東大ら,n型強磁性半導体ダイオードの磁気伝導度を制御

東京大学と東京工業大学の研究グループは,新しい江崎ダイオード(トンネル効果を使用する半導体)を作製し,その磁気伝導度(外部磁場に対する電流の応答)の大きさと符号をバイアス電圧(動作を最適にするためにあらかじめ与える電圧)によって制御することに成功した(ニュースリリース)。

従来の非磁性半導体に磁性原子を大量に(およそ1%以上)添加することによって強磁性体になる半導体は強磁性半導体(FMS)と呼ばれている。FMSは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る。

研究グループが添加する磁性原子として選んだ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にもならない),局在スピンとキャリアの起源が分離可能である点。用いたn型(In,Fe)Asでは,母体となる半導体(InAs)の電子伝導現象を担う伝導帯の下端エネルギーの直下にFeの電子状態が形成され,このFeの電子状態は,伝導帯とは対称性とスピン偏極が全く異なり,通常ほとんど電子の伝導に寄与しない不純物帯を形成することがわかっている。

研究では,n型強磁性半導体(In,Fe)Asとp型InAsのpn接合から成るスピン江崎ダイオード構造を作製しその電子伝導特性を詳細に調べたところ,印加するバイアス電圧を変えることによって伝導に寄与する電子のエネルギー帯を伝導帯から不純物帯に切り替えることができ,電流の磁場応答(磁気コンダクタンス)の強度と符号を大きく変化させることに成功した。

また,研究で得られた磁気コンダクタンスのバイアス電圧依存性から,強磁性半導体の電子状態(エネルギーバンド構造,スピン偏極など)を調べることができ,物質の電子状態の研究に新しい手法を与えた。この成果は,今後の新材料探索とスピンデバイス応用に向けて大きな進展をもたらすものだとしている。

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