JP2011165969A - Magnetic semiconductor, method for manufacturing the same, and ferromagnetism revelation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁性半導体とその製造方法及び強磁性発現方法に関し、特に、半導体と磁性の２つの性質を持つ磁性半導体とその製造方法及び強磁性発現方法に関するものである。 The present invention relates to a magnetic semiconductor, a manufacturing method thereof, and a ferromagnetic expression method, and more particularly to a magnetic semiconductor having two properties of a semiconductor and magnetism, a manufacturing method thereof, and a ferromagnetic expression method.
半導体素子の微細化・高集積化と磁気記録素子の高記録密度化が急速に進み、近年、両者を融合した磁性半導体素子開発の重要性が一段と高まっている。図５に示すように、従来、演算と演算中の記憶は半導体素子が担う一方で、不揮発性メモリは磁気ディスクを中心に磁場（磁界）を用いる手法がとられてきた。しかし、高性能の磁性半導体素子が開発されれば、演算機能に加えて、磁場のみでなく電場や電流によって不揮発性メモリの制御が可能となり、磁性半導体が、演算から不揮発性メモリまで、すべてを統括して、今後のエレクトロニクス分野の大きな発展が期待できる。 The miniaturization and high integration of semiconductor elements and the increase in recording density of magnetic recording elements have rapidly progressed, and in recent years, the importance of developing a magnetic semiconductor element that combines the two has further increased. As shown in FIG. 5, conventionally, a semiconductor element is responsible for computation and storage during computation, while a nonvolatile memory has employed a method of using a magnetic field (magnetic field) around a magnetic disk. However, if high-performance magnetic semiconductor elements are developed, in addition to the calculation function, non-volatile memory can be controlled not only by magnetic fields but also by electric fields and currents. Overall, significant developments in the electronics field can be expected.
これまでの磁性半導体素子の検討は、主としてIII―V族の化合物半導体であるＩｎＭｎＡｓ／ＧａＳｂ系の材料を中心に進められてきた。たとえば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル部分にＩｎＭｎＡｓを用いて作製して、ゲート電極に印加する電圧により、磁場を印加する際のヒステリシス曲線をシフトさせることが可能である。すなわち、磁場だけでなく電場によって不揮発性メモリの制御可能となる。しかしながら、ＧａＭｎＡｓやＩｎＭｎＡｓのキュリー温度は室温以下（約２５Ｋ）であり、磁性半導体としての動作は極低温に限られるという問題がある（例えば、非特許文献１参照）。そこで、極低温ではなく室温で磁性半導体の動作（強磁性）を発現する材料・素子の開発が強く望まれている。 So far, studies of magnetic semiconductor elements have been mainly focused on InMnAs / GaSb-based materials, which are III-V group compound semiconductors. For example, the channel portion of a thin film transistor (TFT) can be manufactured using InMnAs, and a hysteresis curve when a magnetic field is applied can be shifted by a voltage applied to a gate electrode. That is, the nonvolatile memory can be controlled not only by the magnetic field but also by the electric field. However, the Curie temperature of GaMnAs and InMnAs is below room temperature (about 25 K), and there is a problem that the operation as a magnetic semiconductor is limited to an extremely low temperature (for example, see Non-Patent Document 1). Therefore, there is a strong demand for the development of materials and elements that exhibit the behavior (ferromagnetism) of magnetic semiconductors at room temperature, not at extremely low temperatures.
酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、３ｄ遷移元素を中心とする不純物を添加することにより、室温で強磁性を発現する材料として活発に検討されてきた。最初、酸化亜鉛系材料のキュリー温度が室温以上であることが第一原理計算によって示され（例えば、非特許文献２参照）、続いて、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｎ等を実際に酸化亜鉛薄膜に添加したＺｎＭＯ（Ｍは３ｄ遷移金属）が、室温以上で強磁性を示すことが報告された（例えば、非特許文献３参照）。しかし、低温での動作であったり、実測された酸化亜鉛薄膜の飽和磁化や残留磁化の値は必ずしも安定性で十分ではなかったりして、室温で大きな飽和磁化や残留磁化を持つ磁性半導体材料や素子の開発が望まれている。 Zinc oxide (ZnO) has been actively studied as a material that exhibits ferromagnetism at room temperature by adding impurities centered on 3d transition elements. First, it is shown by the first principle calculation that the Curie temperature of the zinc oxide-based material is room temperature or higher (see, for example, Non-Patent Document 2). Subsequently, Fe, Co, Ni, V, Mn, etc. are actually oxidized. It has been reported that ZnMO (M is a 3d transition metal) added to a zinc thin film exhibits ferromagnetism at room temperature or higher (see, for example, Non-Patent Document 3). However, since it is an operation at low temperature, and the measured saturation magnetization and remanent magnetization values of the zinc oxide thin film are not always stable, the magnetic semiconductor material having a large saturation or remanent magnetization at room temperature Development of devices is desired.
従来、酸化亜鉛薄膜は、図６の表に示すように、スパッタ法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）法等によって成膜されてきた。第１のスパッタ法は最も汎用性の高い薄膜製造方法であるが、酸化亜鉛薄膜に関する限り、成膜中のスパッタ粒子の中に高エネルギー酸素イオン（Ｏ２−）が高濃度で存在しており、これらが成長中の膜に衝突して損傷を与え（例えば、非特許文献４参照）、酸化亜鉛薄膜は必ずしも高品質とはならない。従って、最終的なＺｎＯ磁性半導体膜が有する強磁性の飽和磁化や残留磁化の値は大きくならない。第２のＭＢＥ法では、酸化亜鉛薄膜の膜質に関しては最も良好なものが得られる。しかし、装置自体がきわめて高価であり、成膜する際のスループット（処理速度）が低く、かつ取り扱いが煩雑であり、量産で用いることは困難である。第３のＰＬＤ法に関しては、比較的単純な構造の装置を用いて容易に中程度の膜質の酸化亜鉛薄膜が得られるため、本研究で成膜手法として検討を行い、本発明に至った。 Conventionally, a zinc oxide thin film has been formed by sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), or the like, as shown in the table of FIG. The first sputtering method is the most versatile thin-film manufacturing method. However, as far as the zinc oxide thin film is concerned, high-energy oxygen ions (O 2− ) are present in a high concentration in the sputtered particles during film formation. These materials collide with and damage the growing film (see, for example, Non-Patent Document 4), and the zinc oxide thin film is not necessarily of high quality. Therefore, the ferromagnetic saturation magnetization and residual magnetization values of the final ZnO magnetic semiconductor film do not increase. In the second MBE method, the best film quality of the zinc oxide thin film can be obtained. However, the apparatus itself is very expensive, the throughput (processing speed) at the time of film formation is low, the handling is complicated, and it is difficult to use in mass production. Regarding the third PLD method, a zinc oxide thin film having a medium film quality can be easily obtained by using an apparatus having a relatively simple structure. Therefore, the present invention has been studied as a film forming method and has reached the present invention.
