JP2010129608A - 磁性半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板と格子整合し、キュリー温度Ｔｃが室温であるＩＩ−ＩＶ−Ｖ２族化合物磁性半導体材料で量子井戸層あるいは強磁性電極を構成した磁性半導体素子を提供する。
【解決手段】
磁性半導体素子１０は、ＩｎＰからなる基板１１と、Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなりかつ基板１１の上に結晶成長された量子井戸層１３と、ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり基板１１の上に結晶成長されかつ量子井戸層１３を挟持する一組の障壁層１２，１４と、を備える。障壁層１２，１４にＩｎＡｌＡｓを採用した場合、Ａｌ組成は０．４３〜０．５３％であることが好ましくは、ＩｎＧａＡｓを採用した場合、Ｇａ組成が０．４２〜０．５２％であることが好ましい。
【選択図】図５
【解決手段】
磁性半導体素子１０は、ＩｎＰからなる基板１１と、Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなりかつ基板１１の上に結晶成長された量子井戸層１３と、ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり基板１１の上に結晶成長されかつ量子井戸層１３を挟持する一組の障壁層１２，１４と、を備える。障壁層１２，１４にＩｎＡｌＡｓを採用した場合、Ａｌ組成は０．４３〜０．５３％であることが好ましくは、ＩｎＧａＡｓを採用した場合、Ｇａ組成が０．４２〜０．５２％であることが好ましい。
【選択図】図５
Description
本発明は、磁性半導体に関するものであり、詳しくは、ＩＩ−ＩＶ−Ｖ２族の磁性半導体を含んだ磁性半導体素子及びその製造方法に関するものである。
薄膜作製技術や半導体プロセス技術の飛躍的な進歩により、半導体素子の微細化（高密度実装）が進んでいる。そして、半導体素子を形成する薄膜材料の寸法がナノスケールオーダに到達しつつある。ナノスケールオーダでは、半導体素子を構成する原子や電子の大きさが無視できなくなり、特別な挙動を考慮する必要がある。
例えば、半導体素子に帯電する電子の挙動に関しては、１００ｎｍ（ナノメートル）以下の半導体素子（薄膜）を対象とする際には、荷電粒子としての性質だけでなく、電子波（ド・ブロイ波）としての性質や、自転スピン磁石としての性質（原子内部の電子が自転（スピン）による磁気モーメントを持つ性質）を利用することが可能になる。
このように、固体中における電子の電荷のみを利用するエレクトロニクス技術に対して、固体中における電子の電荷及びスピンの自由度を利用する技術をスピントロニクスと呼ばれている。このスピントロニクス技術は、エレクトロニクス技術では実現できなかった機能や性能（例えば、情報処理とデータ蓄積の同時処理）を持つデバイスが実現可能であるため、最近特に注目されている。
このようなスピントロニクス技術に適用可能な半導体として、強磁性と半導体の両方の性質を兼ね備えた磁性半導体(Magnetic Semiconductor)が挙げられ、特に、化合物半導体の結晶内の一部を、磁性を持つ遷移金属元素（鉄Ｆｅ、マンガンＭｎ、クロムＣｒなど）などの原子で置換（添加）した磁性半導体である希薄磁性半導体（Diluted Magnetic Semiconductor，ＤＭＳ）が挙げられ、添加した遷移金属元素又は組成に応じた磁気特性を示すため、理論計算や結晶成長による実験の双方から精力的に研究がなされている。
現在の希薄磁性半導体の欠点は、キュリー温度（Curie Temperature，Ｔｃ）の低さである。なお、キュリー温度Ｔｃとは強磁性体が常磁性体に変化する転移温度のことであり、大半の希薄磁性材料は液体窒素等で冷却した場合にのみ強磁性を示し、室温では磁性が消失してしまう。
さらに別の欠点は、磁性半導体材料の格子定数と基板の格子定数とが整合していない格子不整合の場合には、基板上に磁性半導体材料を高品質に結晶成長させることができず、強磁性金属グラニュールなどの第二相（相分離した異物）が生じる可能性があるために、作製したデバイスを動作させるために必要な単一相磁性半導体の物理的性質を発現させることができない。
希薄磁性半導体材料には、ＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料やＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が挙げられ、特に後者の半導体材料の一つであるＧａＭｎＡｓ（Ｍｎを添加したＧａＡｓ）は、ＧａＡｓ基板に格子整合して良好な結晶品質を実現できるものの、キュリー温度Ｔｃは１５０Ｋ程度であり、通常のデバイスの動作温度である室温では強磁性にならない半導体として確認されている。
そこで、本願の発明者らは、上記欠点を克服可能な材料として、ＩＩ−ＩＶ―Ｖ２族化合物半導体材料であるＺｎＳｎＡｓ２を母体として、構成元素の一部が遷移金属Ｍｎで置換された磁性半導体薄膜及びその製造方法を既に提案している（特許文献１）。
また、特許文献２では、ＩＩ−ＩＶ−Ｖ２族化合物として、Ｍｎを添加したＣｄＧｅＰ２やＭｎを添加したＺｎＧｅＰ２を使用して、磁性半導体薄膜が製造可能であることが開示されている。
しかしながら、これらの特許文献では、強磁性半導体を発現する薄膜自体が作製可能であることを言及するのみであり、具体的に実現可能な室温磁性半導体を用いた量子井戸構造やトンネル磁気抵抗素子構造のようなスピントロニクス半導体素子については、その作製可能性など応用可能な程度まで言及するものではなかった。
