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2012 Fiscal Year Annual Research Report

不揮発性および再構成可能な機能をもつ半導体材料とデバイスの研究開発

Research Project

Project/Area Number 23000010
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

田中 雅明  東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30192636)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大矢 忍  東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20401143)
中根 了昌  東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (50422332)
Project Period (FY) 2012-04-01 – 2016-03-31
Keywordsスピン / スピントロニクス / 半導体 / 強磁性体 / 磁性半導体 / ナノ微粒子 / 分子線エピタキシー / トンネル効果
Research Abstract

半導体材料あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を構成要素として取り込み、キャリアの電荷輸送に加えてスピン自由度をも活用する新しい機能材料やデバイスを作ることを目的とした研究を行っている。本年度は、前年度末に導入した新規分子線エピタキシー装置の立ち上げを行うとともに、不揮発性および再構成可能な機能をもつデバイス作製のための材料形成および物性機能の制御を目指した基礎研究と、デバイス応用に向けた研究を行った。主な成果は下記の通りである。
(1)前年度末に導入したIII-V族磁性半導体・磁性金属エピタキシャル成長用MBE装置の立ち上げと条件出しを行い結晶成長を開始した。この装置を用いて、初めてn型電子誘起強磁性半導体(In,Fe)Asの作製に成功し、その基本的物性を明らかにした。
(2)III-V族強磁性半導体GaMnAs量子井戸における共鳴準位を系統的に観測・解析する共鳴トンネル分光法を確立し、GaMnAsのフェルミ準位EFは従来の通説とは異なり常に禁制帯中に存在すること、EFのMn濃度依存性が通常のp型半導体とは異なり異常な振る舞いを示すこと、不純物バンドが強磁性の起源として重要な役割を果たすことを明らかにした。
(3)IV族ベース磁性半導体として有望なFeドープGe薄膜の成長を行い、その電気伝導と磁性を詳細に評価した。Bを添加することによりこの系で初めて金属的なGeFeを得た。Feが低濃度の場合にはキャリア誘起ではない別の機構で強磁性秩序が現れることを実験的に示した。
(4)Fe電極とSiチャネルをもつマルチターミナルデバイス構造において、FeからSiへのスピン偏極した電子の注入をHanle効果により観測した。また、Si-MOSFETと強磁性トンネル接合を組合わせた疑似スピンMOSFET(PS-MOSFET)の作製プロセスを確立し、PS-MOSFETの基本特性を評価した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

予定通り、III-V族磁性半導体、磁性金属エピタキシャル成長用MBE装置の立ち上げを行ったこと、さらにスピンデバイスの構成要素となるIII-V族およびIV族ベースの磁性半導体、半導体と整合性の良い強磁性金属とそのヘテロ構造のエピタキシャル成長による形成、評価、物性制御の研究で成果を挙げた。新しいn型電子誘起強磁性半導体(In,Fe)Asの作製にも成功し、その基本的物性を明らかにした。これは初めてのnn型電子誘起強磁性半導体である。また、強磁性半導体トンネル接合、PS-MOSFETなどデバイス作製も開始した。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、III-V族磁性半導体、磁性金属エピタキシャル成長用MBE装置を用いて成長の条件出しと最適化を行い、これまでよりもさらに良質のスピントロニクス材料を作製する。III-V族およびIV族ベースの磁性半導体、半導体と整合性の良い強磁性金属とそのヘテロ構造のエピタキシャル成長による形成、評価、物性制御の研究でそれぞれ成果を挙げているので、それらをさらに深化させ、デバイス機能の発現と実証につなげる。特にn型強磁性半導体とそのヘテロ構造の開発に取り組み、デバイス構造の作製も行う。いまのところ計画を遂行する上での大きな問題点は特に見あたらない。

  • Research Products

    (54 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results) Presentation (42 results) (of which Invited: 10 results) Book (1 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Spin-dependent tunneling transport in a ferromagnetic GaMnAs and un-doped GaAs double-quantum-well heterostructure2012

    • Author(s)
      Iriya Muneta
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 100 Pages: 162409/1-3

    • DOI

      10.1063/1.4704154

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystalline anisotropic magnetoresistance with two-fold and eight-fold symmetry in (In,Fe)As ferromagnetic semiconductor2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 100 Pages: 262409/1-5

    • DOI

      10.1063/1.4730955

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Appearance of Anisotropic Magnetoresistance and Electric Potential Distribution in Si-based Multi-terminal Devices with Fe Electrodes2012

    • Author(s)
      Ryosho Nakane
    • Journal Title

      IEEE Magnetics Lett.

