ガリウムマンガンヒ素

ガリウムマンガンヒ素（化学式(Ga,Mn)As）は磁性半導体である。世界で2番目によく使われている半導体であるガリウムヒ素（化学式GaAs）をベースとしており、既存の半導体技術と容易に互換性がある。II -VI族半導体をベースとする大多数のものなどの他の希薄磁性半導体とは異なり、常磁性^[1] ではなく強磁性であり、したがってヒステリシス磁化挙動を示す。このメモリ効果は、永続的なデバイスの作成に重要である。(Ga,Mn)Asでは、マンガン原子が磁気モーメントを提供し、それぞれがアクセプタとしても機能するため、p型材料となる。キャリアが存在するため、この材料をスピン偏極電流に使用できる。対照的に、他の多くの強磁性磁性半導体は強力に絶縁性であるため^{[2] [3] 、}自由キャリア を持たない。したがって、 (Ga,Mn)As はスピントロニクスデバイスの候補材料ですが、キュリー温度を約 200 K までしか上げることができなかったため、基礎研究のテストベッドに留まる可能性があります。

他の磁性半導体と同様に、^[4] (Ga,Mn)Asは標準的な半導体に磁性元素をドーピングすることで形成される。これは分子線エピタキシーという成長技術を用いて行われ、これにより結晶構造を原子層精度で成長させることができる。(Ga,Mn)Asでは、マンガンがGaAs結晶のガリウムサイトに置換し、磁気モーメントを提供する。マンガンはGaAs中で溶解度が低いため、強磁性を達成するのに十分な高濃度を組み込むことは困難である。標準的な分子線エピタキシー成長では、良好な構造品質が得られるように、基板を加熱する温度（成長温度）は通常高く、典型的には～600℃である。しかし、これらの条件で大量のマンガンを使用すると、マンガンが組み込まれる代わりに、偏析が発生し、マンガンが表面に蓄積して元素ヒ素原子と錯体を形成する。^[5] この問題は、低温分子線エピタキシー技術を用いて克服された。最初は(In,Mn)As ^[6]で 、その後(Ga,Mn)As ^[7]で、 非平衡結晶成長技術を利用することで、より大きなドーパント濃度をうまく組み込むことができることがわかりました。250℃前後の低温では、表面偏析が発生するには熱エネルギーが不十分ですが、良質の単結晶合金を形成するには十分です。^[8]

マンガンの置換的取り込みに加えて、低温分子線エピタキシーでは他の不純物も取り込まれる。他の 2 つの一般的な不純物は、格子間マンガン^[9] とヒ素反サイト^[10]である。 前者は、マンガン原子が閃亜鉛鉱格子構造内の他の原子の間に位置する場所であり、後者はヒ素原子がガリウムサイトを占める場所である。両方の不純物は二重ドナーとして機能し、置換マンガンによって提供されるホールを除去するため、補償欠陥として知られている。格子間マンガンは、置換マンガンと反強磁性的に結合し、磁気モーメントを除去する。これらの欠陥は両方とも(Ga,Mn)Asの強磁性特性に有害であるため、望ましくない。^[11]

常磁性から強磁性への転移が起こる温度を下回る温度はキュリー温度、T _Cとして知られています。ツェナーモデルに基づく理論的予測では、キュリー温度はマンガンの量に比例すると示唆されているため、10%ものマンガンドーピングレベルが達成できれば、300Kを超えるT _{C が}可能になります。 ^{[12] Ohno}ら による発見後、^[7] (Ga,Mn)Asで報告された最高のキュリー温度は60Kから110Kに上昇しました。^[8]しかし、室温での強磁性の予測にもかかわらず、T _Cは数年間改善されませんでした。

この進歩の欠如の結果、110Kが(Ga,Mn)Asの基本的な限界であるという予測がなされ始めました。欠陥の自己補償特性により、可能な正孔濃度が制限され、 T _Cのさらなる増加が妨げられます。^[13] 大きな進歩は、成長後のアニーリングの改善から生まれました。成長温度に匹敵するアニーリング温度を使用することで、110Kの壁を突破することができました。^{[14] [15] [16]} これらの改善は、非常に移動性の高い格子間マンガンの除去によるものと考えられています。^[17]

現在、 (Ga,Mn)AsのT _Cの最高値は約173Kと報告されていますが、^{[18] [19]、} 依然として待望の室温よりはるかに低い値です。その結果、この材料の測定は極低温で行う必要があり、現在のところ実験室外での応用は不可能です。当然、この制限のない代替磁性半導体の探索に多大な努力が費やされています。^{[20] [21] [22] [23] [24]これに加えて、分子線エピタキシー技術と装置が洗練され、改善されるにつれて、成長条件をより細かく制御することで、} (Ga,Mn)Asのキュリー温度 をさらに段階的に向上させることができると期待されています。