特開２００８−６０４７４号公報
特許３７７３８９９号公報
そこで、本発明は、以上のような従来技術における問題点や欠点に着目し、基板と格子整合し、キュリー温度Ｔｃが室温であるＩＩ−ＩＶ−Ｖ２族化合物磁性半導体材料で量子井戸層あるいは強磁性電極を構成した磁性半導体素子を提供することを目的とする。
本願発明の本発明者は、鋭意検討の末、インジウムリン基板（ＩｎＰ）に、ＺｎＳｎＡｓ２とＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＡｌＡｓとを組み合わせた半導体素子を構成すれば、製造上より現実的な磁性半導体素子を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明では次の１〜８の構成をとるものである。
１．ＩｎＰからなる基板と、
Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなり、かつ前記基板の上に結晶成長された量子井戸層と、
ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり、前記基板の上に結晶成長され、かつ、前記量子井戸層を挟持する一組の障壁層と、
を備えた磁性半導体素子。
２．前記ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成が０．４３〜０．５３％であることを特徴とする前記１に記載の磁性半導体素子。
３．前記ＩｎＧａＡｓのＧａ組成が０．４２〜０．５２％であることを特徴とする前記１又は２に記載の磁性半導体素子。
４．前記量子井戸層と前記障壁層とが多数形成された多重量子井戸構造を備え、円偏光発光することを特徴とする前記１〜３のいずれか1項に記載の磁性半導体素子。
５．ＩｎＰからなる基板と、
ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり、かつ前記基板の上に結晶成長された絶縁障壁層と、
Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなり、前記基板の上に結晶成長され、かつ前記絶縁障壁層を挟持する一組の強磁性電極と、を備え、
トンネル磁気抵抗効果を発揮することを特徴とする磁性半導体素子。
６．前記ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成が０．４３〜０．５３％であることを特徴とする前記５に記載の磁性半導体素子。
７．前記ＩｎＧａＡｓのＧａ組成が０．４２〜０．５２％であることを特徴とする前記５又は６に記載の磁性半導体素子。
８．前記強磁性電極の一方が固定磁化電極であり、スピン偏極を行うことを特徴とする前記５〜７のいずれか1項に記載の磁性半導体素子。
Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなり、かつ前記基板の上に結晶成長された量子井戸層と、
ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり、前記基板の上に結晶成長され、かつ、前記量子井戸層を挟持する一組の障壁層と、
を備えた磁性半導体素子。
２．前記ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成が０．４３〜０．５３％であることを特徴とする前記１に記載の磁性半導体素子。
３．前記ＩｎＧａＡｓのＧａ組成が０．４２〜０．５２％であることを特徴とする前記１又は２に記載の磁性半導体素子。
４．前記量子井戸層と前記障壁層とが多数形成された多重量子井戸構造を備え、円偏光発光することを特徴とする前記１〜３のいずれか1項に記載の磁性半導体素子。
５．ＩｎＰからなる基板と、
ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり、かつ前記基板の上に結晶成長された絶縁障壁層と、
Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなり、前記基板の上に結晶成長され、かつ前記絶縁障壁層を挟持する一組の強磁性電極と、を備え、
トンネル磁気抵抗効果を発揮することを特徴とする磁性半導体素子。
６．前記ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成が０．４３〜０．５３％であることを特徴とする前記５に記載の磁性半導体素子。
７．前記ＩｎＧａＡｓのＧａ組成が０．４２〜０．５２％であることを特徴とする前記５又は６に記載の磁性半導体素子。
８．前記強磁性電極の一方が固定磁化電極であり、スピン偏極を行うことを特徴とする前記５〜７のいずれか1項に記載の磁性半導体素子。
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
本発明によれば、半導体素子の磁性半導体層を構成するＭｎを添加したＺｎＳｎＡｓ２は、キュリー温度（強磁性体転移温度）として３００Ｋ以上を示し、かつ、該半導体素子が載置される基板をＩｎＰ基板とすれば良好に格子整合する。さらに、このＩｎＰ基板の格子定数と磁性半導体層の格子定数との双方に同等な格子定数に調整したＩＩＩ−Ｖ族化合物（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなど）を該磁性半導体層に隣接するように設置されることにより、結晶品質が良好な量子井戸構造やトンネル磁気抵抗素子構造を備えた半導体デバイスを実現することが可能になる。
