DE60320191T2 - Ferromagnetischer Raumtemperatur-Halbleiter und Plasma unterstützte Molekularstrahlepitaxie wie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Ferromagnetischer Raumtemperatur-Halbleiter und Plasma unterstützte Molekularstrahlepitaxie wie Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Joon Y. Kwangjin-Ku Chang
Hi J. Seocho-Ku Kim
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen ferromagnetischen Raumtemperatur-Halbleiter, der für eine spin-elektronische Vorrichtung verwendet wird und die Eigenschaften eines Halbleiters mit großer Bandlücke und magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur besitzt, das Herstellungsverfahren und eine Vorrichtung auf der Basis eines ferromagnetischen Halbleiters.
  • In den frühen 1990er Jahren begann man mit der Forschung an einem Nitrid-Halbleiter auf GaN-Basis, um eine blaues Licht emittierende Vorrichtung herzustellen, und derzeit wird aktiv eine Forschung an verschiedenen elektronischen Vorrichtungen zusätzlich zu Licht emittierenden und Licht empfangenden Vorrichtungen durchgeführt.
  • Bei der Bildung einer Dreielemente-Verbindung kann die Bandlücke von 1,9 eV bis 6,2 eV gesteuert werden, so dass der Nitrid-Halbleiter für die Herstellung einer Licht emittierenden Vorrichtung mit einem Wellenlängenbereich des gesamten sichtbaren Lichts, einschließlich eines Ultraviolettstrahl-Bereichs, verwendbar ist. Eine blaues und grünes Licht emittierende Diode (LED) und ein Ultraviolettstrahl-Detektor wurden vor Jahren erfolgreich in den Handel gebracht und es wird angenommen, dass eine blaues Licht emittierende Diode (LED) bald auf dem Markt sein wird.
  • Mittlerweile wird die Forschung an einer elektronischen Vorrichtung, die den Nitrid-Halbleiter verwendet, aktiv betrieben. Seit einem Bericht über eine Forschung an einem GaN-MESFET (Metall-Halbleiterfeldeffekttransistor) ist in großem Umfang eine Kristallzüchungstechnik entwickelt worden und die Technik zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung ist ebenfalls deutlich verbessert worden. Es werden diverse Untersuchungen über eine elektronische Vorrichtung auf der Basis ausgezeichneter physikalischer Eigenschaften, wie einer großen Bandlücke, einer hohen thermischen und chemischen Stabilität, einer hohen Elektronenmobilität, einer hohen Durchschlagspannung und Sättigungselektronengeschwindigkeit, der großen Unterbrechung des Leitungsbandes oder dergleichen, durchgeführt.
  • Inzwischen ist im Hinblick auf das neue Konzept der Spintronik (einem zusammengesetzten Wort aus Spin und Elektronik), eines neuen Paradigmas, das beabsichtigt, eine elektronische und eine optische Vorrichtung unter Berücksichtigung der Freiheit eines Spins zusammen mit der elektrischen Ladung des Elektrons zu entwickeln, als Folge des Berichts über ferromagnetische Halbleiter-Eigenschaften bei einer Temperatur von etwa 110 K durch Ersetzen eines Teils von Ga in GaAs durch Mn, ein Übergangsmetall, unter Verwendung eines Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Prozesses in den späten 1990er Jahren eine Forschung über die Anwendbarkeit von Spintronik durchgeführt worden.
  • In dieser Hinsicht sind jedoch (In, Mn)As (Tc = 35 K), (Ga, Mn)As (Tc = 110 K) und MnGe (Tc = 116 K) repräsentative ferromagnetische Halbleiter, die bisher untersucht worden sind, aber aufgrund der niedrigen Curie-Temperatur gibt es eine Beschränkung bei der Herstellung einer Spin-Vorrichtung, die bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Deshalb ist das Auffinden eines ferromagnetischen Halbleiters mit einer Curie-Temperatur über Raumtemperatur der kritischste Faktor auf diesem Gebiet.
  • Gemäß dem Ergebnis einer theoretischen Rechnung unter Verwendung eines Zener-Modells wird vorhergesagt, dass GaN, ZnO eine Curie-Temperatur über Raumtemperatur zeigen, worauf demgemäß Forschung darauf gerichtet worden ist, um dies experimentell zu bestätigen.
