【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

【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】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】16H04348 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ダイヤモンド / 半導体 / スピン注入 / ダイヤモンド半導体 / スピントランジスタ / スピンデバイス / 強磁性体 / ハーフメタル / スピン輸送 / 電子デバイス・機器 / 電子・電気材料 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

ダイヤモンド半導体への高効率スピン注入と低損失スピン輸送を目指し研究を行った。スピン注入源となる磁性トンネル接合内のトンネルバリアの高品質化とダイヤモンド表面終端条件の最適化によりスピン注入効率の１桁程度の増加に成功した。また新しいスピン注入源として期待されるスピンギャップレス半導体（SGS）Mn2CoAl薄膜の低温結晶成長に成功し、SGSの主要な特性である両極性伝導を初めて観測した。更にスピン注入高効率化の為のダイヤモンド上へのグラフェン層の直接成長に成功すると共に、ダイヤモンド／グラフェン接合が特異な光伝導度変調（光メモリスタ的挙動）を示す事を初めて見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】26249039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子線エピタキシー / 半導体 / 酸化物 / スピントランジスタ / スピン注入 / 強磁性半導体 / スピントロニクス / 量子構造 / トランジスタ / ヘテロ構造 / スピンエレクトロニクス / ペロブスカイト酸化物 / トンネル磁気抵抗効果

【研究成果の概要】

スピントランジスタの動作実証を中心とし、その周辺技術の開拓や学術構築も含め、次のような様々な成果を得ることに成功した。①強磁性半導体GaMnAsを用いた縦型スピントランジスタの動作実証②GaMnAs量子井戸の量子サイズ効果を利用した新規物理の発見③GaMnAs横型スピンバルブ素子における大きな磁気抵抗比の実現④酸化物半導体を用いた縦型スピントランジスタの世界初室温動作実証⑤Ge系磁性半導体における強磁性発現メカニズム等の解明⑥強磁性ペロブスカイト酸化物ヘテロ構造における特異なスピン依存伝導の観測⑦トポロジカル結晶絶縁体におけるスピン流電流変換の初実証⑧超短パルス光を用いた磁性とバンドの高速変調

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】24560372 (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 / 半導体 / ダイヤモンド / ハーフメタル / ホイスラー / スピンデバイス / スピン注入 / ショットキー / 強磁性 / ダイヤモンド半導体 / ホイスラー合金 / スピントランジスタ / ショットキー接合

【研究成果の概要】

本研究ではスピントランジスタの実現の為の最重要課題である強磁性体から半導体への高効率スピン注入に関して、長スピン拡散長等の優れた特徴を持つダイヤモンド半導体と強磁性ハーフメタルCo2MnSi(CMS)を組合せて達成する試みを行った。研究成果として、高効率スピン注入に必須となる急峻なハーフメタルCMS/ダイヤモンド半導体界面が～300℃でのCMSの低温成長により得られる事を明らかにし、CMS/高濃度不純物ドープダイヤモンド接合を用いた３端子ハンル測定によりスピン注入由来と思われる信号を得た。スピン緩和時間は～7nsと見積もられたが、高不純物ドープ半導体を用いている事を考慮すると大きな値である。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20686002 (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 / 量子ヘテロ構造 / 半導体 / トンネル磁気抵抗効果 / スピントランジスタ / 量子井戸 / 共鳴トンネル効果

【研究成果の概要】

GaMnAsを中心とした強磁性半導体材料における価電子帯構造と量子デバイスに関して、様々な新たな知見を得た。GaMnAs磁気トンネル接合において、2. 6Kにおいて175%という本材料系における本温度領域での最も大きなトンネル磁気抵抗効果を得た。GaMnAs量子井戸に電極を有する3端子デバイスを作製し、量子準位と磁気電流比を制御することに成功した。スピン依存共鳴トンネル分光法を用いてGaMnAsの価電子帯構造を系統的に明らかにすることに世界で初めて成功した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】25,480千円 (直接経費: 19,600千円、間接経費: 5,880千円)