2016 Fiscal Year Annual Research Report
Spin-related Properties of Ferromagnet/Semiconductor Hybrid Structures and Their Application to Low-power Functional Devices
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16H02095
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田中 雅明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30192636)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | スピン / 強磁性半導体 / スピントロニクス / トンネル接合 / 狭ギャップ半導体 / ヘテロ構造 / 量子井戸 / 転移温度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１） III-V 族系スピン機能ヘテロ構造材料の開発： 1) GaMnAs超薄膜・量子井戸を含む共鳴トンネル素子を作製し、本研究チームが開発した強磁性半導体の共鳴トンネル分光法を用いて、価電子帯と不純物帯の電子状態、量子効果を明らかにした。 2) 共鳴トンネル分光により、磁性不純物MnをGaAs中に添加してその濃度を増加させた際に、半導体の強磁性転移に伴い電流を担うキャリア（正孔）の散乱が抑えられコヒーレンスが増大する特異な現象を観測した。この結果は、電子や正孔の散乱が強く高速動作が難しいとされてきた磁性不純物を含む半導体を用いて、高速で動作する量子スピントロニクスデバイスを実現する可能性を示している。
（２）IV 族系スピン機能ヘテロ構造材料の開発とデバイス応用： IV族強磁性半導体GeFeを作製し、IV族で最も高いTc（220K）を観測した。また、Fe濃度揺らぎにより、室温強磁性をもつナノスケールドメインが存在することを見出した。
（３）狭ギャップ半導体スピン機能ヘテロ構造材料の開発とデバイス応用： 1)ｎ型強磁性半導体(In,Fe)As/ｐ型InAsからなるエサキダイオードを作製し、トンネル分光により、(In,Fe)Asの伝導帯に大きなスピン分裂（30-50meV）を観測した。III-V族強磁性半導体の伝導帯に大きなスピン分裂が見出されたのは初めてで、スピンバンドエンジニアリングに適した材料であることを示す結果である。 2) ｐ型強磁性半導体(Ga1-x,Fex)Sb（Fe濃度xは最大25%）の作製に成功し、様々な構造評価と物性評価から真性の強磁性半導体であること、TCが340Kに達することを示した（Appl. Phys. Lett.のFeatured Articleに選ばれた。また、APL in Newsに掲載され、2016年で最も読まれた論文にランクインした）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
III-V族、IV族、および狭ギャップ強磁性半導体とそのヘテロ構造のすべてにおいて、材料物性および機能開発の研究を行い、大きな進展を得た。GaMnAsの強磁性転移に伴い電流を担うキャリア（正孔）の散乱が抑えられコヒーレンスが増大するという発見、GeFeにおいてIV族で最も高いTc（220K）を実現、さらにFe濃度揺らぎにより室温強磁性をもつナノスケールドメインが存在することを見い出した。狭ギャップ強磁性半導体においては、ｎ型(In,Fe)Asの伝導帯における大きなスピン分裂の発見と実証、ｐ型(Ga1-x,Fex)Sb（Fe濃度xは最大25%）の作製に成功し、真性の強磁性半導体であること、TCが340Kに達することを示した。これらは世界トップレベルの大きな成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、それぞれの材料系において、さらなる高品質材料の作製（結晶成長条件の最適化）、強磁性発現機構の解明、高品質の超薄膜・ヘテロ接合の作製、強磁性トンネル接合やスピントランジスタなどスピントロニクスデバイスに向けた機能の発現と実証に向けた研究を進める。
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| Remarks |
★高温強磁性半導体の論文がAPL Articles in the Newsに掲載され、2016年で最も読まれた論文の１つになった: Appl. Phys. Lett. 108, pp.192401/1-4 (2016).
★Applied Physics Express, 2016 Spotlight に選ばれました： Appl. Phys. Express 9, 123001 (2016).
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[Journal Article] Origin of the large positive magnetoresistance in Ge1-xMnx granular thin films2017
Author(s)
Yuki K. Wakabayashi, Ryota Akiyama, Yukiharu Takeda, Masafumi Horio, Goro Shibata, Shoya Sakamoto, Yoshisuke Ban, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 95
Pages: 014417/1-6
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Origin of the large magnetoresistance in Ge1-xMnx granular thin films2016
Author(s)
Yuki K. Wakabayashi, Ryota Akiyama, Yukiharu Takeda, Masafumi Horio, Goro Shibata, Shoya Sakamoto, Yoshisuke Ban, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
2016年秋季第77回応用物理学会学術講演会
Place of Presentation
Niigata, japan
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
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[Presentation] Electronic Structure of the p-type Ferromagnetic Semiconductor (Ga,Fe)Sb2016
Author(s)
Shoya Sakamoto, Nguyen Thanh Tu, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Pham Nam Hai,Le Duc Anh, Yuki K. Wakabayashi, Goro Shibata, Masafumi Horio, Keisuke Ikeda, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Masaaki Tanaka, Atsushi Fujimori
Organizer
2016年秋季第77回応用物理学会学術講演会
Place of Presentation
Niigata, japan
Year and Date
2016-09-13 – 2016-09-16
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[Presentation] Origin of the large positive magnetoresistance in Ge1-xMnx granular films2016
Author(s)
Yuki K. Wakabayashi, Ryota Akiyama, Yukiharu Takeda, Masafumi Horio, Goro Shibata, Shoya Sakamoto, Yoshisuke Ban,1 Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
Place of Presentation
Kobe, Japan
Year and Date
2016-08-08 – 2016-08-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] Josephson effect in Nb/(In,Fe)As/Nb junctions2016
Author(s)
T. Nakamura, Y. Iwasaki, L. D. Anh, Y. Hashimoto, S. Ohya, M. Tanaka, and S. Katsumoto
Organizer
9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
Place of Presentation
Kobe, Japan
Year and Date
2016-08-08 – 2016-08-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] Vertical spin electric-double-layer transistor2016
Author(s)
Hiroshi Terada, Le Duc Anh, Shinobu Ohya, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka
Organizer
The 43rd International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS), 2016 Compound Semiconductor Week (CSW2016)
Place of Presentation
Toyama, Japan
Year and Date
2016-06-26 – 2016-06-30
Int'l Joint Research
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