【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.19】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AE0017

利用課題名 / Title

強磁性半導体ヘテロ構造における界面電子状態の解明

利用した実施機関 / Support Institute

日本原子力研究開発機構 / JAEA

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

強磁性半導体,スピントロニクス,ヘテロ構造,共鳴光電子分光

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

小林 正起

所属名 / Affiliation

東京大学 大学院工学系研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

有川世修,棟方晟啓,堤直也,武田崇仁

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

藤森伸一,竹田幸治

利用形態 / Support Type

（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

AE-007：軟X線光電子分光装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

微細化によって発展した半導体電子デバイスは技術的な限界が近づいており、発展を続ける情報化社会を維持するために新しい原理に基づくエレクトロニクスが切望されている。電子の電荷に加えてスピンを制御することで超低消費電力やスピン現象による新しい機能性デバイスの開発を目指す分野を「スピントロニクス」と呼び、将来のエレクトロニクスとして研究が進んでいる。近年、n型非磁性半導体InAsとp型強磁性半導体(Ga,Fe)Sbのヘテロ構造デバイスにおいて [K. Takiguchi et al., Nat. Phys. 15, 1134 (2019).]磁場を印加したときの電気抵抗の変化（磁気抵抗効果）は最大で80%に達し、金属や絶縁体を用いた同様の構造に比べて約800倍大きな値となることが発見された。この磁気抵抗効果は、これまでに知られているどのような磁気抵抗効果と比べても、磁場の方向に対する振る舞いが異なり、新しい磁気抵抗効果と言える。また、ヘテロ接合をトランジスタに加工することで、磁気抵抗の大きさをゲート電圧により変調することが可能であり、電流と磁性の結合を電気的手段によって制御することができる。III-V強磁性半導体ヘテロ構造におけるこの新しい磁気抵抗効果は、従来の半導体技術との親和性も高く、スピントロニクスデバイスの実用化に向けて重要な発見であると考えられる。この他にも、超伝導体/強磁性半導体ヘテロ構造におけるスピン三重項クーパー対の実現[T. Nakamura et al., Phys. Rev. Lett. 122, 107001 (2019).]やトポロジカル絶縁体/半導体界面における高移動度量子輸送現象[L. D. Anh et al., Adv. Mater. 33, 2104645 (2021).]が観測されており、強磁性半導体を用いたヘテロ構造における新しい機能性を有するデバイスの開発が期待されている。
 本研究課題では、強磁性半導体ヘテロ構造における界面電子状態の解明を目的として、界面近傍のバンド分散を角度分解光電子分光（ARPES）および共鳴光電子分光（RPES）により調べる。軟X線ARPESにより、伝導を担う半導体と磁性を担うFe不純物バンドを含めた界面でのバンド構造を実験的に明らかにすることを目指した。

実験 / Experimental

測定には、SPring-8重元素科学ビームライン（BL23SU）の光電子分光装置を用いた。測定した試料は、InAs/GaFeSb薄膜である。光電子分光測定は、温度T = 300 Kで行い、700-1250 eVの入射光エネルギーを用いた。エネルギー分解能は約150­–300 meVである。

結果と考察 / Results and Discussion

図1にInAs/GaFeSbにて測定された、RPESの測定結果を示す。RPESはFe L₃ XASスペクトル（図1(a)）の２つのピーク位置において行った。On1のエネルギーで測定されたFe 3d部分状態密度（PDOS）は、4.5 eV付近に大きな山を持つメインの構造に加えて、価電子帯上端（VBM）近傍の1.5 eV付近に構造が観測された（図1(b)）。この構造はGaFeSb単膜で観測されたFe 3d PDOSの形状に類似している。一方で、On2で測定されたFe 3d PDOSでは、VBM近傍の構造はほぼ消失している（図1(c)）。この結果は、InAs/GaFeSbヘテロ構造において、Feには２種類の状態が存在しており、強磁性に寄与するGaFeSb単膜と考えられるFe 3d PDOSが界面近傍に存在することを示唆する。今後は、界面近傍のバンドアライメントを解析し、InAs/GaFeSbの伝導機構の詳細を解明する。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1. InAs/GaFeSb薄膜の共鳴光電子分光．(a) Fe L_2,3端X線吸収分光スペクトル．挿入図は試料構造を示す．(b),(c) RPESスペクトル．それぞれOn1とOn2のエネルギーで測定された．共鳴スペクトルと非共鳴スペクトルの差はFe 3d PDOSを表す．

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

BL23SUでの実験に関して、原子力研究機構の竹田幸治氏、藤森伸一氏、にご支援いただいた。本研究の一部は、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点の支援を受けて行われた。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件