文部科学省科学研究費新学術領域「コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス」

公募研究 A03

スピノーダル分解を利用した新規スピントロニクス材料及びデバイス応用に関する研究
Study on New Spintronics Materials and their Device Applications
using Spinodal Decomposition

大阪大学 産業科学研究所

周 逸凱

1. 研究背景及び目的

2. GaGdNナノロッドの作製及び評価
3. GaGdN薄膜の作製及び評価

4. まとめIntroduction(吉田、佐藤理論）
GaCrN

位置決め

成長条件制御ナノヘテロデバイス

TC =100K
Nano 昆布相 GaCrN

TC=700K
スピノーダル分解と高いTc

スピンメモリデバイス

Introduction（実験）
GaGdNナノロッド
Si(001)基板上のSiO2自然酸化上にGaGdN柱状結晶の作製

ナノロッドは貫通転移を含まず、優れた結晶性を示す
3x10
Magnetization (EMU)

GaGdN薄膜
室温強磁性の観測Gd+2状態からの遷移による652nm付近でのシャープなPL特性
局所構造評価によるGaサイトのGd置換

-4

GaGdN
Gd = 6 %217K20503000-1-2-3-4000 -2000 0 2000 4000
Magnetic Field (Gauss)

GaGdN/GaN 超格子
キャリア誘起強磁性の確認
GaN
GaGdN
GaN

1.5
1.00.5GaGdN
GaNB / Gd atom

B / Gd atom

0.6
2.00.50.4
0.30.2

Electron
1.02.03.02 4 6 8 10Thickness of GaGdN layer (nm) Thickness of GaN layer (nm)

研究目的
スピノーダル分解を利用して、磁性原子Gd, Dyを含むGa(Gd,Dy)N量子細線及び量子井戸構造を作製し、それらの新奇な特性を探索し、新機能デバイス応用に繋がる研究を行う。

Carrier inducedferromagnetism

ChargeSpin
Photon半導体
磁性体
強磁性半導体Gaint magnetooptical effect研究目的
スピノーダル分解を利用して、磁性原子Gd, Dyを含むGa(Gd,Dy)N量子細線及び量子井戸構造を作製し、それらの新奇な特性を探索し、新機能デバイス応用に繋がる研究を行う。
Photo-carrier-induced ferromagnetism
Au electrode

GaGdN/AlGaN
QWs

Nanorod

Insulator layer

High resistance

GaGdN

Low resistance

Optical memory

GaN

s+GaGdN
s-L.T. GaN buff.
Si (100) sub.

ナノ細線構造によるスピンメモリ素子

Magneticinformation

GaGdN/AlGaN
QWs

Move direction

Spin LEDor Laser実験
Exchange
ChamberIP

Gate Valve

TMP

Transfer
Chamber

GVGV GaGdNナノロッドQMS

BFM

TMP

RHEED screen

E-gun
Substrate
DP
C/T

Ion removed
ECR radical cell

GrowthCr Chamber

GVMn

InGa

Mg

Si
Gas cell

MFC
Microwave power
generator
N2NH3
Pyro meter

分子線エピタキシー（MBE)装置
新しい材料の創製
高品質
One mono layerの制御が可能

 GaGdN薄膜、量子構造
物性評価：
X線回折（XRD)測定
フォトルミネッセンス（PL)測定
磁化測定
TEM
XAFS測定原子間力顕微鏡（AFM)観察など
デバイス作製：
真空蒸着装置RIEエッチング装置
フォトリソグラフィ装置など

2. GaGdNナノロッドの作製及び評価

Gd濃度の異なるGaGdNナノロッド
GdN(200)

GdN(111)
GaN(002)

Intensity[a.u.]

Gd BEP [Torr]
0.6×10-9
1.0×10-92.0×10-9
3.0×10-9
5.0×10-9GaN cap

ナノロッド

GaN：GdGaN
低温 GaNSiO2Si(001)30313233343536373839402θ [deg.]

Gd BEP : 0.6×10-9 Torr

1.0×10-9 Torr

ナノロッド

2.0×10-9 Torr

3.0×10-9 Torr

5.0×10-9 Torr

連続膜化

• 高濃度にGdを添加できない ⇒ 多層構造へGd添加なしGd添加あり

AFM像による表面構造
GaNのみではナノロッド成長しているが、Gdを添加すると面内への薄膜成長が促進される。

GaN・・・

GaN:GdGaN

GaGdN層での横への広がりをGaN層を挟むことで抑える
Si(111)

GaGdNナノロッド形成

1.0×10-9 Torr

Ga BEP : 5.0×10-8 Torr
N : 1 sccm, 300 W
Gd BEP : 1.0, 2.0, 3.0×10-9 Torr

2.0×10-9 Torr
Gd BEP

3.0×10-9 Torr

GaN cap 1 min.
.
.
.

