JP2010232562A - 強磁性半導体素子及び強磁性半導体の制御方法 - Google Patents
強磁性半導体素子及び強磁性半導体の制御方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010232562A JP2010232562A JP2009080616A JP2009080616A JP2010232562A JP 2010232562 A JP2010232562 A JP 2010232562A JP 2009080616 A JP2009080616 A JP 2009080616A JP 2009080616 A JP2009080616 A JP 2009080616A JP 2010232562 A JP2010232562 A JP 2010232562A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- titanium dioxide
- dioxide layer
- doped titanium
- transition element
- ferromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Hard Magnetic Materials (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
【解決手段】基板11と、基板11上に設けた二酸化チタン層15と、二酸化チタン層15上に設けた遷移元素ドープ二酸化チタン層12と、遷移元素ドープ二酸化チタン層12上に設けた電解液13と、電解液13と接触するよう設けたゲート電極14と、を含む。電解液13は、CsCl4、Sr(ClO4)2、KClO4、NaClO4、LiClO4の一以上の電解質を溶媒に溶かしてなる。ゲート電極14へのゲート電圧印加の有無に応じて、遷移元素ドープ二酸化チタン層12の強磁性の強さが変化する。遷移元素はコバルトが好ましい。
【選択図】図2
Description
本発明は、室温下での動作可能な強磁性半導体の磁性を制御する強磁性半導体の制御方法を提供することを第二の目的とする。
本発明における強磁性半導体素子の第二の構成は、基板と、基板上に設けられた二酸化チタン層と、二酸化チタン層上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた電解液と、電解液と接触するように設けられたゲート電極と、を含むことを特徴とする。
本発明における強磁性半導体素子の第三の構成は、基板と、基板上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた酸化物層と、酸化物層上に設けられたゲート電極と、を含むことを特徴とする。
本発明における強磁性半導体素子の第四の構成は、基板と、基板上に設けられた二酸化チタン層と、二酸化チタン層上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、二酸化チタン層上に設けられた酸化物層と、酸化物層に設けられたゲート電極と、を含むことを特徴とする。
本発明における強磁性半導体素子の制御方法の第二の構成は、遷移元素ドープ二酸化チタン層とゲート電極との間に酸化物を挟みこんでなる電界効果型トランジスタを用い、ゲート電極にゲート電圧を印加して遷移元素ドープ二酸化チタン層の強磁性の強度を変化させることを特徴としている。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る強磁性半導体素子1の断面図である。第一の実施形態に係る強磁性半導体素子1は、基板11と、基板11上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層12と、遷移元素ドープ二酸化チタン層12上に設けられた電解液13と、電解液13上に設けられたゲート電極14と、を含んで構成される。
遷移元素ドープ二酸化チタン層12における遷移元素には、コバルトや鉄を用いることができる。二酸化チタンに遷移元素をドープすることにより強磁性体となる。コバルトがドープされている場合には、Ti1−xCoxO2−δにおいて、xが、0<x<0.1となる範囲で、酸素欠損量δより少ないことが好ましい。Coのドープ量より少なくなると、導電性が低下し、強磁性が発現しない。
電解液13には、ポリエチレンオキシド溶媒などの高分子溶媒に、CsClO4、Sr(ClO4)2、KClO4、NaClO4、LiClO4などの溶質を溶かしたもの、又はイオン液体を用いることができる。ゲート電極14には、Pt、Au、Ag、Al、Tiなどの金属で構成され、層状のものや、ワイヤ状、螺旋状に巻いた形状のものであってもよい。ゲート電極14は、Auなどからなる電極層の単層構造又は二以上の多層構造であっても、Tiなどからなる密着層とAuなどからなる電極層との二層構造又は三以上の多層構造であってもよい。
第三の実施形態に係る強磁性半導体素子3では、第二の実施形態において、電解液13を取り囲むように絶縁層18が遷移元素ドープ二酸化チタン層12上に形成されており、さらに、絶縁層18の外側で遷移元素ドープ二酸化チタン層12上にソース電極16とドレイン電極17とが設けられ、三端子構造の電界効果型トランジスタとなっている。この実施形態では、ゲート電極14にゲート電圧を印加することで、ソース電極16とドレイン電極17との間に形成される、遷移元素ドープ二酸化チタン層12のチャネルにおけるキャリア濃度の変化により、ソース電極16とドレイン電極17との間に流れる電流が変化する。
本発明の強磁性半導体素子を作製する前提として、LaAlO3基板11上にアナターゼ構造の二酸化チタン薄膜を高品質に作製する方法について検討した。図6は各実施例において二酸化チタン層15及び遷移元素ドープ二酸化チタン層12を形成する際に用いたレーザアブレーション装置の概念図である。
