2022 Fiscal Year Annual Research Report
半導体スピン素子における低抵抗バンドマッチスピン注入技術の創出
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21K18719
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山田 道洋 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 特任准教授(常勤) (50778529)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本多 周太 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00402553)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 半導体スピントロニクス / ゲルマニウム / スピン注入 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，全ての半導体スピンデバイス実現に向けて中核となる半導体へのスピン注入技術に関して，これまでの絶縁障壁層を利用した高抵抗なスピン注入技術とは根本的に異なる強磁性合金/金属原子層/半導体の直接接合を用いた革新的電極構造を用いて，高効率かつ低抵抗なスピン注入の実現を目指した．
強磁性合金としては，高スピン偏極材料であるCo2FeAl0.5Si0.5を，半導体としてはGeを選択し，金属原子層挿入の効果について検討を行った．金属原子層材料として非磁性金属（Cr, Vなど）や強磁性金属(Co)などを検討した．これらのスピン注入電極を用いてスピンバルブ素子を作製し，スピン信号を観測したところ，わずか2原子層程度のVやCrの挿入で1/10以下に減衰した．一方で，Coを挿入した場合には金属挿入層のない場合と比較して一桁程度の信号の増大を観測した．特に強磁性体を挿入層として用いた場合にはスピン信号の温度依存性も改善されており，室温でのスピン信号のさらなる増大に寄与していることを明らかにした．
金属原子層をFeとし，強磁性合金の種類をCo2FeAl0.5Si0.5からCo2MnSiやCo2FeMnSiへと変更してスピンバルブ素子を作製し，スピンデバイス作製時に必須の熱処理に対するスピン注入界面の耐性を評価した．Co2FeAl0.5Si0.5とCo2FeMnSiを用いた場合には，100-300度の熱処理で強磁性体/半導体界面の相互拡散によりスピン信号は単調に減少した．その一方で，Co2MnSiを注入電極として用いた場合には，250度の熱処理を行った際に最大となり熱処理前のスピン信号と比較して150%にまで増大することが明らかになった．
以上のことから，金属原子層材料の探索と設計指針について明らかにし，室温動作スピンデバイス実現に向けた革新的電極構造を開拓した．
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