2017 Fiscal Year Annual Research Report
Bottom-Up Integration of Vertical Nanowire Spin-Transistors on Silicon
| Project/Area Number |
17H02727
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
原 真二郎 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 准教授 (50374616)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本久 順一 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (60212263)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 垂直自立型ナノワイヤ / スピンエレクトロニクス / スピントランジスタ / ボトムアップ / メゾスコピック系 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
独自の半導体ナノワイヤ（NW）技術と半導体スピントロニクス技術の融合により、(1)垂直自立型（縦型）半導体NWと強磁性体トンネル障壁電極によるヘテロ接合NWを用いた垂直自立型NWスピン電界効果トランジスタの実現、(2)材料を問わず種々の結晶ウェハ上で位置・サイズ制御可能で、原子レベルで急峻な単結晶ヘテロ接合界面の形成が可能な新奇のボトムアップ型集積技術の基盤確立を目的とする。これを目的として本年度は、縦型NWのボトムアップ選択形成、物性・構造評価と強磁性体トンネル障壁電極の検討を中心に研究を推進した。
海外研究協力先との連携による磁気輸送特性評価のため、作製した縦型NWを根元から機械的に剥離後、別のSiO2/Si(111)基板上に横倒した試料を用いて実験を行った。母体となるInAs単体のNWでは電流と磁場方向の角度に依存した磁気抵抗効果を示し、その温度依存性の知見を得たが、NW中の電子散乱を議論する十分な測定データが得られておらず、系統的なメカニズム構築に向け、試料数を増やして実験を行った結果、NWの表面状態が電子の散乱に大きく寄与しているとの知見を得た。また国内研究協力先・NIMSグループとの連携により、まずは金触媒も用いた化学気相堆積装置によるSi半導体NWの選択成長実験を実施し、結晶成長条件（原料ガス流量・成長温度・チャンバ圧等）依存性実験を行った。好適な条件範囲が極めて狭いが、真空中での選択成長では、Si(111)ウェハと垂直な<111>方向のみにSi半導体NWを作製可能との知見を得た。さらに北陸先端大との新たな連携により、スパッタ装置を用いたCoFe(10nm)/MgO(1nm)/CoFe(5nm)トンネル障壁薄膜の堆積と磁化率測定（@4K及び300K）を行った。強磁性体CoFe多結晶膜の冷却過程における磁区の磁化方向に依存すると考えられるヒステリシス曲線を得た。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度の目標であった垂直自立型半導体ナノワイヤ（NW）の選択形成技術の開発と物性評価および電極構造の検討について、当初計画した研究協力先と連携し、鋭意実験を推進した。国内研究協力先・NIMSグループとの連携により、まずは金触媒も用いた化学気相堆積装置によるSi半導体NWの選択成長実験を実施し、好適な結晶成長条件範囲は極めて狭いが、真空中での選択成長でSi(111)ウェハと垂直な<111>方向のみにSi半導体NWを作製可能との知見を得ている。さらに、当初計画通り海外研究協力先との磁気抵抗効果・磁気輸送特性評価に関する連携を引き続き積極的に推進し、磁気抵抗効果の角度依存性特性・温度依存性等、1本の横倒しNWの磁気輸送特性評価に関するデータを蓄積することで、母体となるInAs半導体NW中の電子輸送・散乱がNWの表面状態に大きく影響しているとの知見を得ており、研究成果の学術論文発表を現在準備している。ただし、MnAs強磁性体ナノ構造を含むMnAs/InAsヘテロ接合NWにおける負の磁気抵抗効果等に関しては、これまで得られた複雑な物理現象を解明するため、さらなる追加実験を海外研究協力先との間で計画しており、未だ基礎的な1次元メゾスコピック系物性物理の解明に時間を要している。また北陸先端大との新たな連携を推進し、室温スパッタ装置を用いたCoFe(10nm)/MgO(1nm)/CoFe(5nm)トンネル障壁薄膜の堆積と磁化率測定を行い、強磁性体トンネル障壁薄膜電極に関する検討を実際に進めることができた。当初計画通り、研究協力先との連携を鋭意推進することで効率的に実験を進めた点から、おおむね順調に進展していると判断する。
|
| Strategy for Future Research Activity |
初年度で検討した強磁性体トンネル障壁電極を実際に用いて、InAs半導体ナノワイヤ（NW）へのスピン偏極電流注入を早期に実証することを目指す。まずはこれまで検討してきたCoFe/MgOと共にFe/AlOx等、有望な強磁性体トンネル障壁電極を1本の横倒しNW上に形成し、トンネル障壁電極の磁化方向等に起因した1次元磁気輸送特性に関する知見を得たい。NWを絶縁膜で埋め込んだ後、電極を形成する部分のみNWを再度露出させ、トンネル障壁薄膜電極を平坦に形成するデバイスプロセスを確立する必要があるが、これまでの非磁性金属Au/Ti電極形成プロセスの知見を活かし、ドライエッチング条件等の最適化を進める。これらに関しては、初年度に初めて実施した北陸先端大との連携に加え、期初からこれまで積極的に進めてきた海外研究協力先との連携を引き続き鋭意推進することで効率的に実施する。また、母体のInAs半導体NW単体における磁気抵抗効果の角度依存性特性や、MnAs強磁性体を含むMnAs/InAsヘテロ接合NWにおける負の磁気抵抗効果等に関して、大変興味深いが複雑な物理現象を示唆する測定結果を得ており、基礎的な1次元メゾスコピック系物性物理の解明に向け、海外研究協力先との間で追加実験を鋭意推進する。さらに、国内研究協力先・NIMSグループとの連携により昨年度実施したSi半導体NWの選択成長実験では、Si(111)ウェハと垂直な<111>方向のみにSi半導体NWを選択的に形成する好適な結晶成長条件の範囲が狭く、最適条件の取得には至っていないことから、さらに詳細な選択成長実験を実施し、垂直自立型Si半導体NWと共に、Geおよびそのヘテロ接合NWの周期構造作製の最適条件取得を目指す。縦型NWデバイスに好適なデバイスプロセス技術の確立に向けては、これまで実績のある研究分担者との連携により実験を進める。
|
-
-
-
-
[Presentation] Photoluminescence of Zn-Doped InP Nanowires: Mixing of Crystal Structures, Donor-Acceptor Pair Recombination, and Surface Effects2017
Author(s)
Junichi Motohisa, Hiroki Kameda, Masahiro Sasaki, Shinjiro Hara, Katsuhiro Tomioka
Organizer
the 29th International Conference on Defects in Semiconductors (ICDS 2017), Matsue, Japan, July 31-August 4, 2017, TuP-33
Int'l Joint Research
-
-
-
[Presentation] Electrical Ttransport Properties of Single MnAs/InAs Hybrid Nanowires Grown by Selective-Area Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy2017
Author(s)
Patrick Uredat, Matthias T. Elm, Ryutaro Kodaira, Ryoma Horiguchi, Peter J. Klar, Shinjiro Hara
Organizer
the 2017 Material Research Society (MRS) Fall Meeting, Boston, Massachusetts, USA, November 26-December 1, 2017, NM03.07.06
Int'l Joint Research
-
-
-
