JP4915765B2 - Ferromagnetic semiconductor exchange coupling film - Google Patents
Ferromagnetic semiconductor exchange coupling film Download PDFInfo
- Publication number
- JP4915765B2 JP4915765B2 JP2005207864A JP2005207864A JP4915765B2 JP 4915765 B2 JP4915765 B2 JP 4915765B2 JP 2005207864 A JP2005207864 A JP 2005207864A JP 2005207864 A JP2005207864 A JP 2005207864A JP 4915765 B2 JP4915765 B2 JP 4915765B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- ferromagnetic
- ferromagnetic semiconductor
- semiconductor layer
- exchange coupling
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 title claims description 177
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 170
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims description 47
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims description 47
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims description 47
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 66
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 14
- 229910017231 MnTe Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 9
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 7
- 229910019963 CrSb Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910003289 NiMn Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 140
- 239000010408 film Substances 0.000 description 44
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 9
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 9
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 9
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 229910016036 BaF 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 5
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 5
- 238000009812 interlayer coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 IrMn Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005642 SnTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910007709 ZnTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 2
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 2
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005811 NiMnSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000012776 electronic material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007737 ion beam deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
Description
本発明は、強磁性半導体のキュリー温度を０℃以上に向上させる強磁性半導体交換結合膜に関する。 The present invention relates to a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film that improves the Curie temperature of a ferromagnetic semiconductor to 0 ° C. or higher.
半導体中に磁性原子を添加した磁性半導体は、メモリなどで利用されている磁性体の磁気的特性とトランジスタやレーザーで利用されている半導体の電気的特性を兼ね備えており、新しい電子素子材料として有望である。
特に、強磁性特性を有する磁性半導体（強磁性半導体）は、磁性元素とキャリア電子間との交換相互作用によりスピンが揃えられることにより強磁性が引き起こされ、フェルミ面近傍の電子が大きくスピン偏極しており、光アイソレーターなどの磁気光学材料及びトンネル磁気抵抗効果素子などの高感度磁気センサー材料など様々な応用が期待されている。
強磁性半導体としては、ＩＶ族半導体中にＭｎなどを添加したＧｅＭｎなどや、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体中にＭｎなどの磁性元素を添加したＺｎ1-xＭｎxＴｅなどや、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体中にＭｎなどの磁性元素を添加したＧａ1-xＭｎxＡｓやＩｎ1-xＭｎxＡｓなどや、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体中にＭｎなどの磁性元素を添加したＰｂ1-x-yＳｎyＭｎxＴｅやＧｅ1-xＭｎxＴｅなどが知られている。
Magnetic semiconductors with magnetic atoms added to semiconductors combine the magnetic properties of magnetic materials used in memory and the like with the electrical properties of semiconductors used in transistors and lasers, and are promising as new electronic device materials. It is.
In particular, magnetic semiconductors (ferromagnetic semiconductors) with ferromagnetic properties cause ferromagnetism by aligning spins due to exchange interaction between magnetic elements and carrier electrons, resulting in large spin-polarized electrons near the Fermi surface. Therefore, various applications such as magneto-optical materials such as optical isolators and high-sensitivity magnetic sensor materials such as tunnel magnetoresistive elements are expected.
The ferromagnetic semiconductor, or the like GeMn added and Mn in Group IV semiconductor, II-VI group and the like Zn 1-x Mn x Te where the magnetic elements were added, such as Mn in the compound semiconductor, III-V group Ga 1-x Mn x As or In 1-x Mn x As in which a magnetic element such as Mn is added to a compound semiconductor, or Pb 1-xy in which a magnetic element such as Mn is added to a group IV-VI compound semiconductor Sn y Mn x Te and Ge 1-x Mn x Te are known.
しかし、これらの材料の強磁性転移温度は室温以下の低温である。
これまでの材料の強磁性転移温度の例を、図７を参照しながら説明する。図７はＧｅ0.8Ｍｎ0.2Ｔｅの磁化の磁場依存性を示している。磁化値は、ホール測定により異常ホール効果を検出することにより得られた。異常ホール効果とは、スピンが偏っている強磁性体に電流を流すと上向き、下向きスピン電子が左右に分離して生じる電圧のことである。
１００Ｋ以下の磁化の磁場依存性において、ヒステリシスがみられ、強磁性となっていることがわかる。１２０Ｋ以上においては、磁化は磁場に対して直線的に変化しており、常磁性となっていることがわかる。そのためＧｅ0.8Ｍｎ0.2Ｔｅのキュリー温度は１１０Ｋ程度と見積もられる。
強磁性半導体のキュリー温度は、磁性元素を添加する母体半導体、磁性元素の添加量及びキャリア濃度で異なるが、ほとんどの強磁性半導体で低温である。
最近一部材料において、０℃以上で強磁性を示す磁性半導体が報告されているが、その特性の詳細は不明であり、室温で動作する強磁性半導体素子の実現には至っていない。
このため、低温でしか強磁性特性を示さない磁性半導体を民生用電子機器に利用するのは困難であった。強磁性半導体を用いた磁気抵抗素子の応用としては磁気センサや磁気メモリなどが考えられるが、民生用電子機器の動作温度は０℃以上となるため、この特性が発揮できないためである。
However, the ferromagnetic transition temperature of these materials is a low temperature below room temperature.
An example of the ferromagnetic transition temperature of the material so far will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the magnetic field dependence of the magnetization of Ge 0.8 Mn 0.2 Te. The magnetization value was obtained by detecting the anomalous Hall effect by Hall measurement. The anomalous Hall effect is a voltage generated by separating spin electrons upward and downward when a current is passed through a ferromagnetic material whose spin is biased.
It can be seen that hysteresis is observed in the magnetic field dependence of magnetization of 100K or less, and the magnetization is ferromagnetic. It can be seen that above 120K, the magnetization changes linearly with respect to the magnetic field and is paramagnetic. Therefore, the Curie temperature of Ge 0.8 Mn 0.2 Te is estimated to be about 110K.
The Curie temperature of a ferromagnetic semiconductor differs depending on the base semiconductor to which a magnetic element is added, the amount of magnetic element added, and the carrier concentration, but is low in most ferromagnetic semiconductors.
Recently, a magnetic semiconductor exhibiting ferromagnetism at 0 ° C. or higher has been reported in some materials, but details of its characteristics are unknown, and a ferromagnetic semiconductor element operating at room temperature has not been realized.
