研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
ファム

ナム

ハイ

PHAM NAM HAI（ベトナム）
東京工業大学 工学院電気電子系准教授

室温強磁性半導体（GaFe）Sbおよび（InFe）
Asの開拓
鉄系強磁性半導体の創製と半導体スピンデバイスへの応用研究の背景ドープしたIII-V強磁性族半導体（InMn）
As

しい強磁性半導体として、Fe-AsやFe-Sbや（GaMn）
Asが開発され、半導体でも強磁の正四面体共有結合を有する鉄系強磁半導体と強磁性体は情報化社会を支え性が発現できることが分かった。
また、Mn系性半導体を提唱し、2012年以来、材料作る材料として不可欠かつ重要な役割を果た

強磁性半導体は電界効果や光照射によ製、物性の解明およびデバイスの実証にしている。半導体は集積回路や光通信素るキュリー温度や磁気異方性の変調など、成功した。鉄系強磁性半導体は、1）p型だ子などの様々なデバイスに応用されている。

従来の半導体や強磁性金属では得られなけではなくn型強磁性半導体も作製できる、これらの半導体デバイスにおいては、キャリかった機能が実証され、世界的に研究が進

2）室温以上のキュリー温度を持つ強磁性ア電荷を高速に制御することによって多くんできた。
また、2000年に強磁性半導体の半導体を作製できる、3）バンド構造と強磁の機能が実現されているため、高速動作がMean field Zenerモデルが提案され、Mn性の発生メカニズムの解明が比較的容易可能である。一方、強磁性体はハードディ系の強磁性半導体の発現機構の説明やであることなどにより、従来の強磁性半導スクなどの情報記録媒体や磁気抵抗メモ新材料の探求が行われてきた。
しかし、15体材料の問題点を解決できる革新的な半リなどの高速不揮発性メモリに利用されて年以上にわたったMn系強磁性半導体の導体スピントロ二クス材料となる可能性をいる。磁性体デバイスは電子スピンの持つ大規模な研究にもかかわらず、次の三つの示した。

「不揮発性」「高速性」「高い耐久性」
とい問題が未解決のままである。1）p型強磁性う性質を生かしている。
もし半導体と磁性体半導体しか作製できないこと、2）キュリー温■鉄系ｎ型強磁性半導体（InFe）
Asの開発の特長を融合することができれば、磁性体度が室温より低く、室温では強磁性になら2012年、これまで実現不可能であったnの不揮発性を持ち併せたような半導体デないこと、3）強磁性の起源に関する統一的型III-V族強磁性半導体（InFe）
Asの作製バイスが期待できる。

な理解がないことなどが挙げられる。これらとその実証に成功した。図1に開発した強磁の未解決課題は強磁性半導体のデバイス性半導体（InFe）As（Fe 9.1%）の格子像、応用にとって大きな障壁となっている。

電子線回折像と原子分布を示す。InAs半磁 性 材 料と半 導 体 材 料 の 特 長を融合 できる新 材 料として 強 磁 性 半 導 体（Ferromagnetic Semiconductor; FMS）

導体に大量のFe原子を添加したにもかかは特に重要な材料系であり、大変注目され研究の成果

わらず、異相のない閃亜鉛鉱型結晶構造を

本研究は以上の問題点を解決できる新とが分かる。ている。1990年代に東北大学の大野英男や東京大学の田中雅明らによりMnを

図1 （a）n型III-V族強磁性半導体（InFe）
Asの格子像、電子線回折像保ち、かつほぼ均一なFe分布が得られたこ（b）3次元原子マッピンング法によるFeとIn原子分布の測定結果

ほぼ均一なFe分布および異相のない閃亜鉛鉱型単結晶が得られたことが分かる。

丸文研究奨励賞 受賞者
また、（InFe）
Asは強磁性転移温度が電性半導体において、子濃度に依存する「電子誘起強磁性」を高いキュリー温 度を有することを見出した。
さらに、（InFe）
Asの得るためには、バンド伝導電子は不純物バンドではなく、伝導帯ギャップが 大きいワに滞在するため、最大で1000 cm2/Vsとイドギャップ 半 導 体高い移動度を示すとともに、（ InFe）As量を使うべきだと考えら

子井戸における量子サイズ効果が確認でれてきた。それに対しきた。
さらに、量子井戸の幅の変化およびて、本研究の提唱し電界効果を用いた波動関数制御を用いた鉄 系 半 導 体 の 設て、波動関数と磁性層との相対的な位置計論はMean fieldを制御することによって、強磁性（キュリーZener標準モデルと表1 強磁性半導体の開発史温度Tc）を変調することに成功した。そのは対 照 的である。す

