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2019 年度 実績報告書

狭ギャップ強磁性半導体によるスピントロニクス材料の開拓とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 18H05345
配分区分補助金
研究機関東京大学

研究代表者

田中 雅明  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30192636)

研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2022-03-31
キーワードスピン / 強磁性半導体 / スピントロニクス / 狭ギャップ半導体 / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / キュリー温度 / バンド構造
研究実績の概要

材料面の成果として、従来不可能であった室温以上のキュリー温度(TC)をもつ新しいp型強磁性半導体(GaFeSb)およびn型強磁性半導体(InFeSb)の作製(分子線エピタキシー成長)に成功し、その基本物性を明らかにした。
p型強磁性半導体(GaFeSb)については、半導体で初めて室温で強磁性共鳴を観測した。また400 Kを超える高いTCを実現し、そのバンド構造や磁気異方性を明らかにした。
n型強磁性半導体(In,Fe)Sbについては、キャリア(電子)誘起強磁性であることを示し、電界効果トランジスタ構造を作製してゲート電圧で磁性を制御することに成功した。
Fe添加強磁性半導体では、n型強磁性半導体が実現できただけでなく、そのTCは半導体の禁制帯幅が小さくなればなるほど高くなる傾向があること、またFe由来の不純物準位(不純物バンド)の位置が伝導体端または価電子帯端に一致するときに高くなることを示した。すでに作製に成功していたn型強磁性半導体(InFeAs)の研究成果と合せて、Fe添加III-V族強磁性半導体新しいデザインルールを創出した。
物性機能面の成果として、すべて半導体でできた非磁性半導体(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(大きな磁気抵抗効果)を発見した。さらに、この接合をトランジスタに加工しゲート電圧によってInAs薄膜中の波動関数を変化させ、近接効果による磁気抵抗を大きく変調することにも成功した。本研究は、ゲート電圧により電子状態を変調できるという半導体の利点に、強磁性体の持つ不揮発な性質を付与できたこと、さらに磁化の情報を大きな磁気抵抗効果という手段で読み出すことができることを示したという点で、強磁性半導体を用いた次世代スピントロニクス・デバイスの実現に向けて新たな道筋を示した。

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

従来不可能であった室温以上のキュリー温度(TC)をもつ新しいp型強磁性半導体(GaFeSb)およびn型強磁性半導体(InFeSb)の作製に成功し、その基本物性を次々に明らかにするとともに、非磁性半導体/強磁性半導体からなるヘテロ構造を作製し新しい物性機能と磁気抵抗効果を発見する(Nature Physicsに出版)など、当初計画以上に成果を挙げている。

今後の研究の推進方策

現在は新型コロナウイルスの影響で大学で実験研究をすることが禁止され、すべての学会が中止されているが、解禁されたら直ちに実験を再開し、狭ギャッ強磁性半導体の物性機能の研究開発とそのデバイス応用の研究を一層進める予定である。

  • 研究成果

    (45件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 4件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (35件) (うち国際学会 19件、 招待講演 14件) 備考 (3件)

  • [国際共同研究] Ho Chi Minh City University of Pedagogy(ベトナム)

    • 国名
      ベトナム
    • 外国機関名
      Ho Chi Minh City University of Pedagogy
  • [雑誌論文] Temperature dependence of magnetic anisotropy in heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb2020

    • 著者名/発表者名
      Goel Shobhit、Anh Le Duc、Ohya Shinobu、Tanaka Masaaki
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 127 ページ: 023904~023904

    • DOI

      10.1063/1.5127583

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetization process of the insulating ferromagnetic semiconductor (Al,Fe)Sb2020

    • 著者名/発表者名
      Sakamoto Shoya、Nonaka Yosuke、Ikeda Keisuke、Chi Zhendong、Wan Yuxuan、Suzuki Masahiro、Fujimori Atsushi、Anh Le Duc、Hai Pham Nam、Takeda Yukiharu、Saitoh Yuji、Kobayashi Masaki、Tanaka Masaaki、Wakabayashi Yuki K.、Yamagami Hiroshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 075204~075204

