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JP5286502B2 - Ferromagnetic semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明は、電界により強磁性半導体の性質を変化する強磁性半導体素子に関する。   The present invention relates to a ferromagnetic semiconductor device that changes the properties of a ferromagnetic semiconductor by an electric field.

従来の半導体素子では、非磁性の半導体に電圧を印加して半導体のキャリア濃度を制御することで電気伝導性を変化させている。半導体素子に対する情報の書換えは、電界効果による電気伝導性を利用している。電圧印加は微小な電極でも行うことができるため、半導体素子の集積化は容易に実現できる。一方、半導体素子からの情報の読み取りの際には電気伝導性を一定に保持する必要がある。そのため、電力が常に必要となり、半導体素子を用いた情報の読み取りの場面では省電力化には向かない。   In a conventional semiconductor element, electric conductivity is changed by applying a voltage to a nonmagnetic semiconductor to control the carrier concentration of the semiconductor. The rewriting of information for a semiconductor element utilizes electrical conductivity due to a field effect. Since voltage can be applied even with a minute electrode, integration of semiconductor elements can be easily realized. On the other hand, it is necessary to keep electric conductivity constant when reading information from a semiconductor element. Therefore, electric power is always required, and it is not suitable for power saving in the situation of reading information using a semiconductor element.

これに対し、従来の強磁性体素子では、強磁性体のミクロな磁区構造と情報とを対応させている。よって、情報の保持、即ち、磁区構造の保持には電力は不要であり、省電力化に適している。一方、情報の書換え、即ち、磁区構造を変化させるには、外部から磁場を印加するか大きな電流を流す必要がある。外部磁場の発生には磁石を必要とするため、集積化が容易ではなく大電流を流すので省電力化にも向かない。   On the other hand, in the conventional ferromagnetic element, the micro domain structure of the ferromagnetic substance is associated with information. Therefore, no power is required for holding information, that is, holding the magnetic domain structure, which is suitable for power saving. On the other hand, in order to rewrite information, that is, to change the magnetic domain structure, it is necessary to apply a magnetic field from the outside or to pass a large current. Since a magnet is required to generate an external magnetic field, integration is not easy and a large current flows, so it is not suitable for power saving.

そこで、強磁性と半導体との両方の性質を有する強磁性半導体材料が注目を浴びており、例えば(In,Mn)As、(Ga,Mn)Asでは、強磁性の電界制御が実証されている(非特許文献1乃至3)。   Therefore, ferromagnetic semiconductor materials having both properties of ferromagnetism and semiconductor are attracting attention. For example, in (In, Mn) As and (Ga, Mn) As, ferromagnetic electric field control has been demonstrated. (Non-Patent Documents 1 to 3).

特開2005−206890公報JP 2005-206890 A

H.Ohno et al., Nature 408,944 (2000)H. Ohno et al., Nature 408,944 (2000) D.Chiba et al., Science 301,943 (2003)D. Chiba et al., Science 301,943 (2003) D.Chiba et al., Nature 455,5155 (2008)D. Chiba et al., Nature 455,5155 (2008)

しかしながら、MnドープのInAsやMnドープのGaAsの強磁性半導体では、キュリー温度Tcがそれぞれ60K、170Kであるため、これらの強磁性半導体は室温と比べて十分低温で強磁性が消失するため、これらの強磁性半導体を用いたデバイスを室温下で動作させることは不可能であった。   However, in the ferromagnetic semiconductors of Mn-doped InAs and Mn-doped GaAs, the Curie temperatures Tc are 60K and 170K, respectively, and these ferromagnetic semiconductors lose their ferromagnetism at a sufficiently low temperature compared to room temperature. It was impossible to operate a device using a ferromagnetic semiconductor at room temperature.

本発明は、室温下での動作が可能な強磁性半導体素子を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a ferromagnetic semiconductor device capable of operating at room temperature.

本発明者らは、鋭意研究した結果、遷移元素ドープ二酸化チタンからなる強磁性半導体が室温よりも十分高いキュリー温度を持つことに注目し、この強磁性半導体に対してゲート電圧を印加することで、強磁性を制御することができることに着目して、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research, the present inventors have noticed that a ferromagnetic semiconductor made of transition element-doped titanium dioxide has a Curie temperature sufficiently higher than room temperature, and by applying a gate voltage to the ferromagnetic semiconductor. Focusing on the fact that ferromagnetism can be controlled, the present invention has been completed.

上記目的を達成するため、本発明における強磁性半導体素子の第一の構成は、基板と、基板上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた電解液と、電解液と接触するように設けられたゲート電極と、を含み、遷移元素がCo又はFeであり、電解液がCsClO4、Sr(ClO42、KClO4、NaClO4、LiClO4の一以上の電解質を溶媒に溶かしてなることを特徴とする。
本発明における強磁性半導体素子の第二の構成は、基板と、基板上に設けられた二酸化チタン層と、二酸化チタン層上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた電解液と、電解液と接触するように設けられたゲート電極と、を含み、遷移元素がCo又はFeであり、電解液がCsClO4、Sr(ClO42、KClO4、NaClO4、LiClO4の一以上の電解質を溶媒に溶かしてなることを特徴とする
In order to achieve the above object, the first configuration of the ferromagnetic semiconductor device in the present invention includes a substrate, a transition element-doped titanium dioxide layer provided on the substrate, and an electrolysis provided on the transition element-doped titanium dioxide layer. And a gate electrode provided in contact with the electrolytic solution, the transition element is Co or Fe, and the electrolytic solution is CsClO 4 , Sr (ClO 4 ) 2 , KClO 4 , NaClO 4 , LiClO 4. One or more electrolytes are dissolved in a solvent.
The second configuration of the ferromagnetic semiconductor element in the present invention includes a substrate, a titanium dioxide layer provided on the substrate, a transition element-doped titanium dioxide layer provided on the titanium dioxide layer, and a transition element-doped titanium dioxide layer. And a gate electrode provided in contact with the electrolytic solution, the transition element is Co or Fe, and the electrolytic solution is CsClO 4 , Sr (ClO 4 ) 2 , KClO 4. It is characterized in that one or more electrolytes of NaClO 4 and LiClO 4 are dissolved in a solvent .

本発明によれば、遷移元素ドープ二酸化チタンからなる強磁性半導体を電界により室温下で制御し、強磁性半導体のキャリア濃度を制御することができる。よって、例えば情報の読み取り及び書き込みの処理を室温状態で行うことができる。   According to the present invention, a ferromagnetic semiconductor made of transition element-doped titanium dioxide can be controlled by an electric field at room temperature, and the carrier concentration of the ferromagnetic semiconductor can be controlled. Thus, for example, information reading and writing processes can be performed at room temperature.

