n型強磁性半導体を作製、伝導帯にスピン分裂：東大・東工大らが初めて観測

スピン自由度を用いた次世代半導体デバイスの実現へ

　東京大学大学院工学系研究科のレ デゥック アイン助教と田中雅明教授および東京工業大学工学院のファム ナム ハイ准教授は2016年12月、強磁性半導体において大きなスピン分裂をもつ電子のエネルギー状態を初めて観測したと発表した。スピン自由度を用いた次世代半導体デバイスの実現に向けて、大きな1歩になる成果とみられている。

　強磁性半導体（FMS：Ferromagnetic Semiconductor）とは、非磁性半導体の一部原子を磁性原子で置換することにより強磁性が現れる材料のことである。従来の半導体デバイスに「スピン」自由度を加えることで不揮発性、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高く、注目を集めている。ところが、スピン分裂が生じるのは限定的であった。III-V族やIV族半導体で作製できるのは、p型強磁性半導体のみで、n型強磁性半導体はこれまで存在しなかったという。

　研究グループは今回、高速電子デバイスに用いられるIII-V族化合物半導体（InAs、インジウムヒ素）に添加する磁性原子として、Fe（鉄）を選択した。これまで添加していたMn（マンガン）だと、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とんど変化しないと考えられてきた。

　研究グループは、InAsにFeを数パーセント添加した。そうしたところ、電子濃度10¹⁸cm^-3以上で強磁性が現れ、III-V族では初めてn型強磁性半導体となった。試作した混晶半導体「（In,Fe）As」の伝導帯構造を、トンネル分光法により測定したところ、強磁性温度領域で大きな自発スピン分裂（30〜50meV）を観測できたという。「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」と研究グループは主張する。

III-V族半導体「InAs」に、磁性不純物としてFeを添加したn型強磁性半導体（In,Fe）Asのイメージ（下部）。Fe原子の局在スピンと電子キャリアとの相互作用によって強磁性秩序が現れた。しかも、キャリア電子が存在する伝導帯の上向きスピン電子と下向きスピン電子の伝導帯エネルギーに大きなスピン分裂を観測することができた 出典：東京大学、東京工業大学

　これまでの理論では、InAsのようなIII-V族半導体において、n型で強磁性が明瞭に現れ、大きくスピン分裂した伝導帯を持つことは予測できなかったという。今回の研究成果は、将来のスピンデバイス応用に向けて、大きな1歩になると関係者はみている。

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