ハーフメタル上への単結晶ゲルマニウム薄膜成長と縦型スピン素子への応用

研究代表者は、シリコンプラットフォーム上に集積可能なハーフメタルソースドレイン縦型構造を有するGeチャネル縦型スピンMOSFETを作製するための要素技術を開発することを目的としている。本研究は、スケーリング則に依存してきた既存のシリコン大規模集積回路の性能向上に新たなブレークスルーをもたらす大変意義のある研究である。前年度の研究によって、p-Ge中に蓄積したスピンが拡散伝導によって情報を輸送できる距離（スピン拡散長）は、一次元スピン拡散モデルを用いた解析によって10 Kで約50 nm程度であると見積もられた。採用最終年度は、このスピン拡散長よりも十分に短いp-Geチャネル長を有する「強磁性金属/p-Ge/強磁性金属」積層構造の結晶成長とp-Geチャネル縦型スピン素子の室温不揮発メモリ動作の実証を目指した。本研究では、「強磁性金属/p-Ge/強磁性金属」積層構造の上部強磁性金属にCoFe合金、下部強磁性金属にFe3Si合金を選定した。「CoFe (10 nm)/p-Ge (20 nm)/Fe3Si (25 nm)」積層構造は、超高真空チャンバーを有する分子線エピタキシー装置を用いてSi(111)基板上に成膜した。反射高速電子線回折像のその場観察により、すべての層は単結晶成長していることを確認した。これを電子線リソグラフィー装置やArイオンミリング装置を用いて縦型スピン素子に微細加工し、商用デバイスへの応用上で重要となる局所電圧測定法によりスピン伝導特性を評価した。結果として、上部と下部の強磁性電極の磁化配置に依存した磁気抵抗の変化を室温まで観測することに成功し、世界初となるp-Geチャネル縦型スピン素子の室温不揮発メモリ動作を実証した。以上の成果は、次世代p-Geチャネル縦型スピンMOSFETの実現への道を開拓する指針を呈示するものである。

研究代表者は、シリコンプラットフォーム上に集積可能なハーフメタルソースドレイン縦型構造を有するGeチャネル縦型スピンMOSFETを作製するための要素技術を開発することを目的としている。本研究は、スケーリング則に依存してきた既存のシリコン大規模集積回路の性能向上に新たなブレークスルーをもたらす大変意義のある研究である。前年度の研究によって、p-Ge中に蓄積したスピンが拡散伝導によって情報を輸送できる距離（スピン拡散長）は、一次元スピン拡散モデルを用いた解析によって10 Kで約50 nm程度であると見積もられた。採用最終年度は、このスピン拡散長よりも十分に短いp-Geチャネル長を有する「強磁性金属/p-Ge/強磁性金属」積層構造の結晶成長とp-Geチャネル縦型スピン素子の室温不揮発メモリ動作の実証を目指した。本研究では、「強磁性金属/p-Ge/強磁性金属」積層構造の上部強磁性金属にCoFe合金、下部強磁性金属にFe3Si合金を選定した。「CoFe (10 nm)/p-Ge (20 nm)/Fe3Si (25 nm)」積層構造は、超高真空チャンバーを有する分子線エピタキシー装置を用いてSi(111)基板上に成膜した。反射高速電子線回折像のその場観察により、すべての層は単結晶成長していることを確認した。これを電子線リソグラフィー装置やArイオンミリング装置を用いて縦型スピン素子に微細加工し、商用デバイスへの応用上で重要となる局所電圧測定法によりスピン伝導特性を評価した。結果として、上部と下部の強磁性電極の磁化配置に依存した磁気抵抗の変化を室温まで観測することに成功し、世界初となるp-Geチャネル縦型スピン素子の室温不揮発メモリ動作を実証した。以上の成果は、次世代p-Geチャネル縦型スピンMOSFETの実現への道を開拓する指針を呈示するものである。