【研究領域課題番号】18H03860 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁化反転 / トンネル磁気抵抗効果 / 電界効果 / 分子線エピタキシー / 酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流 / エピタキシャル成長 / トランジスタ / 二次元界面 / トポロジカル / ヘテロ構造 / スピントランジスタ / 単結晶

【研究成果の概要】

本研究では、超高品質単結晶ヘテロ構造の作製技術を用いることにより、物質が本来内因するスピンに依存した機能性を新たに開拓することを目標とした。実際に、酸化物の二次元電子ガスを用いて極めて高効率のスピン流電流変換に成功した。半導体ベースの強磁性材料において、強磁性体単一層に電流を流すだけで磁化反転が起こることを見出し、世界最小電流密度での磁化反転に成功した。酸化物磁気トンネル接合において、強磁性酸化物界面の特異な状態密度を活かして、金属系接合で磁化反転に必要な電流密度より約8桁小さな電流密度で磁化の90度回転が起こることを発見した。デバイス応用上有望な様々な新たな基礎的な知見を得ることができた。

【研究の社会的意義】

原理的にエネルギー散逸がないとされている純スピン流を利用したり、強磁性体の磁化の不揮発性を利用して現在の集積回路を完全不揮発にすることにより、情報機器の消費電力を極限まで低減できる新しい技術を開拓することは極めて重要な課題である。本研究では、スピンの散乱を大幅に低減可能なオールエピタキシャルの酸化物二次元電子系や、半導体や酸化物の高品質単結晶ヘテロ構造を用いて、非常に高効率のスピン流電流変換や、世界最小の電流密度での磁化反転現象や磁化回転現象などを観測することに成功した。本研究で得られた新たな知見は、将来的には、全不揮発の極限的な低消費エネルギー情報処理技術の実現に結びつくものと期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】24360004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 光物性 / エピタキシャル成長 / 量子光学 / 単一光子 / 量子もつれ光子対 / 半導体物性 / MBE、エピタキシャル / 応用光学・量子光光学 / 応用光学・量子光工学 / 励起子分子 / 原子層ドーピング / 等電子トラップ

【研究成果の概要】

原子層ドーピングを利用して、窒素原子およびエルビウム原子局所ドーピング構造半導体を作製し、量子情報通信において重要な役割を担う完全ランダム偏光かつ優れた波長再現性を有する単一光子および量子もつれ光子対の高効率生成を目指した。窒素原子局所ドーピング構造半導体を用いて、量子もつれ光子対生成に応用できるランダム偏光の励起子分子および励起子発光の観測に成功した。エピタキシャル成長中のエルビウム原子の表面偏析の温度依存性を定量的に調べることによって、原子層ドーピング構造半導体を作製するための条件として低温成長が必須であることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】23360163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

太陽電池 / 温度安定性 / 励起子吸収効果 / 分子線エピタキシー / 超格子太陽電池 / AlGaAs/GaAs超格子 / Si/SiO2超格子 / スパッタリング / 超格子 / タンデム太陽電池 / 励起子吸収 / AlGaAs/GaAs / 解放電圧 / Si/SiO2 / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 作成・評価技術 / 表面 / 界面 / エピタキシャル成長 / 結晶評価 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

太陽電池の重要な問題点のひとつは温度上昇による特性劣化である。温度上昇によりバンドギャップが減少しVocが低下することが原因である。半導体超格子では量子効果と励起子吸収によりこの傾向が緩和されると考え、AlGaAs/GaAs超格子を用いてこれを実証した。
最適化されたAlGaAs/GaAs超格子太陽電池では、100℃という高温においてもVocとηの減少は少なく、特にdη/dTは0.22/deg.が得られた。これは報告されている太陽電池の中で最も低い値である。さらに超格子構造では、励起子吸収の効果が顕著になり、等価な構造を持つGaAsバルク太陽電池よりも高い効率が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】19206011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 波長変換 / 半導体レーザ / 擬似位相整合 / 化合物半導体 / 分子線エピタキシー / シリコンフォトニクス / 疑似位相整合 / エピタキシャル成長 / 集積回路 / 光機能素子

【研究成果の概要】

副格子交換エピタキシー技術をベースにしたGaAs/AlGaAs 導波路型QPM 波長変換デバイスの高品質化に成功し,最低損失2.7 dB/cm(GaAs 導波路@1.55 μm),SHG最高変換効率34 %/W(2.96 mm 長Al_<0.5>Ga_<0.5>As 導波路@1.55 μm 基本波)を達成した。低温MBE再成長がキーテクノロジーであるが,さらなる高性能化のためには(111)A 面欠陥と組成変調の発生を今後克服する必要がある。HIC-BPM,ZQPM,TQPM といった新規位相整合法を取り入れたAlGaAs 導波路型高性能波長変換デバイスを新たに提案した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2010

