磁性半導体
Type of functional semiconducting oxide
物理学における未解決問題
室温で強磁性体と半導体の両方の特性を示す材料を作ることは可能でしょうか?
物理学におけるさらなる未解決問題

磁性半導体は、強磁性（または類似の応答）と有用な半導体特性の両方を示す半導体材料です。これらの材料をデバイスに実装すれば、新しいタイプの伝導制御が可能になる可能性があります。従来のエレクトロニクスは電荷キャリア（n型またはp型）の制御に基づいていますが、実用的な磁性半導体は量子スピン状態（アップまたはダウン）の制御も可能にします。これにより、理論的にはほぼ完全なスピン分極が得られます（鉄などの金属では約50%しか分極しません）。これは、スピントランジスタなどのスピントロニクス用途にとって重要な特性です。

マグネタイトなどの従来の磁性材料の多くも半導体ですが (マグネタイトはバンドギャップ0.14 eVの半金属半導体です)、材料科学者は一般に、磁性半導体が広く使用されるようになるのは、十分に開発された半導体材料に類似している場合のみだと予測しています。そのため、希薄磁性半導体( DMS ) は最近、磁性半導体研究の主要な焦点となっています。これらは従来の半導体に基づいていますが、電子活性元素の代わりに、または電子活性元素に加えて、遷移金属がドープされています。技術的な応用が期待される独自のスピントロニクス特性のため、これらは注目されています。 [1] [2]酸化亜鉛(ZnO) や酸化チタン(TiO 2 )などのドープされたワイドバンドギャップ金属酸化物は、光磁気用途での多機能性のため、工業用 DMS の最良の候補の 1 つです。特に、可視領域での透明性や圧電性などの特性を持つZnOベースのDMSは、スピントランジスタやスピン偏極発光ダイオードの製造のための有力な候補として科学界で大きな関心を集めており、[3]この材料のアナターゼ相中の銅ドープTiO 2はさらに好ましい希薄磁性を示すと予測されている。[4]

東北大学の大野英夫らの研究グループは、遷移金属をドープした化合物半導体、例えばインジウムヒ素[5]やマンガンをドープしたガリウムヒ素[6]（後者は一般にGaMnAsと呼ばれる）において強磁性を初めて測定した。これらの材料は、p型電荷キャリアの濃度に比例する、室温より低いながらもかなり高いキュリー温度を示した。それ以来、様々な遷移原子をドープした様々な半導体ホストから強磁性信号が測定されてきた。

理論

Dietlらによる先駆的な研究は、磁性の修正Zenerモデル[7]がGaMnAs のキャリア依存性と異方性をよく説明することを示した。同じ理論ではまた、CoとMnをそれぞれドープしたp型高濃度ZnOとGaNでは室温で強磁性が存在するはずであると予測された。これらの予測に続いて、さまざまな酸化物半導体と窒化物半導体の理論的および実験的研究が次々と行われ、遷移金属不純物を高濃度にドープしたほぼすべての半導体または絶縁体材料で室温で強磁性が存在することが確認されたように見えた。しかし、初期の密度汎関数理論（DFT）研究はバンドギャップエラーと過度に非局在化した欠陥レベルによって不明瞭になり、より高度なDFT研究は以前の強磁性の予測のほとんどを否定している。[8]同様に、磁性半導体の酸化物系材料研究のほとんどでは、Dietlらが提唱したような固有のキャリア媒介強磁性 を示さないことが示されている。[9] 現在まで、GaMnAsは、 100～200 K程度のかなり高いキュリー温度まで強磁性が共存する唯一の半導体材料である。

材料

材料の製造可能性は、ベース材料におけるドーパントの熱平衡溶解度に依存します。例えば、多くのドーパントは酸化亜鉛に溶解するため、バルクで材料を調製できます。一方、一部の材料ではドーパントの溶解度が非常に低いため、十分なドーパ​​ント濃度で調製するには、薄膜成長などの熱非平衡調製メカニズムを採用する必要があります。

永久磁化は、広範囲の半導体ベース材料で観測されています。キャリア密度と磁化の間に明確な相関関係を示すものもあり、T. Story らは、Mn 2+ をドープした Pb 1−x Sn x Te の強磁性キュリー温度がキャリア濃度によって制御できることを実証しました。[10] Dietl が提唱した理論では、プロトタイプの磁性半導体である Mn 2+をドープしたGaAsにおいて、マンガンドーパントの磁気結合を 媒介するには、正孔の場合に電荷キャリアが必要でした。磁性半導体の正孔濃度が不十分な場合、キュリー温度は非常に低くなるか、または常磁性のみを示します。しかし、正孔濃度が高い場合 (>~10 20 cm −3 )、キュリー温度はより高くなり、100 K から 200 K になります 。 [7]しかし、研究された半導体材料の多くは、 半導体ホスト材料に固有の 永久磁化を示します。 [9]薄膜やナノ構造材料では、捉えにくい外因性強磁性（またはファントム強磁性）が 数多く観測されています。 [11]

以下に、提案されている強磁性半導体材料の例をいくつか挙げます。ただし、以下の観察結果や予測の多くは、依然として激しい議論が続いていることに注意してください。

参考文献

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