      Volume: 3 Pages: 3000404/1-4

    • DOI

      10.1109/LMAG.2012.2201698

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Valence-band structure of quaternary alloy ferromagnetic semiconductor (InGaMn)As2012

    • Author(s)
      Shinobu Ohya
    • Journal Title

      Phys. Rev.

      Volume: B86 Pages: 094418/1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.86.094418

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Growth and characterization of n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 101 Pages: 182403/1-5

    • DOI

      10.1063/1.4764947

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of laser irradiation on the self-assembly of MnAs nanoparticles in a GaAs matrix2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 101 Pages: 193102/1-4

    • DOI

      10.1063/1.4765355

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Digging up Bulk Band Dispersions Buried under a Passivation Layer2012

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 101 Pages: 242103/1-4

    • DOI

      10.1063/1.4770289

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electron effective mass in n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As: Evidence of conduction band transport2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 101 Pages: 252410/1-5

    • DOI

      10.1063/1.4772630

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Valence-band ordering restored by ferromagnetism in GaMnAs2013

    • Author(s)
      Iriya Muneta
    • Organizer
      第60回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学、神奈川県
    • Year and Date
      20130327-20130330
  • [Presentation] Anomalous Fermi level behavior in GaMnAs at the onset of ferromagnetism2013

    • Author(s)
      Iriya Muneta
    • Organizer
      American Physical Society 2013 March Meeting
    • Place of Presentation
      Baltimore, U.S.A
    • Year and Date
      20130318-20130322
  • [Presentation] Analysis of 3-terminal Hanle signals in Si-based spintronic devices2013

    • Author(s)
      Shoichi Sato
    • Organizer
      American Physical Society 2013 March Meeting
    • Place of Presentation
      Baltimore, U.S.A
    • Year and Date
      20130318-20130322
  • [Presentation] B(ボロン)ドーピングしたIV 族強磁性半導体Ge1-xFex におけるスピン依存伝導と磁性2013

    • Author(s)
      伴芳祐
    • Organizer
      東京大学固体エレクトロニクス研究会・光エレクトロニクス研究会
    • Place of Presentation
      東京大学工学部2号館、東京都
    • Year and Date
      20130312-20130312
  • [Presentation] IV族強磁性半導体Ge1-xFexにおけるB(ボロン)ドーピングによるキャリア濃度の制御と磁性2013

    • Author(s)
      伴芳祐
    • Organizer
      平成24年度低温センター研究交流会
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス小柴ホール、東京都
    • Year and Date
      20130307-20130307
  • [Presentation] 強磁性半導体GaMnAsにおける強磁性: バンドとボンド2013

    • Author(s)
      宗田伊理也
    • Organizer
      平成24年度低温センター研究交流会
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス小柴ホール、東京都
    • Year and Date
      20130307-20130307
  • [Presentation] 強磁性半導体(In,Fe)As量子井戸構造における量子サイズ効果および波動関数制御によるキュリー温度の変調2013

    • Author(s)
      レデュックアイン
    • Organizer
      平成24年度低温センター研究交流会
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス小柴ホール、東京都
    • Year and Date
      20130307-20130307
  • [Presentation] 強磁性金属/絶縁体/半導体接合における磁場依存伝導の解析2013

    • Author(s)
      佐藤彰一
    • Organizer
      平成24年度低温センター研究交流会
    • Place of Presentation
      東京大学本郷キャンパス小柴ホール、東京都
    • Year and Date
      20130307-20130307
  • [Presentation] Fe-based n-type ferromagnetic semiconductor2013

    • Author(s)
      Masaaki Tanaka
    • Organizer
      Topical Workshop on Semiconductor Spintronics
    • Place of Presentation
      慶応大学、神奈川県
    • Year and Date
      20130124-20130124
    • Invited
  • [Presentation] Control of ferromagnetism by moving the electron wavefunction in ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As quantum wells2013

    • Author(s)
      Le Duc Anh
    • Organizer
      12th Joint MMM Intermag Conference
    • Place of Presentation
      Chicago, U.S.A
    • Year and Date
      20130114-20130118
  • [Presentation] Recent progress of ferromagnetic semicondoctors2013

    • Author(s)
      Masaaki Tanaka
    • Organizer
      Sweden-Japan Quantum Nanoelectronics Workshop (QNANO)
    • Place of Presentation
      東京大学、東京都
    • Year and Date
      20130113-20130114
    • Invited
  • [Presentation] Semiconductor -Spintronics Based on Ferromagnetic-Semiconductor Quantum Heterostructures2013

