本发明为一种层叠体,其具备:作为具有纤锌矿结构的结晶的底膜12;和将M设为3d过渡金属元素且将X的范围设为0<X<1时,形成于所述底膜上的具有六方结构的Mg
1.一种层叠体,其特征在于,具备:作为具有纤锌矿结构的结晶的底膜,和将M设为3d过渡金属元素并且将X的范围设为0<X<1时,形成于所述底膜上的具有六方结构的Mg_XM_1-XO膜;其中,将Mg或M示为20、将O示为22时,所述六方结构为以下的晶体结构,ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>
2.如权利要求1所述的层叠体,其特征在于,所述底膜的晶格常数a和b分别大于在所述Mg_XM_1-XO膜为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b。
3.如权利要求1或2所述的层叠体,其特征在于,所述底膜为具有纤锌矿结构的氧化锌。
4.如权利要求1~3中任意一项所述的层叠体,其特征在于,所述M为Co,所述Mg_XM_1-XO膜的膜厚为60nm以下。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的层叠体,其特征在于,所述M为Co,所述Mg_XM_1-XO膜的X的范围为0.1以上且0.5以下。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的层叠体,其特征在于,所述Mg_XM_1-XO膜为在该膜上具有覆盖膜的膜,形成所述覆盖膜的结晶的晶格常数a和b分别大于在所述Mg_XM_1-XO膜为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b。
7.如权利要求1~3中任意一项所述的层叠体,其特征在于,所述Mg_XM_1-XO膜为Mg_XCo_1-XO膜。
8.如权利要求1~3中任意一项所述的层叠体,其特征在于,当M为Co和Zn、将Y的范围设为0<Y<1时,所述Mg_XM_1-XO膜为Mg_XCo_YZn_1-X-YO膜。
9.一种结晶,其特征在于,将M设为3d过渡金属元素、且将X的范围设为0<X<1时,该结晶为具有六方结构的Mg_XM_1-XO,将Mg或M示为20、将O示为22时,所述六方结构为以下的晶体结构,ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>
10.如权利要求9所述的结晶,其特征在于,所述Mg_XM_1-XO为Mg_XCo_1-XO。
11.如权利要求9所述的结晶,其特征在于,当M为Co和Zn、将Y的范围设为0<Y<1时,所述Mg_XM_1-XO为Mg_XCo_YZn_1-X-YO。技术领域
本发明涉及结晶及层叠体,例如涉及将M设为3d过渡金属元素时为MgMO的结晶、以及含有该结晶作为膜的层叠体。
背景技术
近年来,一直在积极地推进应用了带有电荷的自旋的信息处理、以及用于独立控制自旋与电荷的技术开发。例如,提出了像MRAM(Magneticxa0Randomxa0Accessxa0Memory)和自旋晶体管这样的、使用发生了自旋极化的传导电子的器件等。非专利文献1中预测:作为MgO(氧化镁)的晶体结构,除了纤锌矿结构与岩盐结构之外,MgO的晶体结构可以是h-MgO(以下也称为六方结构)。非专利文献2和3中记载了强磁性体的异常霍尔效应。现有技术文献非专利文献非专利文献1:Physicalxa0Reviewxa0Bxa0Vol.63,104103(2001)非专利文献2:Physicalxa0Reviewxa0Lettersxa0Vol.97,126602(2006)非专利文献3:JJAPxa0Expressxa0Letterxa0Vol.46,L642-L644(2007)
发明内容
