東北大学は3月7日、独自のスピンエサキトンネル接合素子を作製し、半導体を流れる電子スピンの検出感度を、従来よりも最大40倍まで増幅させることに成功したと発表した。

同成果は、同大大学院 工学研究科の塩貝純一博士課程後期3年(日本学術振興会特別研究員)、好田誠准教授、新田淳作教授らによるもの。同大 金属材料研究所の野島勉准教授、ドイツレーゲンスブルグ大学のDieter Weiss教授らと共同で行われた。詳細は、米国物理学会誌「Physical Review B」の速報版に掲載された。

電子の持つスピンの性質を電子デバイスに組み込むことにより、性能を向上させる半導体スピントロニクス分野が注目されている。この分野における基盤技術としては、半導体へのスピン注入(半導体中のスピンを揃える操作)、スピン制御(半導体中でスピンの方向を回す操作)、スピン検出(電気的にスピンの情報を読み出す操作)が挙げられる。また、これまで実現されていない技術として、半導体中のスピン信号を増幅させること(スピン増幅)がある。これらを全て電気的に高効率に行うことが、全スピン集積回路を構築する上で重要とされている。

これまで、半導体中のスピン注入およびスピン検出に関する研究は、GaAsなどのIII-V族半導体やSiやGeなどのIV族半導体をチャネル材料としたスピントロニクスデバイスにおいて行われてきた。特に、IV族半導体は、従来のエレクトロニクスデバイスと非常に整合性が良いことから、半導体スピントロニクスにおいてもSiへのスピン注入が注目されている。しかし、電気的な手法を用いたSiやGeなどへのスピン注入およびその検出においては、スピンが実際に蓄積されていると仮定した場合の理論値よりも2～3桁程大きな電気信号が得られており、これが真のスピン蓄積信号であるかどうかが疑問視されているため、Siのスピン蓄積・検出技術における未解決の課題として残されていた。一方、スピン増幅はスピン集積回路構築に関して、新たな機能を付加する可能性があるだけでなく、微小なスピン蓄積を高感度に検出する技術と成り得ることが考えられ、これまでの材料以外へのスピン注入実験への応用が期待できるとされている。

今回の研究では、強磁性半導体(Ga,Mn)Asと非磁性半導体GaAsの接合が作るスピンエサキダイオード構造をスピン注入・検出電極として利用した。(Ga,Mn)Asは、p型半導体と磁石(強磁性体)の両方の性質を持つスピントロニクス材料であり、n型半導体GaAsとの接合を作ることで、(Ga,Mn)Asの価電子帯からGaAsの伝導帯へのバンド間トンネル効果により、高効率にスピンを注入・検出ができると期待されている。同材料を用いて、n型GaAsへのスピン蓄積を電気的に検出する実験を行った。

図1(a)のような、スピン注入素子と電気検出の測定配置により、左側の強磁性体電極から半導体へ電流を流すと、下の半導体チャネルにスピンが蓄積される(スピン注入)。蓄積されたスピンは半導体中を流れ(スピン輸送)、右側の強磁性体へ到達する。この時、右側の強磁性電極の電圧を測定すると、スピンの蓄積量に比例した電圧が発生する(スピン検出)。検出接合に印加する電圧はスピン検出感度を制御するために印加している。スピン検出感度はスピンの蓄積量を電圧測定する際の変換係数として定義される。スピン検出感度が高ければ大きなスピン電気信号が得られることになる。

図1(b)は、検出電極における電流-電圧特性。スピン蓄積があるときはないときに比べて、電流-電圧特性がシフトするため、その差を電圧として検出することにより、スピン情報を電気的に読み出すことができる。低電圧におけるオーミック性があるところではΔVNL、非オーミック性が強いところではΔVをスピン電気信号として検出される。このため、非オーミック性が強いと大きなスピン信号が得られることが期待できる(スピン増幅)。ここで、オーミック性は接合の電流-電圧特性のどれだけ直線性があるかという性質である。一方、オーミック性が保たれている検出電極の場合、図1(c)のようになり、増幅効果は得られない。

図1 (a)スピン注入素子におけるスピン信号の測定配置。検出電極に電圧を印加する場合。(b)検出電極における電流-電圧特性。実線はスピン蓄積がないとき。点線はスピン蓄積の影響で電流-電圧特性がシフトしている。検出接合に電圧を印加していないときはスピン蓄積信号をΔVNLとして測定する。非オーミック性が強いところではΔVとして電気検出する。(c)完全にオーミック性を保った一般的な接合の場合。この場合、スピン蓄積信号は電圧に依存性せず、増幅効果は得られない

図2は、スピンエサキダイオード検出電極の電流-電圧特性、そこから計算したオーミック性、および得られたスピン増幅効果の検出電極に印加する電圧依存性である。ここで、オーミック性は接合の微分抵抗値(dR)と抵抗値(R)の比(dR/R値)で評価している。オーミック接合であれば、dR/R=1となるが、大きなエネルギー障壁などにより電流が流れにくくなると、dR/R>1となる。また、スピン信号の増幅率は実験値と接合がオーミックであると仮定したときに期待できるスピン信号の比として定義している。スピンエサキダイオード構造においては、正のバイアスを印加して図中領域(i)から同領域(ii)に変わるにしたがって、バンド間トンネルによる電流が抑制されて電流が流れにくくなるため、直線的な電流-電圧特性が得られず、dR/R値が大きくなり、非オーミック性が強くなる。図2(c)は実際に測定した増幅率。低バイアス領域(図中オーミック領域)でdR/R≈1であり、観測された増幅率は約1と一定で、大きな増幅を示さない。一方で、0.3～0.4V付近(同非オーミック領域)のdR/R値が大きくなる領域でスピン信号が増大しており、dR/R値が最大のところで、約40倍の信号増幅ができていることが分かる。研究グループでは、今回の研究で得られた知見は、非オーミック性が強いスピンエサキ構造を用いることで初めて得られた成果であるとしている。

図2 (a)今回の研究で用いたスピンエサキダイオード構造の電流-電圧特性。挿入図は各バイアス領域におけるトンネル電流の様子をエネルギー図で表したもの。(b)電流-電圧特性から計算した接合のオーミック性(dR/R値)の電圧依存性。(c)今回の研究で得られた増幅効果。非オーミック領域で最大約40倍の増幅効果が得られた

今回の成果により、スピン増幅のための指針が明らかになり、強磁性・半導体接合のdR/R値を大きくした材料を用いれば、微小な量のスピン情報を電気的手法で高感度に測定することができる。このスピン増幅機能は、バイアス電圧により電気的に制御可能であり、スピントロニクスデバイスの開拓に重要な役割を果たすことが期待されるとコメントしている。