Gd照射GaN中の照射誘起空孔回復特性と磁気特性に関する研究

Irradiation-induced defects recovery and magnetic property of the Gd ion implanted GaN

薮内 敦; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 長谷川 繁彦*; Zhou, Y.-K.*; 朝日 一*

Yabuuchi, Atsushi; Maekawa, Masaki; Kawasuso, Atsuo; Hasegawa, Shigehiko*; Zhou, Y.-K.*; Asahi, Hajime*

希薄磁性半導体Gd添加GaNにおいて、分子線エピタキシー(MBE)法で結晶成長時に同時にGdを添加して作製した試料と比べ、MBE成長GaNにイオン注入によりGdを添加して作製した試料のほうが大きな磁化を示すことが近年報告されている。これは照射誘起欠陥が磁性発現に重要な役割を果たしている可能性を示唆している。本研究では有機金属気相成長GaN(2m)/Sapphire基板にイオン注入によりGdを添加した後、500C, 1000C, 1300Cでアニールを施し、アニール前後での磁気特性と空孔型欠陥量との関係について交流磁場勾配磁力計及び陽電子消滅法を用いて調べた。その結果、本研究で作製した試料からはイオン注入直後及びアニール後のいずれの場合も磁気ヒステリシスは観測されなかった。また、イオン注入により大幅に増大した消滅線ピーク強度は1000Cのアニールにより低減するが、1300Cアニールでも未照射材の値までの回復は見られなかった。これは照射直後に多量に導入されていた原子空孔がアニール過程で空孔クラスターとなり、高温でも安定な欠陥として残存したことを示している。今後は、空孔クラスターの形成を抑制することを目的に、高温でイオン注入を行うことを検討している。

Recent GaN-based DMS studies have reported that Gd-doped GaN tend to indicate large magnetization in defective films. In addition, recent theoretical calculation study has also reported that a presence of vacancies affects the magnetic properties in DMS. In this study, Gd ions were implanted into MOCVD-GaN film by using ion implantation techniques. Furthermore, we have attempted to clarify the correlation between the magnetic properties and presence of vacancy-type defects. As a result, irradiation-induced defects have decreased greatly at 1000 C annealing. However, vacancy-type defects were still remained after 1300 C annealing. Alternating gradient magnetometer (AGM) measurements were also performed at room temperature for the unimplanted, as-implanted and post-implanted 1300 C annealed GaN films. However, clear magnetic hystereses were not observed even in the as-implanted film. In further study, high temperature ion implantation experiments are needed.