JP2015002297A - Magnetic semiconductor element, and method for manufacturing magnetic semiconductor element - Google Patents

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Yohei Shioya
陽平 塩谷
上野 昌紀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic semiconductor element using a group III nitride magnetic semiconductor, capable of solving a problem relating to stability and a Curie temperature of ferromagnetism.SOLUTION: A magnetic semiconductor element 11 includes a semiconductor region 13, and a group III nitride semiconductor region 15. The group III nitride semiconductor region 15 is provided on a principal surface 13a of the semiconductor region 13. A junction J0 is formed on the principal surface 13a of the semiconductor region 13. The semiconductor region 13 has the principal surface 13a composed of a hexagonal group III nitride semiconductor, and the principal surface 13a includes one of a semipolar surface and a nonpolar surface. In this manner, a first group III nitride semiconductor layer 17 of the magnetic semiconductor element 11 is provided on the semipolar surface or the nonpolar surface. The first group III nitride semiconductor layer 17 provided on the semipolar surface and the nonpolar surface is excellent in intake to a crystal of at least any magnetic metal of transition metal and rear-earth metal, and also excellent in crystallinity in containing the magnetic metal.

Description

本発明は、磁性半導体素子、及び磁性半導体素子を作製する方法に関する。   The present invention relates to a magnetic semiconductor element and a method for manufacturing the magnetic semiconductor element.

特許文献1は、アモルファスIII−V族半導体材料を主成分として含む磁性材料を開示する。特許文献2は、光を透過するIII−V族系化合物半導体を開示する。   Patent Document 1 discloses a magnetic material containing an amorphous group III-V semiconductor material as a main component. Patent Document 2 discloses a group III-V compound semiconductor that transmits light.

特開2008−112845号公報JP 2008-112845 A WO2003/105162号WO2003 / 105162

特許文献1には、強磁性を示す半導体材料としては、Mnと酸素とを不純物として含むGaN結晶、MnとSiとを不純物として含むGaN結晶が記載されている。これらのGaN結晶は、常温で強磁性を示す半導体結晶として提案されている。しかしながら、磁性半導体素子に適用される材料は、常温で強磁性を示す半導体結晶というだけなく、より高い強磁性-常磁性転移温度(キュリー温度)を有することが望まれる。このキュリー温度を向上させて良好な強磁性を得るためには、結晶中に添加される磁性イオンの濃度とキャリア濃度を増加させることを実現することになる。半導体結晶中に高濃度の磁性イオンを添加することは、半導体結晶の相分離、及び半導体結晶中の結晶欠陥の増大といった不具合を引き起こす。これらの不具合は、半導体結晶の電気的、光学的、磁気的な特性の低下を介して、最終的には、磁性半導体素子の特性の低下に至る。特許文献1は、アモルファスの化合物半導体、具体的には、GaN、AlN、AlInN、AlGaNを開示する。   Patent Document 1 describes GaN crystals containing Mn and oxygen as impurities and GaN crystals containing Mn and Si as impurities as semiconductor materials exhibiting ferromagnetism. These GaN crystals have been proposed as semiconductor crystals that exhibit ferromagnetism at room temperature. However, the material applied to the magnetic semiconductor element is desired not only to be a semiconductor crystal exhibiting ferromagnetism at room temperature, but also to have a higher ferromagnetic-paramagnetic transition temperature (Curie temperature). In order to improve the Curie temperature and obtain good ferromagnetism, it is realized to increase the concentration of the magnetic ions added to the crystal and the carrier concentration. Adding a high concentration of magnetic ions in a semiconductor crystal causes problems such as phase separation of the semiconductor crystal and an increase in crystal defects in the semiconductor crystal. These defects eventually lead to deterioration of the characteristics of the magnetic semiconductor element through deterioration of the electrical, optical, and magnetic characteristics of the semiconductor crystal. Patent Document 1 discloses an amorphous compound semiconductor, specifically, GaN, AlN, AlInN, and AlGaN.

特許文献2では、赤外光から紫外光までの光を透過するIII−V族系化合物半導体に、希土類金属元素を混晶させることにより強磁性特性を実現させた単結晶の強磁性III−V族系化合物半導体を開示する。   In Patent Document 2, single crystal ferromagnetic III-V in which ferromagnetic properties are realized by mixing a rare earth metal element with a III-V group compound semiconductor that transmits light from infrared light to ultraviolet light. A group compound semiconductor is disclosed.

発明者らの知見によれば、GaNのc面上への結晶成長においてGd、Cr、Dyといった磁性金属をGaN系半導体に添加するとき、GaGdN、GaCrN、GaDyN、GaMnNといったGaN系磁性半導体は、明瞭な強磁性を発現せず、強磁性と常磁性とが混ざったような振る舞いを示し、強磁性の安定性の改善が望まれる。GaN系半導体に添加された磁性金属は、GaN系半導体結晶内でクラスター化している可能性がある。また、磁性金属のドープ量を増やせないという問題もある。   According to the knowledge of the inventors, when a magnetic metal such as Gd, Cr, or Dy is added to a GaN-based semiconductor in crystal growth on the c-plane of GaN, a GaN-based magnetic semiconductor such as GaGdN, GaCrN, GaDyN, or GaMnN is It is desired to improve the stability of ferromagnetism without exhibiting clear ferromagnetism and exhibiting the behavior of a mixture of ferromagnetism and paramagnetism. There is a possibility that the magnetic metal added to the GaN-based semiconductor is clustered in the GaN-based semiconductor crystal. There is also a problem that the amount of magnetic metal doping cannot be increased.

これらに関する検討を発明者らが行ったところによれば、GaNといったIII族窒化物のc面上へ結晶成長を行うとき、例えばGd、Cr、Dy等の磁性金属がIII族窒化物のIII族サイト(Gaサイト)に収まることができず、ホストのIII族元素とうまく置換されない。また、結晶成長の下地としてのGaNのc面では、磁性金属を結晶中へ取り込む効率が低いようである。キュリー温度を向上でき、またキュリー温度を調整できることが望まれる。つまり、GaN系半導体のc面に係る上記の不具合を解決することが望まれる。   According to the inventors' investigations, when crystal growth is performed on the c-plane of a group III nitride such as GaN, for example, a magnetic metal such as Gd, Cr, or Dy is a group III nitride of group III nitride. It cannot fit in the site (Ga site) and is not successfully substituted with the host group III element. Also, it seems that the efficiency of taking a magnetic metal into the crystal is low on the c-plane of GaN as the base for crystal growth. It is desired that the Curie temperature can be improved and the Curie temperature can be adjusted. In other words, it is desired to solve the above-mentioned problem related to the c-plane of the GaN-based semiconductor.

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る上記不具合を解消でき、III族窒化物磁性半導体を用いる磁性半導体素子を提供することにある。また、本発明は、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る不具合を解消できる磁性半導体素子を作製する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can provide a magnetic semiconductor element using a group III nitride magnetic semiconductor that can solve the above-described problems related to the stability of ferromagnetic and the Curie temperature. is there. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a magnetic semiconductor element that can eliminate the problems associated with the stability and Curie temperature of ferromagnetism.

本発明に係る磁性半導体素子は、(a)六方晶系のIII族窒化物半導体からなる主面を有する半導体領域と、(b)前記半導体領域の前記主面上に設けられた第1のIII族窒化物半導体層とを備え、前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は第1金属元素を含有しており、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記第1金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、前記主面は半極性面及び無極性面の少なくともいずれか一方を含む。   The magnetic semiconductor element according to the present invention includes (a) a semiconductor region having a main surface made of a hexagonal group III nitride semiconductor, and (b) a first III provided on the main surface of the semiconductor region. A group III nitride semiconductor layer, wherein the group III nitride semiconductor of the first group III nitride semiconductor layer contains a first metal element, and the first group III nitride semiconductor layer includes the first group III nitride semiconductor layer. The metal element includes at least one of a transition metal and a rare earth metal, and the main surface includes at least one of a semipolar surface and a nonpolar surface.

この磁性半導体素子によれば、磁性半導体素子の第1のIII族窒化物半導体層が半極性面又は無極性面上に設けられる。半極性面及び無極性面に設けられる第1のIII族窒化物半導体層は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかの磁性金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を添加した際の結晶性にも優れる。   According to this magnetic semiconductor element, the first group III nitride semiconductor layer of the magnetic semiconductor element is provided on the semipolar surface or the nonpolar surface. The first group III nitride semiconductor layer provided on the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in incorporating at least one of transition metal and rare earth metal into the crystal of the magnetic metal, and added with a magnetic metal. Excellent crystallinity.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記遷移金属は、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cdの少なくともいずれかであり、前記希土類元素は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの少なくともいずれかであることができる。この磁性半導体素子によれば、上記の遷移金属及び希土類元素を適用できる。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the transition metal is at least one of Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, and Cd. And the rare earth element may be at least one of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. According to this magnetic semiconductor element, the above transition metals and rare earth elements can be applied.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層は、前記第1金属元素として、V、Cr、Mn、Nd、Eu、Gd、Dy、Erを備えることが好ましい。この磁性半導体素子によれば、半極性面及び無極性面上の第1のIII族窒化物半導体層は、これらの金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を包含した際の結晶性にも優れる。   In the magnetic semiconductor element according to the present invention, the first group III nitride semiconductor layer preferably includes V, Cr, Mn, Nd, Eu, Gd, Dy, and Er as the first metal element. According to this magnetic semiconductor element, the first group III nitride semiconductor layer on the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in incorporation of these metals into the crystal, and when the magnetic metal is included. Excellent crystallinity.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層は室温において強磁性を有することができる。また、本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層のキュリー温度は300ケルビン(K)以上である。   In the magnetic semiconductor element according to the present invention, the first group III nitride semiconductor layer may have ferromagnetism at room temperature. In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the Curie temperature of the first group III nitride semiconductor layer is 300 Kelvin (K) or more.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記主面は、前記半導体領域のc面に対して5度以上の角度で傾斜しているIII族窒化物系半導体結晶面を備えることが好ましい。この磁性半導体素子によれば、遷移金属及び希土類金属といった磁性金属の結晶中への取り込みに優れる。   In the magnetic semiconductor element according to the present invention, the main surface preferably includes a group III nitride semiconductor crystal plane inclined at an angle of 5 degrees or more with respect to the c-plane of the semiconductor region. According to this magnetic semiconductor element, it is excellent in incorporation of magnetic metals such as transition metals and rare earth metals into crystals.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層の前記金属元素の含有量は3%以上であることができる。この磁性半導体素子によれば、第1のIII族窒化物半導体層に含有される金属元素に起因する性質が比較的はっきりと現れる。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the content of the metal element in the first group III nitride semiconductor layer may be 3% or more. According to this magnetic semiconductor element, the properties resulting from the metal element contained in the first group III nitride semiconductor layer appear relatively clearly.

