用いて行われ、測定温度範囲は、絶対温度で１０ケルビンから６００ケルビンの範囲で行われた。磁化の測定に際して、図５に示されるように、エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ、Ｅ１Ｐｍ及びＥｍＰ７５の面内方向に外部磁場を印加する。
【００８２】
測定結果のリスト（測定温度は摂氏２５度）。
エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ。
飽和磁化強度：３０ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：１００Ｏｅ。
残留磁化：３ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｍ。
飽和磁化強度：１５ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：３００Ｏｅ。
残留磁化：１０ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ１Ｐ７５。
飽和磁化強度：２４ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：５００Ｏｅ。
残留磁化：１５ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ、Ｅ１Ｐ７５及びＥ１Ｐｍのキュリー温度は、摂氏３００度以上である。エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ、Ｅ１Ｐｍ及びＥｍＰ７５は、６００ケルビンにおいて強磁性を示す。エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ、Ｅ１Ｐ７５及びＥ１Ｐｍの導電型はｎ型であり、エピタキシャル基板Ｅ１Ｐｃ、Ｅ１Ｐ７５及びＥ１Ｐｍのキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３である。ガドリニウムはガリウムと同じ３価の元素である。なお、「１ｅｍｕ／ｃｍ３」は、ＳＩ系に換算すると４π×１０−４Ｗｂ／ｍ２である。また、「１Ｏｅ」は、ＳＩ系に換算すると、１０３／４πＡ／ｍである。
発明者の検討によれば、飽和磁化強度は、磁化層であるＧａＧｄＮにかかるピエゾ電界の大きさに依存している。保磁力及び残留磁化は、超格子構造における結晶異方性を関係している。
【００８３】
（実施例２）
図７は、実施例２に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。実施例１と同様に、ｃ面、｛２０−２１｝面、及びｍ面の主面を有する３種類のＧａＮ基板を準備する。個々のＧａＮ基板上に、厚さ２マイクロメートルのｎ型ＧａＮ層を有機金属気相成長法で成長した後に、これらのＧａＮ基板上に、ＳｉドープＧａＧｄＮ層（厚さ１ｎｍ）及びＳｉドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）を含む５０周期の超格子構造を分子線エピタキシー法で成長する。この成長において、シリコン源としてＳｉ金属を用いる。成長の基板温度は例えば摂氏７００度であり、成長レートは０．２４マイクロメートル／時間である。ドーパント濃度（Ｓｉ濃度）は、例えば１×１０１８〜２×１０１９ｃｍ−３の範囲でいくつかの濃度のエピタキシャル基板を作製する。
【００８４】
実施例２の積層構造１０の詳細については、まずｎ型ＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ａｌの組成１０％）をｎ型ＧａＮ層の上に成長しており、超格子構造はｎ型ＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ａｌの組成１０％）で終わる。この上に、アンドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ａｌの組成１０％）を更に成長する。これらの成長により、３種類のエピタキシャル基板を作製する。エピタキシャル基板は、磁気層としてｎ型ＧａＧｄＮ層（厚さ１ｎｍ）を含み、障壁層としてｎ型ＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）を含む。ｃ面ＧａＮ基板上に超格子を含む構造をエピタキシャル基板Ｅ２Ｐｃとして参照する。｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上に超格子を含む構造をエピタキシャル基板Ｅ２Ｐ７５として参照する。ｍ面ＧａＮ基板上に超格子を含む構造をエピタキシャル基板Ｅ２Ｐｍとして参照する。発明者の検討によれば、エピタキシャル基板Ｅ２Ｐｃ、Ｅ２Ｐ７５及びＥ２Ｐｍにおいて、Ｓｉ濃度の増加するにつれて飽和磁化強度が増大する。エピタキシャル基板Ｅ２Ｐｃ、Ｅ２Ｐ７５及びＥ２Ｐｍにおいては、アンドープの超格子構造に比べて、２×１０１９ｃｍ−３のＳｉ濃度において磁化強度が約１０倍である。
【００８５】
（実施例３）
