【研究領域課題番号】20K20361 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強磁性半導体 / スピントロニクス / 狭ギャップ半導体 / ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / デバイス / 磁気抵抗効果 / 電界制御 / スピン / バンド構造 / 磁気抵抗 / トポロジカル / ディラック半金属 / 強磁性 / 狭ギャップ / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / キュリー温度 / (In,Fe)Sb / ストントロニクス

【研究成果の概要】

これまでの強磁性半導体の問題点をほぼすべて解決した。すなわち、1) Fe添加III-V族強磁性半導体を作製することにより、p 型とn 型の強磁性半導体を両方実現、2) キュリー温度Tcを室温より上げ、室温で強磁性を示す半導体を実現し、物性機能を最適化、機能を高度化、3) 強磁性の起源に関する統一的な理解と物質設計指針の確立、を達成した。さらに種々のヘテロ構造、デバイス構造を作製、巨大な磁気抵抗比をもつ新しい近接磁気抵抗効果を発見、その電界制御に成功、すべて強磁性半導体から成るｐｎ接合を作製するなど、将来のスピンデバイス実現の基礎となる様々な物性機能を実現、実証した。

【研究の社会的意義】

新しい強磁性半導体を開発し、半導体および磁性物理学、物性物理学とその応用分野の新しい境地を開いた。また本研究の成果は、不揮発性と柔軟な情報処理機能を持つスピントランジスタ、スピン依存バンド構造を用いた量子効果デバイス、トポロジカル状態を用いた機能デバイスなど、低消費電力で動作しかつ革新的な高機能デバイスの実現、につながると期待される。強磁性半導体を中心とする材料開発（"強磁性半導体のルネサンス"を起こすこと）によって、将来のニューロモルフィック・コンピューティング(NC)、モノのインターネット化(IoT), 人工知能(AI)に適したデバイスの基盤技術、将来の情報技術の一端を創ることができた。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2020-04-01 - 2022-03-31

【配分額】25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円)

【研究領域課題番号】20F20366 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / スピン軌道トルク / 磁化反転 / 強磁性半導体 / 垂直磁化 / 低消費電力デバイス / スピントロニクス / (Ga,Mn)As

【研究成果の概要】

本研究では、エピタキシャル成長により垂直磁気異方性をもつ単一の強磁性半導体GaMnAs薄膜をInGaAs/GaAs 基板上に形成し、垂直磁気異方性をもつGaMnAs薄膜に電流を流すことにより、スピン軌道トルク(SOT)によるきわめて高効率の磁化反転に成功した。さらにこれは単一の磁性層でありながらGaMnAs中のDresselhaus型スピン軌道相互作用により電流がスピン流に変換され、スピン軌道トルクがGaMnAsの磁化に働くことによる磁化反転が起こったものと理解される。磁化反転のために必要な電流密度JCは従来のSOT磁化反転の報告値よりも約2桁も小さい。さらに、GaMnAsの薄膜においては、スピン軌道相互作用の性質から[110]方向に電流を流すことがスピン軌道トルクを用いた磁化反転に有効であること、およびMn濃度の不均一性に起因して電流分布が不均一になっており、GaMnAsの膜厚を変えることにより電流により生じる磁場の空間分布が変わることを見出した。磁化反転の妨げとなりうるフィールドライクトルク成分を、電流によって生じる磁場により最適化できるようにGaMnAs膜厚を調整した結果、世界最小の電流密度である4.6×10^4A/cm2の微小電流密度（従来より3桁低いJc）で180度磁化反転を実現した。本研究により、物質の内部に大きなスピン軌道相互作用が存在すれば、電流により磁化を反転できることがわかった。この場合、単層膜に単純に電流を流せば良く、従来のように二重層構造を精密に制御して作製する必要はない。従って、デバイス構造がより単純になる。また、トップゲート構造をもつ電界効果トランジスタを作製し、ゲート電圧によるSOTの強さとJcの制御、さらにゼロ磁場での磁化反転にも成功した。本研究の成果は、超低消費電力スピンデバイスの実現に向けて重要な進展をもたらすものである。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2020-11-13 - 2023-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】物性Ⅱ(実験)