本発明に係る磁性半導体素子は、前記半導体領域上に設けられた第2のIII族窒化物半導体層を更に備えることができる。前記第2のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は第2金属元素を含有しており、前記第2のIII族窒化物半導体層は前記第2金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、前記第2のIII族窒化物半導体層は強磁性を有しており、前記第2のIII族窒化物半導体層の保磁力は前記第1のIII族窒化物半導体層の保磁力と異なる。この磁性半導体素子によれば、半極性面及び無極性面上の第2のIII族窒化物半導体層は、これらの金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を添加した際の結晶性にも優れる。   The magnetic semiconductor element according to the present invention can further include a second group III nitride semiconductor layer provided on the semiconductor region. The group III nitride semiconductor of the second group III nitride semiconductor layer contains a second metal element, and the second group III nitride semiconductor layer includes a transition metal and a rare earth metal as the second metal element. The second group III nitride semiconductor layer has ferromagnetism, and the coercive force of the second group III nitride semiconductor layer is that of the first group III nitride semiconductor layer. Different from coercive force. According to this magnetic semiconductor element, the second group III nitride semiconductor layer on the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in the incorporation of these metals into the crystal, and when the magnetic metal is added. Excellent crystallinity.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層は、p型伝導性及びn型伝導性のいずれかを有することが好ましい。この磁性半導体素子によれば、p型伝導性及びn型伝導性のいずれかの付与のためにIII族窒化物半導体にドーパントを添加する。ドーパントの添加に応じてはキャリア濃度を変化させることができ、これにより強磁性特性を調整できる。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the first group III nitride semiconductor layer preferably has either p-type conductivity or n-type conductivity. According to this magnetic semiconductor element, a dopant is added to a group III nitride semiconductor in order to impart either p-type conductivity or n-type conductivity. Depending on the addition of the dopant, the carrier concentration can be changed, whereby the ferromagnetic properties can be adjusted.

本発明に係る磁性半導体素子は、前記第1のIII族窒化物半導体層と前記第2のIII族窒化物半導体層の間に設けられた第3のIII族窒化物半導体層を更に備えることができる。前記第3のIII族窒化物半導体層は磁性を有していない。   The magnetic semiconductor device according to the present invention further includes a third group III nitride semiconductor layer provided between the first group III nitride semiconductor layer and the second group III nitride semiconductor layer. it can. The third group III nitride semiconductor layer does not have magnetism.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層は、前記第3のIII族窒化物半導体層の材料と異なり、前記第2のIII族窒化物半導体層は、前記第3のIII族窒化物半導体層の材料と異なることができる。この磁性半導体素子によれば、積層構造内にヘテロ接合を適用できる。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the first group III nitride semiconductor layer is different from the material of the third group III nitride semiconductor layer, and the second group III nitride semiconductor layer is the first group III nitride semiconductor layer. 3 may be different from the material of the group III nitride semiconductor layer. According to this magnetic semiconductor element, a heterojunction can be applied in the laminated structure.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記半導体領域はGaN基板を備えることができる。或いは、本発明に係る磁性半導体素子では、前記半導体領域は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられたIII族窒化物系半導体層とを備えることができる。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the semiconductor region may include a GaN substrate. Alternatively, in the magnetic semiconductor element according to the present invention, the semiconductor region may include a silicon substrate and a group III nitride semiconductor layer provided on the silicon substrate.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記磁性半導体素子は磁気センサを備える。この磁性半導体素子によれば、遷移金属及び希土類金属といった金属元素の取り込み能に優れたIII族窒化物半導体層を含む磁気センサを提供できる。或いは、本発明に係る磁性半導体素子では、前記磁性半導体素子は磁気メモリを備える。この磁性半導体素子によれば、遷移金属及び希土類金属といった金属元素の取り込み能に優れたIII族窒化物半導体層を含む磁気メモリを提供できる。   In the magnetic semiconductor element according to the present invention, the magnetic semiconductor element includes a magnetic sensor. According to this magnetic semiconductor element, it is possible to provide a magnetic sensor including a group III nitride semiconductor layer excellent in the ability to take in metal elements such as transition metals and rare earth metals. Alternatively, in the magnetic semiconductor element according to the present invention, the magnetic semiconductor element includes a magnetic memory. According to this magnetic semiconductor element, it is possible to provide a magnetic memory including a group III nitride semiconductor layer having an excellent ability to take in metal elements such as transition metals and rare earth metals.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記第1金属元素として遷移金属を備え、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記第1金属元素として希土類金属を備える。この磁性半導体素子によれば、遷移金属及び希土類金属の両方を含むIII族窒化物半導体層を利用できる。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the first group III nitride semiconductor layer includes a transition metal as the first metal element, and the first group III nitride semiconductor layer includes a rare earth metal as the first metal element. Is provided. According to this magnetic semiconductor element, a group III nitride semiconductor layer containing both transition metal and rare earth metal can be used.

本発明に係る磁性半導体素子では、前記主面は半極性面を含む。或いは、本発明に係る磁性半導体素子では、前記主面は無極性面を含む。   In the magnetic semiconductor device according to the present invention, the main surface includes a semipolar surface. Alternatively, in the magnetic semiconductor element according to the present invention, the main surface includes a nonpolar surface.

本発明に係る発明は、磁性半導体素子を作製する方法であって、この方法は、(a)六方晶系のIII族窒化物半導体からなる主面を有する基板を準備する工程と、(b)成長炉において、前記基板の前記主面上に第1のIII族窒化物半導体層を成長する工程とを備え、前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は金属元素を含有しており、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、前記半導体層を成長する工程において、前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族構成元素のIII族原料、V族構成元素の窒素原料、及び金属元素の原料を前記成長炉に供給し、前記主面は半極性面及び無極性面のいずれか一方を含む。   The invention according to the present invention is a method for producing a magnetic semiconductor element, which comprises (a) a step of preparing a substrate having a main surface made of a hexagonal group III nitride semiconductor, and (b) And a step of growing a first group III nitride semiconductor layer on the main surface of the substrate, wherein the group III nitride semiconductor of the first group III nitride semiconductor layer contains a metal element. The first group III nitride semiconductor layer includes at least one of a transition metal and a rare earth metal as the metal element, and in the step of growing the semiconductor layer, the first group III nitride semiconductor layer A group III source material of group III constituent element, a nitrogen source material of group V constituent element, and a source material of metal element are supplied to the growth reactor, and the main surface includes one of a semipolar plane and a nonpolar plane.

この磁性半導体素子を作製する方法によれば、第1のIII族窒化物半導体層が半極性又は無極性を有する主面上に成長される。半極性面及び無極性面を含む半導体主面への第1のIII族窒化物半導体層の成長は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかの磁性金属を結晶中へ取り込む能力に優れており、また磁性金属を含有した際の結晶性にも優れる。   According to the method of manufacturing the magnetic semiconductor element, the first group III nitride semiconductor layer is grown on the main surface having semipolarity or nonpolarity. The growth of the first group III nitride semiconductor layer on the semiconductor main surface including the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in the ability to incorporate at least one of the transition metal and the rare earth metal into the crystal. Moreover, it is excellent in crystallinity when it contains a magnetic metal.

本発明に係る発明は、磁性半導体膜を成長する方法であって、この方法は、(a)六方晶系のIII族窒化物半導体からなる主面上に、成長炉において、前記主面上に第1のIII族窒化物半導体層を成長する工程を備え、前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は金属元素を含有しており、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、前記半導体層を成長する工程において、前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族構成元素のIII族原料、V族構成元素の窒素原料、及び金属元素の原料を前記成長炉に供給し、前記主面は半極性面及び無極性面のいずれか一方を含む。   The invention according to the present invention is a method of growing a magnetic semiconductor film, which comprises: (a) a main surface made of a hexagonal group III nitride semiconductor, and a growth furnace on the main surface. A step of growing a first group III nitride semiconductor layer, wherein the group III nitride semiconductor of the first group III nitride semiconductor layer contains a metal element, and the first group III nitride semiconductor The layer includes at least one of a transition metal and a rare earth metal as the metal element, and in the step of growing the semiconductor layer, a group III material of a group III constituent element of the first group III nitride semiconductor layer, a group V configuration An elemental nitrogen raw material and a metal element raw material are supplied to the growth furnace, and the main surface includes one of a semipolar surface and a nonpolar surface.

この磁性半導体膜を成長する方法によれば、第1のIII族窒化物半導体層が半極性又は無極性を有する主面上に成長される。半極性面及び無極性面を含む半導体主面への第1のIII族窒化物半導体層の成長は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかの磁性金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を添加した際の結晶性にも優れる。   According to the method for growing the magnetic semiconductor film, the first group III nitride semiconductor layer is grown on the main surface having semipolarity or nonpolarity. The growth of the first group III nitride semiconductor layer on the semiconductor main surface including a semipolar plane and a nonpolar plane is excellent in incorporating a transition metal and / or a rare earth metal into a crystal of a magnetic metal, In addition, the crystallinity is excellent when a magnetic metal is added.

以上説明したように、本発明によれば、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る不具合を解消でき、III族窒化物磁性半導体を用いる磁性半導体素子を提供できる。また、本発明によれば、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る不具合を解消できる磁性半導体素子を作製する方法を提供できる。   As described above, according to the present invention, it is possible to solve the problems related to the stability of the ferromagnetism and the Curie temperature, and to provide a magnetic semiconductor element using a group III nitride magnetic semiconductor. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing a magnetic semiconductor element that can eliminate the problems related to the stability of ferromagnetic and the Curie temperature.