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.075204

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure of the high-TC ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb: X-ray magnetic circular dichroism and resonance photoemission spectroscopy studies2019

    • 著者名/発表者名
      Sakamoto Shoya、Tu Nguyen Thanh、Takeda Yukiharu、Fujimori Shin-ichi、Hai Pham Nam、Anh Le Duc、Wakabayashi Yuki K.、Shibata Goro、Horio Masafumi、Ikeda Keisuke、Saitoh Yuji、Yamagami Hiroshi、Tanaka Masaaki、Fujimori Atsushi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 100 ページ: 035204~035204

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.100.035204

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] In-plane to perpendicular magnetic anisotropy switching in heavily-Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb with high Curie temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Goel Shobhit、Anh Le Duc、Tu Nguyen Thanh、Ohya Shinobu、Tanaka Masaaki
    • 雑誌名

      Physical Review Materials

      巻: 3 ページ: 084417~084417

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.3.084417

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Giant gate-controlled proximity magnetoresistance in semiconductor-based ferromagnetic?non-magnetic bilayers2019

    • 著者名/発表者名
      Takiguchi Kosuke、Anh Le Duc、Chiba Takahiro、Koyama Tomohiro、Chiba Daichi、Tanaka Masaaki
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 15 ページ: 1134~1139

    • DOI

      10.1038/s41567-019-0621-6

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb with high Curie temperature and large magnetic anisotropy2019

    • 著者名/発表者名
      Tu Nguyen Thanh、Hai Pham Nam、Anh Le Duc、Tanaka Masaaki
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 12 ページ: 103004~103004

    • DOI

      10.7567/1882-0786/ab3f4b

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Fe-doped narrow-gap III-V ferromagnetic semiconductors and related heterostructures with high Curie temperature2020

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka, Le Duc Anh, Kosuke Takiguchi, Shobhit Goel, S. Ohya, Nguyen Thanh Tu, and Pham Nam Hai
    • 学会等名
      2nd Kavli ITS Workshop on Magnetic Semiconductors
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-Tc Ferromagnetic Semiconductors and Heterostructures for Spintronics Applications2020

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      The 3rd Symposium forThe Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 半導体における強磁性秩序の発現と制御 (Ferromagnetic Order in Semiconductors: Creation and Control)2020

    • 著者名/発表者名
      田中 雅明
    • 学会等名
      応用物理学会 新領域グループ「強的秩序とその操作に関わる制御」第10回研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Fe concentration dependence of the Fe 3d electronic states in p-type ferromagnetic semiconductor (Ga1-x,Fex)Sb2020

    • 著者名/発表者名
      Takahito Takeda, Kohsei Araki, Yuita Fujisawa, Le Duc Anh, Nguyen Thanh Tu, Tukiharu Takeda, Shin-ichi Fujimori, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, and Masaki Kobayashi
    • 学会等名
      67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
  • [学会発表] Epitaxial growth and characterizations of quaternary alloy ferromagnetic semiconductor (In,Ga,Fe)Sb2020

    • 著者名/発表者名
      Kengo Takase, Tomoki Hotta, Kosuke Takiguchi, Sriharsha Karumuri, Anh Le Duc, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
  • [学会発表] Carrier type switching in quaternary alloy ferromagnetic semiconductor (In,Ga,Fe)Sb by controlling the composition of In and Ga2020

    • 著者名/発表者名
      Tomoki Hotta, Kengo Takase, Kosuke Takiguchi, Suriharsha Karumuri, Anh Le Duc, Masaak Tanaka
    • 学会等名
      67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
  • [学会発表] Current-perpendicular-to-plane giant magnetoresistance in ferromagnetic semiconductor (Ga Fe)Sb heterostructures with high Curie temperature2020

    • 著者名/発表者名
      Takaoki Kido, Kengo Takase, Le Duc Anh, Kosuke Takiguchi, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
  • [学会発表] Improvement of output in anomalous Hall effect sensors using (In,Fe)Sb2020