  • Die US-A-5,294,287 offenbart eine Klasse von magnetischen Materialien oder Verbindungen für Festkörper-Vorrichtungen, welche verdünnte magnetische Halbleiter vom III-V-Typ einschließen, die als Teil der Verbindung ein Übergangselement oder ein Seltenerdelement umfassen, das in ausreichender Menge vorliegt, um das Material oder die Verbindung aus einem paramagnetischen Zustand in einen lokal geordneten magnetischen Zustand zu überführen.
  • Lin M. E. et al.: "Growth and Characterization of GaN an C-plane (0001) Saphire Substrates by Plasma-Enhanced Molecular Beam Epitaxy", Journal of Applied Physics, AIP New York, US, Bd. 74, Nr. 8, Oktober 1993 (1993-10), Seiten 5038–5041, XP000400038 offenbart die Abscheidung von GaN-Filmen auf Saphir-Substraten durch plasmagestütze Molekularstrahlepitaxie.
  • Cui Y. et al.: "Suppression of Phase segragation during MBE growth of GaMnN using N2/H2 Plasma", Applied Phyiscs Letters, AIP New York, US, Bd. 80, Nr. 22, Juni 2002 (2002-06), Seiten 4139–4141, XP012031075 offenbart ein Verfahren für die Herstellung eines GaMnN-Dünnfilms mittels PEMBE ohne Bildung einer sekundären Phase. Ga und Mn werden aus Effusionszellen geliefert, N wird aus einer N2/H2-Plasmaquelle geliefert. Die Leistung der Plasmaquelle beträgt 30 W. Der Wasserstoff erhöht die Zahl der mit Stickstoff reagierenden Spezies.
  • Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiter mit magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und sein Herstellungsverfahren bereitzustellen.
  • Um diese und andere Vorteile gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie hierin ausgeführt und breit beschrieben, zu erzielen, wird ein Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Halbleiters bereitgestellt, welcher die Schritte umfasst: Bilden eines Gruppe 3-Gruppe 5-Verbindungshalbleiter-Dünnfilms, der ein Material 'A', das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ga, Al und In, und ein Material 'B' umfasst, welches N auf einem Substrat ist; und Dotieren eines Materials als 'C', das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Mg, Co, Fe, Ni, Cr und V, als Material für den Ersatz des Materials 'A', ohne eine sekundäre Phase zu bilden, wobei der Verbindungshalbleiter-Dünnfilm durch eine plasmagestützte Molekularstrahlepitaxie gebildet wird, bei der die Materialien 'A' und 'C' aus einer Effusionszelle geliefert werden und das Material 'B' aus einer Plasmaquelle geliefert wird und wobei die Leistung der Plasmaquelle 250–350 W beträgt.
  • Vorzugsweise liegt die Temperatur des Substrats im Bereich von 300–1000°C. Andere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüche 2–3 definiert.
  • Die begleitenden Zeichnungen, die eingeschlossen sind, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und der Beschreibung einverleibt sind und einen Teil derselben bilden, erläutern Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
  • In den Zeichnungen ist:
  • 1 eine schematische Ansicht, die eine plasmagestützte Molekularstrahlepitaxie (PEMBE) zeigt, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 2 eine graphische Darstellung, welche das Ergebnis einer Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) eines (Ga, Mn)N-Dünnfilms zeigt, welche gemessen wurde, um die Mn-Verteilung in einem Dünnfilm gemäß der Mn-Zellentemperatur zu beobachten, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde:
  • 3 ist eine graphische Darstellung, welche eine Raumtemperatur-Hystereseschleife eines (Ga, Mn)N-Dünnfilms zeigt, der gemäß einer Änderung der Mn-Zellentemperatur und der Plasmaleistung in dem PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die eine Hystereseschleife eines (Ga, Mn)N-Dünnfilms zeigt, der unter der Bedingung von 670°C/350 W durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung eines (Ga, Mn)N-Dünnfilms mit einer Mn-Konzentratoin von 0,16% und 0,50% zeigt, der durch das PEMBE-Verfahren hergestellt wurde;
