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2020 年度 実績報告書

超高品質ヘテロエピタキシャル技術による革新的高効率スピン流制御

研究課題

研究課題/領域番号 18H03860
研究機関東京大学

研究代表者

大矢 忍  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401143)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワード酸化物 / エピタキシャル / 半導体 / 強磁性 / スピン流 / トランジスタ
研究実績の概要

オールエピタキシャル強磁性半導体GaMnAsを用いてスピン流電流変換の研究を進めており、昨年度の研究で、GaMnAs単膜に電流を流すだけで、10^5A/cm^2台の極めて小さな電流密度で磁化を反転できることを明らかにしていた[Nature Commun. (2019)] 今年度は、さらにGaMnAsの膜厚を変えた一連の試料で同様の測定を行ったところ、膜厚が15nmの時に、スピントルク磁化反転現象においては世界最小である4.6x10^4 A/cm^2で磁化を反転できることが明らかになった。本成果はNature Electronics (2020)に掲載された。
大阪大学の浜屋研究室と共同で、オールエピタキシャルCoFeAlSi/Geヘテロ構造におけるスピン流電流変換の研究を行った。本試料に対してアニールを行いGeの拡散を促進したところ、スピンホール角が増大するという予期していなかった現象が明らかになった。本系のように、スピンホール効果がスピン流電流変換において支配的な系においては、ある程度の結晶の乱れの存在が、変換効率の増大させる可能性があることが明らかになった[Phys. Rev. Applied.(2020)]。
一方、昨年、研究計画では予定していなかったが、SrTiO3表面上で、酸化物の中では最高の正孔移動度24000 cm2/Vsをもつ高移動度P型2次元伝導を観測することに成功した[Adv. Mater. (2020).]。酸化物では難しかったP型伝導が容易に実現できるようになり、酸化物エレクトロニクスの新たな可能性を開拓することができた。今年度は、PN接合やNPNトンネルトランジスタの実現に成功し、特にFETにおいて、10^8の大きな電流変調比と38mV/decの極めて急峻なスイッチング特性を3Kの低温において得ることに成功した。

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

オールエピタキシャル単結晶酸化物2次元系や強磁性半導体を用いたスピン流電流変換に関する機能性の実現が着実に進んできており、現時点で、世界最小の電流密度での磁化反転に成功している[Nature Commun. (2019), Nature Electronics (2020)]。さらに、従来予期されていなかった高移動度2次元正孔ガスがSrTiO3表面で世界で初めて観測された [Adv. Mater. (2020)]。従来、二次元正孔ガスはSrTiO3表面上では実現が困難だとされてきており、本結果は重要な意味をもつと考えている。さらにPN接合やNPNトランジスタなどを世界で初めて酸化物で実現できた(論文査読中)。本系は、新たな酸化物エレクトロニクス分野を開拓できる可能性をもっているだけでなく、新たなスピン流電流変換の舞台としても期待される。

今後の研究の推進方策

2019年に観測されたLSMO/LAO/STOヘテロ構造における大きな内因性の逆エデルシュタイン効果については、現在さらに大きな現象が得られるような新たな材料系を探索している。実際に、巨大な逆エデルシュタイン効果が得られるペロブスカイト酸化物物質が存在することがわかってきた。次年度は、この現象の原因解明を進めていきたい。さらにゲート変調実験なども進めていきたい。強磁性半導体では世界最小の電流密度での磁化反転に成功しているが、ゲート変調の実験なども進め、メカニズムの解明を進めたい。
縦型スピントランジスタ構造に関しては、ペロブスカイト酸化物等を用いて、電界制御がある程度できるようになってきたため、さらにこの方向で研究を進めていきたい。成果の論文化も進める予定である。本プロジェクトにおいて発見された、フェルミレベルに依存して変わる電子の軌道の違いを利用することにより得られた極低消費電力磁化回転現象も、積極的に利用し、新たなデバイスの実現につながる方向性を探索していきたい。今年度、酸化物で実現に成功したPN接合やNPNトランジスタは、様々な新しいデバイスに応用できると考えられる。デバイス開拓を進めるとともに、これらの電子構造を理解すべく理論計算やバンド構造探索なども進めていきたい。