具体的には、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２をその両側からＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓで挟み込む構成にすることで量子井戸構造を備えた半導体デバイスを実現することができ、これを応用して、円偏光発光素子を提供することが可能になる。
また、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓをその両側からＭｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２で挟み込む構成にすることで、両側に強磁性電極で挟持された絶縁障壁層が形成されたトンネル抵抗素子（Tunnel Magneto Resistance，ＴＭＲ）を実現することができ、例えばスピン偏極素子（スピンフィルタ）を提供することが可能になる。
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施態様に何等限定されるものではない。なお、各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
本発明の磁性半導体素子は、遷移金属元素Mnを添加したＺｎＳｎＡｓ２を磁性半導体材料として適用することを特徴とする。
このＺｎＳｎＡｓ２はＩＩ−ＩＶ−Ｖ２族化合物半導体の一つである。なお、ＩＩ−ＩＶ−Ｖ２族化合物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体においてＩＩＩ属元素を規則的にＩＩｂ属およびＩＶ属元素で置き換えることにより得られる。
また、ＺｎＳｎＡｓ２の結晶構造は、閃亜鉛鉱構造の単位胞をｃ軸方向に２段重ねにしたような正方晶系の単位胞をもち、この構造は黄銅鉱ＣｕＦｅＳ２の構造と同じなので、黄銅鉱の英語名をとってカルコパイライト構造という。
本発明の磁性半導体素子の製造方法は、加熱したＩｎＰ基板上に、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２、ＩｎＡｌＡｓ、及び／又はＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させることを特徴とする。従って、半導体材料形成技術としては、材料のエピタキシャル成長が可能な形成方法であれば特定のものに限定されないが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法であるのが好ましい。いずれの形成方法においても磁性半導体材料のエピタキシャル成長が可能であるが、ＭＢＥ法により磁性半導体薄膜を形成することにより、成長方向や組成分布等をより精密に制御した磁性半導体材料を形成することができる。一方、ＭＯＣＶＤ法により磁性半導体材料を形成することにより、磁性半導体材料の形成時間を短縮することができるだけでなく、大量生産を行うことができる。
次に、図１を参照しながら、本発明の磁性半導体素子を構成する各材料の格子定数について説明する。図１は半導体材料の格子定数に対するバンドギャップを示す。ここで、格子定数（lattice constant）とは結晶軸の長さや軸間角度のことであり、単位格子の各綾間の角度α，β，γと、各軸の長さａ，ｂ，ｃを表す6個の定数である。図１の横軸ではaの値のみを表す（単位：Å）。また、図１の縦軸のバンドギャップ（禁止帯）は、半導体、絶縁体のバンド構造において、電子に占有された最も高いエネルギーバンド（価電子帯）の頂上から、最も低い空のバンド（伝導帯）の底までの間のエネルギー準位、またはそのエネルギーの差である（単位：電子ボルトｅＶ）。
この図１から、本発明の磁性半導体素子に採用するＺｎＳｎＡｓ２とＩｎＰとの格子定数は、共に約５．８５〜５．９の範囲（図中Ａのゾーン）に含まれており、よく整合していることがわかる。
次に、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとの格子定数を検討する。ＩｎＡｌＡｓの格子定数は、３つの元素が混じった三元混晶の値であり、すなわち、図１中の二元混晶ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓの格子定数を結ぶ線上の値をとる。すなわち、三元混晶の格子定数は組成に比例し（Ｖｅｇａｒｄ則）、二元混晶の格子定数の値から内挿する。例えば、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＡｓのＩｎの組成（１−ｘ）が零に近づけば、すなわちＡｌの組成ｘは増大するため、ＡｌＡｓの格子定数の値に近づいていき、逆にＩｎの組成（１−ｘ）が占める割合が多くなるほどＡｌの組成ｘは減少するため、ＩｎＡｓの格子定数の値に近づいていくことになる。ＩｎＧａＡｓの場合も同様に、ＩｎＧａＡｓ格子定数は二元混晶ＧａＡｓ，ＩｎＡｓの値から内挿した線から求められる。
この図１から、ＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓがＩｎＰやＺｎＳｎＡｓ２に良好に格子整合するには、ＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓのＡｌやＧａの組成ｘを調整して、夫々の格子定数がＩｎＰやＺｎＳｎＡｓ２の格子定数と合致するようにすればよい。好ましくは、ＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓの値がゾーンＡの範囲に入るようにＡｌやＧａの組成を調整すればよい。すなわち、Ａｌ組成については、ｘ＝０．４３〜０．５３（より好ましくは約０．４８）に設定し、Ｇａ組成については、ｘ＝０．４２〜０．５２（より好ましくは約０．４７）に設定する。