  • 6 eine graphische Darstellung, welche die Änderung des magnetischen Widerstands gemäß dem Magnetfeld senkrecht zu dem Dünnfilm bei einen (Ga, Mn)N-Dünnfilm zeigt, der hergestellt wurde, als in dem PEMBE-Verfahren die Plasmaleistung 250 W war und die Mn-Zellentemperaturen 600°C (∘) und 650°C
    Figure 00050001
    waren;
  • 7 eine Fotografie, die eine Schnittansicht eines Transmissionselektronenmikroskop (TEM)- und eines Elektronenbeugungsmusters eines (Ga, Mn)N-Dünnfilms mit einer Mn-Konzentration von 0,2% zeigt, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 8 eine graphische Darstellung, die eine Gitterkonstante, wie sie durch ein Verfahren der Laue-Zonen hoher Ordnung (HOLZ) gemessen wurde, eines ferromagnetischen Halbleiters zeigt, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 9 eine Schnittansicht, welche eine Struktur einer Spin-LED unter Verwendung eines ferromagnetischen Halbleiters zeigt, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 10 eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Hall-Effekt-Speichervorrichtung unter Verwendung des ferromagnetischen Halbleiters zeigt, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
  • 11 eine Schnittansicht, die eine Struktur eines spinpolarisierten Feldeffekttransistors (Spin-FET) unter Verwendung des ferromagnetischen Halbleiters zeigt, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
  • 12 eine Schnittansicht, die eine Vorrichtung mit einem magnetischen Tunnelübergang mit einer Struktur ferromagnetischer Halbleiter/isolierendes Material/ferromagnetischer Halbleiter zeigt, welche den ferromagnetischen Halbleiter verwendet, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
  • In den 3–6 gelten die folgenden Beziehungen: 1 emu/cm3 = 103 Am–1 und 1 Oe = 79,71 Am–1.
  • Als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein Mn- oder Mg-dotierter GaN-Dünnfilm unter Verwendung einer Vorrichtung für plasmagestützte Molekularstrahlepitaxie gezüchtet, wofür ein undotiertes GaN (GaN-Matrize) auf einer Saphir-Oberfläche (0001), das unter Verwendung einer Vorrichtung zur metallorganischen chemischen Dampfabscheidung (MOCVD) gezüchtet wurde, als Substrat verwendet wurde.
  • 1 ist eine schematische Ansicht, welche die Vorrichtung für plasmagestützte Molekularstrahlepitaxie zeigt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • Turbomolekularpumpen 1 und 2 werden auf der rechten Seite und der linken Seite der Kammer 20 angeschlossen und ein Substrat 5 wird an einem oberen Abschnitt der Kammer 20 angeordnet. Die Lage des Substrats wird durch einen Substrat-Manipulator 10 gesteuert, der an einem oberen Abschnitt der Kammer ausgebildet ist. Eine Heizung 4 ist an der oberen Seite des Substrats angeordnet, um die Temperatur des Substrats zu steuern. Eine Liefervorrichtung 8 für flüssigen Stickstoff (LN2) ist an einem unteren Abschnitt innerhalb der Kammer angeordnet und LN2-Bedeckungen 9 sind innerhalb der Kammer angebracht. Die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen jeweils Verschlüsse und 3 bezeichnet Beladungsabsperrungkammer.
  • Die Vorrichtung für die plasmagestützte Molekularstrahlepitaxie ist ein Ultrahochvakuum(UHV)-System, das einen Grunddruck von 1,6 × 10–7 Pa (1,2 × 10–9 Torr) aufweist und ein Vakuum von etwa 2,7 × 10–8 Pa (2 × 10–10 Torr) zeigt, wenn LN2 eingeführt wird. Der Dreh-Substratmanipulator kann ein Substrat mit einem Durchmesser von 3'' handhaben. Es gibt 8 Einlassöffnungen am unteren Flansch, so dass Effusionszellen 11, 12 und 13 für das thermische Verdampfen eines erforderlichen chemischen Elements daran angebracht werden können. Die Effusionszellen sind zusammen mit einer RF-Plasmaquelle 14 an einen passenden Kasten angeschlossen.
