2019 Fiscal Year Annual Research Report
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18H01492
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
PHAM NAM・HAI 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50571717)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | スピントランジスタ / スピンバルブ / 量子伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、磁性体の超高速不揮発性メモリを内蔵する高性能な量子伝導スピントランジスタを実現し、トランジスタと不揮発性メモリの間のレイテンシを実質的にゼロにすることができる。本研究のスピントランジスタはノーマリオフ論理回路やニューロチップなどの非ノイマン回路に応用でき、ディープランニングや人工知能などの次世代コンピューティングの基盤技術を提供する。
最初に、強磁性金属から半導体チャネルへのスピン注入およびスピン検出効率を最適化するために、強磁性金属/半導体/強磁性金属からなる簡易な横型スピンバルブ構造を作製し、そのスピンバルブ比とスピン依存出力電圧の評価を行った。
まず、IV族半導体のチャネルを有するスピンバルブデバイスを中心に、スピン注入と検出に有効なFe/MgO/Ge/Si基板の積層構造の最適化を行った。この構造において、MgOバリア厚さを系統的に変化させ、さらに、MgOとFeの間に薄いMg層を挿入することによってFeの不活性層を抑えて、スピン注入とスピン検出の効率の向上を図った。その結果、Siスピンバルブにおいて、世界最高のスピンバルブ比およびスピン依存出力電圧を達成した。
次に、この構造において磁化反平行状態における負のスピンバルブ効果の起源について解明を行った。その結果、MgOトンネルバリア中に生じた欠陥に起因したスピンブロッケード効果で負のスピンバルブ効果を説明できることが分かった。これはメジャーリーティのスピンが欠陥にトラップされる時に、パウリ排他原理によりマイナリーティのスピンがトンネルバリアを通過できないため、マイナリーティのスピンがSiに注入され、負のスピンバルブ効果が生じると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Si系スピンバルブデバイスとして世界最高のスピンバルブ比とスピン依存出力電圧を達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
■ IV族系量子伝導電界効果トランジスタ
IV族半導体スピンバルブデバイスとして世界最高3.6%のスピンバルブ比を達成した。今後には、さらに高いスピンバルブ比を実現するために、IV族半導体MBEおよび原子層堆積法(ALD)を組み合わせて、Si基板上に高品質の強磁性金属/MgO/Al203或いはスピネル/Siの積層構造を作製する。Al203或いはスピネルを挿入することによって、MgOトンネル障壁の結晶性の向上が期待でき、MgO特有のスピンフィルタ効果により高いスピン注入効率を実現する。そのために、Al203或いはスピネルの膜厚や成膜条件の適化を行う。また、この多層膜から、量子伝導Siスピンバルブ構造を極微細加工技術を用いて作製し、スピンバルブ効果を評価する。最終的には、SOI基板を用いて、バックゲート型電界効果トランジスタの構造の作製を試み、スピントランジスタとしての基本動作の確認を行う。
■ III-V族系量子伝導スピン電界効果トランジスタ
III-V族半導体分子線エピタキシャル結晶成長法および極微細加工技術を用いて、量子井戸トランジスタ(Quantum well transistor; QWT)を作製する。このトランジスタにおいて、チャネル長が短いことと、変調ドーピング効果による高い電子移動度が得られるため、量子伝導を容易に実現できる。また、本格的にIII-V量子井戸をチャネルとするナノスケールのスピンバルブ構造を作製し、そのスピンバルブ効果を評価するとともに、電界効果によるトランジスタ動作を試みる。
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