Creation of New Spin-Functional Materials and Devices by Renaissance of Ferromagnetic Semiconductors

通过铁磁半导体的复兴创造新的自旋功能材料和器件

• 批准号: 20H05650
• 负责人: 田中 雅明
• 金额: $ 126.3万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-08-31 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H05650/
• 关键词: 強磁性半導体; スピン; ヘテロ構造; バンド構造; デバイス; 狭ギャップ半導体; 電界効果磁化制御; スピン軌道トルク; スピントロニクス; 低消費電力デバイス; 垂直磁化

これまで実績があるMn添加強磁性半導体に加えて、従来作製することが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（(Ga,Fe)Sb）、ｎ型強磁性半導体（(In,Fe)Sb）およびそれらを含むヘテロ構造・ナノ構造の分子線エピタキシー(MBE)成長に成功し、その基本物性や明らかにしてデバイス機能を示した。・InAs半導体単結晶中にFe-As正四面体結合を1原子層の厚さの平面内に閉じ込める添加方法を実現し、閃亜鉛鉱型結晶構造を保ちつつすべてのFe原子を中心位置から1.5原子層以内に局所的に分布させることに成功した。この成長技術により、FeAs原子層をInAs結晶中に等間隔に埋め込んだ単結晶FeAs/InAs超格子構造の作製に成功した。超格子構造全体の強磁性秩序が強く、すべてのFe原子が最大に近い5μB (μB :ボーア磁子)の磁気モーメントを持つこと、電気抵抗が外部磁場によって500％変化する巨大磁気抵抗効果を観測、さらに電界効果トランジスタデバイスを作製し、ゲート電界の印加によって巨大磁気抵抗効果を変調できることを示した。本研究により作製した超格子構造は、新規機能材料としてスピン自由度を用いた電子デバイスに応用できる可能性がある。・世界最高品質の単結晶ダイヤモンド型結晶構造をもつα-Sn薄膜をIII-V族半導体InSb上にMBE成長することに成功した。量子輸送測定と解析により、α-Snがトポロジカル・ディラック半金属であること、膜厚を薄くすると２次元トポロジカル絶縁体（および通常の絶縁体）になるなど、多様なトポロジカル相を持つことを示した。α-Sn薄膜は、材料物性の制御性、主要な半導体との整合性、環境にやさしい単元素構造を持つことから、トポロジカル物性機能の開拓と将来の量子情報デバイスのための新しいプラットフォームとして有望な量子物質である。

こ れ ま で be performance が あ る Mn adding strengthen magnetic semiconductor に plus え て, 従 for す る こ と が impossible で あ っ た above room temperature の キ ュ リ ー temperature (Tc) を も つ new し い p type strong magnetic semiconductor (Ga, Fe) (Sb), n type of strong magnetic semiconductor (In, Fe) (Sb) お よ び そ れ ら を containing む ヘ テ ロ structure, ナ ノ の construction Molecular line エ ピ タ キ シ ー (MBE) growth に し success, そ の basic property や Ming ら か に し て デ バ イ ス function を shown し た. に in InAs semiconductor 単 crystallization in the Fe - combination As regular tetrahedron を 1 atom thick layer の さ に の plane closed じ 込 め る add methods を be し now, flash 鉱 亜 lead crystal structure を bao ち つ つ す べ て の Fe atoms を center か ら within 1.5 atomic layer に bureau に distribution さ せ る こ と に successful し た. The <s:1> <s:1> growth technique によ によ, and the に equally spaced に embedding め込んだ単 crystalline FeAs/InAs superlattice structure in the を FeAs atomic layer をInAs crystals に were successfully fabricated に た た. The overall <s:1> strong magnetic order of the superlattice structure が strong く, すべて <s:1> Fe atoms が maximum に nearly が 5μB (μB) : ボ ー ア magneton) の magnetic 気 モ ー メ ン ト を hold つ こ と, electricity 気 resistance が external magnetic field に よ っ て 500% - the す る huge magnetic 気 resistance unseen fruit を 観 measurement, さ ら に electricity industry working fruit ト ラ ン ジ ス タ デ バ イ ス を as し, ゲ ー ト electricity industry の Inca に よ っ て huge magnetic 気 resistance unseen fruit を - adjustable で き る こ と を shown し た. This study に よ り cropping し た は superlattice structure, new rules on functional material と し て ス ピ ン freedom を with い た electronic デ バ イ ス に 応 with で き る possibility が あ る. Crystallization, the world's highest quality の 単 ダ イ ヤ モ ン ド type crystal structure を も つ alpha Sn thin film を III - V semiconductor InSb に MBE growth す る こ と に successful し た. Determination of quantum transport と parsing に よ り, alpha Sn が ト ポ ロ ジ カ ル · デ ィ ラ ッ ク semimetal で あ る こ と, thin film thickness を く す る と 2 dimensional ト ポ ロ ジ カ ル never try body (お よ び の usually never try) に な る な ど, many others な ト ポ ロ ジ カ ル phase を hold つ こ と を shown し た. Alpha Sn film は, material property の suppression sex, main な semiconductor と の integration, environmental に や さ し い 単 element structure を hold つ こ と か ら, ト ポ ロ ジ カ ル physical function の pioneering と の quantum information in the future デ バ イ ス の た め の new し い プ ラ ッ ト フ ォ ー ム と し て quantum material is expected to be な で あ る.

项目成果

Structure and magnetic properties of Fe-As films grown on GaAs (111)B substrates

GaAs (111)B 衬底上生长的 Fe-As 薄膜的结构和磁性能

• 发表时间: 2022
• 作者: Seiji Aota;Le Duc Anh;and Masaaki Tanaka
• 通讯作者: and Masaaki Tanaka

Effect of Bi doping on the magnetic properties of the narrow-gap ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb

Bi掺杂对窄带隙铁磁半导体(In,Fe)Sb磁性能的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Yota Endo;Masaaki Tanaka;and Pham Nam Hai
• 通讯作者: and Pham Nam Hai

半導体スピントロニクス材料とデバイス研究の新展開

半导体自旋电子学材料与器件研究新进展

• 发表时间: 2022
• 作者: Takeda Jun;Katayama Ikufumi;田中雅明
• 通讯作者: 田中雅明

Giant voltage-controllable magnetoresistance switching in Ge short-channel devices with epitaxial ultra-thin Fe electrodes

具有外延超薄铁电极的Ge短沟道器件中的巨压控磁阻开关

• 发表时间: 2022
• 作者: Shun Tsuruoka;Yuriko Tadano;Le Duc Anh;Masaaki Tanaka;and Shinobu Ohya
• 通讯作者: and Shinobu Ohya

オールエピタキシャル単結晶LaTiO3+δ/SrTiO3ラシュバヘテロ構造における巨大スピン流電流変換 (Giant spin-to-charge conversion in an all-epitaxial single-crystal-oxide Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 heterostructure)

全外延单晶氧化物 Rashba LaTiO3+δ/SrTiO3 异质结构中的巨大自旋电荷转换

• 发表时间: 2022
• 作者: Shingo Kaneta-Takada;Miho Kitamura;Shoma Arai;Takuma Arai;Ryo Okano;Le Duc Anh;Tatsuro Endo;Koji Horiba;Hiroshi Kumigashira;Masaki Kobayashi;Munetoshi Seki;Hitoshi Tabata;Masaaki Tanaka;and Shinobu Ohya
• 通讯作者: and Shinobu Ohya