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スピンエサキダイオード構造を用いたスピントランジスタの開発

研究課題

研究課題/領域番号 11J01277
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 マイクロ・ナノデバイス
研究機関東北大学

研究代表者

塩貝 純一  東北大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DCl)

研究期間 (年度) 2011 – 2013
研究課題ステータス 完了 (2013年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2013年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワードスピントロニクス / (Ga, Mn)As / スピンエサキダイオード / スピン注入 / 電気的スピン注入 / 強磁性半導体 / 動的核スピン偏極 / 3端子Hanle効果 / 半導体スピントロニクス
研究概要

スピントランジスタの実現に向け, 強磁性半導体である(Ga, Mn)AsとGaAsの接合であるスピンエサキダイオード構造を用いて, 半導体への高効率スピン注入・検出及びスピン増幅, さらにはスピン注入誘起の核スピン偏極及びそのダイナミクスに関する研究を行った.
まず, スピンエサキ接合の電流電圧特性が非線形性を示すことに注目して, 検出電極に定バイアスを印加しながら非局所測定を行う事で, 非線形性が最も大きいところでスピン信号が最大40倍まで増幅できることを実験的に示した. これにより, スピン検出界面に非線形性が強い材料を選択すればよいという設計指針を与えた. これはまた, これまで広く議論されていた, 3端子スピン検出法の増幅起源を明らかにしたものである.
前述の非オーミック電極によるスピン信号増幅の知見をスピンエサキダイオード構造におけるトンネル異方性磁気抵抗効果及びトンネル異方性スピン偏極率を調べ, 負性微分抵抗/抵抗比が大きくなるところで後者の効果が支配的になることを明らかにした. この知見は従来のスピンバルブ法以外のスピン蓄積検出の新たな手法を提案するものである.
次に, スピンエサキダイオード構造を用いてこれまで確立した高感度スピン検出の技術を元に, 数十ミクロンまで長距離にわたる電子スピンの偏極率を調べ, 電子が感じる核磁場を間接的に磁気抵抗及び核磁気共鳴で測定することにより, 核スピン偏極率の空間分布を評価した. さらに実験結果とシミュレーションを比較することにより, 偏極核スピンがスピン流へ及ぼす影響を明らかにした. とくに, 電子・核スピンの結合の大きさを表すleakage factorが0.3であること, また, この値が電子スピン偏極率に依存性せず, 一定であることを明らかにした.
これらの成果は将来のスピントロニクスデバイスを設計する上で重要な知見であり, 研究はおおむね順調に行われた.

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

報告書

(3件)
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2014 2013 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (23件) (うち招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Giant enhancement of spin detection sensitivity in (Ga, Mn) As/GaAs Esaki diodes2014

    • 著者名/発表者名
      Junichi Shiogai, Mariusz Ciorga, Martin Utz, Dieter. Schuh, Makoto Kohda, Dominique Bougeard, Tsutomu Nojima, Junsaku Nitta and Dieter Weiss
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 89 号: 8 ページ: 813071-813075

    • DOI

      10.1103/physrevb.89.081307

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] All-electrical detection of spin Hall effect in semiconductors2014

    • 著者名/発表者名
      Markus Ehlert, Cheng Song, Mariusz Ciorga, Thomas Hupfauer, Junichi Shiogai, Martin Utz, Dieter Schuh, Dominique Bougeard, and Dieter Weiss
    • 雑誌名

      Phys. Status Solidi B

      巻: (印刷中)(掲載確定) 号: 9 ページ: 1725-1735

    • DOI

      10.1002/pssb.201350206

    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamic nuclear spin polarization in an all-semiconductor spin injection device with (Ga, Mn)As/n-GaAs spin Esaki diode2012

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 101 号: 21

    • DOI

      10.1063/1.4767339

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Origin of enhancement of the spin detection sensitivity in a spin Esaki diode structure2014

    • 著者名/発表者名
      J. Shiogai, M. Ciorga, T. Nojima, D. Schuh, M. Kohda, D. Bougeard, D. Weiss, and J. Nitta
    • 学会等名
      第61回応用物理学春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大(相模原)
    • 年月日
      2014-03-19
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Crossover of three-terminal resistance from tunneling anisotropic magnetoresistance to tunneling anisotropic spin polarization2014

    • 著者名/発表者名
      J. Shiogai, M. Ciorga, T. Nojima, D. Schuh, M. Kohda, D. Bougeard, D. Weiss, and J. Nitta
    • 学会等名
      第61回応用物理学春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大(相模原)
    • 年月日
      2014-03-17
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Bias dependent spin detection sensitivity in spin Esaki diode structures2013

    • 著者名/発表者名
      J. Shiogai, M. Ciorga, T. Nojima, D. Schuh, M. Kohda, D. Bougeard, D. Weiss, and J. Nitta
    • 学会等名
      第74回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      同志社大(京田辺)
    • 年月日
      2013-09-20
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Non-local versus three-terminal detection of spin accumulation in (Ga, Mn) As/GaAs spin Esaki diode devices2013

    • 著者名/発表者名
      M. Ciorga, J. Shiogai, M. Utz, D. Schuh, M. Kohda, D. Bougeard, T. Nojima, J. Nitta, and D. Weiss
    • 学会等名
      Spintronics VI, SPIE Optics and Photonics 2013
    • 発表場所
      サンディエゴ(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2013-08-27
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Spatial distribution of nuclear spin polarization in non-local region in lateral all-semiconductor spin-injection devices2013

