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Exploring new device frontiers using ultra-high quality oxide heterostructures

Research Project

Project/Area Number 22H04948
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section C
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

大矢 忍  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20401143)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小林 正起  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30508198)
Le DucAnh  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50783594)
Project Period (FY) 2022-04-27 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥195,520,000 (Direct Cost: ¥150,400,000、Indirect Cost: ¥45,120,000)
Fiscal Year 2025: ¥32,760,000 (Direct Cost: ¥25,200,000、Indirect Cost: ¥7,560,000)
Fiscal Year 2024: ¥33,800,000 (Direct Cost: ¥26,000,000、Indirect Cost: ¥7,800,000)
Fiscal Year 2023: ¥39,130,000 (Direct Cost: ¥30,100,000、Indirect Cost: ¥9,030,000)
Fiscal Year 2022: ¥65,000,000 (Direct Cost: ¥50,000,000、Indirect Cost: ¥15,000,000)
Keywordsスピントランジスタ / 酸化物ヘテロ界面 / スピントロニクス / 酸化物 / 分子線エピタキシー / ヘテロ構造 / スピン流 / トランジスタ / エピタキシャル / 機能性デバイス
Outline of Research at the Start

本提案では、我々が今まで開拓してきた独自の超高品質酸化物結晶作製技術と、酸化物系の強相関性が織りなす多彩な性質を生かして、従来にない新しいデバイスを実現することにより、カーボンフリーでかつ低消費エネルギーの社会の実現に資することを目指す。我々のグループでは、過去に、極低消費電力での磁化回転現象の実現や、酸化物中の二次元電子ガスを用いた高効率のスピン流電流変換などに成功してきた。これらの知見を活かして、本研究では特に、酸化物(スピン)トランジスタ、スピン流を用いた高効率スピン軌道トルク磁化反転を用いた次世代スピントロニクスデバイス、フレキシブルデバイス、光素子などの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

従来、半導体を用いたスピントランジスタの研究では、良好なスピン注入やバリスティック伝導を実現することが難しく、スピンバルブ比が1~10%と小さいことが大きな問題となっていた。本研究では、ペロブスカイト酸化物(La,Sr)MnO3 (LSMO)を用いて半導体系で得られていた値の10倍以上におよぶ世界最高値のスピンバルブ比(140%)をもつスピントランジスタを実現することに成功した[Adv. Mater. 35, 2300110 (2023).]。本研究では、LSMOがアルゴン照射により半導体転移することを見出したことと、本グループでここ数年にわたり開拓してきた武田先端知クリーンルームを活用した微細加工技術を応用することにより、本成果が得られた。
水溶性のSr4Al2O7薄膜のエピタキシャル成長に成功し、その上に成長した10nm程度の膜厚の(La,Sr)MnO3を、SrTiO3基板から剥がすことに成功した。得られた薄膜は、基板上の薄膜と比べ磁化が増大し、キュリー温度も増大し、磁気的不活性層が低減したことが明らかになった。これは室温応用に向けて有望な結果であると言える[Appl. Phys. Lett. 124, 062403 (2024).]。
Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスにおいて、磁場で抵抗が25000%も変化する抵抗スイッチ効果を観測した。予想外の結果であり、現在原理の理解を進めている[Adv. Mater. 36, 2307389 (2024).]。
強磁性半導体の単一層膜におけるスピン軌道トルクのゲート制御に初めて成功した。[Adv. Sci. 10, 2301540 (2023). ]、また、二次高調波を用いて、強磁性半導体のスピン軌道トルクを導出することに初めて成功した。[Appl. Phys. Lett. 123, 152402 (2023).]

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究において、2022年から2023年にかけて得られた大きなスピンバルブ比をもつ酸化物スピントランジスタの成果、世界最高値のスピン流電流変換効率、および予想外の磁気抵抗スイッチ効果の発見などの研究成果が、国際的に高い評価を受けている。スピントランジスタの研究では、酸化物におけるナノ領域の相転移技術を用いることで世界最高値となる約140%のスピンバルブ比を実現し、半導体では従来困難であった100%以上のスピンバルブ比をを達成した。LaTiO3/SrTiO3界面に形成された二次元電子ガスを利用して、世界最大のスピン流電流変換効率を実現した研究では、強相関金属とスピン軌道相互作用の大きな二次元電子ガス系を組み合わせることで、効率的なスピン流の注入と電流への変換を可能にした。本材料系のスピントロニクス応用の研究は、世界的に全く行われておらず、独自かつ世界的に先駆的な結果と言える。また、予想外の結果として、Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスにおいて、磁場で抵抗が25000%も変化する抵抗スイッチ効果を観測した研究は、従来電界で制御されていた抵抗スイッチを「磁場でも制御できる」ことを示したもので、新しいマルチフィールドセンサやニューロモルフィックコンピューティングへの応用が期待されている。これらの研究成果は、それぞれ高いインパクトファクターを持つ学術誌[Nature Communications誌1報, Advanced Materials誌2報]に掲載され、東京大学からのプレスリリースを通じて広く紹介された。さらに、論文の筆頭著者の学生による国際会議での招待講演(2件)や、研究を行った博士学生に対して日本学術振興会の育志賞や東京大学総長賞が授与されており、上記の成果対する評価の高さが窺える。従って、当初の計画以上に進展していると判断される。

