磁性半導体

磁性半導体は、強磁性（または同様の応答）と有用な半導体特性の両方を示す半導体材料です。デバイスに実装された場合、これらの材料は新しいタイプの伝導制御を提供できます。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では量子スピン状態（上または下）の制御も可能になります。これにより、理論的にはほぼ完全なスピン偏極が提供され（鉄やその他の金属では約50％の偏極しか提供されないのとは対照的）、これはスピントランジスタなどのスピントロニクスアプリケーション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は半導体でもありますが（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）、材料科学者は一般的に、磁性半導体が広く使用されるのは、十分に開発された半導体材料に類似している場合のみであると予測しています。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。これらは、技術的な用途が考えられる独自のスピントロニクス特性のために注目されています。 ^{[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]

東北大学の大野秀雄と彼のグループは、マンガンをドープしたインジウムヒ素^[5]やガリウムヒ素^{[6] （後者は一般に}GaMnAsと呼ばれる）などの遷移金属ドープ化合物半導体の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して、かなり高いキュリー温度（ただし室温より低い）を示した。それ以来、さまざまな遷移原子をドープしたさまざまな半導体ホストから強磁性信号が測定されてきた。

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、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研究では、強磁性に関する以前の予測のほとんどが否定されている。^[8] 同様に、磁性半導体の酸化物系材料の研究では、 Dietlらが仮定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ます。 ^[9] 現在までに、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す。

材料の製造可能性は、ベース材料中のドーパントの熱平衡溶解度に依存します。たとえば、酸化亜鉛中の多くのドーパントの溶解度は、材料をバルクで製造するのに十分な高さですが、他の材料の中には、ドーパントの溶解度が非常に低いものもあり、十分なドーパ​​ント濃度で製造するには、薄膜の成長などの熱非平衡製造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の材料で観察されています。それらのいくつかは、キャリア密度と磁化の間に明確な相関関係を示しており、T. Storyと同僚の研究は、Mn ²⁺ドープ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によって提唱された理論では、原型的な磁性半導体であるMn ²⁺ドープGaAs中のマンガンドーパントの磁気結合を媒介するために、ホールの場合の電荷キャリアが必要でした。磁性半導体のホール濃度が不十分な場合、キュリー温度は非常に低くなるか、常磁性のみを示します。しかし、ホール濃度が高い場合（>〜10 ²⁰ cm ⁻³）、キュリー温度は100〜200 Kの間で高くなります。 ^[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]捉えにくい外因性強磁性（または}ファントム強磁性） の多くは薄膜やナノ構造材料で観測されています。^[11]

提案されている強磁性半導体材料の例をいくつか以下に挙げます。以下の観察や予測の多くは、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。

• マンガンをドープしたインジウムヒ素とガリウムヒ素（GaMnAs）のキュリー温度はそれぞれ約50～100 Kと100～200 Kである。
• マンガンをドープしたアンチモン化インジウムは室温でも、また1%未満のMnでも強磁性を示す。^[12]
• 酸化物半導体^[13]
  • マンガンと鉄をドープした酸化インジウムは室温で強磁性を示す。この強磁性はキャリア電子によって媒介されるようであり、^{[14] [15]} GaMnAsの強磁性がキャリアホールによって媒介されるのと同様である。
  • 酸化亜鉛
    • マンガン添加酸化亜鉛
    • n型コバルトドープ酸化亜鉛^{[16] [17]}
  • 酸化マグネシウム:
    • 陽イオン空孔を有するp型透明MgO膜^{[18] [19]}強磁性と多値スイッチングを組み合わせたもの（メモリスタ）
  • 二酸化チタン:
    • コバルト添加二酸化チタン（ルチル型とアナターゼ型の両方）、400 K以上で強磁性
    • クロム添加ルチル、400 K以上で強磁性
    • 鉄ドープルチルおよび鉄ドープアナターゼは室温で強磁性を示す
    • 銅ドープアナターゼ^[4]
    • ニッケルドープアナターゼ
  • 二酸化スズ
    • マンガン添加二酸化スズ、キュリー温度340 K
    • 鉄添加二酸化スズ、キュリー温度340 K
    • ストロンチウム添加二酸化スズ（SrSnO
      ₂） – 希薄磁性半導体。シリコンチップ上にエピタキシャル薄膜を合成することができる。 ^{[20] [21]}
  • キュリー温度が 69K の酸化ユーロピウム(II)。キュリー温度はドーピング (酸素欠乏、Gd など) によって 2 倍以上に上昇します。
• 窒化物半導体
  • クロム添加窒化アルミニウム^[22]
• (Ba,K)(Zn,Mn) ₂ As ₂ : 正方晶の平均構造と斜方晶の局所構造を持つ強磁性半導体。^[23]

• アンドリュー・カボット。プンテス、ビクター F.シェフチェンコ、エレナ。イン、ヤドン。バルセルズ、ルイス。マーカス、マシュー A.ヒューズ、スティーブン M.アリビサトス、A. ポール (2007)。 「鉄ナノ粒子の酸化中の空孔合体」(PDF)。アメリカ化学会誌。129 (34): 10358–10360。土井：10.1021/ja072574a。PMID  17676738。S2CID 13430331。2012-03-01の オリジナル(PDF)からアーカイブ。2009 年 11 月 20 日に取得。
• Chambers, Scott A. (2010). 「ドープ遷移金属および複合酸化物膜のエピタキシャル成長と特性」。Advanced Materials . 22 (2): 219–248. Bibcode :2010AdM....22..219C. doi : 10.1002/adma.200901867 . PMID  20217685. S2CID  5415994.