JP2001072496A - 強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛およびその製造方法 - Google Patents
強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛およびその製造方法Info
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
- C30B23/02—Epitaxial-layer growth
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- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
Abstract
(57)【要約】
【課題】 強磁性転移温度の高い単結晶ＺｎＯ薄膜の合
成。 【構成】 遷移金属元素Ｍｎとｐ型ドーパントを含有し
ている強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛および遷移金属元素Ｍ
ｎとｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを含有している強
磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛。本発明の単結晶酸化亜鉛を、
既に実現しているｎ型およびｐ型の透明電極ＺｎＯや光
ファイバーと組み合わせることにより量子コンピュータ
や大容量光磁気記録、また可視光から紫外光領域にわた
る光エレクトロニクス材料として高性能な情報通信、量
子コンピュータへの応用が可能となる。
成。 【構成】 遷移金属元素Ｍｎとｐ型ドーパントを含有し
ている強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛および遷移金属元素Ｍ
ｎとｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを含有している強
磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛。本発明の単結晶酸化亜鉛を、
既に実現しているｎ型およびｐ型の透明電極ＺｎＯや光
ファイバーと組み合わせることにより量子コンピュータ
や大容量光磁気記録、また可視光から紫外光領域にわた
る光エレクトロニクス材料として高性能な情報通信、量
子コンピュータへの応用が可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ｍｎをドープした
強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛（ＺｎＯ）およびその製造方
法に関するものである。
強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛（ＺｎＯ）およびその製造方
法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】酸化亜鉛は、半導性、光導電性、圧電性
等を有し、圧電体材料やオプトエレクトロニクス材料へ
の適用のための透明性と結晶軸配向性を有する酸化亜鉛
をスパッタリング法やＣＶＤ法で製造する方法が知られ
ている（特開平５−２５４９９１号公報）。また、原料
酸化亜鉛にドーピング物質をドーピングして導電性また
は絶縁性透明酸化亜鉛を製造する方法も公知である（特
開平５−７０２８６号公報）。さらに、酸化亜鉛を主成
分とする単結晶からなる圧電性半導体を製造する方法と
して水熱法が知られている（特開平６−２７９１９２号
公報、特開平６−２７９１９３号公報等）。しかし、酸
化亜鉛について、強磁性状態の実現の報告はこれまでに
みられない。
等を有し、圧電体材料やオプトエレクトロニクス材料へ
