Ｓｉ中のスピン流・熱流物性の解明

• Project/Area Number: 13J02386
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Applied materials science/Crystal engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 亀野 誠 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: スピントロニクス / 半導体 / シリコン / スピンカロリトロニクス / 半導体シリコン / スピン注入 / スピン輸送 / Spintronics / Si / Hanle効果 / Spin-MOSFET

Outline of Annual Research Achievements

近年、CMOSトランジスタの機能向上を目指しつつも環境配慮型電子デバイス、所謂beyond-CMOSデバイス創製に関する研究が盛んである。私はスピントロニクス分野に注目し、beyond-CMOSデバイスの一つとして理論的に提案されている「spin-MOSFET」創製に関する研究を遂行した。前年度の研究によって非縮退Siベースspin-MOSFET動作は達成し非縮退Si中のスピン輸送物性を詳細に明らかにしたが、Spin-MOSFET動作性能を表す一つの指標である磁気抵抗が非常に小さく、spin-MOSFET制御で重要な磁気抵抗のゲート電圧特性の向上を目指す必要があった。今年度前半では試料構造を改変し、磁気抵抗向上に成功し、応用研究へのマイルストーンを示すことに成功した。ジュール熱誘起のスピン流生成がエナジーハーベスティングの観点から注目を浴びており、前年度縮退Si中ではあるが半導体材料中の熱誘起スピン流の観測に成功した。これは一般的に無駄とされる熱エネルギーをスピン流生成へ導く新しいエネルギー変換機構を示す非常に重要な結果である。今年度は前年度の研究をベースに詳細なモデル計算とジュール熱の伝熱についてシミュレーションを行い、理論と実験の両面から熱誘起スピン流の定量的評価を行った。さらに非磁性半導体Siチャネルを縮退系から非縮退系へ遷移させることで、熱誘起スピン流によって生成される信号強度が増大することが理論面から明らかになった。これはspin-MOSFET構造では熱誘起スピン流生成効率が上昇することを意味しており、実験においても非縮退Siチャネルで構成される素子では信号が増大する結果が得られた。私の研究によってSiを用いたスピン流物性の解明が達成されつつあり、基礎研究に大きく貢献したことに加え、全て室温での結果であり応用研究の希求に応えるマイルストーンとなった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Room-temperature operation of Si spin MOSFET with high on/off spin signal ratio (2015)
  • Author(s): Takayuki Tahara, Hayato Koike, Makoto Kameno, Tomoyuki Sasaki, Yuichiro Ando, Kazuhito Tanaka, Shinji Miwa, Yoshishige Suzuki, and Masashi Shiraishi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 8 Issue: 11 Pages: 1-3
  • DOI: 10.7567/apex.8.113004
  • NAID: 210000137705
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spin Transport in Nondegenerate Si with a Spin MOSFET Structure at Room Temperature (2014)
  • Author(s): Tomoyuki Sasaki, Yuichiro Ando, Makoto Kameno, Takayuki Tahara, Hayato Koike, Tohru Oikawa, Toshio Suzuki, and Masashi Shiraishi.
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW APPLIED Volume: 2 Issue: 3 Pages: 034005-034005
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.2.034005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spin drift in highly doped n-type Si (2014)
  • Author(s): Makoto Kameno, Yuichiro Ando, Teruya Shinjo, Hayato Koike, Tomoyuki Sasaki, Tohru Oikawa, Toshio Suzuki, and Masashi Shiraishi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 104 Issue: 9 Pages: 92409-92409
  • DOI: 10.1063/1.4867650
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Demonstration of spin-MOSFET using n-type Si at room temperature (2015)
  • Author(s): Makoto Kameno, Hayato Koike, Yuichiro Ando, Teruya Shinjo, Tomoyuki Sasaki, Tohru Oikawa, Toshio Suzuki, and Masashi Shiraishi
  • Organizer: 20th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: バルセロナ (スペイン)
  • Year and Date: 2015-07-05 – 2015-07-10
• [Presentation] Demonstration of spin-MOSFET using n-type Si at room temperature (2015)
  • Author(s): M. Kameno, T. Sasaki, Y. Ando, T. Shinjo, H. Koike, T.Oikawa, T. Suzuki, M. Shiraishi
