反強磁性ハーフメタリック半導体
【課題】反強磁性を有し、且つハーフメタリックな新規なスピントロニクス材料である反強磁性ハーフメタリック半導体を提供する。
【解決手段】本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される。
【解決手段】本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反強磁性を有し、且つ一方の向きの電子スピン状態で金属としての性質を示すのに対して他方の向きの電子スピン状態で絶縁体或いは半導体としての性質を示すハーフメタリックな反強磁性ハーフメタリック半導体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、強磁性を有するハーフメタリック磁性体(以下、ハーフメタリック強磁性体という)としては、ホイスラー合金、ペロブスカイト型マンガン酸化物、閃亜鉛鉱型ＣｒＡｓ、希薄磁性半導体等が知られている。近年、電子の電荷とスピンを利用した半導体材料、即ちスピントロニクス材料の研究が進められており、閃亜鉛鉱型ＣｒＡｓ及び希薄磁性半導体はスピントロニクス材料に含まれる。希薄磁性半導体としては、例えば(Ｉｎ，Ｍｎ)Ａｓや(Ｇａ，Ｍｎ)Ａｓが知られている。
これに対し、反強磁性を有するハーフメタリック磁性体(以下、ハーフメタリック反強磁性体という)は、１９９５年にド・グルート達によって存在の可能性が指摘され(非特許文献１参照)、その後、ピケットによって電子状態計算からダブルペロフスカイト構造を有するＬａ２ＶＣｕＯ６及びＬａ２ＭｎＶＯ６が提案された(非特許文献２参照)。
【０００３】
尚、種々のスピントロニクス材料が提案されている(例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。
【非特許文献１】H.van Leuken and de Groot, Phys.Rev.Lett.74(1995) 1171
【非特許文献２】W.Picket, Phys.Rev.Lett.77(1996) 3185
【特許文献１】特許第３５３７０８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３７６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ピケットによって提案されたハーフメタリック反強磁性体は、遷移金属酸化物をベースとした金属間化合物であって、半導体をベースとしたスピントロニクス材料ではない。スピントロニクス材料としてのハーフメタリック反強磁性体については、提案された事実も製造された事実もない。
そこで本発明の目的は、反強磁性を有し、且つハーフメタリックな新規なスピントロニクス材料である反強磁性ハーフメタリック半導体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される。
【０００６】
第１の具体的構成において、添加する磁性元素は２種類であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である。
前記２種類の磁性元素は、ＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
【０００７】
上述の如く半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加することによって反強磁性及びハーフメタリックが発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、２種類の磁性元素をＶ及びＣｏとする。このとき、母体とするカルコゲナイド半導体は、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子の数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
図１９及び図２０はそれぞれ、ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線、及びＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わしている。又、図２１及び図２２はそれぞれ、ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線、及びＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わしている。図中の縦軸はエネルギーの大きさを表わしており、縦軸よりも左側の曲線が上向きスピン電子の状態密度曲線、右側の曲線が下向きスピン電子の状態密度を表わしている。又、図中の斜線のハッチングは３ｄ軌道に電子が収容されていることを表わしている。
【０００８】
ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、図１９に細線の矢印で示す如く、Ｖ及びＣｏの上向きスピン電子及び下向きスピン電子がそれぞれ、ＶとＣｏの間で電子数に応じたエネルギー差を有する２つの状態を移動してＶとＣｏが結合し、結合後の上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は、図２０に示す如き曲線となる。このとき、電子の運動エネルギーは全体として僅かに低下する。この様に、ＶとＣｏが互いに磁気モーメントを平行に揃えて結合する強磁性的結合は、超交換相互作用により電子の運動エネルギーが低下して安定すると考えられる。
これに対し、ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、図２１に細線の矢印で示す如く、ＶとＣｏの上向きスピン電子がＶとＣｏの間でエネルギー差のない２つの状態を移動してＶとＣｏが結合し、結合後の上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は、図２２に示す如き曲線となる。このとき、電子の運動エネルギーは全体として低下する。この様に、ＶとＣｏが互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合する反強磁性的結合は、二重交換相互作用により電子の運動エネルギーが低下して安定すると考えられる。
一般に、二重交換相互作用は超交換相互作用よりも強い。従って、強磁性的結合よりも反強磁性的結合が安定となり、ＶとＣｏは互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合すると考えられる。ここで、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じであるので、ＶイオンとＣｏイオンの磁気モーメントが互いに打ち消しあって反強磁性が発現することになると考えられる。
【０００９】
又、図１９に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの上向きスピン電子のエネルギー差、及びＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差は比較的小さいため、Ｖ及びＣｏの上向きスピン電子及び下向きスピン電子がそれぞれＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２０に示す如き曲線となる。同図の如く、フェルミエネルギーＥＦ付近での上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもゼロより大きくなり、ハーフメタリックは発現しないと考えられる。
これに対し、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差が大きいためにＶとＣｏの間で下向きスピン電子の移動が起こり難く、上向きスピン電子のみがＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２２に示す如き曲線となる。同図の如く、下向きスピン電子の状態密度はゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーＥＦが存在することとなる一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギーＥＦ付近でゼロよりも大きくなる。即ち、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現することになると考えられる。
上述の如く反強磁性及びハーフメタリックが発現することは、第１原理電子状態計算により確認されている。
【００１０】
尚、２種類の磁性元素の内、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が同じである場合には上述の如く反強磁性が発現するが、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が完全に同じではなく略同じである場合には、２種類の磁性元素の磁気モーメントの大きさが僅かに異なるため、全体として僅かに磁性を有するフェリ磁性が発現することになると考えられる。本願明細書においては、「反強磁性」に、僅かに磁性を有する「フェリ磁性」が含まれるものとする。
【００１１】
第２の具体的構成において、添加する磁性元素は３種類であって、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である。
前記３種類の磁性元素は、ＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
【００１２】
上記具体的構成においては、３種類の磁性元素の内、２種類の磁性元素は互いに磁気モーメントを平行に揃えて強磁性的に結合し、該２種類の磁性元素と他の１種類の磁性元素は互いに磁気モーメントを反平行に揃えて反強磁性的に結合する。ここで、該２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数が同じ或いは略同じであるので、２種類の磁性元素を添加する第１の具体的構成と同様に、反強磁性が発現することになる。