結果、従来の技術と比べてチャンネルの電なわち、スピンの元で子濃度をほとんど変える必要がなく、非常ある磁性元素と電子に低消費電力（２〜４桁少ない電力）で磁を提 供するドナーの性（Tc）の変調に成功した。

元素を分離すれば、必ずしもs-d相互作用磁性半導体の異常ホール効果を改善し、が弱いとは限らないため、n型でも高いキュInSbホール素子を越えるスーパー高感度リー温度が得られる。また、p型強磁性半の磁気センサーを開発したいと思っている。

および室温強磁性（Tc = 340 K）の実現

導体では、キャリアが発生しやすいナロー

また、最近では従来の金属磁性体のトンネ

2014年ごろからGaSbに高濃度のFeギャップ半導体の方がむしろp-d相互作用

ル接合でしか確認できなかった巨大な磁気を添加することに成功し、非常に高いTcをが強いと期待でき、高いキュリー温度が得抵抗効果をn型（InFe）
As/p型（GaFe）
Sb■鉄系p型強磁性半導体（GaFe）Sbの開発

示すp型強磁性半導体（GaFe）
Sbの開発

られる。実現した（InFe）Asおよび（GaFe）の鉄系強磁性半導体pn接合で実現できに成功した。表1にMn系強磁性半導体おSbは本研究の提唱を具体化した実施例るようになった。
この現象を３端子半導体デよびFe系強磁性半導体の開発史を示す。

である。同時に、Mean field Zener標準バイスに応用すれば、ノーマリオフ論理回Mn系強磁性半導体は最大200 KのTcモデルを理論的に見直す必要があること

路、再構成可能な論理回路、さらにニューしか得られないことに対して（GaFe）Sbでを示した。

ラルネットワークや人工知能など、ＩＯＴ時代は、Fe濃度が23%以上で、室温以上の強磁性を示した。

本研究の鉄系強磁性半導体は従来のMn系強磁性半導体の問題点をすべて解に欠かせない柔軟かつ超低消費電力の電子技術への応用が期待される。

決でき、強磁性半導体のデバイス応用へ将来の展望
強磁性半導体のMean field Zener標の道を切り開いた。たとえば、室温異常ホー謝辞

ル効果を用いるスーパー高感度磁気セン

本研究は東京大学工学系研究科電気サーへの応用が期待できる。すでに、室温系の田中研究室および東京工学工学院

準モデルでは、1）n型強磁性半導体にお鉄系強磁性半導体において、実用化され電気電子系のPham研究室において行わいて、s-d相互作用が弱いため、キュリー温ているInSbホール効果磁気センサーと同れたものであり、共同研究者および学生の度を1 K以上達成できない、2）p型強磁等な超高感度が得られる。今後は、鉄系強皆様に深く感謝申し上げます。

References（参考文献 ）【1】P. N. Hai, L. D. Anh, S. Mohan, T. Tamegai, M. Kodzuka, T. Ohkubo, K. Hono, M. Tanaka, Growth and characterization of n-type
electron-induced ferromagnetic semiconductor（In, Fe）
As , Appl. Phys. Lett. 101, 182403/1-5（2012）.
【2】P. N. Hai, D. Sasaki, L. D. Anh, M. Tanaka, Crystalline anisotropic magnetoresistance with two-fold and eight-fold symmetry in（In, Fe）
As ferromagnetic semiconductor , Appl. Phys. Lett. 100, 262409/1-5（2012）.
【3】P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka, Electron eﬀective mass in n-type electron-induced ferromagnetic semiconductor（In, Fe）
As: Evidenceof conduction band transport , Appl. Phys. Lett. 101, 252410/1-5（2012）.
【4】N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka, （Ga, Fe）
Sb: A p-type ferromagnetic semiconductor , Appl. Phys. Lett. 105, 132402/1-4（2014）.
【5】L. D. Anh, P. N. Hai, Y. Kasahara, Y. Iwasa, Masaaki Tanaka, Modulation of ferromagnetism in（In, Fe）
As quantum wells via
electrically controlled deformation of the electron wave functions , Phys. Rev. B 92, 161201（R）/1-5（2015）.
【6】N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka, Magnetic properties and intrinsic ferromagnetism in（Ga, Fe）
Sb ferromagnetic
semiconductors , Phys. Rev. B 92, 144403/1-14（2015）.
【7】N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka, High-temperature ferromagnetism in heavily Fe-doped ferromagnetic semiconductor（Ga, Fe）
Sb , Appl. Phys. Lett. 108, 192401（2016）.
【8】L. D. Anh, P. N. Hai, M. Tanaka, Observation of spontaneous spin-splitting in the band structure of an n-type zinc-blende ferromagnetic
semiconductor , Nature Communications 7, 13810（2016）.