【配分額】49,140千円 (直接経費: 37,800千円、間接経費: 11,340千円)

【研究分野】無機工業化学

【研究領域課題番号】14205123 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

GaN / 発光素子 / 擬似単結晶 / エピタキシャル成長 / MBE / PLD / 表示素子 / 界面バッファー層 / 窒化ガリウム / 発光ダイオード / ホトルミネッセンス / 電磁鋼板 / ディスプレー / 窒化アルミニウム / Mgドーピング

【研究成果の概要】

本研究の目的は巨大グレインを持つ擬似単結晶金属基板に窒化ガリウムを成長し、低消費電力の大面積ディスプレイや電子ペーパー、高効率照明への応用の可能性を実証することである。GaN発光ダイオード(LED)は大面積表示素子や照明素子への応用が検討されてきたが、GaN結晶には(1)価格が高い(2)大面積化が困難等の本質的な問題点があり、実際にこの様な用途には未だ利用が進んでいない。一方、我々は、良く制御された温度勾配条件下で作製した金属板(擬似単結晶金属基板)が数十センチメートルから数メートルにも及ぶグレインサイズを持ち、この上に優れた結晶性を持つ窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム・ガリウム(InGaN)等のIII族窒化物結晶がエピタキシャル成長できることを見出した。擬似単結晶金属基板のグレイインサイズは半導体のキャリアの拡散長と比べて十分に大きいので、擬似単結晶金属基板上にエピタキシャル成長した半導体を用いて発光素子を作製すれば、バルク単結晶素子と同等の性能を持つLEDが低価格かつ大面積で実現できると考えられ、高輝度の低消費電力・軽量・大面積ディスプレーが実現すると予測される。このような金属基板上に高品質半導体の成長を実現するには、(1)金属板の平坦化・清浄化プロセスと(2)界面バッファー層の品質が重要であることが分かった。(1)に関しては、平坦化研磨液のpHを約8.5にコントロールすることや結晶成長装置内で金属表面に還元性のInプラズマを照射することによって、ステップ構造を持った超平坦清浄金属表面を得ることに成功した。また、(2)界面バッファー層に関しては窒素プラズマラジカル源を用いることによって品質の向上を実現した。これらの技術を用いて窒化ガリウムを擬似単結晶金属基板上に成長したところ非常に強いバンド端発光を示す単結晶が実現した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】55,120千円 (直接経費: 42,400千円、間接経費: 12,720千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】11450007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

酸化亜鉛薄膜 / エピタキシャル成長 / レーザーMBE / 格子整合基板 / 酸化亜鉛超格子薄膜 / エキシトン発光 / エキシトン誘導放出 / p型酸化亜鉛 / 酸化亜鉛 / 室温励起子紫外光レーザー発振 / 価電子制御 / p-n接合 / 残留ドナー濃度 / ScA1MgO_4 / 電流注入 / パルスレーザー堆積法

【研究成果の概要】

酸化亜鉛薄膜を原子レベルで平坦なサファイア基板c面上にレーザーMBEで成膜することによって、エピタキシャル成長を行うことができ、面内の配向や表面の極性の制御も実現した[I.Ohkubo et al.,Surf.Sci.Lett.443,L1043(1999)]。その結果、化合物半導体超格子と同レベルの品質を持つZnO/MgZnO超格子が作製でき、量子効果によるギャップのブルーシフトが観察された[A.Ohtomo et al.,Appl.Phys.Lett.75,980(1999);75,4088(1999)]。一般に半導体の価電子制御を行うためには薄膜の品質向上が不可欠であるため、さらに結晶性向上を目指し、酸化亜鉛薄膜と非常に格子整合性が良いScAlMgO4基板を採用することによって、単結晶レベルの結晶性を有する薄膜を実現した[A.Ohtomo et al.,Appl.Phys.Lett.75,2635(1999)]。その結果、エキシトン発光特性が向上し[T.Makino et al.,Appl.Phys.Lett.76,3549(2000)]、同じく高品質のZnO/MgZnO超格子とCdZnO/MgZnO超格子の室温エキシトン発光が明瞭に観測され[T.Makino et al.,Appl.Phys.Lett.77,975(2000);77,1632(2000);H.D.Sun et al.,Appl.Phys.Lett.77,4250(2000)]、ZnO/MgZnO超格子において室温でエキシトンの誘導放出が観測された[A.Ohtomo et al.,Appl.Phys.Lett.77,2204(2000)]。以上のように、p型酸化亜鉛の作製に関しては当初の目的を達していないが、酸化亜鉛薄膜のバンドエンジニアリングは大幅に進歩した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】15,100千円 (直接経費: 15,100千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】08044120 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

