Study of multi-value spin-logic device development using InGaAs quantum well bilayer electron systems

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K04631
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Osaka Institute of Technology
• Principal Investigator: Yamada Shoji 大阪工業大学, 工学部, 教授 (00262593)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 赤堀 誠志 北陸先端科学技術大学院大学, ナノマテリアルテクノロジーセンター, 准教授 (50345667) ; 土家 琢磨 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (40262597)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: InGaAs / GaN / 2次元電子ガス / 2次元ホールガス / スピン軌道相互作用 / ラシュバ分裂 / スピンFET / スピン論理デバイス

Outline of Final Research Achievements

In InGaAs 2-dimensional electron gas bilayer devices, we have proposed and fabricated a new device structure that enables the open observation of spin current and its rigorous checking, and analyzed device characteristics with the aim of developing spin-logic device devices. As a result, an oscillation phenomenon was observed in the gate voltage dependence of the spin current in a spin-valve type spin FET. This is evidence that the spin precession is gate-controlled, which is a typical behavior expected in spin FETs. In the GaN 2-dimensional electron-hole gas bilayer system, precise magnetoresistance measurements at low and high magnetic fields have revealed for the first time the low-field spin splitting = spin-orbit interaction in a 2-dimensional hole gas, which has rarely been reported before.

Free Research Field

半導体物理学、半導体スピン工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

InGaAs系材料を用いたスピンFETについては、2009年頃動作確認の最初の論文が出されたが、その後追試の報告は無い一方で、時々なされる他の材料系でのスピンFETの提案も実用化を考えると現実的でない。本研究はデバイスプロセスの改良と新デバイス構造で、InGaAs系でのデバイス実用化にスピン流を直接観測する厳密なデバイス構造で挑み、スピン論理素子実現の直前段階と言えるレベルに到達した。
GaN 2次元電子・ホールガス2層系では、やはり厳密な磁気抵抗測定から、2次元ホールガスのスピン軌道相互作用の解明に初めて成功した。これはGaN 2次元ホールガススピンデバイス開発の扉を開くものである。