歪みＳｉＧｅスピンＭＯＳＦＥＴの創製

• 研究課題/領域番号: 18J00502
• 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: 応用物性
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山田 道洋 大阪大学, 基礎工学研究科, 特任助教
• 研究期間 (年度): 2018-04-25 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2019年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2018年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: シリコン / ゲルマニウム / スピントロニクス / スピン伝導 / ホイスラー合金 / 歪みエンジニアリング / スピン注入 / 原子層制御

研究実績の概要

本研究課題は，IoT社会の実現に向けて大きな問題となっている情報処理にかかるエネルギーの問題を解決すべく，超低消費電力化が期待されるスピンMOSFETの実現を最終目標としている．本年度は，スピン伝導層への歪み印加による不純物誘起谷間スピン反転散乱の抑制と強磁性体/半導体界面の原子層制御による室温磁気抵抗比の二桁増大を達成した．
前年度の結果から，緩和SiGeを形成した際に，高品質な強磁性膜の成長が可能な(111)面上では， 格子定数の大きなGe上にSiGe層を成長した際に欠陥導入が起こりやすく，歪みが緩和してしまうことが明らかになった．そこで，歪みSiGeを形成するために，歪みSiGeの成長条件の探索を行った． 成長条件を最適化した試料のX線回折の結果から歪みSiGeを作製することに成功した．また，Hall効果測定から歪み緩和SiGeと比較して移動度が２倍以上に増大を観測した．歪みSiGeをチャネル層に用いた横型スピンバルブ素子を作製し，スピン緩和時間を測定したところ，低温ではあるが緩和SiGeと比較して3倍程度に増大することが明らかになった．これは低温において支配的な不純物誘起スピン反転散乱が歪み印可によって抑制されているためであると考えられ，歪みによるスピン緩和抑制の効果を実験的に示した初めての結果である．
強磁性体/半導体(Ge)界面では前年度の構造評価からGeが強磁性ホイスラー合金へと拡散することでスピン注入効率が低減していることが明らかにされていた．そこで，室温におけるスピン信号の増大に向けて，強磁性ホイスラー合金/Ge界面にFe原子層を挿入することで取り組んだ．Fe原子層を挿入した場合に界面の構造評価から挿入しなかった場合と比較してGeの拡散を1/3程度に抑制することに成功し，室温の磁気抵抗比は二桁程度増大する結果が得られつつある．

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of York(英国)
• [雑誌論文] Spin transport in antimony-doped germanium detected using vertical spin-valve structures (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Shiihara, M. Yamada, M. Honda, A. Yamada, S. Yamada, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 13 号: 2 ページ: 023001-023001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab6ca8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inverse local magnetoresistance effect up to room temperature in ferromagnet-semiconductor lateral spin-valve devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Naito Takahiro、Yamada Michihiro、Yamada Shinya、Kanashima Takeshi、Sawano Kentarou、Hamaya Kohei
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 巻: 113 ページ: 105046-105046
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2020.105046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Germanium pn junctions between ferromagnetic CoFe and Fe3Si layers for spintronic applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Honda、Takahiro Shiihara、Michihiro Yamada、Shinya Yamada、Kohei Hamaya
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 巻: 116 ページ: 105066-105066
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2020.105066
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical thickness of strained Si1-xGex on Ge(111) and Ge-on-Si(111) (2019)
  • 著者名/発表者名: Alam Md. Mahfuz、Wagatsuma Youya、Okada Kazuya、Hoshi Yusuke、Yamada Michihiro、Hamaya Kohei、Sawano Kentarou
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 号: 8 ページ: 081005-081005
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab2db8
  • NAID: 210000156582
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nonmonotonic bias dependence of local spin accumulation signals in ferromagnet/semiconductor lateral spin-valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Y.、Yamada M.、Tsukahara M.、Naito T.、Yamada S.、Sawano K.、Hamaya K.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 2 ページ: 024431-024431
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.024431
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room-temperature local magnetoresistance effect in n-Ge devices with low-resistive Schottky-tunnel contacts (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukahara, M. Yamada, T. Naito, S. Yamada, K. Sawano, V. K. Lazarov, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 12 号: 3 ページ: 033002-033002
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab0252
  • NAID: 210000135621
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal orientation effect on spin injection/detection efficiency in Si lateral spin-valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Ishikawa, M. Tsukahara, S. Honda, Y. Fujita, M. Yamada, Y. Saito, T. Kimura, H. Itoh, and K. Hamaya
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 52 号: 8 ページ: 08510-033002
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aaf37c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of local magnetoresistance signals in a SiGe-based lateral spin-valve device (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, T. Naito, M. Tsukahara, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Semicond. Sci. Technol. 巻: 33 号: 11 ページ: 114009-114009
