理論物理学 実験

理論物理学実験の解説

実験論文 ( ⽥中 雅明 )

2020年08月29日 | 理論物理学
不揮発性および再構成可能な機能をもつ半導体材料とデバイスの研究開発
研究機関 : 東京⼤学
研究代表者 : ⽥中 雅明 東京⼤学, ⼤学院⼯学系研究科, 教授
研究分担者: ⼤⽮ 忍 東京⼤学, ⼤学院⼯学系研究科, 准教授 中根 了昌 東京⼤学, ⼤学院⼯学系研究科, ファム ナムハイ 東京⼯業⼤学, ⼯学院, 准教授
研究協⼒者 : パルムストロム クリス カリフォルニア⼤学, 材料科学科, 教授
研究期間 (年度) : 2011年 – 2015年
研究課題ステータス :完了 (2015年度)
配分額 :539,110千円 (直接経費: 414,700千円、間接経費: 124,410千円)
2015年度: 53,040千円 (直接経費: 40,800千円、間接経費: 12,240千円)
2014年度: 90,870千円 (直接経費: 69,900千円、間接経費: 20,970千円)
2013年度: 101,140千円 (直接経費: 77,800千円、間接経費: 23,340千円)
2012年度: 160,420千円 (直接経費: 123,400千円、間接経費: 37,020千円)
2011年度: 133,640千円 (直接経費: 102,800千円、間接経費: 30,840千円)

研究成果の概要
半導体材料とデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン⾃由度」をも活⽤する新しい強磁性半導体および強磁性体/半導体複合構造材料を作製し、様々な物性機能を発現させることに成功した。それらの材料を⽤いたスピン⾃由度による機能を有する新しい半導体スピントロニクスデバイス(スピントランジスタ)を提案・作製し、その動作原理を実証した。これらの材料やデバイスの研究開によって、不揮発性メモリ機能と合わせて再構成可能な論理回路に応⽤できる道筋を⽰した。
検証結果 (区分) : A
評価結果 :(区分) A:
当初目標に向けて順調に研究が進展しており、期待どおりの果が⾒込まれる

1.研究開始当初の背景
半導体デバイスでは、キャリアの電荷輸送を用いた電子デバイスと光デバイスが制作され、エレクトロニクスや情報技術が支えてきた。一方、キャリアの持つもう1つの自由度であるスピンについては、半導体では積極的に利用されることはなかった。しかし、ここ十数年の間に、スピンの影響が顕著に現れる様々な新材料が半導体ベースで作成できるようになり、興味深い物性が明らかになりつつある。
本研究者らは1990年代初めに磁性体と半導体一体化・融合に関する研究を開始し以来約20年間にわたって、ⅢーⅤ属、Ⅳ属ベースの材料物性、デバイス、論理回路の提案など、スピントロニクス分野で先導的な研究を行っており、この分野の国際的な発展に貢献している。
2.研究の目的
半導体寺領あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン自由度」をも活用する新しい機能材料やデバイスをつくる。スピン自由度による機能を有する新しい半導体デバイス構造を提案・解析し、不揮発性メモリー機能と合わせて、柔軟な情報処理機能、すなわちハードウェアを作成した後で機能を再構成する(書き換える)ことが可能な半導体デバイスを試作して動作を実証する。
3.研究の方法
平成23年度に新たにⅢーⅣ属磁性半導体、磁性金属等の薄膜成長用分子線エピキタシー(MBE)装置を設計・制作し立ち上げを行った。平成24年度初めには立ち上げと調整を終了し、以後順調に新しいⅢーⅣ属ベースのスピン機能材料の成長を行い、半導体スピン機能材料とデバイスの研究を行った。
4.研究成果
 材料形成と物性機能の制御を目指した基礎研究、特にⅢーⅤ属およびⅣ属ベースの磁性半導体、半導体と整合性の良い強磁性金属とヘテロ構造のエピタキシャル成長、評価、物性制御の研究を中心に行い、多くの成果を得た。
代表的な成果のみを以下に挙げる。