For this reason, it has been difficult to use magnetic semiconductors that exhibit ferromagnetic properties only at low temperatures in consumer electronic devices. The application of the magnetoresistive element using a ferromagnetic semiconductor may be a magnetic sensor, a magnetic memory, or the like. However, since the operating temperature of consumer electronic equipment is 0 ° C. or higher, this characteristic cannot be exhibited.
このような課題に対して、特許文献１では、「強磁性半導体素子、強磁性半導体のスピン分極方法」という名称で、強磁性転移温度を十分に向上させ、次世代の民生用電子機器として使用することが可能な強磁性半導体素子を開示している。
本特許文献１に開示される発明においては、半導体基板上に強磁性半導体層を室温強磁性体層を順次に積層して強磁性半導体素子を作製することで、強磁性転移温度を向上させている。
In response to such a problem, Patent Document 1 uses the name “ferromagnetic semiconductor device, spin polarization method of ferromagnetic semiconductor” to sufficiently improve the ferromagnetic transition temperature and to be used as a next-generation consumer electronic device. A ferromagnetic semiconductor device is disclosed.
In the invention disclosed in Patent Document 1, a ferromagnetic semiconductor element is manufactured by sequentially laminating a ferromagnetic semiconductor layer and a room temperature ferromagnetic layer on a semiconductor substrate, thereby improving the ferromagnetic transition temperature. Yes.
また、特許文献２には、「磁気抵抗素子、磁気メモリ及び磁気センサー」という名称でペロブスカイト酸化物を用いた磁気抵抗素子の動作可能温度を高める発明が開示されている。
この特許文献２に開示される発明は、基体（基板）上に、Ｍｎを含むペロブスカイト酸化物から成る第１磁性層とＮｉ，Ｆｅ及びＣｏのうち少なくとも１種の元素を含む強磁性層である第２磁性層が積層された磁気抵抗素子であり、第２磁性層はキュリー温度が第１磁性層のキュリー温度よりも高くなっている。このように構成することで、磁気抵抗素子の動作温度が向上し、実用温度範囲での駆動を可能とするものである。
The invention disclosed in Patent Document 2 is a first magnetic layer made of a perovskite oxide containing Mn and a ferromagnetic layer containing at least one element of Ni, Fe and Co on a substrate (substrate). The magnetoresistive element is formed by laminating a second magnetic layer, and the second magnetic layer has a Curie temperature higher than the Curie temperature of the first magnetic layer. By configuring in this way, the operating temperature of the magnetoresistive element is improved, and driving in a practical temperature range is possible.
しかしながら、上述の従来の技術においては、例えば特許文献１に開示された発明においては、強磁性半導体層と室温強磁性体層を順次に積層して、強磁性半導体層と室温強磁性体層との接合面において、室温強磁性層中のスピン分極電子が強磁性半導体層中へしみ出すこと、および強磁性半導体層中のキャリアが室温強磁性体中の磁性スピンと相互作用することで強磁性半導体層中の磁性スピンが揃うことによって、強磁性的状態を呈することを利用するものであった。これによって、強磁性半導体層のキュリー温度を向上させるものであるが、そのキャリアの拡散距離及び相互作用の強さは不明であるという課題があった。
また、強磁性半導体層上に直接強磁性体層を成長させ、強磁性半導体層中に強磁性体層からのスピン偏極電子を拡散させるためには、様々な問題が考えられる。例えば、室温強磁性金属から強磁性半導体へスピン拡散させる場合、両者のスピン拡散抵抗の違いにより拡散効率が著しく阻害される問題である（例えば、特開２００５−０１９５６１号公報 参照）。
このために強磁性半導体層と強磁性体層の極界面近傍しかスピン拡散せず、素子応用は困難であると考えられる。
However, in the above-described conventional technology, for example, in the invention disclosed in Patent Document 1, a ferromagnetic semiconductor layer and a room temperature ferromagnetic layer are sequentially stacked, and the ferromagnetic semiconductor layer, the room temperature ferromagnetic layer, The spin-polarized electrons in the room temperature ferromagnetic layer ooze out into the ferromagnetic semiconductor layer and the carriers in the ferromagnetic semiconductor layer interact with the magnetic spins in the room temperature ferromagnet at the junction surface. It utilizes the fact that the magnetic spin in the semiconductor layer is aligned to exhibit a ferromagnetic state. This improves the Curie temperature of the ferromagnetic semiconductor layer, but there is a problem that the carrier diffusion distance and the strength of interaction are unknown.
In addition, various problems can be considered for growing a ferromagnetic layer directly on the ferromagnetic semiconductor layer and diffusing spin-polarized electrons from the ferromagnetic layer into the ferromagnetic semiconductor layer. For example, in the case of spin diffusion from a room temperature ferromagnetic metal to a ferromagnetic semiconductor, there is a problem that the diffusion efficiency is remarkably hindered due to the difference between the two spin diffusion resistances (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-019561).
For this reason, spin diffusion is performed only in the vicinity of the polar interface between the ferromagnetic semiconductor layer and the ferromagnetic layer, and the device application is considered to be difficult.
また、特許文献２に開示される発明においては、例えばペロブスカイト酸化物材料は、磁性半導体と比較して、表面が平坦で結晶性のよい高品質な薄膜作製が困難である課題や、高感度な磁気センサーなどを作成するためには、磁性半導体であれば従来のエレクトロニクス材料である半導体との相性がよいものの、ペロブスカイト酸化物材料では磁性半導体に比べて精密に成長させる必要があるという課題があった。またペロブスカイト酸化物材料を用いてトンネル磁気抵抗効果素子を作製した場合、理論的には巨大な磁気抵抗効果が予想されているが、実験的には２７０Ｋで１％程度と小さい値である（例えば、日本応用磁気学会誌 vol.24 No.6、 2000年6月1日発行 参照）。これは接合界面等に様々な問題があるためと考えられ、ペロブスカイト酸化物材料を素子化するためには結晶を厳密に成長させる必要があり、その制御は困難である。 In the invention disclosed in Patent Document 2, for example, a perovskite oxide material has a problem that it is difficult to produce a high-quality thin film with a flat surface and good crystallinity as compared with a magnetic semiconductor. In order to create a magnetic sensor or the like, a magnetic semiconductor has good compatibility with a semiconductor that is a conventional electronic material, but a perovskite oxide material has to be grown more accurately than a magnetic semiconductor. It was. In addition, when a tunnel magnetoresistive element is manufactured using a perovskite oxide material, a huge magnetoresistive effect is theoretically expected, but experimentally, it is a small value of about 1% at 270K (for example, , Journal of Japan Society of Applied Magnetics vol.24 No.6, published on June 1, 2000). This is considered to be due to various problems in the bonding interface and the like. In order to make a perovskite oxide material into an element, it is necessary to grow a crystal strictly, and its control is difficult.