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Takahashi, Kevin Ekaputra Yohar, Masaaki Tanaka, Nam Hai Pham
    • 学会等名
      67th Spring Meeting of the Japan Society of Applied Physics
  • [学会発表] III-V族化合物半導体InSb極薄膜における価電子帯の低次元化2020

    • 著者名/発表者名
      武田崇仁, 高瀬健吾, 荒木恒星, T. Schmitt, V. N. Strocov, 田中雅明, 小林正起
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] Spintronics as a New Direction of Electronics and Information Technology2019

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      NASATI Workshop on "Connecting International Science and Technology Information Resources Between Academic and Industry for Commercialization of Research Results"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fe-based Narrow-gap ferromagnetic Semiconductors: New approach to spin-based electronics2019

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Vietnam-Japan Science and Technology Symposium 2019 (VJST2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Heavily Fe-doped n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb with high Curie temperature and large magnetic anisotropy2019

    • 著者名/発表者名
      Nguyen Thanh Tu, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week (CSW2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic anisotropy switching in heavily-Fe-doped high-Curie-temperature ferromagnetic semiconductor (Ga0.7,Fe0.3)Sb with a critical thickness2019

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Nguyen Thanh Tu, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week (CSW2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Gate-controlled proximity magnetoresistance in an InAs / (Ga,Fe)Sb quantum well heterostructure2019

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Takiguchi, Le Duc Anh, Takahiro Chiba, Tomohiro Koyama, Daichi Chiba, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week (CSW2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Spin-valve magnetoresistance in ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb heterostructures with high Curie temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Kengo Takase, Le Duc Anh, Kosuke Takiguchi, Nguyen Thanh Tu, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week (CSW2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Spin dependent transport properties of spin bipolar transistors using a (Ga,Fe)Sb/(In,Fe)As p-n junction2019

    • 著者名/発表者名
      Koki Chonan, Yuto Arakawa, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week (CSW2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Giant gate-controlled proximity magnetoresistance in semiconductor-based ferromagnetic/nonmagnetic bilayers2019

    • 著者名/発表者名
      K. Takiguchi, L. D. Anh, T. Chiba, T. Koyama, D. Chiba, and M. Tanaka
    • 学会等名
      10th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Unveiling the electronic band structure of n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)As2019

    • 著者名/発表者名
      Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Jan Minár, Walayat Khan, Pham Nam Hai, Yoshihisa Harada, Thorsten Schmitt, Atsushi Fujimori, Masaharu Oshima, Masaaki Tanaka, and Vladimir N. Strocov
    • 学会等名
      40th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics (VUVX19)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fe-doped III-V based ferromagnetic semiconductors and heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka, Le Duc Anh, Nguyen Thanh Tu, and Pham Nam Hai
    • 学会等名
      SPIE Spintronics Symposium, Spintronics XII
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Novel gate-controlled magnetotransport phenomena in Fe-doped III-V ferromagnetic semiconductor heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Kosuke Takiguchi, Nguyen Thanh Tu, Takahiro Chiba, Tomohiro Koyama, Daichi Chiba, Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      SPIE Spintronics Symposium, Spintronics XII
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] In-plane to perpendicular magnetic anisotropy switching in heavily-Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb with high Curie temperature2019

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] New n-type and p-type Fe-doped III-V ferromagnetic semiconductors with high T_C2019

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka, Le Duc Anh, Nguyen Thanh Tu, and Pham Nam Hai
    • 学会等名
      14th Asia-Pacific Physics Conference (APPC14)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] New high-Tc ferromagnetic semiconductors and heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      International Symposium on Frontier Issues in Quantum Physics and Quantum Information Sciences (QPQIS-2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Gate-controllable Spin Splitting and Giant Proximity Magnetoresistance in InAs Induced by a Magnetic Proximity Effect2019

