京大ら、シリコンスピンMOSFETの室温動作に世界で初めて成功

試作されたスピンMOSFETの構造図

　京都大学、TDK株式会社、秋田県産業技術センターのグループは4日、シリコンを用いたスピンMOSトランジスタ(スピンMOSFET)の室温動作に世界で初めて成功したことを発表した。

　CMOSが微細化の限界に直面しつつある中、高速性、高集積性、不揮発性を備える電子のスピン自由度を活用したスピンMOSFETが注目され、中でも自然界にほぼ無尽蔵に存在し、従来のインフラや技術を利用できるシリコンを用いたスピンMOSFETの研究が活発に進められている。ただ、シリコンスピンMOSFETを実現する上で、シリコンの伝導を外部電場により制御することに課題があった。

　シリコン中でのスピンの伝導自体はすでに室温で実現されていたが、金属と同じような電気抵抗特性を有し、ゲート電圧による制御が難しい縮退半導体領域でしか実現されていなかった。縮退半導体は、シリコンに一定以上の濃度の不純物をドーピング(添加)することで発生する。

　今回の研究ではシリコンチャネルにリンをドーピングしているが、半導体特性を維持し、非縮退半導体として動作できる濃度に抑えた。そして、このシリコンチャネルに磁性体電極である鉄からスピンを注入。シリコン基板側にあるバックゲートからゲート電圧を印加する構造のシリコンMOSFETを試作した。

　このシリコンMOSFETに外部より磁場を印加して磁気抵抗効果を観測したところ、外部磁気に依存した素子抵抗が変化していることから、室温で非縮退シリコンの中でスピン伝導が成功していることが確認された。また、磁気抵抗比は大きくないものの、ゲート電圧によってスピン伝導が変調していることも観測され、スピンMOSFETとして動作していることも確認された。実験においては、40nmの距離をスピンが伝導することも確認され、現在のCMOSのゲート長(10～20nm台)と比較しても、デバイスへの応用に十分なものとしている。

　今回の成功は、メモリ機能とトランジスタ機能を1つのデバイスに搭載し、超低消費電力、不揮発性なども兼ね備えた新しい情報処理スキームの実現に大きく前進したものとしており、室温において大きい磁気抵抗比を得ることや、スピンMOSFETを組み合わせた新しい論理システムのデモを行なうことを次のステップに掲げている。

シリコン中のスピン伝導を観測するための回路と、磁気抵抗効果の変化

図中(b)がバックゲートから電圧を印加した際のスピンMOSFETの動作