３種類の磁性元素がＴｉとＶとＮｉである場合、ＴｉとＶは強磁性的に結合する一方、Ｔｉ及びＶとＮｉは反強磁性的に結合し、ＴｉとＶとＣｏである場合には、ＴｉとＶは強磁性的に結合する一方、Ｔｉ及びＶとＣｏは反強磁性的に結合する。又、ＴｉとＮｉとＣｏである場合には、ＮｉとＣｏは強磁性的に結合する一方、ＴｉとＮｉ及びＣｏは反強磁性的に結合し、ＶとＮｉとＣｏである場合には、ＮｉとＣｏは強磁性的に結合する一方、ＶとＮｉ及びＣｏは反強磁性的に結合する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体によれば、反強磁性を有し、且つハーフメタリックである新規なスピントロニクス材料を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とし、母体とするカルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部が、ｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素で置換されているものである。
【００１５】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、基板上に母体となるカルコゲナイド半導体薄膜を成長させると同時に、ｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を数％ずつ添加して作製される。
又、薄膜成長方法としては、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法、レーザＭＢＥ法、低温ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)法等、周知の薄膜成長方法を採用することが可能である。
更に、添加する磁性元素は、例えば２種類の遷移金属元素であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数であるＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群から選ばれた１つの組合せである。特に、ＶとＣｏ、或いはＣｒとＦｅの組合せでは、全体としての磁化が消え、且つフェルミ面における電子が１００％スピン偏極しており、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。又、３種類の遷移金属元素を用いることも可能であって、３種類の遷移金属元素は、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数であるＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
【００１６】
上述の製造方法によれば、半導体薄膜が成長する過程でカルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部が２種類以上の磁性元素で置換されて、反強磁性を有し、且つハーフメタリックな反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
【００１７】
反強磁性及びハーフメタリックが発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、２種類の磁性元素をＶ及びＣｏとする。このとき、母体とするカルコゲナイド半導体はII−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子の数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
図１９に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、超交換相互作用によって強磁性的結合が安定すると考えられる一方、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、二重交換相互作用によって反強磁性的結合が安定すると考えられる。一般に、二重交換相互作用は超交換相互作用よりも強い。従って、強磁性的結合よりも反強磁性的結合が安定となり、ＶとＣｏは互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合すると考えられる。ここで、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じであるので、ＶイオンとＣｏイオンの磁気モーメントが互いに打ち消しあって反強磁性が発現することになると考えられる。
又、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差が大きいためにＶとＣｏの間で下向きスピン電子の移動が起こり難く、上向きスピン電子のみがＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２２に示す如き曲線となる。同図の如く、下向きスピン電子の状態密度はゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーＥＦが存在することとなる一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギーＥＦ付近でゼロよりも大きくなる。即ち、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現することになると考えられる。
反強磁性及びハーフメタリックが発現することは、第１原理電子状態計算により確認されている。
【００１８】
尚、２種類の磁性元素の内、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が同じである場合には上述の如く反強磁性が発現するが、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が完全に同じではなく略同じである場合には、２種類の磁性元素の磁気モーメントの大きさが僅かに異なるため、全体として僅かに磁性を有するフェリ磁性が発現することになると考えられる。又、フェルミ面における電子のスピン偏極が１００％ではなく、完全なハーフメタリックが発現しない場合もある。しかしながら、この様な場合にも実用的なスピンエレクトロニクス材料としては十分に使用が可能である。例えば、(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓはフェリ磁性を有するものとなる。但し、ＣｒとＣｏの濃度を調整することによって、反強磁性を有するものを得ることが出来る。
【００１９】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、外部磁場の影響を受けない反強磁性を有しているので、外部磁場の影響を受ける強磁性スピントロニクス材料とは異なるデバイスへの応用が期待される。例えば、ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)、センサー、スピン注入素子、光磁気デバイス、スピントランジスタ、スピンＦＥＴ、単一スピン超伝導体等への応用が考えられる。又、形状磁気異方性が殆どないので、電流注入等によって容易に磁区反転が出来る。本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体はハーフメタリックであるので、半導体スイッチング素子に応用した場合には、高いスイッチング速度を得ることが出来る。
【００２０】
第１実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＳは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子の数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子の数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳ薄膜を成長させると同時に、ＣｒガスとＦｅガスを基板に向けて照射してＣｒ及びＦｅを５％ずつ添加する。このとき、例えば、基板温度は１５０〜２００℃、カドミウム分子線のビーム圧力は２.５×１０−５〜８×１０−５Ｐａ、Ｓ分子線のビーム圧力は１.５×１０−４〜１２×１０−４Ｐａに設定される。又、Ｃｒ及びＦｅのガス圧は、例えば２.５×１０−６〜１５×１０−６Ｐａに設定される。
【００２１】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１原理電子状態計算を行なった。ここで、第１原理電子状態計算の手法としては、ＫＫＲ(Korringa-Kohn-Rostoker)法(グリーン関数法とも呼ばれる)と、ＣＰＡ(Coherent-Potential Approximation：コヒーレント・ポテンシャル近似)法と、ＬＤＡ(Local-Density Approximation：局所密度近似)法とを組み合わせた公知のＫＫＲ−ＣＰＡ−ＬＤＡ法を採用した。
図１乃至図３はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態、及び局所磁気モーメントの向きが不規則なスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図３は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
【００２２】
反強磁性状態では、図１に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している。一方、下向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。この様に、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現していると言える。
【００２３】
このとき、ＣｒイオンとＦｅイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には４と６であり、Ｃｒイオンの３ｄ電子数とＦｅイオンの正孔数は共に４つと同じである。そして、Ｆｅイオンの３ｄ電子のうち、上向きスピン電子は、ハーフメタリックの価電子バンドを満たしており、一方、下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っている。そして、Ｆｅイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値と、Ｆｅイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値との和が、Ｆｅイオンの３ｄ電子の数(即ち、６)となり、Ｆｅイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は整数値となるので、Ｆｅの下向きスピン電子状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値も整数値である。一方、Ｃｒイオンの下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っており、Ｃｒイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は、Ｃｒイオンの３ｄ電子の数(即ち、４)となる。この様にして、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
【００２４】
これに対し、強磁性状態では、図２に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図３に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００２５】
又、上述の状態密度曲線から、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.５７１ｍＲｙ、０.１８６ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性状態から常磁性状態に移行する反強磁性転移温度(ネール温度に相当)を計算すると６０１Ｋであった。ここで、反強磁性転移温度は、強磁性状態から常磁性状態に移行する強磁性転移温度(キュリー温度)を算出する公知の方法と同様に、スピングラス状態と反強磁性状態とのエネルギー差から平均場近似によって算出した。
【００２６】
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、上述の如く、室温以上の高い反強磁性転移温度(６０１Ｋ)を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００２７】
第２実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＳは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
【００２８】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図４乃至図６はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図６は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図４に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、下向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じである。そして、Ｃｏイオンの３ｄ電子のうち、上向きスピン電子は、ハーフメタリックの価電子バンドを満たしており、一方、下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っている。そして、Ｃｏイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値と、Ｃｏイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値との和が、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数(即ち、７)となり、Ｃｏイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は整数値となるので、Ｃｏの下向きスピン電子状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値も整数値である。一方、Ｖイオンの下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っており、Ｖイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は、Ｖイオンの３ｄ電子の数(即ち、３)となる。この様にして、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図５に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図６に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００２９】
又、上述の状態密度曲線から、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.６２４ｍＲｙ、０.００４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると６５７Ｋであり、第１実施例よりも高い反強磁性転移温度を得ることが出来た。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００３０】
第３実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＳｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳｅ薄膜を成長させると同時に、ＣｒとＦｅを５％ずつ添加する。
【００３１】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図７乃至図９はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図９は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図７に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。尚、第３実施例において、下向きスピン電子の側が半導体的であり、上向きスピン電子の側が金属的であるが、第１実施例及び第２実施例においては、上向きスピン電子の側が半導体的であり、下向きスピン電子の側が金属的であった。何れの向きのスピン電子を半導体的、或いは金属的にするのかは、任意に変更することが出来る。
このとき、第１実施例と同様に、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図８に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図９に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００３２】
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.２６４ｍＲｙ、０.１０４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると２７８Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温付近の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００３３】
第４実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＳｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳｅ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
【００３４】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１０乃至図１２はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１２は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図１０に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第２実施例と同様に、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１１に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１２に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００３５】
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.３０２ｍＲｙ、−０.００８ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると３１７Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００３６】
第５実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｔｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＴｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＴｅ薄膜を成長させると同時に、ＣｒとＦｅを５％ずつ添加する。
【００３７】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１３乃至図１５はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１５は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
図１３は、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態での状態密度曲線を表わしている。図中に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第１実施例と同様に、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１４に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１５に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.２２８ｍＲｙ、−０.０６６ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると２４０Ｋであり、室温よりも低温となった。
