Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
室温強磁性半導体を用いた 新しい半導体デバイスの創製
長岡技術科学大学
工学部
電気系
教授
内富直隆
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
研究・技術開発の背景
Spintronics
=
charge
+ Photon
+ spin
半導体半導体エレクトロニクスエレクトロニクス 電荷制御電荷制御
半導体スピントロニクス半導体スピントロニクス 電荷制御+電荷制御+スピン制御スピン制御
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
磁気抵抗素子への応用MRAM
(Magnetoresistive random access memory
書き込みワード線
読み出しワード線
ビット線
電流
磁界
TMR 素子
FET
金属ベース・スピントロニクス
スピン依存伝導を利用した、GMRやTMRはすでに実用化されているGMRセンサー:
ハードディスクドライブ(HDD)の高密度化・大容量化
不揮発性メモリー:トンネル磁気抵抗効果を用いたMRAM
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
半導体ベース・スピントロニクス
>ドーピングなどによるキャリアの制御>混晶やヘテロ接合の結晶成長とバンドエンジニアリング>電子のスピンを制御する電子デバイスや光デバイスなどの能動素子>半導体エレクトロニクスとの整合性が高い
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
■
磁性半導体の強磁性転移温度(キュリー温度)は、実用化のために
室温300 K以上が必要であること。
■
磁性半導体に望まれる要件の一つとして、現在利用できる半導体プ
ロセス技術と整合性があること。
希薄磁性半導体
GaMnAs
(1) キュリー温度が100 K以上と比較的高いこと。(2) III-V 化合物半導体プロセスと整合性があること.
スピントロニクスデバイスのプロトタイプが作製されている。
磁性半導体に求められる要件
半導体スピントロにクスを実現するために磁性半導 体材料に求められる要件として、
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
III-V族希薄磁性半導体はGaAs基板に格子整合 デバイス応用の可能性
磁性半導体の代表的な報告例
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
代表的な磁性半導体
GaMnAs
III-V族GaAsに磁性イオンMn2+を添加したGaMnAsはGaAs基板に格子 整合することから、半導体スピントロニクスへの応用が期待され盛んに研
究されている。
結晶成長後の熱処理
Mn
濃度を増やす
(Ga1-x
Mnx
)As
1990 1995 2000 2005 20100
50
100
150
200
250
300
Reco
rd T
c(K
)
Date (year)
191K
185K
X=20%
Our data152k
GaMnAsのスピントロニクスデバイス応用のために、室温強磁性の実現 に向けた研究が行われている。
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
300KCr incorporated during MBE2.37(Zn,Cr)Te
600KCo incorporated during MBE3.2TiO2:Co
~300Mn-implanted epi3.52ZnSiGeN2329KBridgman bulk growth0.65ZnSnAs2350KMn
incorporated by diff.< 2.8(ZnMn)GeP2
312Sealed ampule
growth; insulating; 5.6% Mn
1.83-2.8(Zn1-xMnx)GeP2
>330Mn
incorporated by implant or MBE; p ~1020 cm-3
2.2(Ga,Mn)P:C>400Cr incorporated during
MBE3.4(Ga,Cr)N
940Mn
incorporated during MBE3.4(Ga,Mn)N
>300Mn
incorporated during MBE; n-type
3.4(Ga,Mn)N
228-370Mn
incorporated by diffn3.4(Ga,Mn)N
>300Solid-phase reaction of evap. Mn
1.72Cd1-xMnxGeP2(eV)
TC(K)SynthesisBandgapMaterial
室温強磁性半導体の報告例
利用できる室温強磁性半導体は?
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
II-VI族希薄磁性半導体:
MnはII族サイトをII族イオ ンとして置換するためキャリアは導入されない
III-V族希薄磁性半導体:
MnはIII族サイトII族イ オンとして置換するためホールが導入される
> 通常、Mn間に反強磁性的相互作用が働く> Mnの固溶度が大きい
> ホール
を介在した強磁性的相互作用が働く> Mnの固溶度が小さい
II-IV-V2族希薄磁性半導体: Mn添加はII-VI族 とIII-V族の両方の効果が期待できる
II-IV-V2族希薄磁性半導体への期待
Mn
As
Zn
Sn
Zn
Te
Cd
Cd
Mn
Cd
Ga
As
GaGa
Mn
> ホールを介在した強磁性的相互作用が働く> Mnの固溶度が大きい
CdMnTe
GaMnAs
ZnSnAs2:Mn
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
カルコパイライト型半導体(II-IV-V2)
新しい室温強磁性半導体の提案ZnSnAs2
磁性原子Mnを添加
Mn
MnZn
Sn
As
格子整合室温強磁性半導体
ZnSnAs2 ZnSnAs2:Mn
5B 13Al 31Ga 49In 81Tl
6C 14Si 32Ge 50Sn 82Pb
7N 15P 33As 51Sb 83Bi
30Zn 48Cd80Hg
IIB
IIIA IVA VA
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
三元化合物半導体
ZnSnAs2
ZnSnAs2
InP
a=5.869Å
a=5.853Å
InP基板上で磁性半導体を含む半導体デバイスの可能性
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
Ultra High Vacuum System
~10‐10Torr
molecular flow with minimum collision
slow grow rate
~1Å/s
nanoscale
capability
in situ monitoring
probing surface structure during growth
real time feedback of growth rate
high purity source material
~99.9999%
excellent epitaxial film quality
high control of composition
shutter
cell temperature
Zn
