北陸先端大、高効率スピン注入実験とスピンデバイス用新構造作成に成功

半導体スピン工学デバイス研究に大きな進展
−超省エネルギー電子デバイスの実現を目指した２つの成果−



　北陸先端科学技術大学院大学（学長・片山　卓也、石川県能美市）マテリアルサイエンス研究科博士後期課程の日高　志郎（山田研究室所属）とナノマテリアルテクノロジーセンター赤堀　誠志　助教らは、ガリウムヒ素（GaAs）系化合物半導体を用いるスピン工学デバイスの開発研究において、スピン軌道相互作用を利用するスピントランジスタの実現に大きく近づく高効率スピン注入実験と、全く新しい半導体スピン工学デバイスの基礎となる新構造の作製に成功した。


【高効率スピン注入実験の成功】
　スピン軌道相互作用を動作原理とするスピントランジスタは、現在さらに超微細化が進んでいるSi−MOS（金属酸化膜トランジスタ＝集積回路の基本デバイス）に比べても、２桁程度小さい消費電力（＜　０．１　aJ）をもつ究極の省エネデバイスである。しかしながら、従来デバイス内で電子が殆ど散乱を受けない弾道デバイスが想定されてきたため、その実現には素子の微細化やスピン軌道相互作用の増強等の技術的課題がまだ多く、近い将来での実現は困難とされてきた。
　これに対し、日高らは、最近、スピン軌道相互作用の精密な調整により、トランジスタに近い構造をもつ素子で、従来の結果をほぼ３倍改善した、スピン注入効率とスピン拡散長を実現したものである。この成果は、最近Applied　Physics　Express（インパクトファクター　３．０）に掲載された。


【スピンデバイス用新構造作成に成功】
　また、赤堀等は、従来その実現が予想もされて来なかった、全く新しいスピン工学デバイス（例えば、スピン空間スイッチデバイス、スピン干渉デバイス、スピンホール効果デバイス等）の実現を可能にする、スピン軌道相互作用を示す電子層を２層含む構造の開発に世界で初めて成功した。この構造は、極めて精密に制御された（各層の厚み精度は数nm以下）結晶成長法で作製され、それぞれの電子層が強いスピン軌道相互作用をもつことや電子層間の弱い相互作用が存在する兆候等を確認した。今後、本構造における各層の電子数制御法を確立して、上記の先進スピン工学デバイスの実現をめざしていく計画である。この成果は近くJournal　of　Applied　Physics（インパクトファクター　２．１）に掲載予定である。


＜成果のポイント＞
　１）半導体スピントランジスタ（スピン軌道相互作用を利用するもの）は現在の集積回路の構成単位であるSi−MOSを凌駕する究極の省エネルギートランジスタであるが、その作製の難しさのため実現はまだ先のことと考えられてきた。
　２）一方、動作原理であるスピン軌道相互作用を精密に制御することにより、このデバイスが簡単に実現できるという理論予測があった。本研究は、その予測を材料的な工夫で実証する、即ち比較的大きなサイズでより簡単にこのスピントランジスタが実現できる見通しを与えるものである。
　３）他方、この種のスピンデバイス（スピン軌道相互作用を利用するもの）研究をより多彩に展開するためには、新しい半導体構造が必要である。
　４）その有力な候補として、われわれはスピン軌道相互作用を示す電子系を２層含む構造を世界で初めて作製し、それぞれが従来の最高値と同程度の強いスピン軌道相互作用を示すことを確認した。これにより、スピントランジスタ研究の進展が加速されると同時に新しいスピンデバイスの開発が具体的に展望できる。


＜研究費＞
　本研究の一部は、JST　ALCA（Advanced　Low　Carbon　Technology　R＆D　program先進的低炭素技術研究開発プログラム）grant（平成２３−２４年）の助成により進められた。


※研究内容の説明などは、添付の関連資料を参照