公益財団法人　矢崎科学技術振興記念財団

東京工業大学・PHAM NAM HAI（ファム　ナム　ハイ）先生を訪ねて
　先生の研究分野は半導体スピントロニクスです。まず我々の理解が進むようにスピントロニクスとは何かを、実用化が急速に進んだ磁気記録分野からご説明をいただきました。スピントロニクスは元々ハードディスク（ＨＤＤ）の磁気センサなどに向けて、１９８８年に磁場によって大きく抵抗が変化するという巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が発見されて、大きな研究分野に発展、１９９８年にＩＢＭにより商品化、それ以降ＨＤＤの記録密度の向上に大きな役割を果たしました。その記録密度の向上はフラッシュメモリの記録密度の向上に比肩しうるもので、スピントロニクスにより２０年間で４桁性能が向上しました。その動作原理は、数nmの中間層を２つの強磁性体で挟み、その磁化の向きを反平行にすると高抵抗となり、平行にすると低抵抗になるというものです。中間層を非磁性金属にするとＧＭＲ効果、絶縁体にするとトンネル磁気（ＴＭＲ）効果が得られます。また同じくＧＭＲの応用として、半導体メモリ（ＤＲＡＭ）を不揮発性化できる最有力候補として、磁気（抵抗）ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が期待され米国企業から商品化（６４ＭＢ、２０１２年）されています。１～２年後に垂直磁気記録を使った１ＧＢ（ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ）のＭＲＡＭが商品化されようとしています。これは主メモリ分野での日本の半導体の復権につながります。また、ＭＲＡＭのもう一つの特徴は書き込み方式に、スピン偏極電流により強磁性電極に磁化反転トルクを起こさせるスピン注入磁化反転を採用できることです。スピン注入磁化反転電流は素子サイズに比例する為、素子が小さくなればなるほど書き込み電流を小さくできます。10μAでも書込み可能で、磁界反転の1000分の1です。先生はこのＭＲＡＭの書き込み電流をさらに低下させる研究にも携わっているとのことです。
今回の助成研究の目的は、日本が弱体化した半導体技術に、日本が得意な磁性体技術を融合し、再度日本を元気にさせる半導体スピンデバイスの創製です。不揮発性のスピンダイオード、スピントランジスタ、磁化反転による抵抗の変化、動作点を変化させて機能を再構成することが可能な論理回路、ノーマリオフ回路などの超低消費電力の電子機器です。従来のメモリと半導体を個別に作り配線でつなぐのではなく、１つのデバイスの中に作り込むことです。ＩＢＭは脳を模した論理回路を有した半導体チップを開発しており、計算速度は速くないが従来できない計算ができる、言わばパラダイムシフトにつながるものです。様々な入力に対して出力を可変にする回路デバイス、その手段としてスピンの利用も考えられています。
強磁性半導体の代表は（Ga,Mn）Asです。ＧａＡｓにＭｎをドーピングすることで、キャリア（正孔）誘起の強磁性体半導体が出現、電界効果を使って強磁性を制御できる最初の物質です。しかしながら、このＭｎ系強磁性半導体は、ｐ型しかできない、キュリー温度が２００Ｋ以下と低い、強磁性発現メカニズムが不明であることからモデリングができずデバイス設計が困難という問題があります。そこで２０１２年先生は、ｎ型鉄系強磁性半導体の可能性を発表しました。当時、キュリー温度が１Ｋを超えるｎ型強磁性半導体は不可能であると誰もが信じていましたので投稿論文は拒絶されたそうです。ＩｎＡｓに9.1％と通常の半導体には考えられない程大量にＦｅをドーピングしてもきれいな結晶ができたそうです。最初は鉄金属の存在を疑われましたが、詳細に分析した所、ＩｎＡｓの結晶格子のＩｎにＦｅが置換していることが分かりました。Ｆｅ系の利点は、キャリアとして別元素をドープでき、Ｍｎ系と異なりスピンとキャリア密度・タイプを個別に制御できます。現在、ｎ型（In,Fe)Asのキュリー温度は６５Ｋ程度で、ｐ型（Ｇａ，Ｆｅ）Ｓｂは１４０Ｋ程度を達成、現在室温の目途を得ているとのことです。
　　先生は最近世界初めて、強磁性の変調に量子効果を利用しました。電界効果により波動関数の形を変えることで、強磁性、キュリー温度を変調し、外からキャリアを注入することなく、非常に低消費電力で高速に磁性体を制御できます。キュリー温度を１５Kから３５Kに変えたそうです。半導体を使うことで量子効果の発現をもくろみ、量子効果が発現する材料を選択したと言います。研究室にはＣＭＯＳ作製の専門家がいないため、ゲート絶縁膜によるリーク電流を抑制できず、電解液を介しての電界により強磁性変調を実証しました。ここまでできたので今後、ｎ型とｐ型強磁性半導体を用いたスピンデバイスを試作し動作確認をしたいそうです。
　　先生の説明に『世界初』が頻繁に飛び出て圧倒される訪問でした。同時に学会の常識を破るデータはなかなか信用されず、苦労されている様子も窺えました。東京大学から１年前に移られ人・設備の面などご苦労されているのではないかと思いますが、そんなことは全く感じさせない、日本を背負って立つアグレッシブな研究内容でした。　　（２０１５年６月１１日訪問、技術参与・飯塚）