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、０℃以上まで強磁性半導体層中の磁気モーメントを維持するために、バイアス層からの交換結合磁界を強磁性半導体層に印加させることで、比較的容易に実現可能な強磁性半導体交換結合膜を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to such a conventional situation, and in order to maintain the magnetic moment in the ferromagnetic semiconductor layer up to 0 ° C. or higher, an exchange coupling magnetic field from the bias layer is applied to the ferromagnetic semiconductor layer. Thus, an object of the present invention is to provide a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film that can be realized relatively easily.
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である強磁性半導体交換結合膜は、半導体中に磁性元素が添加された強磁性半導体層と、この強磁性半導体層に隣接して形成され０℃以上のネール温度をもつ反強磁性層とが積層されてなる強磁性半導体交換結合膜であって、前記強磁性半導体層の厚さが１〜３００ｎｍであり、前記反強磁性層は前記強磁性半導体層と同一結晶構造を備え，厚さが５〜３００ｎｍであり，ＭｎＴe，ＣｒＳ，ＦｅＳ，ＮｉＯ，ＣｏＯ，Ｃｒ ２ Ｏ ３ ，ＣｒＳｂ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｈＭｎのうちいずれか１を含むものである。 In order to achieve the above object, a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the first aspect of the present invention is formed of a ferromagnetic semiconductor layer in which a magnetic element is added to a semiconductor and adjacent to the ferromagnetic semiconductor layer. A ferromagnetic semiconductor exchange coupling film formed by laminating an antiferromagnetic layer having a Neel temperature equal to or higher than ° C. , wherein the ferromagnetic semiconductor layer has a thickness of 1 to 300 nm, and the antiferromagnetic layer is with identical crystal structure and the magnetic semiconductor layer, it has a thickness of 5 to 300 nm, either MnTe, CrS, FeS, NiO, CoO, Cr 2 O 3, CrSb, FeMn, NiMn, IrMn, PtMn, PdPtMn, among RhMn Or 1 is included .
請求項２に記載の発明は、半導体中に磁性元素が添加された強磁性半導体層と、この強磁性半導体層に隣接して形成された非磁性導電層と、この非磁性導電層に隣接して形成された０℃以上のキュリー温度を持つ強磁性層とが積層されてなる強磁性半導体交換結合膜であって、 前記強磁性半導体層の厚さが１〜１００ｎｍであり、 前記非磁性導電層の厚さが０．１〜１００ｎｍであり、 前記強磁性層の厚さが１〜１００ｎｍであり、前記強磁性層が前記強磁性半導体層に対してバイアス層として働き、前記強磁性半導体層のキュリー温度が０℃以上であるものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a ferromagnetic semiconductor layer in which a magnetic element is added to a semiconductor, a nonmagnetic conductive layer formed adjacent to the ferromagnetic semiconductor layer, and a nonmagnetic conductive layer adjacent to the nonmagnetic conductive layer. A ferromagnetic semiconductor exchange coupling film formed by laminating a ferromagnetic layer having a Curie temperature of 0 ° C. or higher , wherein the ferromagnetic semiconductor layer has a thickness of 1 to 100 nm, The ferromagnetic layer has a thickness of 0.1 to 100 nm, the ferromagnetic layer has a thickness of 1 to 100 nm, and the ferromagnetic layer acts as a bias layer with respect to the ferromagnetic semiconductor layer. The Curie temperature is 0 ° C. or higher .
本発明の強磁性半導体交換結合膜においては、強磁性半導体単体のキュリー温度が０℃以下であっても、０℃以上の磁気相転移温度を有する反強磁性体及び強磁性体を積層させることで、強磁性半導体との間に交換相互作用が引き起こされ、強磁性半導体中にスピン偏極電子が生成し、０℃以上においても強磁性半導体の磁気モーメントが維持される。この強磁性半導体交換結合膜を基本構成素子として利用することで、強磁性半導体の磁気抵抗素子などの民生機器への応用が可能となる。 In the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film of the present invention, an antiferromagnetic material and a ferromagnetic material having a magnetic phase transition temperature of 0 ° C. or higher are laminated even when the Curie temperature of the single ferromagnetic semiconductor is 0 ° C. or lower. Thus, an exchange interaction is caused with the ferromagnetic semiconductor, spin-polarized electrons are generated in the ferromagnetic semiconductor, and the magnetic moment of the ferromagnetic semiconductor is maintained even at 0 ° C. or higher. By using this ferromagnetic semiconductor exchange coupling film as a basic constituent element, application to consumer equipment such as a magnetoresistive element of a ferromagnetic semiconductor becomes possible.
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図６を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜の構造図である。第１の実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜は、強磁性半導体層１及び反強磁性体層２が順次積層される構造である。
強磁性半導体層１の厚さは、１ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましく、さらに５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。なぜならば、１ｎｍよりも薄い場合には強磁性半導体層１を形成させることが非常に困難であるという製造上の観点からであり、３００ｎｍ以上に厚くする場合は、層が厚過ぎて反強磁性層からの交換結合磁界が内部まで浸透しないという機能上の観点からである。また、５ｎｍ〜５０ｎｍの間であれば、製造上も容易でありしかも交換結合磁界の透過性も適切で強磁性半導体交換結合膜としての効果を十分に発揮することができるためである。
また、反強磁性体層２の厚さは５ｎｍ〜３００ｎｍであることが好ましく、さらに、１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが望ましい。なぜならば、５ｎｍより薄い場合には反強磁性体層２を形成させることが非常に困難であるという製造上の観点からであり、３００ｎｍ以上に厚くしても交換結合磁界の印加性能にはあまり影響がなく、強磁性半導体交換結合膜の厚さが厚くなるため、これを用いた素子の小型化、薄型化などのためにはこの３００ｎｍ以下であることが望ましいのである。また、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲は、製造上も容易でありさらに、性能が劣化することなく小型化、薄型化が効率的に可能となるためである。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a structural diagram of a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the first embodiment of the present invention. The ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the first embodiment has a structure in which a ferromagnetic semiconductor layer 1 and an antiferromagnetic material layer 2 are sequentially stacked.
The thickness of the ferromagnetic semiconductor layer 1 is preferably 1 nm to 300 nm, and more preferably 5 nm to 50 nm. This is because it is very difficult to form the ferromagnetic semiconductor layer 1 when it is thinner than 1 nm, and when it is thicker than 300 nm, the layer is too thick and is antiferromagnetic. This is from the functional viewpoint that the exchange coupling magnetic field from the layer does not penetrate to the inside. Moreover, if it is between 5 nm and 50 nm, it is because manufacture is easy, and also the permeability | transmittance of an exchange coupling magnetic field is appropriate, and the effect as a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film can fully be exhibited.
