半導体スピンロジックデバイス実現とスピン変換現象の研究

• 研究課題/領域番号: 23KF0150
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 外国
• 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: 京都大学
• 研究代表者: 白石 誠司 京都大学, 工学研究科, 教授 (30397682)
• 研究分担者: GROEN INGE 京都大学, 工学研究科, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2023-09-27 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2025年度: 400千円 (直接経費: 400千円); 2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2023年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: スピントロニクス / スピン演算 / シリコン / スピントランジスタ

研究開始時の研究の概要

本研究では(A) シリコン/重金属ショットキー障壁を介した高効率スピン流ー電流変換の実現と高出力MESOデバイスの実現、(B) 強磁性体のスピン流ー電流変換現象を用いたスイッチャブルMESOデバイスの実現および(C) 強誘電スピン軌道メモリデバイスの実現を目指した研究を行い、半導体、特にシリコンにおけるスピン流ー電流変換現象の学理解明、および当該効果を利用した新奇スピンデバイスの創成を目指す。

研究実績の概要

本年度は下記のA，Bに関連する研究を実施し，以下に示すような結果を得た．
（A）スピンの向きや総数を自在に制御することにより，論理演算を行うシリコンチャネル・スピン論理演算素子の実現を目指す研究を行った．デバイス加工の最適化を行ったところ，通常のプレーナー型スピン素子において，7オームを超える巨大なスピン依存抵抗を発現することに成功した．本結果は微小電流でも十分なスピン機能を発現できる可能性を示唆しており，多彩なスピンデバイスの基礎となる技術である．次に本作製手法を用いて非共線配置のスピンデバイスを作製した．スピンの回転操作のON/OFF，ゲート電圧のON/OFFにより，1素子で複数の演算内容を切り替え可能なスピン論理演算素子の室温原理実証に成功した．
（B）ショットキー障壁により高効率なスピン流電流変換を実現できるシリコンベースMESOデバイスの創成を目指し，強磁性体スピン注入源，シリコンスピン輸送チャネル，スピン流電流変換材料（SOI材料）が積層された基板を用いてMESO構造の作製を行った．作製プロセス過程において，シリコンチャネルのダメージが顕著であることが判明し，現在までのところスピン流―電流変換現象は得られていない．本目的のためにはフッ酸等のウェットプロセスの手法，時間の最適化が必要であることが判明した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究者本人が有するスピンロジック「MESO」の作製技術を存分に活かして、我々が有するシリコンスピントランジスタの作製技術とうまく融合させながら１つ１つ段階を踏んで着実に研究を推進している。

今後の研究の推進方策

研究実績の項目で述べた（A），（Ｂ）を発展させる研究に加え，(C)シリコン中のスピン流―電流変換現象を高効率化する研究を実施する．詳細は下記の通りである．
(A)スピン回転操作を用いたスピンデバイスの実証は，昨年度は原理実証に留まっている．例えば，実際の入力では0度と90度の向きのスピンを注入する必要があるが，その為に磁化の向きを0度，90度と切り替える．昨年度は予め0度，90度に作製したスピン注入源を作製し，当該デバイスを用いてスピン演算を実証したが，今年度は0度，90度の磁化配置を外部制御し，入力値を切り替える．その為に磁化配置を任意に制御するための機構の開発（強磁性体材料の探索およびスピン軌道トルクを用いた磁化の任意方向の制御）を行う．
（B）MESOデバイスにおいては，引き続きプロセスの最適化を実施し，ショットキー障壁を介したスピン流―電流変換の有用性や，その学理の開拓を行う．更に，MESOデバイスの室温動作実証を行い，既存金属ベースMESOデバイスと比較して，シリコンベースMESOデバイスの性能が飛躍的に向上することを，理論・実験の両面で証明する．
（C）シリコン中のスピン流―電流変換を高効率化するために，スピン軌道相互作用の大きい絶縁膜を隣接し変換効率を増強する研究を実施する．具体的にはハフニア系やハフニアジルコニア系を検討し，スピン流-電流変換の極性や大きさの不揮発操作も目指す．