EEIS 東京大学大学院 工学系研究科 電気系工学専攻

田中 雅明 教授

本郷キャンパス

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電子・電気材料工学
電子デバイス・電子機器

新しい電子材料・デバイス、スピントロニクスの研究

電子のスピン機能を活用した新しいエレクトロニクスの創造を目指し、新材料、 ヘテロ構造、ナノ構造、デバイスの研究を行っています。知的好奇心に基づくサ イエンスの基礎研究から工学的応用を視野に入れた研究まで、幅広いテーマに取 り組んでいます。電子のスピン機能を活用した新材料、ヘテロ構造、ナノ構造、デバイスの研究を行っています。

研究分野1

電子のスピン自由度を用いた新しいエレクトロニクス ースピントロニクスと量子科学技術の研究

本研究室では、将来の電子デバイス、光デバイス、磁気(スピン)デバイス、それらのハイブリッド素子への応用を視野に入れて、新しい電子材料とデバイスの 基礎研究を行っています。具体的には、(1) 半導体、金属、半金属、強磁性体、超伝導体、トポロジカル物質など様々な物質を(縦横無尽に)用いて、量子力学的効果が現れるナノメータ・スケールの超薄膜や人工格子・量子ヘテロ構造 のエピタキシャル成長を行い、自然界に存在しない新しい物質を原子レベルで設計し作製すること、(2) 作製した新物質群のマテリアルサイエンスと物性物理を研究し、デバイスを試作して将来のエレクトロニクス応用への指針を示すことを目指しています。特に、電子のスピンやその秩序(磁性)が顕著に現れる新しい物質群の創成とそれらの半導体エレクトロニクスへの応用:「スピントロニクス」の開拓研究、およびスピン状態をはじめとする量子状態の制御と量子科学技術の研究に力を入れています。
研究分野2

スピンと半導体の機能を合わせ持つ新物質、ヘテロ構造、ナノ構造、量子物質の創製とそのデバイス応用

半導体にスピン機能を融合させることにより、強磁性半導体をはじめ、様々な新しい物質、その薄膜、ヘテロ構造、ナノ構造を創製し、それらの新機能を生み出す研究を行っています。最近では量子物質・量子科学技術の開拓も行っています。多くの新物質は、研究室で保有している数台の分子線エピタキシー装置により、原子レベルで膜厚や構造を制御しながら、エピタキシャル成長技術により創り出しています。世界でもわれわれの研究しか作れない物質や構造も多数あり、これが研究の独創性や強みの源になっています。結晶成長、材料創製というものづくりの根底から研究を行い、物質科学、エレクトロニクス、情報技術、省エネルギー技術の革新を目指しています。
研究分野3

電子伝導とスピン自由度を用いた新しいデバイス「スピントランジスタ」の創製

スピントロニクスデバイスの例を示します。左上はスピン依存量子準位の制御を利用したヘテロ接合型スピントランジスタ、右上図はスピン依存伝導を用いた縦型Spin-MOSFETです。いずれも我々が提案した「スピントランジスタ」と呼ばれるデバイスです。これらのスピントランジスタの共通の特長は、トランジスタ動作可能な3端子デバイスであると同時に、デバイス内部に含む2つの強磁性層の相対的な磁化の向き(平行磁化か反平行磁化か)によって、出力特性を不揮発的に変えることができる点です。作製後に出力特性が可変であることなどの特長を生かし、これらのスピントランジスタを用いた超高密度の不揮発性メモリや再構成可能な論理回路(作製後に機能を何度も不揮発的に書換えられる論理回路)、ニューロモルフィックコンピューティングや人工知能など柔軟な情報処理システムを設計することができます。メモリやロジックを不揮発にすることができ、かつ半導体集積回路に載せることができれば、情報処理システムの低消費電力化にも大きく貢献することができると期待されます。
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