  • Ga mit einer Reinheit von 99,99999% (7 N) wurde verwendet, um den GaN-Dünnfilm zu züchten, und Mn (6 N) und Mg (6 N) wurden für die Dotierung verwendet. N2(7 N)-Gas wurde durch die RF-Plasmaquelle zugeführt. Ein hochreines hitzebeständiges Material, zum Beispiel PbN, Mo oder dergleichen, wurde innerhalb der Plasmaquelle verwendet, um eine Kontamination durch das Hochtemperatur-Plasma zu verhindern, zu dem Kühlwasser floss. Während des Züchtens des Mn-dotierten GaN-Dünnfilms betrug die Temperatur des Substrats 750–1000°C, die Mn-Effusionszellentemperatur war 600–800°C, die Plasmaleistung 250–350 W war und die N2-Fließgeschwindigkeit betrug 1,5–2 Scm3.
  • Eine Hall-Messung des so hergestellten (Ga, Mn)N-Dünnfilms durch das Van der Pauw-Verfahren zeigte, dass er Eigenschaften eines Halbleiters vom n-Typ zeigte, seine Ladungsträgerkonzentration n = 1016–1017/cm3 war, seine Elektronenmobilität (μH) etwa 103 cm2/Vs betrug und sein Nicht-Widerstand (ρ) 0,2 Ω cm betrug.
  • Als Mg in einem grundsätzlichen Experiment dotiert wurde, um einen ferromagnetischen Halbleiter vom p-Typ zu züchten, wurde die Elektronenkonzentration rasch von ~2,9 × 1018 cm–3 auf ~4,8 × 1017 cm–3 verringert, als das FGa/FN-Flussverhältnis erhöht wurde. Es wird angenommen, dass dies der Fall ist, weil ein Kompensationseffekt aufgrund der Zunahme der Mg-Konzentration gemäß der Zunahme des Flussverhältnisses erhöht wird. Deshalb wird angemerkt, dass ein Mg-dotierter GaN-Dünnfilm mit Leitung vom p-Typ gezüchtet werden kann und ein ferromagnetischer Halbleiter vom p-Typ durch gleichzeitige Dotierung von Mn und Mg gezüchtet werden kann.
  • 2 ist eine graphische Darstellung, die ein Ergebnis einer Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) zeigt, welche gemessen wurde, um die Mn- Verteilung in einem Dünnfilm gemäß der Mn-Zellentemperatur des (Ga, Mn)N-Dünnfilms zu beobachten.
  • Es wird angemerkt, dass, wie in 2 gezeigt, Mn in dem Dünnfilm eine gleichmäßige Verteilung im Bereich von 0,7–1,0 μm hat. Zusätzlich wird angemerkt, dass die Mn-Konzentration in dem GaN-Dünnfilm erhöht wird, wenn die Mn-Zellentemperatur zunimmt. Ohne eine Grundprobe mit einer Information über die Mn-Konzentration ist es nicht möglich, bei jeder Probe eine genaue Mn-Konzentration zu kennen. Aber aus dem SIMS-Ergebnis kann festgestellt werden, dass Mn wirksam dotiert wird, wenn GaN gezüchtet wird. Die Mn-Konzentration jeder Probe wurde angegeben, wie sie aus einem magnetischen Moment erhalten wurde, das bei jeder Probe gemessen wurde. Die Konzentration des Dotiermaterials beeinflusst die physikalische Eigenschaft des Magnetisierungswerts und eine geeignete Mn-Konzentration zum Züchten eines ferromagnetischen Einphasen-Halbleiters betrug 0,06–3%.
  • 3 zeigt eine Hystereseschleife des (Ga, Mn)N-Dünnfilms, die bei Raumtemperatur mit einem hochempfindlichen (10–11 Am2 (10–8 emu)) AGM (Magnetometer mit alternierendem Gradienten) erstellt wurde. Die Mn-Zellentemperatur und die Plasmaleistung in diesem Zusammenhang sind (a) 630°C/350 W, (b) 650°C/350 W, (c) 650°C/250 W, (d) 650°C/400 W (Vergleichsbeispiel) bzw. (e) 670°C/350 W.
  • Es kann aus der Hystereseschleife festgestellt werden, dass das (Ga, Mn)N, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, bei Raumtemperatur typische magnetische Eigenschaften aufweist.