の適用のための透明性と結晶軸配向性を有する酸化亜鉛
をスパッタリング法やＣＶＤ法で製造する方法が知られ
ている（特開平５−２５４９９１号公報）。また、原料
酸化亜鉛にドーピング物質をドーピングして導電性また
は絶縁性透明酸化亜鉛を製造する方法も公知である（特
開平５−７０２８６号公報）。さらに、酸化亜鉛を主成
分とする単結晶からなる圧電性半導体を製造する方法と
して水熱法が知られている（特開平６−２７９１９２号
公報、特開平６−２７９１９３号公報等）。しかし、酸
化亜鉛について、強磁性状態の実現の報告はこれまでに
みられない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】強磁性転移温度の高い
Ｍｎをドープした単結晶ＺｎＯ薄膜が合成できれば、大
量情報の伝達に必要な光アイソレータや高密度磁気記録
が可能になり、将来の大量情報伝達に必要な電子材料を
作成することができる。また、ＺｎＯのバンドギャップ
は３．３ｅＶと大きく、光を通す強磁性体の作製が可能
になり、コヒーレントなスピン状態を利用した光量子コ
ンピュータなどの光デバイス作製技術の大きな発展が期
待される。
Ｍｎをドープした単結晶ＺｎＯ薄膜が合成できれば、大
量情報の伝達に必要な光アイソレータや高密度磁気記録
が可能になり、将来の大量情報伝達に必要な電子材料を
作成することができる。また、ＺｎＯのバンドギャップ
は３．３ｅＶと大きく、光を通す強磁性体の作製が可能
になり、コヒーレントなスピン状態を利用した光量子コ
ンピュータなどの光デバイス作製技術の大きな発展が期
待される。
【０００４】ＺｎＯにＭｎをドープして、高い強磁性転
移温度をもつ強磁性状態を実現するためには、ワイドギ
ャップ半導体であるＺｎＯにドープしたＭｎのスピンを
強磁性的に揃えるための相互作用となるホール（ｐ型キ
ャリアー）を高濃度にドープする必要がある。
移温度をもつ強磁性状態を実現するためには、ワイドギ
ャップ半導体であるＺｎＯにドープしたＭｎのスピンを
強磁性的に揃えるための相互作用となるホール（ｐ型キ
ャリアー）を高濃度にドープする必要がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決するためにｐ型ドーパントを単独またはｐ型ドー
パントとｎ型ドーパントを同時にドーピングすることに
よる新しい価電子制御法を開発し、ＺｎＯにドープした
Ｍｎのスピンを高濃度にドープしたホールの遍歴的な運
動エネルギーによるエネルギー利得により、強磁性的に
揃えることに成功した。
を解決するためにｐ型ドーパントを単独またはｐ型ドー
パントとｎ型ドーパントを同時にドーピングすることに
よる新しい価電子制御法を開発し、ＺｎＯにドープした
Ｍｎのスピンを高濃度にドープしたホールの遍歴的な運
動エネルギーによるエネルギー利得により、強磁性的に
揃えることに成功した。
【０００６】すなわち、本発明は、強磁性の担い手であ
る遷移金属元素であるＭｎとｐ型ドーパント（ホール）
を含有している強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛（ＺｎＯ）で
ある
る遷移金属元素であるＭｎとｐ型ドーパント（ホール）
を含有している強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛（ＺｎＯ）で
ある
【０００７】ＭｎをドープしたＺｎＯにｐ型ドーパント
がドープされていると遍歴的なホールによる運動エネル
ギーの低下により、反強磁性や常磁性状態よりも強磁性
状態を安定化させる原理により、安定で強磁性臨界温度
の高いｐ型単結晶酸化亜鉛が得られる。
がドープされていると遍歴的なホールによる運動エネル
ギーの低下により、反強磁性や常磁性状態よりも強磁性
状態を安定化させる原理により、安定で強磁性臨界温度
の高いｐ型単結晶酸化亜鉛が得られる。
【０００８】さらに本発明は、強磁性の担い手である遷