これまで、酸化亜鉛薄膜に３ｄ遷移元素を添加して強磁性を発現した例としては、ＰＬＤ法を用いて酸化亜鉛薄膜中にバナジウム（Ｖ）元素を添加して室温で強磁性を観測した例がある。この場合、自由電子がＶ元素の軌道を共有することでＶ元素の磁気モーメント（スピン）がそろい、強磁性が発現すると考えられている。この報告の中で、電子（キャリヤ）濃度の増加に伴い強磁性が発現しやすくなることが明らかにされたが（例えば、非特許文献５参照）、飽和磁化の値は２．０×１０−４（ｅｍｕ）と十分ではない。飽和磁化の値を増加させるためには電子濃度を増加させることが必要である。しかし、酸化亜鉛のｎ型不純物であるＧａを用いる場合、数％のオーダでＧａを添加しなければならない。このような高濃度の不純物は薄膜の結晶性を低下させ、強磁性を発現するために添加したＶ元素の磁気モーメント（スピン）がそろうことを逆に妨害する。すなわち、ｎ型不純物を添加して飽和磁化を増大させる方法には限界がある。 Up to now, as an example of adding ferromagnetism by adding a 3d transition element to a zinc oxide thin film, an example in which ferromagnetism is observed at room temperature by adding a vanadium (V) element to the zinc oxide thin film using the PLD method. There is. In this case, it is considered that the free electrons share the orbit of the V element, so that the magnetic moments (spin) of the V element are aligned and ferromagnetism is manifested. In this report, it has been clarified that ferromagnetism easily develops as the electron (carrier) concentration increases (see, for example, Non-Patent Document 5), but the value of saturation magnetization is 2.0 × 10 − 4 (emu) is not enough. In order to increase the saturation magnetization value, it is necessary to increase the electron concentration. However, when using Ga, which is an n-type impurity of zinc oxide, Ga must be added on the order of several percent. Such a high concentration of impurities deteriorates the crystallinity of the thin film, and conversely prevents the magnetic moment (spin) of the V element added to exhibit ferromagnetism from being aligned. That is, there is a limit to the method for increasing the saturation magnetization by adding an n-type impurity.
酸化亜鉛磁性半導体においては、酸化亜鉛薄膜の結晶性（品質）を維持したまま、キャリアを得るための不純物を添加せずにキャリヤ濃度を制御して、室温において飽和磁化と残留磁化が大きな値の強磁性を発現する酸化亜鉛薄膜を得ることが課題である。 In a zinc oxide magnetic semiconductor, while maintaining the crystallinity (quality) of a zinc oxide thin film, the saturation concentration and the remanent magnetization are large at room temperature by controlling the carrier concentration without adding impurities for obtaining carriers. It is a problem to obtain a zinc oxide thin film that exhibits ferromagnetism.
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、酸化亜鉛薄膜の結晶性（品質）を維持したまま、キャリアを得るための不純物を添加せずにキャリヤ濃度を制御して、室温において飽和磁化と残留磁化が大きな値の強磁性を発現する酸化亜鉛薄膜からなる磁性半導体とその製造方法及び強磁性発現方法を提供することにある。 In view of the above problems, the object of the present invention is to control the carrier concentration without adding impurities for obtaining carriers while maintaining the crystallinity (quality) of the zinc oxide thin film, and to achieve saturation magnetization and residual at room temperature. An object of the present invention is to provide a magnetic semiconductor composed of a zinc oxide thin film exhibiting a large amount of ferromagnetism, a method for producing the same, and a method for manifesting ferromagnetism.
本発明に係る磁性半導体とその製造方法及び強磁性発現方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。 In order to achieve the above object, a magnetic semiconductor according to the present invention, a manufacturing method thereof, and a ferromagnetism expression method are configured as follows.
第１の磁性半導体の製造方法（請求項１に対応）は、遷移元素を添加した酸化亜鉛の原料ターゲットから原料を飛散させて基板上に薄膜を成膜する薄膜製造装置を用い、原料ターゲットと基板との間にグリッド電極を設置し、グリッド電極に電圧を印加し、原料をグリッド電極を通過させることで基板上に薄膜を作製することを特徴とする。
第２の磁性半導体の製造方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、好ましくは、グリッド電極に印加する電圧を調整し、原料ターゲットから飛散される原料元素のグリッド電極の通過を制限することにより、基板上に到達する原料元素の量を調整することにより薄膜中に一定量の欠陥を導入し、この欠陥によりフェルミ準位を所望の位置に入れ、強磁性を発現させることを特徴とする。
第３の磁性半導体の製造方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、グリッド電極を負電圧にし、原料ターゲットから飛散される酸素イオンがグリッド電極を通過する際に、この総量を制限することにより、基板上に到達する酸素イオンの量を亜鉛イオンの量より少なくして、薄膜中に一定量の酸素空孔を導入することを特徴とする。
第４の磁性半導体の製造方法（請求項４に対応）は、上記の方法において、好ましくは、薄膜製造装置は、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）装置であることを特徴とする。
第１の磁性半導体（請求項５に対応）は、上記第１〜第４のいずれかの磁性半導体の製造方法によって作製されたことを特徴とする。
第２の磁性半導体（請求項６に対応）は、酸化亜鉛に遷移元素を添加し、酸素空孔が導入されて成る磁性半導体であって、酸素空孔の濃度によってフェルミ準位を調整することで強磁性を発現することを特徴とする。
第３の磁性半導体（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、フェルミ準位を酸化亜鉛中の遷移元素の非結合軌道と、遷移元素と酸化亜鉛（母体半導体）との反結合軌道エネルギー準位の間に入るように調整することで強磁性を発現することを特徴とする。
第４の磁性半導体（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは、遷移元素は、バナジウムであることを特徴とする。
第１の強磁性発現方法（請求項９に対応）は、酸化亜鉛に遷移元素を添加し、酸素空孔が導入されて成る強磁性発現方法であって、酸素空孔の濃度によってフェルミ準位を調整することで強磁性を発現することを特徴とする。
第２の強磁性発現方法（請求項１０に対応）は、上記の方法において、好ましくは、フェルミ準位を酸化亜鉛中の遷移元素の非結合軌道と、遷移元素と酸化亜鉛（母体半導体）との反結合軌道エネルギー準位の間に入るように調整することで強磁性を発現することを特徴とする。
第３の強磁性発現方法（請求項１１に対応）は、上記の方法において、好ましくは、遷移元素は、バナジウムであることを特徴とする。
A first magnetic semiconductor manufacturing method (corresponding to claim 1) uses a thin film manufacturing apparatus for forming a thin film on a substrate by scattering a raw material from a zinc oxide raw material target to which a transition element is added. A thin film is produced on a board | substrate by installing a grid electrode between board | substrates, applying a voltage to a grid electrode, and letting a raw material pass a grid electrode.
