Investigation of spin transport phenomena in Si for application of spin device

硅中自旋输运现象的研究及其应用

• 批准号: 18J22869
• 负责人: 李 垂範
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J22869/
• 关键词: スピントロニクス; シリコンスピントロニクス; 半導体スピントロニクス; スピン輸送; 電気的スピン注入; スピントランジスタ; スピン軌道相互作用; ラシュバ; シリコン; スピン注入

スピン-軌道相互作用はスピン流-電流相互変換や外部磁場を使わないスピン流の電気的な操作などに用いられる．さらに，スピン-軌道相互作用は小さいエネルギースケールを持ち，基礎物理から応用まで広い範囲で注目を浴びている．これまでは既にスピン-軌道相互作用が内在されている重金属系，低次元電子系や物質，閃亜鉛鉱構造の結晶などがスピン-軌道相互作用の主な研究対象であった．一方で，シリコンはその小さい原子番号(14番)と結晶の空間反転対称性により，スピン-軌道相互作用の研究領域では研究対象として排除されてきた．しかし，シリコンスピンデバイスのチャネルはゲート電圧を印加するため金属/酸化物/半導体(MOS)構造となっており，このMOS構造でシリコンと二酸化シリコンの界面は空間反転対称性が敗れていることに着目した．シリコン/二酸化シリコンのMOS構造でゲート電圧を印加すると2次元の電子層が生成される且つ，面直方向に電界が生じるため，界面由来のスピン-軌道相互作用が発現するための条件を充足させる．令和2年度の研究では，シリコンスピンデバイスにおける電子のスピンとその軌道間の相互作用に調査した．スピン-軌道相互作用の証拠としてスピン寿命がスピン方向に依存して異なるスピン寿命の異方性を，外部電界(ゲート電圧)を印加しながら評価した．その結果，シリコンスピンデバイスでゲート電圧を印加することでスピン寿命の異方性が変化することが観測された．この結果はシリコン/二酸化シリコンの界面由来のスピン-軌道相互作用が人工的に引き起こされたことを示唆する初めての報告である．

自旋轨道相互作用用于旋转风格的互连和不使用外部磁场的自旋式电气操作。此外，旋转轨道相互作用的能量尺度很小，并且在从基本物理到应用的广泛范围内引起了人们的关注。到目前为止，已经具有自旋轨道相互作用，低维电子系统，闪光灯的物质和晶体的重金属系统是旋转轨道相互作用的主要研究目标。另一方面，由于原子数​​较小（第14号）和空间逆转对称性中的晶体，硅被排除在旋转轨道相互作用的研究领域中。但是，硅自旋装置的通道具有金属/氧化物/半导体（MOS）结构，以添加栅极电压，并且在此MOS结构中丢失了硅和二氧化硅之间的界面。如果将栅极电压施加在硅/二氧化硅的MOS结构中，则会产生二维电子层，并在地面方向上产生电场，因此实现界面衍生的自旋轨道相互作用的条件。在第二年的第二年，研究了电子自旋与它们在硅自旋装置上的轨道之间的相互作用。自旋 - 作为轨道相互作用的证据，自旋寿命取决于自旋方向，并在应用外部电场（栅极电压）的同时评估了不同自旋寿命的动态。结果，观察到在硅自旋装置上施加栅极电压来改变自旋寿命的各向异性。这是第一个报告表明，旋转衍生的自旋轨道互连是人为引起的。

项目成果

Bias dependence of spin signals in Si spin MOSFET

Si 自旋 MOSFET 中自旋信号的偏置依赖性

• 发表时间: 2018
• 作者: S. Lee;F. Rortais;Y. Ando;S. Miwa;Y. Suzuki;H. Koike and M. Shiraishi
• 通讯作者: H. Koike and M. Shiraishi

Over 1% magnetoresistance ratio at room temperature in non-degenerate silicon-based lateral spin valves

• DOI: 10.35848/1882-0786/aba22c
• 发表时间: 2020-08-01
• 期刊: APPLIED PHYSICS EXPRESS
• 影响因子: 2.3
• 作者: Koike, Hayato;Lee, Soobeom;Shiraishi, Masashi
• 通讯作者: Shiraishi, Masashi

Investigation of anisotropy of spin relaxation in Si-based lateral spin valve

硅基横向自旋阀自旋弛豫各向异性研究

• 发表时间: 2020
• 作者: Soobeom Lee;Fabien Rortais;Ryo Ohshima;Yuichiro Ando;Minori Goto;Shinji Miwa;Yoshishige Suzuki;Hayato Koike;Masashi Shiraishi
• 通讯作者: Masashi Shiraishi

SiスピンMOSFETでのスピン信号のバイアス依存性

Si 自旋 MOSFET 中自旋信号的偏置依赖性

• 发表时间: 2018
• 作者: S. Lee;F. Rortais;R. Ohshima;Y. Ando;S. Miwa;Y. Suzuki;H. Koike and M. Shiraishi
• 通讯作者: H. Koike and M. Shiraishi

Gate voltage dependence of local spin accumulation voltage in Si-based lateral spin valve

硅基横向自旋阀中局部自旋累积电压的栅极电压依赖性

• 发表时间: 2019
• 作者: Soobeom Lee;Fabien Rortais;Ryo Ohshima;Yuichiro Ando;Yoshishige Suzuki;Hayato Koike and Masashi Shiraishi
• 通讯作者: Hayato Koike and Masashi Shiraishi