強磁性半導体でキュリー温度530K、室温動作のスピン機能半導体デバイスに応用へ：研究開発の最前線

東京大学は、強磁性半導体（Ga、Fe）Sbにおいてキュリー温度530K（257℃）を達成した。結晶の育成法を見直し、磁性体が常磁性状態から強磁性状態となる際のキュリー温度を大幅に上昇させることに成功した。

[MONOist]

　東京大学は2025年5月27日、東京科学大学と共同で、強磁性半導体（Ga、Fe）Sbにおいてキュリー温度530K（257℃）を達成したと発表した。結晶の育成法を見直し、磁性体が常磁性状態から強磁性状態となる際のキュリー温度を大幅に上昇させることに成功した。

　強磁性半導体は、磁性体と半導体の特性を併せ持つ材料で、磁性元素を半導体に添加して作製する。東京科学大学はこれまでの研究で、バンドギャップが狭い半導体のアンチモン化ガリウム（GaSb）に鉄（Fe）を添加し、キュリー温度を室温以上の420K（147℃）まで高めることに成功している。

　今回の研究では、（Ga、Fe）Sbの結晶性を改善するため、基板の表面に原子ステップを形成し、階段状の構造に沿って結晶成長を促すステップフロー成長法を採用。ステップ間隔（テラス幅）が短い10度オフGaAs（001）基板を用いて、GaAs（001）基板上にFe濃度24％の（Ga、Fe）Sbを成膜した。従来の低温分子線エピタキシャル結晶成長法では、添加できるFe濃度に限界があったが、高濃度のFeを添加しても高い結晶性を有する強磁性半導体を作製できた。

オフ基板の構造 出所：東京大学

成膜した試料の断面構造（a）と電子顕微鏡像（b）［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　成膜した試料を磁気円二色性分光法で解析したところ、真性の強磁性半導体だと確認できた。キュリー温度は最高530K（257℃）に達しており、金属系のネオジム磁石のキュリー温度（310〜330℃）に近づいたことで、強磁性半導体の室温での安定動作が期待できる。

　また、添加したFe原子あたりの磁気モーメントは、4.5ボーア磁子を示した。従来の2〜3ボーア磁子に比べてFe原子が活性化しており、キュリー温度の増大と共に高い品質を持つことが分かった。今後、室温で安定して動作可能な低消費電力のスピン機能半導体デバイスへ応用が期待される。

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