【研究領域課題番号】18F17026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

spin / Hall / effect / antiferromagnetism / spintronics / topology

【研究成果の概要】

The manipulation of pure spin current has been extensively studied in polycrystalline or single crystalline heavy metals, ferromagnetic metals and their alloys. Recently, strong interests have been focused on antiferromagnets especially the Mn3X alloys. In our work, by using thermal spin injection, we have demonstrated large spin Hall effect in Mn-Sn alloy thin films even in its amorphous phase. Comparing with pure Mn, the Sn doped alloy has a spin Hall angle 20 times larger and resistivity 10 times smaller, and thus the energy consumption is reduced by 4000 times. These results offer a strategy towards future energy efficient spin Hall materials with high spin Hall angle but low resistivity. The summary of this work has been accepted by Physical Review Materials and is among the editor’s suggestions.

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2018-04-25 - 2019-03-31

【配分額】1,100千円 (直接経費: 1,100千円)

【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】16K14224 (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 / 狭ギャップ / (In,Fe)As / (Ga,Fe)Sb / (In,Fe)Sb / キュリー温度 / スピントロニクス / 狭ギャップ半導体 / 電界効果トランジスタ / キャリア誘起強磁性 / 電界による磁性制御 / 狭バンドギャップ強磁性半導体 / スピンバンドエンジニアリング / スピンエサキダイオード / トンネル分光 / ヘテロ接合 / スピンエレクトロニクス / スピン機能デバイス

【研究成果の概要】

Fe-AsおよびFe-Sb正四面体構造をもつ狭ギャップIII-V族ベース強磁性半導体とそのスピン機能ヘテロ構造材料の作製、物性機能の探索と制御、デバイス応用の研究を行った。強磁性半導体とは、非磁性半導体に磁性元素を添加した混晶半導体であり、半導体と磁性体の両方の性質を持つため、固体物理学・材料科学上の課題を豊富に与えるとともに次世代エレトロニクス・デバイスを担う材料として期待できる材料である。新しいｐ型およびｎ型のFeべース強磁性半導体(Ga,Fe)Sb, (In,Fe)Sbを作製し、そのキュリー温度が室温を超えること、量子ヘテロ構造を作製し、スピントロニクスデバイス応用の可能性を示した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】15K13358 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

SPM / スピン物性 / スピントロニクス / スピン / プローブ / 純スピン流 / 表面・界面物性 / 磁性 / 走査プローブ顕微鏡

【研究成果の概要】

電荷電流を伴わない純スピン流を任意の場所に注入できる純スピン注入プローブの開発を行った。プローブ先端からスピン拡散長以内の距離に強磁性体・常磁性体を作成し、界面に流す電流を回収することで試料にはスピン流のみを流すことが可能となった。また、このプローブを用いて逆スピンホール効果を測定することで純スピン注入の実証を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】15F15362 (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 / 狭ギャップ半導体 / (In,Fe)As / (Ga1-x,Fex)Sb / (In1-x,Fex)Sb / キュリー温度 / 狭ギャップ強磁性半導体 / スピントロニクス / (Ga,Fe)Sb / 強磁性転移温度 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