The thickness of the antiferromagnetic material layer 2 is preferably 5 nm to 300 nm, and more preferably 10 nm to 100 nm. This is because it is very difficult to form the antiferromagnetic material layer 2 when it is thinner than 5 nm, and the application performance of the exchange coupling magnetic field is not so great even if it is thicker than 300 nm. Since there is no influence and the thickness of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film is increased, it is desirable that the thickness be 300 nm or less in order to reduce the size and thickness of an element using the same. In addition, the range of 10 nm to 100 nm is easy in manufacturing, and can be efficiently reduced in size and thickness without deterioration in performance.
強磁性半導体層１は、膜面内方向を磁化容易軸にすることが望ましい。強磁性半導体層の磁化容易軸方向は、使用する基板、基板と強磁性半導体層間の格子不整合及び熱膨張率の変化を緩和するための緩和層、あるいは反強磁性体層などからの応力や膜厚を変えることにより制御できる。
このような強磁性半導体層１を構成する強磁性半導体としては、ＩＶ族半導体ＳｉやＧｅ、ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体ＧａＡｓやＩｎＡｓ、ＩＩ-ＶＩ族化合物半導体ＺｎＴｅやＣｄＴｅ、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅやＧｅＴｅ、Ｖ−ＶＩ化合物半導体Ｂｉ2Ｔｅ3やＳｂ2Ｔｅ3などに、磁性元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどを添加したものが望ましい。
反強磁性体層２は、強磁性半導体層１の磁気モーメントを交換結合磁界によりピン止めする役割を担い、反強磁性特性の消失温度（ネール温度）以下の温度領域において強磁性半導体の磁気モーメントを維持し、強磁性半導体層１のキュリー温度を向上させるものである。なお、本実施の形態における反強磁性体層や、後述する第２の実施の形態における強磁性体層のように強磁性半導体層に交換相互作用を引き起こす層をバイアス層と呼ぶ。
強磁性半導体交換結合膜から構成される素子の動作温度を０℃以上とさせるため、反強磁性体層２のネール温度は０℃以上となる必要がある。
このような反強磁性体層２を構成する反強磁性体としては、ＭｎＴｅ、ＣｒＳ、ＦｅＳ、ＮｉＯ、ＣｏＯ、Ｃｒ2Ｏ3、ＣｒＳｂ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｈＭｎなどが望ましい。
The ferromagnetic semiconductor layer 1 desirably has the in-plane direction as the easy axis of magnetization. The direction of the easy axis of magnetization of the ferromagnetic semiconductor layer depends on the stress from the substrate used, the relaxation layer for relaxing the lattice mismatch and thermal expansion coefficient change between the substrate and the ferromagnetic semiconductor layer, or the antiferromagnetic material layer. It can be controlled by changing the film thickness.
Examples of the ferromagnetic semiconductor constituting the ferromagnetic semiconductor layer 1 include group IV semiconductors Si and Ge, group III-V compound semiconductors GaAs and InAs, group II-VI compound semiconductors ZnTe, CdTe, and group IV-VI compound semiconductors. PbTe, GeTe, V-VI compound semiconductors Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 are preferably added with magnetic elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu.
The antiferromagnetic material layer 2 plays a role of pinning the magnetic moment of the ferromagnetic semiconductor layer 1 by an exchange coupling magnetic field, and the magnetic moment of the ferromagnetic semiconductor in a temperature region below the disappearance temperature (Nel temperature) of the antiferromagnetic properties. And the Curie temperature of the ferromagnetic semiconductor layer 1 is improved. A layer that causes exchange interaction in the ferromagnetic semiconductor layer, such as the antiferromagnetic layer in this embodiment and the ferromagnetic layer in the second embodiment described later, is called a bias layer.
In order to set the operating temperature of the element composed of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film to 0 ° C. or higher, the Neel temperature of the antiferromagnetic material layer 2 needs to be 0 ° C. or higher.
The antiferromagnetic material constituting such antiferromagnetic layer 2, MnTe, CrS, FeS, NiO, CoO, Cr 2 O 3, CrSb, FeMn, NiMn, IrMn, PtMn, PdPtMn, etc. RhMn is desirable .
このように構成される第１の実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜では、強磁性半導体層１と０℃以上のネール温度をもつ反強磁性体層２が隣接しているので、磁気的交換結合により反強磁性体層２から強磁性半導体層１にバイアス磁界が印加され、強磁性半導体層１中の磁気モーメントが固定され、反強磁性体のネール温度以下の温度領域において強磁性半導体にスピン偏極電子が生成されるのである。
顕著な磁気的交換相互作用を引き起こすためには、積層膜の界面の状態が重要である。凹凸が大きい界面では、磁気モーメントが面内方向に一定にならないために、キュリー温度の向上は望めない。このことから、強磁性半導体と反強磁性体はエピタキシャル成長したものが望ましく、高品質な積層膜を製造するためには強磁性半導体と反強磁性体は同一構造を備えることが望ましい。
このような作用によって、強磁性半導体層１のキュリー温度を０℃以上にまで向上させることが可能である。
In the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the first embodiment configured as described above, the ferromagnetic semiconductor layer 1 and the antiferromagnetic layer 2 having a Neel temperature of 0 ° C. or higher are adjacent to each other. A bias magnetic field is applied from the antiferromagnetic material layer 2 to the ferromagnetic semiconductor layer 1 by static exchange coupling, the magnetic moment in the ferromagnetic semiconductor layer 1 is fixed, and the ferromagnetic material is ferromagnetic in a temperature region below the Neel temperature of the antiferromagnetic material. Spin-polarized electrons are generated in the semiconductor.
In order to cause a remarkable magnetic exchange interaction, the state of the interface of the laminated film is important. At the interface with large irregularities, the magnetic moment is not constant in the in-plane direction, so the Curie temperature cannot be improved. Therefore, it is desirable that the ferromagnetic semiconductor and the antiferromagnetic material are epitaxially grown, and it is desirable that the ferromagnetic semiconductor and the antiferromagnetic material have the same structure in order to manufacture a high-quality laminated film.
By such an action, the Curie temperature of the ferromagnetic semiconductor layer 1 can be improved to 0 ° C. or higher.