室温での強磁性はまだ実現されていないにもかかわらず、(Ga,Mn)Asなどの磁性半導体材料は大きな成功を収めています。磁性半導体に固有の物理特性の豊かな相互作用により、さまざまな新しい現象やデバイス構造が実証されています。したがって、これらの主要な開発について批判的にレビューすることは有益です。

磁性半導体技術における重要な成果は、ゲート制御可能な 強磁性であり、電界を使用して強磁性特性を制御する。これは、磁気チャネルとして(In,Mn)Asを 使用した絶縁ゲート電界効果トランジスタを使用して、Ohnoら^[25]によって達成された。磁気特性は、チャネルの磁化依存ホール測定から推測された。ゲート動作を使用してチャネル内のホールを減少または蓄積することにより、ホール応答の特性を常磁性体または強磁性体のいずれかに変更することができた。サンプルの温度がT _Cに近い場合、T _{C を}±1K変更できるゲート電圧を印加することにより、強磁性をオンまたはオフにすることができた。

同様の(In,Mn)Asトランジスタデバイスが、ゲート可能な 強磁性のさらなる例を提供するために使用されました。^{[26]この実験では、磁化反転が発生する保磁力を変更するために電界が使用されました。磁気}ヒステリシスがゲートバイアスに 依存する結果、電界を使用して磁化反転を補助したり、強磁性材料を消磁したりすることもできます。この実験で実証された磁気機能と電子機能の組み合わせは、スピントロニクスの目標の1つであり、大きな技術的影響を与えることが期待されます。

磁性半導体で実証されているもう一つの重要なスピントロニクス機能は、スピン注入である。これは、これらの磁性材料に固有の高いスピン偏極を利用して、スピン偏極 キャリアを非磁性材料に転送するものである。^[27] この例では、完全なエピタキシャル ヘテロ構造が使用され、スピン偏極 ホールが(Ga,Mn)As層から (In,Ga)As量子井戸に注入され、 n型基板からの非偏極電子と結合した。結果として得られたエレクトロルミネセンスで 8% の偏極が測定された。これもまた、磁場を印加せずに 非磁性半導体のスピン状態を操作できる可能性を示しているため、潜在的な技術的関心事である。

(Ga,Mn)Asは、ドメインのサイズが100μmのオーダーになる可能性があるため、ドメイン壁の力学を研究するための優れた材料です。 ^[28]リソグラフィで定義された横方向の狭窄^[29] またはその他のピンニングポイント^[30] を使用してドメイン壁を操作する いくつかの研究が行われています。これらの実験は、ドメイン壁の力学に基づく複雑な論理回路の作成に必要なドメイン壁の核形成と伝播を理解するために重要です。^[31]ドメイン壁 の多くの特性はまだ完全には理解されていませんが、特に未解決の問題の1つは、ドメイン壁を通過する電流に関連する抵抗の大きさとサイズです。ドメイン壁抵抗 の正の値^[32] と負の値^[33]の両方が報告されており、これは将来の研究のための未解決領域となっています。

固定されたドメインウォールを利用する単純なデバイスの例は、参考文献で提供されています。^{[34]この実験は}、リソグラフィで定義された狭い島 で構成され、一対のナノ狭窄部を介してリードに接続されています。デバイスが拡散モードで動作している間、狭窄部はドメインウォールを固定し、巨大な磁気抵抗信号をもたらします。デバイスがトンネルモードで動作すると、以下で説明する別の磁気抵抗効果が観察されます。

ドメイン壁のさらなる特性は、電流誘起ドメイン壁運動である。この反転は、スピン偏極電流によって生じるスピン移動トルクの結果として発生すると考えられている。^[35] これは、異なる保磁力を持つようにパターン化された3つの領域を含む 横型(Ga,Mn)Asデバイスを使用して、参考文献^{[36]で実証されており、これにより}ドメイン壁の形成が容易になる。中央領域は、電流パルスの印加によって磁化の向きを切り替えることができるように、最も低い保磁力を持つように設計されている。この実験により、(Ga,Mn)Asでこの反転を達成するために必要な電流は、金属システムよりも2桁低いことが示された。また、電流誘起磁化反転が(Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As垂直トンネル接合全体で発生する可能性があることも実証されている。^[37]

もう一つの新しいスピントロニクス効果は、 (Ga,Mn)Asベースのトンネルデバイスで初めて観測されたトンネル異方性磁気抵抗効果です。この効果は、トンネル状態密度が磁化に複雑に依存することから生じ、数桁の磁気抵抗効果をもたらす可能性があります。これは最初に垂直トンネル構造^{[34] [38]}で実証され 、その後横方向デバイスで実証されました。^[39] これにより、トンネル異方性磁気抵抗効果が強磁性トンネル構造の一般的な特性として確立されました。同様に、単一電子充電エネルギーが磁化に依存することから、(Ga,Mn)Asデバイスで別の劇的な磁気抵抗効果、いわゆるクーロンブロッケード異方性磁気抵抗効果が観測されました。