GaN系磁性混晶半導体におけるキャリヤ誘起強磁性発現と磁気光学効果の電界制御

GaN基磁性混晶半导体中载流子诱导铁磁性和磁光效应的电场控制

• 批准号: 14750007
• 负责人: 近藤 剛
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14750007/
• 关键词: 磁性混晶半導体; 希釈磁性半導体; III族窒化物半導体; キャリヤ誘起強磁性; 磁気光学効果; 円偏光発光素子; 希薄磁性半導体

GaN系磁性混晶半導体(MAS)におけるキャリヤ誘起強磁性(CIF)発現とその現象を利用した新しい磁気光学素子の創製を目指して研究をおこなった。本年度は、GaN系MASでは不純物バンドにおける2重交換相互作用による強磁性発現とバンド端発光の評価に焦点を絞り研究をおこなった。(Al,Ga)N/(In,Ga,Mn)N/(Al,Ga)N量子井戸構造において観測されるバンド端発光について異なるIn組成をもつ試料おける発光特性の比較をおこなった。その結果、In組成増加に対し、Mn^<2+>イオン内殻d-d遷移からの発光はシフトしないのにもかかわらず、バンド端付近の発光ピークは低エネルギー側ヘシフトすることが観測され、この発光がバンド間遷移に強く関連した発光であることが確認された(JJAP投稿中)。また磁場下での発光スペクトル測定をおこなったが、発光ピーク幅が広く期待したバンドのスピン偏極による発光ピークの分裂を観測するまでには至らなかった。昨年度の研究成果から(Ga,Mn)N中のMnアクセプタ準位がバンドギャップ内の深い位置に形成されること、また結晶欠陥が原因と考えられる電荷補償によってその不純物バンドが電子で満たされているため強磁性が発現していないことが明らかになっていた。そこで、本年度は光照射、電界印加などの手法を用いて不純物バンドから電子を引き抜き、強磁性を発現させることをねらった実験をおこなったが、強磁性発現を確認することはできなかった。本研究で得られた成果をまとめと次の2点となる;(1)GaN系MASにおいて不純物バンドの存在を実験的に明らかにし、強磁性発現への指針を得た、(2)GaN系MASの円偏光発光素子材料としての可能性を見出した。また結晶成長の方法などの改良などによって、電荷補償の原因となっている結晶欠陥を低減することで将来的にはGaN系MASにおいて強磁性が発現できることが本研究の研究成果から期待される。

我们开展的研究旨在在 GaN 基磁性混合晶体半导体 (MAS) 中表达载流子诱导铁磁性 (CIF)，并利用这种现象创建新型磁光器件。今年，我们的研究重点是杂质能带中双交换相互作用导致的铁磁性的发展以及GaN基MAS中能带边缘发射的评估。我们比较了不同 In 成分样品中 (Al,Ga)N/(In,Ga,Mn)N/(Al,Ga)N 量子阱结构中观察到的带边发射。结果，观察到随着In组成的增加，尽管来自Mn^ 2+ 离子内壳层d-d跃迁的发射没有移动，但能带边缘附近的发射峰移动到较低能量侧。证实发光与带间跃迁密切相关（目前正在提交给 JJAP）。我们还在磁场下测量了发射光谱，但由于带的自旋极化而无法观察到发射峰的分裂，预计其具有较宽的发射峰宽度。去年的研究结果表明，(Ga,Mn)N中的Mn受主能级在带隙深处形成，并且由于被认为是由晶体缺陷引起的电荷补偿，杂质能带被电子填充。由于铁磁性的存在，没有表现出铁磁性。因此，今年，我们进行了旨在通过光照射和施加电场等技术从杂质带中提取电子来产生铁磁性的实验，但我们无法确认铁磁性的发展。本研究获得的结果可概括如下：（1）通过实验阐明了GaN基MAS中杂质带的存在，并获得了铁磁性发展的指导方针（2）我们发现了GaN基MAS。 MAS作为圆偏振光发射器件材料的潜力。此外，从本研究的研究结果中预计，通过改进晶体生长方法，减少引起电荷补偿的晶体缺陷，未来可以在GaN基MAS中开发铁磁性。

项目成果

T.Kondo, H.Owa, H.Munekata: "(Ga,Mn)N:Sn epilayers"Journal of Superconductivity : Incorporating Novel Magnetism. (2003)

T.Kondo、H.Owa、H.Munekata：“(Ga,Mn)N:Sn 外延层”超导杂志：结合新颖的磁性。