移金属元素であるＭｎとｐ型ドーパント（ホール）を含
有しているｐ型の強磁性単結晶ＺｎＯにおいて、Ｍｎ間
の磁気的相互作用を強磁性体化するため、ｐ型化を実現
し大量の遍歴的ホールを増大させるため、ｎ型ドーパン
トとｐ型ドーパントを同時に含有してい強磁性ｐ型単結
晶ＺｎＯである。
移金属元素であるＭｎとｐ型ドーパント（ホール）を含
有しているｐ型の強磁性単結晶ＺｎＯにおいて、Ｍｎ間
の磁気的相互作用を強磁性体化するため、ｐ型化を実現
し大量の遍歴的ホールを増大させるため、ｎ型ドーパン
トとｐ型ドーパントを同時に含有してい強磁性ｐ型単結
晶ＺｎＯである。
【０００９】ｐ型ドーパントは、Ｃ、Ｎ、またはこれら
の酸化物（例えば、ＣＯ2，ＣＯ，Ｎ2Ｏ，ＮＯ，Ｎ
Ｏ3）の群から選択される１種または２種以上であり、
ｎ型ドーパントは、Ｂ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎ、また
はＨ、およびこれらの酸化物（例えば、Ｂ2Ｏ3，Ａｌ2
Ｏ3，Ｉｎ2Ｏ3，Ｇａ2Ｏ3，ＺｎＯ）の群から選択され
る１種または２種以上とすることができる。
の酸化物（例えば、ＣＯ2，ＣＯ，Ｎ2Ｏ，ＮＯ，Ｎ
Ｏ3）の群から選択される１種または２種以上であり、
ｎ型ドーパントは、Ｂ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｚｎ、また
はＨ、およびこれらの酸化物（例えば、Ｂ2Ｏ3，Ａｌ2
Ｏ3，Ｉｎ2Ｏ3，Ｇａ2Ｏ3，ＺｎＯ）の群から選択され
る１種または２種以上とすることができる。
【００１０】ＭｎはＺｎＯに全率固溶するので、本発明
の強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯに含有されるＭｎ濃度は、１
〜９９モル％とすることができる。
の強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯに含有されるＭｎ濃度は、１
〜９９モル％とすることができる。
【００１１】本発明の強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯは、ホー
ル濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、低抵抗（１Ω・
ｃｍ以下）単結晶ＺｎＯである。ホール濃度が高濃度に
なることにより、ドープしたホールがＭｎイオン間を遍
歴し、ホールの運動エネルギーの低下により強磁性状態
がより安定化され、Ｍｎイオン間に強磁性的な相互作用
を誘起する。
ル濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、低抵抗（１Ω・
ｃｍ以下）単結晶ＺｎＯである。ホール濃度が高濃度に
なることにより、ドープしたホールがＭｎイオン間を遍
歴し、ホールの運動エネルギーの低下により強磁性状態
がより安定化され、Ｍｎイオン間に強磁性的な相互作用
を誘起する。
【００１２】本発明の強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯは、強磁
性転移臨界温度が１５０Ｋ以上である。ＭｎをＺｎＯに
ドープする際、ウルツァイト構造を保ちつつ、Ｍｎはイ
オン半径の大きさが近いＺｎ位置を置換し、Ｚｎ2+がＭ
ｎ2+に置換され、Ｍｎは電子スピンＳ＝５／２をもつ高
スピン状態となり、Ｍｎ濃度を調整することにより強磁
性的なスピン間相互作用を制御することができる。
性転移臨界温度が１５０Ｋ以上である。ＭｎをＺｎＯに
ドープする際、ウルツァイト構造を保ちつつ、Ｍｎはイ
オン半径の大きさが近いＺｎ位置を置換し、Ｚｎ2+がＭ
ｎ2+に置換され、Ｍｎは電子スピンＳ＝５／２をもつ高
スピン状態となり、Ｍｎ濃度を調整することにより強磁
性的なスピン間相互作用を制御することができる。
【００１３】強磁性転移温度は、Ｍｎ濃度およびホール