図８は、実施例３に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。図８に示される積層構造２３の作製を説明する。実施例１と同様に、ｃ面、｛２０−２１｝面、及びｍ面の主面を有する３種類のＧａＮ基板を準備する。磁性金属としてマンガン（Ｍｎ）を用いる。これらのＧａＮ基板上に、厚さ２マイクロメートルのｎ型ＧａＮ層を有機金属気相成長法で成長した後に、個々のＧａＮ基板上に、アンドープＧａＭｎＮ層（厚さ１ｎｍ、Ｍｎの組成１０％）及びアンドープＡｌＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ａｌの組成１０％）を含む５０周期の超格子構造を分子線エピタキシー法で成長する。この成長において、成長の基板温度は例えば摂氏７００度であり、成長レートは０．２４マイクロメートル／時間である。これまでの工程により、積層構造２３を含むエピタキシャル基板が作製された。これらのエピタキシャル基板を、これまでの実施例と同様に、「Ｅ３Ｐｃ」、「Ｅ３Ｐｍ」及び「Ｅ３Ｐ７５」として参照する。
【００８６】
測定結果の一覧。
エピタキシャル基板Ｅ３Ｐｃ。
飽和磁化強度：３０ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：１００Ｏｅ。
残留磁化：３ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ２Ｐｍ。
飽和磁化強度：１５ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：３００Ｏｅ。
残留磁化：１０ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ１Ｐ７５。
飽和磁化強度：２4ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：５００Ｏｅ。
残留磁化：１５ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ３Ｐｃ、Ｅ３Ｐ７５及びＥ３Ｐｍの導電型は、マンガンがアクセプタとして作用して、ｐ型であり、エピタキシャル基板Ｅ３Ｐｃ、Ｅ３Ｐ７５及びＥ３Ｐｍのキャリア濃度は１×１０２２ｃｍ−３であって、これらの伝導は金属的であると推測される。
【００８７】
（実施例４）
図９は、実施例４に係る磁性半導体素子の構造を示す図面である。図９に示される積層構造２６の作製を説明する。実施例１（磁性金属：Ｇｄ）及び実施例３（磁性金属：Ｍｎ）と同じ積層構造を、ｃ面、｛２０−２１｝面、及びｍ面の主面を有する３種類のＧａＮ基板上に成長してエピタキシャル基板を作製した後に、ＧａＮ基板の裏面の全面上にＴｉ／Ａｌバック電極（オーミック電極）を蒸着により形成すると共に、エピタキシャル基板の表面上にＴｉ／Ａｌフロント電極（オーミック電極）を蒸着により形成して、基板生産物を作製する。Ｔｉ／Ａｌフロント電極は、エピタキシャル基板の表面上のシリコン酸化膜の開口（１０マイクロメートル径）を通して超格子構造に接触を成す。これらの基板生産物に係る磁性半導体素子を以下のように参照する。
磁性半導体素子の符合、  磁性原子、面方位。
磁性半導体素子ＤＶｃＧｄ、Ｇｄ、  ｃ面。
磁性半導体素子ＤＶｓＧｄ、Ｇｄ、｛２０−２１｝面。
磁性半導体素子ＤＶｍＧｄ、Ｇｄ，  ｍ面。
磁性半導体素子ＤＶｃＭｎ、Ｍｎ、  ｃ面。
磁性半導体素子ＤＶｓＭｎ、Ｍｎ、｛２０−２１｝面。
磁性半導体素子ＤＶｍＭｎ、Ｍｎ，  ｍ面。
【００８８】
図１０は、磁気抵抗効果の測定結果を示す図面である。これらの磁性半導体素子における２つの電極にわたって電流を流しなから、外部磁場を磁性半導体素子に印加する。ガドリニウム系磁性半導体素子は、小さい電流で比較的大きな抵抗変化を示すので、外部電流１ミリアンペア（ｍＡ）の磁場の印加に係る抵抗変化を「電気抵抗変化△Ｒ／Ｒ」として表す。
以下の測定の温度は摂氏２５度である。
磁性半導体素子ＤＶｃＧｄ：外部磁場８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝１０％。
磁性半導体素子ＤＶｓＧｄ：外部磁場２８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝８％。
磁性半導体素子ＤＶｍＧｄ：外部磁場１８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝５％。
電気抵抗変化の変化は、摂氏マイナス１００度から摂氏３００度程度までの温度範囲で観測できる。
マンガン系磁性半導体素子では、１００ミリアンペア（ｍＡ）の外部電流における磁場の印加に係る抵抗変化を「電気抵抗変化△Ｒ／Ｒ」として表す。
以下の測定の温度は摂氏２５度である。
磁性半導体素子ＤＶｃＭｎ：外部磁場８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝１０％。
磁性半導体素子ＤＶｓＭｎ：外部磁場２８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝８％。
