超高品質界面を用いた次世代スピントランジスタ

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26249039
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大矢 忍 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20401143)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 分子線エピタキシー / 半導体

Outline of Annual Research Achievements

新規強磁性半導体GeFeの開拓：様々な成長条件下においてGeFeの成長を行い、Fe濃度によらず、成長温度が240℃の時にキュリー温度が最大となることが分かった。キュリー温度の成長温度依存性と膜内のFe濃度揺らぎとの間に相関があることが明らかになった。また、成長後の低温アニールにより、今まで非常に精力的に研究が行われてきたIII-V族やIV族をベースとした単相強磁性半導体の中で最高値である210 Kのキュリー温度を得ることに成功した。一方、大型放射光施設Spring 8においてX線磁気円二色性の測定を行い、室温においても局所的に強磁性が残存していることが初めて明らかになった。また、温度の低下に伴い、強磁性領域が徐々に拡大していくという、強磁性材料において過去に報告例のない現象が観測された。この結果は、GeFeのような単相でかつ不均一な磁性原子濃度揺らぎが存在する系における強磁性発現機構の理解につながると期待される。
III-V族強磁性半導体GaMnAsを用いた縦型スピン(MOSFET型)トランジスタの試作：GaMnAsを用いた縦型スピントランジスタの試作を行った。サイドゲート構造の作製技術を確立し、3.5 Kという低温ながらも、従来のMOSFET型スピントランジスタの研究で得られてきた磁気抵抗比（～0.1%）を大きく上回る60%の磁気抵抗比を得ることに成功した。また、サイドゲートへの電圧印加による電流変調の効果も明瞭に観測された。今後は、変調のメカニズムの解明と、微細化などによる大きな変調効果の実現を目指す。
ペロブスカイト酸化物の分子線エピタキシー(MBE)成長：MBE装置の立ち上げが終わり、成長を行うことができるようになった。ストイキオメトリーの制御の難しいSrTiO3の成長が可能となった。現在SrMnO3等の成長条件の探索を始めている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

まず、新規強磁性半導体の探索の研究が極めて順調に進んでいる。特にGeFeについては、成長条件依存性を丹念に調べ、その結果、アニール等を駆使することにより、従来より広く研究が行われてきた単相のIII-V族やIV族の強磁性半導体の中では最も高い210 Kのキュリー温度が得られた。また、Spring8放射光施設を用いて行ったX線磁気円二色性の測定からは、室温で局所的な強磁性領域が存在することが明らかになるなど、従来実現が難しいとされてきた室温半導体スピントロニクスの実現につながる新たな可能性を見出した。次に、本研究で最も重要な課題である縦型のMOSFET型スピントランジスタの基礎動作実証に関しては、強磁性半導体GaMnAsを用いた素子の作製技術を確立することができた。極低温で、まだ信号は小さいものの、スピントランジスタにおいて重要なスピンバルブ効果と電流変調動作を示すことができた。低温成長GaAsには多くの欠陥が存在しており、それが電界効果を実現する上での困難であることも新たに分かってきた。困難が予想された酸化物MBEの立ち上げが終わり、結晶成長を行うことができるようになった。本研究室では作製経験がなく、またストイキオメトリーの制御が難しいと予想していたSrTiO3の成長が良好に行えるようになってきた。以上のような状況から、本研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

新規強磁性半導体GeFeを用いたスピン依存伝導デバイスの作製とスピン依存信号の観測を目指す。この研究に関しては、すでにIV族MBE装置にMgOソースを導入しており、それを利用して、トンネル伝導素子の作製を行う。一方、同じGeベース材料系として期待されているGeMnなどの材料開拓も行う。特にX線磁気円二色性を用いて局所磁気構造を解明することにより、室温動作に向けた要素技術の開拓を行う。強磁性半導体GaMnAsを用いた縦型スピントランジスタ構造の研究に関しては、さらに変調効果を大きくするための手法の開拓を目指す。スピン依存伝導特性のチャネル長依存性の測定などを系統的に行い、このような構造におけるスピン依存伝導機構の解明を目指し、スピン緩和を低減する方向性を探る。ゲートリーク電流を低減し、歩留まりの向上を目指す。さらに、現在チャネル層として用いているGaAsをよりゲート変調の効きやすいInGaAsに変えたり、また、微細素子構造の作製も行ったりするなどし、より大きなゲート変調を目指す。酸化物に関しては、強磁性材料であるLaSrMnO3やLa:SrTiO3、LaAlO3のストイキオメトリーの制御技術を確立し、メサ型デバイスの加工技術の確立および、スピントランジスタ実現への鍵となるトンネル磁気抵抗効果の実現を目指す。ゲート変調効果についても、単純なホールバー構造などを用いて検証を行う。