  • In dem Fall, in dem die Plasmaleistung 350 W beträgt und die Mn-Zellentemperatur von 630°C auf 670°C ansteigt, nimmt der Magnetisierungswert stark zu. Das heißt, wenn die Mn-Zellentemperatur erhöht wird, nimmt die Mn-Konzentration zu.
  • Dagegen wird in dem Fall, in dem die Mn-Zellentemperatur 650°C beträgt und die Plasmaleistung im Bereich von 250–350 geändert wird, der Magnetisierungswert wenig geändert.
  • Beim größten Magnetisierungswert weist (Ga, Mn)N, das mit einer Mn-Zellentemperatur von 670°C und einer Plasmaleistung von 350 W hergestellt wurde, Ms = 103 Am–1 (1,0 emu/cm3) und 0,5% Mn-Konzentration auf.
  • Das heißt, der Magnetisierungswert kann durch Erhöhung der Mn-Konzentration mehr gesteigert werden. Die Temperatur der Effusionszelle besitzt einen großen Einfluss auf die physikalische Eigenschaft des ferromagnetischen Halbleiters und die optimale Temperatur wird abhängig vom Dotiermaterial eingestellt.
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die eine vergrößerte Hystereseschleife des (Ga, Mn)N-Dünnfilms zeigt, der unter der Bedingung 670°C/350 W hergestellt wurde. Wie veranschaulicht, ist die Koerzitivkraft (Hc) = 5500 Am–1 (69 Oe). Wenn eine sekundäre Phase, wie ein Nanocluster, vorliegt, die magnetische Eigenschaften in dem (Ga, Mn)N-Dünnfilm zeigt, kann, da diese ein superparamagnetisches Verhalten zeigt, eine Koerzitivkraft nicht erwartet werden.
  • Deshalb gibt das Ergebnis von 4 wieder, dass (Ga, Mn)N eine einzige Phase aufweist, die durch Ersatz von Ga durch Mn gebildet wird, und diese einzige Phase hat bei Raumtemperatur magnetische Eigenschaften.
  • 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung von (Ga, Mn)N-Dünnfilmen mit einer Mn-Konzentration von 0,16% bzw. 0,50% zeigt. Die beiden Dünnfilme zeigen beide eine typische Ferromagnetisierung bei 4–300 K. Gemäß dem Ergebnis einer Berechnung unter Verwendung einer gemittelten Feldtheorie, um die Curie-Temperatur vorherzusagen, ergibt die Curie-Temperatur (Tc) jeweils etwa 550 K und 700 K bei (Ga, Mn)N-Dünnfilmen mit einer Mn-Konzentration von 0,16% bzw. 0,50%. Dieses Ergebnis zeigt, dass eine Spin-Vorrichtung, die unter Verwendung des ferromagnetischen (Ga, Mn)N-Dünnfilms hergestellt ist, eine ausreichende thermische Stabilität aufweist. Das Bild, das in das rechte obere Ende von 5 eingefügt ist, zeigt eine Hystereseschleife, welche mit einem (Ga, Mn)N-Dünnfilm mit einer Mn-Konzentration von 0,50% bei 4 K und 300 K gemessen wurde.
  • 6 zeigt eine Magnetowiderstands-Änderung gemäß den Magnetfeldern senkrecht zum (Ga, Mn)N-Dünnfilm, der hergestellt wurde, als die Plasmaleistung 250 W betrug und die Mn-Zellentemperatur 660°C (∘) und 650°C
    Figure 00100001
    betrugen. Der (Ga, Mn)N-Dünnfilm, der unter den beiden Bedingungen hergestellt wurde, zeigt wenig Widerstandsveränderung gemäß den Magnetfeldern bei 300 K, zeigt aber einen negativen Magnetowiderstand von ΔR/R = 10% und ΔR/R = 20% bei 4 K, wenn ein Magnetfeld von 1,59 × 10–6 Am–1 (20 kOe) darauf angewendet wird.
  • Das Bild, das am zentralen unteren Ende von 6 eingefügt ist, zeigt, dass der negative Magnetowiderstand sich gemäß der Temperatur von 4–300 K ändert.
