純スピン流伝導の光・電界制御

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02333
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 浜屋 宏平 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
• 研究分担者: 澤野 憲太郎 東京都市大学, 工学部, 教授 (90409376) ; 斉藤 好昭 株式会社東芝研究開発センター, その他部局等, その他 (80393859) ; 大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 電気・電子材料 / スピントロニクス

研究実績の概要

研究代表者が世界で初めて実証している強磁性合金上への単結晶半導体ゲルマニウム(Ge)薄膜成長技術を、高性能スピントロニクス材料(ハーフメタル)を用いたスピン注入技術と融合し、これまで実現されたことのない『純スピン流伝導の光・電界制御素子』の創製に挑戦する。以下に、本年度に得られた研究成果を示す。
○ハーフメタル合金(Co2FeSi)上の高品質Ge薄膜およびGe/Co2FeSiヘテロ界面の実現
Si基板上にMBE成長したCo2FeSi合金上にGe薄膜を従来の条件で形成したところ、結晶成長温度(TG)が250℃≦TG≦350℃ではCo2FeSiとGeのヘテロ界面に非磁性反応物が形成されてしまい、結晶成長温度がTG<250℃ではGeの結晶化が不十分なまま、正孔濃度が高い(10^19 cm-3以上)三次元島状成長結晶となることが判った。そこで本年度では、Ge/Co2FeSiヘテロ界面の化学反応を抑制しつつGeの二次元エピタキシャル成長を促進するために、半導体/金属ヘテロ界面における新しいサーファクタント誘起エピタキシーを検討した。本研究では、Si/SiホモエピタキシーやGe/Siヘテロエピタキシーなどの半導体ヘテロ接合において、低温結晶化を促すサーファクタントとして知られているSn(スズ)を、Ge/Co2FeSiヘテロ接合に適用した。Snの蒸着量やGe薄膜の成長温度を様々に変えて実験を行った結果、Co2FeSi表面上にSnを2ML蒸着した後、Ge薄膜をTG=250℃で成長することで、Co2FeSi上にGe薄膜が二次元エピタキシャル成長することが判った。そのGe薄膜直上に、Co2FeSiをTG=室温で形成し、Co2FeSi/Ge/Co2FeSi縦型構造を実証した。

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

我々はこれまで、p型Ge/強磁性ヘテロ構造を介した純スピン流伝導の観測に成功していたが、その実証温度は低温にとどまっていた。本年度は、スピン偏極率(P)が最大でP~1になる可能性のあるハーフメタルホイスラー合金(Co2FeSi)上へのp型Ge薄膜およびGe/Co2FeSiヘテロ界面を実現した。今後の研究に重要となる結晶成長技術を構築できたため、「(2)おおむね順調に進展している」と評価した。

今後の研究の推進方策

ハーフメタルホイスラー合金をスピン注入源としたスピンデバイスを作製し、Ge中での純スピン流伝導現象を詳細に調査し、ゲルマニウムスピントロニクス素子の実現に向けた主要な物性パラメーターを取得する。また、電気伝導特性のコントロールに向けたGe層へのSbドーピング(n型化)の効果も検討する。