【００３８】
第６実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｔｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＴｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＴｅ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
【００３９】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１６乃至図１８はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１８は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図１６に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第２実施例と同様に、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１７に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１８に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.３４４ｍＲｙ、−０.０３４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると３６２Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００４０】
上記の様に、何れの実施例においても、フェルミ面における電子が１００％スピン偏極し、且つ、全体としては磁化がない完全な反強磁性ハーフメタリックの性質を示している。特に、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅを母体とするハーフメタリック半導体では、ＣｄＴｅを母体とするものに比べて高い反強磁性転移温度が得られている。
これは、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅの有するバンドギャップが、ＣｄＴｅの有するバンドギャップに比べて大きいことによるものと考えられる。即ち、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅを母体とするハーフメタリックでは、ＣｄＴｅを母体とするものに比べて、ＣｒとＦｅ、或いはＶとＣｏによる不純物バンドが、母体とする半導体の価電子バンド、及び伝導電子バンドから離れて出現することとなる。従って、母体とする半導体の価電子が不純物バンドに移り難く、ＣｒイオンとＦｅイオン、或いはＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子による磁気構造は乱されることがなく、強い反強磁性結合を保持することが出来る。
又、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体のうち、既にＣｄＭｎＴは光アイソレータとして広く用いられており、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体の製造装置、及び製造方法は既に普及していると考えられる。従って、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とするハーフメタリックの実用化の可能性は、極めて高い。又、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とするハーフメタリック半導体の製造方法としては、上記レーザＭＢＥ法の他にもスパッタ法を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図２】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図３】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図４】組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図５】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図６】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図７】組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図８】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図９】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１０】組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１１】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１２】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１３】組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｔｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１４】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１５】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１６】組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｔｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１７】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１８】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１９】ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線を表わす図である。
【図２０】上記場合にＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わす図である。
【図２１】ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線を表わす図である。
【図２２】上記場合にＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わす図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反強磁性を有し、且つ一方の向きの電子スピン状態で金属としての性質を示すのに対して他方の向きの電子スピン状態で絶縁体或いは半導体としての性質を示すハーフメタリックな反強磁性ハーフメタリック半導体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、強磁性を有するハーフメタリック磁性体(以下、ハーフメタリック強磁性体という)としては、ホイスラー合金、ペロブスカイト型マンガン酸化物、閃亜鉛鉱型ＣｒＡｓ、希薄磁性半導体等が知られている。近年、電子の電荷とスピンを利用した半導体材料、即ちスピントロニクス材料の研究が進められており、閃亜鉛鉱型ＣｒＡｓ及び希薄磁性半導体はスピントロニクス材料に含まれる。希薄磁性半導体としては、例えば(Ｉｎ，Ｍｎ)Ａｓや(Ｇａ，Ｍｎ)Ａｓが知られている。
これに対し、反強磁性を有するハーフメタリック磁性体(以下、ハーフメタリック反強磁性体という)は、１９９５年にド・グルート達によって存在の可能性が指摘され(非特許文献１参照)、その後、ピケットによって電子状態計算からダブルペロフスカイト構造を有するＬａ２ＶＣｕＯ６及びＬａ２ＭｎＶＯ６が提案された(非特許文献２参照)。
【０００３】
尚、種々のスピントロニクス材料が提案されている(例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。
【非特許文献１】H.van Leuken and de Groot, Phys.Rev.Lett.74(1995) 1171
【非特許文献２】W.Picket, Phys.Rev.Lett.77(1996) 3185
【特許文献１】特許第３５３７０８６号公報
【特許文献２】特開２００３−１３７６９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ピケットによって提案されたハーフメタリック反強磁性体は、遷移金属酸化物をベースとした金属間化合物であって、半導体をベースとしたスピントロニクス材料ではない。スピントロニクス材料としてのハーフメタリック反強磁性体については、提案された事実も製造された事実もない。
そこで本発明の目的は、反強磁性を有し、且つハーフメタリックな新規なスピントロニクス材料である反強磁性ハーフメタリック半導体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される。
【０００６】
第１の具体的構成において、添加する磁性元素は２種類であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である。
前記２種類の磁性元素は、ＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
【０００７】