发明所要解决的课题对于使用自旋极化传导电子的器件来说,需要高效生成自旋极化传导电子。霍尔迁移率大的试样一般具有高传导率。在这种情况下,高传导率起因于高电子浓度,大部分情况下迁移率低。作为电子浓度高的试样,有例如Fe、Co等强磁性金属。对于强磁性金属而言,传导电子的自旋极化率为60%以下。传导电子的自旋极化率依存于与定域自旋的相互作用而发生变化。例如,若传导电子能够在低电子浓度下具有高电子迁移率,则自旋极化率由偏斜散射(skewxa0scattering)来确定。因此,有可能能够实现高自旋极化率。本发明鉴于上述课题而完成,其目的在于提供,高效生成自旋极化传导电子的层叠体、以及能够制作该层叠体的结晶。用于解决课题的手段本发明为一种层叠体,其特征在于,具备:作为具有纤锌矿结构的结晶的底膜,和将M设为3d过渡金属元素、且将X的范围设为0<X<1时,形成于上述底膜上的具有六方结构的Mg_XM_1-XO膜;其中,将Mg或M示为20、将O示为22时,所述六方结构为图8的晶体结构。根据本发明,可以高效生成自旋极化传导电子。就上述构成而言,可以形成上述底膜的晶格常数a和b分别大于在上述Mg_XM_1-XO膜为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b的构成。就上述构成而言,可以形成上述底膜为具有纤锌矿结构的氧化锌的构成。根据该构成,可以形成六方结构的Mg_XM_1-XO膜。就上述构成而言,可以形成上述M为Co、上述Mg_XM_1-XO膜的膜厚为60nm以下的构成。就上述构成而言,可以形成上述M为Co、上述Mg_XM_1-XO膜的X的范围为0.1以上且0.5以下的构成。就上述构成而言,可以形成上述Mg_XM_1-XO膜为在该膜上具有覆盖膜的Mg_XM_1-XO膜,且形成上述覆盖膜的结晶的晶格常数a和b分别大于在上述Mg_XM_1-XO膜为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b的构成。就上述构成而言,可以形成上述Mg_XM_1-XO膜为Mg_XCo_1-XO膜的构成。另外,就上述构成而言,当M为Co和Zn、且将Y的范围设为0<Y<1时,可以形成上述Mg_XM_1-XO膜为Mg_XCo_YZn_1-X-YO膜的构成。本发明为一种结晶,其特征在于,将M设为3d过渡金属元素、且将X的范围设为0<X<1时,所述结晶为具有六方结构的Mg_XM_1-XO,将Mg或M示为20、将O示为22时,上述六方结构为图8的晶体结构。根据本发明,可以提供一种结晶,其用于实现能够高效生成自旋极化传导电子的层叠体。就上述构成而言,可以形成上述Mg_XM_1-XO为Mg_XCo_1-XO的构成。另外,就上述构成而言,当M为Co和Zn、且将Y的范围设为0<Y<1时,可以形成上述Mg_XM_1-XO为Mg_XCo_YZn_1-X-YO的构成。发明效果根据本发明,可以提供高效生成自旋极化传导电子的层叠体、以及能够制造该层叠体的结晶。随着自旋电子学的发展,它们作为电子器件、晶体管等是有用的。
附图说明
图1(a)~图1(c)为表示非专利文献1的图1所图示的MgO的晶体结构的附图。图2为实施例1所述的结晶的剖面图。图3(a)~图3(c)为表示堆积膜厚为60nm以下的MgCoO膜时的RHEED图像的图。图4(a)~图4(c)为表示堆积膜厚大于60nm的MgCoO膜时的RHEED图像的图。图5(a)和图5(b)为XRD的测定结果。图6为在非专利文献2的图4上叠加实施例2的结果而示出的图。图7为在非专利文献3的图1上叠加实施例2的结果而示出的图。图8为表示六方结构的晶体结构的图。
具体实施方式
图1(a)~图1(c)为表示非专利文献1的图1所图示的MgO的晶体结构的图。作为MgO的晶体结构,除了纤锌矿结构(WZ)以及岩盐结构(RS)之外,从理论上推测出h-MgO结构是稳定的。如图1(a)所示,就纤锌矿结构而言,Mg(镁)上键合有4个O(氧)。如图1(c)所示,就岩盐结构而言,Mg上键合有6个O。如图1(b)所示,就六方结构而言,纤锌矿结构的Mg与上下的O也发生键合。因此,Mg与5个O键合。另外,六方结构的Z方向的晶格常数c与岩盐结构大致相同。另一方面,六方结构的晶格常数a和b与纤锌矿结构大致相同。就使用了作为MgO与CoO(氧化钻)的混合晶的Mg_XCo_1-XO(以下也记为MgCoO)结晶的层叠体而言,发明人确认出可以高效生成自旋极化电子。就Mg_XCo_1-XO结晶而言,在室温和大气压下岩盐结构是最稳定相。若在纤锌矿结构的结晶上形成Mg_XCo_1-XO(0<X<1)结晶,则在直至Mg_XCo_1-XO结晶发生晶格弛豫为止的膜厚中,可以形成不稳定相。可以确认出该不稳定相为六方结构。实施例1图2为实施例1所述的层叠体的剖面图。