    • Author(s)
      Shinobu Ohya
    • Organizer
      German-Japanese International Workshop on Structure and Control of Interfaces
    • Place of Presentation
      Berlin, Germany
    • Year and Date
      20130109-20130111
    • Invited
  • [Presentation] GaMnAsにおけるフェルミ準位のMn濃度依存性:強磁性の出現と不純物帯2012

    • Author(s)
      宗田伊理也
    • Organizer
      第17回「半導体スピン工学の基礎と応用」研究会(PASPS-17)
    • Place of Presentation
      九州大学伊都キャンパス、福岡県
    • Year and Date
      20121219-20121220
  • [Presentation] シリコンベーススピントロニクスデバイスにおける3端子ハンレ信号と逆3端子ハンレ信号の解析2012

    • Author(s)
      佐藤彰一
    • Organizer
      第17回「半導体スピン工学の基礎と応用」研究会(PASPS-17)
    • Place of Presentation
      九州大学伊都キャンパス、福岡県
    • Year and Date
      20121219-20121220
  • [Presentation] Spintronics Materials and Devices - Ferromagnetic Semiconductors and Heterostructures -2012

    • Author(s)
      Masaaki Tanaka
    • Organizer
      2012 Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2012)
    • Place of Presentation
      Melbourne, Australia
    • Year and Date
      20121211-20121214
    • Invited
  • [Presentation] Design and performance of pseudo-spin-MOSFETs using nano-CMOS devices2012

    • Author(s)
      Y. Shuto
    • Organizer
      2012 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM 2012)
    • Place of Presentation
      San Francisco, U.S.A
    • Year and Date
      20121210-20121212
  • [Presentation] スピントロニクス材料/デバイスの現状と展望2012

    • Author(s)
      田中雅明
    • Organizer
      日本結晶成長学会講演会「半導体ドーピング技術の最前線」
    • Place of Presentation
      九州大学筑紫キャンパス、福岡県
    • Year and Date
      20121110-20121110
    • Invited
  • [Presentation] Recent Progress in III-V Based Ferromagnetic Semiconductors2012

    • Author(s)
      Masaaki Tanaka
    • Organizer
      2nd International Conference of the Asian Union of Magnetics Societies (ICAUMS 2012)
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良県
    • Year and Date
      20121002-20121005
    • Invited
  • [Presentation] Magnetic and transport properties of Group-IV based ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex with Boron doping2012

    • Author(s)
      Yoshisuke Ban
    • Organizer
      2012 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2012)
    • Place of Presentation
      国立京都国際会館、京都府
    • Year and Date
      20120925-20120927
  • [Presentation] Spin-dependent resonant tunneling and the valence-band picture of III-V-based ferromagnetic semiconductors2012

    • Author(s)
      Shinobu Ohya
    • Organizer
      17th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良県
    • Year and Date
      20120923-20120928
    • Invited
  • [Presentation] Spin-dependent tunneling transport in a ferromagnetic GaMnAs and un-doped GaAs double-quantum-well heterostructure2012

    • Author(s)
      Iriya Muneta
    • Organizer
      17th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良県
    • Year and Date
      20120923-20120928
  • [Presentation] Anomalous behavior of the Fermi level in ferromagnetic semiconductor GaMnAs near the metal-insulator transition2012

    • Author(s)
      Hiroshi Terada
    • Organizer
      17th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良県
    • Year and Date
      20120923-20120928
  • [Presentation] Anisotropic magnetoresistance in n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As : two-fold and eight-fold symmetry2012

    • Author(s)
      Daisuke Sasaki
    • Organizer
      17th International Conference on Molecular Beam Epitaxy
    • Place of Presentation
      奈良県新公会堂、奈良県
    • Year and Date
      20120923-20120928
  • [Presentation] GaMnAsにおける強磁性出現に伴うフェルミ準位レベルの異常な振舞い2012

    • Author(s)
      宗田伊理也
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学/松山大学、愛媛県
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] 強磁性半導体(In,Fe)As超薄膜ヘテロ構造における量子サイズ効果2012

    • Author(s)
      レデゥックアイン
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学/松山大学、愛媛県
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] Ge(111)基板上に成長したGe1-xMnxにおける構造と磁性: Mn濃度依存性2012

    • Author(s)
      秋山了太
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学/松山大学、愛媛県
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] Boronドープピングの下でのIV族強磁性半導体Ge1-xFexの伝導と磁性2012