上述の如く半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加することによって反強磁性及びハーフメタリックが発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、２種類の磁性元素をＶ及びＣｏとする。このとき、母体とするカルコゲナイド半導体は、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子の数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
図１９及び図２０はそれぞれ、ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線、及びＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わしている。又、図２１及び図２２はそれぞれ、ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線、及びＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わしている。図中の縦軸はエネルギーの大きさを表わしており、縦軸よりも左側の曲線が上向きスピン電子の状態密度曲線、右側の曲線が下向きスピン電子の状態密度を表わしている。又、図中の斜線のハッチングは３ｄ軌道に電子が収容されていることを表わしている。
【０００８】
ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、図１９に細線の矢印で示す如く、Ｖ及びＣｏの上向きスピン電子及び下向きスピン電子がそれぞれ、ＶとＣｏの間で電子数に応じたエネルギー差を有する２つの状態を移動してＶとＣｏが結合し、結合後の上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は、図２０に示す如き曲線となる。このとき、電子の運動エネルギーは全体として僅かに低下する。この様に、ＶとＣｏが互いに磁気モーメントを平行に揃えて結合する強磁性的結合は、超交換相互作用により電子の運動エネルギーが低下して安定すると考えられる。
これに対し、ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、図２１に細線の矢印で示す如く、ＶとＣｏの上向きスピン電子がＶとＣｏの間でエネルギー差のない２つの状態を移動してＶとＣｏが結合し、結合後の上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は、図２２に示す如き曲線となる。このとき、電子の運動エネルギーは全体として低下する。この様に、ＶとＣｏが互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合する反強磁性的結合は、二重交換相互作用により電子の運動エネルギーが低下して安定すると考えられる。
一般に、二重交換相互作用は超交換相互作用よりも強い。従って、強磁性的結合よりも反強磁性的結合が安定となり、ＶとＣｏは互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合すると考えられる。ここで、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じであるので、ＶイオンとＣｏイオンの磁気モーメントが互いに打ち消しあって反強磁性が発現することになると考えられる。
【０００９】
又、図１９に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの上向きスピン電子のエネルギー差、及びＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差は比較的小さいため、Ｖ及びＣｏの上向きスピン電子及び下向きスピン電子がそれぞれＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２０に示す如き曲線となる。同図の如く、フェルミエネルギーＥＦ付近での上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもゼロより大きくなり、ハーフメタリックは発現しないと考えられる。
これに対し、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差が大きいためにＶとＣｏの間で下向きスピン電子の移動が起こり難く、上向きスピン電子のみがＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２２に示す如き曲線となる。同図の如く、下向きスピン電子の状態密度はゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーＥＦが存在することとなる一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギーＥＦ付近でゼロよりも大きくなる。即ち、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現することになると考えられる。
上述の如く反強磁性及びハーフメタリックが発現することは、第１原理電子状態計算により確認されている。
【００１０】
尚、２種類の磁性元素の内、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が同じである場合には上述の如く反強磁性が発現するが、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が完全に同じではなく略同じである場合には、２種類の磁性元素の磁気モーメントの大きさが僅かに異なるため、全体として僅かに磁性を有するフェリ磁性が発現することになると考えられる。本願明細書においては、「反強磁性」に、僅かに磁性を有する「フェリ磁性」が含まれるものとする。
【００１１】
第２の具体的構成において、添加する磁性元素は３種類であって、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である。
前記３種類の磁性元素は、ＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
【００１２】
上記具体的構成においては、３種類の磁性元素の内、２種類の磁性元素は互いに磁気モーメントを平行に揃えて強磁性的に結合し、該２種類の磁性元素と他の１種類の磁性元素は互いに磁気モーメントを反平行に揃えて反強磁性的に結合する。ここで、該２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数が同じ或いは略同じであるので、２種類の磁性元素を添加する第１の具体的構成と同様に、反強磁性が発現することになる。
３種類の磁性元素がＴｉとＶとＮｉである場合、ＴｉとＶは強磁性的に結合する一方、Ｔｉ及びＶとＮｉは反強磁性的に結合し、ＴｉとＶとＣｏである場合には、ＴｉとＶは強磁性的に結合する一方、Ｔｉ及びＶとＣｏは反強磁性的に結合する。又、ＴｉとＮｉとＣｏである場合には、ＮｉとＣｏは強磁性的に結合する一方、ＴｉとＮｉ及びＣｏは反強磁性的に結合し、ＶとＮｉとＣｏである場合には、ＮｉとＣｏは強磁性的に結合する一方、ＶとＮｉ及びＣｏは反強磁性的に結合する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体によれば、反強磁性を有し、且つハーフメタリックである新規なスピントロニクス材料を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とし、母体とするカルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部が、ｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素で置換されているものである。
【００１５】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、基板上に母体となるカルコゲナイド半導体薄膜を成長させると同時に、ｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を数％ずつ添加して作製される。
又、薄膜成長方法としては、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法、レーザＭＢＥ法、低温ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)法等、周知の薄膜成長方法を採用することが可能である。
更に、添加する磁性元素は、例えば２種類の遷移金属元素であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数であるＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群から選ばれた１つの組合せである。特に、ＶとＣｏ、或いはＣｒとＦｅの組合せでは、全体としての磁化が消え、且つフェルミ面における電子が１００％スピン偏極しており、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。又、３種類の遷移金属元素を用いることも可能であって、３種類の遷移金属元素は、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数であるＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである。
【００１６】
上述の製造方法によれば、半導体薄膜が成長する過程でカルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部が２種類以上の磁性元素で置換されて、反強磁性を有し、且つハーフメタリックな反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
【００１７】
反強磁性及びハーフメタリックが発現する理由は次のように考えられる。以下の説明では、２種類の磁性元素をＶ及びＣｏとする。このとき、母体とするカルコゲナイド半導体はII−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子の数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