次に、本発明の第２の実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜について図２を参照しながら説明する。
図２において、本実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜は、強磁性半導体層１の上層に非磁性導電層３が、さらにその上層に強磁性体層４が順次積層されている。
このように構成される強磁性半導体層１の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、さらに５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。この理由は第１の実施の形態における強磁性半導体層１の厚さの理由と同様である。
また、強磁性体層４の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、さらに５ｎｍ〜５０ｎｍであることが望ましい。その理由は、第１の実施の形態における反強磁性体層２の厚さの理由と同様である。
また、非磁性導電層３の厚さは、０．１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、さらに１ｎｍ〜３０ｎｍであることが望ましい。この非磁性導電層３は、強磁性半導体層１と強磁性体層４の間に層間結合を引き起こすためのものであるため、１００ｎｍ以内の薄さが必要となる一方、０．１ｎｍ以下では製造が困難を極めるため、０．１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、さらに、１ｎｍ〜３０ｎｍであれば、急峻な界面を形成しながら製造上も容易であるのでさらに望ましいのである。
Next, a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present embodiment shown in FIG. 2, the nonmagnetic conductive layer 3 is laminated on the ferromagnetic semiconductor layer 1 and the ferromagnetic layer 4 is laminated thereon.
The thickness of the ferromagnetic semiconductor layer 1 thus configured is preferably 1 nm to 100 nm, and more preferably 5 nm to 50 nm. This reason is the same as the reason for the thickness of the ferromagnetic semiconductor layer 1 in the first embodiment.
The thickness of the ferromagnetic layer 4 is preferably 1 nm to 100 nm, and more preferably 5 nm to 50 nm. The reason is the same as the reason for the thickness of the antiferromagnetic material layer 2 in the first embodiment.
Moreover, the thickness of the nonmagnetic conductive layer 3 is preferably 0.1 nm to 100 nm, and more preferably 1 nm to 30 nm. The nonmagnetic conductive layer 3 is for inducing interlayer coupling between the ferromagnetic semiconductor layer 1 and the ferromagnetic layer 4, and therefore requires a thickness of 100 nm or less. However, the thickness is preferably 0.1 nm to 100 nm, and more preferably 1 nm to 30 nm because it is easy to manufacture while forming a steep interface.
強磁性半導体層１を構成する強磁性半導体としては、ＩＶ族半導体ＳｉやＧｅ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ＧａＡｓやＩｎＡｓ、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ＺｎＴｅやＣｄＴｅ、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅやＧｅＴｅ、Ｖ−ＶＩ化合物半導体Ｂｉ2Ｔｅ3やＳｂ2Ｔｅ3などに、磁性元素であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどを添加したものが望ましい。
強磁性体層４は、キュリー温度が０℃以上であればよく、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びその合金、ＮｉＭｎＳｂなどのホイスラー合金、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4などの酸化物、アモルファス合金など様々な材料を利用することができる。
非磁性導電層３としては、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒなどの金属及びその合金、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの半導体材料を利用することができる。なお、強磁性体層４と強磁性半導体層１に強い層間結合を引き起こすためには、前述のとおり非磁性中間層に急峻な界面が必要であり、強磁性半導体及び強磁性体との整合性を考慮し、非磁性導電層３などの非磁性中間層を選択することが望ましいのである。
Examples of the ferromagnetic semiconductor constituting the ferromagnetic semiconductor layer 1 include group IV semiconductors Si and Ge, group III-V compound semiconductors GaAs and InAs, group II-VI compound semiconductors ZnTe and CdTe, group IV-VI compound semiconductors PbTe and GeTe. It is desirable to add a magnetic element such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, or Cu to a V-VI compound semiconductor Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 .
The ferromagnetic layer 4 only needs to have a Curie temperature of 0 ° C. or higher. For example, Fe, Co, Ni and alloys thereof, Heusler alloys such as NiMnSb, oxides such as CrO 2 and Fe 3 O 4 , amorphous alloys, etc. Various materials can be used.
As the nonmagnetic conductive layer 3, for example, a metal such as Ru, Cu, Cr, Au, Ag, Rh, or Ir and an alloy thereof, or a semiconductor material such as Si, Ge, or GaAs can be used. In order to cause strong interlayer coupling between the ferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic semiconductor layer 1, a steep interface is required in the nonmagnetic intermediate layer as described above, and consistency with the ferromagnetic semiconductor and the ferromagnetic material is required. In view of the above, it is desirable to select a nonmagnetic intermediate layer such as the nonmagnetic conductive layer 3.
このように構成された本実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜においては、強磁性半導体層１は、強磁性体層４との交換相互作用によって、層間結合が生じ、強磁性体層４のキュリー温度以下において強磁性半導体層１の磁気モーメントが維持され、強磁性半導体層１中にスピン偏極電子が生成されるのである。
この作用によって、強磁性半導体層１のキュリー温度を０℃以上にまで向上させることが可能である。
In the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present embodiment configured as described above, interlayer coupling occurs in the ferromagnetic semiconductor layer 1 due to exchange interaction with the ferromagnetic layer 4, and the ferromagnetic layer 4 The magnetic moment of the ferromagnetic semiconductor layer 1 is maintained below the Curie temperature, and spin-polarized electrons are generated in the ferromagnetic semiconductor layer 1.
With this action, the Curie temperature of the ferromagnetic semiconductor layer 1 can be improved to 0 ° C. or higher.
以下、本実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜の具体例として実施例を説明する。
図３は、本発明に係る強磁性半導体交換結合膜の第１の実施例を示す構造図である。本実施例では、強磁性半導体層１としてＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅを利用した。このＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅの強磁性半導体層１は、ＩＶ−ＶＩ族半導体であるＧｅＴｅに磁性元素であるＭｎを添加したものである。実施例２における強磁性半導体層１も同様である。
クラスタイオンビーム蒸着法により、ＢａＦ2（１１１）単結晶の基板５上に、ＧｅＴｅの緩和層６を成長させた後、ＭｎＴｅの反強磁性体層２、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅの強磁性半導体層１を順次成長させた。
緩和層６、反強磁性体層２、強磁性半導体層１の各層の厚さは、それぞれ１０ｎｍ、２０ｎｍ、１０ｎｍである。
Hereinafter, examples will be described as specific examples of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present embodiment.
FIG. 3 is a structural diagram showing a first embodiment of a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present invention. In this example, Ge 0.6 Mn 0.4 Te was used as the ferromagnetic semiconductor layer 1. The Ge 0.6 Mn 0.4 Te ferromagnetic semiconductor layer 1 is obtained by adding Mn, which is a magnetic element, to GeTe, which is an IV-VI group semiconductor. The same applies to the ferromagnetic semiconductor layer 1 in the second embodiment.
