ハーフメタルと高移動度半導体の高品質ヘテロ構造の製作と半導体スピン輸送特性の研究

本研究の目的は本質的に大きなスピン偏極率を有するハーフメタル材料のCo基ホイスラー合金と，高移動度半導体チャネル(Ge等)を融合する高品質エピタキシャルヘテロ構造の実現を通して，次世代半導体スピントロニクスの基盤を構築することである．平成24年度は，強磁性CoFe電極からMgOバリアを通したn-Geチャネルへのスピン注入の特性を実験的に詳細に検討し，以下の知見を明らかにした．CoFe/MgO/n-Ge接合に対して，2.25 nmから2.75 nm の範囲のMgOバリア厚み(t_MgO)に対して，室温で，3端子配置により明瞭なHanle信号(磁化は面内，磁場を面に垂直に印加)および逆Hanle信号(磁場を面内に印加)を観測した(スピン注入の方向: 強磁性体から半導体チャネルへのスピン注入)．また，スピン信号ΔVの大きさ(Hanle信号と逆Hanle信号の和)から見積もったspin-RA積(ΔRsA=(ΔV/I_bias)A)は，例えばt_MgO=2.4 nmの接合に対して，半導体へのスピン注入の標準理論(Fert and Jaffres, 2001)の値の4桁大きな値であった．さらに，spin-RA積はt_MgOに対して指数関数的な依存性を示すことを見出した．一方，標準理論では，spin-RA積はt_MgOに対して依存性を示さない．このように，これらの実験結果は，観測されたHanle信号が半導体Geチャネルでのスピン蓄積によるというモデルでは説明できない．この結果を説明するため，トンネル接合界面に存在する局在状態での，磁場によるスピンの歳差運動によりスピン偏極率が低下し，このためフェルミレベルでのアップスピンとダウンスピンの波数が変化し，結果として，トンネル確率が磁場によって変調されるというモデルを提案した．

本研究の目的は本質的に大きなスピン偏極率を有するハーフメタル材料のCo基ホイスラー合金と，高移動度半導体チャネル(Ge等)を融合する高品質エピタキシャルヘテロ構造の実現を通して，次世代半導体スピントロニクスの基盤を構築することである．平成24年度は，強磁性CoFe電極からMgOバリアを通したn-Geチャネルへのスピン注入の特性を実験的に詳細に検討し，以下の知見を明らかにした．CoFe/MgO/n-Ge接合に対して，2.25 nmから2.75 nm の範囲のMgOバリア厚み(t_MgO)に対して，室温で，3端子配置により明瞭なHanle信号(磁化は面内，磁場を面に垂直に印加)および逆Hanle信号(磁場を面内に印加)を観測した(スピン注入の方向: 強磁性体から半導体チャネルへのスピン注入)．また，スピン信号ΔVの大きさ(Hanle信号と逆Hanle信号の和)から見積もったspin-RA積(ΔRsA=(ΔV/I_bias)A)は，例えばt_MgO=2.4 nmの接合に対して，半導体へのスピン注入の標準理論(Fert and Jaffres, 2001)の値の4桁大きな値であった．さらに，spin-RA積はt_MgOに対して指数関数的な依存性を示すことを見出した．一方，標準理論では，spin-RA積はt_MgOに対して依存性を示さない．このように，これらの実験結果は，観測されたHanle信号が半導体Geチャネルでのスピン蓄積によるというモデルでは説明できない．この結果を説明するため，トンネル接合界面に存在する局在状態での，磁場によるスピンの歳差運動によりスピン偏極率が低下し，このためフェルミレベルでのアップスピンとダウンスピンの波数が変化し，結果として，トンネル確率が磁場によって変調されるというモデルを提案した．