材料·生体·情報の融合を目指して(1)：新磁性III-V族半導体の創製と新機能デバイス応用の研究

摘要

現在，半導体と磁性体は情報通信技術の基本材料として重要な役割を果たしている．これまで，この二つの材料は個別に研究されているが，現有の情報処理デバイス·システムをより高速·大容量·省エネ化をするには，これらの融合は必然となっている．つまり，電気·光·磁気が一体化することにより，新機能デバイスの実現が可能になる．代表的なのは，磁性スピンを含んだIII-V族希薄磁性半導体GaMnAs，InMnAsである．InMnAs，GaMnAsでは，キャリア誘起磁性が発見され，光或いは電気で磁性を制御することが初めてできた．しかし，キャリア誘起磁性をはじめとする性質はすべて低温で現れるもので，実際の応用上では，室温以上のキュリー温度を持つ室温強磁性体は不可欠である．室温強磁性体へのアプローチはまず理論から始まっている．Dietlらは平均場近似に基づくモデルによりGaNやZnOにMnをドープすることにより，室温において強磁性の発現が可能であると予測した．一方，阪大青田らのグループも第一原理計算より，ワイドギャップ半導体(GaN, ZnO)に遷移金属(V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni)を高濃度にドープすることができれば，強磁性状態が安定になることを示した．本研究では重要なエレクトロニクス材料GaNにMn及びCrをドープした磁性半導体GaMnN，GaCrNの作製を試みた．これらの結晶性及び磁気的，光学的性質を調べた．特に，GaCrNは理論に基づき初めて作製されているもので，磁化測定から室温強磁性を示し，GaMnNより良い磁気特性を得られている．そして，GaMnN及びGaCrNのもう一つ重要な性質は，通常のGaN結晶成長温度で行うため，光励起により発光することである．発光しないInMnAsやGaMnAsのような希薄磁性半導体と比べ，スピントロニクス材料として大変有望である．