阪大,GaNへ最高効率・低消費電力でスピンを注入

大阪大学の研究グループは,日本発の高性能半導体材料として注目されている窒化ガリウム(GaN)上に高性能スピントロニクス材料(ホイスラー合金磁石)を作製することに成功し,高性能磁石/GaNからなる低接合抵抗電極構造を用いた室温・高効率スピン注入技術を開発した(ニュースリリース)。

GaNは,光エレクトロニクスをはじめ多くの分野で期待される高性能半導体材料だが,スピントロニクス分野においても期待され始めている。

特に,半導体スピントロニクスデバイスとして期待されているスピン発光デバイス用の半導体材料として魅力的な材料だが,これまでの研究では,強磁性体からGaNへのスピン注入の際に,「強磁性体/絶縁体トンネルバリア/GaN」という絶縁体トンネルバリア層を用いた高抵抗の電極構造を用いることが一般的だった。

そのためデバイス動作に大電圧が必要であるばかりでなく,素子性能に直接関わるスピン注入効率もそれほど高くないという応用上の課題があった。

今回の研究では,GaNへの低消費電力・高効率なスピン注入を実現するため,スピン注入源材料としてホイスラー合金磁石とGaNのショットキートンネル直接接合を利用した。ホイスラー合金磁石は,高性能スピントロニクス材料として知られており,砒化ガリウム(GaAs)やゲルマニウム(Ge)などの半導体材料への高性能なスピン注入源材料として利用されている。

しかし,ホイスラー合金磁石とGaNは結晶構造が大きく異なり,表面の原子配列も整合していないため,GaN上にホイスラー合金磁石を高品質に作製する(エピタキシャル成長する)ことは極めて困難だった。

研究グループは,ホイスラー合金磁石とGaNの接合界面にコバルト(Co)を数原子層(約0.4nm)挿入することで,GaN上にホイスラー合金磁石をエピタキシャル成長し,ショットキートンネル直接接合を実現することに成功した。

また,そのショットキートンネル直接接合電極構造を用いたテストデバイス構造を作製し,室温でスピン注入信号を観測することに成功。従来よりも3桁以上低い接合抵抗値を実現し,低消費電力でのスピン注入を実現したという。

スピン注入源として高性能ホイスラー合金磁石を利用することで,従来よりも3~4倍以上高いスピン注入効率を実現。つまり,今回の研究成果は,GaNへの「低消費電力かつ高効率」なスピン注入技術の実証であり,研究グループは今後,電池レベルの低電圧で駆動するスピン発光デバイスの開発につながることが期待されるとしている。

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