磁性半導体素子ＤＶｍＭｎ：外部磁場１８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝５％。
電気抵抗変化の変化は、摂氏マイナス１００度から摂氏３００度程度までの温度範囲で観測できる。ガドリニウム系及びマンガン系磁性半導体素子は比較的高温（例えば摂氏プラス２００度程度）で動作可能な磁気センサとして応用可能である。
【００８９】
（実施例５）
図１１は、実施例５に係る磁性半導体素子の構造を示す図面である。磁性半導体素子の積層構造１２の詳細については、ｃ面、｛２０−２１｝面、及びｍ面の主面を有する３種類のＧａＮ基板上に実施例１（磁性金属：Ｇｄ）と同じ下部積層構造（厚さ１ｎｍのＧａＧｄＮ／厚さ３ｎｍのＡｌＧａＮ）を成長した後に、トンネル絶縁膜としてアンドープＡｌＮ層（厚さ３ｎｍ）を成長すると共に実施例１（磁性金属：Ｇｄ）と同様に上部積層構造（厚さ１ｎｍのＧａＧｄＮ／厚さ４ｎｍのＡｌＧａＮ）をアンドープＡｌＮ層上に成長する。このように作製されたエピタキシャル基板のＧａＮ基板裏面の全面上にＴｉ／Ａｌバック電極（オーミック電極）を蒸着により形成すると共に、エピタキシャル基板の表面上にＴｉ／Ａｌフロント電極（オーミック電極）を蒸着により形成して、基板生産物を作製する。Ｔｉ／Ａｌフロント電極は、エピタキシャル基板の表面上のシリコン酸化膜の開口（１０マイクロメートル径）を通して超格子構造に接触を成す。これらの基板生産物に係る磁性半導体素子を以下のように参照する。
磁性半導体素子の符合、  面方位。
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｃ、ｃ面。
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｓ、｛２０−２１｝面。
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｍ、ｍ面。
図１２は、実施例５の積層構造の磁気抵抗効果の測定結果を示す。磁性半導体素子では、１ミリアンペア（ｍＡ）の外部電流において外部磁場の印加に係る抵抗変化を「電気抵抗変化△Ｒ／Ｒ」として表す。
以下の測定の温度は摂氏２５度である。
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｃ：外部磁場８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝２０％。
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｓ：外部磁場２８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝２００％。
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｍ：外部磁場１８０ｅＯで、△Ｒ／Ｒ＝１００％。
電気抵抗変化の変化は、摂氏マイナス１００度から摂氏３００度程度までの温度範囲で観測できる。なお、本実施例においては、下部積層構造の磁性金属は上部積層構造の磁性金属と同じであるが、下部積層構造と異なる磁性金属を上部積層構造に適用してもよい。
【００９０】
磁性半導体素子Ｄ５Ｖｓ及び磁性半導体素子Ｄ５Ｖｍにおいて、実施例５の磁性半導体素子が、磁気メモリとして動作することを確認できる。一方、磁性半導体素子Ｄ５Ｖｃの保磁力が小さいので、磁性半導体素子Ｄ５Ｖｃは磁気メモリとしては不適合である。磁気メモリとしては、磁性半導体素子Ｄ５Ｖｓが優れる。これまでの実施例は、磁性金属としてガドリニウム及びマンガンを用いた。他の実験においては他の磁性金属Ｖ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｅｒが用いられて、同様の磁性秩序が観測されている。
【００９１】
（実施例６）
図１３は、実施例６に係る磁性半導体素子のための積層構造を示す図面である。実施例１と同様に、ｃ面、｛２０−２１｝面、及びｍ面の主面を有する３種類のＧａＮ基板を準備する。磁性金属としてガドリニウム（Ｇｄ）を用いる。これらのＧａＮ基板上に、厚さ２マイクロメートルのｎ型ＧａＮ層を有機金属気相成長法で成長した後に、個々のＧａＮ基板上に、アンドープＧａＧｄＮ層（厚さ１ｎｍ、Ｇｄの組成３０％）及びアンドープＡｌＧａＮ層（厚さ１ｎｍ、Ａｌの組成１０％）を含む５０周期の超格子構造を分子線エピタキシー法で成長する。この成長において、成長の基板温度は例えば摂氏７００度であり、成長レートは０．２４マイクロメートル／時間である。これらのエピタキシャル基板を、これまでの実施例と同様に、「Ｅ６Ｐｃ」、「Ｅ６Ｐｍ」及び「Ｅ６Ｐ７５」として参照する。
【００９２】
測定結果の一覧。
エピタキシャル基板Ｅ６Ｐｃ。
飽和磁化強度：３０ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：１０Ｏｅ。
残留磁化：１ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ６Ｐｍ。
飽和磁化強度：１５ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：１０Ｏｅ。
