グラフェンと異なる新たなスピントロニクス材料を発見 - 東北大

東北大学は、層状半導体GaSeが、従来のGaAsに比べて10倍以上大きなスピン軌道相互作用を示すことを発見した。スピン起動相互作用は、磁場を用いることなくスピン生成・操作・検出を可能にするため、同材は、強磁性体を一切用いない高速・低電力化が可能な電界効果スピントラジスタの実現に有望な材料であることが期待される。

同成果は、同大 大学院工学研究科 高砂祥一 博士前期課程学生(現エプソン)、好田誠准 教授、塩貝純一 助教(現同大金属材料研究所)、新田淳作 教授らによるもので、試料は同大 大学院工学研究科 小山裕 教授の研究グループから提供された。詳細は、米国科学誌「Physical Review B,Rapid Communication」(オンライン版)に掲載された。

グラフェンの発見以来、層状物質半導体の研究が注目されている。グラフェンは、機械的強度、熱伝導、移動度が高くさまざまな応用が期待されているが、エネルギーギャップがゼロであることから原子層トランジスタとしてON/OFF比を大きくすることが出来ない欠点がある。一方、GaSeなどのIII-VI族層状物質半導体は、直接遷移型のエネルギーギャップが有限で比較的移動度が高いことから、原子層トランジスタを目指した研究が行われている。

また、直接遷移型半導体である特性を活かした薄膜フォトディテクター、非線形光学効果を用いた室温テラヘルツ波発生源としての研究も行なわれており、さらには、圧力印加によるトポロジカル絶縁体転移や、電界制御による強磁性転移が理論的に予言されている。スピン軌道相互作用はトポロジカル絶縁体や強磁性体の磁気異方性などに重要な役割を果たすとともに、電子スピンの電気的操作を可能にするが、これまでGaSeのスピン軌道相互作用の起源について実験的な知見はなかった。

今回、10nmのGaSe薄膜トランジスタ構造を作製し、磁気量子伝導度測定を実施した。まず、弱反局在理論とのフィッティングからスピン軌道相互作用の強さを評価したところ、III-VI族層状半導体GaSeは、同程度のエネルギーギャップ、価電子帯のスピン分離をもつIII-V族半導体GaAsに比べて10倍以上スピン軌道相互作用が強くなることが分かった。また、バックゲート電圧依存性から、ラッシュバ型のスピン軌道相互作用であることが確認された。

研究グループは、原子層GaSeではゲート電圧によって磁性体に転移することが理論的に予言されていることから、電界による磁性体転移とラッシュバ効果を組み合わせると磁性体を用いることなく、GaSeのみで全GaSeスピントランジスタを構成できることが期待されるとコメントしている。