After growing a relaxation layer 6 of GeTe on a substrate 5 of BaF 2 (111) single crystal by a cluster ion beam deposition method, an antiferromagnetic layer 2 of MnTe, a ferromagnetic semiconductor layer of Ge 0.6 Mn 0.4 Te 1 was grown sequentially.
The thicknesses of the relaxation layer 6, the antiferromagnetic material layer 2, and the ferromagnetic semiconductor layer 1 are 10 nm, 20 nm, and 10 nm, respectively.
図４に本実施例に係る強磁性半導体交換結合膜のＸ線回折測定によって得られた回折パターンを、比較のために測定されたＢａＦ2単結晶基板上に作製したＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ単層膜の回折パターンに加えて示す。図４において、横軸は単位を°（度）とする回折角度を示し、縦軸は単位をｃｐｓ（count per second）とする回折強度を示している。
角度５０°近傍にみられるピークは、ＢａＦ2単結晶の基板５の（１１１）面からの回折である。角度５２°近傍にみられるピークはＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ（１１１）面からの回折である。角度５４°近傍にみられるピークは、ＭｎＴｅ（１１１）面からの回折である。
本実施例の強磁性半導体交換結合膜と単層膜のＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅのピーク位置及び形状ともに同程度であり、両試料の強磁性半導体の結晶性はほぼ同じであることが理解される。また、本実施例に係る強磁性半導体交換結合膜では、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅの高度角側にＭｎＴｅのピークがあることからＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅと同じ結晶構造であるＮａＣｌ型のＭｎＴｅが成長しているものと考えられる。
FIG. 4 shows a Ge 0.6 Mn 0.4 Te single layer produced on a BaF 2 single crystal substrate, which was measured for comparison with the diffraction pattern obtained by X-ray diffraction measurement of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to this example. In addition to the diffraction pattern of the film. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the diffraction angle with the unit of ° (degrees), and the vertical axis indicates the diffraction intensity with the unit of cps (count per second).
The peak seen near an angle of 50 ° is diffraction from the (111) plane of the substrate 5 of BaF 2 single crystal. The peak observed near the angle of 52 ° is diffraction from the Ge 0.6 Mn 0.4 Te (111) plane. The peak seen near an angle of 54 ° is diffraction from the MnTe (111) plane.
It is understood that the peak position and shape of Ge 0.6 Mn 0.4 Te of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film of this example and the single layer film are almost the same, and the crystallinity of the ferromagnetic semiconductor of both samples is almost the same. . Further, a ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present embodiment, Ge 0.6 Mn 0.4 Te Ge 0.6 Mn 0.4 MnTe of NaCl type is the same crystal structure as Te grow since there is a peak of MnTe advanced angle side of the It is thought that.
図５に、室温にて測定した本実施例の強磁性半導体交換結合膜及びＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ単層膜のホール抵抗率の磁場依存性を示す。図５において、横軸は単位をＯｅ（エルステッド）とする磁場強度であり、縦軸は単位をΩｃｍとするホール抵抗率である。なお、１エルステッドはＳＩ単位で表現すれば、１０3／４πＡ／ｍとなる。
先に図７を用いて説明した場合と同様に、異常ホール効果を検出することで、試料の磁化特性を評価した。Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ単層膜においては、ホール抵抗率が磁場に対して直線的に変化しており、常磁性状態であることが理解される。これは、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ単層膜においては、図７を用いて説明したように強磁性特性が１４０Ｋで消失しているためである。
一方、本実施例のＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ強磁性半導体層１とＭｎＴｅ反強磁性体層２の強磁性半導体交換結合膜では、明確なヒステリシスがみられる。これは、ＮｉＡｓ構造のＭｎＴｅのネール温度が３１０Ｋであるところ、同じ６配位のＮａＣｌ構造においても同程度のネール温度が期待できることを示していると考えられる。
このため、室温においてもＭｎＴｅからＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅに交換結合磁界が印加され、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ中にスピン偏極電子が生成しているために、本実施例の強磁性半導体交換結合膜のホール抵抗率においては、明確なヒステリシスがみられるものと考えられる。
なお、本実施例において反強磁性体層２はＭｎＴｅであり、これは強磁性半導体層１のＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅと結晶構造が同一となっている。このように強磁性半導体層１と反強磁性体層２が同一構造を形成することで、接触面が化学的に安定であり急峻な界面を作製しやすいという利点があるのである。
FIG. 5 shows the magnetic field dependence of the Hall resistivity of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film and the Ge 0.6 Mn 0.4 Te single layer film of this example measured at room temperature. In FIG. 5, the horizontal axis represents the magnetic field intensity with the unit of Oe (Oersted), and the vertical axis represents the Hall resistivity with the unit of Ωcm. In addition, 1 Oersted is 10 3 / 4πA / m when expressed in SI units.
Similar to the case described above with reference to FIG. 7, the magnetization characteristics of the sample were evaluated by detecting the anomalous Hall effect. In the Ge 0.6 Mn 0.4 Te single layer film, it is understood that the Hall resistivity changes linearly with respect to the magnetic field and is in a paramagnetic state. This is because, in the Ge 0.6 Mn 0.4 Te single layer film, the ferromagnetic characteristics disappear at 140 K as described with reference to FIG.
On the other hand, a clear hysteresis is observed in the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film of the Ge 0.6 Mn 0.4 Te ferromagnetic semiconductor layer 1 and the MnTe antiferromagnetic layer 2 of this example. This is considered to indicate that the same Neel temperature can be expected even in the same 6-coordinate NaCl structure when the NeAs temperature of the NiAs structure MnTe is 310K.
Therefore, MnTe exchange coupling magnetic field Ge 0.6 Mn 0.4 Te is applied from even at room temperature, for spin-polarized electrons are generated in the Ge 0.6 Mn 0.4 Te, ferromagnetic semiconductor exchange coupling film of this example It is considered that there is a clear hysteresis in the Hall resistivity.
In this embodiment, the antiferromagnetic material layer 2 is MnTe, which has the same crystal structure as Ge 0.6 Mn 0.4 Te of the ferromagnetic semiconductor layer 1. As described above, the ferromagnetic semiconductor layer 1 and the antiferromagnetic layer 2 have the same structure, so that there is an advantage that the contact surface is chemically stable and a steep interface can be easily produced.