利用MBE(Molecularxa0Beamxa0Epitaxy)法,在ZnO(氧化锌)基板10上堆积ZnO膜12作为底层,在ZnO膜12上堆积Mg_XCo_1-XO膜14,在Mg_XCo_1-XO膜14上堆积Y=0.05的Mg_YZn_1-YO(以下也记为MgZnO)膜16(0<Y<1)作为覆盖层。各膜被堆积为单晶。堆积条件如下。供给至MBE的元素:Mg(镁)、Co(钻)、Zn(锌)、O₂(氧)自由基堆积温度:750°C(用thermoviewer测量)Zn原料:Zn金属由克努森容器(Knudsenxa0cell)供给Zn供给蒸汽压:4×10^-4PaMg原料:Mg金属由克努森容器供给Mg供给蒸汽压:1×10^-5PaCo原料:Co金属由克努森容器供给Co供给蒸汽压:1×10^-5PaO₂自由基生成法:200W等离子体源O₂自由基流量:2sccm使X为0.5的Mg_XCo_1-XO膜14成膜时,进行了RHEED(Reflectionxa0Highxa0Energyxa0Electronxa0Diffraction)观察。图3(a)~图3(c)为表示堆积膜厚为60nm以下的MgCoO膜14时的RHEED图像的图。图3(a)表示堆积ZnO膜12过程中的RHEED图像,图3(b)表示堆积ZnO膜12、MgCoO膜14和MgZnO膜16过程中的RHEED图像,图3(c)表示堆积MgZnO膜后的RHEED图像。ZnO膜12的膜厚为100nm,MgCoO膜16的膜厚为30nm,MgZnO膜16的膜厚为100nm。图4(a)~图4(c)为表示堆积膜厚大于60nm的MgCoO膜时的RHEED图像的图。ZnO膜12的膜厚为100nm,MgCoO膜14的膜厚大于60nm,MgZnO膜16的膜厚为100nm。图4(a)~图4(c)为与图3(a)~图3(c)同样的附图。从图3(a)和图4(a)可知,堆积ZnO膜12过程中的RHEED图案稳定。中心的点与两侧的点的间隔D对应于晶格常数a,若间隔D小,则对应于晶格常数a大。另外,如纤锌矿结构和六方结构这样的六方晶结构中,晶格常数a和晶格常数b成比例关系,可以认为对应于晶格常数a的变化,晶格常数b也变化。图3(b)和图4(b)中,纵向为堆积时间。分别相对于堆积时间示出图3(a)和图4(a)的白虚线的信号。中心的点与两侧的点的间隔D对应于晶格常数a。图3(b)中,在ZnO膜12的堆积、MgCoO膜14的堆积以及MgZnO膜16的堆积的期间,间隔D基本不变。这表示:从ZnO膜12到MgZnO膜16,晶格常数a基本不变。另一方面,图4(b)中,在MgCoO膜14的堆积途中(从MgCoO膜14的成长开始至堆积到60nm的膜厚的时间点),间隔D变大。这表示:发生晶格弛豫,晶格常数a变小。也就是说,对于膜厚大于60nm的MgCoO膜14而言,变成岩盐结构。如图3(c)所示,通过堆积MgZnO膜16后的RHEED图像可知,表面极其平坦。另一方面,如图4(c)所示,若MgCoO膜14的膜厚超过60nm,则可以观测到多个点衍射点,可知表面粗糙。可以认为这是由于下述理由所致的,即,因为MgCoO膜14发生晶格弛豫,所以堆积面粗糙。如上所述,从图3(a)~图4(c)的RHEED的结果可知,MgCoO膜14的膜厚为60nm以下时,晶格常数a基本与纤锌矿结构相同。MgCoO膜14的膜厚超过60nm时,变为岩盐结构的晶格常数a。接着,进行了X为0.5的Mg_XCo_1-XO膜14的XRD(X-rayxa0diffraction)测定。图5(a)和图5(b)为XRD的测定结果。图5(a)表示发生了晶格弛豫后的MgCoO膜14(即将MgCoO膜14堆积为比60nm厚的膜)的XRD的测定结果。图5(b)表示没有发生晶格弛豫的MgCoO膜14(即膜厚为60nm以下的MgCoO膜14)的XRD的测定结果。通过图5(a)和图5(b)可知,纤锌矿结构的ZnO的晶格常数c均为0.2603nm。图5(a)的MgCoO膜14的晶格常数c为0.244nm,图5(b)的MgCoO膜14的晶格常数c为0.247nm。如上所述,岩盐结构中发生了晶格弛豫后的晶格常数c与膜厚为60nm以下且没有发生晶格弛豫的晶格常数c基本相同。从这些结果可知,对于膜厚为60nm以下的MgCoO膜14而言,晶格常数a与纤锌矿结构相同,晶格常数c与岩盐结构相同。通过以上可以认为,膜厚为60nm以下的MgCoO膜14为六方结构。