ここで、O2−は格子中の正常な位置にある酸素イオン、VO”は2価の正電荷を持つ酸素空孔、M2+は格子中の正常な位置にある金属イオン、Mi 2+は格子間位置の金属イオンである。したがって、酸素欠損量δ を変調することにより、キャリア濃度を変化させることができる。よって、Ti1−xCoxO2−δ膜におけるδは成膜時の酸素分圧PO2を変えることで変調した。
次に、コバルトドープ二酸化チタン層12上に電極パターンを以下の要領で形成した。先ず、サンプルをアセトン、エタノールの有機溶媒で超音波洗浄を行い、ホットプレートで乾燥させた。次にサンプルにフォトレジスト41(SHIPLEY S9912NX)を塗布し、5000rpmで30秒スピンコーティングした。そのサンプルをホットプレートで温度90℃、15分間プリベークした。別途図示しないガラス板上にクロムで描かれた電極パターン用フォトマスクを用いて露光し、現像液で現像した後、超純水で洗浄した(図9(A)参照)。
続いて、コバルトドープ二酸化チタン層12上に密着層としてTiと電極層としてAuを順に電子ビーム蒸着法を用いて蒸着し、アセトンによりリフトオフし、電極パターンを有する電極部42を図9(B)に示すように作製した。
その後、電極パターンの形成と同様の要領で図9(C)に示すようにフォトレジスト43にメサパターンを形成し、Arイオンを用いてドライエッチングにより図9(D)に示すように二酸化チタン層15及びコバルトドープ二酸化チタン層12にメサパターンを切り出した。
最後に、ワイヤーボンディングにより、Au線を配線した。
図12は、異なる酸素雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層の磁化測定の結果を示す図である。横軸は磁場μ0H(T)であり、縦軸は磁化M(μB/Co)である。いま、コバルトドープ量は10%(x=0.1)であるので、(μB/Co)で表された値に約27.2/10000を掛けると(T)単位での値となる。キャリア濃度が大きくなるにつれて磁気ヒステリシスが観測されるようになり、電気測定の結果と同様に、キャリア濃度が大きい試料では強磁性を示し、小さい試料では常磁性であることが分かった。すなわち、キャリア濃度によって磁気的な特性が変調されることが分かった。
ゲート電圧VGが0Vの場合、ホール測定の結果から、コバルトドープ二酸化チタン層12のキャリア濃度nは3.1×1019cm−3であり、異常ホール伝導率σAHの磁場依存性ではヒステリシスが観測されたが、非常に小さいことが読み取れる。
次に、+2Vのゲート電圧VGを印加した。測定環境は320Kとした。図16は、ゲート電圧VGを印加した際の抵抗の時間依存性を示す図であり、横軸は時間(分)、縦軸は抵抗Rxx(×103Ω)である。ゲート電圧VGを印加すると、抵抗は減少し30分経過すると変化しなくなり、ゲート電圧を印加する前と比べて抵抗が約1/3となった。これは、ゲート電圧VGを電解液13に印加すると、電解液13中の正負のイオンがゲート電極14とチャネル表面に集合して電気二重層が形成され、チャネルにキャリアが誘起される。そのため、抵抗が減少した。抵抗Rxxが一定値になった段階で、イオンの移動がほぼ終了した。
コバルトドープ二酸化チタン層12中のキャリア濃度は、ゲート電圧VGを印加することにより、3.1×1019cm−3から9.0×1019cm−3へ約3倍増加した。このキャリア濃度は、図17(B)に示す正常ホール項の傾きから導出した。前述したように、ゲート電圧VGの印加で抵抗が1/3倍となったのはキャリア濃度の増加が要因となっている。
異常ホール伝導率σAHは、図17(A)に示すように、ゲート電圧VGの印加により約2倍増加した。異常ホール伝導率σAHは正常ホール項を差し引いて導出した。ゲート電圧VGの印加により、キャリアを膜中に誘起することで、強磁性が増強されることが判った。
図18は、ゲート電圧を印加しない状態と印加した状態でのホール測定の結果について、異常ホール伝導率σAHの磁場依存性を示す図である。横軸は磁場μ0H(T)であり、縦軸は異常ホール伝導率σAH(mΩ−1cm−1)である。測定温度は320Kである。
コバルトドープ二酸化チタン層12中のキャリア濃度は、ゲート電圧VGを印加することにより、7.0×1018cm−3から4.1×1019cm−3へ約6倍増加した。異常ホール伝導率σAHは、図18に示すように、ゲート電圧VGを印加しない状態ではヒステリシスは非常に小さく、0.1mΩ−1cm−1以下の値である。ゲート電圧VGを2V印加することでヒステリシスが明瞭になり、約0.3mΩ−1cm−1まで増加した。これにより、ゲート電圧VGを印加し、キャリアをコバルトドープ二酸化チタン層12中に誘起することで、強磁性が増強されることが判った。
図19から、同一の化学組成Ti0.9Co0.1O2−δ膜において、ゲート電圧の印加の有無により、化学組成を変化させずに、キャリア濃度、異常ホール伝導率を変化させることができることが分かった。
11:基板
12:遷移元素ドープ二酸化チタン層(コバルトドープ二酸化チタン層)
13:電解液
14:ゲート電極
15:二酸化チタン層
16:ソース電極
17:ドレイン電極
18:絶縁層
19:酸化物層(ゲート酸化物層)
21:電子
22:イオン
23:電気二重層
30:レーザアブレーション装置
31:真空チャンバー
32:基板ホルダー
33:半導体赤外レーザー装置
34:ターゲットホルダー
34a:ターゲット
35:エキシマレーザー
36:導入管
37:RHEEDスクリーン
41,43:フォトレジスト
42:電極部
50:ホールバー
51:棒状部
52:第一の電流端子
53:第二の電流端子
54:第一の電圧端子
55:第二の電圧端子
56:第三の電圧端子
52a,53a,54a,55a,56a:パッド
52b,53b:テーパー部
54b,55b、56b:延設部
Claims (13)