    • Author(s)
      伴芳祐
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学/松山大学、愛媛県
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] Ge(111)基板上に成長したGeMnにおける構造と磁性の関係とその強磁性の起源2012

    • Author(s)
      秋山了太
    • Organizer
      2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学/松山大学、愛媛県
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] Anomalous behavior of the Fermi level in GaMnAs near the metal-insulator transition2012

    • Author(s)
      Iriya Muneta
    • Organizer
      7th International Conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-VII)
    • Place of Presentation
      Eindhoven,Netherlands
    • Year and Date
      20120805-20120809
  • [Presentation] Making n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor with tetrahedral Fe-As bonding2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Organizer
      7th International Conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-VII)
    • Place of Presentation
      Eindhoven,Netherlands
    • Year and Date
      20120805-20120809
  • [Presentation] Properties of ferromagnetic n-type (In,Fe)As: quantum size effect and crystalline anisotropic magnetoresistance2012

    • Author(s)
      Le Duc Anh
    • Organizer
      7th International Conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-VII)
    • Place of Presentation
      Eindhoven,Netherlands
    • Year and Date
      20120805-20120809
  • [Presentation] Structural and magnetic properties of ferromagnetic Ge1-xMnx grown on Ge(111)2012

    • Author(s)
      Ryota Akiyama
    • Organizer
      7th International Conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-VII)
    • Place of Presentation
      Eindhoven,Netherlands
    • Year and Date
      20120805-20120809
  • [Presentation] Electrical state in spin devices for nonlocal measurements2012

    • Author(s)
      Ryosho Nakane
    • Organizer
      7th International Conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-VII)
    • Place of Presentation
      Eindhoven,Netherlands
    • Year and Date
      20120805-20120809
  • [Presentation] (In,Fe)As: A new n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor with tetrahedral Fe-As bonding2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Organizer
      31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2012)
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] Valence-band structure of (III,Mn)As ferromagnetic semiconductors investigated by resonant tunneling spectroscopy2012

    • Author(s)
      Shinobu Ohya
    • Organizer
      31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2012)
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] Fermi level behavior near the metal-insulator-transition in ferromagnetic-semiconductor GaMnAs2012

    • Author(s)
      Iriya Muneta
    • Organizer
      31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2012)
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] Structural and magnetic properties of ferromagnetic Ge1-xMnx grown on Ge(111)2012

    • Author(s)
      Ryota Akiyama
    • Organizer
      31st International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS 2012)
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120729-20120803
  • [Presentation] Impurity Band Responsible for Ferromagnetism in Magnetic Semiconductor (Ga,Mn)As2012

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Organizer
      Swiss Physical Society
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120621-20120622
  • [Presentation] Digging up Bulk Band Dispersion behind Passivation Layer2012

    • Author(s)
      M. Kobayashi
    • Organizer
      Swiss Physical Society
    • Place of Presentation
      Zurich, Switzerland
    • Year and Date
      20120621-20120622
  • [Presentation] N-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As2012

    • Author(s)
      Pham Nam Hai
    • Organizer
      NATURE Conference, Frontiers in Electronic Materials
    • Place of Presentation
      Aachen, Germany
    • Year and Date
      20120617-20120620
    • Invited
  • [Presentation] Materials and devices for semiconductor spintronics : Si-based spintronics2012

    • Author(s)
      Ryosho Nakane
    • Organizer
      1st Annual World Congress of Advanced Materials (WCAM-2012)
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      20120606-20120608
    • Invited
  • [Presentation] Iron-based n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor2012

    • Author(s)
      Masaaki Tanaka
    • Organizer
      International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM 2012)
    • Place of Presentation
      Kumburgaz-Istanbul, Turkey
    • Year and Date
      20120429-20120504
    • Invited
  • [Book] Spintronics Materials and Devices - Ferromagnetic Semiconductors and Heterostructures -2012

    • Author(s)
      Masaaki Tanaka
    • Total Pages
      250
    • Publisher
      Proceedings of the 2012 Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD 2012)
  • [Remarks] 東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻 田中・大矢研究室

    • URL

      http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/

  • [Remarks] Tanaka-Ohya Laboratory

    • URL

      http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/index.en.html

  • [Remarks] A New Spin on Semiconductors

    • URL

      http://www.u-tokyo.ac.jp/coe/english/achievements/category2/base5/report05-01.html

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Published: 2014-07-24   Modified: 2014-12-04  

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