本発明の第一の実施形態に係る強磁性半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the ferromagnetic semiconductor element which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態に係る強磁性半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the ferromagnetic semiconductor element which concerns on 2nd embodiment of this invention. 第一及び第二の実施形態における強磁性半導体素子において、ゲート電極にゲート電圧を印加したときの模式図である。In the ferromagnetic semiconductor element in 1st and 2nd embodiment, it is a schematic diagram when a gate voltage is applied to a gate electrode. 本発明の第三の実施形態に係る強磁性半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the ferromagnetic semiconductor element which concerns on 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態に係る強磁性半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the ferromagnetic semiconductor element which concerns on 4th embodiment of this invention. 各実施例において二酸化チタン層及び遷移元素ドープ二酸化チタン層を形成する際に用いたレーザアブレーション装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the laser ablation apparatus used when forming a titanium dioxide layer and a transition element dope titanium dioxide layer in each Example. 実施例1において、アニール処理工程を含まない場合の結果を示す図であり、(A)は二酸化チタン層のRHEEDの強度を、(B)は二酸化チタン層のRHEED像を、(C)はコバルトドープ二酸化チタン層のRHEEDの強度を、(D)のAFMでの観察した像を示している。In Example 1, it is a figure which shows the result at the time of not including an annealing process process, (A) is the intensity | strength of RHEED of a titanium dioxide layer, (B) is a RHEED image of a titanium dioxide layer, (C) is cobalt. The intensity | strength of the RHEED of a dope titanium dioxide layer is observed with the AFM of (D). 実施例1において、アニール処理工程を含んだ場合の結果を示す図であり、(A)は二酸化チタン層のRHEEDの強度を、(B)は二酸化チタン層のRHEED像を、(C)はコバルトドープ二酸化チタン層のRHEEDの強度を、(D)のAFMでの観察した像を示している。In Example 1, it is a figure which shows the result at the time of including an annealing process process, (A) is the intensity | strength of RHEED of a titanium dioxide layer, (B) is a RHEED image of a titanium dioxide layer, (C) is cobalt. The intensity | strength of the RHEED of a dope titanium dioxide layer is observed with the AFM of (D). 実施例2において、コバルトドープ二酸化チタン膜の電気的測定を行うために微細加工によるホールバーの形成工程を模式的に示す図である。In Example 2, it is a figure which shows typically the formation process of the hole bar by fine processing in order to perform the electrical measurement of a cobalt dope titanium dioxide film. 実施例2に関し、コバルトドープ二酸化チタン層の抵抗率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the resistivity of a cobalt dope titanium dioxide layer regarding Example 2. FIG. 実施例2に関し、異なる酸素雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層の異常ホール伝導率の磁場依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic field dependence of the anomalous hole conductivity of the cobalt dope titanium dioxide layer created in different oxygen atmosphere regarding Example 2. FIG. 実施例2に関し、異なる酸素雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層の磁化測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the magnetization measurement of the cobalt dope titanium dioxide layer created in different oxygen atmosphere regarding Example 2. FIG. 実施例2に関し、異なる酸素雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層のキャリア濃度と異常ホール伝導率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the carrier density | concentration of the cobalt dope titanium dioxide layer produced in different oxygen atmosphere, and anomalous hole conductivity regarding Example 2. FIG. 実施例2に関し、異なる雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層の縦伝導率と異常ホール伝導率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the longitudinal conductivity and abnormal hole conductivity of the cobalt dope titanium dioxide layer created in different atmosphere regarding Example 2. FIG. 実施例3に関し、ゲート電圧を印加しない状態でのホール測定の結果を示すもので、(A)は異常ホール伝導率σAHの磁場依存性を、(B)はホール抵抗Rxyの磁場依存性を示すグラフである。FIG. 6 shows the results of Hall measurement in the state where no gate voltage is applied in Example 3, where (A) shows the magnetic field dependence of the anomalous hole conductivity σ AH and (B) shows the magnetic field dependence of the Hall resistance R xy . It is a graph which shows. 実施例3に関し、ゲート電圧を印加した際の抵抗の時間依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the time dependence of resistance at the time of applying a gate voltage regarding Example 3. FIG. 実施例3に関し、ゲート電圧を印加しない状態と印加した状態でのホール測定の結果を示すもので、(A)は異常ホール伝導率σAHの磁場依存性を、(B)はホール抵抗Rxyの磁場依存性を示すグラフである。FIG. 9 shows the results of Hall measurement with and without applying a gate voltage for Example 3, where (A) shows the magnetic field dependence of anomalous hole conductivity σ AH and (B) shows the Hall resistance R xy. It is a graph which shows the magnetic field dependence of. 実施例4に関し、ゲート電圧を印加しない状態と印加した状態でのホール測定の結果について、異常ホール伝導率σAHの磁場依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic field dependence of abnormal hole conductivity (sigma) AH about Example 4 about the result of the hole measurement in the state which applied the state which does not apply a gate voltage. (A)は、Ti0.9Co0.12−δ膜の磁気相図とゲート電圧印加によるキャリア濃度と異常ホール伝導率の変化を示すグラフであり、(B)はその一部拡大図である。(A) is a graph showing a magnetic phase diagram of a Ti 0.9 Co 0.1 O 2-δ film and a change in carrier concentration and anomalous hole conductivity due to gate voltage application, and (B) is a partially enlarged view thereof. FIG.

以下、図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は対応するものには同一の符号を付し説明を省略する。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る強磁性半導体素子1の断面図である。第一の実施形態に係る強磁性半導体素子1は、基板11と、基板11上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層12と、遷移元素ドープ二酸化チタン層12上に設けられた電解液13と、電解液13上に設けられたゲート電極14と、を含んで構成される。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or corresponding thing, and description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a sectional view of a ferromagnetic semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention. The ferromagnetic semiconductor device 1 according to the first embodiment includes a substrate 11, a transition element-doped titanium dioxide layer 12 provided on the substrate 11, and an electrolyte solution 13 provided on the transition element-doped titanium dioxide layer 12. And a gate electrode 14 provided on the electrolytic solution 13.

図2は、本発明の第二の実施形態に係る強磁性半導体素子2の断面図である。第二の実施形態に係る強磁性半導体素子2は、第一の実施形態に係る強磁性半導体素子1とは、基板11の上にバッファ層としての二酸化チタン層15を設けている点で異なる。これは、後述する実施例において詳細に説明するが、遷移元素ドープ二酸化チタン層12を高品質に設けるためである。第一の実施形態と第二の実施形態とは、二酸化チタン層15の有無で異なるため、以下の説明では、第二の実施形態を中心に説明する。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the ferromagnetic semiconductor device 2 according to the second embodiment of the present invention. The ferromagnetic semiconductor element 2 according to the second embodiment is different from the ferromagnetic semiconductor element 1 according to the first embodiment in that a titanium dioxide layer 15 as a buffer layer is provided on the substrate 11. This is because the transition element-doped titanium dioxide layer 12 is provided with high quality, as will be described in detail in the examples described later. Since the first embodiment and the second embodiment differ depending on the presence or absence of the titanium dioxide layer 15, the following description will focus on the second embodiment.

図1及び図2に示す強磁性半導体素子2において、何れの基板11にも、LaAlO、SrTiO、(La,Sr)(Al,Ta)O、サファイア、TiO、ガラスなどの素材を用いることができる。LaAlO、SrTiO、(La,Sr)(Al,Ta)Oの何れかからなる基板11を用いることで、アナターゼ型の二酸化チタン、アナターゼ型の遷移元素ドープ二酸化チタンをエピタキシャル成長させることができる。サファイア、ルチル型TiOからなる基板11を用いることで、ルチル型の二酸化チタン、ルチル型の遷移元素ドープ二酸化チタンをエピタキシャル成長させることができる。ガラスからなる基板11を用いた場合には、ルチル型とアナターゼ型との混合物が成長する場合があるが、作製条件の設定によりルチル型もしくはアナターゼ型が選択的に成長する。
遷移元素ドープ二酸化チタン層12における遷移元素には、コバルトや鉄を用いることができる。二酸化チタンに遷移元素をドープすることにより強磁性体となる。コバルトがドープされている場合には、Ti1−xCo2−δにおいて、xが、0<x<0.1となる範囲で、酸素欠損量δより少ないことが好ましい。Coのドープ量より少なくなると、導電性が低下し、強磁性が発現しない。
電解液13には、ポリエチレンオキシド溶媒などの高分子溶媒に、CsClO、Sr(ClO、KClO、NaClO、LiClOなどの溶質を溶かしたもの、又はイオン液体を用いることができる。ゲート電極14には、Pt、Au、Ag、Al、Tiなどの金属で構成され、層状のものや、ワイヤ状、螺旋状に巻いた形状のものであってもよい。ゲート電極14は、Auなどからなる電極層の単層構造又は二以上の多層構造であっても、Tiなどからなる密着層とAuなどからなる電極層との二層構造又は三以上の多層構造であってもよい。
In the ferromagnetic semiconductor device 2 shown in FIG. 1 and FIG. 2, materials such as LaAlO 3 , SrTiO 3 , (La, Sr) (Al, Ta) O 3 , sapphire, TiO 2 , glass, etc. are applied to any substrate 11. Can be used. By using the substrate 11 made of any one of LaAlO 3 , SrTiO 3 , (La, Sr) (Al, Ta) O 3 , anatase-type titanium dioxide and anatase-type transition element-doped titanium dioxide can be epitaxially grown. . By using the substrate 11 made of sapphire and rutile-type TiO 2 , rutile-type titanium dioxide and rutile-type transition element-doped titanium dioxide can be epitaxially grown. When the substrate 11 made of glass is used, a mixture of the rutile type and the anatase type may grow, but the rutile type or the anatase type grows selectively depending on the setting of manufacturing conditions.
Cobalt or iron can be used as the transition element in the transition element-doped titanium dioxide layer 12. A ferromagnetic material is obtained by doping transition elements into titanium dioxide. When cobalt is doped, in Ti 1-x Co x O 2-δ , x is preferably less than the oxygen deficiency δ in a range where 0 <x <0.1. When the amount of doping is less than Co, the conductivity is lowered and ferromagnetism does not appear.
As the electrolytic solution 13, a polymer solvent such as a polyethylene oxide solvent and a solute such as CsClO 4 , Sr (ClO 4 ) 2 , KClO 4 , NaClO 4 , LiClO 4 or the like can be used. . The gate electrode 14 is made of a metal such as Pt, Au, Ag, Al, or Ti, and may have a layered shape, a wire shape, or a spiral shape. Even if the gate electrode 14 has a single layer structure of an electrode layer made of Au or the like or two or more multilayer structures, a two-layer structure of an adhesion layer made of Ti or the like and an electrode layer made of Au or the like or three or more multilayer structures It may be.