  • DOI: 10.1088/1361-6641/aae34f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between spin transport signal and quality of the Heusler-alloy/semiconductor interface in lateral spin-valve devices (2018)
  • 著者名/発表者名: B. Kuerbanjiang, Y. Fujita, M. Yamada, S. Yamada, A. M. Sanchez, P. J. Hasnip, A. Ghasemi, D. Kepaptsoglou, G. Bell, K. Sawano, K. Hamaya, and V. K. Lazarov
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 号: 11 ページ: 115304-115304
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.115304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin transport and relaxation in germanium (Topical Review) (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, Y. Fujita, M. Yamada, M. Kawano, S. Yamada, and K. Sawano
  • 雑誌名: J. Phys. D: Appl. Phys. 巻: 51 号: 39 ページ: 393001-393001
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aad542
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pure spin current transport in a SiGe alloy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, M. Yamada, M.Tsukahara, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 11 号: 5 ページ: 0530061-5
  • DOI: 10.7567/apex.11.053006
  • NAID: 210000136197
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Local Magnetoresistance at Room Temperature in Si<100> Devices (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Mizue、Tsukahara Makoto、Yamada Michihiro、Saito Yoshiaki、Hamaya Kohei
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 54 号: 11 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/tmag.2018.2849753
  • 査読あり
• [学会発表] "Enhancement of room-temperature spin signals in Ge lateral spin devices by improving the quality of Heusler/Ge interfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, M. Tsukahara, F. Kuroda, S. Yamada, T. Fukushima, K. Sawano, T. Oguchi, K. Hamaya
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演大会
• [学会発表] 強磁性体/半導体スピン素子の性能と界面磁性の相関 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山田道洋，白土優，塚原誠人，神部広翔，工藤康平，山田晋也，澤野憲太郎，中谷亮一，浜屋宏平
  • 学会等名: 第43回日本磁気学会学術講演大会
• [学会発表] Improvement of nonmonotonic bias-dependent local spin signals in Co2FeAl0.5Si0.5/Ge lateral spin-valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, S. Honda, Y, Fujita, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: The 24th Symposium on the Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
• [学会発表] Enhancement in room-temperature magnetoresistance ratio in p-Ge based vertical spin-valve devices with a Co2FeSi layer (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Yamada, T. Shiihara, M. Yamada, M. Honda, S. Yamada, and K. Hamaya
  • 学会等名: 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces(ISCSI-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Inverse local magnetoresistance effect up to room temperature in ferromagnet-semiconductor lateral spin-valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, M. Yamada, S. Yamada, K. Sawano, K. Hamaya
  • 学会等名: 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces(ISCSI-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Germanium PN junctions between ferromagnetic CoFe and Fe3Si layers for spintronic applications (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Honda, T. Shiihara, M. Yamada, S. Yamada, K. Hamaya
  • 学会等名: 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces(ISCSI-8)
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature spin-dependent transport through Sb-doped Ge in vertical spin-valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Shiihara , M. Yamada , M. Honda , S. Yamada, K. Hamaya
  • 学会等名: 64th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 強磁性Fe3Si上へのゲルマニウムPN接合の作製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本田瑞葵, 椎原貴洋, 山田晋也, 山田道洋, 浜屋宏平
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演大会
• [学会発表] Spin transport in a strained SiGe alloy (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, M. Yamada, M. Tsukahara, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演大会
• [学会発表] Spin-dependent transport through n-Ge in vertical spin valve devices (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Shiihara, M. Yamada, M.Honda, S. Yamada, K. Hamaya
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演大会
• [学会発表] Ge-on-Si(111) 及びGe(111) 基板上の歪みSi1-xGexの臨界膜厚 (2019)
  • 著者名/発表者名: 我妻 勇哉、Md. Mahfuz Alam、岡田 和也、星 裕介、山田 道洋、浜屋 宏平、澤野 憲太郎
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演大会
• [学会発表] Influence of the interface quality on the estimation of the spin-to-charge conversion efficiency in spin pumping experiments on Co2FeAl0.5Si0.5/n-Ge (2019)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kaneta, Shoma Arai, Le Duc Anh, Michihiro Yamada, Kohei Hamaya, and Shinobu Ohya
