大阪大学大学院基礎工学研究科の山田晋也准教授(当時 助教)、加藤昌稔氏(当時 大学院基礎工学研究科博士前期課程）、浜屋宏平教授、同大学大学院工学研究科の市川修平助教、藤原康文教授らの共同研究グループは、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ました。

GaNは、光エレクトロニクスやパワーエレクトロニクスなど、多くの分野での応用が期待される高性能半導体材料ですが、電子のスピン自由度を積極的に活用するスピントロニクス分野においても期待され始めています。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です。しかし、これまでの研究のほとんどは、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であり、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りました。

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ました。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ます。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)ことは極めて困難でした。

本共同研究グループは、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0.4 nm)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(図1)、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ました。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しました(図2)。

今回の研究では、高性能磁石とGaNの間に絶縁体トンネルバリア層を用いていないスピン注入電極構造であるため、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ています。また、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しています。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、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ます。

本研究成果の関連情報は、国際学術誌「Advanced Electronic Materials」（オンライン: 5月9日）に掲載されました。

図1. (左) 高性能磁石(ホイスラー合金磁石)と高性能半導体(GaN)の結晶構造．(右) 高性能磁石/GaN接合の電子顕微鏡写真．

図2. スピン注入現象を検証するためのテストデバイスとして作製したGaN横型スピントロニクス素子(左)と室温スピン伝導信号の例(右)．

GaNは、青色発光ダイオード、レーザーダイオードなどの発光デバイスや、パワーデバイスなどの電子デバイスの半導体材料としての研究開発が盛んに進められていますが、電子のスピン自由度を積極的に活用するスピントロニクス分野においても期待され始めています。特に、室温でのスピン緩和時間が長いと考えられていることから、室温で動作す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とされており、半導体技術とスピントロニクス技術の融合を目指した研究が国内外で盛んに進められています。2017年に電流注入方式のGaN系スピンレーザーの室温実証が報告されていますが、絶縁体トンネルバリア層を用いた高抵抗のスピン注入電極構造を用いているため、レーザー発振のために大電圧を印加する必要があるという課題がありました。また、スピン注入源として用いた磁石のスピントロニクス材料としての性能が低いため、半導体へのスピン偏極状態の生成効率も低いという課題がありました。

本共同研究グループでは、これらの課題を解決するために、従来から検討されてきた磁石/絶縁体トンネルバリア/GaNという高抵抗電極構造を用いた電気的スピン注入技術ではなく、高性能ホイスラー合金磁石/GaN直接接合が実現する低抵抗電極構造を用いた低消費電力・高効率スピン注入技術を開発しました。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、GaAsや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きました。しかし、体心立方構造のホイスラー合金磁石とウルツ鉱型結晶構造の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(図1)、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)ことは極めて困難でした。

本研究では、ホイスラー合金磁石とGaNの接合界面に六方最密充填結晶構造のコバルト(Co)を数原子層(約0.4 nm)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(図1)、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ました。また、独自に開発した微細加工プロセスを用いて、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しました(図2)。今回の研究では、高性能磁石とGaNの間に絶縁体トンネルバリア層を用いていないスピン注入電極構造であるため、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ています。また、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しています。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、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ます。

スピン発光デバイスの代表例であるスピンレーザーは、光通信技術における大容量暗号通信用の低消費電力量子光源への応用などが期待されています。今後、本研究成果をもとに、室温でのスピン注入効率をさらに増大させ、低消費電力かつ高効率なスピン注入電極構造をレーザーデバイス構造に適応して研究開発を進めることで、室温・低電圧で電流注入により駆動する小型のGaN系スピンレーザーの実現につながることが期待されます。

本研究成果に関する情報は、国際科学誌「Advanced Electronic Materials」（オンライン: 5月9日）に掲載されました。

タイトル：“Half-metallic Heusler alloy/GaN heterostructure for semiconductor spintronics devices”
著者名：Shinya Yamada, Masatoshi Kato, Shuhei Ichikawa, Michihiro Yamada, Takahiro Naito, Yasufumi Fujiwara, and Kohei Hamaya
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1002/aelm.202300045

なお、本研究の一部は、日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(S)(No. 19H05616)、特別推進研究 (No. 18H05212)、文部科学省 スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点(大阪大学大学院基礎工学研究科スピントロニクス学術連携研究教育センター、大阪大学先導的学際研究機構スピン学際研究部門)の補助を受けて行われました。

大阪大学 大学院基礎工学研究科 附属スピントロニクス学術連携教育センター 浜屋研究室
http://www.semi.ee.es.osaka-u.ac.jp/hamayalab/

山田晋也准教授 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/64485a288afe36be.html

浜屋宏平教授 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/0dd095b8b5e7f0cc.html