The second magnetic semiconductor manufacturing method (corresponding to claim 2) is preferably the method described above, wherein the voltage applied to the grid electrode is preferably adjusted to limit the passage of the raw material element scattered from the raw material target through the grid electrode. By adjusting the amount of the raw material element that reaches the substrate, a certain amount of defects are introduced into the thin film, and the Fermi level is placed in a desired position by these defects, thereby exhibiting ferromagnetism. And
The third magnetic semiconductor manufacturing method (corresponding to claim 3) is preferably the method described above, in which the grid electrode is set to a negative voltage and oxygen ions scattered from the raw material target pass through the grid electrode. By limiting the total amount, the amount of oxygen ions reaching the substrate is made smaller than the amount of zinc ions, and a certain amount of oxygen vacancies is introduced into the thin film.
According to a fourth magnetic semiconductor manufacturing method (corresponding to claim 4), in the above method, the thin film manufacturing apparatus is preferably a pulse laser deposition (PLD) apparatus.
The first magnetic semiconductor (corresponding to claim 5) is manufactured by any one of the first to fourth magnetic semiconductor manufacturing methods.
The second magnetic semiconductor (corresponding to claim 6) is a magnetic semiconductor in which a transition element is added to zinc oxide and oxygen vacancies are introduced, and the Fermi level is adjusted by the concentration of oxygen vacancies. It is characterized by exhibiting ferromagnetism.
In the above structure, the third magnetic semiconductor (corresponding to claim 7) is preferably configured such that the Fermi level has a non-bonded orbital of a transition element in zinc oxide and a reaction between the transition element and zinc oxide (matrix semiconductor). It is characterized in that ferromagnetism is manifested by adjusting so as to be between the coupling orbital energy levels.
In the above structure, the fourth magnetic semiconductor (corresponding to claim 8) is preferably characterized in that the transition element is vanadium.
A first ferromagnetic expression method (corresponding to claim 9) is a ferromagnetic expression method in which a transition element is added to zinc oxide and oxygen vacancies are introduced, and the Fermi level depends on the concentration of oxygen vacancies. It is characterized in that ferromagnetism is manifested by adjusting.
A second ferromagnetic expression method (corresponding to claim 10) is preferably the above method, wherein the Fermi level preferably has a non-bonded orbital of a transition element in zinc oxide, a transition element and zinc oxide (matrix semiconductor), It is characterized in that ferromagnetism is manifested by adjusting it so that it falls between the antibonding orbital energy levels.
A third ferromagnetic expression method (corresponding to claim 11) in the above method is preferably characterized in that the transition element is vanadium.
本発明によれば、酸化亜鉛薄膜の結晶性（品質）を維持した状態で、キャリアを得るための不純物を添加せずにキャリヤ濃度を制御して、室温において飽和磁化と残留磁化が大きな値の強磁性を発現する酸化亜鉛薄膜からなる磁性半導体とその製造方法及び強磁性発現方法を提供することができる。そして、これを用いることにより、演算（ロジック）素子、メモリ素子、不揮発性メモリ素子のすべてを実現させることが可能となる。 According to the present invention, while maintaining the crystallinity (quality) of the zinc oxide thin film, the carrier concentration is controlled without adding impurities for obtaining carriers, and the saturation magnetization and remanent magnetization have a large value at room temperature. It is possible to provide a magnetic semiconductor comprising a zinc oxide thin film that exhibits ferromagnetism, a method for producing the same, and a method for ferromagnetism. By using this, it is possible to realize all of arithmetic (logic) elements, memory elements, and nonvolatile memory elements.
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Preferred embodiments (examples) of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
（発明の概要、原理、製造方法）
本発明においては、酸化亜鉛中の固有欠陥を積極的に活用する手段が用いられている。このような固有欠陥を積極的に活用しようという新規の着想は、酸化亜鉛磁性半導体の開発においてではなく、酸化亜鉛発光素子の開発において、固有欠陥を低減しようとする検討過程の中から生まれた。
(Outline of the invention, principle, manufacturing method)
In the present invention, means for positively utilizing inherent defects in zinc oxide is used. The new idea of actively utilizing such inherent defects was born from the examination process for reducing the inherent defects in the development of zinc oxide light-emitting elements, not in the development of zinc oxide magnetic semiconductors.
従来、酸化亜鉛薄膜をＰＬＤ法により成膜すると、亜鉛と酸素の化学量論比が１：１からずれて、酸素濃度が低下し、酸素空孔や格子間亜鉛が生成する問題があった。そこで、これを防ぐために、ＰＬＤの成長室を低圧の酸素で満たして成膜する手法が一般的である。しかしながら、酸素雰囲気中のＰＬＤ法で成膜した酸化亜鉛中には格子歪が存在することが推定される。すなわち、成膜中に原料ターゲットから飛び出た中性原子やイオン（プルームと呼ばれる）が酸素雰囲気中の酸素分子と衝突して高エネルギーの酸素イオン（Ｏ２−）が生成し（非特許文献４参照）、これが成長中の膜表面に衝突して結晶格子を歪ませると考えられる。この格子歪は半導体中のフリーキャリヤの広がりを妨げ、このため、酸化亜鉛に添加した３ｄ遷移元素の磁気モーメント（スピン）を揃える働きが妨害されると推定される。すなわち、酸化亜鉛薄膜中でフリーキャリヤに広がりを持たせるには、化学量論比の問題よりも、むしろ結晶中に格子歪が生じるのをいかにして抑えるかが重要である。 Conventionally, when a zinc oxide thin film is formed by the PLD method, the stoichiometric ratio between zinc and oxygen is deviated from 1: 1, the oxygen concentration is lowered, and oxygen vacancies and interstitial zinc are generated. Therefore, in order to prevent this, a method of forming a film by filling the growth chamber of the PLD with low-pressure oxygen is generally used. However, it is presumed that lattice strain exists in zinc oxide formed by the PLD method in an oxygen atmosphere. That is, neutral atoms and ions (called plumes) that have jumped out of the source target during film formation collide with oxygen molecules in the oxygen atmosphere to generate high-energy oxygen ions (O 2− ) (Non-Patent Document 4). It is considered that this collides with the growing film surface and distorts the crystal lattice. This lattice strain hinders the spread of free carriers in the semiconductor, and it is therefore presumed that the function of aligning the magnetic moment (spin) of the 3d transition element added to zinc oxide is hindered. That is, in order to make free carriers spread in the zinc oxide thin film, it is important how to suppress the occurrence of lattice strain in the crystal rather than the problem of the stoichiometric ratio.