図1は、本実施の形態に係る磁性半導体素子の構造を模式的に示す図面である。FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of a magnetic semiconductor element according to the present embodiment. 図2は、実施例1のための磁性半導体膜を成長する方法における主要な工程を示す図面である。FIG. 2 is a drawing showing major steps in the method of growing a magnetic semiconductor film for Example 1. 図3が、実施例1に係る磁性半導体素子の構造を模式的に示す図面である。FIG. 3 is a drawing schematically showing the structure of the magnetic semiconductor device according to the first embodiment. 図4は、実施例2のための磁性半導体素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。FIG. 4 is a drawing showing main steps in a method for producing a magnetic semiconductor element for Example 2. 図5は、磁気センサのためのショットキバリアダイオード構造を示す図面である。FIG. 5 shows a Schottky barrier diode structure for a magnetic sensor. 図6は、磁性センサのショットキバリアダイオードの電流−電圧特性を測定する接続を示す図面である。FIG. 6 is a diagram showing connections for measuring current-voltage characteristics of a Schottky barrier diode of a magnetic sensor. 図7は、磁場印加によってn−GaGdN層の抵抗変化を示す図面である。FIG. 7 is a diagram showing a change in resistance of the n-GaGdN layer by applying a magnetic field. 図8は、実施例3のための磁性半導体素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。FIG. 8 is a drawing showing main steps in a method for producing a magnetic semiconductor element for Example 3. 図9は、実施例3のためのエピタキシャル膜構造を示す図面である。FIG. 9 is a drawing showing an epitaxial film structure for Example 3. 図10は、実施例4のための磁性半導体素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。FIG. 10 is a drawing showing main steps in a method for producing a magnetic semiconductor element for Example 4. 図11は、実施例4のためのエピタキシャル膜構造を示す図面である。FIG. 11 is a drawing showing an epitaxial film structure for Example 4.

引き続いて、添付図面を参照しながら、III族窒化物磁性半導体を用いる磁性半導体素子、磁性半導体素子を作製する方法、及び磁性半導体膜を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。   Subsequently, an embodiment relating to a magnetic semiconductor element using a group III nitride magnetic semiconductor, a method of manufacturing the magnetic semiconductor element, and a method of manufacturing a magnetic semiconductor film will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図1が、本実施の形態に係る磁性半導体素子の構造を模式的に示す図面である。磁性半導体素子11としては、例えば磁気センサ、磁気メモリ、スピントランジスタ、円偏光レーザー等であることができる。磁性半導体素子11は、半導体領域13及びIII族窒化物半導体領域15を備える。III族窒化物半導体領域15は半導体領域13の主面13a上に設けられ、本実施例では、半導体領域13の主面13aに接合J0を成す。半導体領域13は、六方晶系のIII族窒化物半導体からなる主面13aを有しており、主面13aの反対側に位置する裏面13bを有する。主面13aは半極性面及び無極性面のいずれか一方を含む。図1には、半極性におけるc軸の向きを示すc軸ベクトルVC(SEMI)及び無極性におけるc軸の向きを示すc軸ベクトルVC(NON)が示されている。半極性を示す主面13aは、六方晶系のIII族窒化物半導体のc面、具体的には(0001)面又は(000−1)面、を基準にして、ゼロより大きな角度であって90度より小さい角度で傾斜している。結晶成長に関して好ましい半極性を示す面方位の角度範囲は、例えば5度以上85度以下であることができる。また、主面13aの無極性面は、六方晶系のIII族窒化物半導体のc軸が主面13aに実質的に平行に延在するように結晶方位を規定することにより提供される。主面13aの無極性面としては、例えばa面、m面が例示される。また、a面又はm面から、六方晶系のIII族窒化物半導体のc軸の回りに任意の角度で回転して得られる主面もまた無極性を示す。結晶成長に関して好ましい無極性的な性質を示す面方位の角度範囲は、例えばc軸が無極性の主面を基準に主面と−5度以上+5度以下の範囲の角度を成すことができる。これにより、主面13aは、半導体領域13のc面に対して5度以上の角度で傾斜しているIII族窒化物系半導体結晶面を備えることができる。この磁性半導体素子11によれば、遷移金属及び希土類金属といった磁性金属の結晶中への取り込みに優れる。   FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of a magnetic semiconductor element according to the present embodiment. The magnetic semiconductor element 11 can be, for example, a magnetic sensor, a magnetic memory, a spin transistor, a circularly polarized laser, or the like. The magnetic semiconductor element 11 includes a semiconductor region 13 and a group III nitride semiconductor region 15. The group III nitride semiconductor region 15 is provided on the main surface 13a of the semiconductor region 13, and forms a junction J0 with the main surface 13a of the semiconductor region 13 in this embodiment. The semiconductor region 13 has a main surface 13a made of a hexagonal group III nitride semiconductor, and has a back surface 13b located on the opposite side of the main surface 13a. The main surface 13a includes one of a semipolar surface and a nonpolar surface. FIG. 1 shows a c-axis vector VC (SEMI) indicating the direction of the c-axis in semipolarity and a c-axis vector VC (NON) indicating the direction of the c-axis in nonpolarity. The main surface 13a showing semipolarity is an angle larger than zero with reference to the c-plane of the hexagonal group III nitride semiconductor, specifically, the (0001) plane or the (000-1) plane. It is inclined at an angle smaller than 90 degrees. An angle range of a plane orientation showing a preferable semipolarity for crystal growth can be, for example, 5 degrees or more and 85 degrees or less. The nonpolar surface of the main surface 13a is provided by defining the crystal orientation so that the c-axis of the hexagonal group III nitride semiconductor extends substantially parallel to the main surface 13a. Examples of the nonpolar surface of the main surface 13a include an a-plane and an m-plane. A main surface obtained by rotating at an arbitrary angle around the c-axis of a hexagonal group III nitride semiconductor from the a-plane or m-plane also exhibits nonpolarity. The angle range of the plane orientation exhibiting preferable nonpolar properties with respect to crystal growth can form an angle in the range of −5 degrees or more and +5 degrees or less with respect to the main surface with respect to the main surface where the c-axis is nonpolar, for example. Thereby, main surface 13a can be provided with a group III nitride semiconductor crystal plane inclined at an angle of 5 degrees or more with respect to the c-plane of semiconductor region 13. This magnetic semiconductor element 11 is excellent in the incorporation of magnetic metals such as transition metals and rare earth metals into crystals.

主面13aの面方位は、主面13aへ成長されるIII族窒化物系半導体の結晶面方位に引き継がれて、III族窒化物半導体領域15の上面15aにも引き継がれる。また、III族窒化物半導体領域15が複数の半導体層を備えるとき、これらの半導体層の接合の面方位は主面13aの面方位に対応する。これ故に、III族窒化物系半導体の成長における半極性面及び無極性面の特質は、主面13aに順次に成長されるIII族窒化物半導体層にも引き継がれる。   The plane orientation of the main surface 13a is inherited by the crystal plane orientation of the group III nitride semiconductor grown on the main surface 13a, and is also inherited by the upper surface 15a of the group III nitride semiconductor region 15. When group III nitride semiconductor region 15 includes a plurality of semiconductor layers, the plane orientation of the junction of these semiconductor layers corresponds to the plane orientation of main surface 13a. Therefore, the characteristics of the semipolar plane and the nonpolar plane in the growth of the group III nitride semiconductor are inherited by the group III nitride semiconductor layer that is sequentially grown on the main surface 13a.

III族窒化物半導体領域15は、例えば半導体領域13の主面13a上に設けられた第1のIII族窒化物半導体層17を備えることができる。第1のIII族窒化物半導体層17は、例えばAlN、InN、窒化ガリウム系半導体等であることができる。窒化ガリウム系半導体は、例えばGaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等であることができる。   The group III nitride semiconductor region 15 can include, for example, a first group III nitride semiconductor layer 17 provided on the major surface 13 a of the semiconductor region 13. The first group III nitride semiconductor layer 17 can be, for example, AlN, InN, a gallium nitride based semiconductor, or the like. The gallium nitride based semiconductor can be, for example, GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, InAlN, or the like.

或いは、III族窒化物半導体領域15は、例えば第1のIII族窒化物半導体層17及び第2のIII族窒化物半導体層19を備えることができる。第1のIII族窒化物半導体層17及び第2のIII族窒化物半導体層19は半導体領域13の主面13a上に設けられ、本実施例では主面13aの法線Axの方向に配列される。或いは、III族窒化物半導体領域15は、例えば第1のIII族窒化物半導体層17、第2のIII族窒化物半導体層19及び第3のIII族窒化物半導体層21を備えることができる。第1のIII族窒化物半導体層17、第2のIII族窒化物半導体層19及び第3のIII族窒化物半導体層21は半導体領域13の主面13a上に設けられ、本実施例では主面13aの法線Axの方向に配列される。第3のIII族窒化物半導体層21は第1のIII族窒化物半導体層17と第2のIII族窒化物半導体層19との間に設けられる。本実施例では、第3のIII族窒化物半導体層21は第1のIII族窒化物半導体層17に接合J1を成し、接合J1は例えばヘテロ接合又はホモ接合であることができる。第3のIII族窒化物半導体層21は第2のIII族窒化物半導体層19と接合J2を成し、接合J2は例えばヘテロ接合又はホモ接合であることができる。   Alternatively, the group III nitride semiconductor region 15 can include, for example, a first group III nitride semiconductor layer 17 and a second group III nitride semiconductor layer 19. The first group III nitride semiconductor layer 17 and the second group III nitride semiconductor layer 19 are provided on the main surface 13a of the semiconductor region 13, and are arranged in the direction of the normal Ax of the main surface 13a in this embodiment. The Alternatively, the group III nitride semiconductor region 15 can include, for example, a first group III nitride semiconductor layer 17, a second group III nitride semiconductor layer 19, and a third group III nitride semiconductor layer 21. The first group III nitride semiconductor layer 17, the second group III nitride semiconductor layer 19, and the third group III nitride semiconductor layer 21 are provided on the main surface 13 a of the semiconductor region 13. They are arranged in the direction of the normal Ax of the surface 13a. The third group III nitride semiconductor layer 21 is provided between the first group III nitride semiconductor layer 17 and the second group III nitride semiconductor layer 19. In the present embodiment, the third group III nitride semiconductor layer 21 forms a junction J1 with the first group III nitride semiconductor layer 17, and the junction J1 can be, for example, a heterojunction or a homojunction. The third group III nitride semiconductor layer 21 forms a junction J2 with the second group III nitride semiconductor layer 19, and the junction J2 can be a heterojunction or a homojunction, for example.

