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高品質結晶を用いた高性能ナノスピンデバイス
実証のための新技術開発
教授 浜屋 宏平, 准教授 金島 岳, 助教 山田 晋也
スピントロニクス
半導体スピントランジスタへの期待
巨大磁気抵抗効果(GMR)の発見
2007年 ノーベル物理学賞
スピン注入
スピン輸送
S. Sugahara and M. Tanaka
0
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-80
-100
-100
NL
d-doped Sb
100 mm
AuSb
n-Ge channel
non-doped Ge
L = 1.0 mm
0.3 mm
強磁性体/非磁性体接合を介して
熱流からスピン流生成
50 nm
0.5 mm
Iac
111
Co2FeSi
000
400
311
Co2FeSi
111
022
DRDR
(mW)
(mW)
NLNL
022
111
n+-Ge(111)
000
2 nm
-500
-500
0
0
By (Oe)
By (Oe)
500
500
1000
1000
世界最高水準のスピン機
T. Kimura, K. 能
Hamaya et al.,
熱流⇒スピン流変換
スピン依存ペルチェ効果
10 K
DRNL
DRNL
強磁性体/非磁性体接合を介して
スピン流から熱流を生成
スピン流⇒熱流変換
-400
-400
0
0
Bz (Oe)
Bz (Oe)
400
400
スピン輸送の電気的検出に成功
J. Flipse et al., Nat. Nanotechnology 7, 166-168 (2012)
スピンMOSFET用低温ゲート絶縁膜形成技術
従来法
強磁性
ソース
0
513.6
強磁性
ドレイン
強磁性
ソース
513.5
-0.4
513.4
-0.6
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
H (kOe)
513.3
-1.5 -1 -0.5 0 0.5
H (kOe)
強磁性
ドレイン
200
300℃以上で熱処理
La2O3 (k ~ 30)
1.5
フレキシブルスピントロニクスへの挑戦
Ge
強磁性体/Ge界面でのスピン機能低下
1
K. Yamasaki, K. Hamaya et al., Appl. Phys. Express (2015).
山嵜、浜屋他、日本金属学会 2015年春期講演大会
high-k
Ge
強磁性金属と半導体の結晶面・原子配列に
注目した新規結晶成長技術
S
V2f
ゲート
high-k
Si or Ge
I ac3 = 0.75 mA
目標
ゲート
Si or Ge
513.7
300 K
-0.2
縦型スピンMOSFETへの挑戦
300℃以下プロセスが必要
Ge-Ge
250
300
350
-1
Raman shift (cm )
400
300 mm
La2O3(001)
Ge(111)
111
111
縦型Geチャネル
スピンMOSFET
500 nm
Si基板
A. Slachter et al., Nat. Phys. 6, 879-882 (2010)
S. Yamada, K. Hamaya et al., Appl. Phys. Lett. 96, 082511 (2010).
K. Kasahara, K. Hamaya et al., Appl. Phys. Express 7, 033002 (2014).
Fe3Si
V
NPG Asia Materials 4, e9 (2012)
n+-Ge(111)
Fe
Si
Cu
L21- Co2FeSi(CFS)
60
60
40
40
20
20
0
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
強磁性金属/半導体接合の高品質形成
CFS2
H
Co
Fe
Si
-1000
-1000
422
CFS1
Intensity (arb. units)
x
CFS/Cu横型スピンバルブ素子
V1fP (mV)
-
+V
高性能スピントロニクス材料
V2f S (mV)
I
スピン依存ゼーベック効果
DRDR
(mW)
(mW)
NLNL
y
電子一個のスピンを制御
(究極の超低消費電力素子)
半導体上のスピン流⇔熱流変換技術
横型スピン伝導素子
Co2FeSi (10 nm)
K. Hamaya et al.,
電子機器の極低消費電力化・高信頼性化を実現
スピンMOSFET用スピン注入技術の開発
Co (20 nm)
スピン検出
電極の磁化状態を利用した電流ON/OFFの制御
( MOSFETに不揮発メモリ機能が付与される )
我々の研究室では，「半導体スピントロニクス」
に注目して研究を進めている !!
z
単電子スピントランジスタ
スピンMOSFET
電子の持つ『電気を流す性質(電荷)』と，『磁石になる性質
(スピン)』の2つの性質を利用し，新機能材料・電子デバイ
スを開発する.
200 mm
Fe3Si
001
600 mm
101
001
101
フレキシブル基板上への擬似単結晶Ge薄膜の実現
H. Higashi, K. Hamaya et al., Appl. Phys. Lett. 106, 041902 (2015)
Ge
原子マッチング
テンプレートとして利用
強磁性
金属
本研究の最終目標
ゲート
Ge
強磁性
金属
Fe3Si
不揮発メモリ
素子
La2O3
Si sub.
Si(111)
Ge(111)
縦型GeチャネルスピンMOSFETの
基礎構造を実現!!
S. Yamada, K. Hamaya et al., Cryst. Growth Des. 12, 4703 (2012)
M. Kawano, K. Hamaya et al., Appl. Phys. Lett. 102, 121908 (2013)
5 nm
フレキシブル基板上への
スピントロニクス材料の
単結晶化に成功!!
フレキシブル基板
ソース
300 ºC以下で高品質high-k/Ge直接構造を実現
H. Higashi, K. Hamaya et al., ISTDM 2014.
金島、浜屋他、第20回ゲートスタック研究会、第62回応用物理学会春期学術講演会
ドレイン
不揮発メモリ機能搭載型
高性能薄膜トランジスタ