図3は、第一及び第二の実施形態における強磁性半導体素子1,2において、ゲート電極14にゲート電圧を印加したときの模式図である。図3に示すように、遷移元素ドープ二酸化チタン層12に対してゲート電極14に正(又は負)のゲート電圧を印加すると、電解液13中の陽イオンと陰イオンが電界に引き寄せられて動き、遷移元素ドープ二酸化チタン層12と電解液13との境界面には、電子21とイオン22とからなる極薄の電気二重層23が形成される。これにより、高濃度の電子(又は正孔)のキャリアが増加する。これにより、後述するように、ゲート電極14に正のゲート電圧を印加すると、電子濃度が増加し、その結果、ホール抵抗が減少する。また、ホール伝導率の強磁性の磁化に寄与する成分、即ち、異常ホール伝導率が増加する。この強磁性の磁化は、遷移元素ドープ二酸化チタンが600Kという室温よりも高いキュリー温度を有するので、ゲート電極14へのゲート電圧の印加により、例えば320Kという室温下でも強磁性の強度を制御することができる。   FIG. 3 is a schematic diagram when a gate voltage is applied to the gate electrode 14 in the ferromagnetic semiconductor elements 1 and 2 in the first and second embodiments. As shown in FIG. 3, when a positive (or negative) gate voltage is applied to the gate electrode 14 with respect to the transition element-doped titanium dioxide layer 12, the cations and anions in the electrolyte 13 are attracted to the electric field and move. An ultrathin electric double layer 23 composed of electrons 21 and ions 22 is formed at the boundary surface between the transition element-doped titanium dioxide layer 12 and the electrolytic solution 13. Thereby, the carrier of a high concentration electron (or hole) increases. Thereby, as will be described later, when a positive gate voltage is applied to the gate electrode 14, the electron concentration increases, and as a result, the Hall resistance decreases. Further, the component contributing to the ferromagnetic magnetization of the hole conductivity, that is, the anomalous hole conductivity increases. Since the transition element-doped titanium dioxide has a Curie temperature higher than the room temperature of 600 K, the ferromagnetic strength is controlled by applying a gate voltage to the gate electrode 14 even at a room temperature of 320 K, for example. Can do.

図4は、本発明の第三の実施形態に係る強磁性半導体素子3の断面図である。
第三の実施形態に係る強磁性半導体素子3では、第二の実施形態において、電解液13を取り囲むように絶縁層18が遷移元素ドープ二酸化チタン層12上に形成されており、さらに、絶縁層18の外側で遷移元素ドープ二酸化チタン層12上にソース電極16とドレイン電極17とが設けられ、三端子構造の電界効果型トランジスタとなっている。この実施形態では、ゲート電極14にゲート電圧を印加することで、ソース電極16とドレイン電極17との間に形成される、遷移元素ドープ二酸化チタン層12のチャネルにおけるキャリア濃度の変化により、ソース電極16とドレイン電極17との間に流れる電流が変化する。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the ferromagnetic semiconductor device 3 according to the third embodiment of the present invention.
In the ferromagnetic semiconductor device 3 according to the third embodiment, in the second embodiment, the insulating layer 18 is formed on the transition element-doped titanium dioxide layer 12 so as to surround the electrolytic solution 13, and further, the insulating layer A source electrode 16 and a drain electrode 17 are provided on the transition element-doped titanium dioxide layer 12 outside the element 18 to form a three-terminal field effect transistor. In this embodiment, by applying a gate voltage to the gate electrode 14, the source electrode is changed by a change in carrier concentration in the channel of the transition element-doped titanium dioxide layer 12 formed between the source electrode 16 and the drain electrode 17. The current flowing between 16 and the drain electrode 17 changes.

本発明の第一乃至第三の実施形態に係る強磁性半導体素子1〜3では、遷移元素ドープ二酸化チタン層12とゲート電極14との間に電解液13を挟んだ電界効果型トランジスタであるが、電解液13の代わりに酸化物、即ちゲート酸化物であってもよい。以下、第二の実施形態に対応する場合を説明するが、その他の実施形態の場合も同様である。   The ferromagnetic semiconductor elements 1 to 3 according to the first to third embodiments of the present invention are field effect transistors in which the electrolyte solution 13 is sandwiched between the transition element-doped titanium dioxide layer 12 and the gate electrode 14. Instead of the electrolytic solution 13, an oxide, that is, a gate oxide may be used. Hereinafter, although the case corresponding to 2nd embodiment is demonstrated, the case of other embodiments is also the same.

図5は、本発明の第四の実施形態に係る強磁性半導体素子4の断面図である。第四の実施形態に係る強磁性半導体素子4は、基板11と、基板11上に設けられた二酸化チタン層15と、二酸化チタン層15上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層12と、遷移元素ドープ二酸化チタン層12上に設けられた酸化物層19と、酸化物層19上に設けられたゲート電極14と、を含んで構成される。酸化物層19は、AlO、HfO、ZrO、MgOの何れかからなるとよい。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the ferromagnetic semiconductor device 4 according to the fourth embodiment of the present invention. The ferromagnetic semiconductor device 4 according to the fourth embodiment includes a substrate 11, a titanium dioxide layer 15 provided on the substrate 11, a transition element-doped titanium dioxide layer 12 provided on the titanium dioxide layer 15, and a transition. An oxide layer 19 provided on the element-doped titanium dioxide layer 12 and a gate electrode 14 provided on the oxide layer 19 are included. The oxide layer 19 may be made of any one of AlO x , HfO 2 , ZrO 2 , and MgO.

第四の実施形態に係る強磁性半導体素子4の場合においても、図3を用いて説明した場合と同様、遷移元素ドープ二酸化チタン層12に対してゲート電極14に正(又は負)のゲート電圧を印加すると、遷移元素ドープ二酸化チタン層12と酸化物層19との境界面には電子とイオンとからなる極薄の電気二重層が形成され、高濃度の電子(又は正孔)のキャリアが増加する。これにより、ゲート電極14に正のゲート電圧を印加すると、電子濃度が増加し、その結果、ホール抵抗が減少する。また、ホール伝導率の強磁性の磁化に寄与する成分、即ち、異常ホール伝導率が増加する。この強磁性の磁化は、遷移元素ドープ二酸化チタンが600Kという室温よりも高いキュリー温度を有するので、ゲート電極14へのゲート電圧の印加により、例えば320Kという室温下でも強磁性の強度を制御することができる。   Also in the case of the ferromagnetic semiconductor device 4 according to the fourth embodiment, a positive (or negative) gate voltage is applied to the gate electrode 14 with respect to the transition element-doped titanium dioxide layer 12 as in the case described with reference to FIG. Is applied, an ultrathin electric double layer composed of electrons and ions is formed at the interface between the transition element-doped titanium dioxide layer 12 and the oxide layer 19, and high-concentration electron (or hole) carriers are generated. To increase. Thus, when a positive gate voltage is applied to the gate electrode 14, the electron concentration increases, and as a result, the Hall resistance decreases. Further, the component contributing to the ferromagnetic magnetization of the hole conductivity, that is, the anomalous hole conductivity increases. Since the transition element-doped titanium dioxide has a Curie temperature higher than the room temperature of 600 K, the ferromagnetic strength is controlled by applying a gate voltage to the gate electrode 14 even at a room temperature of 320 K, for example. Can do.

以下、実施例により本発明の実施形態を詳しく説明する。
本発明の強磁性半導体素子を作製する前提として、LaAlO基板11上にアナターゼ構造の二酸化チタン薄膜を高品質に作製する方法について検討した。図6は各実施例において二酸化チタン層15及び遷移元素ドープ二酸化チタン層12を形成する際に用いたレーザアブレーション装置の概念図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail by way of examples.
As a premise for producing the ferromagnetic semiconductor device of the present invention, a method for producing a high-quality titanium dioxide thin film having an anatase structure on a LaAlO 3 substrate 11 was examined. FIG. 6 is a conceptual diagram of a laser ablation apparatus used when forming the titanium dioxide layer 15 and the transition element-doped titanium dioxide layer 12 in each example.