  • Organizer: 20th International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: バルセロナ スペイン
  • Year and Date: 2015-07-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of Joule-heating-induced spin injection and transport in highly-doped n-type Si (2015)
  • Author(s): 亀野誠，小池勇人，安藤裕一郎，新庄輝也，佐々木智生，及川 亨，鈴木義茂，白石誠司
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] Investigation of spin drift velocity and the modulation of spin signals under spin drift in highly-doped n-type Si (2015)
  • Author(s): Makoto Kameno, Yuichiro Ando, Teruya Shinjo, Masashi Shiraishi, Hayato Koike, Tomoyuki Sasaki,Tohru Oikawa and Toshio Suzuki
  • Organizer: American Physics Society March Meeting 2015
  • Place of Presentation: サンアントニオ テキサス州 (アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] Spin Transport Properties in Nondegenerate Si at Room Temperature (2015)
  • Author(s): Takayuki Tahara, Hayato Koike, Tomoyuki Sasaki, Yuichiro Ando, Makoto Kameno, Yoshishige Suzuki and Masashi Shiraishi
  • Organizer: American Physics Society March Meeting 2015
  • Place of Presentation: サンアントニオ テキサス州 (アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] シリコンスピンMOSFETの室温動作の達成 (2015)
  • Author(s): 田原 貴之, 佐々木 智生, 安藤 裕一郎,亀野 誠, 小池 勇人, 及川 亨, 鈴木 淑男, 白石 誠司
  • Organizer: 電子通信情報学会 磁気記録・情報ストレージ研究会
  • Place of Presentation: パナソニック企業年金基金 松心会館(大阪府門真市)
  • Year and Date: 2015-01-23
• [Presentation] Demonstration of long-range spin transport in n-type Si at room temperature (2014)
  • Author(s): Makoto Kameno, Yuichiro Ando, Teruya Shinjo, Hayato Koike, Tomoyuki Sasaki,Tohru Oikawa, Toshio Suzuki and Masashi Shiraishi
  • Organizer: 59th Annual Conference on Magnetism and Magnetic materials
  • Place of Presentation: ホノルル ハワイ州 (アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2014-11-03 – 2014-11-07
• [Presentation] Quantitative investigation of long-range spin transport in n-type Si at room temperature (2014)
  • Author(s): 亀野誠，安藤裕一郎，新庄輝也，白石誠司，小池勇人，佐々木智生，及川 亨，鈴木淑男
  • Organizer: 応用物理学会
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス(北海道札幌市)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Quantitative Investigation of Spin-drift Velocity in Highly-doped n-type Si (2013)
  • Author(s): M. Kameno, Y. Ando, T. Shinjo, H. Koike, T. Sasaki, T. Oikawa, T. Suzuki and M. Shiraishi
  • Organizer: 58TH ANNUAL CONFERENCE ON MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS
  • Place of Presentation: SHERATON DENVER DOWNTOWN HOTEL(アメリカ合衆国コロラド州デンバー)
  • Year and Date: 2013-11-08
• [Presentation] Investigation of spin-drift vetocity in n-type Si spin valve by using two-terminal Hanle effect measurement (2013)
  • Author(s): 亀野 誠, 安藤 裕一郎, 新庄 輝也, 白石 誠司, 小池 勇人, 佐々木 智生, 及川 亨, 鈴木 淑男
  • Organizer: 応用物理学会(2013年秋季)
  • Place of Presentation: 同志社大学(京都府京田辺市)
  • Year and Date: 2013-09-26
• [Presentation] 強磁性-非磁性電極を用いた2端子法における 高ドープn型si中のスピンドリフト速度の定量的評価 (2013)
  • Author(s): 亀野 誠, 安藤 裕一郎, 新庄 輝也, 白石 誠司, 小池 勇人, 佐々木 智生, 及川 亨, 鈴木 淑男
  • Organizer: 日本物理学会(2013年秋季)
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市)
  • Year and Date: 2013-09-26