    • 著者名/発表者名
      Le Duc Anh, Kosuke Takiguchi, Takahiro Chiba, Tomohiro Koyama, Daichi Chiba, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      Materials Research Society (MRS) 2019 Fall Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] New high-Tc ferromagnetic semiconductors and heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      11th International Conference on Advanced Materials and Devices (ICAMD2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ferromagnetic resonance and magnetic anisotropy control in high-Tc ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb2019

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Nguyen Thanh Tu, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      EU-USA-Japan International Symposium on Quantum Technology (EU-US-JPN ISQT)
    • 国際学会
  • [学会発表] スピントロニクスの科学と技術:現状と展望2019

    • 著者名/発表者名
      田中雅明
    • 学会等名
      第55回センサ&アクチュエータ技術シンポジウム「磁気センサ最前線:スピントロニクス技術の基礎と応用」
    • 招待講演
  • [学会発表] n型およびp型Fe系強磁性半導体 - 高いキュリー温度の実現とヘテロ構造デバイスへの展開2019

    • 著者名/発表者名
      レデゥックアイン、グエンタントゥ、瀧口耕介、ファムナムハイ、田中雅明
    • 学会等名
      2019年秋季第80回応用物理学会学術講演会、シンポジウム「新しいスピントロニクス材料と物性」
    • 招待講演
  • [学会発表] Magnetic anisotropy switching from perpendicular to in-plane with temperature in heavily-Fe-doped ferromagnetic semiconductor (Ga,Fe)Sb2019

    • 著者名/発表者名
      Shobhit Goel, Le Duc Anh, Shinobu Ohya, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      2019年秋季第80回応用物理学会学術講演会
  • [学会発表] Giant rectification effect in semiconductor-based non-magnetic InAs / ferromagnetic (Ga,Fe)Sb bilayer heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      K. Takiguchi, L. D. Anh, and M. Tanaka
    • 学会等名
      2019年秋季第80回応用物理学会学術講演会
  • [学会発表] 強磁性半導体(GaFeSb)/非磁性半導体(InAs) 二層ヘテロ構造における巨大な近接磁気抵抗効果とゲート電圧による制御2019

    • 著者名/発表者名
      瀧口 耕介、レ デゥック アイン、グエン タン トゥ、ファム ナム ハイ、田中 雅明
    • 学会等名
      CSRN-Tokyoワークショップ「スピントロニクス新機能物質と巨大物性応答」
    • 招待講演
  • [学会発表] 半導体ベースのスピントロニクス2019

    • 著者名/発表者名
      田中雅明
    • 学会等名
      応用物理学会スピントロニクス入門セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 磁気近接効果を有する1次元チャネルにおける巨大磁気非相反現象2019

    • 著者名/発表者名
      瀧口耕介, レドゥックアイン, 千葉貴裕, 田中雅明
    • 学会等名
      スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)シンポジウム
  • [学会発表] p型強磁性半導体 (Ga,Fe)Sbのspバンドと不純物バンド2019

    • 著者名/発表者名
      武田崇仁, 鈴木雅弘, L. D. Anh, 野中洋亮, T. Schmitt, 吉田訓, 坂野昌人, 石坂香子, 竹田幸治, 藤森伸一, 関宗俊, 田畑仁, 藤森淳, V. N. Strocov, 田中 雅明, 小林正起
    • 学会等名
      スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)シンポジウム
  • [学会発表] Giant linear non-reciprocal charge transport in one-dimensional channels with the magnetic proximity effect2019

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Takiguchi, Le Duc Anh, Takahiro Chiba, and Masaaki Tanaka
    • 学会等名
      24th Meeting on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-24)
  • [備考] 東京大学工学系研究科電気系工学専攻 田中・大矢・中根研究室

    • URL

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

  • [備考] 東京大学 スピントロニクス学術連携研究教育センター

    • URL

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

  • [備考] 非磁性半導体/強磁性半導体ヘテロ接合における新しい電子伝導現象を発見

    • URL

      https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_201908271542346541551828.html

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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