スピンエサキダイオード構造を用いたスピントランジスタの開発

利用自旋Esaki二极管结构开发自旋晶体管

• 批准号: 11J01277
• 负责人: 塩貝 純一
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Tohoku University
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J01277/
• 关键词: スピントロニクス; (Ga, Mn)As; スピンエサキダイオード; スピン注入; 電気的スピン注入; 強磁性半導体; 動的核スピン偏極; 3端子Hanle効果; 半導体スピントロニクス

スピントランジスタの実現に向け, 強磁性半導体である(Ga, Mn)AsとGaAsの接合であるスピンエサキダイオード構造を用いて, 半導体への高効率スピン注入・検出及びスピン増幅, さらにはスピン注入誘起の核スピン偏極及びそのダイナミクスに関する研究を行った.まず, スピンエサキ接合の電流電圧特性が非線形性を示すことに注目して, 検出電極に定バイアスを印加しながら非局所測定を行う事で, 非線形性が最も大きいところでスピン信号が最大40倍まで増幅できることを実験的に示した. これにより, スピン検出界面に非線形性が強い材料を選択すればよいという設計指針を与えた. これはまた, これまで広く議論されていた, 3端子スピン検出法の増幅起源を明らかにしたものである.前述の非オーミック電極によるスピン信号増幅の知見をスピンエサキダイオード構造におけるトンネル異方性磁気抵抗効果及びトンネル異方性スピン偏極率を調べ, 負性微分抵抗/抵抗比が大きくなるところで後者の効果が支配的になることを明らかにした. この知見は従来のスピンバルブ法以外のスピン蓄積検出の新たな手法を提案するものである.次に, スピンエサキダイオード構造を用いてこれまで確立した高感度スピン検出の技術を元に, 数十ミクロンまで長距離にわたる電子スピンの偏極率を調べ, 電子が感じる核磁場を間接的に磁気抵抗及び核磁気共鳴で測定することにより, 核スピン偏極率の空間分布を評価した. さらに実験結果とシミュレーションを比較することにより, 偏極核スピンがスピン流へ及ぼす影響を明らかにした. とくに, 電子・核スピンの結合の大きさを表すleakage factorが0.3であること, また, この値が電子スピン偏極率に依存性せず, 一定であることを明らかにした.これらの成果は将来のスピントロニクスデバイスを設計する上で重要な知見であり, 研究はおおむね順調に行われた.

为了实现自旋晶体管，我们使用自旋 Esaki 二极管结构，该结构是铁磁半导体 (Ga, Mn)As 和 GaAs 的结，以实现半导体中的高效自旋注入、检测和自旋放大，以及我们对核自旋极化及其动力学进行了研究。首先，我们关注自旋-Esaki结的电流-电压特性表现出非线性的事实，并在对检测施加恒定偏压的同时进行非局域测量。电极。我们通过实验证明，在非线性最大的点，自旋信号可以放大高达 40 倍，这为自旋检测接口应选择具有强非线性的材料提供了设计指南，这也导致了以下结果：曾被广泛讨论，本研究阐明了三端自旋检测方法的放大起源。上述非欧姆电极放大自旋信号的知识与自旋Wesaki二极管结构中的隧道各向异性磁阻效应和隧道各向异性自旋极化相结合。研究发现，随着负微分电阻/电阻比的增加，后一种效应变得占主导地位。这一发现提出了一种除传统自旋阀方法之外的检测自旋累积的新方法。基于迄今为止建立的使用自旋江崎二极管结构的高灵敏度自旋检测技术，我们研究了数十微米长距离内电子自旋的极化率，并通过磁阻和间接检测电子感受到的核磁场。通过磁共振测量，我们评估了核自旋极化的空间分布，此外，通过比较实验结果和模拟，我们特别阐明了极化核自旋对自旋电流的影响。据透露，代表电子和核自旋之间耦合大小的泄漏因子为0.3，并且该值是恒定的并且与电子自旋极化率无关。这些结果将在未来有用。这是自旋电子器件设计中的重要发现，研究工作总体进展顺利。

项目成果

Pt / Co / Al-O垂直磁化膜のゲート電界制御とその温度依存性

Pt/Co/Al-O垂直磁化薄膜的栅极电场控制及其温度依赖性

• 发表时间: 2012
• 作者: 大橋達郎

Gate control of magnetic properties in a Pt / Co / Al-O perpendicularly magnetized films

Pt / Co / Al-O 垂直磁化薄膜中磁性能的栅极控制

• 发表时间: 2012
• 作者: 大橋達郎

Giant enhancement of spin detection sensitivity in (Ga, Mn) As/GaAs Esaki diodes

(Ga, Mn) As/GaAs Esaki 二极管的自旋检测灵敏度大幅提高

• DOI: 10.1103/physrevb.89.081307
• 发表时间: 2014
• 作者: Junichi Shiogai; Mariusz Ciorga; Martin Utz; Dieter. Schuh; Makoto Kohda; Dominique Bougeard; Tsutomu Nojima; Junsaku Nitta;Dieter Weiss
• 通讯作者: Dieter Weiss

Electrical Control of Magnetic Properties in Pt/Co/AlO_x films

Pt/Co/AlO_x 薄膜磁性能的电控制

• 发表时间: 2012
• 作者: ティモシー・ヤン

Dynamic nuclear spin polarization in all-semiconductor spin-injection lateral devices

全半导体自旋注入横向器件中的动态核自旋极化

• 发表时间: 2011
• 作者: 塩貝純一