残留磁化：０．５ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ１Ｐ７５。
飽和磁化強度：２４ｅｍｕ／ｃｍ３。
保磁力：１０Ｏｅ。
残留磁化：０．８ｅｍｕ／ｃｍ３。
エピタキシャル基板Ｅ６Ｐｃ、Ｅ６Ｐ７５及びＥ６Ｐｍは反強磁性を示し、そのネール温度は、摂氏３００度以上である。エピタキシャル基板Ｅ６Ｐｃ、Ｅ６Ｐｍ及びＥ６Ｐ７５は、６００ケルビンにおいて反強磁性を示す。エピタキシャル基板Ｅ６Ｐｃ、Ｅ６Ｐ７５及びＥ６Ｐｍの導電型はｎ型であり、エピタキシャル基板Ｅ６Ｐｃ、Ｅ６Ｐ７５及びＥ６Ｐｍのキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３である。
発明者の検討によれば、飽和磁化強度は、磁化層であるＧａＧｄＮにかかるピエゾ電界の大きさに依存している。
【００９３】
上記の実施例によれば、保磁力、残留磁化の点で、半極性面及び無極性面上の窒化物薄膜の積層構造は、極性面（ｃ面）に比べて優れている。半極性面及び無極性面上の窒化物薄膜の積層構造は、磁気センサ及び磁気メモリに適用可能である。飽和磁化の点では、半極性面上の窒化物薄膜の積層構造は、無極性面上の窒化物薄膜の積層構造に比べて優れる。
【００９４】
ｆ電子系のガドリニウムは、ＩＩＩ族窒化物薄膜中ではキャリアを出さないが、１原子当たりの磁気モーメントが大きく、小さいキャリア濃度においても大きな磁化強度を提供できる。磁性半導体素子の電気抵抗が大きいので、低消費電流の用途に適用可能である。また、ｄ電子系のマンガンは、ＩＩＩ族窒化物薄膜中ではアクセプタとして働き、大きなキャリア濃度を示して大きな磁化強度を提供できる。よって磁性半導体素子の電気抵抗が小さい。
【００９５】
上記の実施例の説明から理解されるように、磁性半導体素子１１では、第１積層構造体１５（及び／又は、第２積層構造体２７）は、その一部または全部にｎ型ドーパントを備えることができる。ｎ型ドーパントの添加により、積層構造体内のキャリア濃度を変更できる。例えば、ｎ型ドーパントは、個々の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の一部又は全部に添加されることができ、また、個々の第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の一部又は全部に添加されることができる。また、ｎ型ドーパントは例えばＳｉであることができ、シリコンは非磁性のｎ型ドーパントとして有用である。
【００９６】
また、上記の実施例の説明から理解されるように、第１積層構造体１５（及び／又は、第２積層構造体２７）は、その一部または全部にｐ型ドーパントを含むことができる。ｐ型ドーパントの添加により、積層構造体内のキャリア濃度を変更できる。ｐ型ドーパントは個々の第１ＩＩＩ族窒化物半導体層１７の一部又は全部に添加されることができ、また個々の第２ＩＩＩ族窒化物半導体層１９の一部又は全部に添加されることができる。ｐ型ドーパントは例えばＭｇであることができ、マグネシウムは非磁性のｐ型ドーパントとして有用である。
【００９７】
さらに、磁性半導体素子１１は、例えば第１積層構造体１５を含む磁気センサとして構成されることができ、一又は複数の積層構造体によって磁気センサを提供できる。また、磁性半導体素子１１は、第１積層構造体１５及び第２積層構造体２７を含む磁気メモリとして構成されることができ、複数の積層構造体によって磁気メモリを提供できる。
【００９８】
（付記＿１）
窒化ガリウム系半導体の磁性半導体を「ＧａＸＭＧ１−ＸＮ」と表すとき、磁性金属元素の組成「Ｘ」は例えば１％以上であり、例えば５０％以下である。
【００９９】
（付記＿２）
実質的に半極性を示す主面１３ａの傾斜角は、例えば５度以上３５度以下の範囲、６０度以上８５度以下の範囲、９５度以上１２０度以下の範囲、又は１４５度以上１７５度以下の範囲であることができる。
【０１００】
（付記＿３）
実質的に無極性を示す主面１３ａの傾斜角は、例えば３５度以上６０度以下の範囲、８５度以上９５度以下の範囲、又は１２０度以上１４５度以下の範囲であることができる。
【０１０１】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本実施の形態によれば、大きな保磁力を有する磁性半導体素子を提供できる。
【符号の説明】
【０１０３】
１１…磁性半導体素子、１３…半導体領域、１５…第１積層構造体、１７…第１ＩＩＩ族窒化物半導体層、１９…第２ＩＩＩ族窒化物半導体層、２０…第１金属磁性元素、３０ａ…第１電極、３０ｂ…第２電極。
【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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【図１２】
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【図１３】
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