JP4660571B2

JP4660571B2 - 強磁性体膜およびそれを用いる光アイソレータ

Info

Publication number: JP4660571B2
Application number: JP2008131362A
Authority: JP
Inventors: 信明寺口; 彰鈴木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: JP2008268966A

Description

本発明は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る強磁性体膜およびそれを用いる光アイソレータに関する。

２元窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮのみが知られており、これらの２元窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はウルツ鉱構造を採ることが知られている。従来の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、前記ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶半導体を任意に組み合わせて作製されている（たとえば非特許文献１参照）。

Ｊａｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．ＰｈｙｓＶｏｌ１３７（１９９８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２

本発明の目的は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る強磁性体膜およびそれを用いる光アイソレータを提供することである。

本発明は、Ｇａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎから成ることを特徴とする強磁性体膜である。
また本発明は、強磁性体膜を用いることを特徴とする光アイソレータである。

以上のように本発明によれば、室温においても強磁性である強磁性体膜が実現され、その磁化は７Ｋから４００Ｋまで温度の上昇と共に連続的に減少し、不連続な変化は見られない。

また本発明によれば、Ｇａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎから成る強磁性体膜によって、紫外／青色領域での光アイソレータを作製することが可能となる。あるいはまた、ＧａＧｄＮ自身の発光特性と磁気特性を組み合わせた新たな能動素子（たとえば自己発振／光アイソレーティング素子など）が実現可能となる。

まず始めに、ＧａＧｄＮの作製方法を説明する。ここでは、ＲＦ（Radio Frequency）プラズマ励起した窒素を用いた分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと略記する）法を用いて窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を作製しているが、たとえばＭＯＣＶＤ法などを用いることも可能である。

図１は、ＧａＧｄＮの作製例を説明する図である。以下、図１に示すＧａＧｄＮの作製方法を説明する。はじめに（０００１）Ｓｉ面ＳｉＣ基板１（以下、ＳｉＣ基板１と記す）を真空チャンバ内で８５０℃に加熱して、水素−窒素混合プラズマによって基板の表面酸化を除去する。引き続いて基板温度を８００℃にしてＡｌＮエピタキシャルバッファ層２を厚さ２０ｎｍとなるようにＳｉＣ基板１上に成長させる。そして、基板温度を７２０℃にしてＧａＮエピタキシャル層３を厚さ２５０ｎｍとなるようにＡｌＮエピタキシャルバッファ層２の上に成長させる。そして、Ｇａビーム強度を２．８×１０^−７Ｔｏｒｒ、Ｇｄビーム強度を２．０×１０^−８Ｔｏｒｒとして、ＧａＧｄＮエピタキシャル層４を厚さ２５０ｎｍとなるようにＧａＮエピタキシャルバッファ層３上に成長させる。

図２は、上述した作製方法にしたがって作製したＧａＧｄＮのＸ回折パターンを示す図である。ＳｉＣ基板１の回折位置を基準として、ＧａＮとＧａＧｄＮのＣ軸の格子定数を計算すると、ＧａＮのＣ軸の格子定数はｃ_Ｇａｎ＝５．１９１Å、ＧａＧｄＮのＣ軸の格子定数はｃ_{ＧａＧｄＮ}＝５．２０９Åであった。一方、ＧａＮのバルクの格子定数は５．１８５Åである。したがって、ＧａＮはＳｉＣ基板１に引っ張られてａ軸方向に圧縮歪を受け、その結果、ｃ軸方向の格子定数がバルクよりもおおきくなっていることがわかる。また、（１１−２４）非対称測定からＧａＮおよびＧａＧｄＮのａ軸方向の格子定数を求めると、ＧａＮのａ軸方向の格子定数はａ_ＧａＮ＝３．１７７Å、ＧａＧｄＮのａ軸方向の格子定数はａ_{ＧａＧｄＮ}＝３．１９５Åであった。

次に、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）測定によって上述したＧａＧｄＮエピタキシャル層４の組成を求めると、Ｇｄ組成が約６％となっていた。このことから圧縮歪を受けた状態のＧｄＮの格子定数を求めると、ＧａＮのｃ軸方向の格子定数はｃ_ＧｄＮ＝５．４９１Å、またａ軸の格子定数はａ_ＧｄＮ＝３．４７７Åであった。