成果(1) 共鳴トンネル分光法(図1)によってⅢーⅤ属強磁性半導体GaMnAs量子井戸における共鳴準位を系統的に観測・解析した。
電気的性質や強磁性転移温度にかかわらずGaMnAsのフェルミ準位Erは通説とは異なり禁制帯に存在すること、価電子帯スピン分裂はわずかであること、共鳴トンネル効果により磁気抵抗が大きく増大することを示した。またErのMn濃度依存性を初めて明らかにした。本研究により、これまで論争があり統一的な理解がなかったGaMnAs、(InGaMn)Asの価電子帯構造を明らかにした(図2)。さらに、GaMnAsのフェルミ準位、価電子帯と不純物バンドを光電子分光により観測し、強磁性発現機構を示した。
解説:成果(1)
「GaMnAs」について
理論物理学の論文中でしか見つけられない物質で、-100℃以下で磁性を示すとされる。
半導体の性質を示すとされるが理論物理学論文でしか確認がとれない。
「フェルミ準位Er」
フェルミ粒子、フェルミ順位は量子力学上のデタラメな概念である。
「禁制帯」
量子力学上のデタラメな概念である。
「価電子帯構造」
量子力学上のデタラメな概念である。
「スピン分裂」
”スピン分裂”という物理現象は確認されたことがない。
量子力学上のデタラメな概念である。
「共鳴トンネル効果」
量子力学上のデタラメな概念である。
「ErのMn濃度依存性を初めて明らかにした」
存在しないErの濃度依存性などない。
「GaMnAs、(InGaMn)Asの価電子帯構造を明らかにした」
存在しない現象を明らかにすることは不可能。
「不純物バンド」
量子力学上のデタラメな概念である。
「光電子分光により観測し、強磁性発現機構を示した」
”光電子分光”は存在しない物理現象またはデタラメな概念。
”強磁性発現機構を示した”:デタラメな概念で発現機構を解明できない。

(ⅢーⅤ属強磁性半導体GaMnAs量子井戸における共鳴準位を系統的に観測・解析)
(図1-1)
(図1-1)の解説:
「量子井戸」
量子力学上のデタラメな概念である。
「共鳴準位」
量子力学上のデタラメな概念である。
「系統的に観測・解析」
存在しない現象を観測・解析は不可能。

(ⅢーⅤ属強磁性半導体GaMnAs量子井戸における共鳴準位を系統的に観測・解析)
(図1-2)
(図1-2)の解説:
縦軸がエネルギー[V]で、横軸dが幅を示すと思われる。
図の水色の線は量子力学上の概念エネルギー帯(バンド)を示すので、このグラフは100%捏造ということになる。また、数値が記入されていないのは致命的問題だが捏造グラフなので当然といえる。

(図2ーa)
(図2ーa)の解説:
縦軸EFがフェルミ準位、横軸がMn濃度であり、各物質の温度とMn濃度、フェルミ準位[meV]の関係をプロットした図である。
フェルミ準位は量子力学上の嘘、創作概念なので、この図は100%捏造ということになる。

(図2ーb、c)
(共鳴トンネル分光法で求めた様々なMn組成をGaMnAs、InGaMnAs、InMnAsのフェルミ準位の位置(価電子帯を0としている)。いずれも禁制帯中にあることがわかる。)
(図2ーb、c)の解説:
VBは価電子帯、CBは 伝導帯、IBは中間バンド EFは フェルミ準位の略であり、全て量子力学上の嘘、創作概念なので、この図は100%捏造ということになる。
成果(2)ー1 n型(In,Fe)Asの作成に成功した。 
これまで最も研究されてきたMn系キャリア誘起強磁性体半導体(In,Mn)Asや(Ga,Mn)Asでは磁性元素Mnが局在スピンとアクセプタの役割を同時に果たすので常にp型であり、n型はできない。本研究では、低温MBEよりFeを9%までドープした単結晶で閃亜鉛鉱(Zinc,Blende)型構造をもつn型(In,Fe)Asの制作に成功した(図3)。
解説:成果(2)-1
Mn合金は検索で見つけた別資料によると-100℃以下で磁性を示すとある。GaMnAsなどが半導体であるとの情報はやはり理論物理学者のものしか確認ができない。
「n型(In,Fe)Asの制作に成功した」
確認ができない。
成果(2)ー2
Fe原子がInサイトを置換した3価であるためドナーやアクセプターとはならず中性状態であること、また低温成長によりBeがダブルドナーとして働くことを示した。これによって局在スピン濃度と独立した電子濃度を制御することを可能にした。(In,Fe)Asの電子キャリアは電導帯に存在し有効質量は0.03-0.17m0と軽いことを明らかにした。(In,Fe)Asは初めてのn型キャリア誘起ⅢーⅤ属強磁性体半導体であり、学術上、応用上ともに有望な物質である。
解説:成果(2)-2
「Fe原子がInサイトを置換した3価である」
Fe原子が3価とは意味が理解不能またはデタラメである。
「Beがダブルドナーとして働くことを示した。」
”ベリリウム 半導体”で検索してもBe ベリリウムが半導体として使用されている例は全く見つからない、恐らくは嘘であり、”ダブルドナーとして働く”は完全に嘘である。
「局在スピン濃度と独立した電子濃度を制御することを可能にした。」
”局在スピン濃度”は嘘概念。
”電子濃度を制御”:Be ベリリウムで 電子濃度を制御は嘘である。
「In、Fe、As」 
”半導体 In、Fe、As”で検索しても理論物理学者の資料が数点しか見つからず 半導体であるのが真実か確認できない。
「(In,Fe)Asの電子キャリアは電導帯に存在し有効質量は0.03-0.17m0と」
(In,Fe)Asのどこが“電子キャリア(運ぶもの)”なのか?
”電導帯”は量子力学上の嘘、創作概念。
”有効質量”はこの理論物理学者独自のデタラメ。
「(In,Fe)Asは初めてのn型キャリア誘起ⅢーⅤ属強磁性体半導体であり」
”キャリア誘起”はデタラメで存在しない物理現象。
”強磁性体半導体であり”は当然嘘である。


(図3)GaAs(001)基盤上に低温MBE成長したn型強磁性体半導体(In0.909,Fe0.091)Asの透過型電子顕微鏡(TEM)格子像。右上に示す閃亜鉛鉱型結晶構造を持つ混晶半導体であることがわかる。
成果(3) 
Ⅳ属強磁性体半導体のキュリー温度TCが最高が220KというⅣ族における従来報告値を大きく超える値を得た。また、Fe濃度揺らぎにより、室温強磁性をもつナノスケールドメインを見出した。
解説:成果(3)
「Ⅳ属強磁性体半導体のキュリー温度TCが最高が220K(-48℃)」
どの物質がその性能がでたのか?
具体的証拠は?
「Fe濃度揺らぎにより、室温強磁性をもつ」
Fe鉄は元々、室温で強磁性をもつ。
成果(4) 
GaMnAs:MnAsナノ微粒子を含むヘテロ構造を作成し、強磁性微粒子系で初めてトンネル異方性磁気抵抗効果(TARM)を観測し、不均一系に現れるスピン依存伝導特性を明らかにした。
解説:成果(4)
「GaMnAs:MnAsナノ微粒子を含むヘテロ構造を作成」
作成した証拠がない。
「トンネル異方性磁気抵抗効果(TARM)を観測」
量子力学上の噓概念。
「スピン依存伝導特性」
量子力学上の噓概念。
成果(5)
GaMnAsをアニールし自己組織化によって強磁性MnAs微粒子を作成する際に、レーザ照射によってMnAs微粒子のサイズを制御できる(成長を抑制できる)ことを示した。
解説:成果(5)
「GaMnAsをアニール(熱処理)し自己組織化」
”アニール(熱処理)し自己組織化”は嘘である。
証拠が存在しない。
”レーザ照射によってMnAs微粒子のサイズを制御できる”
嘘技術である。
証拠が存在しない。
成果(6)
強磁性混晶半導体の相図を作成し、均一な強磁性微粒子の形成に成功した。
強磁性混晶半導体のスピノーダル分解およびバイノーダル分解を含む相図を理論と実験によって求め、これをⅢ-Ⅴ族強磁性半導体GaMnAsおよびⅣ族強磁性半導体GeMnに適用し、均一なサイズの強磁性MnAs微粒子および強磁性GeMnナノカラム構造を作成する方法を提案・実証した。
解説:成果(6)
「強磁性混晶半導体の相図を作成」
その図を示すべきである。
「強磁性微粒子の形成に成功」
証拠がない。
「スピノーダル分解(相分離)」
デタラメな嘘概念。
「バイノーダル分解(相分離)」
デタラメな嘘概念。
「相図を理論と実験によって求め」
その図を示すべきである。
物性を扱える正常な物理理論は存在しない。
「均一なサイズの強磁性MnAs微粒子および強磁性GeMnナノカラム(微小格子)構造を作成する方法を提案・実証」
デタラメな概念を適用して何か結果がでるはずがなく嘘である。
”作成する方法”を具体的に示すべきである。
具体的な証拠がない。
成果(7)
磁性不純物の添加によりキャリア正孔のコヒーレンスが回復する特異な現象を初めて観測した。半導体(GaAs)への磁性不純物(Mn)の添加量を増やしたところ、強磁性への相転移に伴い価電子帯正孔の抑制され秩序が回復するという従来の個体物理学では予想できない特異な現象を発見した(図4)。これは、強磁性転移に伴いスピンの向きが揃うことにより生じたMnドープGaAsにおける強い交換相互作用を介して引き起こされる現象と考えられる。この現象は、将来、半導体をベースとした強磁性薄膜中の電子や正孔のコーヒレンスを生かした高速な量子スピントロニクスデバイスの実現につながるものと期待される。
解説:成果(7)
「磁性不純物の添加によりキャリア正孔のコヒーレンスが回復する特異な現象を初めて観測した。」
具体的な証拠が全く存在しない。
”磁性不純物”とは何か
”キャリア正孔”:どの原子のどの部分がな正孔なのか。
「正孔のコヒーレンス(位相揃い)が回復する」
正孔の位相が揃うというのはデタラメである。
「特異な現象を初めて観測した。」
存在しない現象は観測できない。

