Development of a germanium spin MOSFET

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昨年度までの代表者グループの検討で，強磁性ホイスラー合金/Geヘテロ構造にFe原子層制御終端層を挿入する技術の高度化の結果，室温における磁気抵抗比が0.1%以上を達するようになった．しかし，このFe層は界面の品質を向上する代わりに、強磁性ホイスラー合金を用いたスピン注入・検出を阻害している可能性も否定できなかった．そのため，Fe層以外にCr，V，Cu，Coなどの3d遷移金属(TM)を挿入した強磁性ホイスラー合金/Geヘテロ構造を作製した．このとき、ヘテロ界面におけるGeの拡散を抑制するために、3原子層分のFeの挿入が必要不可欠であることがわかったため，強磁性ホイスラー合金/TM(0.4~0.5 nm)/Fe(~0.3 nm)/Geという非常に高度な電極構造を作製し，その物性の変化の詳細を調べた．結果として，界面の「スピンモーメント」とスピン注入・検出効率の関係が顕著に影響し，FeやCoなどの強磁性原子層の挿入の方がCr，V，Cuの非磁性原子層の挿入に比べて極めて重要であるという知見を得た[論文投稿中]．また，スピン伝導チャネルのキャリア濃度を1019cm-3から1018cm-3台に変更することで，Geのスピン緩和時間が劇的に延びることを明らかにした[Phys. Rev. B 104, 115301 (2021).]．さらに，分担者グループによって作製されたキャリア濃度1018cm-3台の歪みSiGeチャネルの導入により，代表者グループのスピン注入技術と融合することで，室温でのスピン緩和(散乱)の大幅抑制を観測し，スピン拡散長をSiと同等レベルに増大させることに成功した[論文投稿中]．また，分担者によって試作した低温作製プロセスによるトップゲート型スピンMOSFET構造では，室温で300 cm2/Vsを超える電界効果移動度が得られた．