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。

除了迄今为止已被证明的Mn掺杂铁磁半导体之外，我们还开发了一种新型p型铁磁半导体（(Ga,Fe)Sb），其居里温度（Tc）高于室温，这在以前是不可能的。我们通过分子束外延（MBE）成功生长了铁磁半导体（（In，Fe）Sb）及其异质结构和纳米结构，并阐明了其基本物理性质并展示了其器件功能。・实现了将Fe-As四面体键限制在InAs半导体单晶的一个原子层厚度的平面内的掺杂方法，并且所有Fe原子与中心位置相距1.5mm，同时保持闪锌矿晶体结构。我们成功地将其分布在原子层内。利用这种生长技术，我们成功地创建了单晶 FeAs/InAs 超晶格结构，其中 FeAs 原子层以规则的间隔嵌入 InAs 晶体中。我们观察到整个超晶格结构的铁磁有序性很强，所有Fe原子的磁矩均为5μB（μB：玻尔磁子），接近最大值，并且观察到巨磁阻效应，其中电阻随外部磁场变化500%，进一步制造了场效应晶体管器件，并表明可以通过施加栅极电场来调制巨磁阻效应。这项研究中创建的超晶格结构有潜力作为一种新的功能材料应用于使用自旋自由度的电子设备。・在III-V族半导体InSb上成功实现了具有世界最高品质的单晶金刚石型晶体结构的α-Sn薄膜的MBE生长。量子输运测量和分析表明，α-Sn是一种拓扑狄拉克半金属，并且具有多种拓扑相，例如当薄膜厚度减小时成为二维拓扑绝缘体（和正常绝缘体）。 α-Sn薄膜由于其材料特性的可控性、与主要半导体的兼容性以及环境友好的单元素结构，有望成为拓扑物理性质和未来量子信息器件发展的新平台。

项目成果

Growth and characterization of quaternary-alloy ferromagnetic semiconductor (In,Ga,Fe)Sb

四元合金铁磁半导体(In,Ga,Fe)Sb的生长与表征

• DOI: 10.1063/5.0069282
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 1.6
• 作者: Hotta Tomoki;Takase Kengo;Takiguchi Kosuke;Sriharsha Karumuri;Anh Le Duc;Tanaka Masaaki
• 通讯作者: Tanaka Masaaki

Elemental topological Dirac semimetal α-Sn with high quantum mobility

具有高量子迁移率的元素拓扑狄拉克半金属 α-Sn

• 发表时间: 2021
• 作者: Le Duc Anh; Kengo Takase; Takahiro Chiba; Yohei Kota; Kosuke Takiguchi;Masaaki Tanaka
• 通讯作者: Masaaki Tanaka

Epitaxial strain dependence of the magnetic anisotropy of n-type ferromagnetic semiconductor (In,Fe)Sb studied by ferromagnetic resonance measurements

通过铁磁共振测量研究 n 型铁磁半导体 (In,Fe)Sb 磁各向异性的外延应变依赖性

• 发表时间: 2021
• 作者: Akhil Pillai; Shobhit Goel; Le Duc Anh;Masaaki Tanaka
• 通讯作者: Masaaki Tanaka

Quantitative characterization of current-induced spin-orbit torques in a perpendicularly magnetized GaMnAs single film

垂直磁化 GaMnAs 单膜中电流感应自旋轨道扭矩的定量表征

• 发表时间: 2021
• 作者: Chenda Wang; Miao Jiang; Shinobu Ohya;Masaaki Tanaka
• 通讯作者: Masaaki Tanaka

p型強磁性半導体(In,Mn)Asの不純物バンド及び価電子帯構造

p型铁磁半导体(In,Mn)As的杂质能带和价带结构

• 发表时间: 2020
• 作者: 荒木恒星;武田崇仁;Le Duc Anh;藤森淳;大矢忍;Vladimir N. Strocov;田中雅明;小林正起
• 通讯作者: 小林正起