研究紹介
丸文研究奨励賞
受賞者

高温強磁性酸化物
半導体の創製とそのデバイス実証に関する研究
室温強磁性を示す透明な半導体の応用を目指して

福村 知昭
東北大学 金属材料研究所 講師

研究の背景という次世代情報通信デバイスにも役立したのが本研究の発端である【1】。

てることができることになる。半導体の特マンガンをドープした酸化亜鉛は期待に

透 明な材 料はその存 在 感のなさ故に長を活 用するスピントロニクスでは強 磁反して強磁性は示さなかった。しかし、遷

利 用 価 値がある。たとえば、窓ガラスに性半導体という材料が有望視されている

移金属はそれぞれ異なる3d軌道の電子透 明 酸 化 物をコーティングすることによが、室温まで強磁性を維持する材料はな配置を持つため、異なった磁性を示す可って、太陽光の紫外線をカットしたり、汚かったのが現状である。

能性がある。幸い、遷移金属は多くの酸れを軽 減させたりできるのはよく知られている。また、透明な電子材料を用いる研究の成果化状態を持つため、酸化物へのドーピングが比較的容易である。そこで、複数のグと、図 1に示すように、ガラス上やプラスワイドギャップ半 導 体は、一 般に電 子ループで共同開発を進めていたコンビナトチック上にトランジスタや発 光デバイスの有効質量が重い。また、ワイドギャップリアル合成手法を用いて、酸化亜鉛にすを搭載することができる。透明な電子材

半導体のなかでも特に酸化物半導体はべての3d遷移金属のドーピングを行った料として代 表 的なものに酸 化 物 半 導 体

多量の電子ドーピングが可能である。固（図2）【 2】。そして、物質探索の対象をさらにがあるが、これは透 明 電 極、触 媒、化 粧

体中の離れたスピン間の相互作用を遍広げて、酸化亜鉛以外の酸化物半導体品の粉等、様々な用途で古くから用いら歴電子が媒介するメカニズムを記述したへの遷移金属ドーピングも試みた結果、コれてきた。この 透 明 性という性 質は、そRKKY 理論では、電子の有効質量が重がバルトをドープした二酸化チタン（TiO 2 ）の半 導 体が大きなエネルギーギャップをく、電子濃度が高いと相互作用が強くな室温強磁性を示すことがわかった【3】。図持つことに起因する。これらはワイドギャり、スピンが平行に揃う力が強くなる、す3に示すように、コバルトドープ二酸化チタップ 半 導 体と呼ばれるが、短 波 長 光 源

なわち、高温強磁性が発現しやすい。よンは透明な電気を流す強磁性体で、従来として最近大いに期待されている材料でって、酸 化 物 半 導 体にスピンをドーピンの強磁性半導体より高いキュリー温度をある。

グすれば、高 温 強 磁 性を示す可 能 性が持つ。しかしながら、この物質が強磁性とこれらのワイドギャップ半導体を用いたある。そこで、古くから知られた材 料でも半導体性を併せ持つ強磁性半導体であ電子デバイスや光デバイスは既に実現さある酸化亜鉛（ZnO）にマンガンをドープることは明らかでなかった。また、コバルトれてきた。もし、ワイドギャップ半導体を強磁性にすることができれば、電子・光・磁気デバイスと三拍子揃うことになり、究極的には透明なコンピューターの実現も不可能ではないであろう。そして、強磁性と半導体の性質を併せ持つことにより、既存の半導体エレクトロニクスに電子のスピンの自由度を付加したスピントロニクス

図1 透明酸化物を用いたガラス上（左）およびプラスチック上（中央）の透明トランジスタ。
そして、透明酸化物上に作製した有機EL素子（右）金属が二酸化チタンに混じっているだけと持つ磁化に比例する異常ホール効果という批判もあった。そこで、磁気光学測定

いう現 象を示す。コバルトドープ 二 酸 化と電気測定により強磁性半導体の性質をチタンは室 温でも明 瞭な異 常ホール効持つことの検証に取りかかった。

【 5】。そして、異常ホール効
果を示す（図 5）

強磁性半導体は価電子帯と伝導帯を果の大きさは試 料の伝 導 率が高いほど持ち、価 電 子 帯から伝 導 帯に光 励 起さ大きくなり、幅広い伝導率の範囲でスケれた電 子が強 磁 性の振る舞いを示すはーリングを示す【5】。