  • 研究成果

    (39件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 8件、 招待講演 5件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Critical thickness for observing quantum transport of Weyl fermions in ultra-high quality SrRuO3 films2021

    • 著者名/発表者名
      S. Kaneta-Takada, Y. K. Wakabayashi, Y. Krockenberger, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 118 ページ: 92408

    • DOI

      10.1063/5.0036837

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stoichiometry effects on the magnetotransport in epitaxial SrRuO3 films2021

    • 著者名/発表者名
      Y. K. Wakabayashi, S. Kaneta-Takada, Y. Krockenberger, K. Takiguchi, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 11 ページ: 035226

    • DOI

      10.1063/5.0044272

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Large tunnel magnetoresistance in a fully epitaxial double-barrier magnetic tunnel junction of Fe/ MgO/ Fe/ γ-Al2O3/ Nb-doped SrTiO32020

    • 著者名/発表者名
      R. Suzuki, Y. Tadano, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      AIP Adv.

      巻: 10 ページ: 085115/1-5

    • DOI

      10.1063/5.0002536

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Enhancement of the spin Hall angle by interdiffusion of atoms in Co2FeAl0.5Si0.5/n-Ge heterostructures2020

    • 著者名/発表者名
      S. Kaneta, M. Yamada, S. Sato, S. Arai, L. D. Anh, K. Hamaya, and S. Ohya
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Applied

      巻: 14 ページ: 024096/1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.14.024096

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Room-temperature perpendicular magnetic anisotropy of Pt/Co/AlOx trilayers on SrTiO3 (001)2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Du, S. Arai, S. Kaneta-Takada, L. D. Anh, S. Karube, M. Kohda, S. Ohya, and J. Nitta
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 10 ページ: 105010/1-6

    • DOI

      10.1063/5.0023282

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Suppression of the field-like torque for efficient magnetization switching in a spin?orbit ferromagnet2020

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, H. Asahara, S. Sato, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 雑誌名

      Nature Electronics

      巻: 3 ページ: 751-756

    • DOI

      10.1038/s41928-020-00500-w

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct observation of the magnetic ordering process in the ferromagnetic semiconductor Ga1-xMnxAs via soft X-ray magnetic circular dichroism2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Takeda, M. Kobayashi, Y. Saitoh, H. Yamagami, A. Fujimori, S. Ohya, P. N. Hai, and M. Tanaka
    • 雑誌名

      J. Appl. Phys.

      巻: 128 ページ: 213902/1-11

    • DOI

      10.1063/5.0031605, selected as Featured Article

    • 査読あり
  • [学会発表] Critical thickness for the emergence of quantum transport of Weyl fermions in ultrahigh-quality SrRuO3 films2021

    • 著者名/発表者名
      S. Kaneta-Takada, Y. K. Wakabayashi, Y. Krockenberger, S. Ohya, M. Tanaka, Y. Taniyasu, and H. Yamamoto
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2021, M37.00009
    • 国際学会
  • [学会発表] Electric field control of spin-orbit torque switching in a spin-orbit ferromagnet single layer2021

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, H. Asahara, S. Ohya and M. Tanaka
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2021, J36.00004
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrical gate control of carrier type of the two-dimensional carrier gas at the FeOy/SrTiO3 interface and its field-effect-transistor operation2021

    • 著者名/発表者名
      T. J. Wijaya, L. D. Anh, S. Kaneta-Takada, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2021, P55.00007
    • 国際学会
  • [学会発表] LaAlO3/SrTiO3界面におけるスピン流電流変換に対するdxy量子化サブバンドの影響2021

    • 著者名/発表者名
      荒井勝真、金田真悟、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる研究グループ 第12回 研究会, P-14
  • [学会発表] Electronic control of two-dimensional carrier gas at the FeOy/SrTiO3 interface2021

    • 著者名/発表者名
      Theodorus Jonathan Wijaya, Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる研究グループ 第12回 研究会, Cont-8
  • [学会発表] FeOy/SrTiO3界面における2次元キャリアガスを用いた電界効果トランジスタ2021

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Theodorus J. Wijaya, Shingo Kaneta-Takada, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる研究グループ 第12回 研究会, Cont-7
  • [学会発表] Enhancement of the spin Hall angle of Ge using the interdiffusion of atoms in Co2FeAl0.5Si0.5/n-Ge heterostructures2021