Research Products

• [Journal Article] Recent Progress in III-V based ferromagnetic semiconductors: Band structure, Fermi level, and tunneling transport (2014)
  • Author(s): M. Tanaka, S. Ohya, and P. N. Hai, (invited paper)
  • Journal Title: Appl. Phys. Rev. Volume: 1 Pages: 011102
  • DOI: DOI: 10.1063/1.4840136
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Unveiling the impurity band inducing ferromagnetism in magnetic semiconductor (Ga,Mn)As (2014)
  • Author(s): M. Kobayashi, I. Muneta, Y. Takeda, Y. Harada, A. Fujimori, J. Krempasky, T. Schmitt, S. Ohya, M. Tanaka, M. Oshima, and V. N. Strocov
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 89 Pages: 205204
  • DOI: DOI: 10.1103/PhysRevB.89.205204
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electronic excitations of magnetic impurity state in diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As (2014)
  • Author(s): M. Kobayashi, H. Niwa, Y. Takeda, A. Fujimori, Y. Senba, H. Ohashi, P. N. Hai, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Harada, and M. Oshima
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett Volume: 112 Pages: 107203
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.107203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Important role of the non-uniform Fe distribution for the ferromagnetism in group-IV-based ferromagnetic semiconductor GeFe (2014)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, S. Ohya, Y. Ban, and M. Tanaka
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 116 Pages: 173906
  • DOI: DOI: 10.1063/1.4901060
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Annealing-induced enhancement of ferromagnetism and nano-particle formation in ferromagnetic-semiconductor GeFe (2014)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, Y. Ban, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 90 Pages: 205209
  • DOI: DOI: 10.1103/PhysRevB.90.205209
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 強磁性半導体の材料開拓と強磁性発現機構の理解 (2015)
  • Author(s): 大矢忍、宗田伊理也、若林勇希、小林正起、坂本祥哉、竹田幸治、伴芳祐、藤森淳、田中雅明
  • Organizer: 第１回放射光連携研究ワークショップ
  • Place of Presentation: ステーションコンファレンス東京, 東京
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-17
  • Invited
• [Presentation] Electronic Structure of Ferromagnetic Semiconductor Ge1-xFex Studied by Soft X-ray Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (2015)
  • Author(s): S. Sakamoto, Y. K. Wakabayashi, Y. Takeda, S. Fujimori, H. Suzuki, H. Yamagami, M. Tanaka, S. Ohya, and A. Fujimori
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会, 11p-P1-18
  • Place of Presentation: 東海大学, 神奈川
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [Presentation] Fabrication and evaluation of a GaMnAs-based three-terminal magnetoresistance-modulation device (2015)
  • Author(s): T. Kanaki, H. Asahara, S. Ohya, M. Tanaka
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会, 14a-D2-5
  • Place of Presentation: 東海大学, 神奈川
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [Presentation] Room-temperature local ferromagnetism and its nanoscale domain growth in the ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex (2015)
  • Author(s): Y. Wakabayashi, S. Sakamoto, K. Ishigami, Y. Takahashi, Y. Takeda, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会, 14a-D2-4
  • Place of Presentation: 東海大学, 神奈川
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [Presentation] Intrinsic spectrum of reflection magnetic circular dichroism of GaMnAs thin films (2015)
  • Author(s): H. Terada, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会, 14a-D2-7
  • Place of Presentation: 東海大学, 神奈川
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [Presentation] Band structure of GaMnAs near the Fermi level studied by time-resolved light-induced reflectivity measurements (2015)
  • Author(s): T. Ishii, T. Kawazoe, Y. Hashimoto, H. Terada, I. Muneta, M. Ohtsu, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会, 14a-D2-8
  • Place of Presentation: 東海大学, 神奈川
  • Year and Date: 2015-03-14 – 2015-03-14
• [Presentation] Different symmetry of the magnetization-direction dependence between the impurity band and valence band in GaMnAs (2015)
  • Author(s): I. Muneta, T. Kanaki, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: American Physical Society March Meeting, S31.00002
  • Place of Presentation: San Antonio, Texas, USA
  • Year and Date: 2015-03-05 – 2015-03-05
• [Presentation] Room-temperature local ferromagnetism and domain growth in the ferromagnetic semiconductor Ge1-xFex (2015)
  • Author(s): Y. K. Wakabayashi, S. Sakamoto, K. Ishigami, Y. Takahashi, Y. Takeda, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, Ma. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 第6回低温センター研究交流会, O-06
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-04
• [Presentation] GaMnAsを用いた縦型スピンMODFETの作製、及びそのスピン依存伝道特性の評価 (2015)
  • Author(s): 金木俊樹、浅原弘勝、大矢忍、田中雅明
  • Organizer: 第6回低温センター研究交流会, P-11
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-04