  • Ein negativer Magnetowiderstand ist eine repräsentative Eigenschaft des ferromagnetischen Halbleiters, die dem Ergebnis des bekannten (Ga, Mn)As (Tc = 110 K) sehr ähnlich ist. Aufgrund dieser Tatsache ist (Ga, Mn)N, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ein Halbleiter mit magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur. Die Ursache des negativen Magnetowiderstands ist nicht bekannt, aber es wird im Allgemeinen angenommen, dass dies auf der Bildung eines magnetischen Polarons, das aus einem Ladungsträger und einer Elektronenwolke aus dem Mn-Spin gebildet wird, oder auf einer Zeeman-Verschiebung der Fermienergie beruht.
  • 7 ist eine Fotografie, die einen Abschnitt einer TEM des (Ga, Mn)N-Dünnfilms mit einer Mn-Konzentration von 0,2% zeigt.
  • Gezeigt ist GaN mit einer Dicke von 2 μm, das auf einem Saphir-Substrat durch das MOCVD-Verfahren gezüchtet wurde, und (Ga, Mn)N, das darauf durch das PEMBE-Verfahren gezüchtet wurde.
  • Wie aus dem Elektronenbeugungsmuster zu sehen ist, das in den linken Teil von 6 eingefügt ist, beobachtet man zusätzliche (0–110), (–1100), (1–100), (01–10) Beugungsflecken, die nicht in GaN beobachtet werden, das durch MOCVD-Verfahren gezüchtet wurde.
  • Dies ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Ga durch Mn im (Ga, Mn)N-Dünnfilm ersetzt wird, welcher einer Wurtzit-Struktur der hexagonalen Strukturen entspricht, die zeigt, dass Mn eine einzige (Ga, Mn)N-Phase durch wirksamen Ersatz von Ga ohne Bildung einer sekundären Phase zeigt. Es wurde nämlich gemäß dem Ergebnis der TEM keine sekundäre Phase, wie ein Nanocluster, beobachtet.
  • 8 ist eine graphische Darstellung, die Gitterkonstanten (a) von mehreren Proben zeigt, welche durch ein Verfahren der Laue-Zone hoher Ordnung (HOLZ) gemessen wurden. Eine Standardprobe für dieselben ist GaN mit einer Dicke von 200 μm, das durch das Hydrid-Dampfphasen-Epitaxie(HVPE)-Verfahren hergestellt wurde und keine Gitterfehlordnung durch Saphir aufweist. Wie gezeigt, zeigt der Vergleich zwischen den Gitterkonstanten von (Ga, Mn)N und GaN, die durch das PEMBE-Verfahren gezüchtet wurden, dass (Ga, Mn)N größer ist als Ga. Durch diese Tatsache wird bestätigt, dass (Ga, Mn)N eine einzige (Ga, Mn)N-Phase ist, die durch Ersatz von Ga durch Mn gebildet ist.
  • Außerdem kann ein ferromagnetischer Halbleiter gezüchtet werden, indem man eine geeignete Menge an Co, Fe und Ni, den typischen ferromagnetischen Übergangselementen, und Cr, V oder dergleichen, die ähnliche Eigenschaften wie Mn aufweisen, ebenso wie Mn dotiert.
  • Der ferromagnetische Halbleiter, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist für verschiedene Vorrichtungen verwendbar.
  • 9 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Spin-LED zeigt, die einen ferromagnetischen Halbleiter verwendet, der durch das PEMBE-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
  • Wie in 9 gezeigt, werden auf einem ferromagnetischen Halbleiter 81 vom n-Typ (oder p-Typ) nacheinander ein Abstandshalter 82, Isolierschichten 83 und 84, ein Puffer 85 vom p-Typ (oder n-Typ), ein Substrat 86 vom p-Typ (oder n-Typ) gebildet.
