スピノーダル分解を利用した新規スピントロニクス材料

及びデバイス応用に関する研究 Study on New Spintronics Materials and their Device Applications

using Spinodal Decomposition

大阪大学 産業科学研究所 周 逸凱

1. 研究背景及び目的

2. GaGdNナノロッドの作製及び評価

3. GaGdN薄膜の作製及び評価

4. まとめ

公募研究 A03 文部科学省科学研究費新学術領域

「コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス」

位置決め ナノヘテロデバイス 成長条件制御

T C =700K

Nano 昆布相

T C =700K

Nano

T C =100K

スピンメモリデバイス

GaCrN

Introduction(吉田、佐藤理論）

GaCrN

スピノーダル分解と

高いTc

Introduction（実験）

室温強磁性の観測

Gd+2状態からの遷移による652nm

付近でのシャープなPL特性

局所構造評価によるGaサイトのGd置換

Si(001)基板上のSiO2自然酸化上にGaGdN柱状結晶の作製

ナノロッドは貫通転移を含まず、優れた結晶性を示す

GaGdNナノロッド

GaGdN薄膜 3x10

-4

2

1

0

-1

-2

-3Ma

gn

etiz

ati

on

(E

MU

)

-4000 -2000 0 2000 4000

Magnetic Field (Gauss)

GaGdN

Gd = 6 % 7 K

2050300

キャリア誘起強磁性の確認

GaGdN/GaN 超格子

2.0

1.5

1.0

0.5

B /

Gd

ato

m

3.02.01.0

Thickness of GaGdN layer (nm)

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

B /

Gd

ato

m108642

Thickness of GaN layer (nm)GaN

GaGdN

GaN

Electron

GaGdN

GaN

研究目的

スピノーダル分解を利用して、磁性原子Gd, Dyを含むGa(Gd,

Dy)N量子細線及び量子井戸構造を作製し、それらの新奇な特性を探索し、新機能デバイス応用に繋がる研究を行う。

Charge

Spin

Photon

Carrier induced

ferromagnetism

Gaint magneto-

optical effect 半導体 磁性体

強磁性半導体

研究目的

スピノーダル分解を利用して、磁性原子Gd, Dyを含むGa(Gd,

Dy)N量子細線及び量子井戸構造を作製し、それらの新奇な特性を探索し、新機能デバイス応用に繋がる研究を行う。

Si (100) sub.

L.T. GaN buff.

Insulator layer

Au electrode

ナノ細線構造による

スピンメモリ素子

GaGdN/AlGaNQWs

Photo-carrier-induced ferromagnetism

Low resistanceHigh resistance

GaGdN/AlGaNQWs

s-

s+

Magnetic information

Move direction

Optical memory

Spin LED

or Laser

GaGdN

Nanorod

GaN

GaGdN

実験

分子線エピタキシー（MBE)装置

GaGdNナノロッド

GaGdN薄膜、量子構造

物性評価：

X線回折（XRD)測定

フォトルミネッセンス（PL)測定

磁化測定

TEM

XAFS測定

原子間力顕微鏡（AFM)観察

など

デバイス作製：

真空蒸着装置

RIEエッチング装置

フォトリソグラフィ装置

など

TMP

IP

TMP

DP

C/T

Exchange

Chamber

Pyro meterNH

3N2

Gate Valve

GV

Transfer

Chamber

QMS

RHEED screenE-gun

GV

GV

Ion removed

ECR radical cell

Gas cell

Growth

Chamber

BFM

Substrate

MFC

Microwave power

generator

In

Ga SiMg

Mn

Cr

TMP

IP

TMP

DP

C/T

Exchange

Chamber

Exchange

Chamber

Pyro meterNH

3N2

Gate Valve

GV

Transfer

Chamber

QMS

RHEED screenE-gun

GV

GV

Ion removed

ECR radical cell

Gas cell

Growth

Chamber

BFM

Substrate

MFC

Microwave power

generator

Microwave power

generator

In

Ga SiMg

Mn

Cr

新しい材料の創製

高品質

One mono layerの制御が可能

2. GaGdNナノロッド

の作製及び評価

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Inte

nsity

[a.u

.]

2θ [deg.]

Gd BEP [Torr]

0.6×10-9

1.0×10-9

2.0×10-9

3.0×10-9

5.0×10-9

GaN(002)

GdN(111) GdN(200)

Gd濃度の異なるGaGdNナノロッド

Gd BEP : 0.6×10-9 Torr 1.0×10-9 Torr 2.0×10-9 Torr 3.0×10-9 Torr 5.0×10-9 Torr

連続膜化 ナノロッド

Si(001)

低温 GaN

GaN cap

SiO2

GaN：Gd

GaN

ナノロッド

• 高濃度にGdを添加できない ⇒ 多層構造へ

AFM像による表面構造

GaNのみではナノロッド成長しているが、Gdを添加すると面内への薄膜成長が促進される。

Gd添加なし Gd添加あり

GaN GaN:Gd

GaN

Si(111)

・

・

・

GaGdN層での横への広がりをGaN層を挟むことで抑える

GaGdNナノロッド形成

Gd BEP [Torr] 1.0×10-9 2.0×10-9 3.0×10-9

Gd (%) 1.89 7.81 9.30

ロッド径 (nm) 25 40 50

ロッド高さ (nm) 250 350 240

Ga BEP : 5.0×10-8 Torr

N : 1 sccm, 300 W

Gd BEP : 1.0, 2.0, 3.0×10-9 Torr

1.0×10-9 Torr 2.0×10-9 Torr 3.0×10-9 Torr

Gd BEP

Si(111)

.