Gd BEP [Torr]

1.0×10-9

2.0×10-9

3.0×10-96サイクル

Gd (%)

1.89

7.81

9.30

GaN:Gd 10 min
GaN 10 min
低温 GaN

ロッド径 (nm)254050

ロッド高さ (nm)

250

350

240

Si(111)

GaGdNナノロッドの面内配向性
基板上のGaN RHEEDパターン

シリコン酸化膜上Si(111)-7×7表面上

SiO2上ではGaN面内がランダムである為、結晶評価・磁気評価に向かない
Si(111)基板への成長Si(111)基板上でのGaGdN面内配向性
GaN(102)面に対するpole figure測定
1.0

Gd BEP (Torr)1.0×10-92.0×10-9X-ray
φIntensity [a.u.]

Detector
θGaN(102)結晶面0.80.60.40.20.0160

170

180190200

Intensity[a.u.]

φ [deg.]Gd BEP(Torr)
1.0×10-92.0×10-9
3.0×10-9050

100

150

200

φ [deg.]250300350•全ての試料で６回対称性が確認できた•Gd BEP 3.0×10-9 Torrの試料ではGaNの成長速度が遅い為、回折強度が弱い•Gd BEP 2.0×10-9 Torrで面内配向性の良い試料が作製できた

XRD(2θ/ω-scan)
GaN(002)
GdN(111)

Intensity[a.u.]

Si(111)

Ga : 5.0×10-8 (Torr)
Gd : 3.0×10-9
Gd : 2.0×10-9
Gd : 1.0×10-926283032343638402θ [deg.]Gd:3.0×10-9 Torr以上でもナノロッドの作製が可能
Gd:3.0×10-9 TorrでGdNの析出を観測
EDS元素分析よりGd照射量を増やすと、Ga強度の低下→Gd照射によるGaの取り込みの悪化

Ga BEPを増やしたナノロッドの作製

Ga供給量を増やす
Ga BEP : 8.0×10-8 Torr
N : 1 sccm, 300 W
Gd BEP : 1.0, 2.0, 3.0×10-9 Torr

1.0×10-9 Torr

2.0×10-9 Torr
Gd BEP

3.0×10-9 Torr

GaN cap 1 min
.
.
.
.

6サイクル
GaN:Gd 10 min
GaN 10 min
低温 GaN 30 sec
Si(111)

Gd BEP [Torr]

1.0×10-9

2.0×10-93.0×10-9Gd (%)

1.272.318.47

ロッド径 (nm)305060～70

ロッド高さ (nm)460

420340XRD(2θ/ω-scan)
GaN(002)

Intensity[a.u.]

Si(111)

GdNの析出が見られない

Gd BEP (Torr)
3.0×10-9
2.0×10-9
1.0×10-928

2930313233

2θ [deg.]

34353637

Gd濃度8 %以上でもナノロッドを形成し、GdNの析出がXRDからは観測されない

SQUID磁力計によるM-H測定
Gd BEP 2.0×10-9Torrのヒステリシス曲線(補正後)

外部磁場－面直4202-9

Gd : 2.0×10 Torr
10K300K-2-4-6-15000-10000-5000

0500010000

Field [Oe]15000

Magnetization [emu/cm3]

Magnetization [emu/cm3]60

Gd : 2.0×10-9 Torr
10K300K-2

室温で残留磁化：0.8 emu/cm3
保磁力：100 Oe-400-2000

Field [Oe]200400Gdビーム照射効果
Gdビーム照射なし

Gdビーム照射Si(111)基板にGdビーム照射によって、ロッドの高さがそろう。

3. GaGdN薄膜の結晶成長及び評価

Growth conditions of GaGdN on GaN
RF plasma-assisted MBE
GaN cap

1 min

GaGdN

60 minGaN buffer

3 min

 GaN & GaGdN Growth Conditions
Growth Temp. Ts： 500 ~ 700 ºC
Ga BEP: 0.7 10-5 ~ 2.010-5 Pa(BEP: beam eq. pressure)

undoped GaN
template grownby MOCVD(n-type)[Fixed growth parameters]
N2 flow rare：1.5 sccm
RF plasma power：180 W
Gd BEP: 1.010-7 ~ 1.2 10-6 Pa(Typical：~3 10-7 Pa)

 Characterization• Structural properties :• Magnetic properties :RHEED, XRD, HR-XRD RSM,AFM, TEM
SQUID (M-H & M-T curves)

Intensity (log scale; cps)

Ga BEP dependence of for Gd-doped GaN (XRD)
Group AGa BEP : 1.810-5 Pa
 GaGdN(0002)

spot appears.
 c-axis of GaGdN
is longer thanthat of GaN.
 coherent growth.

RSMGaN(0002)

109108107

GaGdN(0002)

106

 GaN(0002) peak only

10510is observed.
 The a-axis & c-axis
lattice constants of
GaGdN are the sameas those of GaN.