前年度に続き、次世代電子材料として期待される新しい強磁性半導体とデバイス応用の研究を行った。強磁性半導体とは、非磁性半導体に磁性元素を添加した混晶半導体であり、半導体と磁性体の両方の性質を持つため、固体物理学・材料科学上の科学的課題を豊富に与えるとともに次世代スピントロニクス・デバイスを担う材料として期待されている。このような強磁性半導体を含むヘテロ構造およびヘテロ構造の物質設計と作製を行った。
1) ｎ型強磁性半導体(In,Fe)Sbを作製し、この材料ではTCが335 Kに達し、室温での異常ホール効果が大きく現在最も感度の良いInSbの正常ホール効果によるセンサーよりも感度が良いセンサーデバイスが作製可能であることを示した。
2) ｎ型強磁性半導体(In,Fe)Sbをチャネルとする電界効果トランジスタを作製し、ゲート電界によって電子濃度を変調し、キュリー温度を変調できることを示した。これにより、電子誘起強磁性半導体であることを示した。ただし、電子濃度に依存しない強磁性秩序の寄与もありこれが近接Fe原子間の強磁性的超交換相互作用である可能性を示した。
3) 本研究によって、ｎ型とｐ型の両方で室温以上のTCをもつIII-V族強磁性半導体を作製できることを示した。強磁性発現機構として、Fe d-準位とホストIII-V族半導体の価電子帯端あるいは伝導帯端が近い時に強磁性が発現しやすくTcも上がるという、共鳴バンドモデルがよく当てはまることを示した。これによって半導体における強磁性発現機構の統一的理解に大きく貢献した。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2015-11-09 - 2018-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】24310072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 陽電子 / スピントロニクス / 磁性 / 表面 / ハーフメタル / 原子空孔 / ポジトロニウム / スピン偏極陽電子 / 電子運動量分布 / 陽電子消滅寿命 / 電子スピン / 強磁性体 / 電流誘起スピン蓄積 / ラシュバ効果 / 原子空孔誘起強磁性 / ホイスラー合金 / 原sに空孔誘起強磁性 / 陽電子消滅 / スピン偏極 / 陽電子ビーム / 表面磁性 / 第一原理計算

【研究成果の概要】

3d及び4f強磁性金属のスピン偏極陽電子消滅実験を通じて、その手法の基礎を構築した。さらにその応用研究の結果、(i)ホイスラー合金Co2MnSiとNiMnSbが高いハーフメタル性を持っていること、(ii)Pd,Pt,Ta,W及びBi/Ag最表面において電流駆動によるスピン偏極が起こること、(ii)ZnOとSnO2中のカチオン空孔に外部磁場で揃う磁気モーメントが付随すること、などを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】20241033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントランジスタ / スピン注入 / スピントロニクス / 量子計算 / 量子ドット / 量子もつれ / スピン / インジウム砒素 / スピン軌道相互作用 / スピンブロッケード / 量子計算機 / 量子ビット / InAs

【研究成果の概要】

インジウム砒素系化合物半導体と鉄電極界面における界面反応により生成される化合物がスピン注入効率をブロックしていることを界面の相図を調べることにより探索した。鉄系のスピン源を用いて観測されたスピントランジスタの電流振動が理論計算とよく一致していることを確認した。金コロイドを用いるインジウム砒素ナノワイヤの結晶成長の最適化を応用してナノワイヤスピントランジスタを作製し、スピン軌道相互作用に起因すると思われる電流変調を観測した。量子ドットを集積したスピントランジスタ構造の量子計算機デバイスにおいてスピン注入効率が最大40%(実績37%)のFe/InAs強磁性/半導体ハイブリッド系では、スピンチャンネル/量子ドット系による量子もつれの実証はむずかしいこと、60%以上のスピン注入効率で有意差が見られ、80%程度のスピン偏極率があれば、明瞭に量子もつれが観測できることを理論的に予測できた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】18360042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光プロセシング / 量子ドット / スピントロニクス / スピン / 化合物半導体 / フォトルミネッセンス

【研究成果の概要】

半導体量子ドットのスピンを光によって操作するには、高いスピン偏極率や、長いスピン緩和時間の実現が望まれる。本研究では、均一性が高い量子ドットの第二励起準位で、円偏光励起によって45%もの高いスピン偏極率の初期値が得られることを明らかにした。また、柱状の形状を持ち縦方向に量子力学的に結合したコラムナ量子ドットで、円偏光励起によって5.3 nsもの長いスピン緩和時間が得られることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】16,820千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 1,320千円)

【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)