    • 著者名/発表者名
      Shingo Kaneta-Takada, Michihiro Yamada, Shoichi Sato, Shoma Arai, Le Duc Anh, Kohei Hamaya, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      Spin-RNJ 2020年度成果報告会, Y-9
  • [学会発表] Gate-controlled two-dimensional carrier transport at the FeOy/SrTiO3 interface2021

    • 著者名/発表者名
      Theodorus Jonathan Wijaya, Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第12回低温センター研究交流会, P-11
  • [学会発表] Fe/MgO/a -Ge/MgO/Fe からなる縦型スピンバルブ素子における磁気抵抗効果の観測2021

    • 著者名/発表者名
      但野由梨子、鈴木亮太、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      第12回低温センター研究交流会, P-20
  • [学会発表] Influence of the quantization of the dxy band on spin-to-charge conversion at the LaAlO3 / SrTiO3 interface2021

    • 著者名/発表者名
      荒井勝真、金田真吾、Le Duc Anh、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      第12回低温センター研究交流会, P-3
  • [学会発表] Electric field control of spin-orbit torque magnetization switching in a spin-orbit ferromagnet (Ga,Mn)As single layer2021

    • 著者名/発表者名
      Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shinobu Ohya and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 17p-Z19-12
  • [学会発表] 高品質SrRuO3薄膜におけるワイルフェルミオンの膜厚依存量子伝導2021

    • 著者名/発表者名
      金田 真悟、若林 勇希、クロッケンバーガー ヨシハル、大矢 忍、田中 雅明、谷保 芳孝、山本 秀樹
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19p-Z14-2
  • [学会発表] Field-effect transistor based on two-dimensional carrier gas at the FeOy/SrTiO3 interface2021

    • 著者名/発表者名
      Anh Duc Le、Theodorus J. Wijaya、Shingo Kaneta-Takada、Masaaki Tanaka、Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z14-10
  • [学会発表] Influence of the quantization of the dxy band on spin-to-charge conversion at the LaAlO3 / SrTiO3 interface2021

    • 著者名/発表者名
      荒井 勝真、金田 真悟、Le Duc Anh、田中 雅明、大矢 忍
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z19-6
  • [学会発表] Unconventional bias dependence of tunnel magnetoresistance induced by the Coulomb blockade effect2021

    • 著者名/発表者名
      Ryota Suzuki、Yuriko Tadano、Anh Le Duc、Masaaki Tanaka、Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z19-4
  • [学会発表] Magnetoresistance in Fe/ MgO/ a-Ge/ MgO/ Fe vertical spin valve devices2021

    • 著者名/発表者名
      Yuriko Tadano、Ryota Suzuki、Masaaki Tanaka、Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z19-5
  • [学会発表] Electrical gate control of the two-dimensional carrier gas at the FeOy / SrTiO3 interface2021

    • 著者名/発表者名
      Theodorus Jonathan Wijaya, Le Duc Anh, Shingo Kaneta-Takada, Masaaki Tanaka, Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会, 19a-Z14-11
  • [学会発表] オールエピタキシャル単結晶ヘテロ接合を用いた新スピン機能創成2021

    • 著者名/発表者名
      大矢忍、Le Duc Anh、金田真悟、荒井勝真、徳永将史, 関宗俊、田畑仁、田中雅明
    • 学会等名
      物理学会, 12pD1-4
    • 招待講演
  • [学会発表] New functionalities at oxide interfaces: Ultralow-power magnetization switching by orbital selection and high-mobility two-dimensional hole/electron transport2021

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Takashi Yamashita, Noboru Okamoto, Hiroki Yamasaki, Daisei Araki, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2021, E35.00001
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Efficient spin-orbit-torque magnetization switching in a spin-orbit ferromagnetic-semiconductor (Ga,Mn)As single layer2021

    • 著者名/発表者名
      Shinobu Ohya, Miao Jiang, Hirokatsu Asahara, Shoichi Sato, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      SPIE Nanoscience + Engineering Spintronics XIV, OP111-54
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Realization of a High-mobility Two-dimensional Hole Gas at a SrTiO3 Interface and Control of the Carrier Type2020

