【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・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】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】06452126 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / ヘテロ構造 / 波長変換 / 光第2高調波発生 / 有機材料 / 半導体 / 疑似位相整合

【研究成果の概要】

1.半導体系ヘテロ構造の非線形光学特性の評価
GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, ZnSe,CdTeなどの非線形光学定数の値を正確に測定するとともに,イオン打ち込みによって非晶質化したGaPやβ-SiC/Siについても初めてその非線形光学特性の評価をおこなった。GaPにCa^+イオンを照射して表面部分を非晶質化させると,その非線形光学定数がイオン照射前の約10%に低下することが確認された。また、β-SiC/Siでは,本来SHG活性であるべきSiCがアンチフェイズドメインの形成によって巨視的にはSHG不活性になってしまうというまったく新しい現象を発見した。これらはいづれも,半導体材料の非線形光学特性の人工的な制御の可能性を示唆するものである。
2.有機系ヘテロ構造導波路の作製と波長変換特性の評価
非線形な有機結晶と線形な高分子を交互に並べることで疑似位相整合を達成することができる。有機非線形光学結晶とフッ素化ポリイミドからなる疑似位相整合SHG導波路素子の作製技術を新たに開発することに成功した。この手法は広範囲の有機結晶に適用可能な極めて汎用性の高いものである。この手法で作製したDMNP/ポリイミド周期導波路を用いてTi:サファイアレーザ光のSHG測定をおこない、疑似位相整合が達成されていることを初めて確認した。
3.不規則周期疑似位相整合に関する検討
シミュレイテド・アニーリングの手法を用いて不規則周期疑似位相整合SHG素子の最適設計をおこなう方法を新たに開発し,その結果,大幅な特性改善が可能であることを理論計算によって示した。また,最適設計をおこなった不規則周期分極反転LiNbO_3導波路を実際に作製・評価し,その手法の有用性を実証することができた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)