【研究領域課題番号】20K20361 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強磁性半導体 / スピントロニクス / 狭ギャップ半導体 / ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / デバイス / 磁気抵抗効果 / 電界制御 / スピン / バンド構造 / 磁気抵抗 / トポロジカル / ディラック半金属 / 強磁性 / 狭ギャップ / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / キュリー温度 / (In,Fe)Sb / ストントロニクス

【研究成果の概要】

これまでの強磁性半導体の問題点をほぼすべて解決した。すなわち、1) Fe添加III-V族強磁性半導体を作製することにより、p 型とn 型の強磁性半導体を両方実現、2) キュリー温度Tcを室温より上げ、室温で強磁性を示す半導体を実現し、物性機能を最適化、機能を高度化、3) 強磁性の起源に関する統一的な理解と物質設計指針の確立、を達成した。さらに種々のヘテロ構造、デバイス構造を作製、巨大な磁気抵抗比をもつ新しい近接磁気抵抗効果を発見、その電界制御に成功、すべて強磁性半導体から成るｐｎ接合を作製するなど、将来のスピンデバイス実現の基礎となる様々な物性機能を実現、実証した。

【研究の社会的意義】

新しい強磁性半導体を開発し、半導体および磁性物理学、物性物理学とその応用分野の新しい境地を開いた。また本研究の成果は、不揮発性と柔軟な情報処理機能を持つスピントランジスタ、スピン依存バンド構造を用いた量子効果デバイス、トポロジカル状態を用いた機能デバイスなど、低消費電力で動作しかつ革新的な高機能デバイスの実現、につながると期待される。強磁性半導体を中心とする材料開発（"強磁性半導体のルネサンス"を起こすこと）によって、将来のニューロモルフィック・コンピューティング(NC)、モノのインターネット化(IoT), 人工知能(AI)に適したデバイスの基盤技術、将来の情報技術の一端を創ることができた。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-04-01 - 2022-03-31

【配分額】25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H02095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / スピン依存伝導 / 強磁性転移温度 / スピントロニクス / 磁気抵抗 / スピントランジスタ / 狭ギャップ半導体 / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / 半導体 / 強磁性 / ナノ構造 / トンネル接合 / FET / 量子井戸 / 転移温度 / スピンエレクトロニクス / 不揮発性メモリ

【研究成果の概要】

低消費電力・機能性デバイスに向けた強磁性/半導体融合系の創出とそのスピン物性の研究を行い、材料物性、機能実現、デバイスの各領域で大きな成果を得た。室温以上の高い強磁性転移温度をもつｐ型およびｎ型強磁性半導体(GaFeSb, InFeSb)の作製に成功した。非磁性半導体/強磁性半導体からなる二層ヘテロ構想を作製し、新しい電子伝導現象（大きな磁気抵抗効果）を発見、この構造をトランジスタに加工しゲート電圧によってInAs薄膜中の波動関数を変化させ、近接効果による磁気抵抗を大きく変調することにも成功するなど多くの新しい物性機能を明らかにすると共に、縦型および横型スピントランジスタを作製、動作実証した。

【研究の社会的意義】

半導体材料あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を構成要素として取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン自由度」をも活用する新しい機能材料やデバイスをつくることに成功した。バンドエンジニアリングとスピン自由度を有する新しいデバイス構造：スピントランジスタを提案・解析・作製、その動作を実証した。これにより、スピントロニクスという新しい学術分野の研究をリードするとともに、従来の半導体デバイスや集積回路では持ち得なかった「不揮発性」低消費電力」「再構成可能性」「情報処理の柔軟性」の機能をもつ材料とデバイスを創製し、ポストスケーリング時代の新技術を創成する道を開いた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】16K14224 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / 狭ギャップ / (In,Fe)As / (Ga,Fe)Sb / (In,Fe)Sb / キュリー温度 / スピントロニクス / 狭ギャップ半導体 / 電界効果トランジスタ / キャリア誘起強磁性 / 電界による磁性制御 / 狭バンドギャップ強磁性半導体 / スピンバンドエンジニアリング / スピンエサキダイオード / トンネル分光 / ヘテロ接合 / スピンエレクトロニクス / スピン機能デバイス

【研究成果の概要】

Fe-AsおよびFe-Sb正四面体構造をもつ狭ギャップIII-V族ベース強磁性半導体とそのスピン機能ヘテロ構造材料の作製、物性機能の探索と制御、デバイス応用の研究を行った。強磁性半導体とは、非磁性半導体に磁性元素を添加した混晶半導体であり、半導体と磁性体の両方の性質を持つため、固体物理学・材料科学上の課題を豊富に与えるとともに次世代エレトロニクス・デバイスを担う材料として期待できる材料である。新しいｐ型およびｎ型のFeべース強磁性半導体(Ga,Fe)Sb, (In,Fe)Sbを作製し、そのキュリー温度が室温を超えること、量子ヘテロ構造を作製し、スピントロニクスデバイス応用の可能性を示した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】15F15362 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / (In,Fe)As / (Ga1-x,Fex)Sb / (In1-x,Fex)Sb / キュリー温度 / 狭ギャップ強磁性半導体 / スピントロニクス / (Ga,Fe)Sb / 強磁性転移温度 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

前年度に続き、次世代電子材料として期待される新しい強磁性半導体とデバイス応用の研究を行った。強磁性半導体とは、非磁性半導体に磁性元素を添加した混晶半導体であり、半導体と磁性体の両方の性質を持つため、固体物理学・材料科学上の科学的課題を豊富に与えるとともに次世代スピントロニクス・デバイスを担う材料として期待されている。このような強磁性半導体を含むヘテロ構造およびヘテロ構造の物質設計と作製を行った。
1) ｎ型強磁性半導体(In,Fe)Sbを作製し、この材料ではTCが335 Kに達し、室温での異常ホール効果が大きく現在最も感度の良いInSbの正常ホール効果によるセンサーよりも感度が良いセンサーデバイスが作製可能であることを示した。
2) ｎ型強磁性半導体(In,Fe)Sbをチャネルとする電界効果トランジスタを作製し、ゲート電界によって電子濃度を変調し、キュリー温度を変調できることを示した。これにより、電子誘起強磁性半導体であることを示した。ただし、電子濃度に依存しない強磁性秩序の寄与もありこれが近接Fe原子間の強磁性的超交換相互作用である可能性を示した。
3) 本研究によって、ｎ型とｐ型の両方で室温以上のTCをもつIII-V族強磁性半導体を作製できることを示した。強磁性発現機構として、Fe d-準位とホストIII-V族半導体の価電子帯端あるいは伝導帯端が近い時に強磁性が発現しやすくTcも上がるという、共鳴バンドモデルがよく当てはまることを示した。これによって半導体における強磁性発現機構の統一的理解に大きく貢献した。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2015-11-09 - 2018-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)