濃度の増加とともに増大するので、単結晶ＺｎＯ中のＭ
ｎ濃度およびホール濃度を調整することにより、Ｍｎ濃
度とドープしたホール濃度により低温から高温まで目的
にあわせて自在に強磁性転移温度を変えることが可能で
ある。
濃度の増加とともに増大するので、単結晶ＺｎＯ中のＭ
ｎ濃度およびホール濃度を調整することにより、Ｍｎ濃
度とドープしたホール濃度により低温から高温まで目的
にあわせて自在に強磁性転移温度を変えることが可能で
ある。
【００１４】また、本発明は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法
などを用いた薄膜形成法において、Ｚｎ固体ソースまた
はＺｎ酸化物固体ソースからの原子状ガス、活性化した
酸素を半導体基板上に供給して、単結晶酸化亜鉛薄膜を
基板上に成長させる際に、原子状ｐ型ドーパントと原子
状Ｍｎを同時に基板上に供給して、低温で積もらせるこ
とにより上記の強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛を製造する方
法である。
などを用いた薄膜形成法において、Ｚｎ固体ソースまた
はＺｎ酸化物固体ソースからの原子状ガス、活性化した
酸素を半導体基板上に供給して、単結晶酸化亜鉛薄膜を
基板上に成長させる際に、原子状ｐ型ドーパントと原子
状Ｍｎを同時に基板上に供給して、低温で積もらせるこ
とにより上記の強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛を製造する方
法である。
【００１５】Ｚｎ固体ソースまたはＺｎ酸化物固体ソー
スとしては純亜鉛粉末、ＺｎＯ焼結体などを使用でき
る。
スとしては純亜鉛粉末、ＺｎＯ焼結体などを使用でき
る。
【００１６】基板温度は、３００℃〜８００℃が好まし
い。３００℃より低いと薄膜成長速度が極端に遅くな
り、実用化に向かない。８００℃より高いと酸素抜けが
激しくなり、欠陥が多くなるため、結晶性が悪くなると
ともにドーピング効果が弱くなる。基板としては、シリ
コン単結晶基板、ＳｉＣを形成したシリコン単結晶基
板、サファイア単結晶基板などを使用できる。基板とし
てはＺｎＯと同じ結晶構造、ＺｎＯの格子定数とほとん
ど相違がないものが好ましい。これらの基板の間では、
優劣の大きな相違はない。また、基板と薄膜との間にそ
れぞれの格子定数の中間の格子定数を有する酸化クロム
や酸化チタンなどの層を介在させて結晶格子の不整合性
を緩和してもよい。
い。３００℃より低いと薄膜成長速度が極端に遅くな
り、実用化に向かない。８００℃より高いと酸素抜けが
激しくなり、欠陥が多くなるため、結晶性が悪くなると
ともにドーピング効果が弱くなる。基板としては、シリ
コン単結晶基板、ＳｉＣを形成したシリコン単結晶基
板、サファイア単結晶基板などを使用できる。基板とし
てはＺｎＯと同じ結晶構造、ＺｎＯの格子定数とほとん
ど相違がないものが好ましい。これらの基板の間では、
優劣の大きな相違はない。また、基板と薄膜との間にそ
れぞれの格子定数の中間の格子定数を有する酸化クロム
や酸化チタンなどの層を介在させて結晶格子の不整合性
を緩和してもよい。
【００１７】さらに、本発明は、上記の製造方法におい
て、強磁性を生ぜしめるためにｐ型ドーパントの濃度が
ｎ型ドーパントの濃度よりも大きくなるように、例え
ば、仕込み量における調整とその原子ガス圧の調整によ
りｎ型ドーパントをドーピングすることを特徴とする強
磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛を製造する方法である。
て、強磁性を生ぜしめるためにｐ型ドーパントの濃度が
ｎ型ドーパントの濃度よりも大きくなるように、例え
ば、仕込み量における調整とその原子ガス圧の調整によ
りｎ型ドーパントをドーピングすることを特徴とする強
磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛を製造する方法である。
