半導体表面・界面におけるスピン輸送エンジニアリング

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06089
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 安藤 裕一郎 京都大学, 工学研究科, 准教授 (50618361)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: スピントロニクス / 半導体 / スピン輸送

研究実績の概要

本年度は（B)の内容である二次元電子ガス中のスピン輸送物性の解明として，GaAs逆HEMT構造中およびLaAlO3/SrTiO3中のスピン輸送実験を行った．GaAs逆HEMT構造では強磁性体Ni80Fe20をスピン注入源とし，スピンポンピング法によるスピン輸送を行った．輸送されたスピン流はPt電極による逆スピンホール効果により，電圧信号として検出した．その結果，室温におけるスピン輸送信号の検出に成功した．またイオン液体を用いてゲートを印加し，スピン輸送信号の変調を試みた．電気伝導特性には明瞭な変調が確認できたが，スピン流輸送特性に大きな変化は見られなかった．原因としては，二次元電子ガスのキャリアが十分に変調されている訳ではなく，それ以外の部分のキャリアが誘起された可能性がある．今後，ゲート電極の作製手法および二次元電子ガスの構造の改善を行う．同様の実験をLaAlO3/SrTiO3の2次元電子ガスでも行った．この2次元電子ガスはd軌道電子で構成されているという特長を有する．この素子でも室温におけるスピン輸送に成功した．特筆すべき点はスピン寿命が室温で数ナノ秒と極めて長い点である．今後，このように長いスピン寿命が得られた原因について調査していく必要がある．（C)のトポロジカル絶縁体については，新しくビスマスアンチモンに着目し研究を行った．当該試料はアンチモンの組成により，半金属の非トポロジカル相から半導体トポロジカル相まで大きく変調出来る利点がある．これらの試料のスピン流-電流変換を調査したところ，アンチモン組成が高い方が変換効率が高いことが分かった．しかし，これはトポロジカル相との相関はなく，運動量緩和に支配されていることが示唆された．

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

（A) のシリコン，ゲルマニウムにおける反転層の実験については，ゲート酸化膜を作製する原子層堆積装置が2017年度の3月末に納入されたため，ほとんど実験を行うことができなかった．しかし，（B)の半導体2次元層におけるスピン輸送については当初の予定以上の成果が出ている．また（C)のトポロジカル絶縁体についても，概ね順調に進んでいる．以上を鑑み，平均すると概ね順調な進展といえる．

今後の研究の推進方策

H29年度はゲート絶縁膜を作製可能な原子層堆積装置を早期に立ち上げ，全ての実験において，ゲート機能の研究に注力する．特に（A)シリコン，ゲルマニウムの反転層についてはその工学的重要性も高いことから，複数のスピン流生成方法を駆使して，系統的な検討を行っていく予定である．

研究成果

• [雑誌論文] Spin to Charge Interconversion Phenomena in the Interface and Surface States (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Ando and Masashi Shiraishi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 86 ページ: 011001
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.86.011001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Transport and spin conversion of multicarriers in semimetal bismuth (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Emoto, Yuichiro Ando, Gaku Eguchi, Ryo Ohshima, Eiji Shikoh, Yuki Fuseya, Teruya Shinjo, and Masashi Shiraishi
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 93 ページ: 174428
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.174428
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of large spin accumulation voltages in nondegenerate Si spin devices due to spin drift effect: Experiments and theory (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Tahara, Yuichiro Ando, Makoto Kameno, Hayato Koike, Kazuhito Tanaka, Shinji Miwa, Yoshishige Suzuki, Tomoyuki Sasaki, Tohru Oikawa, and Masashi Shiraish
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 93 ページ: 214406
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.93.214406
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Switching of charge-current-induced spin polarization in the topological insulator BiSbTeSe2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Fan Yang, Subhamoy Ghatak, A. A. Taskin, Kouji Segawa, Yuichiro Ando, Masashi Shiraishi, Yasushi Kanai, Kazuhiko Matsumoto, Achim Rosch, and Yoichi Ando
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW B 巻: 94 ページ: 075304
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.94.075304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gate-Tunable Spin-Charge Conversion and the Role of Spin-Orbit Interaction in Graphene (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Dushenko, H. Ago, K. Kawahara, T. Tsuda, S. Kuwabata, T. Takenobu, T. Shinjo, Y. Ando, and M. Shiraishi
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 116 ページ: 166102
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.166102
  • 査読あり
• [学会発表] シリコンスピントロニクスの現状と将来展望 (2017)
  • 著者名/発表者名: 安藤 裕一郎，小池 勇人，白石誠司
  • 学会等名: シリサイド半導体研究会
  • 発表場所: 八州学園大学（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] Spin-charge conversion in Bi1-xSbx layer (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Ando, Ryouhei Kumamoto, Sergey Dushenko, Teruya Shinjo, and Masashi Shiraishi
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-14
• [学会発表] Spin-charge Conversion in Graphene and Carbon Nanotube (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Ando, Sergey Dushenko, and Masashi Shiraishi
  • 学会等名: Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS)
  • 発表場所: ハワイ島(アメリカ合衆国)
  • 年月日: 2016-12-05 – 2016-12-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Room temperature operation of silicon based spin MOSFET with a large spin accumulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Ando and Masashi Shiraishi
  • 学会等名: SPIE Nanoscience + Engineering
  • 発表場所: サンディエゴ(アメリカ合衆国)
  • 年月日: 2016-08-28 – 2016-08-28
  • 国際学会 / 招待講演