我々は、ＰＬＤ法による酸化亜鉛薄膜作成において、酸素雰囲気を用いずに、また不純物元素の添加をすることなく、グリッド電極を活用することにより膜中のフリーキャリヤ濃度が制御可能であることを見出した。すなわち、グリッド電極のバイアス電圧を制御することで、大きな飽和磁化と残留磁化の値を有する酸化亜鉛薄膜を得ることが可能となる。 We have found that the free carrier concentration in the film can be controlled by utilizing the grid electrode without using an oxygen atmosphere or adding an impurity element in the preparation of a zinc oxide thin film by the PLD method. It was. That is, by controlling the bias voltage of the grid electrode, it is possible to obtain a zinc oxide thin film having a large saturation magnetization and residual magnetization.
図１を用いて具体的に説明する。図１は、ＰＬＤ薄膜成長装置の模式図である。ＰＬＤ薄膜成長装置１０は、ＰＬＤ成長室１１と、加熱用ランプ１２と、ＹＡＧレーザ１３と、ターゲット固定部１４と、基板ホルダー１５と、フローティング電源１６と、絶縁体１７で絶縁されたグリッド電極１８を備えている。ターゲット固定部１４には、ＺｎＯターゲット１９が固定され、基板ホルダー１５には、サファイア基板２０が固定される。グリッド電極１８は、ターゲット１９と基板２０との中間に位置するように設置されている。 This will be specifically described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram of a PLD thin film growth apparatus. The PLD thin film growth apparatus 10 includes a PLD growth chamber 11, a heating lamp 12, a YAG laser 13, a target fixing unit 14, a substrate holder 15, a floating power source 16, and a grid electrode 18 insulated by an insulator 17. It has. A ZnO target 19 is fixed to the target fixing portion 14, and a sapphire substrate 20 is fixed to the substrate holder 15. The grid electrode 18 is installed so as to be positioned between the target 19 and the substrate 20.
図１に示すように、ＰＬＤ成長室１１の原料ターゲット１９と基板２０との間にメッシュ状の電極であるグリッド電極１８を設置し、この電極に約−１００Ｖから−２００Ｖまでの電圧を印加し、原料ターゲット１９からのプルーム（亜鉛や酸素等の中性原子とこれらのイオンから成る）をこの電極を通過させた後、基板２０まで到達させて薄膜成長を行うものである。 As shown in FIG. 1, a grid electrode 18 which is a mesh electrode is installed between a raw material target 19 and a substrate 20 in the PLD growth chamber 11, and a voltage of about −100V to −200V is applied to this electrode. A plume (consisting of neutral atoms such as zinc and oxygen and these ions) from the raw material target 19 is passed through this electrode and then reaches the substrate 20 for thin film growth.
バイアス電圧を印加しながら薄膜を成長させる手法としては、既にスパッタ装置を用いて、基板位置にバイアス電圧を印加して酸化亜鉛薄膜を成長させた報告（非特許文献５）がある。同様に、スパッタ装置を用いて基板に印加する電圧を制御して酸化亜鉛の膜質を改善した報告もある（非特許文献６）。しかし、ＰＬＤ法を用いて、ターゲット１９と基板２０との中間付近にグリッド電極１８を設置し（非特許文献７）、この電圧を制御することで薄膜中に一定量の欠陥を導入し、この欠陥の性質を利用して所望の薄膜を得る手法自体は報告がない。 As a technique for growing a thin film while applying a bias voltage, there is a report (Non-patent Document 5) in which a zinc oxide thin film is grown by applying a bias voltage to a substrate position using a sputtering apparatus. Similarly, there is a report of improving the film quality of zinc oxide by controlling the voltage applied to the substrate using a sputtering apparatus (Non-Patent Document 6). However, by using the PLD method, the grid electrode 18 is installed near the middle between the target 19 and the substrate 20 (Non-patent Document 7), and a certain amount of defects are introduced into the thin film by controlling this voltage. There is no report on the method itself for obtaining a desired thin film by utilizing the properties of defects.
図１で示したＰＬＤ薄膜成長装置１０を用いて基板温度を約７００℃に保ちながら、酸素雰囲気を用いずに酸化亜鉛薄膜を成長すると、薄膜中の亜鉛濃度が酸素濃度より大きくなる。ここで、グリッド電極に正の電圧を印加すると、プルーム中の亜鉛イオン（Ｚｎ２＋）は電極を通過しにくくなり、その結果、亜鉛と酸素の化学量論比が1：1に近づく。しかし、グリッド電極に負の電圧を印加すると、プルーム中の酸素イオン（Ｏ２−）は電極を通過しにくくなり、その結果、さらに亜鉛過剰（酸素欠乏）の薄膜が生成する。原料ターゲット１９と基板２０は接地されている。従って、グリッド電極１８に負の電圧を印加する場合を考えると、ターゲット１９とグリッド電極１８との間でプルーム中の亜鉛イオン（Ｚｎ２＋）は加速されてグリッド電極１８を通過するが、酸素イオン（Ｏ２−）は減速・逆方向に加速されてグリッド電極１８を通過しにくい。すなわち、グリッド電極１８を通過したプルーム中の酸素と亜鉛は化学量論比で1：1を超えて、亜鉛過剰となる。ここで、加速しながらグリッド電極１８を通過した亜鉛イオン（Ｚｎ２＋）に着目すると、グリッド電極１８と基板２０の間は逆向きの電界が存在しているため、グリッド電極１８を通過した後は、減速しながら基板２０に到達する。すなわち、亜鉛イオンの運動エネルギーは、ターゲット１９を飛び出した時点の小さな値に戻り、亜鉛イオンが薄膜に損傷を与える可能性は低い。 When a zinc oxide thin film is grown without using an oxygen atmosphere while maintaining the substrate temperature at about 700 ° C. using the PLD thin film growth apparatus 10 shown in FIG. 1, the zinc concentration in the thin film becomes higher than the oxygen concentration. Here, when a positive voltage is applied to the grid electrode, zinc ions (Zn 2+ ) in the plume are difficult to pass through the electrode, and as a result, the stoichiometric ratio of zinc and oxygen approaches 1: 1. However, when a negative voltage is applied to the grid electrode, oxygen ions (O 2− ) in the plume are difficult to pass through the electrode, and as a result, a zinc-excess (oxygen-deficient) thin film is generated. The raw material target 19 and the substrate 20 are grounded. Therefore, considering the case where a negative voltage is applied to the grid electrode 18, zinc ions (Zn 2+ ) in the plume are accelerated between the target 19 and the grid electrode 18 and pass through the grid electrode 18. (O 2− ) decelerates and is accelerated in the reverse direction and hardly passes through the grid electrode 18. In other words, oxygen and zinc in the plume that has passed through the grid electrode 18 exceed the stoichiometric ratio of 1: 1, resulting in an excess of zinc. Here, when attention is paid to zinc ions (Zn 2+ ) that have passed through the grid electrode 18 while accelerating, an electric field in the opposite direction exists between the grid electrode 18 and the substrate 20. Then, it reaches the substrate 20 while decelerating. That is, the kinetic energy of zinc ions returns to a small value at the time of jumping out of the target 19, and the possibility that the zinc ions damage the thin film is low.
