2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a germanium spin MOSFET
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19H05616
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
浜屋 宏平 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤野 憲太郎 東京都市大学, 理工学部, 教授 (90409376)
山本 圭介 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (20706387)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | スピンMOSFET / ホイスラー合金 / ゲルマニウム / 歪みシリコンゲルマニウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表者グループでは， GeスピンMOSFET用の強磁性合金電極(Co系ホイスラー合金)構造のために，原子層レベルの精密な界面制御技術を検討した．具体的には，Fe原子層挿入が極めて効果的であることを見出し，これまで問題となっていた強磁性合金/Ge界面付近の組成揺らぎは解消し，規則度の高いCo系ホイスラー合金をヘテロ界面付近から実現することに成功した[NPG Asia Mater. 12, 47 (2020)]．結果として，室温におけるスピン注入・検出効率の劇的な増大を達成し，室温での磁気抵抗(MR)比を0.1%以上に引き上げた[Appl. Phys. Lett. 118, 162404 (2021).]．これらの成果は，MgOトンネルバリアなどの絶縁層を用いない接合界面で達成した成果であり，低消費電力の観点から，半導体スピントロニクス横型スピン伝導素子の「2端子」磁気抵抗効果では世界最高性能の実証である．分担者グループでは，GeスピンMOSFETのチャネルにおけるスピン散乱抑制のために検討しているGeチャネルへの結晶歪み導入に対し，Ge上の歪みSiGeチャネル層の高品質形成に注力した．これまで，歪み層の結晶成長中に問題となっていた欠陥発生に対し，パターニングを施したGe-on-Si疑似基板上への歪みSiGe層の形成が有効であることを明らかにした．また，分担者は，強磁性ホイスラー合金/Geヘテロ構造からなるソース・ドレインを有するトップゲート型のMOSFETを300 oC以下のプロセスで作製した．その結果，ゲート電圧によって電流のON/OFF制御(約7.0V)に成功し，ゲート容量の変化(Split C-V法)からMOSFETの電流変化が反転層形成によるものであることを確認した．これにより，強磁性ソース・ドレイン電極を有する反転型MOSFETの動作に成功していることが示された．
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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
本研究では，独自のGeスピンMOSFET構造の動作実証を目指して研究を進めている．2021年度は強磁性ホイスラー合金電極構造の最適化を検討した結果，室温磁気抵抗比がこれまでに比べて2桁増大する結果を得た．これらの成果は，英国科学誌「NPG Asia Materials (IF = 10.5)」やアメリカ応用物理学誌「Applied Physics Letters」に論文が掲載されるなど，半導体スピントロニクス分野を牽引する成果が出ている．また，デバイス作製プロセスにおいても，Ge-MOS反転層チャネルを低電圧で実現する目処も立っており，スピンMOSFETの動作実証の要素技術が揃いつつある．以上から，概ね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究において，強磁性ホイスラー合金/Geヘテロ構造にFe原子層制御終端層を挿入する技術の高度化の結果，室温における磁気抵抗比が0.1%以上を達するようになった．しかし，このFe層は界面の品質を向上する代わりに、強磁性ホイスラー合金を用いたスピン注入・検出を阻害している可能性も否定できない．そのため，より詳細な界面終端層の評価を行う予定である．具体的には，Fe層膜厚がスピン信号の温度依存性にどのように影響するのか，また，Fe以外の非磁性金属などの挿入は有効かなどの疑問を調査する予定である．また，一部昨年度から引き続き行う研究を含むが，スピン伝導チャネルのキャリア濃度の最適化と歪みSiGeチャネルの導入によるスピン緩和(散乱)の極小化を最適化することで室温磁気抵抗比の増大に寄与する．さらに，分担者によって開発されつつあるSiGe系二次元電子チャネルの評価を進める．また，分担者によって最適な作製条件が定まりつつあるスピンMOSFET用ゲートスタック構造を用いて，熱処理温度300度未満のプロセスを用いて，トップゲート型のスピンMOSFET構造の試作と評価を行う．
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