ゼロ磁場制御可能な面直磁化スピン注入源を用いたスピンホール効果トランジスタの開発

• Project/Area Number: 13J08663
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied materials science/Crystal engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大杉 廉人 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,900,000 (Direct Cost: ¥2,900,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: スピン注入 / 強磁性金属 / 酸化物 / FePt / GaAs / MgO / スピン

Outline of Annual Research Achievements

当該年度の研究において、まず、GaAsへの面直スピン注入とその輸送の光学的検出に成功した。FePt / MgOスピン注入源から電流によって注入された電子スピンはGaAs中の光学Kerr効果によって、時間・空間的に検出することが可能である。この手法を用いることによって、初めて注入された面直配向スピンの輸送を各バイアス電圧・磁場応答に関して観測することに成功した。この結果はJournal of Physics DとApplied Physics Expressに投稿されている。次に、より実践的なスピントランジスタデバイスを用いて、二次元電子ガスでの面直配向スピン注入・輸送・検出とシグナルの制御に関して目標に設定し遂行した。具体的にはAlGaAs / GaAs二次元電子ガス構造上にFePt / MgO面直磁化膜をスパッタリング法によって製膜し、光学・電子線リソグラフィーを用いてトランジスタ構造に形成し、スピントランジスタデバイスを作製した。本デバイスの特徴として「スピン注入電極とスピン検出電極の材料を変えた」という工夫がある。スピン注入においては、注入電極へのスピンの逆流を防止するためにMgOトンネルバリアをはさむことを行っている。一方で検出電極においては、電子スピンの検出電極とのやり取りを促すために、意図してトンネルバリアのないFe電極にした。このことによって、高効率スピン注入・検出を両立した。この手法は単一の注入検出電極材料を用いていた従来のスピン注入・検出効率のトレードオフ打破する結果となる。結果として注入・検出電極のどちらもトンネルバリアを有するFePt / MgO(注入) / GaAs / MgO / FePt(検出)デバイスでは見えなかったシグナルを、FePt / MgO(注入) / GaAs / Fe (検出)デバイスにすることによって得ることができた。このことにより目標を達成した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bias dependence of spin injection/transport properties of a perpendicular magnetized FePt / MgO / GaAs structure (2016)
  • Author(s): R. Ohsugi, Y. Kunihashi, H. Sanada, M. Kohda, H. Gotoh, T. Sogawa and J. Nitta.
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 9 Issue: 4 Pages: 043002-043002
  • DOI: 10.7567/apex.9.043002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison of electrical and optical detection of spin injection in L10-FePt / MgO / GaAs hybrid structures (2015)
  • Author(s): R. Ohsugi, J. Shiogai, Y. Kunihashi, M. Kohda, H. Sanada, T. Seki, M. Mizuguchi, H. Gotoh, K. Takanashi and J. Nitta
  • Journal Title: J. Phys. D: Applied Physics Volume: 48 Issue: 16 Pages: 164003-164003
  • DOI: 10.1088/0022-3727/48/16/164003
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 面直磁化膜を活用した二次元電子ガスへのスピン注入 (2016)
  • Author(s): 大杉 廉人, 好田 誠, 新田 淳作
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京(東京工業大学)
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Optical measurements of perpendicularly polarized spin injection in L10-FePt / MgO / n-GaAs structures (2015)
  • Author(s): Rento Ohsugi , Yoji Kunihashi , Haruki Sanada , Makoto Kohda , Hideki Gotoh , Sogawa Tetsuomi , and Junsaku Nitta
  • Organizer: 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
  • Place of Presentation: 仙台(仙台国際センター)
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Perpendicularly polarized spin injection and transport in FePt/ MgO / n-GaAs structure with optical Hanle effect measurements (2014)
  • Author(s): R. Ohsugi, J. Shiogai, M. Kohda, Y. Kunihashi, H. Sanada, T. Seki, Y. Sakuraba, M. Mizuguchi, H. Gotoh, T. Sogawa, K. Takanashi, and J. Nitta
  • Organizer: 国内PASPS19 (The 19th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors)
  • Place of Presentation: 東京都、東京大学
  • Year and Date: 2014-12-16
• [Presentation] Optical detection of lateral spin transport in an L10-FePt / MgO /n-GaAs perpendicular spin injection device (2014)
  • Author(s): R. Ohsugi, J. Shiogai, M. Kohda, Y. Kunihashi, H. Sanada, T. Seki, Y. Sakuraba, M. Mizuguchi, H. Gotoh, T. Sogawa, K. Takanashi, and J. Nitta
  • Organizer: PASPS VIII (8th International Conference on Physics and Applications of Spin Phenomena in Solids)
  • Place of Presentation: アメリカ合衆国、ワシントン州、ワシントンD.C.
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-03
• [Presentation] Spatial resolved optical Kerr measurements of electrical spin injection from perpendicularly magnetized L10-FePt/MgO into GaAs (2013)
  • Author(s): 大杉 廉人
  • Organizer: The 74th JSAP Spring Meeting 2013
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2013-09-16
• [Presentation] Bias and temperature dependences of perpendicularly polarized spin injection in L10-FePt/MgO/GaAs spin injection devices (2013)
  • Author(s): 大杉 廉人
  • Organizer: International conferenece on spintronics and quantum information technology
  • Place of Presentation: Atsugi, Japan
  • Year and Date: 2013-08-03
• [Presentation] Comparison between optical Kerr detection and electrical 3T-Hanle effect of electrical spin injection in perpendicularly magnetized L1_0-FePt/MgO/GaAs structures (2013)
  • Author(s): 大杉 廉人
  • Organizer: SpintechVII [International conferenece on spintronics and quantum information technology]
  • Place of Presentation: Chicago, United States of America
  • Year and Date: 2013-07-29
• [Presentation] Optical Kerr detection and electrical detection of spin injection in perpendicularly magnetized L10-FePt/MgO/GaAs structures (2013)
  • Author(s): 大杉 廉人
  • Organizer: ASPIMATT [Advanced spintronic materials and transport phenomena]
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2013-07-04