（強磁性のメカニズム）
次に、酸化亜鉛薄膜が強磁性を持つメカニズムについて述べる。酸化亜鉛原料のターゲット中に１５％のバナジウム（Ｖ）元素を添加することにより、基板上に成長した酸化亜鉛薄膜中にも約１５％のバナジウム元素を導入することが可能である。個々のバナジウム元素が持つ磁気モーメント（スピン）をそろえるために、酸化亜鉛中のフリーキャリア（自由電子）濃度を制御する必要がある。本発明では、ｎ型不純物を用いずに、基板温度を７００℃に保ちながら、グリッド電極に約−１００Ｖから−２００Ｖの負電圧を印加する。この結果、酸化亜鉛薄膜中の亜鉛と酸素の化学量論比は１：１からずれて亜鉛過剰となり、一定量の酸素空孔が薄膜中に導入される。この酸素空孔はｎ型不純物としての働きがあり、伝導体にフリーキャリヤが生成する。
(Mechanism of ferromagnetism)
Next, the mechanism by which the zinc oxide thin film has ferromagnetism will be described. By adding 15% vanadium (V) element to the target of the zinc oxide raw material, it is possible to introduce about 15% vanadium element into the zinc oxide thin film grown on the substrate. In order to align the magnetic moment (spin) of individual vanadium elements, it is necessary to control the free carrier (free electron) concentration in zinc oxide. In the present invention, a negative voltage of about −100 V to −200 V is applied to the grid electrode while keeping the substrate temperature at 700 ° C. without using n-type impurities. As a result, the stoichiometric ratio of zinc and oxygen in the zinc oxide thin film deviates from 1: 1 and becomes zinc excess, and a certain amount of oxygen vacancies are introduced into the thin film. These oxygen vacancies function as n-type impurities, and free carriers are generated in the conductor.
図２（ａ）に、バナジウムを添加した酸化亜鉛のバンド構造の模式図を示す（非特許文献２）。バンドギャップ中にはバナジウム元素の３ｄ軌道に起因する５個のエネルギー準位が存在する。この内２個は非結合性軌道（ｅ）であり、この軌道にある電子はバナジウム元素に局在し、他の３個は反結合性軌道（ｔ）であり、この軌道は酸化亜鉛結晶中に広がっている。 FIG. 2A shows a schematic diagram of a band structure of zinc oxide to which vanadium is added (Non-patent Document 2). There are five energy levels in the band gap due to the 3d orbital of the vanadium element. Two of these are non-bonding orbitals (e), the electrons in these orbitals are localized in the vanadium element, and the other three are antibonding orbitals (t), which are in the zinc oxide crystal. Has spread.
ここで薄膜に上向きの磁場が印加されると、おのおのの軌道に入る上向きと下向きの電子のエネルギーに差が生じて、バンド構造は図２（ｂ）のように変化する。もともと、バナジウム元素の３ｄ軌道には３個の電子が存在しており、上向きの３個の矢印で示すように、２個の電子が非結合軌道を占有し（ｅ↑）、１個の電子が反結合軌道を占有して（ｔ↑）上向きの磁気モーメントを発現する。この状態でフリーキャリヤの電子が存在すると、この電子は２個の反結合軌道に順次入り（ｔ↑）、系全体のエネルギーを低下させ、磁場が取り除かれた後もバナジウム元素の非結合軌道電子が持つ個々のスピン（磁気モーメント）の向きをそろえ、強磁性が発現する。もし、おのおののバナジウム元素の磁気モーメントの方向がランダムな方向を向いて常磁性状態をとろうとすると、非結合軌道、及び反結合軌道を占める電子のエネルギーが増加するだけでなく、フリーキャリヤの広がりが小さくなって系全体のエネルギーを増加させてしまう。従って、常磁性でなく強磁性を発現する。 Here, when an upward magnetic field is applied to the thin film, there is a difference between the energy of the upward and downward electrons entering each orbit, and the band structure changes as shown in FIG. Originally, there are three electrons in the 3d orbital of the vanadium element, and two electrons occupy non-bonding orbitals (e ↑) as indicated by three upward arrows, one electron Occupies the antibonding orbital (t ↑) and develops an upward magnetic moment. If free carrier electrons exist in this state, these electrons sequentially enter two antibonding orbitals (t ↑), lower the energy of the entire system, and after the magnetic field is removed, vanadium element nonbonded orbital electrons. Aligns the direction of individual spins (magnetic moments) of, and develops ferromagnetism. If the direction of the magnetic moment of each vanadium element is random and tries to take a paramagnetic state, not only the energy of electrons occupying non-bonding or anti-bonding orbital increases, but also the spread of free carriers. Decreases and increases the energy of the entire system. Therefore, it exhibits not ferromagnetism but ferromagnetism.
このように、酸化亜鉛薄膜の持つ飽和磁化と残留磁化の大きさは、フリーキャリヤが反結合軌道に入ることにより安定化するエネルギーに大きくかかわる。すなわち、フェルミ準位の位置が重要であり、このフェルミ準位Ｅｆを図２（ｂ）に示すｔ↑とｅ↓の間の位置に設定することで、多数のフリーキャリヤ電子によるエネルギーの安定化が起こり、大きな飽和磁化と残留磁化が実現できる。 As described above, the saturation magnetization and the residual magnetization of the zinc oxide thin film are greatly related to the energy that is stabilized by the free carriers entering the antibonding orbitals. That is, the position of the Fermi level is important. By setting the Fermi level Ef to a position between t ↑ and e ↓ shown in FIG. 2B, energy stabilization by a large number of free carrier electrons. As a result, large saturation magnetization and residual magnetization can be realized.
