[論文レビュー] Large spin splitting of GaN electronic states induced by Gd doping

V. F. Sapega, M. Ramsteiner+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2005

GaN-based semiconductor devices and materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、GdドーピングがGaNの価電子帯に非常に大きなスピン分裂を誘発することを示しており、Gd濃度がたった1.6 × 10¹⁶ cm⁻³で符号が反転することが判明した。この効果は、GdイオンがGaNマトリックス内に長距離磁気モーメントを誘導することに起因し、磁気光励起分光法およびSQUID測定により確認された。これにより、室温での強磁性および巨視的磁化モーメント（Gdイオン1個あたり約3000 μB）が実現され、GaN:Gdはスピントロニクス材料として有望である。

ABSTRACT

We present a detailed study of the magnetic-field and temperature-dependent polarization of the near-band-gap photoluminescence in Gd-doped GaN layers. Our study reveals an extraordinarily strong influence of Gd doping on the electronic states in the GaN matrix. We observe that the spin splitting of the valence band reverses its sign for Gd concentrations as low as 1.6 x 10^{16} cm^{-3}. This remarkable result can be understood only in terms of a long range induction of magnetic moments in the surrounding GaN matrix by the Gd ions.

研究の動機と目的

• GaNにおけるスピントロニクス応用を目的とした、Gdドーピングが電子的および磁気的性質に与える影響を調査すること。
• GaN:Gdにおける大きなスピン分裂の起源を特定すること、特に局所的効果か長距離効果かを特定すること。
• 光学的、磁気的、構造的測定結果を相関させ、巨視的磁化モーメントと高いCurie温度を生じるメカニズムを理解すること。
• GaN:Gdがすべての半導体スピントロニクス素子におけるスピンインジェクタ材料として実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 5–100 Kで12 Tまでの磁場下において、Gd濃度を変化させたGdドーピングGaN層（1.6 × 10¹⁶および6 × 10¹⁶ cm⁻³）に対して磁気光励起分光（MPL）分光法を実施した。
• ゼーマン効果と磁場誘起円偏光を用いて、ドナー結合励起子（D⁰,X）発光の円偏光分析によりスピン分裂を測定した。
• Gdイオンの周囲に影響領域を持つ球体を用いた連続的パーコレーションモデルを適用し、磁気結合の空間的範囲を記述した。体積分率y = 1 − exp(−νN_Gd)を主要パラメータとした。
• パラメータα、γ、yを用いて磁場依存の偏光データをフィッティングし、ΔE_intは内部スピン分裂を表す。温度依存測定を用いてモデルの妥当性を検証した。
• SQUID磁化測定とSIMSを併用して、300 K以上で強磁性が維持され、析出相なしに均一なGd分布が確認された。
• 高分解能XRDおよびTEMを用いて、GaN:Gd層に二次相やクラスタリングが存在しないことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GdドーピングGaNで観察された大きなスピン分裂の起源は何か。これは局所的か長距離磁気相互作用に起因するか。
• RQ2 GaNの価電子帯におけるスピン分裂はGd濃度にどのように依存し、どのドーピングレベルで符号反転が発生するか。
• RQ3 Gdイオン1個あたり最大3000 μBに達する巨視的磁化モーメントは、局所的磁気モーメントではなく長距離磁気結合メカニズムによって説明可能か。
• RQ4 GaNマトリックスは、GaN:Gdにおける巨視的磁化にどの程度寄与しているか。また、これは電子バンド構造とどのように関連しているか。
• RQ5 GaN:Gdは、Curie温度が高く、強いスピン偏光を示す、実現可能なすべての半導体スピンインジェクタ材料として適していると言えるか。

主な発見

• GaN価電子帯におけるスピン分裂は、Gd濃度が1.6 × 10¹⁶ cm⁻³に達するまでに符号が反転し、有効磁場の劇的変化を示している。
• サンプルB（6 × 10¹⁶ cm⁻³）では、Gdの影響下にあるマトリックスの体積分率yがほぼ1（y ≈ 1）に達しており、影響領域半径が約25 nmに相当し、Gd原子間の平均距離と同等である。
• サンプルA（1.6 × 10¹⁶ cm⁻³）では、Gdイオン1個あたり3000 μBという巨視的磁化モーメントが測定され、原子的磁気モーメント8 μBを著しく上回っている。
• 両サンプルで300 K以上で強磁性が維持され、Curie温度は室温を超えていた。
• モデルは偏光およびスピン分裂の温度依存性を良好に再現しており、ΔE_intはSQUIDで測定された磁化低下と整合的である。
• XRDおよびTEMによる測定で二次相やクラスタリングは検出されず、均一なドーピングであり、相分離効果が除外された。