Strategy for Future Research Activity

今後は、酸化物ベースのスピントランジスタのさらなる高度化、スピン流電流変換のスピントロニクスデバイス応用、酸化物フレキシブルスピンデバイスの作製、および巨大磁気抵抗スイッチ効果の原理解明と増大を目指す。酸化物ベースのスピントランジスタに関しては、大きなスピンバルブ効果を実現できたため、今後はゲート変調の増大を目指す方針である。具体的には、従来用いてきたバックゲート方式に代わるトップゲート方式の開発を検討している。また、室温での応用を視野に入れ、LaSrMnO3(LSMO)の磁気不活性層の低減や室温で強磁性を示す材料の探索も行う予定である。昨年度の研究で、フレキシブルLSMO薄膜において、磁気不活性層の低減とキュリー温度の増大を実現することができた。従って、デバイスの室温動作応用の研究においては、本研究で開拓したフレキシブル薄膜作製技術も応用できると期待している。スピン流電流変換については、強相関金属LaTiO3を中間層とする方法が有望であることが明らかになり、Intelが提案しているMagneto-Electric Spin-Orbit(MESO)デバイス素子への応用や、不揮発性メモリの低消費電力化への応用を検討していきたい。またさらに、スピン流電流変換効率の増大に向けて、スピン軌道相互作用のより大きな二次元電子系の開発も検討したい。昨年度の研究で、Fe/MgO電極を有するGeナノチャネルデバイスで巨大磁気抵抗スイッチ効果が予期せず観測されたが、その起源を解明することがまずは重要な目標である。第一原理計算により、MgO中の導電性フィラメントの形成を制御することにより、本現象が巨大化することが予想されている。また、それにより、動作温度も上昇することが期待されている。さらに、素子構造を工夫することなどにより、本現象の巨大化を目指したい。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(5 results)
  • 2024 Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (62 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (53 results) (of which Int'l Joint Research: 15 results,  Invited: 12 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] 北京理工大学(中国)

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      Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Takuma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Endo, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
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      応用物理学会 強的秩序とその操作に関わる研究会 第16回研究会
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      Takuma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaki Kobayashi, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
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    • Author(s)
      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • Organizer
      第14回低温科学研究センター研究交流会
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      Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Hiroshi Katayama-Yoshida, Tatsuro Endo, Yuriko Tadano, Masaaki Tanaka, and and Shinobu Ohya
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      第14回低温科学研究センター研究交流会
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      清水翔太、保原麗、秋山了太、金田真吾、堀内皓斗、大矢忍、長谷川修司
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      Takuma Arai, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaki Kobayashi, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
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  • [Presentation] Gate modulation of current in the metal-insulator transition region of La0.67Sr0.33MnO32023

    • Author(s)
      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
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      第70回応用物理学会春季学術講演会
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    • Author(s)
      Masaya Kaneda, Shun Tsuruoka, Hiroshi Katayama-Yoshida, Tatsuro Endo, Yuriko Tadano, Masaaki Tanaka, and and Shinobu Ohya
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      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
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      Spin-RNJシンポジウム(2022年度報告会)
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  • [Presentation] Giant spin-charge conversion at a single-crystal-oxide Rashba interface with a strongly correlated metal interlayer2023

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      Shingo Kaneta-Takada, Miho Kitamura, Shoma Arai, Takuma Arai, Ryo Okano, Le Duc Anh, Tatsuro Edno, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • Organizer
      Spin-RNJシンポジウム(2022年度報告会)
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  • [Presentation] Giant Spin-charge Conversion in an All-epitaxial Single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 Heterostructure2022

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      S. Kaneta-Takada, M. Kitamura, S. Arai, T. Arai, R. Okano, L. D. Anh, T. Endo, K. Horiba, H. Kumigashira, M. Kobayashi, M. Seki, H. Tabata, M. Tanaka, and S. Ohya
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      International Conference on Molecular Beam Epitaxy (ICMBE) 2022
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Growth of atomically flat SnTe(001) thin films using the room temperature wetting layer method and its electrical transport measurements2022

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      Ryota Akiyama, Shingo Kaneta-Takada, Shinobu Ohya, Shota Shimizu, Hiroto Horiuchi, Takuya Takashiro, and Shuji Hasegawa
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      The 22nd international vacuum congress (IVC-22)
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  • [Presentation] Field-free spin-orbit torque magnetization switching in a perpendicularly magnetized (Ga,Mn)As single layer2022

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      Miao Jiang, Chenda Wang, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
    • Organizer
      15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
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    • Author(s)
      Shun Tsuruoka, Yuriko Tadano, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • Organizer
      2022 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
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  • [Presentation] Highly efficient spin-charge conversions in all-epitaxial single-crystalline ferromagnetic heterostructures2022

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      Shinobu Ohya
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      TSMC-Utokyo symposium
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      Tatsuro Endo, Shun Tsuruoka, Shingo Kaneta-Takada, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka and Shinobu Ohya
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  • [Presentation] オール不揮発エレクトロニクス時代の実現を目指して2022

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      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Book] 光と物質の量子相互作用ハンドブック 監修:荒川泰彦2023

    • Author(s)
      第4章 固体中の電子の基礎
    • Total Pages
      992
    • Publisher
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860438265
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  • [Remarks] 東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 大矢研究室

    • URL

      http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/

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Published: 2022-04-28   Modified: 2025-04-17  

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