2018 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 / FET / スピントランジスタ |
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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/GaAs/GaMnAsからなる縦型スピンMOSFET構造を作製し、サイドゲートからのゲート電圧V_GSによるソース・ドレイン電流I_DSの変調と強磁性GaMnAsの磁化（平行/反平行）による大きなI_DSの変調を実現した。2) GaMnAsにテラヘルツハルス光を照射し、1ps以下の高速で磁化が変調できることを示した。
（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： 1) Fe/Mg/SiOxNy/Siからなるトンネル接合を作製し、薄いMg層の挿入がdead layerを抑制すること、シリコンCMOS技術と整合性の良いアモルファスSiOxNy層の挿入がSiへの高効率スピン注入・検出にとって有望であることを示した。2) Fe/Mg/MgO/SiOx/n+-Si(001)接合を形成し、界面でスピン散乱がほとんどない理想的なスピン注入効率を実現した。
（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)Sbを作製し、この材料ではキュリー温度T_Cが335 Kに達するを示した。さらに、これまでの実験結果をもとに、高いT_CをもつFe系強磁性半導体の統一的な設計指針を示した。 2) 室温で強磁性を示すp(Ga,Fe)Sbのバンド構造をMCDスペクトルにより調べ、禁制帯中に不純物バンド(IB)が存在しフェルミ準位EFがIB中にあることを示した。3) (Ga,Fe)Sbの室温強磁性共鳴を観測し、歪みによる磁気異方性の変化を定量的に明らかにした。
（４）Co/Fe/GaOx/MgO/Feからなる縦型スピンMOSFET構造を作製し、サイドゲート電圧および磁化による電流の変調を示すことにより、室温におけるスピンMOSFETの動作を実証した。
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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、およびデバイス応用の研究において、大きな成果と進展を得た。GaMnAs/GaAs/GaMnAsからなる縦型スピンMOSFET構造を作製し、スピンMOSFETとしての性能の実現と動作を低温で実証した。さらに、Co/Fe/GaOx/MgO/Feからなる縦型スピンMOSFET構造を作製し、サイドゲート電圧および磁化による電流の変調を示すことにより、室温におけるスピンMOSFETの動作を実証した。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においても、強磁性体から半導体へのスピン注入、輸送、検出の理論を確立し、Fe/Mg/MgO/SiOx/Si接合を形成して界面でスピン散乱がほとんどない理想的なスピン注入効率を実現するなど、大きな進展を成し遂げた。さらに、狭ギャップ強磁性半導体の研究においても、ｎ型とｐ型の両方で室温で強磁性を示す半導体(In,Fe)Sb、(Ga,Fe)Sbの作製に成功し、高いT_CをもつFe系強磁性半導体の統一的な設計指針を示した。これらは世界トップレベルの大きな成果であり、スピントロニクス分野の研究をリードしている。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。今後も、論文発表、国際会議、学会、シンポジウム、ワークショップ、研究会での発表を通じて、研究成果の積極的な発信と学術交流に努める。
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Research Products
(103 results)
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[Presentation] Electronic structure of p-type ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb: Valence band and impurity ban2019
Author(s)
T. Takeda, M. Suzuki, L. D. Anh, Y. Nonaka, T. Schmitt, S. Yoshida, M. Sakano, K. Ishizaka, Y. Takeda, S.-I. Fujimori, M. Seki, H. Tabata, A. Fujimori, M. Tanaka, V. N. Strocov, and M. Kobayashi
Organizer
66th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
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[Presentation] p型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの価電子帯バンド構造と不純物バンド2019
Author(s)
武田崇仁, 鈴木雅弘, L. D. Anh, 野中洋亮, T. Schmitt, 吉田訓, 坂野昌人, 石坂香子, 竹田幸治, 藤森伸一, 関宗俊, 田畑仁, 藤森淳, 田中雅明, V. N. Strocov, 小林正起
Organizer
日本物理学会第74回年次大会
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[Presentation] スピンフィルター構造MFe2O4(M=Co,Ni)/Al2O3/Siの磁気的デッドレイヤーの起源及びアニールによる修復効果2019
Author(s)
野中洋亮, 若林勇希, 芝田悟朗, 池田啓祐, 池震棟, 万宇軒, 鈴木雅弘, 武田崇仁, 田中新, 斎藤祐児, 山上浩志, 竹田幸治, 鈴木真粧子, 雨宮健太, 小林正起, 田中雅明, 中根了昌, 藤森淳
Organizer
日本物理学会第74回年次大会
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[Presentation] Observation of the inverse spin Hall effect in the topological crystalline insulator SnTe using spin pumping2018
Author(s)
Shinobu Ohya, Akiyori Yamamoto, Tomonari Yamaguchi, Ryo Ishikawa, Ryota Akiyama, Le Duc Anh, Shobhit Goel, Yuki K. Wakabayashi, Shinji Kuroda, and Masaaki Tanaka
Organizer
Spintronics XI, SPIE Nanoscience + Engineering
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Si基板上に作製したCoF2O4/Al2O3多層膜界面における磁気的デッドレイヤーの起源とその修復2018
Author(s)
野中洋亮, 若林勇希A, 芝田悟朗, 坂本祥哉, 池田啓祐, 池震棟, 万宇軒, 鈴木雅弘, 田中新, 酒巻真粧子, 雨宮健太, 田中雅明, 中根了昌, 藤森淳
Organizer
2018年日本物理学会秋季大会
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[Presentation] Unveiling Origin of Ferromagnetism in Fe-Doped Ferromagnetic Semiconductor by Synchrotron Radiation Spectroscopy2018
Author(s)
M. Kobayashi, L. D. Anh, P. N. Hai, H. Kiuchi, H. Niwa, J. Miyawaki, Y. Harada, T. Schmitt, A. Fujimori, V. N. Strocov, M. Oshima, and M. Tanaka
Organizer
23rd Meeting on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-23)
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[Presentation] Unveiling Origin of Ferromagnetism in Fe-Doped Ferromagnetic Semiconductor by Synchrotron Radiation Spectroscopy2018
Author(s)
M. Kobayashi, L. D. Anh, P. N. Hai, H. Kiuchi, H. Niwa, J. Miyawaki, Y. Harada, T. Schmitt, A. Fujimori, V. N. Strocov, M. Oshima, and M. Tanaka
Organizer
CSRN-Osaka Annual Workshop
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