図１９に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合には、超交換相互作用によって強磁性的結合が安定すると考えられる一方、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、二重交換相互作用によって反強磁性的結合が安定すると考えられる。一般に、二重交換相互作用は超交換相互作用よりも強い。従って、強磁性的結合よりも反強磁性的結合が安定となり、ＶとＣｏは互いに磁気モーメントを反平行に揃えて結合すると考えられる。ここで、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じであるので、ＶイオンとＣｏイオンの磁気モーメントが互いに打ち消しあって反強磁性が発現することになると考えられる。
又、図２１に示す如くＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合には、ＶとＣｏの下向きスピン電子のエネルギー差が大きいためにＶとＣｏの間で下向きスピン電子の移動が起こり難く、上向きスピン電子のみがＶとＣｏの間を移動して、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は図２２に示す如き曲線となる。同図の如く、下向きスピン電子の状態密度はゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーＥＦが存在することとなる一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギーＥＦ付近でゼロよりも大きくなる。即ち、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現することになると考えられる。
反強磁性及びハーフメタリックが発現することは、第１原理電子状態計算により確認されている。
【００１８】
尚、２種類の磁性元素の内、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が同じである場合には上述の如く反強磁性が発現するが、一方の磁性元素のｄ電子数と他方の磁性元素の正孔数が完全に同じではなく略同じである場合には、２種類の磁性元素の磁気モーメントの大きさが僅かに異なるため、全体として僅かに磁性を有するフェリ磁性が発現することになると考えられる。又、フェルミ面における電子のスピン偏極が１００％ではなく、完全なハーフメタリックが発現しない場合もある。しかしながら、この様な場合にも実用的なスピンエレクトロニクス材料としては十分に使用が可能である。例えば、(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓはフェリ磁性を有するものとなる。但し、ＣｒとＣｏの濃度を調整することによって、反強磁性を有するものを得ることが出来る。
【００１９】
本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体は、外部磁場の影響を受けない反強磁性を有しているので、外部磁場の影響を受ける強磁性スピントロニクス材料とは異なるデバイスへの応用が期待される。例えば、ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)、センサー、スピン注入素子、光磁気デバイス、スピントランジスタ、スピンＦＥＴ、単一スピン超伝導体等への応用が考えられる。又、形状磁気異方性が殆どないので、電流注入等によって容易に磁区反転が出来る。本発明に係る反強磁性ハーフメタリック半導体はハーフメタリックであるので、半導体スイッチング素子に応用した場合には、高いスイッチング速度を得ることが出来る。
【００２０】
第１実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＳは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子の数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)よりも少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子の数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳ薄膜を成長させると同時に、ＣｒガスとＦｅガスを基板に向けて照射してＣｒ及びＦｅを５％ずつ添加する。このとき、例えば、基板温度は１５０〜２００℃、カドミウム分子線のビーム圧力は２.５×１０−５〜８×１０−５Ｐａ、Ｓ分子線のビーム圧力は１.５×１０−４〜１２×１０−４Ｐａに設定される。又、Ｃｒ及びＦｅのガス圧は、例えば２.５×１０−６〜１５×１０−６Ｐａに設定される。
【００２１】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１原理電子状態計算を行なった。ここで、第１原理電子状態計算の手法としては、ＫＫＲ(Korringa-Kohn-Rostoker)法(グリーン関数法とも呼ばれる)と、ＣＰＡ(Coherent-Potential Approximation：コヒーレント・ポテンシャル近似)法と、ＬＤＡ(Local-Density Approximation：局所密度近似)法とを組み合わせた公知のＫＫＲ−ＣＰＡ−ＬＤＡ法を採用した。
図１乃至図３はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態、及び局所磁気モーメントの向きが不規則なスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図３は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
【００２２】
反強磁性状態では、図１に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している。一方、下向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。この様に、上向きスピン電子の状態は半導体としての性質を表わす一方、下向きスピン電子の状態は金属としての性質を表わしており、ハーフメタリックが発現していると言える。
【００２３】
このとき、ＣｒイオンとＦｅイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には４と６であり、Ｃｒイオンの３ｄ電子数とＦｅイオンの正孔数は共に４つと同じである。そして、Ｆｅイオンの３ｄ電子のうち、上向きスピン電子は、ハーフメタリックの価電子バンドを満たしており、一方、下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っている。そして、Ｆｅイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値と、Ｆｅイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値との和が、Ｆｅイオンの３ｄ電子の数(即ち、６)となり、Ｆｅイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は整数値となるので、Ｆｅの下向きスピン電子状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値も整数値である。一方、Ｃｒイオンの下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っており、Ｃｒイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は、Ｃｒイオンの３ｄ電子の数(即ち、４)となる。この様にして、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
【００２４】
これに対し、強磁性状態では、図２に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図３に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００２５】
又、上述の状態密度曲線から、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.５７１ｍＲｙ、０.１８６ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性状態から常磁性状態に移行する反強磁性転移温度(ネール温度に相当)を計算すると６０１Ｋであった。ここで、反強磁性転移温度は、強磁性状態から常磁性状態に移行する強磁性転移温度(キュリー温度)を算出する公知の方法と同様に、スピングラス状態と反強磁性状態とのエネルギー差から平均場近似によって算出した。
【００２６】
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、上述の如く、室温以上の高い反強磁性転移温度(６０１Ｋ)を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００２７】
第２実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＳは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
