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半導体ナノワイヤを舞台とした
スピントロニクス研究

赤堀研究室 AKABORI Laboratory
准教授:赤堀 誠志(Akabori Masashi)

E-mail:akaborijaist.ac.jp
[研究分野]
半導体エピタキシャル成長、半導体ナノ構造、半導体スピントロニクス
[キーワード]
化合物半導体、強磁性体、微細加工、エレクトロニクス、スピントロニクス、半導体物性、低温物性

研究を始めるのに必要な知識・能力

本研究室で研究を始めるにあたって大事なのは、リアルに「もの」を扱うのが好きであることだと考えています。また、物理学(特に電磁気学、量子力学)の知識はあった方がよく、この他に半導体・固体物理、化学、プログラミングの知識があると研究を進める上で役に立つと考えています。

この研究で身につく能力

本研究室の研究では様々な装置を使います。それらの正しい使用法は論理的思考に基づいて考えられています。したがって、それらを理解し、自ら実践することにより、論理的な思考力が養われると考えています。また、実験的研究にはトラブルがつきもので、想定通りには結果が得られず、上手く進まないことも多々あります。ですが、トラブルの状況や得られている結果に関して、周りと協力しながら分析・考察し、研究が上手く進むように努力することにより、解決すべき課題を発見する力、そして発見した課題を解決する力が養われると考えています。

【就職先企業・職種】 電機・精密機械、IT・通信、素材

研究内容


図1.スピン電界効果トランジスタ


図2.トップダウン手法による
ナノワイヤ、ポイントコンタクト


図3.ボトムアップ手法によるナノワイヤ


図4.電気化学プロセス


図5.MnAs/InAs 複合構造


図6.非局所測定

 従来のエレクトロニクスでは、チャージ(電荷)の制御により情報処理が行われてきました。これに対してスピントロニクスは、チャージだけでなくスピン(磁性)を制御することにより情報処理を行っていくものです。国際半導体ロードマップにおいても、スピントロニクス素子は重要な次世代デバイスの一つとして位置付けられています。半導体を用いる代表的なスピントロニクス素子は、InAs・InGaAs・InSb・InGaSb など大きなスピン軌道結合を有する半導体と強磁性体との複合構造からなるスピン電界効果トランジスタです(図1)。この素子においては、半導体ナノワイヤを採用することにより、スピン軌道結合と弾性散乱によるスピン緩和が抑制されると期待されています。そこで本研究室では、以下に示すような、半導体ナノワイヤ構造および半導体- 強磁性体複合構造に関する実験的研究を行っています。

①半導体ナノワイヤ構造の作製

 電子ビーム露光とエッチング加工を組み合わせたトップダウン手法(図2)と、領域選択分子線エピタキシャル成長を用いたボトムアップ手法(図3)に関する研究を進めています。トップダウン手法では高品質な半導体ヘテロ接合を用いることが可能ですが、コヒーレントな伝導のためにはエッジ形状の最適化や加工ダメージの抑制などの課題があります。ボトムアップ手法では半導体ヘテロ構造の利用は困難ですが、成長条件の最適化によりトップダウン手法では困難な良好な形状・微小な寸法を実現できる可能性があります。

②半導体- 強磁性体複合構造の作製

 電気化学プロセスによる強磁性体の形成(図4) に関する研究を進めています。この方法では、酸性電解液による半導体表面清浄効果や、厚付け・周り込みによる3次元的形成が期待され、強磁性体から半導体へのスピン注入効率が向上する可能性があります。また分子線エピタキシャル成長により半導体InAs と強磁性体MnAs を直接複合した構造の作製(図5)も行っています。

③作製した構造の電気的評価・解析

 超伝導マグネット付クライオスタットなどを用いて、低温・強磁場環境下での電気的評価・解析を進めています。面内磁場中での非局所配置における抵抗測定(図6)などにより、スピン注入・輸送・検出に関する知見を獲得することが可能です。これら知見を基に、未踏のスピン電界効果トランジスタの実現を目指します。

主な研究業績

  1. Md. E. Islam and M. Akabori: “Growth and magnetic properties of MnAs/InAs hybrid structure on GaAs(111)B”, J. Crystal Growth, Vol. 463, pp. 86-89 (2017).
  2. M. Akabori, S. Hidaka, S. Yamada, T. Kozakai, O. Matsuda, and A. Yasaka: “High-In-content InGaAs quantum point contacts fabricated using focused ion beam system equipped with N2 gas field ion source”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 53, pp. 118002-1-3 (2014).
  3. M. Akabori, T. Murakami, and S. Yamada: “Selective area molecular beam epitaxy of InAs on GaAs (110) masked substrates for direct fabrication of planar nanowire field-effect transistors”, J. Crystal Growth, Vol. 345, pp. 22-26 (2012).

使用装置

成膜装置(分子線エピタキシャル成長装置、原子層堆積装置、真空蒸着装置、スパッタ装置)
微細加工装置(電子ビーム露光装置、電界電離ガスイオンビーム装置、反応性イオンエッチング装置)
電気化学プロセス装置
電気計測装置(デバイスアナライザ、ホール効果測定装置、ロックイン計測システム)
極低温・強磁場装置(超伝導マグネット付He4クライオスタット、He3クライオスタット、希釈冷凍機)

研究室の指導方針

本研究室では、様々な装置を使って、半導体や強磁性体など「もの」をつくるところから、主に電気的評価・解析によりつくった「もの」を調べるところまで一貫して実験的研究を行います。まずテーマの近い学生でチームをつくり、毎日チームミーティングをしてもらうとともに、週一でスタッフを交えた全体ミーティングを行って、コミュニケーション力・プレゼンテーション力・判断力の育成・向上を図ります。また、全体ミーティングと同じ日に勉強会も行い、半導体・固体物理分野の知識習得や基礎学力の向上を図ります。

[研究室HP] URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labo/akabori.html

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