- 基板と、
上記基板上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、
上記二酸化チタン層上に設けられた電解液と、
上記電解液と接触するように設けられたゲート電極と、
を含む、強磁性半導体素子。 - 基板と、
上記基板上に設けられた二酸化チタン層と、
上記二酸化チタン層上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、
上記遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた電解液と、
上記電解液と接触するように設けられたゲート電極と、
を含む、強磁性半導体素子。 - 前記電解液は、CsCl4、Sr(ClO4)2、KClO4、NaClO4、LiClO4の一以上の電解質を溶媒に溶かしてなる、請求項1又は2に記載の強磁性半導体素子。
- 基板と、
上記基板上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、
上記遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた酸化物層と、
上記酸化物層に設けられたゲート電極と、
を含む、強磁性半導体素子。 - 基板と、
上記基板上に設けられた二酸化チタン層と、
上記二酸化チタン層上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、
上記遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた酸化物層と、
上記酸化物層に設けられたゲート電極と、
を含む、強磁性半導体素子。 - 前記酸化物層は、AlOx、HfO2、ZrO2、MgOの何れかからなる、請求項4又は5に記載の強磁性半導体素子。
- 前記ゲート電極への電圧印加の有無に応じて、前記遷移元素ドープ二酸化チタン層の強磁性の強さが変化する、請求項1、2、4又は5に記載の強磁性半導体素子。
- 前記遷移元素ドープ二酸化チタン層上には前記ゲート電極を挟んで隔離してソース電極とドレイン電極とが設けられている、請求項1、2、4又は5に記載の強磁性半導体素子。
- 前記遷移元素はコバルトであることを特徴とする、請求項1、2、4又は5に記載の強磁性半導体素子。
- 遷移元素ドープ二酸化チタン層とゲート電極との間に電解液を挟みこんでなる電界効果型トランジスタを用い、
上記ゲート電極にゲート電圧を印加して上記遷移元素ドープ二酸化チタン層の強磁性の強度を変化させる、強磁性半導体の制御方法。 - 遷移元素ドープ二酸化チタン層とゲート電極との間に酸化物を挟みこんでなる電界効果型トランジスタを用い、
上記ゲート電極にゲート電圧を印加して上記遷移元素ドープ二酸化チタン層の強磁性の強度を変化させる、強磁性半導体の制御方法。 - 前記遷移元素ドープ二酸化チタン層の強磁性の強度が室温下で変化することを特徴とする、請求項10又は11に記載の強磁性半導体の制御方法。
- 前記遷移元素はコバルトである、請求項10又は11に記載の強磁性半導体の制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009080616A JP5286502B2 (ja) | 2009-03-27 | 2009-03-27 | 強磁性半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009080616A JP5286502B2 (ja) | 2009-03-27 | 2009-03-27 | 強磁性半導体素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010232562A true JP2010232562A (ja) | 2010-10-14 |
JP5286502B2 JP5286502B2 (ja) | 2013-09-11 |
Family
ID=43048079
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009080616A Expired - Fee Related JP5286502B2 (ja) | 2009-03-27 | 2009-03-27 | 強磁性半導体素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5286502B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013030527A (ja) * | 2011-07-27 | 2013-02-07 | Institute Of Physical & Chemical Research | 電解質メモリ素子 |
US10032892B2 (en) | 2015-01-09 | 2018-07-24 | National University Corporation Hokkaido University | Semiconductor device |
KR20220109400A (ko) * | 2019-12-05 | 2022-08-04 | 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨 | 반도체-강자성 절연체-초전도체 하이브리드 디바이스 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0992903A (ja) * | 1995-09-26 | 1997-04-04 | Casio Comput Co Ltd | 電子部材 |
JP2005206890A (ja) * | 2004-01-23 | 2005-08-04 | Tohoku Univ | コバルトドープ二酸化チタン膜の作製方法、コバルトドープ二酸化チタン膜、及び多層膜構造 |