研究成果

• [国際共同研究] University of York(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of York
• [雑誌論文] Realisation of magnetically and atomically abrupt half-metal/semiconductor interface: Co2FeSi0.5Al0.5/Ge(111) (2016)
  • 著者名/発表者名: Nedelkoski Zlatko、Kuerbanjiang Balati、Glover Stephanie E.、Sanchez Ana M.、Kepaptsoglou Demie、Ghasemi Arsham、Burrows Christopher W.、Yamada Shinya、Hamaya Kohei、Ramasse Quentin M.、Hasnip Philip J.、Hase Thomas、Bell Gavin R.、Hirohata Atsufumi、Lazarov Vlado K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 37282-1~8
  • DOI: https://doi.org/10.1038/srep37282
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct evidence for suppression of the Kondo effect due to pure spin current (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, T. Kurokawa, S. Oki, S. Yamada, T. Kanashima, and T. Taniyama
  • 雑誌名: Physical Review B (Rapid communications) 巻: 94 ページ: 140401-1~5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.140401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature-independent spin relaxation in heavily doped n-type germanium (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Fujita, M. Yamada, S. Yamada, T. Kanashima, K. Sawano, and K. Hamaya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 ページ: 245302-1~5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.245302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin transport in p-Ge through a vertically stacked Ge/Fe3Si junction (2016)
  • 著者名/発表者名: Kawano M.、Santo K.、Ikawa M.、Yamada S.、Kanashima T.、Hamaya K.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 109 ページ: 022406-1～4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4958894
  • 査読あり
• [雑誌論文] The role of chemical structure on the magnetic and electronic properties of Co2FeAl0.5Si0.5/Si(111) interface (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuerbanjiang Balati、Nedelkoski Zlatko、Kepaptsoglou Demie、Ghasemi Arsham、Glover Stephanie E.、Yamada Shinya、Saerbeck Thomas、Ramasse Quentin M.、Hasnip Philip J.、Hase Thomas P. A.、Bell Gavin R.、Hamaya Kohei、Hirohata Atsufumi、Lazarov Vlado K.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 108 ページ: 172412-1～5
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4948466
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spin injection into multilayer graphene from highly spin-polarized Co2FeSi Heusler alloy (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi, R. Moriya, S. Oki, S. Yamada, S. Masubuchi, K. Hamaya, and T. Machida
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 ページ: 063006-1～3
  • DOI: http://doi.org/10.7567/APEX.9.063006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlling the half-metallicity of Heusler/Si(111) interfaces by a monolayer of Si-Co-Si (2016)
  • 著者名/発表者名: Z. Nedelkoski, D. Kepaptsoglou, A. Ghasemi, B. Kuerbanjiang, P. J. Hasnip, S. Yamada, K. Hamaya, Q. M. Ramasse, A. Hirohata, and V. K. Lazarov
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 28 ページ: 395003-1～6
  • DOI: https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/39/395003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] (Invited) Finely Controlled Heterointerfaces between Ge(111) and Metallic Alloys or Insulators for Next Generation Ge-Based Devices (2016)
  • 著者名/発表者名: Hamaya K.、Yamada S.、Kasahara K.、Kanashima T.
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 75 ページ: 651～659
  • DOI: 10.1149/07508.0651ecst
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic and electronic structure study of a Co2FeAl0.5Si0.5 half metal thin film on Si(111) (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Kepaptsoglou, Z. Nedelkoski, B. Kuerbanjiang, A. Ghasemi, S. Yamada, K. Hamaya, A. Hirohata, Q. M. Ramasse, and V. K. Lazarov
  • 雑誌名: Microscopy and Microanalysis 巻: 22 ページ: 1524～1525
  • DOI: http://doi.org/10.1017/S1431927616008461
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A low-temperature fabricated gate-stack structure for Ge-based MOSFET with ferromagnetic epitaxial Heusler-alloy/Ge electrodes (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Fujita, Michihiro Yamada, Yuta Nagatomi, Keisuke Yamamoto, Shinya Yamada, Kentarou Sawano, Takeshi Kanashima, Hiroshi Nakashima, and Kohei Hamaya
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 063001-1～4
  • DOI: http://doi.org/10.7567/JJAP.55.063001
  • 査読あり
• [学会発表] Spin transport in n-Ge and p-Ge (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya
  • 学会等名: Spintronics and Core-to-Core Workshop 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 低温における縮退n-Geのスピン拡散長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤田裕一、山田道洋、山田晋也、金島岳、澤野憲太郎、浜屋 宏平
  • 学会等名: 第21回半導体におけるスピン工学の基礎と応用
• [学会発表] Suppression of the Kondo Effect due to Pure Spin Current (2016)
  • 著者名/発表者名: 沖宗一郎、黒川孝幸、山田晋也、金島岳、谷山智康、浜屋宏平
  • 学会等名: 第10回物性科学領域横断研究会
• [学会発表] Spin relaxation in heavily doped n-Ge at low temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤田裕一、山田道洋、山田晋也、金島岳、澤野憲太郎、浜屋宏平
  • 学会等名: 第10回物性科学領域横断研究会
• [学会発表] ホイスラー化合物熱電材料Fe2VAl単結晶薄膜の低温MBE成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山田晋也、藤原宇央、金島岳、浜屋宏平
  • 学会等名: 公益社団法人日本金属学会2016年秋期(第159回)講演大会
• [学会発表] SrTiO3(100)基板上へのホイスラー合金薄膜の室温規則化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 金澤和哉、山田晋也、金島岳、壬生攻、浜屋宏平
  • 学会等名: 公益社団法人日本金属学会2016年秋期(第159回)講演大会
• [学会発表] Detection of hole spin transport in Ge using lateral spin-valve structures (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Kawano, Kohei Santo, Masahiko Ikawa, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Electrical spin injection and detection in n+-Ge using Schottky tunnel contacts (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Fujita, Michihiro Yamada, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Kentarou Sawano, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 結晶性Geを用いたフレキシブル薄膜トランジスタの実証 (2016)
  • 著者名/発表者名: 東英実、中野茉莉央、工藤康平、藤田裕一、山田晋也、金島岳、角田功、中島寛、浜屋宏平
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Spin transport in epitaxial ferromagnetic alloy (F)/p-Ge/F vertical structures (2016)
  • 著者名/発表者名: 山東浩平、河野慎、井川昌彦、酒井宗一朗、佐藤浩、山田晋也、金島岳、浜屋宏平
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Spin absorption affect at ferromagnetic alloy/n+-Ge interfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Yamada, Yuichi Fujita, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Kentarou Sawano, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 61st Anuual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Robust spin-current injection in lateral spin valves with two-terminal Co2FeSi spin injectors (2016)
