シリコンへの新スピン機能の付加と革新的スピンデバイスの創製

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02197
• 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, 特定准教授 (50618361)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: シリコン / スピントロニクス / スピン流

研究実績の概要

本年度はスピンの流れ（スピン流）を用いたスピン流論理演算素子の室温動作実証に成功した．スピンとは電子が有する磁石の性質であり，上向き，下向きの2種類が存在する．この上向き，下向きの量を制御した電子の流れはスピン流と呼ばれる．このスピン流はエネルギー消費の極めて少ない情報輸送手段として期待されている．このスピン流を用いたデバイスは複数の提案があるが，これまでに実証された素子は従来の電子デバイスにスピン機能を付加したデバイスに限られていた．この場合には従来素子の一部をスピン素子に入れ替えることによりデバイス自体の性能向上を図る．つまり，システム自体の動作原理は従来と大差ないのが一般的であった．その結果，システム全体としての性能向上も限定的であった．今回の研究ではスピン流の特性を生かし，スピンだけで論理演算を行う素子を実現した．具体的にはスピン流源となる強磁性電極を複数配置し，シリコン中にそれぞれの電極から信号入力を行い，シリコン中で計算を行う．その計算結果を電流，電圧，スピン，光などで出力することができる．本デバイスはスピン流論理演算素子と呼ばれるが，これまでに半導体での実現例はない．今回の研究では既存のLSI技術と整合性の高いシリコンを用いてXOR回路の動作実証に成功した．出力も電圧・電流の両方の形式で出力することに成功した．このXOR論理回路はさらに強磁性体を2つ追加することにより，NANDとOR回路を切り替える素子へと発展できる．

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

スピン流論理演算素子については着実に進展している．確実な技術が構築されている為，更に発展的なスピン流演算素子も実現しつつある．スピン流演算素子については順調に進んでいると言える．

今後の研究の推進方策

来年度以降，電圧駆動や強いスピン軌道相互作用の導入などを検討していく．一部は本年度に前倒しで実行しており，良い結果が得られている．

研究成果

• [雑誌論文] Investigation of gating effect in Si spin MOSFET (2020)
  • 著者名/発表者名: Lee Soobeom、Rortais Fabien、Ohshima Ryo、Ando Yuichiro、Goto Minori、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige、Koike Hayato、Shiraishi Masashi
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 022403～022403
  • DOI: 10.1063/1.5131823
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gate-Tunable Spin xor Operation in a Silicon-Based Device at Room Temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishihara Ryoma、Ando Yuichiro、Lee Soobeom、Ohshima Ryo、Goto Minori、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige、Koike Hayato、Shiraishi Masashi
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 13 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.044010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin transport in n-type 3C?SiC observed in a lateral spin-pumping device (2020)
  • 著者名/発表者名: Shigematsu Ei、Ohshima Ryo、Ando Yuichiro、Shinjo Teruya、Kimoto Tsunenobu、Shiraishi Masashi
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 305 ページ: 113754～113754
  • DOI: 10.1016/j.ssc.2019.113754
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetic resonance imbalance at high microwave power: Effect on the Gilbert damping parameter (2019)
  • 著者名/発表者名: Dushenko Sergey、Ando Yuichiro、Shinjo Teruya、Shiraishi Masashi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 126 ページ: 203904～203904
  • DOI: 10.1063/1.5127882
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Monolayer MoS2 field effect transistor with low Schottky barrier height with ferromagnetic metal contacts (2019)
  • 著者名/発表者名: Gupta Sachin、Rortais F.、Ohshima R.、Ando Y.、Endo T.、Miyata Y.、Shiraishi M.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-019-53367-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stability of spin XOR gate operation in silicon based lateral spin device with large variations in spin transport parameters (2019)
  • 著者名/発表者名: Ishihara Ryoma、Lee Soobeom、Ando Yuichiro、Ohshima Ryo、Goto Minori、Miwa Shinji、Suzuki Yoshishige、Koike Hayato、Shiraishi Masashi
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 9 ページ: 125326～125326
  • DOI: 10.1063/1.5129980
  • 査読あり / オープンアクセス