第1のIII族窒化物半導体層17のIII族窒化物半導体は第1金属元素を含有する。第1のIII族窒化物半導体層17は第1金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備える。   The group III nitride semiconductor of the first group III nitride semiconductor layer 17 contains a first metal element. The first group III nitride semiconductor layer 17 includes at least one of a transition metal and a rare earth metal as the first metal element.

この磁性半導体素子11によれば、磁性半導体素子の第1のIII族窒化物半導体層17が半極性面又は無極性面上に設けられる。半極性面及び無極性面に設けられる第1のIII族窒化物半導体層17は、遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかの磁性金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を含有した際の結晶性にも優れる。   According to the magnetic semiconductor element 11, the first group III nitride semiconductor layer 17 of the magnetic semiconductor element is provided on the semipolar surface or the nonpolar surface. The first group III nitride semiconductor layer 17 provided on the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in incorporating a transition metal and a rare earth metal into a crystal of a magnetic metal, and contains a magnetic metal. Excellent crystallinity at the time.

磁性半導体素子11はIII族窒化物半導体領域15の上面15aに接触を成す電極23を備えることができる。また、磁性半導体素子11は半導体領域13の裏面13aに接触を成す電極25を備えることができる。   The magnetic semiconductor element 11 may include an electrode 23 that is in contact with the upper surface 15 a of the group III nitride semiconductor region 15. In addition, the magnetic semiconductor element 11 can include an electrode 25 that is in contact with the back surface 13 a of the semiconductor region 13.

磁性半導体素子11においては、遷移金属は、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cdの少なくともいずれかであることができる。希土類元素は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの少なくともいずれかであることができる。半極性面及び無極性面上の第1のIII族窒化物半導体層17は、これらの金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を含有した際の結晶性にも優れる。このような第1のIII族窒化物半導体層17は室温において強磁性を有する。この磁性半導体素子によれば、室温以上で動作する、高感度で消費電力の少ない磁気センサ、又は磁気メモリといった磁気デバイスを実現できる。第1のIII族窒化物半導体層17のキュリー温度は例えば300ケルビン以上であり、第1のIII族窒化物半導体層17は室温では強磁性を示す。好ましくは、第1のIII族窒化物半導体層17のキュリー温度は600ケルビン以上であり、磁性半導体素子11は室温では安定した強磁性を示す。   In the magnetic semiconductor element 11, the transition metal is at least one of Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, and Cd. it can. The rare earth element can be at least one of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. The first group III nitride semiconductor layer 17 on the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in incorporating these metals into the crystal, and also excellent in crystallinity when containing a magnetic metal. Such first group III nitride semiconductor layer 17 has ferromagnetism at room temperature. According to this magnetic semiconductor element, it is possible to realize a magnetic device such as a magnetic sensor or a magnetic memory that operates at room temperature or higher and has high sensitivity and low power consumption. The Curie temperature of the first group III nitride semiconductor layer 17 is, for example, 300 Kelvin or higher, and the first group III nitride semiconductor layer 17 exhibits ferromagnetism at room temperature. Preferably, the Curie temperature of the first group III nitride semiconductor layer 17 is 600 Kelvin or higher, and the magnetic semiconductor element 11 exhibits stable ferromagnetism at room temperature.

好ましくは、第1のIII族窒化物半導体層17は第1金属元素として、V、Cr、Mn、Nd、Eu、Gd、Dy、Erを備えるとき、半極性面及び無極性面上の第1のIII族窒化物半導体層17は、これらの金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を添加した際の結晶性にも優れる。   Preferably, when the first group III nitride semiconductor layer 17 includes V, Cr, Mn, Nd, Eu, Gd, Dy, Er as the first metal element, the first group on the semipolar plane and the nonpolar plane The group III nitride semiconductor layer 17 is excellent in the incorporation of these metals into crystals, and is also excellent in crystallinity when a magnetic metal is added.

第1のIII族窒化物半導体層17の金属元素の含有量は3%以上であることができる。この磁性半導体素子11によれば、第1のIII族窒化物半導体層17に含有される金属元素に起因する性質が比較的はっきりと現れる。また、第1のIII族窒化物半導体層17の金属元素の含有量は10%以上であることができる。この磁性半導体素子11によれば、室温以上で動作する、高感度で消費電力の少ない磁気センサ、又は磁気メモリといった磁気デバイスを実現できる。   The metal element content of the first group III nitride semiconductor layer 17 may be 3% or more. According to this magnetic semiconductor element 11, the properties resulting from the metal elements contained in the first group III nitride semiconductor layer 17 appear relatively clearly. The metal element content of the first group III nitride semiconductor layer 17 may be 10% or more. According to the magnetic semiconductor element 11, a magnetic device such as a magnetic sensor or a magnetic memory that operates at room temperature or higher and has high sensitivity and low power consumption can be realized.

第1のIII族窒化物半導体層17は、p型伝導性及びn型伝導性のいずれかを有することができる。p型伝導性及びn型伝導性のいずれかの付与のために磁性金属とは別にIII族窒化物半導体にドーパントを添加する。ドーパントの添加に応じてはキャリア濃度を変化させることができ、これにより強磁性特性を調整できる。n型ドーパントして、シリコン、ゲルマニウム等を用いることができ、p型ドーパントして、マグネシウム、亜鉛等を用いることができる。   The first group III nitride semiconductor layer 17 can have either p-type conductivity or n-type conductivity. In order to provide either p-type conductivity or n-type conductivity, a dopant is added to the group III nitride semiconductor separately from the magnetic metal. Depending on the addition of the dopant, the carrier concentration can be changed, whereby the ferromagnetic properties can be adjusted. Silicon, germanium, or the like can be used as the n-type dopant, and magnesium, zinc, or the like can be used as the p-type dopant.

図1に示されるように、III族窒化物半導体領域15は第1のIII族窒化物半導体層17及び第2のIII族窒化物半導体層19を備えることができる。第2のIII族窒化物半導体層19は、例えばAlN、InN、窒化ガリウム系半導体等であることができる。窒化ガリウム系半導体は、例えばGaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、InAlN等であることができる。第1のIII族窒化物半導体層17及び第2のIII族窒化物半導体層19は接合JJを成す。この接合はヘテロ接合又はホモ接合であることができる。   As shown in FIG. 1, the group III nitride semiconductor region 15 may include a first group III nitride semiconductor layer 17 and a second group III nitride semiconductor layer 19. The second group III nitride semiconductor layer 19 can be, for example, AlN, InN, a gallium nitride based semiconductor, or the like. The gallium nitride based semiconductor can be, for example, GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, InAlN, or the like. The first group III nitride semiconductor layer 17 and the second group III nitride semiconductor layer 19 form a junction JJ. This junction can be heterozygous or homozygous.

第2のIII族窒化物半導体層19のIII族窒化物半導体は第2金属元素を含有しており、第2のIII族窒化物半導体層は第2金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備えることができる。遷移金属及び希土類金属としては、既に説明した元素を適用できる。また、半極性面及び無極性面上の第2のIII族窒化物半導体層19は、これらの金属の結晶中への取り込みに優れており、また磁性金属を含有した際の結晶性にも優れる。このような第2のIII族窒化物半導体層19は室温において強磁性を有する。この磁性半導体素子によれば、室温以上で動作する、高感度で消費電力の少ない磁気センサ、又は磁気メモリといった磁気デバイスを実現できる。第2のIII族窒化物半導体層19のキュリー温度は例えば300ケルビン(K)以上であり、第2のIII族窒化物半導体層19は室温では強磁性を示す。好ましくは、第2のIII族窒化物半導体層19のキュリー温度は600ケルビン以上であり、第2のIII族窒化物半導体層19は室温では安定した強磁性を示す。さらに、第2のIII族窒化物半導体層19の金属元素の含有量は3%以上であるとき、第2のIII族窒化物半導体層19に含有される金属元素に起因する性質が比較的はっきりと現れる。また、第2のIII族窒化物半導体層19の金属元素の含有量は10%以上であるとき、室温以上で動作する、高感度で消費電力の少ない磁気センサ、又は磁気メモリといった磁気デバイスを実現できる。   The group III nitride semiconductor of the second group III nitride semiconductor layer 19 contains a second metal element, and the second group III nitride semiconductor layer has at least one of a transition metal and a rare earth metal as the second metal element. Can be provided. As the transition metal and rare earth metal, the elements described above can be applied. Further, the second group III nitride semiconductor layer 19 on the semipolar plane and the nonpolar plane is excellent in the incorporation of these metals into crystals, and also excellent in crystallinity when containing a magnetic metal. . Such a second group III nitride semiconductor layer 19 has ferromagnetism at room temperature. According to this magnetic semiconductor element, it is possible to realize a magnetic device such as a magnetic sensor or a magnetic memory that operates at room temperature or higher and has high sensitivity and low power consumption. The Curie temperature of the second group III nitride semiconductor layer 19 is, for example, 300 Kelvin (K) or more, and the second group III nitride semiconductor layer 19 exhibits ferromagnetism at room temperature. Preferably, the Curie temperature of the second group III nitride semiconductor layer 19 is 600 Kelvin or higher, and the second group III nitride semiconductor layer 19 exhibits stable ferromagnetism at room temperature. Further, when the content of the metal element in the second group III nitride semiconductor layer 19 is 3% or more, the properties resulting from the metal element contained in the second group III nitride semiconductor layer 19 are relatively clear. Appears. In addition, when the content of the metal element in the second group III nitride semiconductor layer 19 is 10% or more, a magnetic device such as a magnetic sensor or a magnetic memory that operates at room temperature or higher and that operates at room temperature or higher is realized. it can.