図6に示すように、レーザアブレーション装置30では、高真空排気可能な真空チャンバー31内に基板ホルダー32が設置されており、基板ホルダー32の裏面に向けてレーザー光が照射されるよう半導体赤外レーザー装置33が配備されており、基板ホルダー32が裏面から半導体赤外レーザーにより加熱可能になっている。基板ホルダー32に対向するようにターゲットホルダー34が配置されている。真空チャンバー外からKrFエキシマレーザー35がターゲット34aに照射可能となっている。真空チャンバー31には酸素ガスを導入するための導入管36が配備されている。レーザアブレーション装置30には、基板11に対し電子線eを照射し、その回折像を検出するRHEED(反射高速電子回折)スクリーン37が真空チャンバー31内に配備されている。 As shown in FIG. 6, in the laser ablation apparatus 30, a substrate holder 32 is installed in a vacuum chamber 31 that can be evacuated to a high vacuum, and a semiconductor infrared is irradiated so that a laser beam is irradiated toward the back surface of the substrate holder 32. A laser device 33 is provided, and the substrate holder 32 can be heated by a semiconductor infrared laser from the back surface. A target holder 34 is disposed so as to face the substrate holder 32. The KrF excimer laser 35 can be irradiated to the target 34a from outside the vacuum chamber. The vacuum chamber 31 is provided with an introduction pipe 36 for introducing oxygen gas. In the laser ablation apparatus 30, an RHEED (reflection high energy electron diffraction) screen 37 for irradiating the substrate 11 with the electron beam e and detecting a diffraction image thereof is provided in the vacuum chamber 31.

LaAlO(100)基板11を真空チャンバー31内に導入し、半導体赤外レーザー装置33により650℃に加熱した。その後、真空チヤンバー31内に酸素ガスを導入し、酸素分圧1×10−3Torrの酸化雰囲気下で、純粋な二酸化チタンからなるターゲット34aをレーザーでアブレーションさせ、対向した基板11上に二酸化チタン層15を5nm厚さだけ堆積させた。次いで、導入管36から導入する酸素量を制御することで材料中の酸素欠損量を制御し、コバルトドープ二酸化チタン層12を400℃で堆積させた。 The LaAlO 3 (100) substrate 11 was introduced into the vacuum chamber 31 and heated to 650 ° C. by the semiconductor infrared laser device 33. Thereafter, oxygen gas is introduced into the vacuum chamber 31, and a target 34a made of pure titanium dioxide is ablated with a laser in an oxidizing atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 Torr. Layer 15 was deposited to a thickness of 5 nm. Next, the amount of oxygen vacancies in the material was controlled by controlling the amount of oxygen introduced from the introduction pipe 36, and the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 was deposited at 400 ° C.

図7は、実施例1においてアニール処理工程を含まない場合の結果を示す図で、(A)は二酸化チタン層15のRHEEDの強度を、(B)は二酸化チタン層15のRHEED像を、(C)はコバルトドープ二酸化チタン層12のRHEEDの強度を、(D)はAFM(Atomic force microscope)で観察した像を示している。図7(A)及び(C)の横軸は時間(分)であり、縦軸はRHEED強度(任意目盛)である。上記条件下では、図7(A)に示すようにバッファ層、即ち二酸化チタン層15でのRHEED強度に振動が観察されるのに対し、図7(C)に示すようにコバルトドープ二酸化チタン層12ではRHEED強度の振動が観察されなかった。作製した薄膜について表面をAFMで観察すると、図7(D)に示すように数十nm程度の結晶粒が集まった構造が存在していることから、三次元成長が観察された。   FIG. 7 is a diagram showing the results when the annealing process is not included in Example 1, where (A) shows the RHEED intensity of the titanium dioxide layer 15, (B) shows the RHEED image of the titanium dioxide layer 15, ( (C) shows the intensity of RHEED of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, and (D) shows an image observed with an AFM (Atomic force microscope). 7A and 7C, the horizontal axis represents time (minutes), and the vertical axis represents RHEED intensity (arbitrary scale). Under the above conditions, vibration is observed in the RHEED intensity in the buffer layer, that is, the titanium dioxide layer 15 as shown in FIG. 7 (A), whereas in the cobalt-doped titanium dioxide layer as shown in FIG. 7 (C). In No. 12, no vibration of RHEED intensity was observed. When the surface of the prepared thin film was observed by AFM, three-dimensional growth was observed because there was a structure in which crystal grains of about several tens of nanometers gathered as shown in FIG.

そこで、コバルトドープ二酸化チタン層12の最適化のため、二酸化チタン層15を酸素分圧1×10−3Torr、550℃で作製した後、基板11を900℃に加熱して10分間アニール処理を行った。次いで、二酸化チタン層15上に、基板温度を250℃に保ち、コバルトドープ二酸化チタン層12を形成した。 Therefore, in order to optimize the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, the titanium dioxide layer 15 is produced at an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 Torr and 550 ° C., and then the substrate 11 is heated to 900 ° C. and annealed for 10 minutes. went. Next, the substrate temperature was kept at 250 ° C. on the titanium dioxide layer 15 to form a cobalt-doped titanium dioxide layer 12.

図8は、実施例1においてアニール処理工程を含んだ場合の結果を示す図で、(A)は二酸化チタン層15のRHEEDの強度を、(B)は二酸化チタン層15のRHEED像を、(C)はコバルトドープ二酸化チタン層12のRHEEDの強度を、(D)はAFMで観察した像を示している。図8(A)及び(C)の横軸は時間(分)であり、縦軸はRHEED強度(任意目盛)である。このアニール処理により成膜直後ではストリークであったRHEEDスクリーン上の像においてラウエ球上にスポットが観察されるようになり(図8(A)(B)、図7(B)参照)、より平坦なバッファ層、即ち二酸化チタン層15であることが判った。平坦化されたバッファ層上に、基板温度を250℃に保ち、コバルトドープ二酸化チタン層12を形成すると、一原子層成長である二次元成長を示すRHEED回折強度の振動が観察された(図8(C)参照)。コバルトドープ二酸化チタン層12を作製後、AFM像を観察すると、図8(D)に示すように、平坦化が向上しており、品質のよいアナターゼ構造のコバルトドープ二酸化チタン膜が作製できていることが判った。   FIG. 8 is a diagram showing the results when an annealing process is included in Example 1, where (A) shows the RHEED intensity of the titanium dioxide layer 15, (B) shows the RHEED image of the titanium dioxide layer 15, ( (C) shows the intensity of RHEED of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, and (D) shows an image observed by AFM. 8A and 8C, the horizontal axis represents time (minutes), and the vertical axis represents RHEED intensity (arbitrary scale). By this annealing treatment, spots are observed on the Laue sphere in the image on the RHEED screen that was streak immediately after the film formation (see FIGS. 8A and 8B, FIG. 7B), and is flatter. It was found to be a good buffer layer, ie titanium dioxide layer 15. When the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 was formed on the planarized buffer layer while maintaining the substrate temperature at 250 ° C., a vibration of the RHEED diffraction intensity indicating two-dimensional growth as monoatomic layer growth was observed (FIG. 8). (See (C)). When the AFM image is observed after producing the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, as shown in FIG. 8D, the planarization is improved and a cobalt-doped titanium dioxide film having a good quality anatase structure can be produced. I found out.

以上のことから、基板11を加熱してバッファ層として二酸化チタン層15を作製し、その後、基板11を加熱してアニーリングを行うことで二酸化チタン層15を平坦化することができ、その上に、アナターゼのコバルトドープ二酸化チタン膜を作製することができることが判明した。   From the above, the substrate 11 is heated to produce the titanium dioxide layer 15 as a buffer layer, and then the substrate 11 is heated and annealed to planarize the titanium dioxide layer 15. It was found that a cobalt-doped titanium dioxide film of anatase can be produced.

実施例2においては、薄膜作製時の酸素分圧を調整し、ドーパントである酸素欠損量を変化させ、コバルトドープ二酸化チタン層12のキャリア濃度を制御した。酸化物における酸素欠損は、酸素空孔又は格子間金属の生成と、格子への自由電子の放出を伴っている。この電子の放出により、酸化物半導体はn型電気伝導性が生じる。ここで、電子の放出の様子は次の反応式で表される。
ここで、O2−は格子中の正常な位置にある酸素イオン、V”は2価の正電荷を持つ酸素空孔、M2+は格子中の正常な位置にある金属イオン、M 2+は格子間位置の金属イオンである。したがって、酸素欠損量δ を変調することにより、キャリア濃度を変化させることができる。よって、Ti1−xCo2−δ膜におけるδは成膜時の酸素分圧PO2を変えることで変調した。
In Example 2, the oxygen partial pressure during thin film production was adjusted, the amount of oxygen deficiency as a dopant was changed, and the carrier concentration of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 was controlled. Oxygen vacancies in oxides are accompanied by the generation of oxygen vacancies or interstitial metals and the release of free electrons into the lattice. This electron emission causes n-type electrical conductivity in the oxide semiconductor. Here, the state of electron emission is expressed by the following reaction formula.
Here, O 2− is an oxygen ion at a normal position in the lattice, V O ″ is an oxygen vacancy having a divalent positive charge, M 2+ is a metal ion at a normal position in the lattice, M i 2+ Therefore, the carrier concentration can be changed by modulating the oxygen deficiency δ, so that δ in the Ti 1-x Co x O 2-δ film This was modulated by changing the oxygen partial pressure P02 .

