赤堀研究室 赤堀 誠志 准教授

Photo: 赤堀 誠志 准教授

〈専門分野〉半導体エピタキシャル成長、半導体ナノ構造
〈キーワード〉ICTイノベーション、スピンデバイス、低温物性、半導体物性

半導体ナノワイヤを舞台としたスピントロニクス研究

研究内容

 従来のエレクトロニクスでは、チャージ(電荷)の制御により情報処理が行われてきました。これに対してスピントロニクスは、チャージだけでなくスピン(磁性)を制御することにより情報処理を行っていくものです。国際半導体ロードマップにおいても、スピントロニクス素子は重要な次世代デバイスの一つとして位置付けられています。半導体を用いる代表的なスピントロニクス素子は、InAs・InGaAs・InSb・InGaSbなど大きなスピン軌道結合を有する半導体と強磁性体との複合構造からなるスピン電界効果トランジスタです(図1)。この素子においては、半導体ナノワイヤを採用することにより、スピン軌道結合と弾性散乱によるスピン緩和が抑制されると期待されています。そこで本研究室では半導体ナノワイヤと強磁性体との複合構造に関する実験的研究を行っています。
 まず、半導体ナノワイヤの作製に関して、電子ビーム露光とエッチング加工を組み合わせたトップダウン手法(図2)と、領域選択分子線エピタキシャル成長を用いたボトムアップ手法(図3)に関する研究を進めています。トップダウン手法では高品質な半導体ヘテロ接合を用いることが可能ですが、コヒーレントな伝導のためにはエッジ形状の最適化や加工ダメージの抑制などの課題があります。ボトムアップ手法では半導体ヘテロ構造の利用は困難ですが、成長条件の最適化によりトップダウン手法では困難な良好な形状・微小な寸法を実現できる可能性があります。

 また、半導体ナノワイヤと強磁性体との複合構造の作製技術として、電気化学プロセスによる強磁性体の形成(図4)に関する研究を進めています。この方法では、酸性電解液による半導体表面清浄効果や、厚付け・周り込みによる3次元的形成が期待され、強磁性体から半導体へのスピン注入効率が向上する可能性があります。
 作製した複合構造に関しては、超伝導マグネット付クライオスタットなどを用いて、低温・強磁場環境下での電気的評価・解析を進めています。面内磁場中での非局所配置における抵抗測定(図5)などにより、スピン注入・輸送・検出に関する知見を獲得することが可能です。これら知見を基に、未踏のスピン電界効果トランジスタの実現を目指します。

使用装置

分子線エピタキシャル成長装置、電子ビーム露光装置、反応性イオンエッチング装置、電気化学プロセス装置、走査型電子顕微鏡、超伝導マグネット付クライオスタット、ロックイン計測システム

過去5年間の主な研究業績

  1. M. Akabori and S. Yamada, Magneto-transport properties of InAs nanowires laterally-grown by selective area molecular beam epitaxy on GaAs (110) masked substrates, AIP Conf. Proc., Vol. 1566, 219-220 (2013).
  2. S. Hidaka, M. Akabori, and S. Yamada, High-efficient long spin coherence electrical spin injection in CoFe/InGaAs two-dimensional electron gas lateral spin-valve devices, Appl. Phys. Express, Vol. 5, 113001-1-3 (2012).
  3. M. Akabori, T. Murakami, and S. Yamada, Selective area molecular beam epitaxy of InAs on GaAs (110) masked substrates for direct fabrication of planar nanowire field-effect transistors, J. Crystal Growth, Vol. 345, 22-26 (2012).
  4. S. Estévez Hernández, M. Akabori, K. Sladek, Ch. Volk, S. Alagha, H. Hardtdegen, M. G. Pala, N. Demarina, D. Grützmacher, and Th. Schäpers, Spin-orbit coupling and phase coherence in InAs nanowires, Phys. Rev. B, Vol. 82, 235303-1-7 (2010).
  5. M. Akabori, K. Sladek, H. Hardtdegen, Th. Schäpers, and D. Grützmacher, Influence of growth temperature on the selective area MOVPE of InAs nanowires on GaAs (111) B using N2 carrier gas, J. Crystal Growth, Vol. 311, 3813-3816 (2009).
連絡先

赤堀 誠志/E-mail:akabori@jaist.ac.jp TEL:0761-51-1477 FAX:0761-51-1455

2013年2月に発足した研究室です。研究室の方針として、配属された学生の皆さん一人一人に、様々な装置を使ってもらい、半導体や強磁性体など「もの」をつくるところから、電気的評価・解析によりつくった「もの」を調べるところまで一貫して行ってもらうつもりです。装置や材料を扱うのが好きな学生の皆さんと、協力して研究を進めていきたいと思っています。