【００２８】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図４乃至図６はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図６は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図４に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、下向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、ＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子の数は、それぞれ、形式的には３と７であり、Ｖイオンの３ｄ電子数とＣｏイオンの正孔数は共に３つと同じである。そして、Ｃｏイオンの３ｄ電子のうち、上向きスピン電子は、ハーフメタリックの価電子バンドを満たしており、一方、下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っている。そして、Ｃｏイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値と、Ｃｏイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値との和が、Ｃｏイオンの３ｄ電子の数(即ち、７)となり、Ｃｏイオンの上向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は整数値となるので、Ｃｏの下向きスピン電子状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値も整数値である。一方、Ｖイオンの下向きスピン電子は、ハーフメタリックの金属バンドに入っており、Ｖイオンの下向きスピン電子の状態密度をフェルミエネルギーまで積分した値は、Ｖイオンの３ｄ電子の数(即ち、３)となる。この様にして、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図５に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図６に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００２９】
又、上述の状態密度曲線から、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.６２４ｍＲｙ、０.００４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると６５７Ｋであり、第１実施例よりも高い反強磁性転移温度を得ることが出来た。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００３０】
第３実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＳｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳｅ薄膜を成長させると同時に、ＣｒとＦｅを５％ずつ添加する。
【００３１】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図７乃至図９はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図９は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図７に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。尚、第３実施例において、下向きスピン電子の側が半導体的であり、上向きスピン電子の側が金属的であるが、第１実施例及び第２実施例においては、上向きスピン電子の側が半導体的であり、下向きスピン電子の側が金属的であった。何れの向きのスピン電子を半導体的、或いは金属的にするのかは、任意に変更することが出来る。
このとき、第１実施例と同様に、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図８に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図９に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００３２】
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.２６４ｍＲｙ、０.１０４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると２７８Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温付近の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００３３】
第４実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＳｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＳｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＳｅ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
【００３４】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１０乃至図１２はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１２は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図１０に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第２実施例と同様に、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１１に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１２に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
【００３５】
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.３０２ｍＲｙ、−０.００８ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると３１７Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００３６】
第５実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｔｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＣｒとＦｅで置換されている。母体とするＣｄＴｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｃｒイオンの３ｄ電子数は形式的には４であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｆｅイオンの３ｄ電子数は形式的には６であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＴｅ薄膜を成長させると同時に、ＣｒとＦｅを５％ずつ添加する。
【００３７】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１３乃至図１５はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＣｒの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＦｅの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１５は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
図１３は、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態での状態密度曲線を表わしている。図中に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第１実施例と同様に、ＦｅとＣｒが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１４に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１５に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.２２８ｍＲｙ、−０.０６６ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると２４０Ｋであり、室温よりも低温となった。
【００３８】
第６実施例
本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｔｅで表わされ、II−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅが含有するII族元素成分、即ちカドミウム成分の一部が遷移金属元素であるＶとＣｏで置換されている。母体とするＣｄＴｅは、II−VI族化合物半導体であるから、Ｖイオンの３ｄ電子数は形式的には３であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分(電子数５)より少ない(less than half)。一方、Ｃｏイオンの３ｄ電子数は形式的には７であり、これは３ｄ軌道の最大収容電子数の半分よりも多い(more than half)。
該希薄反強磁性ハーフメタリック半導体の製造方法においては、ＧａＡｓ(１００)基板上にレーザＭＢＥ法によりＣｄＴｅ薄膜を成長させると同時に、ＶとＣｏを５％ずつ添加する。
【００３９】
本発明者は、上述の製造方法によってハーフメタリック及び反強磁性が発現することを確認すべく、第１実施例と同様に、第１原理電子状態計算を行なった。
図１６乃至図１８はそれぞれ、第１原理電子状態計算により得られた反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態での状態密度曲線を表わしている。図中の実線は全状態密度、点線はＶの３ｄ軌道位置での局所状態密度、破線はＣｏの３ｄ軌道位置での局所状態密度を表わしている。尚、図１８は、スピングラス状態での上向きスピン電子の状態密度曲線のみを表わしており、下向きスピン電子の状態密度曲線は、上向きスピン電子と同じであるので、図示を省略している。
反強磁性状態では、図１６に実線で示す如く、下向きスピン電子の状態密度がゼロとなってバンドギャップＧｐが形成され、該バンドギャップ中にフェルミエネルギーが存在している一方、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックが発現していると言える。
このとき、第２実施例と同様に、ＶとＣｏが互いの磁気モーメントを打ち消し合い、全体としての磁化が消え、完全な反強磁性ハーフメタリック半導体が得られる。
