| 研究課題/領域番号 |
21J20019
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
内藤 貴大 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| キーワード | シリコンゲルマニウム / スピン拡散長 / 歪み / スピンMOSFET |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、次世代の超低消費電力半導体素子であるGeベースのスピンMOSFETの動作実証を目標としている。スピンMOSFETの実現に向けて、伝導帯のバレー構造を変化させることでGeスピン素子の室温高性能化を目指す。
本年度、研究代表者はGeなどのマルチバレー半導体におけるスピン散乱の主要因であるバレー間散乱を抑制するために、バレーのエネルギー分裂が期待される歪みSiGeに着目した。Ge-on-Si(111)基板に成長したSi0.1Ge0.9は逆格子マップ測定から、歪みの緩和はなく0.64～0.66 %の引張歪みが確認された。リン(P)ドーピング濃度を変えた二つの試料と、比較として同程度のキャリア濃度のn-Ge試料を用意した。
キャリア濃度n ～ 1×(10の18乗) cm-3の歪みSi0.1Ge0.9において、Ge試料のおよそ2倍の移動度～823 cm2/(Vs)が得られた。これは歪みによって電子のバレー間散乱が抑制された結果だと考えられる。一方でキャリア濃度n ～ 5×(10の18乗) cm-3の歪みSi0.1Ge0.9は移動度の向上が見られなかった。これはフェルミエネルギーが伝導帯内部に入り、バレー間のエネルギー分裂が減少しているためだと推察される。
続いてスピン伝導特性を調べるために、スピン注入用強磁性電極材料としてCo系ホイスラー合金を用いて、歪みSiGeをチャネルとした横型スピン注入・検出素子に加工し、歪みSiGeのスピン拡散長を見積もった。キャリア濃度n ～ 1×(10の18乗) cm-3 の歪みSi0.1Ge0.9において、従来のGeにおけるスピン拡散長～0.5 μmを大幅に上まわるスピン拡散長～0.9 μmを室温で実証した。これはSiにおけるスピン拡散長に匹敵する値であり、歪みSi0.1Ge0.9のスピン伝導チャネルとしての有用性を示す結果である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
これまで実証されていなかった歪みによるバレー間スピン散乱の抑制効果を、歪みSi0.1Ge0.9におけるスピン伝導を詳細に評価することで初めて実証した。また、歪みSi0.1Ge0.9のドーピング濃度を制御した２つの試料を比較することで、バレー間散乱を抑制するためにはドーピング濃度を低くすることが重要であることを突き止めた。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年の研究でGeの約2倍のスピン拡散長~0.9μmを実証した歪みSi0.1Ge0.9チャネルと、Ge素子で有効性が示されているFe原子終端高品質Co系ホイスラー合金を組み合わせることで、室温MR比(現状は~0.1%)の増大を目指す。
さらに、スピン伝導層の上部にゲート絶縁膜を形成しスピンMOSFET動作の実証実験を行う。ここでは、ホイスラー合金/歪みSiGe界面の反応によるスピン信号の減衰を抑える為に低温(300°C以下)プロセスでゲート絶縁膜を形成する。歪みSiGeに よる低スピン散乱が実現された結果、最終的には高移動度と高MR比を有するスピンMOSFETの動作実証を目指す。以上により、超高速・超低消費電力の情報処理・記憶デバイスに繋がる歪みSiGeスピンMOSFETの基盤技術の創成となる。
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