実施例2では、コバルトドープ二酸化チタン膜の電気的測定を行うために、微細加工によるホールバーを形成した。図9は、実施例2においてコバルトドープ二酸化チタン膜の電気的測定を行うために微細加工によるホールバーの形成工程を模式的に示す図である。   In Example 2, in order to perform electrical measurement of the cobalt-doped titanium dioxide film, a hole bar was formed by fine processing. FIG. 9 is a diagram schematically showing a hole bar forming step by microfabrication in order to perform electrical measurement of a cobalt-doped titanium dioxide film in Example 2.

先ず、LaAlO3基板11上に二酸化チタン層15とコバルトドープ二酸化チタン層12とを順に実施例1と同様の手順で作成した。コバルトドープ二酸化チタン層12を作成する際、異なる酸素分圧、即ち1×10−6〜8×10−6Torrで作製した。
次に、コバルトドープ二酸化チタン層12上に電極パターンを以下の要領で形成した。先ず、サンプルをアセトン、エタノールの有機溶媒で超音波洗浄を行い、ホットプレートで乾燥させた。次にサンプルにフォトレジスト41(SHIPLEY S9912NX)を塗布し、5000rpmで30秒スピンコーティングした。そのサンプルをホットプレートで温度90℃、15分間プリベークした。別途図示しないガラス板上にクロムで描かれた電極パターン用フォトマスクを用いて露光し、現像液で現像した後、超純水で洗浄した(図9(A)参照)。
続いて、コバルトドープ二酸化チタン層12上に密着層としてTiと電極層としてAuを順に電子ビーム蒸着法を用いて蒸着し、アセトンによりリフトオフし、電極パターンを有する電極部42を図9(B)に示すように作製した。
その後、電極パターンの形成と同様の要領で図9(C)に示すようにフォトレジスト43にメサパターンを形成し、Arイオンを用いてドライエッチングにより図9(D)に示すように二酸化チタン層15及びコバルトドープ二酸化チタン層12にメサパターンを切り出した。
最後に、ワイヤーボンディングにより、Au線を配線した。
First, a titanium dioxide layer 15 and a cobalt-doped titanium dioxide layer 12 were sequentially formed on the LaAlO 3 substrate 11 in the same procedure as in Example 1. When the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 was produced, it was produced at different oxygen partial pressures, that is, 1 × 10 −6 to 8 × 10 −6 Torr.
Next, an electrode pattern was formed on the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 as follows. First, the sample was subjected to ultrasonic cleaning with an organic solvent of acetone and ethanol, and dried on a hot plate. Next, a photoresist 41 (SHIPLEY S9912NX) was applied to the sample and spin-coated at 5000 rpm for 30 seconds. The sample was pre-baked on a hot plate at a temperature of 90 ° C. for 15 minutes. It exposed using the photomask for electrode patterns drawn with chromium on the glass plate which is not illustrated separately, developed with the developing solution, and wash | cleaned with the ultrapure water (refer FIG. 9 (A)).
Subsequently, Ti as an adhesion layer and Au as an electrode layer are sequentially deposited on the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 using an electron beam deposition method, lifted off with acetone, and an electrode portion 42 having an electrode pattern is formed as shown in FIG. As shown in FIG.
Thereafter, in the same manner as the electrode pattern formation, a mesa pattern is formed on the photoresist 43 as shown in FIG. 9C, and a titanium dioxide layer is formed by dry etching using Ar ions as shown in FIG. 9D. 15 and a mesa pattern were cut out in the cobalt-doped titanium dioxide layer 12.
Finally, Au wire was wired by wire bonding.

図9(D)に示すように、ホールバー50は、LaAlO3基板11上に、チャネル部分となる棒状部51と、その棒状部51の両側に第一の電流端子52及び第二の電流端子53の各パッド52a,53aと、第一の電圧端子54、第二の電圧端子55及び第三の電圧端子56の各パッド54a,55a,56aとが配置されている。第一の電流端子52及び第二の電流端子53の各パッド52a,53aはテーパー部52b,53bで延設されて棒状部51の側面、即ち第一及び第二の電流端子52,53を結ぶ仮想線に対して垂直な面に接触している。第一の電圧端子54と第二の電圧端子55の各パッド54a,55aは第一の電流端子52のパッド52aを挟んでパッド52aに近接して配置されている。第一の電圧端子54及び第二の電圧端子55はそれぞれパッド54a,55aから細幅の延設部54b,55bにより、棒状部51に沿って斜めに棒状部51の側面に接触している。第一の電圧端子54の延設部54bと第二の電圧端子55の延設部55bとは棒状部51に対して対称に配置される。第三の電圧端子56はパッド56aと延設部56bとからなり、第三の電圧端子56の延設部56bは、第一の電圧端子54の延設部54bと第二の電圧端子55の延設部55bとは別の位置で、棒状部51の側面に接触している。ここで、棒状部51は二酸化チタン層15とコバルトドープ二酸化チタン層12との積層構造でなる。第一の電流端子52、第二の電流端子53、第一の電圧端子54、第二の電圧端子55及び第三の電圧端子56は、二酸化チタン層15とコバルトドープ二酸化チタン層12と密着層と電極層との積層構造でなる。 As shown in FIG. 9D, the hole bar 50 is formed on the LaAlO 3 substrate 11 with a rod-shaped portion 51 serving as a channel portion, and a first current terminal 52 and a second current terminal on both sides of the rod-shaped portion 51. The pads 52a and 53a of 53, and the pads 54a, 55a and 56a of the first voltage terminal 54, the second voltage terminal 55 and the third voltage terminal 56 are arranged. The pads 52a and 53a of the first current terminal 52 and the second current terminal 53 are extended by tapered portions 52b and 53b to connect the side surfaces of the rod-shaped portion 51, that is, the first and second current terminals 52 and 53. Touching a surface perpendicular to the imaginary line. The pads 54a and 55a of the first voltage terminal 54 and the second voltage terminal 55 are disposed adjacent to the pad 52a with the pad 52a of the first current terminal 52 interposed therebetween. The first voltage terminal 54 and the second voltage terminal 55 are in contact with the side surface of the rod-shaped portion 51 obliquely along the rod-shaped portion 51 by means of narrow extending portions 54b and 55b from the pads 54a and 55a, respectively. The extending portion 54 b of the first voltage terminal 54 and the extending portion 55 b of the second voltage terminal 55 are arranged symmetrically with respect to the rod-shaped portion 51. The third voltage terminal 56 is composed of a pad 56 a and an extending portion 56 b, and the extending portion 56 b of the third voltage terminal 56 is connected to the extending portion 54 b of the first voltage terminal 54 and the second voltage terminal 55. It is in contact with the side surface of the rod-shaped part 51 at a position different from the extending part 55b. Here, the rod-shaped portion 51 has a laminated structure of the titanium dioxide layer 15 and the cobalt-doped titanium dioxide layer 12. The first current terminal 52, the second current terminal 53, the first voltage terminal 54, the second voltage terminal 55, and the third voltage terminal 56 are composed of the titanium dioxide layer 15, the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, and the adhesion layer. And an electrode layer.

作成したホールバー50を用いて、四端子測定により抵抗率を求めた。その際、第一の電流端子52と第二の電流端子53と、第一の電圧端子54と第三の電圧端子56とを用いた。測定には、超伝導マグネツト付電気特性測定装置(PPMS:Physical Property Measurement System, Quantum Design社製)を用いた。   Using the created hole bar 50, the resistivity was determined by four-terminal measurement. At that time, the first current terminal 52, the second current terminal 53, the first voltage terminal 54, and the third voltage terminal 56 were used. For the measurement, an electrical property measuring device with a superconducting magnet (PPMS: Physical Property Measurement System, manufactured by Quantum Design) was used.

