新原理コンピューティング研究センター

1. メンバー

研究チーム長 Team Leader	Jansen Ronald	Researcher ID	Google Scholar
主任研究員 Senior Research Scientist	揖場 聡    IBA Satoshi	Researcher ID
主任研究員 Research Scientist	Aurelie Spiesser	Researcher ID
研究員 Researcher	齋藤 秀和（兼務）    SAITO Hidekazu(Adjunct)	Researcher ID
招聘研究員 Invited Senior Researcher	大野 裕三    OHNO Yuzo

2. 主な研究テーマ

スピン機能材料チームでは、不揮発性記憶機能と省電力性能を合わせ持つスピントランジスタや円偏光出力が可能なスピンレーザの基盤技術の開発を推進しています。

�@スピントランジスタ

電子のスピン機能を利用しメモリ機能を有する「スピントランジスタ」の実現を目指した強磁性/半導体複合スピンデバイスの研究を行っています。図に示す通り、スピントランジスタはソースとドレイン電極にスピンの源となる強磁性体が用いられることが大きな特徴です。これにより、Siチャネル層を流れる電流は強磁性電極の磁化方向を記憶したスピン偏極電流となり、これをメモリ機能として利用することができます。実用的なスピントランジスタを実現するためには、スピン偏極電流が強磁性電極とSiの接合界面を横切る際（スピン注入・検出）やSiチャネル中を流れている間（スピン輸送）に、そのスピン情報が失われることのない高品位の接合界面やチャネル層開発がポイントとなります。我々のグループでは、強磁性電極に高品位Fe/MgOトンネル接合を用いることにより、ほぼ完全にスピン偏極した電流をSiチャネルへ注入することに世界で初めて成功しています。

【主要論文】

1. “Analysis of surface acoustic wave induced spin resonance of a spin accumulation”, R Jansen, P Dhagat, A Spiesser, H Saito, S Yuasa,, Physical Review B 101 (21), 214438 (2020).
2. “Proximity exchange coupling in a Fe/MgO/Si tunnel contact detected by the inverted Hanle effect”, R Jansen, A Spiesser, H Saito, Y Fujita, S Yamada, K Hamaya, S Yuasa, Physical Review B 100 (17), 174432 (2019).
3. “Tunnel spin polarization of Fe/MgO/Si contacts reaching 90% with increasing MgO thickness”, A Spiesser, H Saito, S Yuasa, R Jansen, Physical Review B 99 (22), 224427 (2019).
4. “Hanle spin precession in a two-terminal lateral spin valve”, A Spiesser, Y Fujita, H Saito, S Yamada, K Hamaya, S Yuasa, R Jansen, Applied Physics Letters 114 (24), 242401 (2019).
5. “Quantification of Spin Drift in Devices with a Heavily Doped Channel”, A Spiesser, Y Fujita, H Saito, S Yamada, K Hamaya, W Mizubayashi, Physical Review Applied 11 (4), 044020 (2019).
6. “Giant spin accumulation in silicon nonlocal spin-transport devices”, A Spiesser, H Saito, Y Fujita, S Yamada, K Hamaya, S Yuasa, R Jansen, Physical Review Applied 8 (6), 064023 (2017).
7. “Suppression of spin transport in ferromagnet/oxide/semiconductor junctions by magnetic impurities in the tunnel barrier”, A Spiesser, H Saito, S Yuasa, R Jansen, Applied Physics Express 9 (10), 103001 (2016).
8. “Nonlinear spin transport in a rectifying ferromagnet/semiconductor Schottky contact”, R Jansen, A Spiesser, H Saito, S Yuasa, Physical Review B 92 (7), 075304 (2015).
9. “Large spin accumulation voltages in epitaxial M n 5 G e 3 contacts on Ge without an oxide tunnel barrier”, A Spiesser, H Saito, R Jansen, S Yuasa, K Ando, Physical Review B 90 (20), 205213 (2014).
10. “Injection and detection of spin in a semiconductor by tunneling via interface states”, R. Jansen, A. M. Deac, H. Saito, S. Yuasa, Physical Review B 85, 134420 (2012).
11. “Thermal spin current and magnetothermopower by Seebeck spin tunneling”, R. Jansen, A. M. Deac, H. Saito, S. Yuasa, Physical Review B 85, 094401 (2012).
12. “Thermal spin current from a ferromagnet to silicon by Seebeck spin tunneling”, Jean-Christophe Le Breton, Sandeep Sharma, Hidekazu Saito, Shinji Yuasa, Ron Jansen, Nature 475 (7354) 82-85 (2011).
13. “Silicon spintronics”, Ron Jansen, Nature Materials 11 (5), 400-408 (2012).