次に、本実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜の第２の実施例について図６を参照しながら説明する。
図６において、強磁性半導体層１として実施例１と同様に、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅを利用している。
クラスタイオンビーム蒸着法により、ＢａＦ2（１１１）単結晶の基板５上に、ＧｅＴｅの緩和層６を成長させた後、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅの強磁性半導体層１、ＳｎＴｅの非磁性導電層３、Ｃｏの強磁性体層４を順次成長させた。
緩和層６、強磁性半導体層１、非磁性導電層３、強磁性体層４の各層の厚さは、それぞれ１０ｎｍ、１０ｎｍ、１ｎｍ、５ｎｍである。
Ｘ線回折測定により、ＢａＦ2（１１１）上に、ＧｅＴｅ（１１１）面、Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ（１１１）面、ＳｎＴｅ（１１１）面が成長していることを確認した。Ｃｏ層は（１１１）面に強く配向した多結晶体であることを確認した。
第１実施例と同様に、室温における異常ホール効果を検出することで、本実施例の強磁性半導体交換結合膜の磁化状態を検出した。この強磁性半導体交換結合膜においても室温で明確なヒステリシスがみられた。Ｇｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ単層膜においては、強磁性特性が１４０Ｋ程度で消失することから、室温ではヒステリシスがみられない。
強磁性体層４であるＣｏ層の強磁性成分からの信号によっても異常ホール効果がみられる。しかしながら、本実施例におけるヒステリシスはＣｏ単層薄膜の場合と比較し角型比が小さいことがわかった。これは、強磁性体層４のＣｏ層からの交換相互作用によって、強磁性半導体層１のＧｅ0.6Ｍｎ0.4Ｔｅ層にスピン偏極電子が生成され磁気モーメントが生じ、この磁気モーメントとＣｏ層の磁気モーメントが反強磁性的に結合しているためである。このため、強磁性半導体層１からの非磁性導電層３を介したＲＫＫＹ相互作用による層間結合により、強磁性半導体層１にスピン偏極電子が生成し、強磁性状態となっているものと考えられる。
Next, a second example of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 6, Ge 0.6 Mn 0.4 Te is used as the ferromagnetic semiconductor layer 1 as in the first embodiment.
A GeTe relaxation layer 6 is grown on a BaF 2 (111) single crystal substrate 5 by cluster ion beam evaporation, then a Ge 0.6 Mn 0.4 Te ferromagnetic semiconductor layer 1 and a SnTe nonmagnetic conductive layer 3 are grown. Co ferromagnetic layers 4 were grown sequentially.
The thicknesses of the relaxation layer 6, the ferromagnetic semiconductor layer 1, the nonmagnetic conductive layer 3, and the ferromagnetic layer 4 are 10 nm, 10 nm, 1 nm, and 5 nm, respectively.
It was confirmed by X-ray diffraction measurement that a GeTe (111) plane, a Ge 0.6 Mn 0.4 Te (111) plane, and a SnTe (111) plane were grown on BaF 2 (111). The Co layer was confirmed to be a polycrystalline body strongly oriented in the (111) plane.
As in the first example, the magnetization state of the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film of this example was detected by detecting the anomalous Hall effect at room temperature. This ferromagnetic semiconductor exchange coupling film also showed a clear hysteresis at room temperature. In the Ge 0.6 Mn 0.4 Te single layer film, the ferromagnetic characteristics disappear at about 140K, and thus no hysteresis is observed at room temperature.
An anomalous Hall effect is also observed by a signal from the ferromagnetic component of the Co layer which is the ferromagnetic layer 4. However, it was found that the hysteresis in this example had a smaller squareness ratio than that of the Co single layer thin film. This is because spin-polarized electrons are generated in the Ge 0.6 Mn 0.4 Te layer of the ferromagnetic semiconductor layer 1 due to exchange interaction from the Co layer of the ferromagnetic layer 4, and a magnetic moment is generated. This is because the magnetic moment is antiferromagnetically coupled. For this reason, it is considered that spin-polarized electrons are generated in the ferromagnetic semiconductor layer 1 due to interlayer coupling due to the RKKY interaction from the ferromagnetic semiconductor layer 1 through the nonmagnetic conductive layer 3 and are in a ferromagnetic state. It is done.
なお、本願では実施例１及び実施例２として説明したが、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて様々な実施例の変形例が可能であることは言うまでもなく、これらの変形例についても本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, although demonstrated as Example 1 and Example 2 in this application, it is not limited to these Examples, It cannot be overemphasized that the modification of various Examples is possible based on the meaning of this invention. These modifications are not excluded from the scope of the present invention.
以上説明したとおり、本実施の形態に係る強磁性半導体交換結合膜によれば、強磁性半導体層単体のキュリー温度が０℃以下であっても、０℃以上の磁気相転移温度を有する反強磁性体層あるいは強磁性体層を積層させることで、強磁性半導体との間に交換相互作用が引き起こされ、強磁性半導体中にスピン偏極電子が生成し、０℃以上においても強磁性半導体の磁気モーメントを維持することができる。 As described above, according to the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present embodiment, even if the Curie temperature of the single ferromagnetic semiconductor layer is 0 ° C. or lower, the antiferromagnetic strength having a magnetic phase transition temperature of 0 ° C. or higher. By laminating the magnetic layer or the ferromagnetic layer, an exchange interaction is caused between the ferromagnetic semiconductor and spin-polarized electrons are generated in the ferromagnetic semiconductor. Magnetic moment can be maintained.
本発明に係る強磁性半導体交換結合膜を基本構成素子として利用することで、磁気光学材料、磁気抵抗素子、磁気センサー材料などの民生機器・材料として利用できる。 By using the ferromagnetic semiconductor exchange coupling film according to the present invention as a basic constituent element, it can be used as a consumer device / material such as a magneto-optical material, a magnetoresistive element, and a magnetic sensor material.
１…強磁性半導体層 ２…反強磁性体層 ３…非磁性導電層 ４…強磁性体層 ５…基板 ６…緩和層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ferromagnetic semiconductor layer 2 ... Antiferromagnetic material layer 3 ... Nonmagnetic conductive layer 4 ... Ferromagnetic material layer 5 ... Substrate 6 ... Relaxation layer
Claims (2)
前記強磁性半導体層の厚さが１〜３００ｎｍであり、
前記反強磁性層は前記強磁性半導体層と同一結晶構造を備え，厚さが５〜３００ｎｍであり，ＭｎＴe，ＣｒＳ，ＦｅＳ，ＮｉＯ，ＣｏＯ，Ｃｒ ２ Ｏ ３ ，ＣｒＳｂ，ＦｅＭｎ，ＮｉＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＲｈＭｎのうちいずれか１を含むものであり、
前記反強磁性層が前記強磁性半導体層に対してバイアス層として働き、前記強磁性半導体層のキュリー温度が０℃以上であることを特徴とする強磁性半導体交換結合膜。 A ferromagnetic semiconductor exchange coupling film formed by laminating a ferromagnetic semiconductor layer in which a magnetic element is added to a semiconductor and an antiferromagnetic layer formed adjacent to the ferromagnetic semiconductor layer and having a Neel temperature of 0 ° C. or more Because
The ferromagnetic semiconductor layer has a thickness of 1 to 300 nm;
The antiferromagnetic layer has a same crystal structure as the ferromagnetic semiconductor layer, has a thickness of 5~300nm, MnTe, CrS, FeS, NiO, CoO, Cr 2 O 3, CrSb, FeMn, NiMn, IrMn, Any one of PtMn, PdPtMn, and RhMn,
The ferromagnetic semiconductor exchange coupling film , wherein the antiferromagnetic layer functions as a bias layer for the ferromagnetic semiconductor layer, and the Curie temperature of the ferromagnetic semiconductor layer is 0 ° C. or higher .