図10は、コバルトドープ二酸化チタン層12の抵抗率の温度依存性である。図10の横軸は絶対温度T(K)で、縦軸は抵抗率ρxx(Ωcm)である。第一の電流端子52と第二の電流端子53と第一の電圧端子54と第三の電圧端子56とを用い、電流に対して平行な方向に電圧差を測定した。測定にはPPMSを用いた。コバルトドープ二酸化チタン層12のTiとCoの比は9:1で、即ちTi0.9Co0.12−δ(x=0.1)である。図10に示すグラフから、アナターゼ構造でのコバルトドープ二酸化チタンは、絶縁性から導電性の性質まで広く電気的特性を変化させることができる。 FIG. 10 shows the temperature dependence of the resistivity of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12. The horizontal axis in FIG. 10 is the absolute temperature T (K), and the vertical axis is the resistivity ρ xx (Ωcm). Using the first current terminal 52, the second current terminal 53, the first voltage terminal 54, and the third voltage terminal 56, the voltage difference was measured in a direction parallel to the current. PPMS was used for the measurement. The ratio of Ti to Co in the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 is 9: 1, that is, Ti 0.9 Co 0.1 O 2−δ (x = 0.1). From the graph shown in FIG. 10, cobalt-doped titanium dioxide having an anatase structure can widely change electrical characteristics from insulating properties to conductive properties.

作製したホールバー50を用いてホール測定を行った。その際、第一の電流端子52と第二の電流端子53と、第一の電圧端子54と第二の電圧端子55とを用いた。測定にはPPMSを用いた。測定温度は300Kとした。強磁性半導体では磁化に相当するホール起電力が生じ、ホール測定で実際に測定されるホール起電力は線形成分と磁化に相当する成分が組み合わされたものとなる。図11は、異なる酸素雰囲気(1×10-6〜8×10-6Torr)中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層12の異常ホール伝導率の磁場依存性である。横軸は磁場μ0H(T)であり、縦軸は異常ホール伝導率σAH(mΩ-1cm-1)である。キャリア濃度nが5×1018cm-3×1019cm-3ではヒステリシスがなく常磁性であるが、キャリア濃度nが4×1019cm-3、2×1020cm-3ではヒステリシスが生じ強磁性であることが分かる。
Hole measurement was performed using the produced hole bar 50. At that time, the first current terminal 52, the second current terminal 53, the first voltage terminal 54, and the second voltage terminal 55 were used. PPMS was used for the measurement. The measurement temperature was 300K. In a ferromagnetic semiconductor, a Hall electromotive force corresponding to magnetization is generated, and the Hall electromotive force actually measured by Hall measurement is a combination of a linear component and a component corresponding to magnetization. FIG. 11 shows the magnetic field dependence of the anomalous hole conductivity of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 prepared in different oxygen atmospheres (1 × 10 −6 to 8 × 10 −6 Torr). The horizontal axis represents the magnetic field μ 0 H (T), and the vertical axis represents the anomalous Hall conductivity σ AH (mΩ −1 cm −1 ). When the carrier concentration n is 5 × 10 18 cm −3 and 1 × 10 19 cm −3 , there is no hysteresis and paramagnetism, but when the carrier concentration n is 4 × 10 19 cm −3 and 2 × 10 20 cm −3 , hysteresis is achieved. It turns out that it is ferromagnetic.

作成したホールバー50を用いて磁化測定を行った。測定には、磁化特性測定システム(MPMS:Magnetic Property Measurement System, Quantum Design社製)を用いた。測定温度は300Kとした。
図12は、異なる酸素雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層の磁化測定の結果を示す図である。横軸は磁場μH(T)であり、縦軸は磁化M(μ/Co)である。いま、コバルトドープ量は10%(x=0.1)であるので、(μ/Co)で表された値に約27.2/10000を掛けると(T)単位での値となる。キャリア濃度が大きくなるにつれて磁気ヒステリシスが観測されるようになり、電気測定の結果と同様に、キャリア濃度が大きい試料では強磁性を示し、小さい試料では常磁性であることが分かった。すなわち、キャリア濃度によって磁気的な特性が変調されることが分かった。
Magnetization measurement was performed using the created hole bar 50. For the measurement, a magnetic property measurement system (MPMS: Magnetic Property Measurement System, manufactured by Quantum Design) was used. The measurement temperature was 300K.
FIG. 12 is a diagram showing the results of magnetization measurement of cobalt-doped titanium dioxide layers prepared in different oxygen atmospheres. The horizontal axis is the magnetic field μ 0 H (T), and the vertical axis is the magnetization M (μ B / Co). Since the cobalt doping amount is 10% (x = 0.1), the value represented by (μ B / Co) is multiplied by about 27.2 / 10000 to obtain a value in (T) units. Magnetic hysteresis began to be observed as the carrier concentration increased, and it was found that the sample with a high carrier concentration showed ferromagnetism and the sample with a small sample was paramagnetic, similar to the result of electrical measurement. That is, it was found that the magnetic characteristics are modulated by the carrier concentration.

図13は、異なる酸素雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層のキャリア濃度と異常ホール伝導率の関係を示す磁気相図である。測定温度は300Kとした。横軸はキャリア濃度n(cm−3)であり、縦軸は異常ホール伝導率σAH(mΩ−1cm−1)である。図13において、黒丸(●)プロットは実施例2の結果であるアナターゼ型の場合であり、白四角(□)プロットは参考までに示すルチル型の場合で、実際の値を5倍したものを示している。●プロットで示すアナターゼ型Ti0.9Co0.12−δはキャリア濃度が2×1019cm−3以上で強磁性を示し、磁化の大きさに対応する異常ホール伝導率がキャリア濃度に対して増加していることが分かった。このことは、強磁性はキャリアによって誘起されていることが示唆する。また、コバルトドープ二酸化チタン膜において、□プロットで示すルチル型の場合と比べてアナターゼ型の場合、強磁性が発現するキャリア濃度の大きさが約1/10であることが分かった。 FIG. 13 is a magnetic phase diagram showing the relationship between the carrier concentration and the anomalous hole conductivity of cobalt-doped titanium dioxide layers prepared in different oxygen atmospheres. The measurement temperature was 300K. The horizontal axis is the carrier concentration n (cm −3 ), and the vertical axis is the anomalous hole conductivity σ AH (mΩ −1 cm −1 ). In FIG. 13, the black circle (●) plot is the case of the anatase type which is the result of Example 2, and the white square (□) plot is the rutile type shown for reference, which is obtained by multiplying the actual value by 5 times. Show. The anatase type Ti 0.9 Co 0.1 O 2-δ shown in the plot shows ferromagnetism when the carrier concentration is 2 × 10 19 cm −3 or more, and the anomalous hole conductivity corresponding to the magnitude of magnetization is the carrier concentration. It turned out that it is increasing. This suggests that ferromagnetism is induced by carriers. In addition, in the cobalt-doped titanium dioxide film, it was found that in the case of the anatase type as compared with the case of the rutile type shown by the □ plot, the magnitude of the carrier concentration at which ferromagnetism appears was about 1/10.

図14は、異なる雰囲気中で作成したコバルトドープ二酸化チタン層の縦伝導率と異常ホール伝導率との関係を示す図である。横軸は縦伝導率σxx(Ω−1cm−1)であり、縦軸は異常ホール伝導率σAH(mΩ−1cm−1)である。図14から、アナターゼ構造のTi1−xCo2−δ膜では、異常ホール伝導率σAHは縦伝導率σxxの1.6乗に比例する。よって、アナターゼ構造のTi1−xCo2−δ膜はイントリンシックな異常ホール効果が起源であるということを示唆している。 FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the longitudinal conductivity and the anomalous hole conductivity of cobalt-doped titanium dioxide layers prepared in different atmospheres. The horizontal axis is the longitudinal conductivity σ xx−1 cm −1 ), and the vertical axis is the anomalous hole conductivity σ AH (mΩ −1 cm −1 ). From FIG. 14, in the Ti 1-x Co x O 2-δ film having the anatase structure, the abnormal hole conductivity σ AH is proportional to the 1.6th power of the longitudinal conductivity σ xx . Therefore, it is suggested that the Ti 1-x Co x O 2-δ film having the anatase structure originates from the intrinsic abnormal Hall effect.