なお、ＩｎＰ基板に最適に格子整合するＩｎＧａＡｓのＧａ組成ｘは０．４７であり、ＩｎＡｌＡｓではＡｌ組成ｘが０．４８であるが、強磁性を発現させるためにＺｎＳｎＡｓ２にＭｎ原子を添加した場合には、Ｍｎ原子はＺｎＳｎＡｓ２のＺｎ位置あるいはＳｎ位置を置換するためにＭｎの添加量によってＺｎＳｎＡｓ２の平均格子定数が変化する。このような格子定数の変化に整合させるために、Ａｌ組成については、ｘ＝０．４３〜０．５３に設定し、Ｇａ組成については、ｘ＝０．４２〜０．５２に設定した。以上のように格子定数の範囲を設定・制御して作製した量子井戸構造は、その内部にひずみが生じないといった効果をさらに有する。
以上の理論計算の結果を検証するため、ＩｎＰ基板にＺｎＳｎＡｓ２を実際に結晶成長させてＰＮ接合ダイオードを作製した。
図２は、透過型電子線顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した、ＩｎＰ基板とＺｎＳｎＡｓ２層との界面を示したＴＥＭ画像を示す。これにより、両者の界面の格子は合致しており（両者が格子整合しており）、良好な半導体界面を実現していることがわかる。
図３は、本発明のＰＮ接合ダイオードにおける電圧Ｖｄ（Ｖ）と電流密度Ｊｄ（Ａ／ｃｍ２）との関係を示す。図３のＰＮ接合ダイオードは、ＺｎＳｎＡｓ２層及びＩｎＰ基板をそれぞれＰ型伝導体及びＮ型伝導体として構成されている。図３から、順方向（正方向）に電圧Ｖｄを印加すると電流密度Ｊｄは高い値をとり（すなわち、電流は流れ易くなり）、逆方向（負方向）に電圧Ｖｄを印加しても電流密度はほぼ変わらず零のままである（すなわち、電流は流れにくくなる）ことがわかる。すなわち、図３から、本発明で採用する基板と磁性半導体層との組み合わせが、良好なダイオード特性（一方向のみ電流を流す特性）を示す半導体素子（ＰＮ接合ダイオード）として機能していることがわかった。なお、ＺｎＳｎＡｓ２に替えて、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２をＰ型伝導体として採用した場合でも同様な結果を得た。
次に、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２のキュリー温度について検証した。図４は、Ｍｎを約４％添加したＺｎＳｎＡｓ２からなる層を、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device、超電導量子干渉素子）磁束計を用いて測定したグラフである。なお、ＳＱＵＩＤは、材料の磁化の温度依存性や外部磁界依存性が精度良く測定できる測定装置である。
図４に示すグラフの横軸は温度Ｔ（Ｋ）、縦軸は残留磁化Ｍ（電磁単位ｅｍｕ）である。なお、このグラフにプロットしたＭｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２のデータは、基板（ＩｎＰ基板）による反磁性効果を除去して得られたデータを用いている。この図４より、低温領域から高温領域まで温度を変化させて残留磁化を測定した結果、キュリー温度Ｔｃが室温以上の約３３３Ｋであることが確認された。これにより、本発明により形成された磁性半導体層は、室温以上において（室温においては十分に）強磁性を有するものであることが確認された。
図５に本発明の第１実施例の磁性半導体素子１０の構成を示す。
本実施例の磁性半導体素子１０には、基板１１としてＩｎＰ基板を用い、この基板１１を加熱しながら、この上にＺｎＡｎＡｓ２よりもバンドギャップが大きなＩｎＡｌＡｓを障壁層１２として結晶成長させ、引き続き量子井戸層１３としてＭｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２を結晶成長させ、さらにＩｎＡｌＡｓを障壁層１４として成長させて（異種の材料でヘテロ接合させ）、磁性量子井戸構造を備えた磁性半導体素子１０を作製した。なお、各層１２，１３，１４はＭＢＥ法によりエピタキシャル成長させた。
これにより、図５（ｂ）に示すように、障壁層１２，１４ではバンドギャップ（価電子帯と伝導帯とのエネルギギャップ）が大きくなり、これにヘテロ接合された量子井戸層１４ではバンドギャップが小さくなり、この量子井戸層１４に電子やホールを注入・再結合させることで、バンドギャップに相当するエネルギーを光等として放出することが可能となる。ここで、Ｅｇ１とＥｇ２とは障壁層１２，１４のバンドギャップと量子井戸層１３のバンドギャップであり、ＥｃとＥｖとは、伝導帯下端のエネルギーと価電帯上端のエネルギーであり、Ｚ方向とは基板１１に対して垂直な方向である。
ここで分子線エピタキシー装置の基板温度は、２５０〜３５０℃までの温度で行うことができる。本実施例での基板加熱温度は、使用した分子線エピタキシー装置の条件から３００℃に設定した。この設定加熱温度で成長したＭｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２の量子井戸層１３は良質な結晶構造となっていたことを確認した。また、障壁層１２，１４となるＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成ｘは、ＩｎＰ基板１１と格子定数が合致する０．４８に設定した。
