【研究領域課題番号】19K21960 (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 / 電子軌道 / 磁気異方性 / 磁化回転 / 単結晶ヘテロ構造 / 酸化物 / 電子軌道制御

【研究成果の概要】

ペロブスカイト酸化物ヘテロ構造LaSrMnO3/SrTiO3/LaSrMnO3において、15～200 mV程度の極低電圧かつ、0.01 A/cm2という従来の磁化反転方式に必要な電流密度の約8桁小さな電流密度で、磁化を膜面内で90度回転させることに成功した。
オールエピタキシャル強磁性半導体GaMnAs単膜において、電流を流すだけで、磁化を反転できることを明らかにした。さらにGaMnAsの膜厚を変えた一連の試料で同様の測定を行ったところ、膜厚が15 nmの時に、スピントルク磁化反転現象においては世界最小である46,000 A/cm2で磁化を反転できることを示した。

【研究の社会的意義】

本研究では、実際に電子の軌道状態を電圧で制御することにより、磁化スイッチに必要な電圧値を人工的に制御して、超低消費電力磁化スイッチを実現できることを明らかにした。また、従来、スピン軌道トルク磁化反転の研究は、重金属層と強磁性層の２層膜の系で行われてきたが、GaMnAsのように、物質内部に大きなスピン軌道相互作用が存在し、大きなフェルミ面が存在するような物質においては、単膜に電流を流すだけで磁化反転を誘起出来ることを明らかにした。より単純な素子構造で簡単にかつ高効率に磁化反転ができる新たな可能性を示すことができた。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2021-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【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)

【研究領域課題番号】18H01465 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マグネタイト / 強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果 / スピントロニクス / Fe3O4 / XMCD / ハーフメタル

【研究成果の概要】

Fe3O4は負のスピン分極を持つハーフメタル材料であると予測されているが,これまでのFe3O4電極を用いた磁気トンネル接合(MTJ)が示すトンネル磁気抵抗(TMR)効果は大きな値ではなく,その符号も実験的には確立されていない。本研究ではMgO(001)基板上にエピタキシャル成長したFe3O4－MTJを作製し,80Kで－55.8%の負のTMR比を実現した。この値は通常の正のTMRで用いられるTMRの定義では126%に相当する大きな値である。さらに、Fe3O4製膜時のTMRの酸素分圧依存性を調べ、TMR効果がFe3O4の相転移であるVerwey転移に影響されることを見出した。

【研究の社会的意義】

Fe3O4は第一原理計算により－100％のスピン分極を持つハーフメタルであると予測されており、スピン分解光電子分光などの分光学的な測定では大きなスピン分極率が得られていた。今回これまで示されていなかったトンネル磁気抵抗化における高いスピン分極率が実験的に示されたことは、酸化物磁性体の界面電子物性を調べる上で、学術的に重要な成果と言える。また、スピントロニクス応用の根幹であるTMR効果で大きな値が得られたことは、今後の酸化物を用いたスピントロニクス応用への道をひらく研究成果であり、本分野の今後の発展が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【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】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)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】14205003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体磁気光学結晶 / スピン / 磁気光学効果 / MnAs / GaMnAs / InGaMnAs / トンネル磁気抵抗効果 / 導波路型光アイソレータ / 磁気光学結晶 / 強磁性半導体 / キュリー温度 / クラスター / 分子線エピタキシー / 強磁性ナノクラスター / スピントロニクス

【研究成果の概要】

これまで行ってきた1)GaAs : MnAsナノクラスター構造を含む半導体ベース多層膜磁気光学結晶、2)3元および4元混晶のIII-V磁性半導体とヘテロ構造、3)Mn-デルタドープGaAs層を含むヘテロ構造の作製、物性機能の探索と最適化についての研究を引続き行い、基礎的な物性探索と機能設計の知見をまとめ、これに基づくいくつかのデバイス提案と試作を行い将来の方向性を示した。主な研究成果は下記の通りである。
・3元混晶(GaMn)As,4元混晶(InGaMn)As磁性半導体の、磁気特性(保持力、残留磁化、飽和磁化、磁気抵抗、ホール抵抗など)および磁気光学効果(ファラデー効果、カー効果)の最適化を行い、良好な結晶性と大きな磁気光学効果を得た。
・磁性混晶半導体やMnAsナノクラスタを含むヘテロ構造・多層膜の設計/作製、バンドエンジニアリングと光波エンジニアリングを活用した磁気光学効果(ファラデー効果、カー効果)の最適化と制御を行い、この材料系を用いた導波路型光アイソレータを設計試作した。
・GaAs : MnAsナノクラスター構造を含む半導体ヘテロ構造におけるトンネル磁気抵抗効果(TMR)を初めて観測し、TMRの最適化とデバイス試作を行った。
・Mn-デルタドープGaAs層を含むヘテロ構造のキュリー温度のさらなる高温化(192-250 K)に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2002 - 2005

【配分額】50,960千円 (直接経費: 39,200千円、間接経費: 11,760千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】14655115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果(TMR) / GaMnAs / 共鳴トンネル効果 / InGaMnAs / 強磁性半導体 / 負のTMR / TMR比の振動 / トンネル磁気抵抗効果 / MnAs / トンネル磁気抵抗デバイス / スピントロニクス / 三端子デバイス / 量子効果デバイス / 分子線エピタキシー / ヘテロ構造 / スピン / 電子スピントロニクスデバイス

【研究成果の概要】

非磁性半導体や強磁性半導体を量子井戸層として有する強磁性半導体GaMnAs二重障壁強磁性トンネル接合においては、量子サイズ効果とトンネル磁気抵抗効果(TMR)を組み合わせた新しい様々な機能が実現できると期待される。しかし、共鳴トンネル効果とTMR効果が同時に起こる現象は磁性半導体ヘテロ構造においては未だ明瞭に観測されていない。本研究では、In_<0.4>Ga_<0.6>Asの非磁性量子井戸層を有するGa_<0.94>Mn_<0.06>As(20nm)/AlAs(dnm)/In_<0.4>Ga_<0.6>As(0.42nm)/AlAs(dnm)/Ga_<0.94>Mn_<0.06>As(20nm)二重障壁強磁性トンネル接合を、p型GaAs(001)基板上に分子線エピタキシー法を用いて作製した。測定温度は7.0K、磁場は面内[100]方向に印加し、10mVのバイアス電圧を印加して測定を行ったところ、反平行磁化の時の抵抗が平行磁化の時の抵抗に対して低くなる負のTMRがAlAs膜厚(dnm)が2.07nmおよび1.24nmのときに観測された。さらに、TMR比のAlAs膜厚依存性を測定したところ、TMRがAlAsの膜厚に対して、0%を中心に振動することが分かった。振動の周期は約0.8nmである。このような負のTMRとTMR比の振動が観測されたのは、磁性半導体系では初めてである。
この現象を理解するために、Luttinger Kohn k・p Hamiltonianモデルおよびtransfer matrix法を用いてGaMnAs/AlAs/InGaAs/AlAs/GaMnAs RTDにおけるTMRの振る舞いに関する理論計算を行い、実験的に観測されたTMR振動がInGaAs量子井戸における量子サイズ効果に起因することを示唆した。トンネル確率のk_<//>依存性を計算・解析することにより、負のTMRは共鳴トンネル現象が起こるAlAs膜厚よりわずかに薄い膜厚で起こることがわかった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】3,000千円 (直接経費: 3,000千円)