異種物質ヘテロ接合糸 / ErAs / III-V半導体 / 分子線エピタキシ- / 強磁性金属 / MnAs / GaMnAs / 強磁性半導体 / 異種物質ヘテロ接合系 / 異種物質ヘテロ接合 / エピタキシャル成長

【研究成果の概要】

平成9年度は、強磁性金属と半導体から成る異種物質ヘテロ接合系と強磁性混晶半導体GaMnAsを含む磁性体/半導体融合材料系のエピタキシャル成長・物性探索およびその応用に関する、以下の共同研究および調査研究を行った。
(1)半導体(III-V)/金属間化合物(ErAs)/半導体(III-V)ヘテロ構造の分子線エピタキシ-(MBE)成長技術に関する研究と情報交換(ミネソタ大学にてパルムストロム教授とともに平成9年8月に調査研究を行った。)
(2)ErAs/AlAs/GaAs埋め込みヘテロ構造の構造評価、特に高分解能透過型電子頭微鏡を用いたヘテロ界面の解析(米国サンタバ-バラおよびミネソタ大学、東京大学において、パルムストロム教授及びデボック博士らと平成9年7月および平成10年3月に共同研究を行った。)
(3)強磁性金属(MnAs,MnGa)を含む強磁性金属と半導体から成る異種物質ヘテロ接合系の結晶成長機構の解明と物性機能の探索(ベルギーIMECにおいてデボック博士らと平成9年9月に、東京大学にてデボック博士らと平成10年3月に、それぞれ調査研究と共同研究を行った。)
(4)強磁性混晶半導体(GaMn)Asを含む磁性体/半導体融合材料系のエピタキシャル成長・物性探索およびその応用に関する研究(ベルギーIMECおよびポーランドのワルシャワにおいてデボック博士ら平成9年9月に、東京大学においてデボック博士らと平成10年3月に、共同研究と調査研究を行った。

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】4,200千円 (直接経費: 4,200千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】07555412 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

MnAs / 分子線エピタキシ- / 強磁性体 / 半導体多層構造 / GaAs / 不揮発性メモリ / スピンバルブ / (111)基板 / エピタキシャル成長 / 強磁性体半導体多層構造 / エピキシシャル成長 / エピタキシャル強磁性体超薄膜 / 半導体基板 / 磁気異方性 / 半導体 / 磁性体多層構造 / 一軸異方性 / 磁性体薄膜 / 金属間化合物 / 強磁性MnGa薄膜 / 垂直磁化 / ヘテロエピタキシ- / 強磁性MnAs薄膜 / 交番力マグネトメータ

【研究成果の概要】

強磁性金属間化合物MnAsに着目し、半導体基板上にエピタキシャル単結晶強磁性体薄膜を形成し、その構造・電気的・磁気的性質を最適化することにより、半導体エレクトロニクス回路と融合可能なオンチップ不揮発性メモリ実現のための材料開発を行うことを主目的として以下の研究を行った。平成9年度は、強磁性体薄膜MnAsと化合半導体GaAsから成る多層構造(3層構造)の分子線エピタキシ-(MBE)を用いたエピタキシャル成長と物性機能の探索に重点をおいて以下の研究を行った。
(1)強磁性体(MnAs)/半導体(GaAs)多層構造のエピタキシャル成長:GaAsやSi半導体基盤の方位を従来の(001)に加えて(111)方位を使用することにより、MnAs(0001)面のエピタキシャル成長薄膜を得た。この強磁性薄膜は、その構造対称性を反映して面内で磁気異方性がないことがわかった。さらにスピンとキャリア電荷の両方を利用したより高度な機能の実現を目指すため、これら(111)半導体基板上にMnAs/GaAs/MnAs/GaAs、及びMnAs/GaAs/MnAsから成る多層構造のMBE成長を行い、原子レベルで急峻な界面をもつ多層構造が形成されていることを、高分解能の電子顕微鏡観察で確かめた。
(2)半導体/磁性体多層構造の物性機能:多層構造中のMnAsは良好な磁気特性を示し、その飽和磁化は600eμ/cm3程度と、バルクMnAsで報告されている値に劣らないことを示した。また、成長条件を制御することにより、磁気特性のヒステリシスにダブルステップが現れた。これは、上下のMnAs層で保持力が異なるためである。半導体/磁性体から成るエピタキシャル多層構造は、スピンバルブ効果、磁気抵抗効果などを用いたセンサやメモリなどの磁気デバイス機能と半導体機能を融合させるために、有望な新しい材料系であることを示した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】5,400千円 (直接経費: 5,400千円)