図３は、前記ＧａＧｄＮエピタキシャル層４のカソードルミネッセンス（ＣＬ；
Cathode Luminescence）スペクトルを示す図である。図３に示すＣＬスペクトルからＧａＧｄＮのバンドギャップを求めると、その値は３．３５ｅＶであった。ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであるので、Ｇｄを含むことによって狭バンドギャップ化が生じていることが明らかになった。

以上のように、ＧａＮと同じ７２０℃の成長温度においてもＧｄがＧａＮ層中に取り込まれてＧａＧｄＮを形成し、かつＧｄを含むことによって狭バンドギャップ化が生じる。同じ条件でＧａＮにＩｎを添加する場合では、ＩｎがＧａＮに取り込まれず、成長した層の組成はＧａＮとほとんど同じになるので、狭バンドギャップ化は不可能である。したがって、ＧａＮよりもバンドギャップの小さい半導体を作製することができる。また、ここでは、ＧａＧｄＮのエピタキシャル層４のＧｄ組成が６％の場合について示したが、Ｇｄ組成は０％よりも大きく３０％以下であれば有効である。

（実施例１）ＳｉＣ基板の上にＡｌＮ層、その上にＧａＮ層を形成し、さらにその上にＡｌＧａＮに替わって窒化物半導体をベースにした希薄磁性半導体ＧａＧｄＮ層を、ＲＦ−ＭＢＥ（RF plasma-assisted molecular-beam epitaxy）にて成長させることができる。

ＧａＧｄＮ層の組成を、例えばＧａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎで成長させたエピタキシャル膜について、図４に７Ｋ、図５に３００ＫにおけるＳＱＵＩＤ（superconducting
quantum interface device）を用いて測定した磁界−磁化特性（Ｍ−Ｈ特性）を示している。この測定において、磁界はサンプルに平行である。

図４および図５において、Ｇｄと岩塩構造をとるＧａＮはそれぞれキュリー温度３０７Ｋと７２Ｋをもつ強磁性体であるが、希薄磁性半導体ＧａＧｄＮ三元混晶については７Ｋ〜３００Ｋの温度領域においてヒステリシス特性が観察される。これはＧａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎ三元混晶が両方の温度で強磁性であることを示している。（３００Ｋにおける飽和磁界強度は２テスラで保持力は７０エルステッドである。）

図６には、磁界強度０．１テスラにおける磁化の温度依存性を示している。磁化は温度と共にゆっくりと減少するが４００Ｋにおいてもなお残っている。これは、Ｇａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎ三元混晶のキュリー温度が４００Ｋ以上であることを示しており、希土類添加した窒化物半導体ベースのＧａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎ三元混晶が室温においても強磁性であることを示している。さらに図６では、Ｇａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎ三元混晶の磁化は７Ｋから４００Ｋまで温度の上昇と共に連続的に減少し、不連続な変化は見られない。この結果は、強磁性特性が相分離のないひとつの磁性相、つまりＧｄとＧｄＮによるものではなく、ＧａＧｄＮ三元混晶の形成によるものであることを示している。

このような強磁性特性は、光アイソレータへの応用が可能であり、またＧａＧｄＮ自身が紫外あるいは青色領域で発光することから、紫外／青色領域における光アイソレータとしての応用が考えられる。あるいはまた、ＧａＧｄＮ自身の発光特性と磁気特性を組み合わせた新たな能動素子（たとえば自己発振／光アイソレーティング素子など）が実現可能となる。

ＧａＧｄＮの作製例を説明する図である。上述した作製方法にしたがって作製したＧａＧｄＮのＸ回折パターンを示す図である。前記ＧａＧｄＮエピタキシャル層４のカソードルミネッセンススペクトルを示す図である。７ＫにおけるＳＱＵＩＤを用いて測定した磁界−磁化特性（Ｍ−Ｈ特性）を示す図である。３００Ｋ７ＫにおけるＳＱＵＩＤを用いて測定した磁界−磁化特性（Ｍ−Ｈ特性）を示す図である。磁界強度０．１テスラにおける磁化の温度依存性を示す図である。

符号の説明

１（０００１）Ｓｉ面ＳｉＣ基板
２ＡｌＮエピタキシャルバッファ層２
３ＧａＮエピタキシャル層３
４ＧａＧｄＮエピタキシャル層４

Claims

Ｇａ_０．９４Ｇｄ_０．０６Ｎから成ることを特徴とする強磁性体膜。
請求項１記載の強磁性体膜を用いることを特徴とする光アイソレータ。