本発明の実施形態に係る強磁性半導体素子を作製した。先ず、パルスレーザ堆積法によりLaAlO3基板11上に二酸化チタン層15を形成し、その二酸化チタン層15上にコバルトドープ二酸化チタン層12を形成し、次に、実施例2と同様にホールバー50を作成した。ホールバー50を形状加工して棒状部51であるチャンネル部分を電解液13に浸した。電解液はポリエチレンオキシドに0.3モル/リットルとなるよう塩素酸セシウムを溶かしたものを用いた。その後、ゲート電極14として白金ワイヤをコイル状に巻いて表面積を大きくし電解液に浸し、電解液13をゲート電極14に接触させた。その後、350Kで1時間PPMS内に入れて真空排気を行い、電解液13中の水分を除いた。次いで、測定環境の温度を電解液13が液体状態となる320Kとなるように保持し、実施例2と同様、電気特性の測定を行った。 A ferromagnetic semiconductor device according to an embodiment of the present invention was produced. First, the titanium dioxide layer 15 is formed on the LaAlO 3 substrate 11 by the pulse laser deposition method, the cobalt-doped titanium dioxide layer 12 is formed on the titanium dioxide layer 15, and then the hole bar 50 is formed as in the second embodiment. It was created. The hole bar 50 was shaped to immerse the channel portion which is the rod-like portion 51 in the electrolytic solution 13. The electrolytic solution used was a solution of cesium chlorate dissolved in polyethylene oxide at 0.3 mol / liter. Thereafter, a platinum wire was wound in a coil shape as the gate electrode 14 to increase the surface area and immersed in the electrolytic solution, and the electrolytic solution 13 was brought into contact with the gate electrode 14. Then, it put in PPMS at 350K for 1 hour, evacuated, and the water | moisture content in the electrolyte solution 13 was removed. Next, the temperature of the measurement environment was maintained so that the electrolytic solution 13 was in a liquid state of 320 K, and the electrical characteristics were measured as in Example 2.

図15は、ゲート電圧を印加しない状態でのホール測定の結果を示す図であり、(A)は異常ホール伝導率σAHの磁場依存性であり、(B)はホール抵抗Rxyの磁場依存性である。横軸は磁場μH(T)、(A)の縦軸は異常ホール伝導率σAH(×10−3Ω−1cm−1)であり、(B)の縦軸はホール抵抗Rxy(Ω)である。測定環境は320Kとした。
ゲート電圧Vが0Vの場合、ホール測定の結果から、コバルトドープ二酸化チタン層12のキャリア濃度nは3.1×1019cm−3であり、異常ホール伝導率σAHの磁場依存性ではヒステリシスが観測されたが、非常に小さいことが読み取れる。
次に、+2Vのゲート電圧Vを印加した。測定環境は320Kとした。図16は、ゲート電圧Vを印加した際の抵抗の時間依存性を示す図であり、横軸は時間(分)、縦軸は抵抗Rxx(×10Ω)である。ゲート電圧Vを印加すると、抵抗は減少し30分経過すると変化しなくなり、ゲート電圧を印加する前と比べて抵抗が約1/3となった。これは、ゲート電圧Vを電解液13に印加すると、電解液13中の正負のイオンがゲート電極14とチャネル表面に集合して電気二重層が形成され、チャネルにキャリアが誘起される。そのため、抵抗が減少した。抵抗Rxxが一定値になった段階で、イオンの移動がほぼ終了した。
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing the results of Hall measurement in a state where no gate voltage is applied. FIG. 15A shows the magnetic field dependence of the anomalous Hall conductivity σ AH , and FIG. 15B shows the magnetic field dependence of the Hall resistance R xy . It is sex. The horizontal axis is the magnetic field μ 0 H (T), the vertical axis of (A) is the anomalous Hall conductivity σ AH (× 10 −3 Ω −1 cm −1 ), and the vertical axis of (B) is the Hall resistance R xy. (Ω). The measurement environment was 320K.
When the gate voltage V G is 0V, the results of Hall measurements, carrier concentration n of cobalt-doped titanium dioxide layer 12 is 3.1 × 10 19 cm -3, the hysteresis in the magnetic field dependence of the anomalous Hall conductivity sigma AH Was observed, but it can be seen that it is very small.
Next, a gate voltage V G of +2 V was applied. The measurement environment was 320K. Figure 16 is a diagram showing the time dependence of the resistance at the time of applying a gate voltage V G, the horizontal axis represents time (minutes), which is the vertical axis resistor R xx (× 10 3 Ω) . When applying the gate voltage V G, the resistance will not change with decreased after 30 minutes, the resistance as compared with before the application of the gate voltage becomes approximately 1/3. This, by applying a gate voltage V G to the electrolyte 13, positive and negative ions in the electrolyte 13 is an electric double layer is formed by assembling the gate electrode 14 and the channel surface, the carrier in the channel is induced. Therefore, the resistance decreased. When the resistance R xx reaches a constant value, the movement of ions is almost completed.

その後、ホール測定と四端子抵抗の測定を行い、キャリア濃度、伝導率を求めた。図17は、ゲート電圧Vを印加しない状態と印加した状態でのホール測定の結果を示すグラフであり、(A)は異常ホール伝導率σAHの磁場依存性を、(B)はホール抵抗Rxyの磁場依存性を示す。横軸は磁場μHで、縦軸は(A)については異常ホール伝導率σAHであり、(B)についてはRxyである。測定温度は320Kである。
コバルトドープ二酸化チタン層12中のキャリア濃度は、ゲート電圧Vを印加することにより、3.1×1019cm−3から9.0×1019cm−3へ約3倍増加した。このキャリア濃度は、図17(B)に示す正常ホール項の傾きから導出した。前述したように、ゲート電圧Vの印加で抵抗が1/3倍となったのはキャリア濃度の増加が要因となっている。
異常ホール伝導率σAHは、図17(A)に示すように、ゲート電圧Vの印加により約2倍増加した。異常ホール伝導率σAHは正常ホール項を差し引いて導出した。ゲート電圧Vの印加により、キャリアを膜中に誘起することで、強磁性が増強されることが判った。
Thereafter, Hall measurement and four-terminal resistance measurement were performed to determine carrier concentration and conductivity. FIG. 17 is a graph showing the results of Hall measurement with and without the gate voltage V G applied, where (A) shows the magnetic field dependence of the anomalous Hall conductivity σ AH and (B) shows the Hall resistance. The magnetic field dependence of Rxy is shown. The horizontal axis is the magnetic field μ 0 H, the vertical axis is the abnormal hole conductivity σ AH for (A), and R xy for (B). The measurement temperature is 320K.
The carrier concentration of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, by applying a gate voltage V G, was increased approximately 3-fold from 3.1 × 10 19 cm -3 to 9.0 × 10 19 cm -3. This carrier concentration was derived from the slope of the normal hole term shown in FIG. As described above, the resistance application of the gate voltage V G becomes 1/3 times has increased carrier concentration and factor.
Anomalous Hall conductivity sigma AH, as shown in FIG. 17 (A), was increased approximately 2-fold by application of the gate voltage V G. The abnormal hole conductivity σ AH was derived by subtracting the normal hole term. It was found that ferromagnetism is enhanced by inducing carriers in the film by applying the gate voltage V G.

実施例3で用いた電解液13中の電解質CsClOの代わりに、電解質Sr(ClOを用いて、実施例3と同様に、電気特性の測定を行った。
図18は、ゲート電圧を印加しない状態と印加した状態でのホール測定の結果について、異常ホール伝導率σAHの磁場依存性を示す図である。横軸は磁場μH(T)であり、縦軸は異常ホール伝導率σAH(mΩ−1cm−1)である。測定温度は320Kである。
コバルトドープ二酸化チタン層12中のキャリア濃度は、ゲート電圧Vを印加することにより、7.0×1018cm−3から4.1×1019cm−3へ約6倍増加した。異常ホール伝導率σAHは、図18に示すように、ゲート電圧Vを印加しない状態ではヒステリシスは非常に小さく、0.1mΩ−1cm−1以下の値である。ゲート電圧Vを2V印加することでヒステリシスが明瞭になり、約0.3mΩ−1cm−1まで増加した。これにより、ゲート電圧Vを印加し、キャリアをコバルトドープ二酸化チタン層12中に誘起することで、強磁性が増強されることが判った。
In place of the electrolyte CsClO 4 in the electrolytic solution 13 used in Example 3, the electrolyte Sr (ClO 4 ) 2 was used, and the electrical characteristics were measured in the same manner as in Example 3.
FIG. 18 is a diagram showing the magnetic field dependence of the anomalous hole conductivity σ AH with respect to the results of hole measurement with and without the gate voltage applied. The horizontal axis is the magnetic field μ 0 H (T), and the vertical axis is the anomalous Hall conductivity σ AH (mΩ −1 cm −1 ). The measurement temperature is 320K.
The carrier concentration of the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, by applying a gate voltage V G, increased about 6 times from 7.0 × 10 18 cm -3 to 4.1 × 10 19 cm -3. Anomalous Hall conductivity sigma AH, as shown in FIG. 18, in a state where a gate voltage is not applied V G hysteresis is very small, 0.1mΩ -1 cm -1 following values. Hysteresis is the clarity of the gate voltage V G by 2V applied was increased to about 0.3mΩ -1 cm -1. Thus, by applying a gate voltage V G, by inducing the carriers in the cobalt-doped titanium dioxide layer 12, it was found that the ferromagnetic is enhanced.

