スピン自由度を用いた次世代半導体デバイス実現へ大きな進展

発表のポイント

• 鉄（Fe）を半導体（InAs）へ数%添加したことによってIII-V族半導体で初めてのN型強磁性半導体^[用語1](In,Fe)Asを作製し、電子キャリア^[用語2]が存在する伝導帯とよばれるエネルギー帯に大きな自発的スピン分裂があることを見出しました（図1）。
• このようなN型半導体における強磁性と自発的にスピン分裂した伝導帯構造の出現は、従来の理論では予測できないため、半導体や磁性の物性物理学と半導体スピントロニクス^[用語3]に新しい知見を与える重要な成果となります。
• 強磁性半導体が大きくスピン分裂した電子状態を持つことを明らかにしたことにより、スピン自由度を利用した様々な半導体デバイスの設計と作製が可能になり、本成果は今後のスピンデバイス応用に向けて大きな前進をもたらすものと期待されます。

発表概要

工学院電気電子系のファム・ナム・ハイ准教授と東京大学工学系研究科の田中雅明教授の研究グループは、高速電子デバイスに使われるIII-V族化合物半導体（InAs）に鉄（Fe）原子を添加した混晶半導体(In,Fe)Asを作製し、(In,Fe)AsがN型（電流を担うものが電子である物質）で強磁性を示す（磁石になる）と同時にその伝導帯（電子キャリアが存在するエネルギー帯）に大きな自発的スピン分裂が生ずる（電子がもつスピンが上向きか下向きかによって大きくエネルギーが異なる）ことを見出しました。このような半導体において現れる強磁性、N型かつ大きくスピン分裂した伝導帯構造の観測は初めてであり、固体物理学に新しい知見を与えると共に、スピン自由度を利用した半導体デバイスへの応用に道を開くものと期待されます。

本成果は、2016年12月19日に英国科学雑誌「Nature Commmunications」（オンライン）に掲載されました。

発表内容

研究の背景

強磁性半導体（Ferromagnetic Semiconductor: FMS）は非磁性半導体の一部の原子を磁性原子で置換することにより強磁性（磁石としての性質）が現れる材料です。既存の半導体技術との親和性が高いため、従来の半導体デバイスに「スピン」自由度を加えることにより、不揮発性、低消費電力、再構成可能性、量子情報などの新機能をもたらす可能性があり、世界的に注目されています。半導体結晶中に添加された磁性原子とキャリア（電子または正孔）との相互作用によって強磁性が誘起されるとともに、半導体中の上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子のエネルギー帯が大きく分裂することが期待されます。

しかし、実際にはこれまで電子のエネルギー帯のスピン分裂が実測された強磁性半導体は非常に稀で、II-VI族である(Cd,Mn)Teにおいて極低温（4 K = マイナス269.15 ℃）で価電子帯の自発的分裂（～10 meV）がわずかに見られたのみです。その理由の1つとして、多くの場合、磁性原子として使われるマンガン（Mn）が局在スピンとキャリア（正孔）を同時に供給するため、キャリアが不純物帯に存在し伝導帯や価電子帯はほぼ変化しないためと考えられています。また、これまでは半導体エレクトロニクスと整合性の良いIII-V族やIV族半導体では、P型（電子が抜けた穴＝正孔が電流を担う）強磁性半導体しか作製できず、半導体デバイスに不可欠なN型の強磁性半導体は存在しませんでした。

研究内容

本研究グループは、添加する磁性原子としてMnの代わりに鉄（Fe）を選びました。Feの特徴は、III-V族半導体中で中性になる（ドナーにもアクセプターにもならない）ので、局在スピンとキャリアの起源を分離できること、よってP型のみならずN型も作製可能になることです。III-V族半導体であるインジウムヒ素（InAs）にFeを添加すると、電子濃度が10¹⁸ cm^-3以上で強磁性が現れ、III-V族で初めてのN型強磁性半導体になります。さらに今回、トンネル分光法^[用語4]というエネルギー分解能が高い手法を用いて(In,Fe)Asの伝導帯構造を詳細に調べた結果、大きな自発スピン分裂（30～50 meV）が強磁性温度領域で観測されました。強磁性半導体において、このような伝導帯の自発スピン分裂が確認されたのは初めてです。

社会的意義・今後の予定など

InAsのような、高速電子デバイスやエレクトロニクスで使われる重要なIII-V族半導体において、N型で強磁性が明瞭に現れること、かつ、大きくスピン分裂した伝導帯をもつことは、従来の理論では予測できないため、半導体や磁性の物性物理学と半導体スピントロニクスに新しい知見を与える^[用語5]重要な成果です。また、強磁性半導体が大きくスピン分裂したエネルギー帯構造を持つことは、スピン自由度を利用した半導体デバイスの設計と作製を可能にするものであり、本成果は今後のスピンデバイス応用に向けて大きな前進をもたらすものと期待されます。