即,可以认为MgCoO膜14为Mg或Co原子占据图1(b)的Mg的位点且O占据图1(b)的O的位点而成的结构。另一方面,膜厚大于60nm的MgCoO膜14发生晶格弛豫,变成稳定相的岩盐结构。像这样,在X=0.5的Mg_XCo_1-XO膜14为最稳定相的岩盐结构的情况下,与ZnO膜12产生了约7%的晶格不整合。因此,在Mg_XCo_1-XO膜14的表面产生较大表面能。由此,若Mg_XCo_1-XO膜14的膜厚超过临界膜厚(对于实施例1而言为60nm),则Mg_XCo_1-XO膜14的晶格应变得到松弛而变成岩盐结构。另一方面,若为临界膜厚以下,则Mg_XCo_1-XO膜14变成六方结构。实施例2接着,在实施例2中,作为层叠体的样品1,制作出膜厚为30nm且X为0.5的Mg_XCo_1-XO膜14的样品,作为层叠体的样品2,制作出膜厚为10nm且X为0.1的Mg_XCo_1-XO膜14的样品。ZnO膜12和MgZnO膜16与实施例1相同。将样品1和样品2加工成霍尔棒(Hallxa0bar)形状。使用霍尔棒形状的样品,测定电阻的温度依存性、磁场中的磁阻、和霍尔效应。电阻的温度依存性为金属性的。得到约60%这样大的正的磁阻效应。对于温度为4K下的霍尔电阻(Hallxa0resistance)的磁场依存性来说,观测到正常霍尔效应和异常霍尔效应。已知异常霍尔效应与自旋极化有关。若异常霍尔效应的纵磁传导率(verticalxa0magneticxa0conductance)σ_XX与霍尔电导率(Hallxa0conductance)σ_XY的比率大,则可以高效生成自旋极化电流。图6为在非专利文献2的图4上叠加实施例2的结果而示出的图。利用异常霍尔效应的测定结果,假定实施例2所述的结构二维地进行传导,从而计算出σ_XY。图6中,白圆表示样品1,黑圆表示样品2。样品1和样品2的σ_XY/σ_XX值均变大。由此可知,实施例2中,MgCoO的自旋极化传导电子的生成效率高。图7为在非专利文献3的图1上叠加实施例2的结果而示出的图。假定实施例2所述的结构具有约30nm的宽度三维地进行传导,从而计算出σ_AH。另外,虽然MgCoO膜14为绝缘体,但由于ZnO膜12、MgCoO膜14和MgZnO膜16的自发极化之差,因而在ZnO膜12的MgCoO膜14侧的界面和MgZnO膜16的MgCoO膜14侧的界面产生二维电子。因此,假定ZnO膜12与MgCoO膜14的界面以及MgZnO膜16与MgCoO膜14的界面也包括在内,为约30nm左右宽的传导层。如图7所示,样品1和样品2的σ_AH/σ_XX值均变大。如上所述,无论假定实施例2的传导为二维传导或三维传导中的哪一种,异常霍尔效应的σ_XY/σ_XX和σ_AH/σ_XX也显示为大的值。由此可以认为,实施例2所述的晶体结构的自旋极化传导电子的生成效率高。另外,即使MgCoO膜14的一部分发生了晶格弛豫,也可以得到高自旋极化传导电子。在20K以下的温度下可观测到这样的效果。可以认为这依存于磁性的转移温度。如实施例2那样,可以认为,在具有六方结构的Mg_XCo_1-XO膜14与具有纤锌矿结构的ZnO膜12的界面生成了高迁移率且具有高自旋极化率的电子系。另外,在晶格常数a和b分别大于在MgCoO膜14为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b的底膜(例如ZnO膜12)上,形成Mg_XCo_1-XO膜14。这样,由于底膜的晶格常数大于MgCoO膜14的晶格常数,因此,在如图1(a)那样的纤锌矿结构中,MgCoO膜14沿着a、b方向扩张。因此,Mg或Co与没有发生键合的上或下的O键合,且容易变成如图1(b)所示的六方结构。作为底膜,可以像实施例1和实施例2那样,使用纤锌矿结构的氧化锌(ZnO)。氧化锌的晶格常数a和b比在MgCoO膜14为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b大出约7%。因此,ZnO膜12上的MgCoO膜14容易变成六方结构。作为晶格常数a和b比MgCoO膜14的晶格常数a和b大的纤锌矿结构的底膜,还可以使用例如ScAlMgO₄等。另外,如图4(b)所示,为了使MgCoO膜14形成六方结构,优选MgCoO膜14的膜厚为60nm以下。