2018 Fiscal Year Annual Research Report
スピンデバイス応用に向けたシリコン中におけるスピン流輸送現象の解明
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18J22869
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
李 垂範 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | シリコン / スピン輸送 / スピン注入 / スピントロニクス / スピントランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の課題としてシリコンを用いたスピンデバイスの応用に向けてシリコン中におけるスピン流の輸送現象の解明を目的である．平成30年度の研究では，シリコンチャネル中に印加された電界によるスピン輸送への影響を調べることを目的とした．シリコンチャネルの電子はスピンが偏極しておらず，本来スピン輸送による現象は報告されなかった．しかし，スピンが偏極している強磁性体からトンネルバリアを介して電流を流すことでシリコンチャネル側の界面に強磁性体の磁化方向に応じた電子のスピンが偏極される．また，スピン偏極した電流(スピン流)のスピンの方向と検出側の強磁性体電極の磁化方向に応じて界面の抵抗値が変化する．これらの原理を応用してスピン流の生成・輸送・検出が可能な横型スピンバルブデバイスが本研究に用いられた．このデバイスはスピン輸送を担うシリコンチャネル上にスピン流生成・検出のための二つの強磁性体電極を有する．実験の設計としてシリコンチャネルの電荷とスピンの輸送特性の電界による変化と，スピン流の生成・検出に使われる強磁性体電極の界面抵抗のバイアス電圧による変化を調べた．また，検討した変化要因をスピンドリフト拡散方程式と1次元モデルの計算に導入して実験結果を説明した
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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
二つの強磁性体電極に直接バイアス電流を流す局所測定にてバイアス電流を変えながらスピン蓄積電圧を測定した．また，スピンの輸送を表す微分方程式であるスピンドリフト拡散方程式を，局所測定を簡略化した1次元モデルに適用することで局所測定にてのスピン蓄積電圧を計算した．先行研究ではバイアス電圧やチャネルの電界による物性の変化が考慮されてなかったが，本研究ではバイアス電圧による強磁性体電極の界面抵抗の変化が顕著であることを明らかにし，モデル計算に導入した．界面抵抗の変化を考慮して計算されたスピン蓄積電圧は局所測定で得られた実験結果を再現した．トンネル障壁(界面抵抗)はシリコン側に蓄積されたスピン偏極電子が伝導度の高い強磁性体に吸収されることを防ぐために挿入された．トンネリングでシリコン側に蓄積されたスピン偏極電子はトンネル障壁の高い界面抵抗によりチャネル側に流れてしまう．しかし，トンネル障壁の界面抵抗が減少することで一部のスピン偏極電子が強磁性体に吸収される可能性がある．本研究では非縮退シリコンチャネル基盤スピンバルブデバイスにて界面抵抗の減少によるスピン吸収の影響が無視できないことを検証した．
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| Strategy for Future Research Activity |
先行研究にてシリコンチャネルの下にある絶縁層をバックゲートとして活用して，シリコンをチャネルとしたスピントランジスタの室温動作を検証した．しかし，ゲート電圧印加による信号強度の増大はまだベース電圧の1パーセントにも達していなかった．ゲート電圧印加によりシリコンチャネルの電気伝導度が変調され，スピントランジスタの出力が変わることはすでに予想されていたが，本研究では電気伝導度以外スピンの輸送特性のゲート電圧印加による変調を検証する．まず，チャネルの電気伝導度とスピン注入・観測のための強磁性体電極の界面抵抗を測定する．スピンの輸送特性を評価するためには，電流のパスと測定系が空間的に分らされており，片方の強磁性体電極で生成されたスピン流が拡散のみで伝搬され観測される非局所4端子法を用いた．この測定法ではシリコンチャネルのスピンの輸送特性を調べるのが可能である．また昨年度の研究結果である界面抵抗とチャネルの電気伝導度の相関関係によるスピン信号の変化も本研究で考慮する．ゲート電圧印加による電荷とスピンの輸送物性を明らかにした上で，シリコンスピントランジスタにて出力を最大とするための構造を工夫する．
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