前記強磁性半導体層の厚さが１〜１００ｎｍであり、
前記非磁性導電層の厚さが０．１〜１００ｎｍであり、
前記強磁性層の厚さが１〜１００ｎｍであり、
前記強磁性層が前記強磁性半導体層に対してバイアス層として働き、前記強磁性半導体層のキュリー温度が０℃以上であることを特徴とする強磁性半導体交換結合膜。 A ferromagnetic semiconductor layer in which a magnetic element is added to a semiconductor, a nonmagnetic conductive layer formed adjacent to the ferromagnetic semiconductor layer, and a Curie at 0 ° C. or higher formed adjacent to the nonmagnetic conductive layer A ferromagnetic semiconductor exchange coupling film formed by laminating a ferromagnetic layer having a temperature ,
The ferromagnetic semiconductor layer has a thickness of 1 to 100 nm;
The nonmagnetic conductive layer has a thickness of 0.1 to 100 nm,
The ferromagnetic layer has a thickness of 1 to 100 nm,
The ferromagnetic semiconductor exchange coupling film , wherein the ferromagnetic layer functions as a bias layer for the ferromagnetic semiconductor layer, and the Curie temperature of the ferromagnetic semiconductor layer is 0 ° C. or higher .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005207864A JP4915765B2 (en) | 2005-07-15 | 2005-07-15 | Ferromagnetic semiconductor exchange coupling film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005207864A JP4915765B2 (en) | 2005-07-15 | 2005-07-15 | Ferromagnetic semiconductor exchange coupling film |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007027441A JP2007027441A (en) | 2007-02-01 |
| JP4915765B2 true JP4915765B2 (en) | 2012-04-11 |
Family
ID=37787811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005207864A Expired - Fee Related JP4915765B2 (en) | 2005-07-15 | 2005-07-15 | Ferromagnetic semiconductor exchange coupling film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4915765B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5750791B2 (en) * | 2012-02-21 | 2015-07-22 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Spin electronic memory and spin electronic circuit |
| JP6611167B2 (en) * | 2015-10-23 | 2019-11-27 | 国立大学法人 東京大学 | Thermoelectric conversion device and thermoelectric conversion element |
| PL232257B1 (en) * | 2017-06-19 | 2019-05-31 | Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk | Method for obtaining porous layer of ferromagnetic semiconductor |
| CN113594354B (en) * | 2021-06-15 | 2024-06-28 | 中国科学院金属研究所 | YIG/SnTe heterojunction monocrystalline epitaxial film and preparation method thereof |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003248909A (en) * | 2002-02-27 | 2003-09-05 | Hitachi Ltd | Magnetic head, magnetic recording and reproducing device provided therewith, and magnetic memory |
| JP2004014806A (en) * | 2002-06-06 | 2004-01-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Magnetoresistive element and magnetic memory |
| JP2004039017A (en) * | 2002-06-28 | 2004-02-05 | Nippon Hoso Kyokai <Nhk> | Magnetic head, and magnetic recording and reproducing device |
-
2005
- 2005-07-15 JP JP2005207864A patent/JP4915765B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2007027441A (en) | 2007-02-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10749105B2 (en) | Monocrystalline magneto resistance element, method for producing the same and method for using same | |
| US9484527B2 (en) | Nanometer magnetic multilayer film for temperature sensor and manufacturing method therefor | |
| US10937951B2 (en) | Magnetoresistance effect element | |
| US6878979B2 (en) | Spin switch and magnetic storage element using it | |
| US7252852B1 (en) | Mg-Zn oxide tunnel barriers and method of formation | |
| US7675129B2 (en) | Spin injection device, magnetic device using the same, magnetic thin film used in the same | |
| US8866243B2 (en) | Ferromagnetic tunnel junction structure and magnetoresistive element using the same | |
| KR101929583B1 (en) | Nonvolatile magnetic memory device | |
| TWI826643B (en) | Anti-ferromagnets (saf) device | |
| EP1612775A2 (en) | Extraordinary magnetoresistive sensor with in-stack bias | |
| JP2011233900A (en) | Spintronics device, method for enhancing performance of spintronics device and method for manufacturing the same, and magnetic read head and method for manufacturing the same | |
| JP6857421B2 (en) | Ferromagnetic tunnel junction, spintronics device using it, and method for manufacturing ferromagnetic tunnel junction | |
| CN112349832B (en) | Magneto-resistive effect element and wheatler alloy | |
| JP4915765B2 (en) | Ferromagnetic semiconductor exchange coupling film | |
| WO2005117128A1 (en) | Tunnel junction barrier layer comprising a diluted semiconductor with spin sensitivity | |
| US20240112695A1 (en) | Magnetoresistance effect element, magnetic recording element, and high-frequency device | |
| Ambrose et al. | Magnetotransport properties of single crystal Co2MnGe/NM/Co2MnGe trilayers epitaxially grown on GaAs (001) | |
| US10629801B2 (en) | Laminated structure and spin modulation element | |
| JP5294043B2 (en) | Tunnel magnetoresistive element | |
| JP2009239122A (en) | Magneto-resistance effect device and spin mos (metal oxide semiconductor) field-effect transistor | |
| Abbasi Eskandari et al. | Impact of a ferromagnetic insulating barrier in perovskite-based magnetic tunnel junctions | |
| JP7096198B2 (en) | Magnetoresistive sensor | |
| Yuasa | Magnetic Properties of Materials for MRAM | |
| JP2003163392A (en) | Ferromagnetic material, magnetoresistive element, and electronic function element |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080703 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20090729 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110114 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110125 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111206 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20120118 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120118 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150203 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |