次世代半導体材料ゲルマニウムにおける室温スピン伝導を世界で初めて実現

 白石誠司 工学研究科教授、Sergey Dushenko氏(大阪大学からの特別研究学生)、およびイギリスWarwick大学Department of PhysicsのMaksym Myronov 博士のグループは共同で、次世代半導体材料として大きな注目を集めているゲルマニウム(Ge)中に室温でスピンを流すことに世界で初めて成功しました。

 本研究成果は、米国物理学会科学誌「Physical Review Letters」の電子版で近日中に公開されることになりました。

概要

 シリコン(Si)を基幹材料とした現在のエレクトロニクスは微細加工の限界に直面しつつあり、その限界を突破するための様々な技術的挑戦が行われています。GeはSiを大きく凌駕する高い移動度(電子などの動きやすさの指標)を達成している材料であり、Siを超える次世代エレクトロニクス材料として大きな注目を集めています。Siエレクトロニクスの限界を超えるもう一つのキーテクノロジーがスピントロニクスと呼ばれる技術であり、電子の電荷自由度に加えスピン自由度を同時に制御する技術です。

 これまでシリコンを用いたスピントロニクスでは、室温でのスピン伝導やシリコンスピンMOSトランジスタ動作が同研究グループによって実現していたものの(2014年9月4日のプレス発表など)、この次世代半導体材料であるゲルマニウムにおいては応用可能性を広く開拓する室温でのスピン輸送は実現しておらず、半導体スピントロニクス分野において次に達成すべき重要なマイルストーンとなっていました。

 今回の成果はポストSi材料であるGeとポストSiエレクトロニクス技術であるスピントロニクスの融合により、現在のエレクトロニクスが直面している技術限界を突破できた、という大きな意義を持ちます。

図: 今回の実験で用いた素子構造
図: 今回の実験で用いた素子構造

n型ゲルマニウム(n-Ge)上にNiFe(Py)合金とパラジウム(図中にはMeSOIと表記)を一定の距離L離して作製します。Pyに静磁場Hを印加した状態でマイクロ波(micro wave)を照射すると強磁性共鳴という現象がPy中で生じます。この条件下でn-Ge中にスピンが強制的に注入(ポンプ)されます。ポンプされたスピンは純スピン流としてn-Geを伝導しパラジウムに吸収されますが、パラジウムにおける逆スピンホール効果により純スピン流は電流に変換され、電圧が観測されます。実験ではこの電圧を観測することで室温スピン伝導の証明を行いました。

研究者からのコメント

左から白石教授、Sergey氏

 2年前に国際会議で偶然今回の共同研究者であるMyronov博士と出会い、トントン拍子で共同研究が進みました。英語・ロシア語・日本語が錯綜する賑やかな研究現場からこのような先駆的な成果が発信できたことを大変幸せに思っています。

詳しい研究内容について