図19(A)は、Ti0.9Co0.12−δ膜の磁気相図とゲート電圧印加によるキャリア濃度と異常ホール伝導率の変化を示す図であり、図19(B)は、図19(A)のSr(ClOのデータの拡大図である。横軸はキャリア濃度n(cm−3)で、縦軸は異常ホール伝導率σAH(mΩ−1cm−1)である。点線は酸素分圧を変化させてコバルトドープ二酸化チタン膜を作製した場合であり、図19(A)において、黒四角(■)プロットは同一の化学組成の膜で、電解質にCsClOを用いてゲート電圧Vを印加した場合であり、黒丸(●)プロットは同一の化学組成の膜で、電解質にSr(ClOを用いてゲート電圧Vを印加した場合である。図19(B)において、●プロットがゲート電圧を上昇していったときのデータであり、白三角(△)プロットがゲート電圧を減らしていったときのデータである。
図19から、同一の化学組成Ti0.9Co0.12−δ膜において、ゲート電圧の印加の有無により、化学組成を変化させずに、キャリア濃度、異常ホール伝導率を変化させることができることが分かった。
FIG. 19A is a magnetic phase diagram of a Ti 0.9 Co 0.1 O 2-δ film, and shows changes in carrier concentration and anomalous hole conductivity due to application of a gate voltage, and FIG. FIG. 20 is an enlarged view of the data of Sr (ClO 4 ) 2 in FIG. The horizontal axis is the carrier concentration n (cm −3 ), and the vertical axis is the abnormal hole conductivity σ AH (mΩ −1 cm −1 ). The dotted line shows the case where a cobalt-doped titanium dioxide film was produced by changing the oxygen partial pressure. In FIG. 19A, the black square (■) plot is a film having the same chemical composition, and CsClO 4 was used as the electrolyte. a case of applying the gate voltage V G, a film of black circles (●) plot the same chemical composition, a case of applying the gate voltage V G with Sr (ClO 4) 2 in the electrolyte. In FIG. 19B, the ● plot is data when the gate voltage is increased, and the white triangle (Δ) plot is data when the gate voltage is decreased.
From FIG. 19, in the same chemical composition Ti 0.9 Co 0.1 O 2-δ film, the carrier concentration and the anomalous hole conductivity are changed without changing the chemical composition depending on whether or not the gate voltage is applied. I found out that

以上説明したように、遷移元素ドープ二酸化チタンにゲート電圧を印加することで、遷移元素ドープ二酸化チタンの磁性を室温で制御することができる。これは、今まで、室温と比べて低温のみ実証されていた様々な強磁性半導体素子について、強磁性半導体として遷移元素ドープ二酸化チタンを用いることにより室温状態でも動作可能となった。   As described above, the magnetism of the transition element-doped titanium dioxide can be controlled at room temperature by applying a gate voltage to the transition element-doped titanium dioxide. For various ferromagnetic semiconductor devices that have been demonstrated only at a low temperature compared to room temperature, the transition element-doped titanium dioxide can be used even at room temperature as a ferromagnetic semiconductor.

本発明によれば、強磁性半導体の室温での強磁性制御をゲート電圧で制御することができることとなった。よって、電界効果型デバイスとして例えば磁気センサやスピン輸送素子などのユビキタスな強磁性半導体素子として利用することができる。特に、強磁性半導体として用いた二酸化チタンは化学的にも安定で透明電極として利用することができ、遷移元素ドープ二酸化チタン膜はガラス基板上にスパッタ法を用いて作製することができるので、自動車のフロントガラスへのデバイス搭載なども行えるようになる。   According to the present invention, the ferromagnetic control of a ferromagnetic semiconductor at room temperature can be controlled by the gate voltage. Therefore, it can be used as a ubiquitous ferromagnetic semiconductor element such as a magnetic sensor or a spin transport element as a field effect device. In particular, titanium dioxide used as a ferromagnetic semiconductor is chemically stable and can be used as a transparent electrode, and a transition element-doped titanium dioxide film can be produced on a glass substrate by sputtering, so that an automobile. The device can be mounted on the windshield.

1,2,3,4:強磁性半導体素子(電界効果型素子)
11:基板
12:遷移元素ドープ二酸化チタン層(コバルトドープ二酸化チタン層)
13:電解液
14:ゲート電極
15:二酸化チタン層
16:ソース電極
17:ドレイン電極
18:絶縁層
19:酸化物層(ゲート酸化物層)
21:電子
22:イオン
23:電気二重層
30:レーザアブレーション装置
31:真空チャンバー
32:基板ホルダー
33:半導体赤外レーザー装置
34:ターゲットホルダー
34a:ターゲット
35:エキシマレーザー
36:導入管
37:RHEEDスクリーン
41,43:フォトレジスト
42:電極部
50:ホールバー
51:棒状部
52:第一の電流端子
53:第二の電流端子
54:第一の電圧端子
55:第二の電圧端子
56:第三の電圧端子
52a,53a,54a,55a,56a:パッド
52b,53b:テーパー部
54b,55b、56b:延設部
1, 2, 3, 4: Ferromagnetic semiconductor device (field effect device)
11: Substrate 12: Transition element doped titanium dioxide layer (cobalt doped titanium dioxide layer)
13: Electrolytic solution 14: Gate electrode 15: Titanium dioxide layer 16: Source electrode 17: Drain electrode 18: Insulating layer 19: Oxide layer (gate oxide layer)
21: Electron 22: Ion 23: Electric double layer 30: Laser ablation device 31: Vacuum chamber 32: Substrate holder 33: Semiconductor infrared laser device 34: Target holder 34a: Target 35: Excimer laser 36: Introduction tube 37: RHEED screen 41, 43: Photoresist 42: Electrode portion 50: Hall bar 51: Bar-shaped portion 52: First current terminal 53: Second current terminal 54: First voltage terminal 55: Second voltage terminal 56: Third Voltage terminals 52a, 53a, 54a, 55a, 56a: pads 52b, 53b: taper portions 54b, 55b, 56b: extension portions

Claims (4)

基板と、
上記基板上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、
上記遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた電解液と、
上記電解液と接触するように設けられたゲート電極と、
を含み、
上記遷移元素がCo又はFeであり、
上記電解液がCsClO4、Sr(ClO42、KClO4、NaClO4、LiClO4の一以上の電解質を溶媒に溶かしてなる、強磁性半導体素子。
A substrate,
A transition element-doped titanium dioxide layer provided on the substrate;
An electrolyte provided on the transition element-doped titanium dioxide layer;
A gate electrode provided in contact with the electrolytic solution;
Including
The transition element is Co or Fe;
A ferromagnetic semiconductor device, wherein the electrolytic solution is obtained by dissolving one or more electrolytes of CsClO 4 , Sr (ClO 4 ) 2 , KClO 4 , NaClO 4 , LiClO 4 in a solvent.
基板と、
上記基板上に設けられた二酸化チタン層と、
上記二酸化チタン層上に設けられた遷移元素ドープ二酸化チタン層と、
上記遷移元素ドープ二酸化チタン層上に設けられた電解液と、
上記電解液と接触するように設けられたゲート電極と、
を含み、
上記遷移元素がCo又はFeであり、
上記電解液がCsClO4、Sr(ClO42、KClO4、NaClO4、LiClO4の一以上の電解質を溶媒に溶かしてなる、強磁性半導体素子。
A substrate,
A titanium dioxide layer provided on the substrate;
A transition element-doped titanium dioxide layer provided on the titanium dioxide layer;
An electrolyte provided on the transition element-doped titanium dioxide layer;
A gate electrode provided in contact with the electrolytic solution;
Including
The transition element is Co or Fe;
A ferromagnetic semiconductor device, wherein the electrolytic solution is obtained by dissolving one or more electrolytes of CsClO 4 , Sr (ClO 4 ) 2 , KClO 4 , NaClO 4 , LiClO 4 in a solvent.
前記ゲート電極への電圧印加の有無に応じて、前記遷移元素ドープ二酸化チタン層の強磁性の強さが変化する、請求項1又は2に記載の強磁性半導体素子。 Wherein in response to the presence or absence of a voltage applied to the gate electrode, the strength of the ferromagnetic changes of the transition element-doped titanium dioxide layer, the ferromagnetic semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記遷移元素ドープ二酸化チタン層上には前記ゲート電極を挟んで隔離してソース電極とドレイン電極とが設けられている、請求項1又は2に記載の強磁性半導体素子。 The transition element-doped titanium dioxide layer and the source and drain electrodes to isolate across the gate electrode is provided, the ferromagnetic semiconductor device according to claim 1 or 2.
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