不揮発性トランジスタ開発のための半導体へのスピン偏極電子注入

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電子のスピン自由度を利用して不揮発的に情報を記憶するスピントランジスタは、その導入によりあらゆるIT機器の消費電力の劇的な削減につながるため、世界的に熾烈な開発競争の只中にある。スピントランジスタを実現するためには、半導体中へのスピン注入技術を確立する必要がある。Geは次世代のMOS-FETのチャネル材料の有力候補とされており、スピン注入技術の確立が期待される。高効率のスピン注入のためには、高品位の強磁性体/Ge接合を可能とする材料・成長技術が必要であると考えられるため、新障壁層材料や強磁性体を用いたトンネル接合技術を開発する必要がある。今年度達成した主な成果を以下に説明する。(1)Ge基板上の磁性半導体(Ga, Mn)As単結晶膜作製技術の確立(GaMn)Asは極めて高いスピン偏極状態を有し、かつ、Geと格子定数がほぼ等しくエピタキシャル成長が期待されるため、Geへののスピン注入源として注目されるべき物質である。しかしながら、これまでスピン注入実験はおろか、Ge基板上の結晶成長すら報告はなされていなかった。本研究では分子線エピタキシー法による成長条件を最適化することにより、世界で初めてGe上の単結晶(Ga, Mn)As膜の作製に成功した。(2)障壁層フリーのスピン注入源の作製とスピン注入の実証トンネル障壁層を必要としない高品位スピン注入源の開発は、作製プロセスを簡略化できるため応上用有利である。しかしながらFe等の通常の強磁性体をGeと直接接合させると、接合界面での磁性が失われてしまうという問題があり、これまで実現は困難であった。そこで、Mn5Ge3というGeを構成要素とする強磁性体に注目しGeへの結晶成長とスピン注入に取り組んだところ、期待通りにスピン注入を実証するに至った。