.

.

.

GaN 10 min GaN:Gd 10 min

GaN cap 1 min

低温 GaN

6サイクル

シリコン酸化膜上 Si(111)-7×7表面上

基板上のGaN RHEEDパターン

SiO2上ではGaN面内がランダムである為、結晶評価・磁気評価に向かない

GaGdNナノロッドの面内配向性

Si(111)基板への成長

Si(111)基板上でのGaGdN面内配向性

0 50 100 150 200 250 300 350

Inte

nsi

ty[a

.u.]

φ [deg.]

Gd BEP(Torr)

1.0×10-9

2.0×10-9

3.0×10-9

GaN(102)面に対するpole figure測定

160 170 180 190 200

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsi

ty [

a.u.]

φ [deg.]

　Gd BEP (Torr)

1.0×10-9

2.0×10-9

GaN(102)結晶面

X-ray Detector

θ φ

•全ての試料で６回対称性が確認できた

•Gd BEP 3.0×10-9 Torrの試料ではGaNの成長速度が遅い為、回折強度が弱い

•Gd BEP 2.0×10-9 Torrで面内

配向性の良い試料が作製できた

XRD(2θ/ω-scan)

26 28 30 32 34 36 38 40

Inte

nsi

ty[a

.u.]

2θ [deg.]

Ga : 5.0×10-8 (Torr)

Gd : 3.0×10-9

Gd : 2.0×10-9

Gd : 1.0×10-9

GdN(111)

Gd:3.0×10-9 Torr以上でもナノロッドの作製が可能

Gd:3.0×10-9 TorrでGdNの析出を観測

EDS元素分析よりGd照射量を増やすと、Ga強度の低下

→Gd照射によるGaの取り込みの悪化

Ga BEPを増やしたナノロッドの作製

GaN(002)

Si(111)

Ga供給量を増やす

Si(111)

.

.

.

.

GaN 10 min GaN:Gd 10 min

GaN cap 1 min

低温 GaN 30 sec

6サイクル Gd BEP [Torr] 1.0×10-9 2.0×10-9 3.0×10-9

Gd (%) 1.27 2.31 8.47

ロッド径 (nm) 30 50 60～70

ロッド高さ (nm) 460 420 340

1.0×10-9 Torr 2.0×10-9 Torr 3.0×10-9 Torr

Gd BEP

Ga BEP : 8.0×10-8 Torr

N : 1 sccm, 300 W

Gd BEP : 1.0, 2.0, 3.0×10-9 Torr

28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

Inte

nsi

ty[a

.u.]

2θ [deg.]

Gd BEP (Torr)

3.0×10-9

2.0×10-9

1.0×10-9

GdNの析出が

見られない

XRD(2θ/ω-scan)

Gd濃度8 %以上でもナノロッドを形成し、

GdNの析出がXRDからは観測されない

GaN(002) Si(111)

SQUID磁力計によるM-H測定

-15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000

-6

-4

-2

0

2

4

6

Mag

netiza

tion [

em

u/cm

3 ]

Field [Oe]

Gd : 2.0×10-9 Torr 10K 300K

Gd BEP 2.0×10-9Torrのヒステリシス曲線(補正後)

-400 -200 0 200 400

-2

0

2

Mag

netiza

tion [

em

u/cm

3 ]Field [Oe]

Gd : 2.0×10-9 Torr 10K 300K

外部磁場－面直

室温で

残留磁化：0.8 emu/cm3

保磁力：100 Oe

Gdビーム照射効果

GdNの析出

Gdビーム照射なし Gdビーム照射

Si(111)基板にGdビーム照射によって、ロッドの高さがそろう。

3. GaGdN薄膜の

結晶成長及び評価

Growth conditions of GaGdN on GaN

GaN & GaGdN Growth Conditions Growth Temp. Ts： 500 ~ 700 ºC Ga BEP: 0.7 10-5 ~ 2.010-5 Pa

(BEP: beam eq. pressure)

[Fixed growth parameters] N2 flow rare：1.5 sccm RF plasma power：180 W Gd BEP: 1.010-7 ~ 1.2 10-6 Pa (Typical：~3 10-7 Pa)

Characterization

• Structural properties : RHEED, XRD, HR-XRD RSM,

AFM, TEM

• Magnetic properties : SQUID (M-H & M-T curves)

GaGdN

undoped GaN

template grown

by MOCVD

(n-type)

GaN buffer

GaN cap

60 min

3 min

1 min

RF plasma-assisted MBE

Ga BEP dependence of for Gd-doped GaN (XRD)

GaN

GaGdN

- 0.3700

- 0.3600

- 0.3500 Qx (rlu)

(1015)

RSM

Ga BEP: 1.210-5 Pa Ga BEP : 1.810-5 Pa

Group A Group B

34 34.5 35101

102

103

104

105

106

107

108

109

2 (degree)

Inte

nsity (

log

sca

le; cp

s)

GaGdN (0002)

GaN (0002)

(1013)

RSM

GaN & GaGdN?

