2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Spintronics Materials and Applications using Narrow-gap Ferromagnetic Semiconductors
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18H05345
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| Keywords | 強磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / スピントロニクス / (In,Fe)Sb / (Ga,Fe)Sb / ヘテロ構造 / キュリー温度 / バンド構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体エレクトロニクスデバイスと整合性の良い閃亜鉛鉱型結晶構造をもつFe添加狭ギャップ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、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。今年度は以下の研究成果を得た。
1) 強磁性半導体(In,Fe)Sbを作製し、この材料ではFe濃度16％の試料でキュリー温度TCが室温を超える335 Kに達し、室温ｎ型強磁性半導体を実現した。これによりｐ型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbと合わせて、ｎ型とｐ型の両方で室温で強磁性になる半導体の作製に成功した。
2) 様々なホスト半導体材料にFeを添加した場合の磁性（強磁性、キュリー温度、常磁性）を俯瞰し、強磁性秩序と高いTCをもつための条件と統一的モデルを提示した。
3) 室温で強磁性を示すp型(Ga,Fe)Sbのバンド構造を磁気円二色性（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。また、(Ga,Fe)Sbの強磁性共鳴を室温において初めて観測し、歪みによる磁気異方性の変化を定量的に明らかにし、形状異方性が支配的であることを示した。
4) ｎ型強磁性半導体(In,Fe)AsにNbを電極とする超伝導接合を作製し、磁性半導体中にスピン三重項の超伝導電流を流すことに成功した。この研究により、磁性、半導体、超伝導を繋ぐ、新しい超伝導スピントロニクスデバイスの開発が進展することが期待される。
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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
強磁性半導体(In,Fe)Sbを作製し、この材料ではFe濃度16％の試料でキュリー温度TCが室温を超える335 Kに達し、室温ｎ型強磁性半導体を実現した。これによりｐ型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbと合わせて、ｎ型とｐ型の両方で室温で強磁性になる半導体の作製に成功した。さらに、ホスト半導体材料にFeを添加した場合の磁性（強磁性、キュリー温度、常磁性）を俯瞰し、強磁性秩序と高いTCをもつための条件と統一的モデルを提示した。これは強磁性半導体研究とスピントロニクスにおける画期的な成果であり、世界的に注目されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
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、GMRを示す多層膜、強磁性トンネル接合、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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[Presentation] Electronic structure of p-type ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb: Valence band and impurity band2019
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] 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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