（フェルミ準位の設定方法）
次に、フェルミ準位Ｅｆを図２（ｂ）に示す位置付近に設定する手法について述べる。図１に示すように、グリッド電極１８を原料ターゲット１９と基板２０との間に設置し、グリッド電極１８にある特定の負電圧を印加し、ＹＡＧレーザ１３からパルス光を原料ターゲット１９に照射しプルームを立たせて、このプルームがグリッド電極１８を通過させた後、基板２０表面に到達させる。このプルーム中には中性の原子やクラスターだけでなく、Ｚｎ２＋やＯ２−などのイオンが含まれる。既に述べたように、酸化亜鉛薄膜中の亜鉛と酸素の比は、１：１からずれて、亜鉛過剰となり、薄膜中には酸素空孔が形成される。この酸素空孔はキャリヤとしての電子を供給する。従って、グリッド電極１８に印加する負電圧を大きくするほど、酸素空孔が増加し、キャリヤとしての電子濃度も増加する。すなわち、グリッド電極１８のバイアス電圧の調整により、薄膜のキャリヤ濃度は図３に示すように変化し、バイアス電圧を負の方向に大きくするとキャリヤ濃度が増加する。すなわち、フェルミ準位Ｅｆも増加する。最終的に、バイアス電圧を−５０Vから−１００Vに設定すると、フェルミ準位は、図２（ｂ）に示すｔ↑とｅ↓の間の位置にきて、最終的には大きな強磁性が発現する。
(Fermi level setting method)
Next, a method for setting the Fermi level Ef near the position shown in FIG. As shown in FIG. 1, the grid electrode 18 is installed between the raw material target 19 and the substrate 20, a specific negative voltage is applied to the grid electrode 18, and the raw material target 19 is irradiated with pulsed light from the YAG laser 13. A plume is raised, and this plume passes through the grid electrode 18 and then reaches the surface of the substrate 20. This plume contains not only neutral atoms and clusters but also ions such as Zn 2+ and O 2− . As already described, the ratio of zinc and oxygen in the zinc oxide thin film deviates from 1: 1 and becomes zinc excess, and oxygen vacancies are formed in the thin film. These oxygen vacancies supply electrons as carriers. Therefore, as the negative voltage applied to the grid electrode 18 is increased, oxygen vacancies increase and the electron concentration as carriers also increases. That is, by adjusting the bias voltage of the grid electrode 18, the carrier concentration of the thin film changes as shown in FIG. 3, and when the bias voltage is increased in the negative direction, the carrier concentration increases. That is, the Fermi level Ef also increases. Finally, when the bias voltage is set from -50V to -100V, the Fermi level comes to the position between t ↑ and e ↓ shown in FIG. 2 (b), and finally large ferromagnetism appears. To do.
パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）装置を用いて、グリッド電極１８に電圧を印加しながら成膜することにより、一定量の欠陥を含む薄膜を成膜する。この欠陥により、半導体のフェルミ準位をバンドギャップ内の所望の位置（反結合性軌道と非結合性軌道のエネルギー準位の間）に設定する。自由電子が反結合性軌道を占めることでエネルギーを下げて、半導体中に添加した遷移元素の磁気モーメントの向きをそろえる。これにより、大きな飽和磁化と残留磁化の値を有する磁性半導体を実現させる。この磁性半導体を用いて、通常の半導体製造プロセスにより、演算（ロジック）素子、メモリ素子、不揮発性メモリ素子のすべてを実現させる。 A thin film containing a certain amount of defects is formed by forming a film while applying a voltage to the grid electrode 18 using a pulse laser deposition (PLD) apparatus. Due to this defect, the Fermi level of the semiconductor is set to a desired position within the band gap (between the energy levels of the antibonding orbital and nonbonding orbitals). Free electrons occupy antibonding orbitals to lower energy and align the magnetic moments of transition elements added in the semiconductor. As a result, a magnetic semiconductor having a large saturation magnetization and residual magnetization is realized. Using this magnetic semiconductor, all of arithmetic (logic) elements, memory elements, and nonvolatile memory elements are realized by a normal semiconductor manufacturing process.
（実施例１）
図１は、実施例１として、酸化亜鉛磁性半導体の製造方法を説明するためのパルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）装置示す。酸化亜鉛粉末に１５％のバナジウムを添加して焼結した原料ターゲット１９を用いて、図１のターゲット位置１４に設置する。基板２０と原料ターゲット１９との間にはモリブデン製のグリッド電極１８を設置する。成長炉内を約１０−５パスカル（Ｐａ）に真空引きした後、グリッド電極１８に−１００Ｖの負電圧を印加し、基板温度を約７００℃とし、ＹＡＧレーザ１３から波長２６６ｎｍ（第４高調波）、エネルギー密度１００ｍＪ／パルスのレーザ光を原料ターゲット１９に照射する。ターゲット１９から原料の中性原子とイオンがプルームとなって飛び出す。プルームはグリッド電極１８を通過した後に基板２０に到達して、膜の成長が進む。グリッド電極１８の負電圧のため、酸素イオンの一部はグリッド電極１８による負の電場に反発されてグリッド電極１８を通過できない。従って、基板２０には亜鉛過剰（酸素不足）の原料が到達し、亜鉛過剰（酸素不足）の膜が成長する。この酸化亜鉛薄膜中の亜鉛と酸素の比は、１：１から約０．０２%だけ亜鉛過剰となる。薄膜中の酸素空孔濃度と電子濃度は、いずれも、約３×１０１７個／ｃｍ３となる。
Example 1
FIG. 1 shows a pulse laser deposition (PLD) apparatus as a first embodiment for explaining a method of manufacturing a zinc oxide magnetic semiconductor. A raw material target 19 obtained by adding 15% vanadium to zinc oxide powder and sintering it is installed at the target position 14 in FIG. A molybdenum grid electrode 18 is installed between the substrate 20 and the raw material target 19. After the inside of the growth furnace was evacuated to about 10 −5 Pascal (Pa), a negative voltage of −100 V was applied to the grid electrode 18 to set the substrate temperature to about 700 ° C., and a wavelength of 266 nm (fourth harmonic) from the YAG laser 13. ), The raw material target 19 is irradiated with a laser beam having an energy density of 100 mJ / pulse. Neutral atoms and ions of the raw material jump out of the target 19 as a plume. The plume reaches the substrate 20 after passing through the grid electrode 18 and the film growth proceeds. Due to the negative voltage of the grid electrode 18, some oxygen ions are repelled by the negative electric field generated by the grid electrode 18 and cannot pass through the grid electrode 18. Accordingly, a zinc-excess (oxygen-deficient) raw material reaches the substrate 20 and a zinc-excess (oxygen-deficient) film grows. The zinc to oxygen ratio in this zinc oxide thin film is 1: 1 to about 0.02% zinc excess. Both the oxygen vacancy concentration and the electron concentration in the thin film are about 3 × 10 17 atoms / cm 3 .