第2のIII族窒化物半導体層19が遷移金属及び/又は希土類金属を備えるとき、この第2のIII族窒化物半導体層は強磁性を示す。第2のIII族窒化物半導体層19の保磁力は第1のIII族窒化物半導体層17の保磁力と異なるようにすることが良い。異なる保持力の膜を生成するためには、例えば金属元素の含有量を2つの層で変えることにより実現できる。この磁性半導体素子11において、保持力の異なる複数のIII族窒化物半導体層を用いることにより、たとえば磁気メモリ(MRAM)のような、トンネル磁気抵抗効果(TMR)を利用した磁気デバイスが実現できる。III族窒化物半導体の利用により、保持力の差は例えば50%以上であるように作製できる。   When the second group III nitride semiconductor layer 19 includes a transition metal and / or a rare earth metal, the second group III nitride semiconductor layer exhibits ferromagnetism. The coercivity of the second group III nitride semiconductor layer 19 is preferably different from the coercivity of the first group III nitride semiconductor layer 17. In order to generate films having different holding powers, for example, the metal element content can be changed between two layers. By using a plurality of group III nitride semiconductor layers having different coercive forces in the magnetic semiconductor element 11, a magnetic device using the tunnel magnetoresistive effect (TMR) such as a magnetic memory (MRAM) can be realized. By using a group III nitride semiconductor, the difference in coercive force can be made to be 50% or more, for example.

第1のIII族窒化物半導体層17と同様に、第2のIII族窒化物半導体層19はp型伝導性及びn型伝導性のいずれかからの導電性を有することができる。p型伝導性及びn型伝導性のいずれかの付与のためにIII族窒化物半導体にドーパントを添加する。ドーパントの添加に応じてはキャリア濃度を変化させることができ、これにより強磁性特性を調整できる。   Similar to the first group III nitride semiconductor layer 17, the second group III nitride semiconductor layer 19 can have conductivity from either p-type conductivity or n-type conductivity. A dopant is added to the group III nitride semiconductor for providing either p-type conductivity or n-type conductivity. Depending on the addition of the dopant, the carrier concentration can be changed, whereby the ferromagnetic properties can be adjusted.

第1のIII族窒化物半導体層17の材料と第2のIII族窒化物半導体層19の材料との組み合わせは、Gd添加量を変えたGaGdN及びGaGdN等であることができる。このような2層構造の磁性半導体素子は巨大磁気抵抗(GMR)素子に適用される。   The combination of the material of the first group III nitride semiconductor layer 17 and the material of the second group III nitride semiconductor layer 19 can be GaGdN, GaGdN, etc. with different amounts of Gd added. Such a two-layer magnetic semiconductor element is applied to a giant magnetoresistive (GMR) element.

磁性半導体素子11は、第3のIII族窒化物半導体層21を更に備えることができる。第3のIII族窒化物半導体層21は第1のIII族窒化物半導体層17と第2のIII族窒化物半導体層19との間に設けられる。第3のIII族窒化物半導体層21は磁性を有していない。このような構造の磁性半導体素子は、磁気センサ、磁気メモリを提供できる。   The magnetic semiconductor element 11 can further include a third group III nitride semiconductor layer 21. The third group III nitride semiconductor layer 21 is provided between the first group III nitride semiconductor layer 17 and the second group III nitride semiconductor layer 19. The third group III nitride semiconductor layer 21 does not have magnetism. The magnetic semiconductor element having such a structure can provide a magnetic sensor and a magnetic memory.

一実施例では、第3のIII族窒化物半導体層21は第1のIII族窒化物半導体層17と接合J1を形成し、第3のIII族窒化物半導体層21は第2のIII族窒化物半導体層19と接合J2を形成する。第3のIII族窒化物半導体層21は磁性を帯びていない非磁性層からなることが良く、例えば、第3のIII族窒化物半導体層21は、素子の使用温度範囲で強磁性を示さないように形成されていても良い。III族窒化物半導体層の成長において、磁性金属を意図的には添加しないように第3のIII族窒化物半導体層21を成長することが好ましい。第3のIII族窒化物半導体層21は、第1のIII族窒化物半導体層17及び第2のIII族窒化物半導体層19のキャリアに障壁を提供するような材料からなることが好ましい。或いは、第3のIII族窒化物半導体層21の抵抗率は、第1のIII族窒化物半導体層17の抵抗率及び第2のIII族窒化物半導体層19の抵抗率より高いことが好ましい。   In one embodiment, the third group III nitride semiconductor layer 21 forms a junction J1 with the first group III nitride semiconductor layer 17, and the third group III nitride semiconductor layer 21 is a second group III nitride. The physical semiconductor layer 19 and the junction J2 are formed. The third group III nitride semiconductor layer 21 is preferably composed of a nonmagnetic layer that is not magnetic. For example, the third group III nitride semiconductor layer 21 does not exhibit ferromagnetism in the operating temperature range of the device. It may be formed as follows. In the growth of the group III nitride semiconductor layer, the third group III nitride semiconductor layer 21 is preferably grown so as not to intentionally add the magnetic metal. The third group III nitride semiconductor layer 21 is preferably made of a material that provides a barrier to the carriers of the first group III nitride semiconductor layer 17 and the second group III nitride semiconductor layer 19. Alternatively, the resistivity of the third group III nitride semiconductor layer 21 is preferably higher than the resistivity of the first group III nitride semiconductor layer 17 and the resistivity of the second group III nitride semiconductor layer 19.

第1のIII族窒化物半導体層17の材料、第2のIII族窒化物半導体層19の材料、及び第3のIII族窒化物半導体層21の材料の組み合わせは、GaGdN、GaGdN及びAlGaN等であることができる。   The combination of the material of the first group III nitride semiconductor layer 17, the material of the second group III nitride semiconductor layer 19, and the material of the third group III nitride semiconductor layer 21 is GaGdN, GaGdN, AlGaN, or the like. Can be.

磁性半導体素子11では、半導体領域13はIII族窒化物半導体基板を含むことができ、例えばGaN基板等を備える。この磁性半導体素子11によれば、結晶性の優れたIII族窒化物半導体層を含む磁気デバイスを提供できる。半導体領域13は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられたIII族窒化物系半導体層とを備えることができる。この磁性半導体素子11によれば、基板コスト低減を図ることができ、Si−MOSFETのような既存の半導体デバイスとともに、Si基板上に集積化することが可能となる。   In the magnetic semiconductor element 11, the semiconductor region 13 can include a group III nitride semiconductor substrate, and includes, for example, a GaN substrate. According to the magnetic semiconductor element 11, a magnetic device including a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be provided. The semiconductor region 13 can include a silicon substrate and a group III nitride semiconductor layer provided on the silicon substrate. According to the magnetic semiconductor element 11, the substrate cost can be reduced, and it can be integrated on the Si substrate together with the existing semiconductor device such as the Si-MOSFET.

上記のような構造の磁性半導体素子11は、遷移金属及び希土類金属といった金属元素の取り込み能に優れたIII族窒化物半導体層を含む磁気センサを提供できる。或いは、磁性半導体素子11は、遷移金属及び希土類金属といった金属元素の取り込み能に優れたIII族窒化物半導体層を含む磁気メモリを提供できる。   The magnetic semiconductor element 11 having the structure as described above can provide a magnetic sensor including a group III nitride semiconductor layer having an excellent ability to take in metal elements such as transition metals and rare earth metals. Alternatively, the magnetic semiconductor element 11 can provide a magnetic memory including a group III nitride semiconductor layer excellent in the ability to take in metal elements such as transition metals and rare earth metals.

半導体領域13の主面13aは半極性面を含むとき金属元素の取り込み能に優れ、結晶性に優れたIII族窒化物半導体層を作製できる。また、半導体領域13の主面13aは無極性面を含むとき金属元素の取り込み能に優れ、結晶性に優れたIII族窒化物半導体層を作製できる。また立方晶の結晶構造を持つIII族窒化物半導体層を作製できる。   When the main surface 13a of the semiconductor region 13 includes a semipolar surface, a group III nitride semiconductor layer excellent in metal element uptake and crystallinity can be produced. Further, when the main surface 13a of the semiconductor region 13 includes a nonpolar surface, a group III nitride semiconductor layer having excellent metal element uptake ability and excellent crystallinity can be produced. In addition, a group III nitride semiconductor layer having a cubic crystal structure can be produced.

III族窒化物半導体層15、21が、第1金属元素として遷移金属を備えるとき金属元素の添加量を増やすことができる。また、III族窒化物半導体層15、21が、第1金属元素として希土類金属を備えるとき少ない金属元素の添加量でも、強い磁性を示すことができる。また、III族窒化物半導体層15、21が、第1金属元素として遷移金属及び希土類金属の両方を備えるときより強い磁性を示すことができる。   When the group III nitride semiconductor layers 15 and 21 include a transition metal as the first metal element, the amount of the metal element added can be increased. Further, when the group III nitride semiconductor layers 15 and 21 are provided with a rare earth metal as the first metal element, strong magnetic properties can be exhibited even with a small addition amount of the metal element. Further, when the group III nitride semiconductor layers 15 and 21 include both a transition metal and a rare earth metal as the first metal element, they can exhibit stronger magnetism.

(実施例1)
図2を参照しながら、磁性半導体膜を成長する方法を説明する。工程S101では、GaN基板を準備する。準備したGaN基板の面方位は、以下のものである:c面、{20−21}面、m面、a面、{11−22}面及び{10−11}面。工程S102では、GaN基板を成長炉に配置する。この成長炉を用いて、工程S103ではGaN基板上にGaGdN膜を成長する。半導体層を成長する工程において、図3に示されるように、GaGdN膜のIII族構成元素のIII族原料、V族構成元素の窒素原料、及び金属元素の原料G0を成長炉10に供給する。成長法として、例えば分子線エピタキシ(MBE)法を用いる。ガリウム原料、窒素原料、及びガドリニウム(Gd)原料としては、それぞれ、Ga金属、窒素RFプラズマ、Gd金属を用いる。MBE成長に際して、基板温度は摂氏700度を用いる。GaGdN膜の厚さは200nmである。具体的には、図3に示されるエピタキシャル膜構造を作製する。
Example 1
A method of growing a magnetic semiconductor film will be described with reference to FIG. In step S101, a GaN substrate is prepared. The plane orientations of the prepared GaN substrates are as follows: c-plane, {20-21} plane, m-plane, a-plane, {11-22} plane, and {10-11} plane. In step S102, the GaN substrate is placed in a growth furnace. Using this growth furnace, a GaGdN film is grown on the GaN substrate in step S103. In the step of growing the semiconductor layer, as shown in FIG. 3, a group III source material of a group III constituent element, a nitrogen source material of a group V constituent element, and a source material G0 of a metal element are supplied to the growth reactor 10. As the growth method, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method is used. As the gallium raw material, nitrogen raw material, and gadolinium (Gd) raw material, Ga metal, nitrogen RF plasma, and Gd metal are used, respectively. During MBE growth, the substrate temperature is 700 degrees Celsius. The thickness of the GaGdN film is 200 nm. Specifically, the epitaxial film structure shown in FIG. 3 is produced.