SnEffusion cells
Cryo
panel (LN2
)
(LN2
)
substrateFluorescent screen
~10-10
Torr
RHEED gun
view port
Mn
As
substrate heater
UHV pump
ion gauge
substrate stage
Source oven
shutter
分子線エピタキシーを用いる
MBEMn:ZnSnAs2薄膜の作製方法
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
6 2 .0 6 2 .5 6 3 .0 6 3 .5 6 4 .0 6 4 .5 6 5 .0
In P
In P
InP
Zn Sn A s2
Z n S n A s2
ZnSnA s2
Zn3A s
2
T s= 3 20oC
Ts= 30 0oC
T s= 2 80oC
In P (0 0 4 ) p eak
inte
nsity
[arb
. uni
ts]
2 [d eg ]
Ts= 2 6 5oCZn 3A s 2
2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0 3 0 0 3 1 0 3 2 0 3 3 00
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0A s
Sn
% co
mpo
sitio
nS u b stra te tem p era tu re T
S [
oC ]
Zn Sn A sZ n
@ Ts=300°C最適
TS 300ºC
ZnSnAs2薄膜の成膜条件
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
1nm
ZnSnAs2
InP
High interfacial quality
ZnSnAs2/InP界面のTEM
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
ZnSnAs2:Mn=2.4%
InPa=0.5869c=0.5869ZnSnAs2a=0.5869c=0.5918
InPa=0.5869c=0.5869ZnSnAs2a=0.5869c=0.5918
ZnSnAs2:Mn/InPの逆格子空間マップ
Δc=0.049Å
ZnSnAs2:Mn=5%
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0-0 .5
0 .0
0 .5
1 .0
1 .5
2 .0
M [a
rb. u
nits
]
T [K ]
3 3 3 K
InP substrate
ZnSnAs2
:Mn
Applied H=300 öe
-5 0 0 0 -2 5 0 0 0 2 5 0 0 5 0 0 0
-3 0
-2 0
-1 0
0
1 0
2 0
3 0
5K
300K
1.5B/Mn atom
M [
emu
/cm
3]
H [O e ]
Mn:ZnSnAs2薄膜の室温強磁性
Tc~333K
Mn:4%
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
17
In-plane In-plane
ZnSnAs2:Mn
薄膜のM-H曲線
ZnSnAs2:Mn (5%), Mn(7%)
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
磁界
H
偏光子1偏光子2
ファラデー回転素子
永久磁石
光アイソレータ45度偏光方向
光アイソレータは、順方向には光を通すが逆方向には光を通さない素子である。光通信では、半導体レーザの戻り光が発振モードの変化、周波数特性の劣化、
雑音発生の原因となるために、光アイソレータによって戻り光を抑制する
想定される用途
1
磁気光学効果を示す材料が必要
磁気光学応用への可能性
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
導波型薄膜光アイソレータへの応用
Magnetic-optic film(Mn-ZnSnAs2 film)Rib waveguide
InP substrate
室温強磁性半導体Mn-ZnSnAs2薄膜を用いたInP光・ 電子集積回路と半導体導波路光アイソレータの一体化 の可能性
Magnetic field
Linearly polarized light
Faraday rotation
非相反性
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
0ZE 0ZERashbaスピン軌道相互作用
真空中のスピン軌道相互作用
zV(z)
eE(z)
1
effB
想定される用途
2
これまで、電子のスピンは磁場によって制御されてきた。
半導体量子井戸構造では、スピン軌道相互作用 により電子スピンを電場で制御することができる
2次元電子2次元電子
有効磁場
2
02 cmEPH BSO
電子スピンの電場制御の可能性
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
InGaAs
InAlAs
ZnSnAs(Mn) ZnSnAs(Mn)
InP
GateDMS DrainDMS Source
スピン
注入 スピン
検出
>Spin polarized field effect transistor (SPIN FET)
S.Datta
and B.Das, Appl.Phys.Lett. 56,665 (1990)
)(])(
[ UpXEE
PHSO
1113 200
20
2
InPベーススピンFETへの応用
Rashba
Spintronics
スピン伝導
強磁性半導体Mn添加ZnSnAs2をスピン注 入・検出の電極として使用する
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
• 現在、磁性半導体薄膜(ZnSnAs2:Mn)に ついて薄膜形成が可能なところまで開発済み。
しかし、デバイス応用の点が未解決である。
• 今後、磁性半導体薄膜(ZnSnAs2:Mn)に ついて実験データを蓄積し、トンネル磁気抵 抗素子などに応用することでデバイス応用の 可能性を実証予定。
実用化に向けた課題
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
•
発明の名称
:磁性半導体薄膜及び磁性半 導体薄膜の製造方法
•
出願番号 :特願2006-238022
•
出願人
:長岡技術科学大学
•
発明者
:内富直隆
本技術に関する知的財産権
2012.5.29 長岡技術科学大学 新技術説明会Nagaoka University of Technology
長岡技術科学大学
総務部
産学・地域連携課
知的財産係
TEL
0258-47
-9279
FAX
0258-47
-9040
patent@jcom.nagaokaut.ac.jp
お問い合わせ先
室温強磁性半導体を用いた�新しい半導体デバイスの創製スライド番号 2磁気抵抗素子への応用スライド番号 4スライド番号 5スライド番号 6スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9スライド番号 10スライド番号 11スライド番号 12スライド番号 13スライド番号 14スライド番号 15スライド番号 16スライド番号 17スライド番号 18スライド番号 19スライド番号 20スライド番号 21スライド番号 22スライド番号 23スライド番号 24