不揮発性トランジスタ開発のための半導体へのスピン偏極電子注入

自旋极化电子注入半导体以开发非易失性晶体管

基本信息

批准号：
11F01816
负责人：
齋藤秀和
金额：
$ 1.28万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2013
项目状态：
已结题

项目摘要

電子のスピン自由度を利用して不揮発的に情報を記憶するスピントランジスタは、その導入によりあらゆるIT機器の消費電力の劇的な削減につながるため、世界的に熾烈な開発競争の只中にある。スピントランジスタを実現するためには、半導体中へのスピン注入技術を確立する必要がある。Geは次世代のMOS-FETのチャネル材料の有力候補とされており、スピン注入技術の確立が期待される。高効率のスピン注入のためには、高品位の強磁性体/Ge接合を可能とする材料・成長技術が必要であると考えられるため、新障壁層材料や強磁性体を用いたトンネル接合技術を開発する必要がある。今年度達成した主な成果を以下に説明する。(1)Ge基板上の磁性半導体(Ga, Mn)As単結晶膜作製技術の確立(GaMn)Asは極めて高いスピン偏極状態を有し、かつ、Geと格子定数がほぼ等しくエピタキシャル成長が期待されるため、Geへののスピン注入源として注目されるべき物質である。しかしながら、これまでスピン注入実験はおろか、Ge基板上の結晶成長すら報告はなされていなかった。本研究では分子線エピタキシー法による成長条件を最適化することにより、世界で初めてGe上の単結晶(Ga, Mn)As膜の作製に成功した。(2)障壁層フリーのスピン注入源の作製とスピン注入の実証トンネル障壁層を必要としない高品位スピン注入源の開発は、作製プロセスを簡略化できるため応上用有利である。しかしながらFe等の通常の強磁性体をGeと直接接合させると、接合界面での磁性が失われてしまうという問題があり、これまで実現は困難であった。そこで、Mn5Ge3というGeを構成要素とする強磁性体に注目しGeへの結晶成長とスピン注入に取り組んだところ、期待通りにスピン注入を実証するに至った。

自旋晶体管利用电子的自旋自由度以非易失性的方式存储信息，它的出现将导致所有IT设备的功耗大幅降低，因此正处于激烈的全球开发竞争之中。为了实现自旋晶体管，需要在半导体中建立自旋注入技术。 Ge 被认为是下一代 MOSFET 沟道材料的有前途的候选材料，并有望促进自旋注入技术的建立。为了实现高效的自旋注入，需要实现高质量铁磁/Ge结的材料和生长技术，因此需要开发新的势垒层材料和使用铁磁材料的隧道结技术。现将今年取得的主要成果介绍如下。 (1) 建立在Ge衬底上制造磁性半导体(Ga、Mn)As单晶薄膜的技术(GaMn)As具有极高的自旋极化状态，并且其晶格常数几乎等于Ge，因此有望进行外延生长因此，它是一种值得关注的自旋注入源材料。然而，到目前为止，还没有关于自旋注入实验甚至在Ge衬底上晶体生长的报道。在这项研究中，我们通过使用分子束外延优化生长条件，成功地在 Ge 上制备了世界上第一个单晶 (Ga, Mn)As 薄膜。 (2)无势垒层自旋注入源的制作及自旋注入演示开发不需要隧道势垒层的高质量自旋注入源可以简化制造工艺，有利于实际应用。然而，当诸如Fe的普通铁磁材料直接与Ge键合时，存在在键合界面处失去磁性的问题，这是迄今为止难以实现的。因此，我们以Ge为组成元素的铁磁材料Mn5Ge3为研究对象，进行了晶体生长和Ge的自旋注入研究，并能够如预期地展示自旋注入。

项目成果

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Effective creation of spin poralzation in p-type Ge from a Fe/GeO2 tunnel contacts

从 Fe/GeO2 隧道接触有效产生 p 型 Ge 自旋极化

DOI：
10.7567/jjap.52.04cm01
发表时间：
2013
期刊：
影响因子：
1.5
作者：
A. Spiesser; S. Watanabe; H. Saito; S. Yuasa; K. Ando
通讯作者：
K. Ando

Anomalous scaling of spin accumulation in ferromagnetic tunnel devices with silicon and germanium

硅和锗铁磁隧道器件中自旋积累的反常缩放

DOI：
10.1103/physrevb.89.075301
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
3.7
作者：
S. Sharma; A. Spiesser; S. P. Dash; S. Iba; S. Watanabe; B. J. van Wees. H. Saito. S. Yuasa.
通讯作者：
B. J. van Wees. H. Saito. S. Yuasa.

Effective creation of spin poralzation in p-type Ge from a Fe/GeO2 tunnel contacts

从 Fe/GeO2 隧道接触有效产生 p 型 Ge 自旋极化