スピントランジスタのためのＧｅ／Ｓｉヘテロ構造への高効率スピン注入・検出

将来に亘るエレクトロニクス技術の発展のために、より一層の素子の微細化を可能とする新たな技術が求められている。その候補として、スピントランジスタに代表される半導体をベースとしたスピントロニクス素子・技術が注目されている。半導体中におけるスピン偏極電子の注入、制御および検出は半導体スピンデバイスの基盤技術であるため、近年、最重要半導体であるSiおよびGe基デバイスにおいて多くの研究が報告されている。しかしながら、スピン注入・検出効率およびスピン制御に関しては、まだデバイス化レベルには達していない。本研究では、SiおよびGeにおいてスピン注入・検出効率の改善および新奇スピン制御技術の確立を目的とする。従来、強磁性体から半導体へのスピン入力には、専らスピンを電荷（電流）と共に直接流す手法が用いられてきた。ここで、もし電流を用いることなくスピン情報を半導体に注入することができれば、スピントランジスタの更なる省電力化に繋がるはずである。この着眼点の下、前年度は電流フリーのスピン注入技術の開発を進めた。具体的には、我々の研究チームが発見した新現象である強磁性電極とSi間に熱勾配を設けるだけでSiへのスピン注入が実現される「スピントンネル・ゼーベック効果」の外部電界による影響を調べた。その結果、同効果によりSi中に生成したスピン信号強度を外部電界により制御することに成功した（Nature Materials誌へ掲載）。この結果を受け、本年度は同電界効果の起源を調べるために更なる詳細な実験および理論考察を行った。その結果、スピントンネル・ゼーベック効果により生成したスピン信号の電界効果は強磁性体の電子状態を考慮することにより説明可能であることを示した。このことは、スピン注入の更なる効率化へ向けた指針を与えるものである。

将来に亘るエレクトロニクス技術の発展のために、より一層の素子の微細化を可能とする新たな技術が求められている。その候補として、スピントランジスタに代表される半導体をベースとしたスピントロニクス素子・技術が注目されている。半導体中におけるスピン偏極電子の注入、制御および検出は半導体スピンデバイスの基盤技術であるため、近年、最重要半導体であるSiおよびGe基デバイスにおいて多くの研究が報告されている。しかしながら、スピン注入・検出効率およびスピン制御に関しては、まだデバイス化レベルには達していない。本研究では、SiおよびGeにおいてスピン注入・検出効率の改善および新奇スピン制御技術の確立を目的とする。従来、強磁性体から半導体へのスピン入力には、専らスピンを電荷（電流）と共に直接流す手法が用いられてきた。ここで、もし電流を用いることなくスピン情報を半導体に注入することができれば、スピントランジスタの更なる省電力化に繋がるはずである。この着眼点の下、前年度は電流フリーのスピン注入技術の開発を進めた。具体的には、我々の研究チームが発見した新現象である強磁性電極とSi間に熱勾配を設けるだけでSiへのスピン注入が実現される「スピントンネル・ゼーベック効果」の外部電界による影響を調べた。その結果、同効果によりSi中に生成したスピン信号強度を外部電界により制御することに成功した（Nature Materials誌へ掲載）。この結果を受け、本年度は同電界効果の起源を調べるために更なる詳細な実験および理論考察を行った。その結果、スピントンネル・ゼーベック効果により生成したスピン信号の電界効果は強磁性体の電子状態を考慮することにより説明可能であることを示した。このことは、スピン注入の更なる効率化へ向けた指針を与えるものである。