図３は、グリッド電極１８に印加するバイアス電圧に対する成膜した酸化亜鉛薄膜の室温でのキャリヤ濃度を示すグラフである。図３から分かるように、グリッド電極１８に印加するバイアス電圧が負の方向に大きくなるとキャリヤ濃度は、増加することが分かる。そして、本方法で成膜した酸化亜鉛薄膜は、グリッド電極のバイアス電圧が−１００Ｖのとき、室温においてキャリヤ濃度の値が約３×１０１７（個／ｃｍ３）と十分に大きな値を示す。 FIG. 3 is a graph showing the carrier concentration at room temperature of the deposited zinc oxide thin film with respect to the bias voltage applied to the grid electrode 18. As can be seen from FIG. 3, the carrier concentration increases as the bias voltage applied to the grid electrode 18 increases in the negative direction. The zinc oxide thin film formed by this method exhibits a sufficiently large carrier concentration value of about 3 × 10 17 (pieces / cm 3 ) at room temperature when the bias voltage of the grid electrode is −100 V.
図４は、グリッド電極１８に印加するバイアス電圧に対する成膜した酸化亜鉛薄膜の室温での飽和磁化Ｍを示すグラフである。図４から分かるように、グリッド電極１８に印加するバイアス電圧が負の方向に大きくなると飽和磁化Ｍは、増加していることが分かる。そして、本方法で成膜した酸化亜鉛薄膜は、グリッド電極のバイアス電圧が−１００Ｖのとき、室温において飽和磁化の値が８．０×１０−４（ｅｍｕ）と十分に大きな値の強磁性を示す。グリッド電圧を−１５０Ｖとすると、キャリヤ濃度がさらに増加してフェルミ準位が上りすぎるため、飽和磁化は減少する。 FIG. 4 is a graph showing the saturation magnetization M at room temperature of the deposited zinc oxide thin film with respect to the bias voltage applied to the grid electrode 18. As can be seen from FIG. 4, the saturation magnetization M increases as the bias voltage applied to the grid electrode 18 increases in the negative direction. The zinc oxide thin film formed by this method exhibits a sufficiently large ferromagnetism value of 8.0 × 10 −4 (emu) at room temperature when the bias voltage of the grid electrode is −100 V. Show. When the grid voltage is −150 V, the carrier concentration further increases and the Fermi level rises too much, so the saturation magnetization decreases.
（実施例２）
図２は、実施例２としての、酸化亜鉛強磁性半導体のバンド構造を示す模式図である。
実施例１で得られた酸化亜鉛薄膜は、その電子濃度が約３×１０１７個／ｃｍ３である。バナジウムを１５％添加した酸化亜鉛のバンドギャップ内には、バナジウム元素の３ｄ軌道に起因する５つのエネルギー準位が存在し、そのうちの２個は非結合軌道であり、バナジウム元素に局在化しており、他の３つの軌道は、母体の酸化亜鉛とバナジウム間の反結合軌道である。バナジウム元素の３ｄ電子は３個であり、上向きの磁場が印加されたときに、これらは非結合軌道（２個）と反結合軌道（１個）を占める上向きの磁気モーメントを持つ電子となり、図中に上向きの３本の矢印で示す。
(Example 2)
FIG. 2 is a schematic diagram showing a band structure of a zinc oxide ferromagnetic semiconductor as Example 2. FIG.
The zinc oxide thin film obtained in Example 1 has an electron concentration of about 3 × 10 17 pieces / cm 3 . Within the band gap of zinc oxide to which 15% vanadium has been added, there are five energy levels due to the 3d orbital of the vanadium element, two of which are non-bonding orbitals and localized to the vanadium element. The other three orbits are antibonding orbitals between the parent zinc oxide and vanadium. There are three 3d electrons of the vanadium element, and when an upward magnetic field is applied, these become electrons having an upward magnetic moment occupying non-bonding orbitals (two) and antibonding orbitals (one). Indicated by three upward arrows.
はじめに、フェルミ準位Ｅｆが反結合軌道の準位よりも低い場合を考える。この場合、フリーキャリヤの広がりによる系のエネルギーを低下させる効果はない。外部磁場が取り除かれたとき、個々のバナジウム元素が持つ磁気モーメントの相互作用のみに着目すれば、磁気モーメントが同じ方向を向いているよりも、互いに逆方向を向く方がエネルギー的に低い状態である。すなわち、薄膜は強磁性を示さずに、反強磁性的となる。次に、フェルミ準位Ｅｆが反結合軌道の準位よりも高く、電子のスピンが逆向きの非結合軌道の準位よりも低い場合を考える。最大３個の反結合軌道が上向きの電子で占められる。外部磁場が取り除かれ磁場がなくなると、一般に、これらの反結合軌道のエネルギーは増加してしまうが、もし個々のバナジウム元素が持つ磁気モーメントが引き続き同じ方向を向けば、内部磁場のために反結合軌道のエネルギー増加は小さくてすむ。さらに、フリーキャリヤの広がりの効果も加わる。すなわち、反結合軌道を占める電子のエネルギーの増加を抑制するために、個々のバナジウム元素が持つ磁気モーメントが引き続き同じ向きの方向を保つことになり、薄膜は強磁性を示す。 First, consider a case where the Fermi level Ef is lower than the level of the antibonding orbital. In this case, there is no effect of reducing the energy of the system due to the spread of free carriers. When the external magnetic field is removed, focusing only on the interaction of the magnetic moments of the individual vanadium elements, the magnetic moments in opposite directions are lower in energy than in the same direction. is there. That is, the thin film becomes antiferromagnetic without exhibiting ferromagnetism. Next, consider the case where the Fermi level Ef is higher than the antibonding orbital level and the electron spin is lower than the reverse nonbonding orbital level. Up to three antibonding orbitals are occupied by upward electrons. When the external magnetic field is removed and the magnetic field disappears, the energy of these antibonding orbitals generally increases, but if the magnetic moments of the individual vanadium elements continue to point in the same direction, they will be anticoupled due to the internal magnetic field. The increase in orbital energy is small. Furthermore, the effect of spreading free carriers is added. That is, in order to suppress an increase in the energy of electrons occupying antibonding orbitals, the magnetic moments of the individual vanadium elements continue to maintain the same direction, and the thin film exhibits ferromagnetism.