ずである。実際に、磁気光学効果のひとつである磁 気 円 二 色 性の測 定では、コ

図2 各3d遷移金属を異なる濃度でドープした酸化亜鉛薄膜

図3 強磁性半導体のキュリー温度の推移
挿入図はコバルトドープ二酸化チタン薄膜の写真

今後の展望

バルトドープ二酸化チタンは強磁性の磁以上のように、コバルトドープ二酸化チ

気円二色性を示し、その大きさは従来のタンは室温強磁性半導体であり、スピント

磁 気 光 学 材 料と同 程 度であることがわロニクス材料として有望である。しかしな【 4】。
かった（図 4）

がら、デバイス動作を実証することが必要
ンを用いてスピントロニクスデバイスのひと方向に曲げられる。これはホール効果とつである磁気トンネル接合を作製した。図呼ばれる普遍的な現象であって、その大6に示すように、トンネル磁気抵抗効果はきさは磁 場に比 例することが知られてい約200Kで消失してしまい、室温動作まで電場など外場を用いて強磁性のオンオフる。一 方、強 磁 性 半 導 体 の 場 合、ホーあと一歩である【6】。研究の一層の進展にが可能な新しいデバイスの実現が期待さ

ル効果の大きさは磁場ではなく、試料のより、デバイスの室温動作、そして、光やれる。

ホール抵抗率［μΩ cm］

吸収係数［105 cm-1 ］

磁場［T］

面内磁場

磁場［T］

トンネル磁気抵抗比［%］下では電流および磁場の向きに垂直なトンネル磁気抵抗比［%］である。そこで、コバルトドープ二酸化チタ

磁気円二色性［104 deg/cm］

固 体 中を流れる電 子は一 般に、磁 場

温度［K］

光エネルギー［eV］
図4 コバルトドープ二酸化チタン（アナターゼ構造、実線）の室温における吸収スペクトル（下）と磁気円二色性
（MCD）
スペクトル
（上）
。挿入図はMCDシグナルの磁場依存性である。比較のため、常磁性のコバルトドープ酸化亜鉛の5Kのデータ（点線）も加えてある。
なお、
ルチル構造のコバルトドープ二酸化チタンも同様のMCDを示す。

図5 コバルトドープ二酸化チタン（ルチル構造）の300Kにおけるホール抵抗率の磁場依存性。
点線は正常ホール効果のみの寄与を示す。

図6 コバルトドープ二酸化チタン/酸化アルミ/コバルト鉄の磁気トンネル接合におけるトンネル磁気抵抗効果の温度依存性。挿入図はトンネル磁気抵抗の磁場依存性である。

補足説明

Re f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）●磁気トンネル接合【1】T.Fukumura, Z.Jin, A.Ohtomo, H.Koinuma, M.Kawasaki, Appl. Phys. Lett. 75, 3366（1999）

二つの強磁性体の間に薄いトンネル絶縁層をはさんだ構造の接合。二つの強磁性体の磁化の向きが平行のとき、強磁性体間にトンネル電流が流れ、反平行のときはトンネル電流が流れない。この現象はトンネル磁気抵抗効果と呼ばれ、ハードディスクの読み取りヘッド等への応用が試みられている。

【2】Z.Jin, T.Fukumura, M.Kawasaki, K.Ando, H.Saito, T.Sekiguchi, Y.Z.Yoo, M.Murakami, Y.Matsumoto,T.Hasegawa, H.Koinuma, Appl. Phys. Lett. 78, 3824
（2001）【3】Y.Matsumoto, M.Murakami, T.Shono, T.Hasegawa, T.Fukumura, M.Kawasaki, P.Ahmet, T.Chikyow,S.Koshihara, H.Koinuma, Science 291, 854（2001）【4】T.Fukumura, Y.Yamada, K.Tamura, K.Nakajima, T.Aoyama, A.Tsukazaki, M.Sumiya, S.Fuke, Y.Segawa,T.Chikyow, T.Hasegawa, H.Koinuma, M.Kawasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 42, L105
（2003）【5】H.Toyosaki, T.Fukumura, Y.Yamada, K.Nakajima, T.Chikyow, T.Hasegawa, H.Koinuma, M.Kawasaki,
Nature Mater. 3, 221（2004）【6】H.Toyosaki, T.Fukumura, K.Ueno, M.Nakano, M.Kawasaki, Jpn. J. Appl. Phys. 44, L 896（2005）