  • 著者名/発表者名: Soichiro Oki, Takayuki Kurokawa, Syuta Honda, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Hiroyoshi Itoh, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 61st Anuual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Hole spin transport in epitaxial p-Ge(111) layers (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Kawano, Kohei Santo, Masahiko Ikawa, Shuichiro Sakai, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 61st Anuual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Short spin diffusion length of n+-Ge at low temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Fujita, Michihiro Yamada, Shinya Yamada, Kentarou Sawano, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic and electrical properties of MBE-grown Mn2CoAl films (2016)
  • 著者名/発表者名: Kento Yamasaki, Keisuke Arima, Togami Yuki, Tsukahara Makoto, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Spin accumulation up to 10 meV in Si non-local devices with MgO/Fe tunnel contacts (2016)
  • 著者名/発表者名: A. M. Spiesser, H. Saito, Y. Fujita, S. Yamada, K. Hamaya, S. Yuasa and R. Jansen
  • 学会等名: 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Nanometer resolved profiles of half-metallic full Heusler alloy thin films determined from polarised neutron (2016)
  • 著者名/発表者名: S. E. Glover, T. Saerbeck, B. Kuerbanjiang, Z. Nedelkoski, D. Kepaptsoglou, A. Ghasemi, S. Yamada, C. Burrows, Q. M. Ramasse, P. J. Hasnip, K. Hamaya, A. Hirohata, V. Lazarov, T.P. Hase, and G. Bell
  • 学会等名: 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic and Electronic study of Co2FeAl0.5Si0.5/Ge(111) interface (2016)
  • 著者名/発表者名: B. Kuerbanjiang, Z. Nedelkoski, D. Kepaptsoglou, A. Ghasemi, S. E. Glover, S. Yamada, A. Sanchez, Q. M. Ramasse, T. P. Hase, G. Bell, K. Hamaya, A. Hirohata and V. Lazarov
  • 学会等名: 61st Annual Magnetism and Magnetic Materials Conference (MMM 2016)
  • 国際学会
• [学会発表] Spin transport in n-Ge and p-Ge (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Oki, M. Kawano, Y. Fujita, M. Yamada, S. Yamada, T. Kanashima, and K. Hamaya
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science and quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Exchange coupling induced by epitaxial B2-FeRh layers grown on ferromagnets (2016)
  • 著者名/発表者名: Shinya Yamada, Tomoyasu Taniyama, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Damping constant modulation of Fe3Si by a giant pure spin current (2016)
  • 著者名/発表者名: Soichiro Oki, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Yukio Nozaki, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Spin transport in p-Ge up to 125 K using a Ge/Fe3Si structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Kawano, Kohei Santo, Masahiko Ikawa, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical spin injection and detection at room temperature in n-Ge based lateral spin valves with Co2FeSi0.5Al0.5/n+-Ge Schottky tunnel contacts (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Fujita, Michihiro Yamada, Shinya Yamada, Kentarou Sawano, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Electrical properties in Co2FeSi1-xAlx/n+-Ge contacts with phosphorous δ-doping and silicon-layer insertions (2016)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Arima, Michihiro Yamada, Yuichi Fujita, Kentarou Sawano, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular beam epitaxy of Mn2CoAl films on MgAl2O4(100) (2016)
  • 著者名/発表者名: Kento Yamasaki, Keisuke Arima, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Pure spin current transport in a Kondo alloy Cu(Fe) (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kurokawa, Soichiro Oki, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of room-temperature spin signals in n+-Si-based lateral spin devices (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayasu Oka, Mizue Ishikawa, Yuichi Fujita, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, Yoshiaki. Saito, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-dependent transport in all-epitaxial Fe3Si/Ge/Fe3Si spin valves (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Santo, Makoto Kawano, Masahiko Ikawa, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Epitaxial growth of Fe3Si films on low-temperature-grown Ge layers (2016)
  • 著者名/発表者名: Shuichiro Sakai, Masahiko Ikawa, Makoto Kawano, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic properties of Fe3Si films on low-temperature-grown germanium layers (2016)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Ikawa, Shuichiro Sakai, Makoto kawano, Shinya Yamada, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of post annealing on hole mobility of pseudo-single-crystalline germanium thin-film-transistors on glass substrate (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenji Kasahara, Hidenori Higashi, Mario Nakano, Yuta Nagatomi, Keisuke Yamamoto, Hiroshi Nakashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces/International SiGe Technology and Device Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Control of electrical properties in Heusler-alloy/Ge Schottky tunnel contacts formed by phosphorous δ-doping with Si-layer insertion (2016)
  • 著者名/発表者名: Michihiro Yamada, Yuichi Fujita, Shinya Yamada, Kentarou Sawano, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces/International SiGe Technology and Device Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature electrical spin injection and detection in n-Ge through Co2Fe0.5SiAl0.5/n+-Ge Schottky tunnel contacts (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Fujita, Michihiro Yamada, Shinya Yamada, Kentarou Sawano, Takeshi Kanashima, and Kohei Hamaya
  • 学会等名: 7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces/International SiGe Technology and Device Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Finely controlled heterointerfaces between Ge(111) and metallic alloys or insulators for next generation Ge-based devices (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, S. Yamada, K. Kasahara, and T. Kanashima
  • 学会等名: PRiME 2016/230th ECS Meeting, SiGe, Ge, and RC symp. Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ge spintronics developed by semiconductor technologies (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya
  • 学会等名: The 40th Annual Conference on Magnetics in Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Ge-based spintronics with epitaxial Heusler alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • 国際学会 / 招待講演