なお、前述の第１実施例の障壁層１２，１４の材料は、ＩｎＡｌＡｓに替えて、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとの混合物からなる材料を採用してもよく、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２を挟持する上側の障壁層１４と下側の障壁層１２との材料が、上記材料から選択されれば、異なっていてもよい。また、ＩｎＰ基板１１に完全には格子整合しないＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂを障壁層１２，１４として採用することも可能である。
上記のヘテロ接合構造を備えた磁性半導体素子１０は、円偏光を出力できる円偏光発光素子に適用することができ、ひいては、該素子の構造を共振器構造に構成した半導体レーザや発光ダイオードを実現することが可能となる。
図６（ａ）は、本発明の第２実施例の磁性半導体素子２０の構成を示す。
第１実施例と同様に、基板２１としてＩｎＰ基板を用い、このＩｎＰ基板２１上にＭＢＥ法にて同様の加熱条件で各半導体材料をエピタキシャル成長させた。第２実施例では、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２、ＩｎＧａＡｓ、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２の順で、つまり、ＩｎＧａＡｓがその両側からＭｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２によって挟持される構成となるように、これらの材料をＩｎＰ基板２１上にエピタキシャル成長させた。なお、ＩｎＧａＡｓのＧａ組成ｘは、ＺｎＳｎＡｓ２と格子定数が合致する０．４７に設定した。
本発明の磁性半導体素子２０を以上のように構成することで、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子を提供することができる。具体的には、半導体素子２０を構成するＩｎＧａＡｓを絶縁障壁層２３として機能させ、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２をこの絶縁障壁層２３を両側から挟みこむ強磁性電極２２，２４として機能させることが可能になる。
以上のような第２実施例の半導体素子２０のバンドギャップは、図６（ｂ）のようになる。ここで、Ｅｇ３とＥｇ４とは強磁性電極２２，２４のバンドギャップと絶縁障壁層２３のバンドギャップであり、ＥｃとＥｖとは、伝導帯下端のエネルギーと価電帯上端のエネルギーであり、Ｚ方向とは基板２１に対して垂直な方向である。
上記のヘテロ接合構造を備えかつＴＭＲ効果を発揮する磁性半導体素子２０は、強磁性電極２２，２４の一方を、フェリ強磁性を交換結合により固定した固定磁化電極とし、他方の強磁性電極を磁化方向が自由な電極にすることにより、磁化方向が自由な電極から絶縁障壁層２３を介して固定磁化電極を通過する電子（例えば、図６（ｂ）に示す上側及び下側方向にスピンを有した電子）は、スピン方向が制御されること（例えば、図６（ｂ）に示す下側方向にだけ向く）になる。すなわち、本発明の第２実施例に示した構造を備えた磁性半導体素子２０により、スピン偏極素子（スピンフィルタ）を提供することが可能になる。
なお、前述の第２実施例の絶縁障壁層２３の材料は、ＩｎＧａＡｓに替えて、ＩｎＡｌＡｓ、又はＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓとの混合物、からなる材料を採用してもよく、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２に完全には格子整合しないＩｎＡｓ、ＧａＡｓＳｂを採用することも可能である。
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
本発明によれば、半導体素子の磁性半導体層を構成するＭｎを添加したＺｎＳｎＡｓ２は、キュリー温度（強磁性体転移温度）として３００Ｋ以上を示し、かつ、該半導体素子が載置される基板をＩｎＰ基板とすれば良好に格子整合する。さらに、このＩｎＰ基板の格子定数と磁性半導体層の格子定数との双方に同等な格子定数に調整したＩＩＩ−Ｖ族化合物（ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなど）を該磁性半導体層に隣接するように設置されることにより、結晶品質が良好な量子井戸構造やトンネル磁気抵抗素子構造を備えた半導体デバイスを実現することが可能になる。
具体的には、Ｍｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２をその両側からＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓで挟み込む構成にすることで量子井戸構造を備えた半導体デバイスを実現することができ、これを応用して、円偏光発光素子を提供することが可能になる。
また、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓをその両側からＭｎ添加ＺｎＳｎＡｓ２で挟み込む構成にすることで、両側に強磁性電極で挟持された絶縁障壁層が形成されたトンネル抵抗素子（Tunnel Magneto Resistance，ＴＭＲ）を実現することができ、例えばスピン偏極素子（スピンフィルタ）を提供することが可能になる。