• [Presentation] Band structure near the Fermi level in GaMnAs studied by time-resolved light-induced reflectivity measurements (2015)
  • Author(s): T. Ishii, T. Kawazoe, Y. Hashioto, H. Terada, I. Muneta, M. Ohtsu, M. Tanaka, and S. Ohya
  • Organizer: 第6回低温センター研究交流会, P-28
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-04
• [Presentation] GaMnAsにおける本質的な反射磁気円二色性スペクトル (2015)
  • Author(s): 寺田博、大矢忍、田中雅明
  • Organizer: 第6回低温センター研究交流会, P-40
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-04
• [Presentation] IV族強磁性半導体Ge1-xFexにおける 強磁性発現機構と局所的室温強磁性の観測 (2015)
  • Author(s): 大矢忍, 若林勇希, 坂本祥哉, 伴芳祐, 竹田幸治, 藤森淳, 田中雅明
  • Organizer: 2015年誘電体スピントロニクス研究会, P1-04
  • Place of Presentation: 東北大学, 仙台
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-05
• [Presentation] 半導体をベースとした 新規スピントロニクス材料の開拓 (2014)
  • Author(s): 大矢忍
  • Organizer: 総合研究機構研究成果報告会
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2014-12-26 – 2014-12-26
• [Presentation] Different symmetry of the magnetization-direction dependence between the impurity band and valence band in GaMnAs (2014)
  • Author(s): 宗田 伊理也、金木 俊樹、大矢 忍、田中 雅明
  • Organizer: 第19回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS19), O-14
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2014-12-16 – 2014-12-16
• [Presentation] GaMnAsにおける誘電率テンソルの非対角成分 (2014)
  • Author(s): 寺田博、大矢忍、田中雅明
  • Organizer: 第19回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS19), P-3
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-15
• [Presentation] GaMnAsにおける時間分解光誘起反射率変化の入射パルス光エネルギー依存性 (2014)
  • Author(s): 石井友章、川添忠、橋本佑介、寺田博、宗田伊理也、大津元一、田中雅明、大矢忍
  • Organizer: 第19回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS19), P-2
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-15
• [Presentation] Local magnetic behavior of the ferromagnetic semiconductor GeFe (2014)
  • Author(s): Yuki K. Wakabayashi, Shoya Sakamoto, Keisuke Ishigami, Yukio Takahashi, Yukiharu Takeda, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
  • Organizer: 第19回半導体スピン工学の基礎と応用(PASPS19), P-7
  • Place of Presentation: 東京大学, 東京
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-15
• [Presentation] GaMnAsにおける誘電率テンソルの非対角成 (2014)
  • Author(s): 寺田 博, 大矢 忍, 田中 雅明
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会, 20a-S10-6
  • Place of Presentation: 北海道大学, 札幌
  • Year and Date: 2014-09-20 – 2014-09-20
• [Presentation] Identification of impurity band and valence band in GaMnAs by tunneling (2014)
  • Author(s): I. Muneta, T. Kanaki, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会, 20a-S10-3
  • Place of Presentation: 北海道大学, 札幌
  • Year and Date: 2014-09-20 – 2014-09-20
• [Presentation] 強磁性半導体GaMnAsにおける直線偏光励起スピンダイナミクス (2014)
  • Author(s): 石井友章, 川添忠, 橋本佑介,宗田伊理也, 大津元一, 田中雅明, 大矢忍
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会, 20a-S10-5
  • Place of Presentation: 北海道大学, 札幌
  • Year and Date: 2014-09-20 – 2014-09-20
• [Presentation] Structural analysis of group-IV-based ferromagnetic semiconductor GeFe by MeV-ion channeling (2014)
  • Author(s): Y. Wakabayashi, S. Ohya, Y. Ban, and M. Tanaka
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会, 20a-S10-1
  • Place of Presentation: 北海道大学, 札幌
  • Year and Date: 2014-09-20 – 2014-09-20
• [Presentation] Properties of Group-IV Based Ferromagnetic Semiconductor Gefe: Growth Temperature, Location of Fe Atoms, Annealing Effect and Their Relevance to the Magnetic Properties (2014)
  • Author(s): Y. Wakabayashi, Y. Ban, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: 18th International Conference on Molecular Beam Epitax, ThC2-2
  • Place of Presentation: High Country Conference Center, Flagstaff, AZ, USA
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-11
• [Presentation] Sudden restoration of valence-band ordering associated with ferromagnetic phase transition in GaMnAs (2014)
  • Author(s): I. Muneta, H. Terada, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: 32nd International Conference of the Physics of Semiconductors (ICPS)
  • Place of Presentation: Austin Convention Cente, Austin, Texas, USA
  • Year and Date: 2014-08-12 – 2014-08-12
• [Presentation] Growth temperature dependence of the physical properties including the Fe-atom locations in ferromagnetic-semiconductor GeFe (2014)
  • Author(s): Y. Wakabayashi, Y. Ban, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: 32nd International Conference of the Physics of Semiconductors (ICPS)
  • Place of Presentation: Austin Convention Cente, Austin, Texas, USA
  • Year and Date: 2014-08-11 – 2014-08-11
• [Presentation] Valence band and impurity band in GaMnAs investigated by resonant tunneling (2014)
  • Author(s): I. Muneta, T. Kanaki, S. Ohya, and M. Tanaka
  • Organizer: 8th International Conference on Physics and Applications of Spin Phenomena in Solids (PASPS VIII), BA7
  • Place of Presentation: Crystal Gateway Marriott, Washington D. C., USA
  • Year and Date: 2014-07-31 – 2014-07-31
• [Remarks] 東京大学大学院工学系研究科 総合研究機構 大矢研究室
  • URL: http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/ohya/