另外,优选30nm以下,进一步优选20nm以下。另外,为了作为MgCoO膜14而起作用,MgCoO膜14的膜厚优选为1nm以上,更优选为5nm以上。进一步,在MgCoO膜14上形成晶格常数a和b分别大于在MgCoO膜14为纤锌矿结构的情况下的晶格常数a和b的MgZnO膜16来作为覆盖膜。覆盖膜具有使MgCoO膜14稳定的功能。MgZnO膜16的膜厚以及Mg的浓度不会大幅地影响自旋极化传导电子的生成。因此,可以使用ZnO膜作为覆盖膜。如图6和图7所示可知,在Mg_XCo_1-XO膜14的X值为0.1以上且0.5以下的范围时,异常霍尔效应的σ_XY/σ_XX和σ_AH/σ_XX变大。由此,至少在X值为0.1以上且0.5以下的范围时,自旋极化传导电子的生成效率大。X值更优选0.2以上且0.4以下。将M设为3d过渡金属元素时,对于六方结构的Mg_XM_1-XO膜来说也同样,X值优选为0.1以上且0.5以下,更优选0.2以上且0.4以下。实施例1和实施例2中,作为六方结构的膜,以MgCoO膜14为例进行了说明,但将M设为3d过渡金属元素时,也可以是具有六方结构的Mg_XM_1-XO膜。此处,3d过渡金属元素M可以是Zn(锌)、Mn(锰)、Ni(镍)、Co(钻)、Sc(钪)、Ti(钛)、V(钒)、Cr(铬)、Fe(铁)或Cu(铜)等第一过渡元素或它们的混合物。从使岩盐结构物质群成为纤锌矿结构而形成界面,从而得到六方结构的实施例1和实施例2的想法出发,作为M,除Co以外,也可以使用上述3d过渡金属元素。在岩盐结构物质群中,从能够取得2价的电子配置并能够成为磁性的起源的过渡金属元素的观点来看,M优选为Co、Fe、Mn或Ni或者它们的混合物。而且,可以混合Zn(锌)。由于对于氧化锌而言六方晶系为稳定结构,因此Zn的混合有助于使六方结构稳定化。特别是在使用氧化锌作为底膜的情况下,通过Zn向MgCoO膜14扩散,从而即使作为六方结构的Mg_XCo_YZn_1-X-YO膜(0<X<1、0<Y<1),也可以得到与MgCoO膜同样的特性。进一步,对于纤锌矿结构等具有自发极化的物质群而言,为了在不同物质之间的界面上消除因极化差所致的静电不稳定性,而生成传导电子系。在纤锌矿结构与六方结构的界面上,生成低电子浓度且具有高电子迁移率的传导电子。因此,由偏斜散射来确定自旋极化率。即,可以认为:通过使该传导电子与3d过渡金属的定域自旋相互作用,从而如实施例2所述,能够生成具有高自旋极化率的传导电子。根据该想法,底膜12具有纤锌矿结构即可,将M设为3d过渡金属元素时,底膜12上的膜为六方结构的Mg_XM_1-XO膜即可。通过适宜选择3d过渡金属,可以改变发生自旋极化的温度。例如,通过使用磁性的转移温度更高的物质,从而在更高温下也可以实现自旋极化。这样,本发明人首次确认出下述结晶,即,具有六方结构的Mg_XM_1-XO。根据该六方结构的Mg_XM_1-XO结晶,可以提供Mg_XM_1-XO膜,该Mg_XM_1-XO膜用于实现能够高效生成自旋极化传导电子的层叠体。另外,在Mg_XM_1-XO膜内,可以在能够形成六方结构的范围内含有其他元素。图8为表示六方结构的晶体结构的图。将Mg或M示为20、将O示为22、并用线棒表示20与22的键合时,六方结构为图8的晶体结构。六方结构中,纤锌矿结构的20与上下的22键合,因而与5个22键合。在由强磁性金属对高迁移率二维电子气、低载流子浓度半导体材料进行自旋注入的情况下,通过借助肖特基接合(Schottkyxa0junction)、隧道绝缘膜(tunnelingxa0insulatorxa0film)来进行自旋注入,从而能够进行高效的自旋注入。然而,若借助肖特基接合、隧道绝缘膜,则电导就会变小。根据本发明,不借助肖特基接合、隧道绝缘膜,就能够对二维电子气、低载流子浓度半导体材料进行高效率的自旋注入。这是由于低电子浓度的不匹配(mismatch)小。这样,可以高效生成自旋极化传导电子。由此,可以在例如使用了自旋极化传导电子的自旋晶体管中应用本发明。以上详述了本发明的优选实施例,但本发明并不限于所述特定的实施例,在专利技术方案所记载的本发明的要点的范围内,可以进行各种变形·变更。符号说明10xa0xa0ZnO基板12xa0xa0ZnO膜14xa0xa0MgCoO膜16xa0xa0MgZnO膜20xa0xa0Mg或M22xa0xa0O