【００１８】上記の製造方法において、単結晶酸化亜鉛
中のＭｎ濃度およびｐ型ドーパント濃度（ホール濃度）
を調整することにより、酸化亜鉛の強磁性転移温度を調
整することができる。強磁性臨界温度は、Ｍｎ濃度の増
大とともに増加し、またドープしたホール濃度の増大と
ともに増加する。従って、Ｍｎ濃度とホール濃度との二
つの調整可能なパラメータにより強磁性転移温度を目的
にあわせて調整することができる。
中のＭｎ濃度およびｐ型ドーパント濃度（ホール濃度）
を調整することにより、酸化亜鉛の強磁性転移温度を調
整することができる。強磁性臨界温度は、Ｍｎ濃度の増
大とともに増加し、またドープしたホール濃度の増大と
ともに増加する。従って、Ｍｎ濃度とホール濃度との二
つの調整可能なパラメータにより強磁性転移温度を目的
にあわせて調整することができる。
【００１９】ｐ型ドーパント、ｎ型ドーパント、または
これらの酸化物、ＭｎまたはＭｎ酸化物をドープする
際、電子線によって電子励起して原子状にするために、
ラジオ波、レーザー、Ｘ線、または電子線を用いること
ができる。
これらの酸化物、ＭｎまたはＭｎ酸化物をドープする
際、電子線によって電子励起して原子状にするために、
ラジオ波、レーザー、Ｘ線、または電子線を用いること
ができる。
【００２０】ＺｎＯは、バンドキャップが３．３ｅＶと
大きいため透明であり、しかも励起子寿命がＧａＮなど
よりも長く、紫外・青色レーザーや紫外・青色発光素子
の材料として注目されている。しかしながら、低抵抗の
ｐ型ＺｎＯを作成することが低抵抗のｎ型と比較して単
極性のため困難であった。
大きいため透明であり、しかも励起子寿命がＧａＮなど
よりも長く、紫外・青色レーザーや紫外・青色発光素子
の材料として注目されている。しかしながら、低抵抗の
ｐ型ＺｎＯを作成することが低抵抗のｎ型と比較して単
極性のため困難であった。
【００２１】本発明では、例えば、ｎ型のドーパントで
あるＧａ，Ａｌ，Ｉｎとｐ型のドーパントであるＮを
１：２の割合で同時ドーピングすることにより、Ｎ単独
では１０18ｃｍー3程度しかドーピングできないＺｎＯを
１０19ｃｍー3〜１０21ｃｍー3程度まで高濃度ドーピング
できる。これらの遍歴的なホールの運動エネルギーによ
りドープしたＭｎの強磁性状態を基底状態に変え、強磁
性状態をより安定化することができる。
あるＧａ，Ａｌ，Ｉｎとｐ型のドーパントであるＮを
１：２の割合で同時ドーピングすることにより、Ｎ単独
では１０18ｃｍー3程度しかドーピングできないＺｎＯを
１０19ｃｍー3〜１０21ｃｍー3程度まで高濃度ドーピング
できる。これらの遍歴的なホールの運動エネルギーによ
りドープしたＭｎの強磁性状態を基底状態に変え、強磁
性状態をより安定化することができる。
【００２２】
【作用】ＺｎＯ中にドープしたＭｎの電子スピンはＳ＝
５／２であり、Ｍｎ2+（ｄ５）の交換分裂（〜３ｅＶ）
は、結晶場分裂（〜０．８ｅＶ）よりも大きく、高スピ
ン状態が実現している。これらの系にホールをドープす
ると、強磁性状態ではドープしたホールがＭｎ間をスピ
ンを反転することなく結晶の中を遍歴し運動エネルギー
の低下により強磁性状態が反強磁性状態よりも安定化す
る。
５／２であり、Ｍｎ2+（ｄ５）の交換分裂（〜３ｅＶ）
は、結晶場分裂（〜０．８ｅＶ）よりも大きく、高スピ
ン状態が実現している。これらの系にホールをドープす
ると、強磁性状態ではドープしたホールがＭｎ間をスピ
ンを反転することなく結晶の中を遍歴し運動エネルギー
の低下により強磁性状態が反強磁性状態よりも安定化す
る。
【００２３】反強磁性状態ではドープしたホールが結晶
の中を遍歴するためにはスピンを反転しなければなら
ず、スピンの反転に必要なエネルギーが大きく、交換相
互作用による大きなエネルギーの増加が生じるため、遍
歴的なホールのドーピングによりＭｎの強磁性状態の方
が反強磁性や常磁性状態よりも安定化させるための電子