  • Was den ferromagnetischen Halbleiter betrifft, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, kann ein ferromagnetischer Halbleiter 93, wie in 10 gezeigt, zusätzlich so geändert werden, dass er eine ferromagnetische Eigenschaft aufweist oder eine nicht-ferromagnetische Eigenschaft aufweist, indem man die Ladungsträgerkonzentration mit einer Spannung eines Gates 91 steuert, so dass er als eine Hall-Effekt-Speichervorrichtung verwendbar ist, indem man die Eigenschaften verwendet, dass ein Hall-Widerstand aus einem außergewöhnlichen Hall-Effekt groß ist, wenn der ferromagnetische Halbleiter eine ferromagnetische Eigenschaft aufweist, während der Hall-Widerstand aus einem gewöhnlichen Hall-Effekt gering ist, wenn der ferromagnetische Halbleiter eine nicht-ferromagnetische Eigenschaft aufweist. In 10 bezeichnen die Bezugszeichen 92 und 94 Isolierschichten, 95 bezeichnet eine Pufferschicht, 96 bezeichnet den Spin eines Materials, mit dem der ferromagnetische Halbleiter dotiert ist, und 97 bezeichnet ein Elektron (oder Loch).
  • Darüber hinaus kann, wie in 11 gezeigt, der ferromagnetische Halbleiter, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, als spinpolarisierter Feldeffekttransistor (Spin-FET) verwendet werden, indem man einen spinpolarisierten Ladungsträger in ein zweidimensionales Elektronengas 105 unter Verwendung einer Quelle 101 und einer Senke 102 eines Spin-Transistors und unter Verwendung einer Widerstandsänderung gemäß einem äußeren Magnetfeld oder unter Steuerung einer Verarbeitung des spinpolarisierten Ladungsträgers mit einer Spannung des Gates 103 injiziert.
  • Die Bezugszeichen 104 und 106 bezeichnen eine Barriereschicht (Isolierschicht) einer Quantentopf-Struktur.
  • Weiter kann, wie in 12 gezeigt, der ferromagnetische Halbleiter, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, für einen magnetischen Tunnelübergang mit einer Struktur ferromagnetischer Halbleiter/Isoliermaterial/ferromagnetischer Halbleiter verwendet werden.
  • Das Bezugszeichen 111 bezeichnet ein Substrat, 112 bezeichnet einen Puffer, 113 bezeichnet eine Seedlayer, 114 bezeichnet eine antiferromagnetische Schicht, 115 und 117 bezeichnen ferromagnetische Halbleiter, 116 bezeichnet eine Tunnelbarriere (Isolierschicht) und 118 bezeichnet eine Deckschicht.
  • Wie beschrieben, besitzt der ferromagnetische Halbleiter der vorliegenden Erfindung anders als der Stand der Technik, bei dem ein ferromagnetischer Halbleiter nur bei tiefer Temperatur die Eigenschaften zeigt, die ferromagnetische Eigenschaft selbst bei Raumtemperatur. Deshalb kann der ferromagnetische Halbleiter der vorliegenden Erfindung für verschiedene spin-elektronische Vorrichtungen als neuer ferromagnetischer Halbleiter verwendet werden, der eine Spintronik implementiert.
  • Da die vorliegende Erfindung in mehreren Formen ausgeführt werden kann, ohne dass man von ihren wesentlichen Eigenschaften abweicht, sollte auch verstanden werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht durch irgendwelche Details der vorangehenden Beschreibung beschränkt sind, falls nicht anders angegeben, sondern vielmehr innerhalb des Bereichs, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, als breit angesehen werden, und deshalb sollen alle Abänderungen und Abwandlungen, die in den Bereich der Ansprüche fallen, durch die beigefügten Ansprüche umfasst werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Halbleiters, umfassend die Schritte: Bilden eines Gruppe 3-Gruppe 5-Verbindungshalbleiter-Dünnfilms, umfassend ein Material 'A', das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ga, Al und In, und ein Material 'B', bei dem es sich um N handelt, auf einem Substrat (5); und Dotieren eines Materials 'C', das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mn, Mg, Co, Fe, Ni, Cr und V als Material zum Ersatz des Materials 'A', ohne eine sekundäre Phase zu bilden, während der Verbindungshalbleiter-Dünnfilm durch plasmagestützte Molekularstrahl-Epitaxie gebildet wird, wobei die Materialien 'A' und 'C' aus einer Effusionszelle (11, 12, 13) geliefert werden und das Material 'B' aus einer Plasmaquelle (14) geliefert wird und wobei die Leistung der Plasmaquelle 250–350 W beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur der Effusionszelle (11, 12, 13) 600–800°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dotierkonzentration im Bereich von 0,06–3% liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur des Substrats (5) im Bereich von 300–1000°C liegt.
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