これに対し、強磁性状態では、図１７に実線で示す如く、上向きスピン電子及び下向きスピン電子の状態密度は何れもフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっており、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、スピングラス状態でも、図１８に実線で示す如く、上向きスピン電子の状態密度はフェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなっている。又、下向きスピン電子の状態密度も、フェルミエネルギー付近でゼロよりも大きくなり、ハーフメタリックは発現していないと言える。
又、反強磁性状態、強磁性状態及びスピングラス状態の各状態での電子の運動エネルギーの総和を算出した。反強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和と、強磁性状態での電子の運動エネルギーの総和を、スピングラス状態での電子の運動エネルギーの総和と比較すると、それぞれ−０.３４４ｍＲｙ、−０.０３４ｍＲｙであり、反強磁性状態での運動エネルギーが最も低かった。従って、反強磁性状態が最も安定であると言える。
更に、反強磁性転移温度を計算すると３６２Ｋであった。この様に、本実施例の希薄反強磁性ハーフメタリック半導体は、室温以上の高い反強磁性転移温度を有しているので、室温以上で動作を行なうデバイスに用いることが出来る。
【００４０】
上記の様に、何れの実施例においても、フェルミ面における電子が１００％スピン偏極し、且つ、全体としては磁化がない完全な反強磁性ハーフメタリックの性質を示している。特に、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅを母体とするハーフメタリック半導体では、ＣｄＴｅを母体とするものに比べて高い反強磁性転移温度が得られている。
これは、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅの有するバンドギャップが、ＣｄＴｅの有するバンドギャップに比べて大きいことによるものと考えられる。即ち、ＣｄＳ、或いはＣｄＳｅを母体とするハーフメタリックでは、ＣｄＴｅを母体とするものに比べて、ＣｒとＦｅ、或いはＶとＣｏによる不純物バンドが、母体とする半導体の価電子バンド、及び伝導電子バンドから離れて出現することとなる。従って、母体とする半導体の価電子が不純物バンドに移り難く、ＣｒイオンとＦｅイオン、或いはＶイオンとＣｏイオンの３ｄ電子による磁気構造は乱されることがなく、強い反強磁性結合を保持することが出来る。
又、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体のうち、既にＣｄＭｎＴは光アイソレータとして広く用いられており、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体の製造装置、及び製造方法は既に普及していると考えられる。従って、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とするハーフメタリックの実用化の可能性は、極めて高い。又、カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体を母体とするハーフメタリック半導体の製造方法としては、上記レーザＭＢＥ法の他にもスパッタ法を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図２】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図３】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図４】組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図５】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図６】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図７】組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｓｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図８】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図９】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１０】組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｓｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１１】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１２】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１３】組成式(Ｃｄ０.９Ｃｒ０.０５Ｆｅ０.０５)Ｔｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１４】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１５】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１６】組成式(Ｃｄ０.９Ｖ０.０５Ｃｏ０.０５)Ｔｅで表わされる半導体の反強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１７】上記半導体の強磁性状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１８】上記半導体のスピングラス状態での電子状態密度を表わすグラフである。
【図１９】ＶとＣｏが磁気モーメントを平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線を表わす図である。
【図２０】上記場合にＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わす図である。
【図２１】ＶとＣｏが磁気モーメントを反平行に揃えた場合のＶとＣｏの状態密度曲線を表わす図である。
【図２２】上記場合にＶとＣｏが結合した後の状態密度曲線を表わす図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項２】
添加する磁性元素は２種類であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である請求項１に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項３】
前記２種類の磁性元素は、ＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群より選ばれた何れか１つの組合せである請求項２に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項４】
添加する磁性元素は３種類であって、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である請求項１に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項５】
前記３種類の磁性元素は、ＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである請求項４に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項６】
前記カルコゲナイド半導体は、ＣｄＳ又はＣｄＳｅである請求項１乃至５の何れかに記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項１】
カドミウムを含有するカルコゲナイド半導体にｄ電子数が５より少ない磁性元素とｄ電子数が５より多い磁性元素とを含む２種類以上の磁性元素を添加して、前記カルコゲナイド半導体が含有するカドミウム成分の一部を前記２種類以上の磁性元素で置換することにより作製される反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項２】
添加する磁性元素は２種類であって、一方の磁性元素が有するｄ電子数と他方の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である請求項１に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項３】
前記２種類の磁性元素は、ＴｉとＮｉ、ＶとＣｏ、ＣｒとＦｅ、ＴｉとＦｅ、ＴｉとＣｏ、ＶとＦｅ、ＶとＮｉ、ＣｒとＣｏ、及びＣｒとＮｉの群より選ばれた何れか１つの組合せである請求項２に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項４】
添加する磁性元素は３種類であって、２種類の磁性元素がそれぞれ有するｄ電子数の総数と該２種類の磁性元素以外の１種類の磁性元素が有する正孔数は同数或いは略同数である請求項１に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項５】
前記３種類の磁性元素は、ＴｉとＶとＮｉ、ＴｉとＶとＣｏ、ＴｉとＮｉとＣｏ、及びＶとＮｉとＣｏの群より選ばれた何れか１つの組合せである請求項４に記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【請求項６】
前記カルコゲナイド半導体は、ＣｄＳ又はＣｄＳｅである請求項１乃至５の何れかに記載の反強磁性ハーフメタリック半導体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００８−４７６２４（Ｐ２００８−４７６２４Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１９９５１（Ｐ２００６−２１９９５１）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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