本発明は前記実施例に限定されることなく、特許請求の記載した発明の範囲内で種々の変更が可能であり、これらの変形例も本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
１０ 磁性半導体素子（第１実施例）
１１ 基板
１２ 障壁層
１３ 量子井戸層
１４ 障壁層
２０ 磁性半導体素子（第２実施例）
２１ 基板
２２ 強磁性電極
２３ 絶縁障壁層
２４ 強磁性電極
Ｅｇ１ 障壁層のバンドギャップ
Ｅｇ２ 量子井戸層のバンドギャップ
Ｅｇ３ 強磁性電極のバンドギャップ
Ｅｇ４ 絶縁障壁層のバンドギャップ
Ｅｃ 伝導帯下端のエネルギー
Ｅｖ 価電帯上端のエネルギー
１１ 基板
１２ 障壁層
１３ 量子井戸層
１４ 障壁層
２０ 磁性半導体素子（第２実施例）
２１ 基板
２２ 強磁性電極
２３ 絶縁障壁層
２４ 強磁性電極
Ｅｇ１ 障壁層のバンドギャップ
Ｅｇ２ 量子井戸層のバンドギャップ
Ｅｇ３ 強磁性電極のバンドギャップ
Ｅｇ４ 絶縁障壁層のバンドギャップ
Ｅｃ 伝導帯下端のエネルギー
Ｅｖ 価電帯上端のエネルギー
Claims (8)
- ＩｎＰからなる基板と、
Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなり、かつ前記基板の上に結晶成長された量子井戸層と、
ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり、前記基板の上に結晶成長され、かつ、前記量子井戸層を挟持する一組の障壁層と、
を備えた磁性半導体素子。 - 前記ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成が０．４３〜０．５３％であることを特徴とする請求項１に記載の磁性半導体素子。
- 前記ＩｎＧａＡｓのＧａ組成が０．４２〜０．５２％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性半導体素子。
- 前記量子井戸層と前記障壁層とが多数形成された多重量子井戸構造を備え、円偏光発光することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の磁性半導体素子。
- ＩｎＰからなる基板と、
ＩｎＡｌＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなり、かつ前記基板の上に結晶成長された絶縁障壁層と、
Ｍｎが添加されたＺｎＳｎＡｓ２からなり、前記基板の上に結晶成長され、かつ前記絶縁障壁層を挟持する一組の強磁性電極と、を備え、
トンネル磁気抵抗効果を発揮することを特徴とする磁性半導体素子。 - 前記ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成が０．４３〜０．５３％であることを特徴とする請求項５に記載の磁性半導体素子。
- 前記ＩｎＧａＡｓのＧａ組成が０．４２〜０．５２％であることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁性半導体素子。
- 前記強磁性電極の一方が固定磁化電極であり、スピン偏極を行うことを特徴とする請求項５〜７のいずれか1項に記載の磁性半導体素子。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015118926A1 (ja) * | 2014-02-05 | 2015-08-13 | 住友電気工業株式会社 | 半導体積層体、半導体積層体の製造方法および半導体装置の製造方法 |
| WO2018125062A1 (en) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | Intel Corporation | Magnetic contacts for spin qubits |
| CN109752785A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-05-14 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种电驱动的圆偏振光光源 |
| CN109870758A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-06-11 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种电致产生圆偏振光的光源 |
| CN111863971A (zh) * | 2019-04-30 | 2020-10-30 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的高截止的InGaAs半导体功率二极管 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05175119A (ja) * | 1991-12-26 | 1993-07-13 | Hitachi Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| JPH09293924A (ja) * | 1996-04-25 | 1997-11-11 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 回折光波長可変方法および回折効率可変方法と磁性半導体導波路素子および磁性半導体レーザー素子ならびにそれらの製造方法と高透磁率マウント装置と磁性半導体光学素子モジュールおよびその製造方法 |