JP2005231979A (ja) * | 2004-02-23 | 2005-09-02 | Tohoku Univ | 混晶化二酸化チタン、多層膜構造体、及び素子構造 |
JP2006237304A (ja) * | 2005-02-25 | 2006-09-07 | Osaka Industrial Promotion Organization | 強磁性伝導体材料およびその製造方法、並びに磁気抵抗素子、電界効果トランジスタ |
-
2009
- 2009-03-27 JP JP2009080616A patent/JP5286502B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0992903A (ja) * | 1995-09-26 | 1997-04-04 | Casio Comput Co Ltd | 電子部材 |
JP2005206890A (ja) * | 2004-01-23 | 2005-08-04 | Tohoku Univ | コバルトドープ二酸化チタン膜の作製方法、コバルトドープ二酸化チタン膜、及び多層膜構造 |
JP2005231979A (ja) * | 2004-02-23 | 2005-09-02 | Tohoku Univ | 混晶化二酸化チタン、多層膜構造体、及び素子構造 |
JP2006237304A (ja) * | 2005-02-25 | 2006-09-07 | Osaka Industrial Promotion Organization | 強磁性伝導体材料およびその製造方法、並びに磁気抵抗素子、電界効果トランジスタ |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
JPN6012056341; Martin Weisheit, 外5名: 'Electric Field-Induced Modification of Magnetism in Thin-Film Ferromagnets' Science Vol. 315, 20070119, p. 349-351 * |
JPN7013000225; Y. Yamada, 外11名: 'Epitaxial growth and physical properties of a room temperature ferromagnetic semiconductor: Anatase' Journal of Applied Physics Vol. 96, No. 9, 20041101, p. 5097-5102 * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013030527A (ja) * | 2011-07-27 | 2013-02-07 | Institute Of Physical & Chemical Research | 電解質メモリ素子 |
US10032892B2 (en) | 2015-01-09 | 2018-07-24 | National University Corporation Hokkaido University | Semiconductor device |
KR20220109400A (ko) * | 2019-12-05 | 2022-08-04 | 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨 | 반도체-강자성 절연체-초전도체 하이브리드 디바이스 |
KR102674372B1 (ko) | 2019-12-05 | 2024-06-11 | 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨 | 반도체-강자성 절연체-초전도체 하이브리드 디바이스 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5286502B2 (ja) | 2013-09-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ge et al. | Metal-Insulator Transition Induced by Oxygen Vacancies from Electrochemical Reaction in Ionic Liquid-Gated Manganite Films. | |
Ning et al. | Fermi level shifting, charge transfer and induced magnetic coupling at La0. 7Ca0. 3MnO3/LaNiO3 interface | |
Zehner et al. | Nonvolatile electric control of exchange bias by a redox transformation of the ferromagnetic layer | |
US20120205606A1 (en) | Nonvolatile Memory Device Using The Resistive Switching of Graphene Oxide And The Fabrication Method Thereof | |
Hao et al. | Enhanced resistive switching and magnetic properties of Gd-doped NiFe2O4 thin films prepared by chemical solution deposition method | |
WO2006090496A1 (ja) | 強磁性伝導体材料およびその製造方法、並びに磁気抵抗素子、電界効果トランジスタ | |