4103102
10134

34.5

2 (degree)

Gd BEP:2.410-7 Pa
GaGdN (Gd~ 3 %)GaN TG = 700 ºC
GaGdN(1015)(rlu)0.3700 Qx0.3600

Group BGa BEP: 1.210-5 Pa

0.3500Gd BEP:6.710-7 Pa
GaGdN (Gd~ 8 %)TG = 700 ºC

35RSM(1013)
GaN &GaGdN?

Ga & Gd BEP dependence of Gd-doped GaN (Group A)
1010
109108107106105104103102101
10010-1XRD

Ga BEP: 2.010-5 Pa
Gd BEP: 5.310-7 Pa
GaGdN (Gd~ 8 %)TG = 700 ºC
XTEM~290nm~35nm

Ga BEP : 2.010-5 Pa
Gd BEP
1.110-6 Pa
4.310-7 Pa
2.410-7 Pa(0002)(0004)

Ga & Gd BEP dependence of Gd-doped GaN (Group B)
Group BGa BEP : 1.410-5 Pa

20000 EPMA

1012 XRDGroup A

1011

Gd BEP
Gd BEP-6 Pa
1.110-61.210 Pa (A55)-7 Pa
4.3108.010-7 Pa (A54)
2.410-7 Pa10000
4.310-7 Pa (A53)
1.610-7 Pa
1.110-7 Pa
2.410-7 Pa (A52)

1010
109
108
107
106
105
103

GaN (A51)

102
101
3434.5106105
104
103
102
101
100-130

Gd BEP
1.210-6Pa
8.010-7
2.410-7 PaPa

1.610-7 Pa (A56)104

10Group B

05.8

35

5.9RBS

3436

38

0

6.1

6.2

6.3Group B
Ga BEP: 1.410-5 Pa
Gd BEP: 4.310-5 Pa
Gd ~4.8%

Gd BEP : 1.210-6 Pa

32

61000

2000

5Gd BEP:2.410-7 Pa, (Gd ~ 3%)
4(A73)
3 M-H
Group A Ga BEP: 2.010-5 Pa2(A52)
1Group B Ga BEP: 1.410-5 Pa0-1
Both the GaGdN samples exhibit-2hysteresis loops even at RT,-3
indicating that both the samples-4
RT
have a ferromagnetic character at RT.
-5-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5Field (kOe)

M (emu/cm3)

Magnetization (emu/cm3)

M-H curves for Gd-doped GaN

210-1-2-0.5

sample coercivity
Ms
Group A 120 Oe 3 emu/cm3
Group B
70 Oe 2 emu/cm30Field (kOe)

0.5The samples of group A showed harderferromagnetic behaviour in the M-H curves
than those of group B.

M-T curves for Gd-doped GaN
M-T

Gd BEP:2.410-7 Pa, (A73)(Gd ~ 2%)60

Group A
300 Oe-2.8

M (emu/cm3)

M (emu/cm3)-2.6-3

FC

-3.2

40

Group B
300 Oe

FC20ZFC

ZFC
-3.4
0

Gd BEP:1.210-6 Pa, (A55)

0100

200

300

Temperature (K)0100200300Temperature (K)between the FC
and ZFC M-T curves is observed
ZFC M-T curves is observed. Inat above 20 K.
general, this behavior is explainedin terms of super-paramagnetic  T ~ 20 K.
Bblocking phenomena.
 The blocking temperature TB is>300 K.
 The separation between the FC and No separation

Computer Simulations
on the super-paramagnetic blocking phenomena
Sato et al. carried out computer simulations on the super-paramagnetic
blocking phenomena. [JJAP 46, L682 (2007)]

ModelFor low concentrations, nano-clusters of magnetic impurities
are formed in DMS due to the spinodal decomposition.

M-THomogeneous2D decomposition

M-HDue to the formation ofmagnetic nano-clusters ofmagnetic impurities under
the spinodal decomposition,super-paramagnetic
blocking temperature (TB)of the DMS is enhanced
and hysteretic magnetic
response can be observed
at finite temperature.

まとめ
今までの結果： Si(111)基板上に成長したGaGdNナノロッドの面内配向性が良いことがわかった。
 GaGdN/GaN多重構造を持つナノロッドにすることによって、高濃度Gdを有するGaGdNナノロッドの作製ができ、磁化容易軸が成長方向に向いていることがわかった。
 Gdビーム照射によって、ナノロッドの高さがそろう傾向を持ち、スピノーダル分解によるものの可能性がある。
 GaGdN薄膜において、スピノーダル分解による自然超格子の形成を確認し、室温以上のブロッキング温度を持つことがわかった。
今後の研究計画： Ga(Gd, Dy)Nナノロッド、量子井戸構造の磁気輸送特性及び磁気光学特性を解明して行く。