[論文レビュー] Ferromagnetism in 2p Light Element-Doped II-oxide and III-nitride Semiconductors

Lihua Shen, R. Q. Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2007

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 225

ひとこと要約

本稿では、窒素ドープZnO、炭素ドープZnO、および炭素ドープAlNを含む2p軌道を示す軽元素ドープII族酸化物およびIII族窒化物半導体が、d–d交換ではなく、不純物および価電子p軌道間のp–p結合相互作用によって内在的フェロ磁性を示すと提唱している。第一原理計算により、磁化モーメントが陰イオンp軌道に局在化したフェロ磁性状態が確認され、ベリリウムを共ドープすることで、イオン化エネルギーの低下とp–p結合の強化により、溶解度とフェロ磁性の安定化が達成される。

ABSTRACT

II-oxide and III-nitride semiconductors doped by nonmagnetic 2p light elements are investigated as potential dilute magnetic semiconductors (DMS). Based on our first-principle calculations, nitrogen doped ZnO, carbon doped ZnO, and carbon doped AlN are predicted to be ferromagnetic. The ferromagnetism of such DMS materials can be attributed to a p-d exchange-like p-p coupling interaction which is derived from the similar symmetry and wave function between the impurity (p-like t_2) and valence (p) states. We also propose a co-doping mechanism, using beryllium and nitrogen as dopants in ZnO, to enhance the ferromagnetic coupling and to increase the solubility and activity.

研究の動機と目的

• 3d遷移金属ドーピングによるフェロ磁性クラスタリングが見られるDMSとは異なり、磁性を示さない2p軌道を示す軽元素（N、C）でドーピングされたII族酸化物およびIII族窒化物で、希薄磁性半導体（DMS）を実現可能かどうかを調査すること。
• d軌道が存在しないにもかかわらず、これらの陰イオンドープ系におけるフェロ磁性の起源を特定すること。
• ZnOにおけるBeとNの共ドープ戦略を提案し、フェロ磁性結合、溶解度、キャリア濃度を向上させること。
• 磁性不純物を含まない、新しい安定的かつ高スピン偏極性を示すDMS材料の設計の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• GGA-PBE汎関数およびプロジェクター加重波（PAW）法を用いたVASPコードによる第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• ZnOおよびAlNの108原子スーパーセルを用いた単一陰イオン置換（Oに対してN、O/Nに対してC）における全エネルギーおよびバンド構造の計算。
• フェルミ準位付近のスピン偏極状態およびp–p混成を特定するため、状態密度（DOS）および部分的DOSの分析。
• 特にZnOにおけるBe+2N複合欠陥を調査し、共ドープ効果が溶解度および磁性安定性に与える影響をモデル化。
• フェロ磁性（FM）状態と反強磁性（AFM）状態の全エネルギーを比較し、磁性基底状態の安定性を評価。
• キャリア濃度および共ドープ系におけるp–p結合強化を評価するため、イオン化エネルギーおよび受容体準位のシフトを計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2p軌道を示す軽元素ドーピングを施したII族酸化物およびIII族窒化物が、3d遷移金属イオンを含まないまま内在的フェロ磁性を示すことができるか？
• RQ2 d軌道が存在しないにもかかわらず、これらの陰イオンドープ半導体におけるフェロ磁性の物理的起源は何か？
• RQ3 ZnOにおけるNドープ系にBeを共ドープすることで、溶解度、イオン化エネルギー、磁性安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 不純物p軌道と価電子pバンド間のp–p結合が、これらの系における長距離フェロ磁性秩序をどの程度媒介するか？
• RQ5 p–p交換相互作用の強化によって、共ドープによりキュリー温度を向上させることができるか？

主な発見

• 窒素ドープZnO（ZnO:N）は、1つのNドーパントあたり1.0 μBの全磁化モーメントを示すフェロ磁性基底状態を示し、主にN陰イオンのp軌道に局在化している。
• ZnO:Nにおけるフェロ磁性は、d–d交換ではなく、不純物p軌道と価電子pバンド間のp–p結合相互作用によって生じており、スピン偏極キャリアによって媒介される。
• 炭素ドープZnOおよび炭素ドープAlNについてもフェロ磁性が予測され、このメカニズムがII族酸化物およびIII族窒化物ホストに一般化可能であることが示唆される。
• ZnO:NにおけるBe共ドーピングによりフェロ磁性状態が安定化され、イオン化エネルギーが0.4 eVから0.2 eVに低下し、FM–AFMエネルギー差が7 meVから54 meVに増加する。
• Be共ドーピングされたZnO:Nにおける強化されたp–p結合はキャリア濃度を増加させ、長距離フェロ磁性結合を強化し、ZnO:N単体よりも高いキュリー温度を示唆する。
• これらの系における磁化モーメントは主に陰イオンp軌道（C、N、またはO）に存在し、d軌道磁性に基づく従来のDMSモデルに挑戦する。