2021 Fiscal Year Research-status Report
超高品質フルエピタキシャルスピン構造による極微細バリスティックスピントランジスタ
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21K18167
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大矢 忍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401143)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | スピントランジスタ / エピタキシャル / 分子線エピタキシー / 微細化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本提案では、研究代表者が長年にわたり開拓してきた超高品質オールエピタキシャル単結晶からなる強磁性金属／半導体ハイブリッドヘテロ構造の作製技術と、最近確立することに成功した極単チャネルデバイスの微細加工技術を用いてスピントランジスタを作製し、電子の「バリスティック伝導」による高い磁気抵抗比をもつスピントランジスタを実現することを目指している。
初年度は、実際にFe/MgO/p-Geからなるオールエピタキシャル単結晶ヘテロ接合を分子線エピタキシーを利用して作製し、68 nmのチャネル長を有する横型スピンバルブ素子の作製に成功した。本デバイスにおいて、3Kの低温で、0.55%の磁気抵抗比を得ることに成功した。この値は、Geを用いた横型スピンバルブ素子で報告されている値としては、世界最高値である。JaffresとFertによって2001年に提唱された拡散領域におけるスピン依存伝導モデルを用いて、拡散領域を電子が通過した際に得られる磁気抵抗比を見積もったところ、本素子のパラメータを用いる限り、最大でも0.001%程度の値にしかならないことも明らかになった。実験的にはその500倍程度の値が得られたため、この結果は、我々のデバイスにおいては、電子は拡散的にではなく、バリスティックに伝導していることを強く示唆している。チャネル長の微細化により、スピントランジスタの磁気抵抗が増大する可能性を初めて示した結果であると言える（論文準備中）。
一方、素子のさらなる微細化も進めており、目標に近いレベルまで素子を微細化できることも確認することができた。同時に、他の様々な材料系を用いた単結晶ヘテロ構造についても、研究を進めている。
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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
微細加工のための電子線描画の条件出しに時間を要しているものの、想定内の範囲であり、半年でほぼ目標に近いレベルの微細化が可能であることを明らかにすることができた。予想以上に、磁気抵抗比が向上してきている。若干予定よりも早く、他の材料系の研究を始めることもできており、極めて順調に研究が進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は68nm程度のチャネル長を有する様々な横型スピンバルブ素子に対して、磁気抵抗測定を行ったが、今年度は、さらにチャネル長を短くしたデバイスを作製し、同様の測定を系統的に進めたい。スピン注入の根拠となるハンル効果測定なども、追加で行っていく予定である。現時点では、バリスティック伝導領域でハンル効果がどのように現れるのかは定かではなく、本テーマは研究意義が大きいと考えている。また同時に、ゲート電極の作製技術の確立を目指す。ゲート絶縁膜として、アルミナやハフニアなどを用いて、電流のゲート変調を行い、それが磁気抵抗比にどのような影響を与えるのかを検証していきたい。一方、バリスティック伝導が起こる際のスピン依存伝導機構の解明に向けて、強束縛近似などを用いて、理論計算をを用いて進めていきたい。一方、他の材料系からなるオールエピタキシャルヘテロ界面も開拓しつつ、それらを用いたスピントランジスタや横型スピンバルブ素子を作製し、同様に磁気抵抗比を測定し、デバイス応用への可能性を調べていく予定である。
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