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Shingo Kaneta, Masashi Tokunaga, Munetoshi Seki, Hitoshi Tabata, Masaaki Tanaka, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      2019 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM), J-1
    • 国際学会
  • [学会発表] Artificial enhancement of the spin Hall angle of Ge using the interdiffusion of atoms in Co2FeAl0.5Si0.5/n-Ge heterostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Shingo Kaneta-Takada, Michihiro Yamada, Shoichi Sato, Shoma Arai, Le Duc Anh, Kohei Hamaya, and Shinobu Ohya
    • 学会等名
      2020 Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM), Q4-03
    • 国際学会
  • [学会発表] SrTiO3界面における高移動度二次元正孔ガスの実現2020

    • 著者名/発表者名
      高田真悟, Le Duc Anh, 徳永将史, 関宗俊, 田畑仁, 田中雅明, 大矢忍
    • 学会等名
      Spin-RNJ 若手オンライン研究発表会, 1A-2
  • [学会発表] Artificial enhancement of the spin Hall angle of Ge using interdiffusion of atoms in Co2FeAl0.5Si0.5/n-Ge heterostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Shingo K.-T., M. Yamada, S. Sato, S. Arai, L. D. Anh, K. Hamaya, and S. Ohya
    • 学会等名
      応用物理学会 KOSEN スチューデントチャプター 第1回VR学術講演会,
  • [学会発表] SrTiO3界面における高移動度二次元正孔ガスの実現2020

    • 著者名/発表者名
      金田真悟, Le Duc Anh, 徳永将史, 関宗俊, 田畑仁, 田中雅明, 大矢忍
    • 学会等名
      応用物理学会 KOSEN スチューデントチャプター 第1回VR学術講演会,
  • [学会発表] Impurity Band and Valence Band Structure of p-type Ferromagnetic Semiconductor (In,Mn)As2020

    • 著者名/発表者名
      荒木 恒星, 武田 崇仁, Le Duc Anh, 藤森 淳, 大矢 忍, V. N. Strocov, 田中 雅明, 小林 正起
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会, 8a-Z08-4
  • [学会発表] 単結晶Fe/ MgO/ Fe/ γ-Al2O3/ Nb:SrTiO3二重障壁磁気トンネル接合における大きなトンネル磁気抵抗効果と異常なバイアス電圧依存性2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木亮太、但野由梨子、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      第25回半導体におけるスピン工学の基礎と応用(PASPS-25), 番号無し
  • [学会発表] Impurity Band and Valence Band Structure of p-type Ferromagnetic Semiconductor (In,Mn)As2020

    • 著者名/発表者名
      K. Araki, T. Takeda, L. D. Anh, A. Fujimori, S. Ohya, V. N. Strocov, M. Tanaka, and M. Kobayashi
    • 学会等名
      第25回半導体におけるスピン工学の基礎と応用(PASPS-25), 番号無し
  • [学会発表] Electric field control of spin-orbit torque magnetization switching in a spin-orbit ferromagnet single layer2020

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, H. Asahara, S. Ohya, and M. Tanaka
    • 学会等名
      第25回半導体におけるスピン工学の基礎と応用(PASPS-25), 番号無し
  • [学会発表] 酸化物をベースとした異種接合界面における特異な電子構造の発現とデバイス機能応用2020

    • 著者名/発表者名
      大矢忍
    • 学会等名
      パナソニックミニラウンドテーブル
    • 招待講演
  • [学会発表] Realization of a high-mobility two-dimensional hole gas at an FeOy/SrTiO3 interface2020

    • 著者名/発表者名
      S. Ohya, L. D. Anh, S. Kaneta, M. Tokunaga, M. Seki, H. Tabata, and M. Tanaka
    • 学会等名
      16th International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering (ICCMSE2020),
    • 国際学会 / 招待講演
  • [産業財産権] 半導体デバイスおよびその製造方法2020

    • 発明者名
      レデゥックアイン、金田真悟、大矢忍、田中雅明、関宗俊、田畑仁
    • 権利者名
      レデゥックアイン、金田真悟、大矢忍、田中雅明、関宗俊、田畑仁
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2020/042516

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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