JP6629241B2 (ja) | スイッチング装置 | |
JP5286502B2 (ja) | 強磁性半導体素子 | |
Hao et al. | Controlling of resistive switching and magnetism through Cu2+ ions substitution in nickel ferrite based nonvolatile memory | |
Rahman et al. | Integration of BiFeO 3/La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 heterostructures with III–V semiconductors for low-power non-volatile memory and multiferroic field effect transistors | |
Hsu et al. | Enhancement of Resistive Switching Characteristics of Sol–Gel TiO x RRAM Using Ag Conductive Bridges | |
Li et al. | Effects of oxygen vacancy on the electrical and magnetic properties of anatase Fe0. 05Ti0. 95O2− δ films | |
Wang et al. | Engineering Co vacancies for tuning electrical properties of p-type semiconducting Co3O4 films | |
Xiong et al. | Electric field modification of magnetism in Au/La2/3Ba1/3MnO3/Pt device | |
Martínez et al. | Dual layer ZnO configuration over nanostructured porous silicon substrate for enhanced memristive switching | |
Dussan et al. | Magnetic control of ferroelectric interfaces | |
JP6791116B2 (ja) | スピン流−電流変換構造、それを用いた熱電変換素子、およびその製造方法 | |
Pellegrino et al. | (Fe, Mn) 3O4 Nanochannels Fabricated by AFM Local‐Oxidation Nanolithography using Mo/Poly (methyl methacrylate) Nanomasks | |
Ocampo et al. | Memristive devices from porous silicon–ZnO/VO2 nanocomposites | |
Tang et al. | The enhanced magnetoelectric effect and piezoelectric properties in the lead-free Bi3. 15Nd0. 85Ti3O12/La0. 7Ca0. 3MnO3 nano-multilayers composite thin films | |
JP6813844B2 (ja) | トンネル接合素子及び不揮発性メモリ素子 | |
Suzuki et al. | Polarity reversal of resistance response to trace H2 gas in the air between asymmetrically shaped electrodes on rutile-TiO2 single crystal | |
CN109873075B (zh) | 磁电耦合器件 | |
Cao et al. | Room temperature ferromagnetism and magnetoelectric coupling in (K0. 5Na0. 5) NbO3 PLD nanocrystalline films | |
Ren et al. | Large electric-field-induced magnetization change in Fe3O4 thin film based on resistance switching effect |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110624 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20121031 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121106 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121229 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130129 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130329 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130423 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130502 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5286502 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |