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原子膜半導体のスピン機能開拓に前進 ~原子膜半導体MoS2中のスピン情報を取り出す際の障壁高さを1/10に低減~

 京都大学は2021年2月9日,同大学大学院工学研究科電子工学専攻のSachin Gupta特定助教,白石 誠司教授らのグループが東京都立大学大学院理学研究科の宮田 耕充准教授らと共同で,次世代半導体材料の有力な候補物質である原子膜半導体である遷移金属ダイカルコゲナイドの1つ,二硫化モリブデン(MoS2)中に内在するスピン情報を取り出す際の障壁高さを1/10に低減することに成功したことを発表した(注).本成果は,英国の国際科学誌NPG Asia Materialsにオンライン掲載された.また,本研究は,科学研究費補助金・基盤研究(S)「半導体ナノスピントロニクス」,JST-CREST「二次元機能性原子・分子薄膜の創製と利用に資する基盤技術の創出」などの支援を受けて行われた.

 ノーベル物理学受賞でグラフェンが脚光を浴びて以来原子膜物質に関心が集まっており,特に近年では原子膜半導体である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)と呼ばれる化合物材料に強い関心が集まっている.TMDはこれまで主に半導体としての機能活用に研究の眼が向けられてきたが,最近ではTMDがスピン軌道相互作用によるスピン構造を持っており,スピントロニクス分野においても関心が向けられるようになった.ところで,TMDでは,スピンがTMD平面に対して垂直に立っており,TMDのスピン情報を効率よく取り出すには,面直スピン構造を持つ強磁性垂直磁化体(FM)である垂直磁化膜と呼ばれる薄膜をTMD上に成長させ,かつ,FMとTMDの界面に余分な電子スピン障壁が入らないことが必要である.しかし,垂直磁化薄膜をTMD上に成長させた例は少なく,また成長時に高い障壁層が入ってしまう現象が生じてしまい,TDMのスピントロニクス用素子への適用の阻害要因となっていた.

 研究グループは,まず,原子膜TMDを得る方法としてこれまで多くの場合に使われている剥離法と呼ばれる手法では原子膜一層を剥離する過程でTMDへの歪が加わり,その電子構造や結晶構造が変わってしまう可能性があったので,気相成長法を用いることにより大面積で品質のよい膜を作製でき,典型的なTMDである二硫化モリブデン(MoS2)を採用した.次にその上に形成する垂直磁化膜としては,熱処理などの余分な処理が必要ないコバルト(Co)と白金(Pt)からなる多層膜・Co/Ptを選択して,FM-TMD接合を作製した.

 作製した素子で障壁高さを測定した結果,従来よりも障壁高さを1/10にまで低減でき,ほぼFMとMoS2の間に障壁のない状態を作れることがわかった.FM-MoS2接合の電流電圧特性は,ほぼオーミックで,障壁高さは~10mVに過ぎなかった.本成果によって,MoS2などのTMD材料が本質的に持っているスピン情報を効率よく外部に取り出すことが可能なことが分かった.

 本研究では,シリコン(Si)基板表面のシリコン酸化膜(SiO2)上にMoS2の単層膜を成長させ,その表面2箇所にFMの垂直磁気異方性(PMA)電極をソースとドレインとして設け,基板Siにゲート電圧を加えるバックゲートFET(Field Effect Transistor)構造を作り,電流オンオフ比~105を得た.

 研究グループは,TMDスピントロニクス実現に向けた研究を進めており,今回,TMDにMoS2,FMにCo/Pt多層膜を用いることで得られた,FM膜電極接続の障壁に対するソリューションは.その目標達成の一里塚である.

(注)S. Gupta, F. Rortais, R. Ohshima, Y. Ando, T. Endo, Y. Miyata & M. Shiraishi, "Approaching bar-rier-free contacts to monolayer MoS2 employing [Co/Pt] multilayer electrodes", NPG Asia Materials, Vol. 13, Article number: 13 (2021), DOI: 10.1038/s41427-021-00284-1; Published: 05 February 2021