MBE法におけるフラックスを調整して、GaN{20−21}面上に以下の三種類のGd含有量のGaGdN膜を成長する。これらのGaGdN膜の磁化測定を行い、キュリー温度を評価する。
GaGdN膜(Gd組成、単位atom%)、キュリー温度。
GaGdN膜(Gd組成10%)、 400K。
GaGdN膜(Gd組成15%)、 500K。
GaGdN膜(Gd組成20%)、 600K。
Gd組成の見積もりは、X線回折法(XRD)、あるいはラザフォード後方散乱法(RBS)、エネルギー分散X線分光法(EDX)、等により行われる。
なお、有機金属気相成長法でGaGdN膜を成長することもでき、Gd原料として、例えばトリシクロペンタジエニルガドリニウム((Cp)Gd)を用いることができる。ガドリニウム(Gd)の代わりに、ジスプロシウム(Dy)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、ネオジム(Nd)、ユウロピウム(Eu)、エルビウム(Er)等もGaN系半導体の成長に適用可能である。本実施例では、成長用の基板として、GaN基板を用いたけれども、GaN基板に替えてシリコン基板を成長用基板として用いることができる。
By adjusting the flux in the MBE method, the following three types of Gd content GaGdN films are grown on the GaN {20-21} plane. The magnetization of these GaGdN films is measured and the Curie temperature is evaluated.
GaGdN film (Gd composition, unit atom%), Curie temperature.
GaGdN film (Gd composition 10%), 400K.
GaGdN film (Gd composition 15%), 500K.
GaGdN film (Gd composition 20%), 600K.
The Gd composition is estimated by X-ray diffraction (XRD), Rutherford backscattering (RBS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), or the like.
Note that a GaGdN film can also be grown by metal organic vapor phase epitaxy, and for example, tricyclopentadienyl gadolinium ((Cp) 3 Gd) can be used as a Gd raw material. Instead of gadolinium (Gd), dysprosium (Dy), manganese (Mn), chromium (Cr), vanadium (V), neodymium (Nd), europium (Eu), erbium (Er), etc. are also used to grow GaN-based semiconductors. Applicable. In this embodiment, a GaN substrate is used as the growth substrate, but a silicon substrate can be used as the growth substrate instead of the GaN substrate.

(実施例2)
図4を参照しながら、磁性半導体素子を作製する方法を説明する。磁気センサ素子を作製する。工程S201では、GaN基板を準備する。磁気センサ素子のためのエピタキシャル膜をGaN基板上に成長する。準備したGaN基板の面方位は、以下のものである:c面、{20−21}面、m面、a面、{11−22}面及び{10−11}面。工程S202では、GaN基板を成長炉に配置する。この成長炉を用いて、工程S203では、GaN基板上にGaGdN膜を成長する。成長法として、例えば分子線エピタキシ(MBE)法を用いる。具体的には、図5に示されるエピタキシャル膜構造を作製する。MBE成長に際して、基板温度が摂氏700度を用いる。MBE法におけるフラックスを調整して、GaN{20−21}面上にGaGdN膜を成長して、エピタキシャル基板を作製する。GaGdN膜の厚さは500nmである。GaGdN膜のGd組成は20%である。GaGdN膜のキャリア濃度は1×1018cm−3である。
(Example 2)
A method of manufacturing a magnetic semiconductor element will be described with reference to FIG. A magnetic sensor element is produced. In step S201, a GaN substrate is prepared. An epitaxial film for the magnetic sensor element is grown on the GaN substrate. The plane orientations of the prepared GaN substrates are as follows: c-plane, {20-21} plane, m-plane, a-plane, {11-22} plane, and {10-11} plane. In step S202, the GaN substrate is placed in a growth furnace. Using this growth furnace, in step S203, a GaGdN film is grown on the GaN substrate. As the growth method, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method is used. Specifically, the epitaxial film structure shown in FIG. 5 is produced. During MBE growth, the substrate temperature is 700 degrees Celsius. The flux in the MBE method is adjusted, and a GaGdN film is grown on the GaN {20-21} plane to produce an epitaxial substrate. The thickness of the GaGdN film is 500 nm. The Gd composition of the GaGdN film is 20%. The carrier concentration of the GaGdN film is 1 × 10 18 cm −3 .

工程S204では、エピタキシャル基板のエピ面にショットキ電極を形成する。このショットキ電極はNiからなり、電極サイズは0.2mmφである。ショットキ電極上にパッド電極(例えばAu)を作製する。工程S205では、エピタキシャル基板のGaN基板の裏面にオーミック電極を形成する。オーミック電極はTi/Al/Ti/Auからなる。図5に示されるように、ショットキバリアダイオード構造を有する磁気センサを作製する。   In step S204, a Schottky electrode is formed on the epitaxial surface of the epitaxial substrate. This Schottky electrode is made of Ni and has an electrode size of 0.2 mmφ. A pad electrode (for example, Au) is formed on the Schottky electrode. In step S205, an ohmic electrode is formed on the back surface of the epitaxial substrate GaN substrate. The ohmic electrode is made of Ti / Al / Ti / Au. As shown in FIG. 5, a magnetic sensor having a Schottky barrier diode structure is manufactured.

この磁気センサに、図6に示されるように、電圧計、電流計及び可変電源を接続して、摂氏25度で、外部地場Hを印加しながら、磁気センサのショットキバリアダイオードの電流−電圧特性を測定する。図7に示されるように、磁場印加によってn−GaGdN層の抵抗変化を測定する。n−GaGdN層の特性S1、S2は、それぞれ、印加した外部磁場0エルステッド、20エルステッドに対応する。磁場印加に応じて、ショットキバリアダイオード構造の磁気センサの順方向特性が変化する。この特性は、ノーマリオフの磁気センサを実現できることを示している。すなわち磁場ゼロでは電流は流れず、磁場が印加されると電流が流れるセンサを実現できる。この磁気センサの最小検知可能磁場は1×10−2エルステッド(1E−2Oe)以下である。また、GaGdN膜のキュリー温度が高いので、この磁気センサは摂氏200度以上の温度においても、ほぼ室温(摂氏25度)に近い感度を示す。例えば、図7における矢印の印加電圧を磁気センサ素子に加えておくとき、外部磁場の変化、印加を電気抵抗の変化として検出できる。本実施例では、成長用の基板としてGaN基板を用いているけれども、GaN基板に代えてシリコン基板を成長用基板として用いることができる。 As shown in FIG. 6, a voltmeter, an ammeter, and a variable power source are connected to this magnetic sensor, and the current-voltage characteristics of the Schottky barrier diode of the magnetic sensor are applied while applying an external field H at 25 degrees Celsius. Measure. As shown in FIG. 7, the resistance change of the n-GaGdN layer is measured by applying a magnetic field. The characteristics S1 and S2 of the n-GaGdN layer correspond to the applied external magnetic field 0 Oersted and 20 Oersted, respectively. In accordance with the application of the magnetic field, the forward characteristics of the magnetic sensor having the Schottky barrier diode structure change. This characteristic indicates that a normally-off magnetic sensor can be realized. That is, it is possible to realize a sensor in which current does not flow when a magnetic field is zero and current flows when a magnetic field is applied. The minimum detectable magnetic field of this magnetic sensor is 1 × 10 −2 oersted (1E-2Oe) or less. In addition, since the Curie temperature of the GaGdN film is high, this magnetic sensor exhibits sensitivity close to room temperature (25 degrees Celsius) even at a temperature of 200 degrees Celsius or higher. For example, when an applied voltage indicated by an arrow in FIG. 7 is applied to the magnetic sensor element, a change in external magnetic field and application can be detected as a change in electrical resistance. In this embodiment, a GaN substrate is used as the growth substrate, but a silicon substrate can be used as the growth substrate instead of the GaN substrate.