| JP2003037330A (ja) * | 2001-07-26 | 2003-02-07 | Fujitsu Ltd | 半導体モード同期レーザ |
| JP2006210626A (ja) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Tokyo Institute Of Technology | ｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子及びレーザ素子 |
| JP2008060474A (ja) * | 2006-09-01 | 2008-03-13 | Nagaoka Univ Of Technology | 磁性半導体薄膜及び磁性半導体薄膜の製造方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05175119A (ja) * | 1991-12-26 | 1993-07-13 | Hitachi Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| JPH09293924A (ja) * | 1996-04-25 | 1997-11-11 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 回折光波長可変方法および回折効率可変方法と磁性半導体導波路素子および磁性半導体レーザー素子ならびにそれらの製造方法と高透磁率マウント装置と磁性半導体光学素子モジュールおよびその製造方法 |
| JP2003037330A (ja) * | 2001-07-26 | 2003-02-07 | Fujitsu Ltd | 半導体モード同期レーザ |
| JP2006210626A (ja) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Tokyo Institute Of Technology | ｐ−ｉ−ｎ型円偏光変調発光半導体素子及びレーザ素子 |
| JP2008060474A (ja) * | 2006-09-01 | 2008-03-13 | Nagaoka Univ Of Technology | 磁性半導体薄膜及び磁性半導体薄膜の製造方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015118926A1 (ja) * | 2014-02-05 | 2015-08-13 | 住友電気工業株式会社 | 半導体積層体、半導体積層体の製造方法および半導体装置の製造方法 |
| JP2015149335A (ja) * | 2014-02-05 | 2015-08-20 | 住友電気工業株式会社 | 半導体積層体、半導体積層体の製造方法および半導体装置の製造方法 |
| US9887310B2 (en) | 2014-02-05 | 2018-02-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Semiconductor layered structure, method for producing semiconductor layered structure, and method for producing semiconductor device |
| WO2018125062A1 (en) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | Intel Corporation | Magnetic contacts for spin qubits |
| US11264476B2 (en) | 2016-12-27 | 2022-03-01 | Intel Corporation | Magnetic contacts for spin qubits |
| CN109752785A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-05-14 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种电驱动的圆偏振光光源 |
| CN109870758A (zh) * | 2019-03-05 | 2019-06-11 | 金华伏安光电科技有限公司 | 一种电致产生圆偏振光的光源 |
| CN111863971A (zh) * | 2019-04-30 | 2020-10-30 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的高截止的InGaAs半导体功率二极管 |
| CN111863971B (zh) * | 2019-04-30 | 2023-10-31 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的高截止的InGaAs半导体功率二极管 |
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| Publication number | Publication date |
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