図の解説:
Mn(マグネシウム)濃度が0.9%以上になるとスピンが揃い磁性を示すと言いたいようだが根拠、証拠がない。
成果(8)
InAs/(In,Fe)As/InAs三層からなる量子井戸を作成し、表面エッチングすることにより、電子の波動関数を膜厚方法にシフトさせ(In,Fe)As層との重なりをかえりことにより、キューリ温度TCを変化させることに成功した。これはn型強磁性半導体(In,Fe)Asを用いた波動関数工学の最初の実施である。
解説:成果(8)
「InAs/(In,Fe)As/InAs三層からなる量子井戸を作成」
この物質を実際に作成した証拠がない。
”量子井戸”は量子力学上の噓概念。
「表面エッチングすることにより、電子の波動関数を膜厚方法にシフトさせ」
”波動関数”は量子力学上の噓概念。
”波動関数を膜厚方法にシフトさせ”:支離滅裂の主張。
「n型強磁性半導体(In,Fe)Asを用いた波動関数工学の最初の実施」
支離滅裂でデタラメな主張。
成果(9)
同様の試料で電界効果トランジスタを作成し、ゲート電界による電気的な磁性制御(図5)に成功した。電子の波動関数を動かし(In,Fe)As層との重なりを変えることにより、TCを約2倍(13K→25K)変化させることを示した。n型強磁性半導体を用いた波動関数工学の最初の実施である。
解説:成果(9)
「ゲート電界による電気的な磁性制御(図5)に成功した。」
明らかな嘘である。
「電子の波動関数を動かし(In,Fe)As層との重なりを変えることにより」
”波動関数”は量子力学上の噓概念。
”波動関数を動かし”:”波動関数”を認めたとしても”波動関数を動かし”は支離滅裂である。
”TC”はこの論文で初めての出現だが、定義も解説もなく何のことか理解不能。
「n型強磁性半導体を用いた波動関数工学の最初の実施」
”強磁性半導体”は理論物理学者の論文以外では確認できない。恐らくは嘘、デタラメ。
”波動関数工学”は量子力学上の噓工学。

