2018 Fiscal Year Annual Research Report
FeドープInAs/GaSbヘテロ接合による新規物性現象と次世代デバイスの創製
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17H04922
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
Le DucAnh 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50783594)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 強磁性半導体 / スピンデバイス / 量子情報デバイス / 磁気近接効果 / スピンバルブ効果 / 磁気異方性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
①単結晶の強磁性半導体(Ga,Fe)Sb薄膜（Fe濃度が30%、膜厚15－55nm、キュリー温度300K以上）を成長し、強磁性共鳴現象の観測に成功した。共鳴磁場の磁場角度依存性の解析によって(Ga,Fe)Sb薄膜では膜厚増大に伴って磁化容易軸が面内方向から面直方向に切り替わる現象を強磁性半導体において初めて観測し、磁気異方性の制御に成功した。
②室温強磁性半導体(Ga,Fe)Sbのバンド構造の解明：磁気円二色性の分光法を用いて(Ga,Fe)Sbではフェルミレベルが禁制帯中に形成した不純物帯の中にあることを明らかにした。
③(Ga,Fe)Sb/InAs量子井戸のヘテロ構造において新しい巨大近接磁気抵抗効果を初めて観測、機構解明及びスピントランジスタのデバイス実証に成功した。この磁気抵抗はInAs/(Ga,Fe)Sb界面における長距離磁気近接効果に起因され、強度（80%）、異方性で他の強磁性/非磁性二層構造で観測された磁気抵抗と全く異なる。ゲート電圧で近接磁気抵抗の強度を1桁も制御でき、磁気近接効果によるInAs量子井戸のスピン分裂エネルギーを20倍(0.17 ~ 3.8 meV)も増大できた。本成果は、磁気ゲートで制御可能なトランジスタ及びマジョラナフェルミオンの実現素子につながると期待できる。
④(Ga,Fe)Sb/InAs/(Ga,Fe)Sbの三層構造で面内通電型巨大磁気抵抗効果を実現した。また磁気抵抗の温度、InAs膜厚、ゲートによる変調効果も系統的に評価した。これはFe系強磁性半導体ベースの構造において初めてのスピンバルブ効果の実証となった。
⑤Nb/(In,Fe)As/Nbのジョセフソン接合において、強磁性半導体で初ての近接効果による超伝導電流を超長距離(~1μm)の接合にわたって流れることを観測し、スピントリップレット状態が誘発されたことを強く示唆した結果である。
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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
30年度の当初計画では、①(Ga,Fe)Sb/InAs/(Ga,Fe)Sbの3層構造において巨大磁気抵抗効果の実現と制御する、②(Ga,Fe)Sb/InAs二層構造に基づくスピンゲーティングトランジスタの実現を予定していた。①の目的について予定通りに進み、(Ga,Fe)Sb/InAs/(Ga,Fe)Sbの3層構造の高品質の結晶成長及び巨大磁気抵抗効果（GMR）の実現に成功した。さらにInAsチャネル膜厚依存性、温度依存性、(Ga,Fe)SbのFe濃度依存性も系統的に評価し、この3層構造のスピン依存伝導現象を解明した。②の目的についも予定通り、InAs/(Ga,Fe)Sb二層構造の近接磁気抵抗のメカニズムを理解するためにラシュバスピン軌道相互作用の2次元電子ガスの理論モデルを構築し、実験結果をきれいに再現できた。
上記以外の内容で、当初以上の進展があった内容は以下である。
(Ga,Fe)Sbのバンド構造を磁気円二色性測定で解明し、この室温強磁性半導体のデバイス応用に重要な情報をもたらした。また②から、InAs/(Ga,Fe)Sbの二層構造で外部磁場による巨大電流整流特性を観測した。通常の伝導体では抵抗が磁場の偶関数になるはずだが、本構造では先行例より3桁ほど大きな奇関数成分が観測された。この現象は物性物理とデバイス応用の観点において大変重要な結果である。
一方、Nb/(In,Fe)As/Nbのヘテロ接合においてスピントリップレット超伝導の観測にも成功した。さらにInAs/(Ga,Fe)Sb二層構造でゲート電圧より磁気近接効果を制御し、InAsのスピン分裂エネルギーを電気的な手法で制御可能なことも示唆した。これらの成果からFeドープInAs/GaSbヘテロ構造はマジョラナフェルミオンの実現に相応しい構造であることを示した。本成果はH31年度で予定している研究内容に密接に関連する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は昨年度の成果を元に、次の3方向で物性制御とデバイス応用を開拓する：
方向1：(Ga,Fe)Sb/InAs/(Ga,Fe)Sbの三層構造において、近接磁気抵抗効果を増大させ、スピントランジスタの作製と動作確認を行う。
方向２：InAs/(Ga,Fe)Sbの二層構造において、また膜面の垂直方向に磁場をかけて電流の巨大整流特性を確認できた。この電流整流現象はチャネルのエッジに電子濃度がチャネル面内より高いことより形成したエッジ伝導で発生することを理論計算で確認する。そしてこの構造に電界効果トランジスタ構造を作製し、ゲート電圧による整流特性の制御を試みる。ゲート電極はシングルゲート（両サイドのエッジを同時制御するタイプ）とダブルゲート（左右のエッジチャネルを別々のゲートで制御するタイプ）で試す。この結果を共同研究で理論計算を用いて考察し、巨大整流特性の起源を解明する。
方向３：Al/InAs/(Ga,Fe)Sbの三層構造において、近接効果による超電導電流の注入と磁気相互作用の制御によるマジョラナフェルミオンの創出ことを目指す。InAsの上にAlの結晶成長及びAlからInAsに超伝導電流の注入の研究は他の研究グループから報告があった。本研究はInAs/(Ga,Fe)Sbの上に単結晶のAl膜をエピタキシャル成長する技術をまず確立する。微細加工技術を用いて成長した構造の上に量子細線構造を形成し、Al電極からInAsに超伝導電流の注入を確認する。最後に電界効果トランジスタ構造をその上に形成し、磁場とゲート電圧で磁気相互作用を加え、マジョラナフェルミオン状態の有無を確認し、磁場の代わりにゲート電圧でマジョラナ状態を制御できるデバイスを目指す。本方向の主な課題は細線構造の加工及び極低温測定環境を立ち上げることである。
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Research Products
(31 results)
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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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