(実施例3)
図8を参照しながら、トンネル磁気抵抗素子を作製する方法を説明する。工程S301では、GaN基板を準備する。トンネル磁気抵抗素子のためのエピタキシャル膜をGaN基板上に成長する。準備したGaN基板の面方位は、以下のものである:c面、{20−21}面、m面、a面、{11−22}面及び{10−11}面。
工程S302では、GaN基板を成長炉に配置する。この成長炉を用いて、GaN基板上にGaGdN膜を成長する。成長法として、例えば分子線エピタキシ(MBE)法を用いる。具体的には、図9に示されるエピタキシャル膜構造を作製する。MBE成長に際して、基板温度が摂氏700度を用いる。MBE法におけるフラックスを調整して、工程S303では、GaN{20−21}面上にn型Ga1−XGdN膜、p型AlGa1−ZN膜及びn型Ga1−YGdN膜を順に成長して、エピタキシャル基板を作製する。工程S304では、GaN{20−21}面上にn型Ga1−XGdN膜を成長する。工程S305では、n型Ga1−XGdN膜上にp型AlGa1−ZN膜を成長する。工程S306では、p型AlGa1−ZN膜上にn型Ga1−YGdN膜を成長する。この積層構造では、n型Ga1−XGdN膜はp型AlGa1−ZN膜にヘテロ接合を成し、n型Ga1−YGdN膜はp型AlGa1−ZN膜にヘテロ接合を成す。本実施例では、X=0.20(20%)、Y=0.10、Z=0.20。n型Ga1−XGdN膜及びn型Ga1−YGdN膜はSiドープであり、p型AlGa1−ZN膜はMgドープである。n型Ga1−XGdN膜の厚さは100nmであり、n型Ga1−YGdN膜の厚さは100nmである。p型AlGa1−ZN膜の厚さは20nmである。n型Ga1−XGdN膜のドーパント濃度は1×1018cm−3である。n型Ga1−YGdN膜のドーパント濃度は1×1018cm−3である。p型AlGa1−ZN膜のドーパント濃度は1×1019cm−3である。
Example 3
A method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element will be described with reference to FIG. In step S301, a GaN substrate is prepared. An epitaxial film for the tunnel magnetoresistive element is grown on the GaN substrate. The plane orientations of the prepared GaN substrates are as follows: c-plane, {20-21} plane, m-plane, a-plane, {11-22} plane, and {10-11} plane.
In step S302, the GaN substrate is placed in a growth furnace. Using this growth furnace, a GaGdN film is grown on the GaN substrate. As the growth method, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method is used. Specifically, the epitaxial film structure shown in FIG. 9 is produced. During MBE growth, the substrate temperature is 700 degrees Celsius. By adjusting the flux in the MBE method, in step S303, an n-type Ga 1-X Gd X N film, a p-type Al Z Ga 1-Z N film, and an n-type Ga 1-Y are formed on the GaN {20-21} plane. Gd Y N films are grown in order to produce an epitaxial substrate. In step S304, growing the n-type Ga 1-X Gd X N film GaN {20-21} on the surface. In step S305, to grow a p-type Al Z Ga 1-Z N layer on the n-type Ga 1-X Gd X N film. In step S306, growing the n-type Ga 1-Y Gd Y N film on the p-type Al Z Ga 1-Z N layer. In this laminated structure, n-type Ga 1-X Gd X N film forms a heterojunction with the p-type Al Z Ga 1-Z N layer, n-type Ga 1-Y Gd Y N layer is p-type Al Z Ga 1 -ZN Heterojunction is formed in the NN film. In this embodiment, X = 0.20 (20%), Y = 0.10, Z = 0.20. n-type Ga 1-X Gd X N film and n-type Ga 1-Y Gd Y N layer is Si-doped, p-type Al Z Ga 1-Z N layer is Mg doped. The thickness of the n-type Ga 1-X Gd X N film is 100 nm, the thickness of the n-type Ga 1-Y Gd Y N film is 100 nm. The thickness of the p-type Al Z Ga 1-Z N layer is 20 nm. dopant concentration of the n-type Ga 1-X Gd X N film is 1 × 10 18 cm -3. The dopant concentration of the n-type Ga 1-Y Gd Y N film is 1 × 10 18 cm −3 . The dopant concentration of the p-type Al Z Ga 1-Z N film is 1 × 10 19 cm −3 .

工程S307では、エピタキシャル基板に電極を形成する。工程S308では、エピタキシャル基板のエピ面(n型Ga1−YGdN膜の表面)にオーミック電極を形成する。このオーミック電極はTi/Al/Ti/Auからなり、電極サイズは0.2mmφである。オーミック電極上にパッド電極(例えばAu)を作製する。工程S309では、エピタキシャル基板のGaN基板の裏面にオーミック電極を形成する。オーミック電極はTi/Al/Ti/Auからなる。図9に示されるようにTMR構造を有する磁気センサを作製する。 In step S307, an electrode is formed on the epitaxial substrate. In step S308, the ohmic electrode on the epitaxial surface of the epitaxial substrate (n-type Ga 1-Y Gd Y N surface of the film). The ohmic electrode is made of Ti / Al / Ti / Au and has an electrode size of 0.2 mmφ. A pad electrode (for example, Au) is formed on the ohmic electrode. In step S309, an ohmic electrode is formed on the back surface of the epitaxial substrate GaN substrate. The ohmic electrode is made of Ti / Al / Ti / Au. As shown in FIG. 9, a magnetic sensor having a TMR structure is manufactured.

この磁気センサに、実施例2と同様に、電圧計、電流計及び可変電源を接続して、摂氏25度で、磁気センサのTMR素子の電流−電圧特性を測定する。磁場印加によってTMR素子層の抵抗変化を測定できる。磁場印加に応じてTMR層の抵抗が変化するので、磁気センシングが可能になる。この磁気センサの最小検知可能磁場は1×10−6エルステッド(1E−6Oe)以下である。また、GaGdN膜のキュリー温度が高いので、この磁気センサは摂氏200度以上の温度においても、ほぼ室温近い感度を示す。本実施例では、成長用の基板として、GaN基板を用いたけれども、GaN基板に替えてシリコン基板を成長用基板として用いることができる。 As in the second embodiment, a voltmeter, an ammeter, and a variable power source are connected to this magnetic sensor, and the current-voltage characteristics of the TMR element of the magnetic sensor are measured at 25 degrees Celsius. The resistance change of the TMR element layer can be measured by applying a magnetic field. Since the resistance of the TMR layer changes according to application of a magnetic field, magnetic sensing becomes possible. The minimum detectable magnetic field of this magnetic sensor is 1 × 10 −6 oersted (1E-6Oe) or less. In addition, since the Curie temperature of the GaGdN film is high, this magnetic sensor exhibits a sensitivity close to room temperature even at a temperature of 200 degrees Celsius or higher. In this embodiment, a GaN substrate is used as the growth substrate, but a silicon substrate can be used as the growth substrate instead of the GaN substrate.

(実施例4)
図10を参照しながら、トンネル磁気抵抗(TMR)素子を作製する方法を説明する。工程S401では、トンネル磁気抵抗素子による磁気メモリを作製する。GaN基板を準備する。トンネル磁気抵抗素子のためのエピタキシャル膜をGaN基板上に成長する。準備したGaN基板の面方位は、以下のものである:c面、{20−21}面、m面、a面、{11−22}面及び{10−11}面。工程S402では、GaN基板を成長炉に配置する。この成長炉を用いてGaN基板上にGaGdN膜を成長する。成長法として、例えば分子線エピタキシ(MBE)法を用いる。具体的には、図11の(a)部に示されるエピタキシャル膜構造を作製する。MBE成長に際して、基板温度が摂氏700度を用いる。MBE法におけるフラックスを調整して、工程S403では、GaN{20−21}面上にn型Ga1−XGdN膜、p型AlGa1−ZN膜及びn型Ga1−YGdN膜を順に成長して、エピタキシャル基板を作製する。この積層構造では、n型Ga1−XGdN膜はp型AlGa1−ZN膜にヘテロ接合を成し、n型Ga1−YGdN膜はp型AlGa1−ZN膜にヘテロ接合を成す。本実施例では、X=0.20(20%)、Y=0.10、Z=0.20。n型Ga1−XGdN膜及びn型Ga1−YGdN膜はSiドープであり、p型AlGa1−ZN膜はMgドープである。n型Ga1−XGdN膜の厚さは100nmであり、及びn型Ga1−YGdN膜の厚さは100nmである。p型AlGa1−ZN膜の厚さは20nmである。n型Ga1−XGdN膜のドーパント濃度は1×1018cm−3である。n型Ga1−YGdN膜のドーパント濃度は1×1018cm−3である。p型AlGa1−ZN膜のドーパント濃度は1×1019cm−3である。
Example 4
A method of manufacturing a tunnel magnetoresistive (TMR) element will be described with reference to FIG. In step S401, a magnetic memory using a tunnel magnetoresistive element is manufactured. A GaN substrate is prepared. An epitaxial film for the tunnel magnetoresistive element is grown on the GaN substrate. The plane orientations of the prepared GaN substrates are as follows: c-plane, {20-21} plane, m-plane, a-plane, {11-22} plane, and {10-11} plane. In step S402, the GaN substrate is placed in a growth furnace. Using this growth furnace, a GaGdN film is grown on the GaN substrate. As the growth method, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method is used. Specifically, the epitaxial film structure shown in FIG. During MBE growth, the substrate temperature is 700 degrees Celsius. By adjusting the flux in the MBE method, in step S403, the n-type Ga 1-X Gd X N film, the p-type Al Z Ga 1-Z N film, and the n-type Ga 1-Y are formed on the GaN {20-21} plane. Gd Y N films are grown in order to produce an epitaxial substrate. In this laminated structure, n-type Ga 1-X Gd X N film forms a heterojunction with the p-type Al Z Ga 1-Z N layer, n-type Ga 1-Y Gd Y N layer is p-type Al Z Ga 1 -ZN Heterojunction is formed in the NN film. In this embodiment, X = 0.20 (20%), Y = 0.10, Z = 0.20. n-type Ga 1-X Gd X N film and n-type Ga 1-Y Gd Y N layer is Si-doped, p-type Al Z Ga 1-Z N layer is Mg doped. The thickness of the n-type Ga 1-X Gd X N film is 100 nm, and the n-type Ga 1-Y Gd Y N thickness of the film is 100 nm. The thickness of the p-type Al Z Ga 1-Z N layer is 20 nm. dopant concentration of the n-type Ga 1-X Gd X N film is 1 × 10 18 cm -3. The dopant concentration of the n-type Ga 1-Y Gd Y N film is 1 × 10 18 cm −3 . The dopant concentration of the p-type Al Z Ga 1-Z N film is 1 × 10 19 cm −3 .

工程S404では、エピタキシャル基板に電極を形成する。エピタキシャル基板のエピ面(n型Ga1−YGdN膜の表面)にオーミック電極を形成する。このオーミック電極はTi/Al/Ti/Auからなり、電極サイズは0.2mmφである。オーミック電極上にパッド電極(例えばAu)を作製する。エピタキシャル基板のGaN基板の裏面にオーミック電極を形成する。オーミック電極はTi/Al/Ti/Auからなる。図11の(a)部に示されるように、TMR構造を有する磁気メモリを作製する。 In step S404, an electrode is formed on the epitaxial substrate. Epi surface of the epitaxial substrate (n-type Ga 1-Y Gd Y N surface of the film) forming an ohmic electrode. The ohmic electrode is made of Ti / Al / Ti / Au and has an electrode size of 0.2 mmφ. A pad electrode (for example, Au) is formed on the ohmic electrode. An ohmic electrode is formed on the back surface of the GaN substrate of the epitaxial substrate. The ohmic electrode is made of Ti / Al / Ti / Au. As shown in FIG. 11A, a magnetic memory having a TMR structure is manufactured.