GaGdN(0002) spot appears.

c-axis of GaGdN is longer than that of GaN.

coherent growth.

GaN(0002) peak only is observed.

The a-axis & c-axis lattice constants of GaGdN are the same as those of GaN.

Gd BEP:2.410-7 Pa

GaGdN (Gd~ 3 %)

TG = 700 ºC

Gd BEP:6.710-7 Pa

GaGdN (Gd~ 8 %)

TG = 700 ºC

Ga & Gd BEP dependence of Gd-doped GaN (Group A)

Ga BEP: 2.010-5 Pa

Gd BEP: 5.310-7 Pa

GaGdN (Gd~ 8 %)

TG = 700 ºC

~290nm

~35nm

10-11001011021031041051061071081091010

(0002) (0004)

1.110-6 Pa

4.310-7 Pa

2.410-7 Pa

Gd BEP

Ga BEP : 2.010-5 Pa XRD

XTEM

Ga & Gd BEP dependence of Gd-doped GaN (Group B)

Ga BEP : 1.410-5 Pa Group B

1.210-6

Pa 8.010-7

Pa 2.410-7 Pa

Group B

Gd BEP 1.110-6 Pa 4.310-7 Pa 2.410-7 Pa 1.610-7 Pa 1.110-7 Pa

Group A

Gd BEP

5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3

0

10000

20000

0 1000 2000

Group B Ga BEP: 1.410-5 Pa Gd BEP: 4.310-5 Pa Gd ~4.8%

34 34.5 35101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

1012

8.010-7 Pa (A54)

1.210-6 Pa (A55)

4.310-7 Pa (A53)

2.410-7 Pa (A52)

1.610-7 Pa (A56)

Gd BEP

GaN (A51)

XRD

EPMA

RBS

30 32 34 36 3810-1100101102103104105106

Gd BEP : 1.210-6 Pa

M-H curves for Gd-doped GaN

Group A

Group B

Gd BEP:2.410-7 Pa, (Gd ~ 3%)

Ga BEP: 2.010-5 Pa

Ga BEP: 1.410-5 Pa

sample coercivity Ms

Group A 120 Oe 3 emu/cm3

Group B 70 Oe 2 emu/cm3

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

M - H

RT

Field (kOe)

Magnetization

(em

u/c

m3)

-0.5 0 0.5-2

-1

0

1

2

Field (kOe)

M (

em

u/c

m3)

Both the GaGdN samples exhibit hysteresis loops even at RT, indicating that both the samples have a ferromagnetic character at RT.

The samples of group A showed harder ferromagnetic behaviour in the M-H curves than those of group B.

(A73)

(A52)

0 100 200 300

0

20

40

60

M-T curves for Gd-doped GaN

0 100 200 300-3.4

-3.2

-3

-2.8

-2.6

M - T

Group B Group A

Gd BEP:2.410-7 Pa, (A73)

(Gd ~ 2%)

Temperature (K)

FC

M (

em

u/c

m3)

M (

em

u/c

m3)

Temperature (K)

ZFC

FC 300 Oe 300 Oe

The separation between the FC and ZFC M-T curves is observed. In general, this behavior is explained in terms of super-paramagnetic blocking phenomena.

The blocking temperature TB is >300 K.

No separation between the FC and ZFC M-T curves is observed at above 20 K.

TB ~ 20 K.

Gd BEP:1.210-6 Pa, (A55)

ZFC

Computer Simulations

on the super-paramagnetic blocking phenomena

Model

Due to the formation of magnetic nano-clusters of magnetic impurities under the spinodal decomposition, super-paramagnetic blocking temperature (TB) of the DMS is enhanced and hysteretic magnetic response can be observed at finite temperature.

Sato et al. carried out computer simulations on the super-paramagnetic blocking phenomena. [JJAP 46, L682 (2007)]

For low concentrations, nano-clusters of magnetic impurities are formed in DMS due to the spinodal decomposition.

M-T M-H Homogeneous

2D decomposition

今後の研究計画： Ga(Gd, Dy)Nナノロッド、量子井戸構造の磁気輸送特性及び磁

気光学特性を解明して行く。

今までの結果： Si(111)基板上に成長したGaGdNナノロッドの面内配向性が良い

ことがわかった。 GaGdN/GaN多重構造を持つナノロッドにすることによって、高濃

度Gdを有するGaGdNナノロッドの作製ができ、磁化容易軸が成長方向に向いていることがわかった。

Gdビーム照射によって、ナノロッドの高さがそろう傾向を持ち、 スピノーダル分解によるものの可能性がある。

GaGdN薄膜において、スピノーダル分解による自然超格子の形成を確認し、室温以上のブロッキング温度を持つことがわかった。

まとめ