次に、フェルミ準位Ｅｆが下向きスピンの非結合軌道の準位よりも高い場合を考える。個々のバナジウム元素の非結合軌道には、２個の上向きスピンの電子だけでなく、下向きスピンの電子が最大２個存在する。すなわち、個々のバナジウム元素の持つトータルの磁気モーメントの値が小さくなり、仮にすべてのバナジウム元素の磁気モーメントが同じ方向を向いても、飽和磁化と残留磁化の値は小さくなる。 Next, consider a case where the Fermi level Ef is higher than the level of the downward spin non-bonding orbital. In each non-bonded orbital of the vanadium element, there are not only two upward spin electrons but also a maximum of two downward spin electrons. That is, the value of the total magnetic moment of each vanadium element is reduced, and even if the magnetic moments of all vanadium elements are directed in the same direction, the values of saturation magnetization and residual magnetization are reduced.
以上のように、酸素空孔濃度と電子濃度を、それぞれ、約０．０２％と、約３×１０１７個／ｃｍ３とすることにより、薄膜中のフェルミ準位が、上向きスピンの最大の反結合軌道の準位よりも高く、下向きスピンの非結合軌道の準位よりも低い位置におさまり、室温において飽和磁化の値が約８．０×１０−４（ｅｍｕ）と十分に大きな値の強磁性が得られる。 As described above, when the oxygen vacancy concentration and the electron concentration are about 0.02% and about 3 × 10 17 atoms / cm 3 , respectively, the Fermi level in the thin film has the maximum upward spin. It is higher than the level of antibonding orbital and lower than the level of nonbonding orbital of downward spin, and the saturation magnetization value is about 8.0 × 10 −4 (emu) at room temperature, which is a sufficiently large value. Ferromagnetism is obtained.
なお、本実施形態では、添加する遷移元素としてバナジウムを用いて説明したが、それに限らず、他の遷移元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎを添加することによっても同様に磁性半導体を得ることができる。また、本実施形態では、キャリア濃度を調整するために導入する酸素空孔の濃度を調整することにより行ったが、亜鉛格子間原子の濃度を調整することによりキャリア濃度を調整するようにしてもよい。 In this embodiment, vanadium is used as the transition element to be added. However, the present invention is not limited to this, and a magnetic semiconductor can be similarly obtained by adding other transition elements, for example, Fe, Co, Ni, and Mn. be able to. In this embodiment, the oxygen concentration is adjusted by adjusting the concentration of oxygen vacancies introduced to adjust the carrier concentration. However, the carrier concentration may be adjusted by adjusting the concentration of zinc interstitial atoms. Good.
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。 The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood and implemented, and the numerical values and the compositions (materials) of the respective components Is just an example. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.
本発明に係る磁性半導体とその製造方法及び強磁性発現方法は、演算（ロジック）素子、記憶（メモリ）素子、不揮発性メモリ素子等とそれらの製造方法に利用され、これらを組み込むことにより、小型で消費電力を小さくすることが可能なパソコン（ＰＣ）、電子応用機器一般に利用される。 The magnetic semiconductor according to the present invention, the manufacturing method thereof, and the ferromagnetic expression method are used in arithmetic (logic) elements, storage (memory) elements, nonvolatile memory elements and the like and their manufacturing methods. In general, it can be used for personal computers (PCs) and electronic devices that can reduce power consumption.
１０ ＰＬＤ薄膜成長装置
１１ ＰＬＤ成長室
１２ 加熱用ランプ
１３ ＹＡＧレーザ
１４ ターゲット固定部
１５ 基板ホルダー
１６ フローティング電源
１７ 絶縁体
１８ グリッド電極
１９ 原料ターゲット
２０ 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 PLD thin film growth apparatus 11 PLD growth chamber 12 Heating lamp 13 YAG laser 14 Target fixing part 15 Substrate holder 16 Floating power supply 17 Insulator 18 Grid electrode 19 Raw material target 20 Substrate
Claims (11)
前記原料ターゲットと前記基板との間にグリッド電極を設置し、
前記グリッド電極に電圧を印加し、前記原料を前記グリッド電極を通過させることで前記基板上に前記薄膜を作製することを特徴とする磁性半導体の製造方法。 Using a thin film manufacturing apparatus that deposits a thin film on a substrate by scattering the raw material from a zinc oxide raw material target to which a transition element is added,
A grid electrode is installed between the raw material target and the substrate,
A method for producing a magnetic semiconductor, comprising: applying a voltage to the grid electrode, and passing the raw material through the grid electrode to produce the thin film on the substrate.
グリッド電極を通過する際に、この総量を制限することにより、前記基板上に到達する酸素イオンの量を亜鉛イオンの量より少なくして、前記薄膜中に一定量の酸素空孔を導入することを特徴とする請求項２記載の磁性半導体の製造方法。 When the grid electrode is set to a negative voltage and oxygen ions scattered from the raw material target pass through the grid electrode, the total amount is limited to thereby reduce the amount of oxygen ions reaching the substrate to the amount of zinc ions. 3. The method of manufacturing a magnetic semiconductor according to claim 2, wherein a certain amount of oxygen vacancies is introduced into the thin film to reduce the amount.
前記酸素空孔の濃度によってフェルミ準位を調整することで強磁性を発現することを特徴とする磁性半導体。 A magnetic semiconductor formed by adding a transition element to zinc oxide and introducing oxygen vacancies,
A magnetic semiconductor characterized by exhibiting ferromagnetism by adjusting a Fermi level according to the concentration of oxygen vacancies.
前記酸素空孔の濃度によってフェルミ準位を調整することで強磁性を発現することを特徴とする強磁性発現方法。 A ferromagnetic expression method in which a transition element is added to zinc oxide and oxygen vacancies are introduced,
A ferromagnetism manifesting method characterized in that ferromagnetism is manifested by adjusting the Fermi level according to the concentration of oxygen vacancies.
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| CN107267926A (en) * | 2016-04-08 | 2017-10-20 | 清华大学 | Patterned film vacuum deposition apparatus and method |
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| CN107267926B (en) * | 2016-04-08 | 2020-03-17 | 清华大学 | Patterned thin film vacuum evaporation device and method |
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