【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】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26870086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / トポロジカル結晶絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 2次元伝導 / メゾスコピック / 光電子分光 / 磁性 / MBE / 角度分解光電子分光 / 磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / ワイル半金属 / 時間反転対称性 / スピントロニクス / 半導体 / 弱反局在効果 / ディラックコーン / 強磁性

【研究成果の概要】

本研究ではトポロジカル結晶絶縁体(TCI)において、その鏡映対称性がもたらすトポロジカル表面状態（TSS）について、磁性元素の添加による影響を探ることを目指した。まずは高品質単結晶薄膜SnTeにおいて2次元弱反局在効果を観測し、それがTSS由来であることを明らかにした。また補償元素Sb添加を行った所、バルクキャリア低減と、さらにp型・ｎ型両タイプの作製に成功した。その試料において角度分解光電子分光測定を行った結果、TSS由来のディラックコーンの観測に成功した。またSnTeへの磁性元素Mnのドーピングによって強磁性化することにも成功し、低Mn濃度試料では強磁性とTSSが両立しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】26630123 (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 / 分子線エピタキシー / 量子効果 / ヘテロ構造 / 量子井戸 / スピン依存トンネル現象 / 磁気トンネル接合 / 半導体 / 共鳴トンネルダイオード

【研究成果の概要】

強磁性量子へテロ構造の理想系と言える強磁性半導体を用いた系で基礎研究を進め、強磁性転移により量子効果が増強されることや量子効果により磁気異方性が変化することを初めて明らかにした。半導体Geやそれをベースとした強磁性半導体GeFe上に高品質なFe/MgO単結晶を成長できることを明らかにし、それらの系で世界で初めてトンネル磁気抵抗効果(TMR)を観測した。Fe量子井戸を有するFe/MgO/Fe/MgO/Geにおいては、200%程度の大きなTMRを得ることに成功した。電流電圧特性にFe量子井戸膜厚の変化に対する系統的な変化が見られ、Ge基板上で初めてFe量子井戸の量子効果に起因した信号が観測された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【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】14F04907 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 光デバイス / 半導体レーザー / 太陽電池 / 分子線エピタキシー / 電子ビーム蒸着 / 有限要素法計算 / クローン相互作業 / クーロン相互作用

【研究成果の概要】

MBE成長装置のオープン・メンテナンス作業を行い、MBEチャンバー内の清掃、クライオポンプのメンテナンス、材料チャージ、リードスクリーン更新、ｎ型とp型のドープ制御のための自家製のフィラメント型ドーパントセルの改良を前年度末に終えたので、H27年度にそれらを用いて、光励起短パルス発生用半導体レーザー、高効率太陽電池デバイスの結晶成長を行った。太陽電池については、表面反射率の制御のため、理論計算設計と電子ビーム蒸着法による誘電体減反射コーティング膜の作製、評価を行った。単一pn接合太陽
電池を用いて太陽電池効率を決定的に支配する非輻射再接合速度の分離選択的な評価測定の実験を進めた。光励起キャリアの生成・分離・再結合を評価する、学外のテラへルツ分光、超高速分光の研究グループにも試料提供を行った。その際、実験の配置にあわせて、専用のｐｎ接合構造や、テラヘルツ分光用バルク・量子井戸試料を設計・結晶成長し、電極構造の設計・プロセスを行った。半導体レーザーについては、端面への電子ビーム蒸着法による酸化シリコンと酸化チタンの多層膜高反射コートの設計と作製を行った。さらに顕微反射分光法用いて、絶対反射率スペクトルの空間分布評価を行った。これらの試料を研究室内の大学院生に提供し、半導体レーザーの短パルス発生限界の物理、低次元性効果の評価、低しきい値の限界を決める物理などの研究を進めた

