量子伝導によるスピントランジスタの性能限界の打破

• 研究課題/領域番号: 18H01492
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: PHAM NAM・HAI 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50571717)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2018年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
• キーワード: スピントランジスタ / スピンバルブ / 量子伝導 / スピン / 量子電導

研究成果の概要

本研究では、ナノスケール半導体チャネルにおける量子伝導によるスピン輸送を用いることにより、強磁性金属/半導体界面における伝導率不整合の問題を根本的に解決することを目指した。Fe/(Mg)/MgO/Geのスピン注入・検出源および20 nmのナノスケールSiチャネルからなるスピンバルブ構造において、世界最高の-3.6%のスピンバルブ比および25 mVのスピン依存出力電圧を達成した。また、超高真空一貫でエピタキシャル結晶成長できるMnGa/GaAs/MnGaのナノチャネルIII-V族半導体スピンバルブ構造を作製し、世界最高の12%のスピンバルブ比および33 mVのスピン依存出力電圧を達成した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来のスピントランジスタの研究では、半導体のチャネル長がマイクロメートル台と長いため、拡散伝導によるスピン輸送が行われた。そのため、磁性電極と半導体チャネルとの界面に伝導率不整合が発生し、スピン変換電圧がマイクロボルト台しか観測できず、デバイス応用に必要な電圧変化および磁気抵抗比が得られていない。本研究では、ナノスケール半導体チャネルにおける量子伝導によるスピン輸送を用いることにより、強磁性金属/半導体界面における伝導率不整合の問題を根本的に解決できることを実証し、高性能なスピントランジスタを実現できることを示し、超低消費電力コンピューティングの基盤技術を提供する。

研究成果

• [雑誌論文] Large magnetoresistance and spin-dependent output voltage in a lateral MnGa/GaAs/MnGa spin-valve device (2020)
  • 著者名/発表者名: Koki Chonan, Nguyen Huynh Duy Khang, Masaaki Tanaka, and Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SG ページ: SGGI08-SGGI08
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab5b31
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lateral Silicon spin-valve devices with large spin-dependent magnetoresistance and output voltage (2019)
  • 著者名/発表者名: D. D. Hiep, M. Tanaka, P. N. Hai
  • 雑誌名: Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 巻: 10 号: 2 ページ: 25001-25001
  • DOI: 10.1088/2043-6254/ab11df
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-valve Effect in Nanoscale Si-based Devices (2018)
  • 著者名/発表者名: D. D. Hiep, M. Tanaka, P. N. Hai
  • 雑誌名: AAPPS Bulletin 巻: 28 ページ: 7-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Investigation of Tunneling Barriers for Si Spin-Valve Devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Jialiang Yu, Dinh Hiep Duong, Nam Hai Pham
  • 学会等名: The 68th JSAP Spring meeting
• [学会発表] Large magnetoresistance and spin-dependent output voltage in a lateral MnGa/GaAs/MnGa spin-valve device (2019)
  • 著者名/発表者名: Koki Chonan, Nguyen Huynh Duy Khang, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 2019 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Large spin-dependent magnetoresistance and output voltage in the nanoscale Si spin-valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: Duong Dinh Hiep, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Fabrication and evaluation of lateral spin-valve devices using MnAs spin injector (2019)
  • 著者名/発表者名: Keita Yamane, Kenichiro Yao, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Large spin-valve effect in a lateral spin-valve device with MnGa electrodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Koki Chonan, Nguyen Huynh Duy Khang, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Large spin-valve effect in Si nano spin-valve devices (2018)
  • 著者名/発表者名: Duong Dinh Hiep, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
  • 学会等名: Intermag2018
  • 国際学会
• [備考] 世界最高値のスピンバルブ比12%を達成
  • URL: http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1576
• [備考] Si系ナノサイズのスピンバルブの世界記録更新
  • URL: http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1297