この磁気メモリにおいて外部からの磁場印加によって、図11の(b)部及び(c)部に示されるように、TMR層のスピン(SPIN)の平行/反平行が変化することを確認でき、これ故に「0」及び「1」の情報を記憶できる。この磁気メモリにおいてメモリ動作が可能である。   In this magnetic memory, it can be confirmed that the parallel / anti-parallel of the spin (SPIN) of the TMR layer is changed by applying a magnetic field from the outside as shown in FIGS. 11 (b) and 11 (c). Therefore, information of “0” and “1” can be stored. Memory operation is possible in this magnetic memory.

また、この磁気メモリにおいて外部からの電流注入によって、TMR層のスピン平行/反平行が変化することを確認でき、これ故に「0」及び「1」の情報を記憶できる。この磁気メモリにおいてメモリ動作が可能である。さらに、この磁気メモリにおいて外部からの電圧印加によって、TMR層のスピン平行/反平行が変化することを確認でき、これ故に「0」及び「1」の情報を記憶できる。この磁気メモリにおいてメモリ動作が可能である。   Further, in this magnetic memory, it can be confirmed that the spin parallel / anti-parallel of the TMR layer is changed by the current injection from the outside, and therefore information of “0” and “1” can be stored. Memory operation is possible in this magnetic memory. Further, in this magnetic memory, it can be confirmed that the spin parallel / anti-parallel of the TMR layer is changed by applying an external voltage, and therefore, information of “0” and “1” can be stored. Memory operation is possible in this magnetic memory.

これらの記憶動作における消費電力が非常に小さく、本実施例の磁気メモリ素子の消費電力は、ビット当たりで比較すると現状のDRAMの消費電力の1/100以下であると見積もられる。   The power consumption in these storage operations is very small, and the power consumption of the magnetic memory element of this embodiment is estimated to be 1/100 or less of the current power consumption of DRAM when compared on a bit-by-bit basis.

本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment.

以上説明したように、本実施の形態によれば、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る不具合を解消でき、III族窒化物磁性半導体を用いる磁性半導体素子を提供できる。また、本実施の形態によれば、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る不具合を解消できる磁性半導体素子を作製する方法を提供できる。さらに、本実施の形態によれば、強磁性の安定性及びキュリー温度に係る不具合を解消できる磁性半導体膜を成長する方法を提供できる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to eliminate the problems associated with the stability of the ferromagnetism and the Curie temperature, and to provide a magnetic semiconductor element using a group III nitride magnetic semiconductor. In addition, according to the present embodiment, it is possible to provide a method of manufacturing a magnetic semiconductor element that can eliminate the problems related to the stability of the ferromagnetism and the Curie temperature. Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to provide a method for growing a magnetic semiconductor film that can eliminate the problems related to the stability of ferromagnetic and the Curie temperature.

11…磁性半導体素子、13…半導体領域、15…III族窒化物半導体領域、13a…主面、19…第2のIII族窒化物半導体層、21…第3のIII族窒化物半導体層、23…電極、25…電極、J0…接合、J1…接合、J2…接合。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Magnetic semiconductor element, 13 ... Semiconductor region, 15 ... III nitride semiconductor region, 13a ... Main surface, 19 ... 2nd group III nitride semiconductor layer, 21 ... 3rd group III nitride semiconductor layer, 23 ... Electrode, 25 ... Electrode, J0 ... Joining, J1 ... Joining, J2 ... Joining.

Claims (20)

磁性半導体素子であって、
六方晶系のIII族窒化物半導体からなる主面を有する半導体領域と、
前記半導体領域の前記主面上に設けられた第1のIII族窒化物半導体層と、
を備え、
前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は第1金属元素を含有しており、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記第1金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、
前記主面は半極性面及び無極性面の少なくともいずれか一方を含む、磁性半導体素子。
A magnetic semiconductor element,
A semiconductor region having a main surface made of a hexagonal group III nitride semiconductor;
A first group III nitride semiconductor layer provided on the main surface of the semiconductor region;
With
The group III nitride semiconductor of the first group III nitride semiconductor layer contains a first metal element, and the first group III nitride semiconductor layer includes a transition metal and a rare earth metal as the first metal element. With at least one,
The magnetic semiconductor element, wherein the main surface includes at least one of a semipolar surface and a nonpolar surface.
前記遷移金属は、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cdの少なくともいずれかであり、
前記希土類金属は、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの少なくともいずれかである、請求項1に記載の磁性半導体素子。
The transition metal is at least one of Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, and Cd.
The said rare earth metal is at least one of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. Magnetic semiconductor element.
前記第1のIII族窒化物半導体層は、前記第1金属元素として、V、Cr、Mn、Nd、Eu、Gd、Dy、Erを備える、請求項1又は請求項2に記載の磁性半導体素子。   3. The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the first group III nitride semiconductor layer includes V, Cr, Mn, Nd, Eu, Gd, Dy, and Er as the first metal element. . 前記第1のIII族窒化物半導体層は室温において強磁性を有する、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   4. The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the first group III nitride semiconductor layer has ferromagnetism at room temperature. 5. 前記第1のIII族窒化物半導体層のキュリー温度は300ケルビン以上である、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   5. The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein a Curie temperature of the first group III nitride semiconductor layer is 300 Kelvin or higher. 前記主面は、前記半導体領域のc面に対して5度以上の角度で傾斜しているIII族窒化物系半導体結晶面を備える、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の磁性半導体素子。   The said main surface is equipped with the group III nitride semiconductor crystal surface which inclines at an angle of 5 degree | times or more with respect to c surface of the said semiconductor region, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Magnetic semiconductor element. 前記第1のIII族窒化物半導体層の前記金属元素の含有量は3%以上である、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   7. The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein a content of the metal element in the first group III nitride semiconductor layer is 3% or more. 前記半導体領域上に設けられた第2のIII族窒化物半導体層を更に備え、
前記第2のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は第2金属元素を含有しており、前記第2のIII族窒化物半導体層は前記第2金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、
前記第2のIII族窒化物半導体層は強磁性を有しており、前記第2のIII族窒化物半導体層の保磁力は前記第1のIII族窒化物半導体層の保磁力と異なる、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。
A second group III nitride semiconductor layer provided on the semiconductor region;
The group III nitride semiconductor of the second group III nitride semiconductor layer contains a second metal element, and the second group III nitride semiconductor layer includes a transition metal and a rare earth metal as the second metal element. With at least one,
The second group III nitride semiconductor layer has ferromagnetism, and the coercivity of the second group III nitride semiconductor layer is different from the coercivity of the first group III nitride semiconductor layer. The magnetic semiconductor element as described in any one of Claims 1-7.
前記第1のIII族窒化物半導体層と前記第2のIII族窒化物半導体層の間に設けられた第3のIII族窒化物半導体層を更に備え、
前記第3のIII族窒化物半導体層は磁性を有していない、請求項8に記載された磁性半導体素子。
A third group III nitride semiconductor layer provided between the first group III nitride semiconductor layer and the second group III nitride semiconductor layer;
The magnetic semiconductor element according to claim 8, wherein the third group III nitride semiconductor layer does not have magnetism.
前記第1のIII族窒化物半導体層は、前記第3のIII族窒化物半導体層の材料と異なり、
前記第2のIII族窒化物半導体層は、前記第3のIII族窒化物半導体層の材料と異なる、請求項9に記載された磁性半導体素子。
The first group III nitride semiconductor layer is different from the material of the third group III nitride semiconductor layer,
The magnetic semiconductor element according to claim 9, wherein the second group III nitride semiconductor layer is different from a material of the third group III nitride semiconductor layer.
前記第1のIII族窒化物半導体層は、p型伝導性及びn型伝導性のいずれかを有する、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   11. The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the first group III nitride semiconductor layer has either p-type conductivity or n-type conductivity. 前記半導体領域はGaN基板を備える、請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the semiconductor region includes a GaN substrate. 前記半導体領域は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられたIII族窒化物系半導体層とを備える、請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   The magnetic semiconductor element according to any one of claims 1 to 11, wherein the semiconductor region includes a silicon substrate and a group III nitride semiconductor layer provided on the silicon substrate. 前記磁性半導体素子は磁気センサを備える、請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the magnetic semiconductor element includes a magnetic sensor. 前記磁性半導体素子は磁気メモリを備える、請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the magnetic semiconductor element includes a magnetic memory. 前記主面は半極性面を含む、請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the main surface includes a semipolar surface. 前記主面は無極性面を含む、請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載された磁性半導体素子。   The magnetic semiconductor element according to claim 1, wherein the main surface includes a nonpolar surface. 磁性半導体素子を作製する方法であって、
六方晶系のIII族窒化物半導体からなる主面を有する基板を準備する工程と、
成長炉において、前記基板の前記主面上に第1のIII族窒化物半導体層を成長する工程と、
を備え、
前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族窒化物半導体は第1金属元素を含有しており、前記第1のIII族窒化物半導体層は前記第1金属元素として遷移金属及び希土類金属の少なくともいずれかを備え、
前記半導体層を成長する工程において、前記第1のIII族窒化物半導体層のIII族構成元素のIII族原料、V族構成元素の窒素原料、及び第1金属元素の原料を前記成長炉に供給し、
前記主面は半極性面及び無極性面のいずれか一方を含む、磁性半導体素子を作製する方法。
A method for producing a magnetic semiconductor element, comprising:
Preparing a substrate having a main surface made of a hexagonal group III nitride semiconductor;
Growing a first group III nitride semiconductor layer on the main surface of the substrate in a growth furnace;
With
The group III nitride semiconductor of the first group III nitride semiconductor layer contains a first metal element, and the first group III nitride semiconductor layer includes a transition metal and a rare earth metal as the first metal element. With at least one,
In the step of growing the semiconductor layer, a Group III material of a Group III constituent element, a nitrogen source of a Group V constituent element, and a source of a first metal element of the first Group III nitride semiconductor layer are supplied to the growth furnace And
The method for producing a magnetic semiconductor element, wherein the main surface includes one of a semipolar surface and a nonpolar surface.
前記主面は半極性面を含む、請求項18に記載された磁性半導体素子を作製する方法。   The method for producing a magnetic semiconductor element according to claim 18, wherein the main surface includes a semipolar surface. 前記主面は無極性面を含む、請求項18に記載された磁性半導体素子を作製する方法。   The method for producing a magnetic semiconductor element according to claim 18, wherein the main surface includes a nonpolar surface.
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