2021 Fiscal Year Annual Research Report
Developing and Applications of Spintronics Materials by Growing Narrow-Gap Ferromagnetic Semiconductors
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20K20361
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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) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 強磁性半導体 / スピン / ヘテロ構造 / バンド構造 / デバイス / 磁気抵抗 / トポロジカル / ディラック半金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強磁性半導体の長年の問題点をすべて解決し、大きく研究を進展させた。すなわち、1) p 型とn 型の強磁性半導体を両方実現、2) キュリー温度TC を室温より上げ、室温で強磁性を示す半導体を実現し、物性機能を最適化、高度化、3) 強磁性の起源に関するおおよその統一的な理解を得て物質設計指針を確立、このための新しいFe 添加強磁性半導体：n 型(In,Fe)As、n 型(In,Fe)Sb、p 型(Ga,Fe)Sb（いずれもTc > 300 K）とそのヘテロ構造のエピタキシャル成長に成功し、様々な物性機能を実証した。強磁性半導体を用いたヘテロ接合、新物質の代表的成果として以下が挙げられる。
・InAs半導体結晶中に鉄（Fe）原子をほぼ1原子層の平面内に配列したFeAs/InAs単結晶超格子構造の作製に世界で初めて成功し、様々な新しい物性を明らかにした。
・分子線エピタキシー（MBE）法を用いて、格子定数が近いIII-V 族半導体InSb基板(001)上にダイヤモンド型結晶構造をもつα-Sn 薄膜（膜厚：21～56 原子層）を成長させることに成功した。InSb の格子定数はα-Snより0.15%小さいため、α-Sn層に圧縮歪がかかることによりトポロジカル・ディラック半金属になることを示した。
・非磁性半導体(InAs)/強磁性半導体（(Ga0.8,Fe0.2)Sb）からなる二層ヘテロ接合を作製し、新しい電子伝導現象と巨大な磁気抵抗効果を発見した。磁気抵抗比は最大で80%に達し、金属や絶縁体を用いた同様の構造に比べて800倍大きな値を観測。さらに、トランジスタを作製しゲート電圧を印加することで、巨大磁気抵抗効果を変調、すなわち、電流と磁性の結合を電気的手段によって制御できることを示した。さらに、巨大な奇関数の磁気抵抗効果を発見し、その機構を解明、好感度磁気センサへの応用の可能性を示した。
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[Presentation] N型強磁性半導体(In,Fe)SbにおけるFe 3d軌道とInSbバンドとの混成2022
Author(s)
岡野諒, 堀田智貴, 武田崇仁, 荒木恒星, 髙瀬健吾, L. D. Anh, 坂本祥哉, 竹田幸治, 藤森淳, 田中雅明, 小林正起
Organizer
第35回日本放射光学会年会、東京大学本郷キャンパス
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[Presentation] 鉄添加III-V族磁性半導体における強磁性発現条件の解明2022
Author(s)
武田 崇仁, 坂本 祥哉, レ デゥック アイン, 竹田 幸治, 藤森 伸一, 北村 未歩, 堀場 弘司, 組頭 広志, 藤森 淳, 田中 雅明, 小林 正起
Organizer
日本物理学会(第77回)年次大会、岡山大学/岡山理科大学、オンライン
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[Presentation] Ambipolar control of high-mobility carriers at a wide-gap oxide interface and applications towards oxide-based electronics2021
Author(s)
Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Theodorus Jonathan Wijaya, Hikari Shinya, Tetsuya Fukushima, Akira Masago, Hiroshi Katayama-Yoshida, Masashi Tokunaga, Masaki Kobayashi, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
Organizer
The 27th International Workshop on Oxide Electronics (iWOE27), Genoa, Italy
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Minority-Spin Impurity Band in n-Type (In,Fe)As: A Materials Perspective for Ferromagnetic Semiconductors2021
Author(s)
M. Kobayashi, Le Duc Anh, J. Minar, W. Khan, S. Borek, P. N. Hai, Y. Harada, T. Schmitt, M. Oshima, A. Fujimori, M. Tanaka, V. N. Strocov
Organizer
Joint Int'l Conferences of The 24th Int'l Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems (EP2DS-24) and The 20th Int'l Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-20)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Onset of ferromagnetism in Fe-doped magnetic semiconductors depending on the occupation of the impurity band by electrons2021
Author(s)
Takahito Takeda, Shoya Sakamoto, Le Duc Anh, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
Joint Int'l Conferences of The 24th Int'l Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems (EP2DS-24) and The 20th Int'l Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-20)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Hybridization of Fe 3d orbitals with the host InSb bands in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb2021
Author(s)
Ryo Okano, Tomoki Hotta, Takahito Takeda, Kohsei Araki, Kengo Takase, Le Duc Anh, Shoya Sakamoto, Yukiharu Takeda, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
Joint Int'l Conferences of The 24th Int'l Conference on Electronic Properties of Two-dimensional Systems (EP2DS-24) and The 20th Int'l Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-20)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Onset of ferromagnetism in Fe-doped magnetic semiconductors depending on the electron occupation of the impurity band2021
Author(s)
Takahito Takeda, Shoya Sakamoto, Le Duc Anh, Yukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
2021 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Online
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[Presentation] Orbital hybridization of Fe 3d orbitals with the host InSb band in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb2021
Author(s)
Ryo Okano, Tomoki Hotta, Takahito Takeda, Kohsei Araki, Kengo Takase, Le Duc Anh, Shoya Sakamoto, Yukiharu Takeda, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
Organizer
2021 Autumn Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Online
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