(図5ー1)
(図5ー1)の解説:
この酷い概略図だけで制作したとは到底信用できない。
電界効果トランジスタはS、D、Gのみありで1,2,3,Rは何なのか。
これを本当に制作した証拠がない。
どの部分が何の物質なのか全く説明がない。
図の半透明な半球が”Electrolyte(DEME-TFSI)”窒素イオンの電解質液である。この装置が電界効果トランジスタとして動作するというのは間違いなく嘘である。

(図5ー2)
InAs/(In,Fe)As/InAs三層構造からなる量子井戸チャンネル、電解液による電気2重層をゲートとする電界効果トランジスタ(FET)のデバイス構造。
(図5ー2)の解説:
縦軸がキュリー温度 [K]で横軸がゲートにかける電圧[V]である。
0[K]=-273℃、25[K]=-248℃である。この極低温で本当に実験をしたのか。
キュリー温度 とは磁性が消失する温度である。
赤い線と黒い線は未定義であり、何を意味するのか想像ができない。
電界効果トランジスタにはnチャネル型とpチャネル型があるがそれぞれゲートにかける電圧の正負は決まっているので、電圧がー4~+7というのはありえないし、また正負で非対称といのもおかしい。
このグラフは全てがデタラメで間違いなく捏造である。
ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
ゲート電界を印加することにより、電子キャリアの波動関数を動かし、(In,Fe)As層との重なりを変え、キューリ温度TCを約2倍(13K→25K)変化させることに成功した。
「電子キャリアの波動関数を動かし」
完全に量子力学のデタラメである。
「キューリ温度TCを約2倍(13K→25K)」
(13K(-260℃)→25K(-248℃))という超極低温で本当に実験をしたのか。
こんな超極低温では実用性はないし、ほとんどの機関では検証が不能である。
成果(10)
GaAsにMnを1%程度添加したGaMnAsをp型電極、GaAsにSiを添加したn型GaAsをn型電極とするp+n接合ダイオードに逆バイアスを印加してホットキャリアでMnのd軌道を励起することにより、室温で可視光(E1=1.89eV and E2=2.16eV, reddish-yellow)の電界発光を得た。
これはGaAsに添加したMnのd-d遷移によるものであり、磁性半導体では初めて室温で動作する電界発光素子(LED)である。発光スペクトルから、光学遷移にはp-d混成した準位が関わっており、共鳴トンネル分光法と光電子分光で明らかにしたGaMnAsのバンド構造と整合することがわかった。
解説:成果(10)
「ホットキャリアでMnのd軌道を励起」
”ホットキャリア”はデタラメな創作概念。
”d軌道”は量子力学上の嘘概念。
「GaAsに添加したMnのd-d遷移」
”d-d遷移”は量子力学上の嘘概念。
「初めて室温で動作する電界発光素子(LED)である。」
”電界発光素子”を制作し、動作する証拠がない。
「光学遷移にはp-d混成した準位が関わって」
”p-d混成した準位”は量子力学上の嘘概念。
「共鳴トンネル分光法と光電子分光」
”共鳴トンネル分光法”は量子力学上の嘘概念。
”光電子分光”はデタラメな創作概念。
「GaMnAsのバンド構造と整合」
”バンド構造”は量子力学上の嘘概念。
成果(11)
さらに、間接遷移型半導体であり電子デバイスやLSIの基本材料であるSiで発行素子ができれば、様々な応用が期待できる。
上記と同様にP+型Si:MnとSiから成るp+n接合ダイオードにおいて、室温で可視光(E1=1.75eV and E2=2.30eV)の電界発光を得た(図6)。これはⅣ族磁性半導体では初めて室温で動作する電界発光素子(LED)である。
解説:成果(11)
この素子を作成した証拠がない。

(図6)
作成したP+型Si:Mnとn型Siから成るp+n接合発光ダイオード(LED)のデバイス構造、P+型Si:Mn層のTEM格子像。室温で(E1=1.75eV and E2=2.30eV)の電界発光を得た。
(図6)の解説
この図だけでは本物かCGか判別できない。
成果(12)
Ⅲ-Ⅴ族強磁性半導体で最高のTC(=230K)もつ(Ga,Fe)Sbの創成とその物性の解明を行い、さらに(Ga,Fe)SbのFe濃度を23%以上に高めることにより室温強磁性半導体の実現に成功した。本研究の成果は、Applied Physies Letters誌に出版され、同誌のFeatured Articleに選ばれ、表紙に(Ga,Fe)Sbの結晶構造図が掲載された(図7)。同時に、AIP Publishingのハイライト記事にも掲載された。