論的機構を提供する。
の中を遍歴するためにはスピンを反転しなければなら
ず、スピンの反転に必要なエネルギーが大きく、交換相
互作用による大きなエネルギーの増加が生じるため、遍
歴的なホールのドーピングによりＭｎの強磁性状態の方
が反強磁性や常磁性状態よりも安定化させるための電子
論的機構を提供する。
【００２４】
【実施例】以下、ＭＢＥ法により基板上に強磁性ｐ型単
結晶ＺｎＯ薄膜を形成する方法を実施例に基づいてさら
に詳しく説明する。 実施例１ 図１に示すように、真空度１０-8Ｔｏｒｒに維持された
真空チャンバ１内にＡｌ2 Ｏ3 基板２を設置し、この基
板２にＺｎの原子状ガスとＯの原子状ガスを供給し、Ｚ
ｎＯ薄膜を基板２上に作製した。Ｚｎ、Ｍｎとしては、
純度９９．９９９９９％の固体ソースをヒータ加熱によ
って原子状にしたものを用いた。また、ＯとＮは、
Ｏ2 ，Ｎ2 Ｏ（またはＮ2 ）をＲＦラジカルセルにより
活性化した純度９９．９９９９９％の原子状ガスを用い
た。ｐ型アクセプターとなるＮは、ＲＦ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）励起型ラジカルビーム源によって発生させた窒素
ラジカルであり、Ｇａ、Ｍｎは、分子ガスにマイクロ波
領域の電磁波を照射したり、また、単体セルを高温で原
子状にしたものを用いた。図１には、そのためのＲＦ
（高周波）コイル３、ヒータ４、単体セル（Ｇａ源）
５、単体セル（Ｍｎ源）７を示している。成膜中に、こ
の基板２に向けて、ｎ型ドーパントであるＧａを分圧１
０-7Ｔｏｒｒで、さらにｐ型ドーパントである原子状Ｎ
を分圧５×１０-7Ｔｏｒｒで、また原子状Ｍｎを１０-7
Ｔｏｒｒで、同時に基板２上に流しながら、３５０℃、
４００℃、４５０℃、６００℃、７５０℃でＭｎドープ
強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯ薄膜６を結晶成長させた。
結晶ＺｎＯ薄膜を形成する方法を実施例に基づいてさら
に詳しく説明する。 実施例１ 図１に示すように、真空度１０-8Ｔｏｒｒに維持された
真空チャンバ１内にＡｌ2 Ｏ3 基板２を設置し、この基
板２にＺｎの原子状ガスとＯの原子状ガスを供給し、Ｚ
ｎＯ薄膜を基板２上に作製した。Ｚｎ、Ｍｎとしては、
純度９９．９９９９９％の固体ソースをヒータ加熱によ
って原子状にしたものを用いた。また、ＯとＮは、
Ｏ2 ，Ｎ2 Ｏ（またはＮ2 ）をＲＦラジカルセルにより
活性化した純度９９．９９９９９％の原子状ガスを用い
た。ｐ型アクセプターとなるＮは、ＲＦ（１３．５６Ｍ
Ｈｚ）励起型ラジカルビーム源によって発生させた窒素
ラジカルであり、Ｇａ、Ｍｎは、分子ガスにマイクロ波
領域の電磁波を照射したり、また、単体セルを高温で原
子状にしたものを用いた。図１には、そのためのＲＦ
（高周波）コイル３、ヒータ４、単体セル（Ｇａ源）
５、単体セル（Ｍｎ源）７を示している。成膜中に、こ
の基板２に向けて、ｎ型ドーパントであるＧａを分圧１
０-7Ｔｏｒｒで、さらにｐ型ドーパントである原子状Ｎ
を分圧５×１０-7Ｔｏｒｒで、また原子状Ｍｎを１０-7
Ｔｏｒｒで、同時に基板２上に流しながら、３５０℃、
４００℃、４５０℃、６００℃、７５０℃でＭｎドープ
強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯ薄膜６を結晶成長させた。
【００２５】各結晶成長温度で得られた強磁性ｐ型単結
晶ＺｎＯ薄膜に対して、ホール濃度測定、ＳＩＭＳによ
るＭｎ濃度測定、また強磁性転移温度をＳＱＵＩＤおよ
び帯磁率の測定で決定した結果を表１に示す。
晶ＺｎＯ薄膜に対して、ホール濃度測定、ＳＩＭＳによ
るＭｎ濃度測定、また強磁性転移温度をＳＱＵＩＤおよ
び帯磁率の測定で決定した結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】表１に示される強磁性転移温度のＭｎ濃
