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2015 年度 実績報告書

強磁性半導体を用いた半導体スピンデバイスの研究開発

研究課題

研究課題/領域番号 15H03988
研究機関東京工業大学

研究代表者

PHAM NAM・HAI  東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (50571717)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード強磁性半導体 / スピンバルブ効果 / スピンダイオード / スピントランジスタ
研究実績の概要

(1)高キュリー温度強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの実現:p型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの高キュリー温度化に向けて、結晶成長の工夫を行った。薄膜化などの結晶成長を工夫することによって、Fe濃度を25%まで高めて、世界で初めて室温を超えたキュリー温度 340 Kを実現した。
(2) 高キュリー温度強磁性半導体(In,Fe)Asの実現:n型強磁性半導体(In,Fe)Asのキュリー温度の改善に取り組んだ。高いキュリー温度を得るために、オフ半導体基板の上に(In,Fe)Asの結晶成長を行った。その結果、オフ角の増加につれてヒステリシスループの拡大が観測された。一方、MCDスペクトルのピークは、5 Kと300 Kいずれにおいても従来報告されてきた(In,Fe)Asのピークと一致しており、観測した室温強磁性は真性である可能性が高いことを示唆している。
(3)スピンダイオードの作製とと超巨大磁気抵抗効果の観測:p型に(Ga,Fe)Sbを、n型に(In,Fe)Asを用いた、共に強磁性半導体であるpn接合の構造をもつスピンダイオードを作成し、そのスピン依存伝導特性の評価を行った。その結果、20%程度の負の磁気抵抗効果と、500%を超える超巨大な磁気抵抗効果が得られた。20%程度の磁気抵抗効果は単純なスピンバルブ効果で説明できた。それに対して、500%を超える超巨大な磁気抵抗効果は、+8kGから-8kGまでの外部磁場の変化に対し2つの鋭いピークをもつ新現象であった。
(4)スピン電界効果トランジスタ構造の作製と波動関数制御による強磁性変調:波動性の強い(In,Fe)As量子井戸を含む電界効果トランジスタ構造を作製し、世界で初めて波動関数制御による強磁性変調に成功した。本実証によって、従来に磁性変調に必要とする面キャリア密度の変調量を2桁と大幅に削減し、超高速と超低消費電力の磁化スイッチング技術に応用できると期待している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

n型強磁性半導体およびp型強磁性半導体共に室温以上のキュリー温度を実現した。さらに、強磁性p-n接合を作成し、非常に巨大なスピンバルブ効果(>500%)を達成した。この巨大スピンバルブ効果は金属磁性体をベースとしたトンネル接合の性能と並び、半導体スピンデバイスの実現に大きく前進させた成果である。

今後の研究の推進方策

(1)n型およびp型強磁性半導体の高温強磁性特性の最適化
去年度に達成した室温強磁性をさらに強化するために、結晶性成長の工夫を行う。n型強磁性半導体に関しては、オフ基板上のδドーピング技術を使って、高キュリー温度かつ高品質の膜を作成する。
(2)スピンダイオードにおける超巨大磁気抵抗効果の起源の解明
去年度に観測した超巨磁気抵抗効果(>500%)の起源を解明するために、温度依存性、バイアス依存性、印加磁場向き依存性など、系統的にスピン依存伝導特性の評価を行い、どのような条件下で巨大磁気抵抗効果が出現しているかを明らかにする。最終的に、巨大磁気抵抗効果の物理的な起源を解明して、デバイスの設計に応用する。
(3)スピンバイポーラトランジスタの作製とスピン依存伝導特性の評価
鉄系強磁性半導体ベースのn-p-n およびp-n-p 接合の結晶成長および半導体プロセスを用いて、縦型スピンバイポーラトランジスタの作製を行い、スピン依存伝導特性を評価する。磁化向きの書き換えによる電流駆動力の変調を行い、超高速不揮発性メモリ、ノーマルオフ論理回路、再構成可能な論理回路の基盤技術を確立する。

備考

H27年度の研究成果に関連した受賞歴:
1)応用物理学会スピントロニクス研究会第4回英語講演奨励賞
2)2015年先端技術大賞、ニッポン放送賞

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件、 謝辞記載あり 6件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 7件、 招待講演 4件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Visible-light emission at room temperature in Mn-doped Si light-emitting diodes2016

    • 著者名/発表者名
      P. N. Hai, D. Maruo, L. D. Anh, and M. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 93 ページ: 094423/1-6

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.93.094423

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetization process of the n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As:Be studied by x-ray magnetic circular dichroism2016

    • 著者名/発表者名
      S. Sakamoto, L. D. Anh, P. N. Hai, G. Shibata, Y. Takeda, M. Kobayashi, Y. Takahashi, T. Koide, M. Tanaka, and A. Fujimori
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 93 ページ: 035203/1-6

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.93.035203

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Growth and characterization of insulating ferromagnetic semiconductor (Al,Fe)Sb2015

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, D. Kaneko, P. N. Hai, M. Tanaka:
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 107 ページ: 232405/1-4

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4937142

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Spinodal nanodecomposition in semiconductors doped with transition metals2015

    • 著者名/発表者名
      T. Dietl, K. Sato, T. Fukushima, A. Bonanni, M. Jamet, A. Barski, S. Kuroda, M. Tanaka, Pham Nam Hai, H. Katayama-Yoshida
    • 雑誌名

      Rev. Mod. Phys.