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演大会
• [学会発表] 強磁性体/半導体スピン素子におけるスピン蓄積信号の 非線形バイアス依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤田裕一，山田道洋，塚原誠人，内藤貴大，山田晋也，澤野憲太郎，浜屋宏平
  • 学会等名: 第43回日本磁気学会学術講演大会
• [学会発表] Ge-on-Si(111) 及びGe(111) 基板上の歪みSi1-xGexの表面形状と臨界膜厚 (2019)
  • 著者名/発表者名: 我妻 勇哉、Md. Mahfuz Alam、岡田 和也、星 裕介、 山田 道洋、浜屋 宏平、澤野 憲太郎
  • 学会等名: 第2回結晶工学ⅹISYSE 合同研究会
• [学会発表] Observation of lateral spin transport in non-degenerate n-Ge (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Ueno, M. Yamada, T. Matsuoka, T. Naito, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: The 24th Symposium on the Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors
• [学会発表] 全エピタキシャルCoFe/Sb-doped Ge/Fe3Si縦型構造における室温スピン伝導の観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 椎原貴洋, 山田道洋, 本田瑞葵, 山田晋也, 浜屋宏平
  • 学会等名: Spin Research Network of Japan (Spin-RNJ) 2019年度年次報告会
• [学会発表] n-SiGe横型スピンバルブ素子における負の局所スピン信号 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内藤貴大, 山田道洋, 山田晋也, 澤野憲太郎, 浜屋宏平
  • 学会等名: Spin Research Network of Japan (Spin-RNJ) 2019年度年次報告会
• [学会発表] 非縮退n-Ge中のスピン伝導特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上野登希生, 山田道洋, 松岡哲平, 内藤貴大, 山田晋也, 澤野憲太郎, 浜屋宏平
  • 学会等名: Spin Research Network of Japan (Spin-RNJ) 2019年度年次報告会
• [学会発表] Spin transport in Ge and SiGe (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, M. Tukahara, Y. Fujita, T. Naito, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: CSRN-Osaka Annual Workshop 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Local magnetoresistance effect at room temperature in Co2FeAlxSi1-x/n-Ge lateral spin-valve devices (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, M. Tukahara, T. Naito, Y. Fujita, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: One-Day Symposium on Spintronics Properties of Graphene and Related 2D Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical spin injection and transport in a SiGe alloy (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, T. Naito, M. Tsukahara, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: The 9th International SiGe Technology and Device Meeting (ISTDM)
  • 国際学会
• [学会発表] Spin transport through Sb-doped n-Ge in vertical spin-valve devices (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Shiihara , M. Yamada, S. Sakai , M. Ikawa, S. Yamada, and K. Hamaya
  • 学会等名: One-Day Symposium on Spintronics Properties of Graphene and Related 2D Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Low-resistance ferromagnet/germanium Schottky-tunnel contacts for spintronic applications (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, T. Naito, M. Tsukahara, M. Yamada, and K. Sawano
  • 学会等名: The Electrochemical Society, 2018 SiGe Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Spin transport in a Ge-rich SiGe alloy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, M. Yamada, M. Tsukahara, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: 2018 European Materials Research Society (E-MRS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Large local magnetoresistance in Si<100> devices at room temperature (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ishikawa, M. Tsukahara, M. Yamada, Y. Saito, and K. Hamaya
  • 学会等名: INTERMAG 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of local spin signals at room temperature in germanium lateral devices (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukahara, M. Yamada, T. Naito, Y. Fujita, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: INTERMAG 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature spin transport in n-Ge probed by four-terminal nonlocal measurements (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Yamada, M. Tsukahara, Y. Fujita, T. Naito, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: 第79回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Inverse local magnetoresistance in Heusler/SiGe lateral spin valve devices (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, M. Yamada, M. Tsukahara, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: 平成30年度スピン変換年次報告会
• [学会発表] Room-temperature local magnetoresistance effect in n-Ge lateral devices (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Tsukahara, M. Yamada, T. Naito, S. Yamada, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 学会等名: 平成30年度スピン変換年次報告会
• [学会発表] 反平行磁化配置が不安定なゲルマニウム横型スピンバルブ素子における非局所スピン伝導 (2018)
  • 著者名/発表者名: 沖宗一郎 ，山田道洋，山田晋也，澤野憲太郎 ，浜屋宏平
  • 学会等名: 第42回日本磁気学会学術講演大会