スピントランジスタのためのＧｅ／Ｓｉヘテロ構造への高効率スピン注入・検出

对自旋晶体管的 Ge/Si 异质结构进行高效自旋注入和检测

基本信息

批准号：
13F03206
负责人：
齋藤秀和
金额：
$ 1.47万
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：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

将来に亘るエレクトロニクス技術の発展のために、より一層の素子の微細化を可能とする新たな技術が求められている。その候補として、スピントランジスタに代表される半導体をベースとしたスピントロニクス素子・技術が注目されている。半導体中におけるスピン偏極電子の注入、制御および検出は半導体スピンデバイスの基盤技術であるため、近年、最重要半導体であるSiおよびGe基デバイスにおいて多くの研究が報告されている。しかしながら、スピン注入・検出効率およびスピン制御に関しては、まだデバイス化レベルには達していない。本研究では、SiおよびGeにおいてスピン注入・検出効率の改善および新奇スピン制御技術の確立を目的とする。従来、強磁性体から半導体へのスピン入力には、専らスピンを電荷（電流）と共に直接流す手法が用いられてきた。ここで、もし電流を用いることなくスピン情報を半導体に注入することができれば、スピントランジスタの更なる省電力化に繋がるはずである。この着眼点の下、前年度は電流フリーのスピン注入技術の開発を進めた。具体的には、我々の研究チームが発見した新現象である強磁性電極とSi間に熱勾配を設けるだけでSiへのスピン注入が実現される「スピントンネル・ゼーベック効果」の外部電界による影響を調べた。その結果、同効果によりSi中に生成したスピン信号強度を外部電界により制御することに成功した（Nature Materials誌へ掲載）。この結果を受け、本年度は同電界効果の起源を調べるために更なる詳細な実験および理論考察を行った。その結果、スピントンネル・ゼーベック効果により生成したスピン信号の電界効果は強磁性体の電子状態を考慮することにより説明可能であることを示した。このことは、スピン注入の更なる効率化へ向けた指針を与えるものである。

为了电子技术的未来发展，需要使元件进一步小型化的新技术。作为候选者，基于半导体的自旋电子器件和技术（例如自旋晶体管）正在引起人们的关注。半导体中自旋极化电子的注入、控制和检测是半导体自旋器件的基础技术，近年来针对最重要的半导体硅基和锗基器件的研究报道较多。然而，自旋注入/检测效率和自旋控制尚未达到器件生产水平。本研究的目的是提高硅和锗的自旋注入/检测效率并建立新型自旋控制技术。以往，从强磁性体向半导体的自旋输入仅通过自旋与电荷(电流)一起直接传递的方法来进行。在这里，如果可以在不使用电流的情况下将自旋信息注入半导体中，则将进一步节省自旋晶体管的功耗。基于这个观点，我们去年在无电流自旋注入技术的开发上取得了进展。具体来说，我们的研究小组发现了外部电场对“自旋隧道塞贝克效应”的影响，这是一种新现象，通过在铁磁电极和硅之间产生热梯度，即可实现自旋注入硅。进入其中。结果，他们利用外部电场成功地控制了硅中产生的自旋信号的强度（发表在《自然材料》上）。基于这一结果，我们今年进行了进一步详细的实验和理论思考，以研究场效应的起源。结果表明，通过考虑铁磁材料的电子状态可以解释由自旋隧道塞贝克效应产生的自旋信号的电场效应。这为进一步提高自旋注入效率提供了指导。