度、アクセプター濃度、基板温度に対する依存性からわ
かるように、Ｍｎ濃度とｐ型キャリアー（ホール）濃度
の高い方が強磁性転移温度（度Ｋ）は高く、Ｍｎ間の強
磁性的相互作用はホール濃度により増大し、Ｍｎスピン
間の強磁性的相互作用もＭｎ濃度の増加に従って増大す
ることがわかる。
度、アクセプター濃度、基板温度に対する依存性からわ
かるように、Ｍｎ濃度とｐ型キャリアー（ホール）濃度
の高い方が強磁性転移温度（度Ｋ）は高く、Ｍｎ間の強
磁性的相互作用はホール濃度により増大し、Ｍｎスピン
間の強磁性的相互作用もＭｎ濃度の増加に従って増大す
ることがわかる。
【００２８】図２に、Ｍｎを高濃度にドープした強磁性
ｐ型単結晶ＺｎＯの電子状態密度を示す。多数派スピン
と少数派スピンの交換分裂は約３ｅＶであり、結晶場分
裂は約０．８ｅＶとなり，高スピン状態（Ｓ＝５／２）
が実現し、Ｍｎ位置における局在磁気モーメントはＭｎ
原子あたり４．８ボーア・マグネトン（μB ）となって
いる。
ｐ型単結晶ＺｎＯの電子状態密度を示す。多数派スピン
と少数派スピンの交換分裂は約３ｅＶであり、結晶場分
裂は約０．８ｅＶとなり，高スピン状態（Ｓ＝５／２）
が実現し、Ｍｎ位置における局在磁気モーメントはＭｎ
原子あたり４．８ボーア・マグネトン（μB ）となって
いる。
【００２９】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明のＭｎと
ｐ型ドーパント（ホール）を含有している新規な強磁性
ｐ型単結晶ＺｎＯ（酸化亜鉛）は、既に実現しているｎ
型およびｐ型の透明電極ＺｎＯや光ファイバーと組み合
わせることにより量子コンピュータや大容量光磁気記
録、また可視光から紫外光領域にわたる光エレクトロニ
クス材料として高性能な情報通信、量子コンピュータへ
の応用が可能となる。
ｐ型ドーパント（ホール）を含有している新規な強磁性
ｐ型単結晶ＺｎＯ（酸化亜鉛）は、既に実現しているｎ
型およびｐ型の透明電極ＺｎＯや光ファイバーと組み合
わせることにより量子コンピュータや大容量光磁気記
録、また可視光から紫外光領域にわたる光エレクトロニ
クス材料として高性能な情報通信、量子コンピュータへ
の応用が可能となる。
【図１】Ｍｎドープした強磁性ｐ型単結晶ＺｎＯをＭＢ
Ｅ法により製造する装置の概略構成を示す側面図であ
る。
Ｅ法により製造する装置の概略構成を示す側面図であ
る。
【図２】遷移金属元素Ｍｎ、ドナー元素Ｇａ、アクセプ
ター元素Ｎを同時ドーピングした強磁性ｐ型ＺｎＯの電
子状態密度を示すグラフである。
ター元素Ｎを同時ドーピングした強磁性ｐ型ＺｎＯの電
子状態密度を示すグラフである。
Claims (4)
- 【請求項１】遷移金属元素Ｍｎとｐ型ドーパントを含有
している強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛。 - 【請求項２】遷移金属元素Ｍｎとｎ型ドーパントとｐ型
ドーパントを含有している強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛。 - 【請求項３】Ｚｎ固体ソースまたはＺｎ酸化物固体ソー
スからの原子状ガス、活性化した酸素を半導体基板上に
供給して、単結晶酸化亜鉛薄膜を基板上に成長させる際
に、原子状ｐ型ドーパントと原子状Ｍｎを同時に基板上
に供給することを特徴とする請求項１記載の強磁性ｐ型
単結晶酸化亜鉛を製造する方法。 - 【請求項４】請求項３記載の方法において、ｐ型ドーパ
ントの濃度がｎ型ドーパントの濃度よりも大きくなるよ
うにｎ型ドーパントをドーピングすることを特徴とする
請求項２記載の強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛を製造する方
法。
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