      巻: 87 ページ: 1311-1377

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.87.1311

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Modulation of ferromagnetism in (In,Fe)As quantum wells via electrically controlled deformation of the electron wave functions2015

    • 著者名/発表者名
      L. D. Anh, P. N. Hai, Y. Kasahara, Y. Iwasa, Masaaki Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 92 ページ: 161201(R)/1-5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.92.161201

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Magnetic properties and intrinsic ferromagnetism in (Ga,Fe)Sb ferromagnetic semiconductors2015

    • 著者名/発表者名
      N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 92 ページ: 144403/1-14

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.92.144403

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Memristive magnetic tunnel Junctions with MnAs nanoparticles2015

    • 著者名/発表者名
      P. N. Hai, M. Tanaka
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 107 ページ: 122404/1-5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4931141

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Observation of spontaneous spin-splitting in the band structure of n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As2016

    • 著者名/発表者名
      Le Anh Duc, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Magnetic properties of (In,Fe)As grown on vicinal GaAs substrates第63回応用物理学会春季学術講演会2016

    • 著者名/発表者名
      長峰 諒英、吉田 統彦、田中 雅明、ファム ナム ハイ
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Epitaxial growth of Bi1-xSbx spin-Hall alloy on GaAs(111) substrates,2016

    • 著者名/発表者名
      植田 裕吾、ファム ナムハイ
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] High-temperature ferromagnetism in heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb2015

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第20回スピン工学の基礎と応用(PASPS-20)
    • 発表場所
      東北大学
    • 年月日
      2015-12-03 – 2015-12-04
  • [学会発表] Control of magnetic properties by manipulating the carrier wavefunction in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As quantum wells2015

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Vietnamese-Japanese Students' Scientific Exchange Meeting 2015
    • 発表場所
      Kyoto University, Kyoto, Japan
    • 年月日
      2015-10-31
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magnetic Properties and Intrinsic Ferromagnetism in Narrow-gap Ferromagnetic Semiconductor (Ga,Fe)Sb2015

    • 著者名/発表者名
      N.T. Tu, P.N. Hai, L.D. Anh and M. Tanaka
    • 学会等名
      SSDM 2015
    • 発表場所
      Sapporo, Japan
    • 年月日
      2015-09-27 – 2015-09-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Ferromagnetic semiconductors and heterostructures for semiconductor spintronics: Wavefunction engineering using n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As2015

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka, Le Duc Anh, Pham Nam Hai
    • 学会等名
      12th Sweden - Japan QNANO Workshop,
    • 発表場所
      Hjortviken, Hindas, Sweden
    • 年月日
      2015-09-24 – 2015-09-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-temperature ferromagnetism in heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb2015

    • 著者名/発表者名
      Tu Nguyen, Nam Hai Pham, Duc Anh Le, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Growth and characterization of insulating ferromagnetic semiconductor (Al,Fe)Sb2015

    • 著者名/発表者名
      Anh Le, Daiki Kaneko, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋期学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Continuous visible-light emission at room temperature in Mn-doped GaAs and Si light-emitting diodes2015

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai, and Le Duc Anh
    • 学会等名
      SPIE Nano Science + Engineering, Spintronics Symposium
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      2015-08-09 – 2015-08-13
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Room temperature visible-light electroluminescence in Si p-n junctions with an epitaxial Mn doped Si layer2015

    • 著者名/発表者名
      Pham Nam Hai, Daiki Maruo, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS17)
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrical control of ferromagnetism in InAs /(In,Fe)As/ InAs trilayer quantum wells by wavefunction engineering2015

    • 著者名/発表者名
      Duc Anh Le, Nam Hai Pham, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS17)
    • 発表場所
      Sendai, Japan
    • 年月日
      2015-07-26 – 2015-07-31
  • [学会発表] Electrical control of magnetic properties in n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As quantum wells2015

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Yuichi Kasahara, Yoshihiro Iwasa, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      EMN Istanbul Meeting
    • 発表場所
      Istanbul, Turkey
    • 年月日
      2015-07-01 – 2015-07-04
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Magneto-Optical Integrated Circuits by femtosecond laser modelling in YIG2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Amemiya, Atsushi Ishikawa, Yuya Shoji, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka, Tetsuya Mizumoto, Takuo Tanaka, Shigehisa Arai
    • 学会等名
      The 4th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS’15)
    • 発表場所
      Yokoyama, Japan
    • 年月日
      2015-04-22 – 2015-04-24
    • 国際学会
  • [備考] 研究成果

    • URL

      http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?page_id=14

  • [備考] 受賞

    • URL

      http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?cat=9

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公開日: 2017-01-06  

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