    • 著者名/発表者名
      J. Shiogai, M. Ciorga, M. Kohda, M. Utz, D. Schuh, D. Bougeard, T. Nojima, J. Nitta, and D. Weiss
    • 学会等名
      SPINTECH 7
    • 発表場所
      シカゴ(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2013-08-01
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Comparison of non-local and three-terminal detection of spin accumulation in (Ga, Mn) As / GaAs spin Esaki diode devices2013

    • 著者名/発表者名
      J. Shiogai, M. Ciorga, M. Kohda, M. Utz, D. Schuh, D. Bougeard, T. Nojima, J. Nitta, and D. Weiss
    • 学会等名
      EP2DS-20 and MSS-16 joint conference
    • 発表場所
      ブロツワフ(ポーランド)
    • 年月日
      2013-07-02
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Spatial variation of satellite peaks in the Hanle curve induced by dynamic nuclear spin polarization in lateral all-semiconductor spin injection devices2013

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      第60回応用物理学関係聯合講演会
    • 発表場所
      神奈川工科大学(厚木市)
    • 年月日
      2013-03-28
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Spatial investigation of dynamical nuclear spin polarization in lateral spin injection devices2013

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      The 10th RIEC International workshop on spintronics
    • 発表場所
      東北大学電気通信研究所(仙台市)
    • 年月日
      2013-01-15
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Pt / Co / Al-O垂直磁化膜のゲート電界制御とその温度依存性2012

    • 著者名/発表者名
      大橋達郎
    • 学会等名
      第17回半導体スピン工学の基礎と応用PASPS-17
    • 発表場所
      九州大学(福岡市)
    • 年月日
      2012-12-19
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Spin injection experiments in all-semiconductor spin injection device with (Ga,Mn)As / n-GaAs spin Esaki diode2012

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      The 3rd workshop of joint JST-DFG workgroup on Topotronics
    • 発表場所
      Mercure Hotel (ドイツ・フランクフルト)
    • 年月日
      2012-11-17
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Three-Terminal Electrical Spin Injection into GaAs from Perpendicularly Magnetized L1_0-FePt2012

    • 著者名/発表者名
      大杉廉人
    • 学会等名
      2012 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2012)
    • 発表場所
      国立京都国際会館(京都市)
    • 年月日
      2012-09-26
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Electrical Control of Magnetic Properties in Pt/Co/AlO_x films2012

    • 著者名/発表者名
      ティモシー・ヤン
    • 学会等名
      2012 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2012)
    • 発表場所
      国立京都国際会館(京都市)
    • 年月日
      2012-09-26
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] スピンエサキ構造を用いた横型スピン注入デバイスにおける3端子法及び非局所法Hanle効果の比較2012

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学(松山市)
    • 年月日
      2012-09-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Pt / Co / Al-O垂直磁化膜における磁気特性のゲート電界制御2012

    • 著者名/発表者名
      大橋達郎
    • 学会等名
      第73回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      愛媛大学(松山市)
    • 年月日
      2012-09-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Epitaxial growth of perpendicularly magnetized L1_0-FePt / MgO / GaAs structures and their tunneling barrier properties2012

    • 著者名/発表者名
      大杉廉人
    • 学会等名
      International Conference on Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
    • 発表場所
      アイントホーフェン工科大学(オランダ・アイントホーフェン)
    • 年月日
      2012-08-08
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Time evolution of dynamically polarized nuclear spins in all-semiconductor spin-injection devices2012

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      The 31th International Conference on the Physics of Semiconductors
    • 発表場所
      チューリッヒ工科大学(スイス・チューリッヒ)
    • 年月日
      2012-07-31
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Electric field control of coercivity of Pt/Co/Al-O trilayer structures2012

    • 著者名/発表者名
      大橋達郎
    • 学会等名
      The 19th International Conference on Magnetism
    • 発表場所
      Bexco(韓国・釜山)
    • 年月日
      2012-07-13
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Gate control of magnetic properties in a Pt / Co / Al-O perpendicularly magnetized films2012

    • 著者名/発表者名
      大橋達郎
    • 学会等名
      Annual Meeting of Strategic Japanese-German Joint Research Program "ASPIMATT"
    • 発表場所
      東北大学(仙台市)
    • 年月日
      2012-07-05
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] コバルト超薄膜における磁気特性の電界制御2012

    • 著者名/発表者名
      大橋達郎
    • 学会等名
      第19回みちのく磁性談話会
    • 発表場所
      山形県天童市(招待講演)
    • 年月日
      2012-06-02
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Non-local Hall voltage under a spin injection current2012

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      The 9th RIEC International Workshop on Spintronics
    • 発表場所
      東北大学電気通信研究所(仙台市)
    • 年月日
      2012-06-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Three-terminal Hanle measurement of electrical spin injection in perpendicularly magnetized L1_0-FePt/MgO/GaAs structures2012

    • 著者名/発表者名
      大杉廉人
    • 学会等名
      The 9th RIEC International Workshop on Spintronics
    • 発表場所
      東北大学電気通信研究所(仙台市)
    • 年月日
      2012-06-01
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] (Ga,Mn)As/n-GaAsスピンエサキダイオードを用いたスピン注入デバイスにおける動的核スピン偏極2012

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      第59回応用物理学会関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2012-03-17
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Dynamic nuclear spin polarization in all-semiconductor spin-injection lateral devices2011

    • 著者名/発表者名
      塩貝純一
    • 学会等名
      Spintech6
    • 発表場所
      松江(日本)
    • 年月日
      2011-08-03
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.material.tohoku.ac.jp/~kotaib/j.shiogai.html

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

URL: 

公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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