解説:成果(12)
「(Ga,Fe)Sbの創成」
この素子を制作した証拠がない。
「室温強磁性半導体の実現に成功した。」
証拠がない。
「表紙に(Ga,Fe)Sbの結晶構造図が掲載された(図7)」
結晶構造図(まんが)が正しい根拠がない。
成果(13)
強磁性半導体ヘテロ接合GaMnAs/GaMnAsからなる縦型構造を有するスピンMOSFETを制作し(図8)、その基本動作を実証した。電流ー電圧特性を磁化配置及びゲート電界によって制御すること(スピントランジスタとしての動作)に成功し、60%にも及ぶ磁気抵抗比を観測した。この磁気抵抗比はこれまでに横型スピンMOSFETで得られた値(0.1%)に比べて著しく大きい値である。素子サイズが200μmと大きいためゲート電圧による変調は小さいが、微細化することで改善が期待できる。
解説:成果(13)
「強磁性半導体ヘテロ接合GaMnAs/GaMnAsからなる縦型構造を有するスピンMOSFETを制作し(図8」
作成した証拠がない。
これだけ複雑な素子を本当に制作したのか?
「電流ー電圧特性を磁化配置及びゲート電界によって制御すること(スピントランジスタとしての動作)に成功し」
”電流ー電圧特性を磁化配置によって制御”はデタラメである。
”スピントランジスタ”は嘘デバイスで存在しない。
「60%にも及ぶ磁気抵抗比」
磁気抵抗(トンネル磁気抵抗効果)は量子力学上の噓概念。
「横型スピンMOSFETで得られた値(0.1%)に比べ」
”横型スピンMOSFET”は存在しない嘘デバイス。

(図8)
(図8)の解説
「図左の制作デバイス」
これを本当に制作した証拠がない。
この複雑な構造物をどのように制作したかを明確にすべきである。
Sソース、Dドレイン、Gゲートに電極が接続していない構造はありえない。
この図の構造では電界効果トランジスタとして動作しない、当然全て嘘、捏造である。
図右端の説明:
「スピン偏極キャリアのトンネル伝道」
”スピン偏極キャリア”は量子力学上の嘘概念。
”トンネル伝道”は量子力学上の嘘概念。
図右下の説明:
「EV:Valence band max Efp:Quasi Fermi level for holes」
”Valence band(荷電子帯)”は量子力学上の嘘概念。
”Quasi Fermi level for holes(正孔の準フェルミ順位)”は量子力学上の嘘概念。
成果(14)
同様のGaMnAs/GaAs/GaMnAsからなる強磁性半導体ヘテロ接合を微細加工し、幅500nmの縦型スピンMOSFETを作成し(図9)、その基本動作を実証した。大きな磁気抵抗比と共に、ゲート電圧による電流変調特性を大幅に改善した。さらにサイドゲート電圧によって素子全体の磁気異方性を変えられることを示した。電圧で磁気異方性を変えることは、低消費電力で動作するスピンデバイスの実現の可能性を開くものである。
解説:成果(14)
「強磁性半導体ヘテロ接合」
”強磁性半導体”が事実である証拠がない。
「幅500nmの縦型スピンMOSFETを作成」
作成した証拠がない。
「大きな磁気抵抗比」
”磁気抵抗”は量子力学上の噓概念。
「サイドゲート電圧によって素子全体の磁気異方性を変え」
”サイドゲート電圧”は創作、嘘、デタラメである。
”素子全体の磁気異方性を変え”は当然嘘である。

(図9)
(図9)の解説:
これを作成した証拠がない。
EV(荷電価帯)は量子力学上の噓概念。
EP(フェルミ順位)は量子力学上の噓概念。
この構造は電界効果トランジスタとしてデタラメあり、全て嘘ということになる。

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