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2014-04-25 - 2016-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【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】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】12875058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ErAs / GaAs / 半導体 / 半金属 / 共鳴トンネル効果 / 微分負性抵抗 / トンネル効果 / ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / 共鳴トンネルダイオード / 金属 / 半導体複合ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究では、GaAs上で熱力学的にきわめて安定な半金属材料としてNaCl型結晶構造をもつErAsに着目し、ErAs/AlAs/GaAsに代表される異なる結晶構造、異なる格子定数、異なるタイプの化学結合をもつ半金属と半導体を組み合わせたヘテロ接合の結晶成長技術を確立し、形成された金属間化合物/半導体ヘテロ構造の電子伝導、特に共鳴トンネル現象を明らかにし、デバイス応用の実現可能性を探索することを目的とする。最近我々は、MBEによって高品質のErAs単結晶をGaAs基板上にエピタキシャル成長できることを示し、GaAs/AlAs系化合物半導体と熱力学的に安定な金属/半導体ヘテロ構造の作製に成功した。さらに、半金属(ErAs)を量子井戸とする共鳴トンネルダイオード構造を試作し、この材料系では世界で初めて室温で微分負性抵抗を観測した。これは数ナノメータのErAs超薄膜中の量子効果が室温でも明瞭に現れたものであり、将来の量子効果を用いた高速電子デバイス応用へ向けてきわめて有望な結果である。しかしながらその電子物性、電子伝導のメカニズムは未解明のままであり、デバイス応用の試みも行われていない。そこで本年度には、半金属(ErAs)を量子井戸とする超薄膜ヘテロ構造のトンネル現象等の界面に垂直な方向の電子伝導現象の解明を進めることに重点をおき、負性抵抗デバイスの試作を行い、トンネル現象の本質的な機構を探るとともに、デバイス応用のための最適化を行った。
分子線エピタキシーによりIII-V/ErAs/III-Vヘテロ構造を成長し、界面に垂直な方向の電子伝導(トンネル効果)を利用した2端子デバイス(ダイオード)の試作、その電気的特性を、温度、素子サイズ等を変え、様々な条件のもとでその負性抵抗特性を評価し、デバイスの最適化を行った。ダイオードサイズを20ミクロンまで小さくすることにより、微分負性抵抗特性のばらつきを抑えることができた。また、サイズを1ミクロン程度まで小さくしたダイオードにおいては横方向量子サイズ効果によると思われる電流電仕特性の振動現象を見出した。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】08455006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

III-V半導体 / 磁性体融合系 / GaAs:Mn / GaMnAs / MnAs / GaAs / MnAs 三層構造 / 分子線エピタキシー / スピンバルブ / 磁気結合 / GaAs : Mn / MnAS / 磁性半導体 / 異常ホール効果 / キャリア誘起強磁性 / 磁気光学効果 / p-d交換相互作用 / 磁性半導体超格子 / 量子準位 / 半導体 / 磁性体融合体 / エピタキシャル強磁性薄膜 / 希薄磁性半導体 / 低温MBE / 磁気異方性

【研究成果の概要】

本研究では、「III-V半導体/磁性体融合系(GaAs:Mn)」という新物質を分子線エピタキシー(MBE)を用いて形成し、その物性とくに強磁性MnAsや半導体中のMnイオンのスピンとキャリアの相互作用の関連を調べることを目的として研究を行った。強磁性MnAs上に良質の単結晶GaAs半導体をエピタキシャル成長させ、結晶の対称性や界面エネルギーなどの諸問題を克服し、テンプレート層の効果などを駆使することによって、MnAs上に良質のGaAsを成長させ、多層積層構造の形成に成功した。今年度は特にこの多層構造の様々な特性を評価し、以下の知見を得た。
まず、結晶構造や格子定数が大幅に異なるにもかかわらず、MBEを用いて強磁性金属と半導体から成るエピタキシャル成長を可能にし、GaAs(111)BおよびSi(111)基板上にMnAs/GaAs//MnAs三層構造を形成した。また、高分解能透過型電子顕微鏡(TEM)による三層構造(各層の厚さは10nm)の断面観察、および室温における磁化測定によって、ヘテロ界面が原子レベルで急峻であることや良好な磁気特性をもつことを示した。上側のMnAs層の保持力が下側のMnAs層の保持力よりも大きいため、磁化特性にダブルステップが見られた。磁化のマイナーループを測ることによって、半導体(GaAs)を介した強磁性層(MnAs)間の磁気的結合を調べた結果、GaAsスペーサ膜厚が5nm以上の3層構造については非結合型であった。強磁性層(MnAs)間の磁気的結合と磁気抵抗効果については、さらに系統的にいくつかのサンプルの測定によって調べたところ、界面に平行方向の伝導においてスピンバルブ効果を実験的に観測した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】6,700千円 (直接経費: 6,700千円)

【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)