�A スピンレーザ

電子のスピン機能を利用した新しい半導体レーザ「スピンレーザ」の開発を推進しています。スピンレーザは円偏光から直線偏光まで様々なレーザ偏光を出力し、かつ、高速な円偏光切替(~GHz)を可能とするなどユニークな特徴を有することから次世代光源として注目されています。スピンレーザを実現するためには主に３つの要素技術を確立することが求められています。 １）スピン注入：磁性電極を用いてスピンの向きが揃った電子を半導体に注入 ２）スピン輸送：スピンの向きを維持したまま電子を発光層まで輸送 ３）スピン変換：発光層においてスピン情報を光の偏光に高効率に変換 我々のチームではこれらの技術課題の解決に取り組み、ナノ秒台の長いスピン寿命を有するスピン輸送層や発光層の開発に成功するなど、スピンレーザ研究をリードする成果を上げています。

【主要論文】

1. “Room temperature spin relaxation in (110)-oriented GaAs/AlGaAs superlattice with tunnel-coupled quantum wells”, Y. Ohno, S. Iba, R. Okamoto, Y. Obata, K. Obu, J. Domingez, H. Saito, Appl. Phys. Express in press.
2. “Systematic study of surface morphology, photoluminescence efficiency, and spin-detection sensitivity in (110)-oriented GaAs/AlGaAs quantum wells”, S. Iba, H. Saito, K. Watanabe, Y. Ohno, S. Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 55, 113001 (2016).
3. “Growth condition dependence of photoluminescence polarization in (100) GaAs/AlGaAs quantum wells at room temperature”, S. Iba, H. Saito, K. Watanabe, Y. Ohno, S. Yuasa, J. Appl. Phys. 118, 083901 (2015).
4. “Fabrication of Ge-based light-emitting diodes with a ferromagnetic metal/insulator tunnel contact”, S. Iba, H. Saito, S. Yuasa, Y. Yasutake, S. Fukatsu, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 04DM02 (2015).
5. “Reducing Schottky barrier height for Fe/n-GaAs junction by inserting thin GaOx layer”, H Saito, Y Mineno, S Yuasa, K Ando, J. Appl. Phys. 109, 07C701 (2011).
6. “Efficient spin injection into semiconductor from an Fe/GaOx tunnel injector”, H. Saito, J.C. Le Breton, V. Zayets, Y. Mineno, S. Yuasa, K. Ando, Appl. Phys. Lett. 96, 012501 (2010).
7. “Highly Enhanced Electron-Injection Efficiency in GaAs-Based Light-Emitting Diodes Using a Fe/GaOx Tunnel Injector”, H. Saito, J.C. Le Breton, V. Zayets, S. Yuasa, K. Ando, Appl. Phys. Express 2, 083003 (2009).
8. “Low effective barrier height of  GaOx tunnel barrier in metal/semiconductor hybrid junctions”, J.C. Le Breton, H. Saito, S. Yuasa, K. Ando, Appl. Phys. Lett. 94, 152101 (2009).

3. 主な研究設備・技術の紹介

	(1) 成膜装置 3台の分子線エピタキシー装置を駆使して半導体/絶縁体/磁性金属から成るハイブリッド構造やレーザ・LED構造の高品質な成膜技術を有しています。
	(2) 高磁界低温電気測定装置 2台のPPMS(物理特性測定装置)を利用して様々な温度・磁界中において電気測定を行うことが可能です。
	(3) 光学特性評価装置 パルス(ピコ秒)および連続波の波長可変光源(700~1000nm)や白色ハロゲンランプ等を利用して試料の光学特性(発光/吸収/反射)を広帯域(300~2000nm)で評価することが可能です。

4. 主な外部資金プロジェクト、外部連携

進行中の外部資金プロジェクト ・科研費： 基盤研究B (2019-2021) 超高品質エピタキシャル成長技術によるスピン・フォトン変換デバイスの開発 研究代表者：揖場聡（産総研） 基盤研究C (2019-2021) (110)面方位の半導体量子構造のスピンダイナミクスとスピンレーザーの実現 研究代表者：大野裕三（筑波大学）、研究分担者：揖場聡（産総研） ・外部連携： 筑波大、東北大、千葉大、東大、京都工繊大

5. 過去の主なプレス発表へのリンク

2016年 世界最高性能の半導体系トンネル磁気抵抗素子を開発 −待機電力ゼロのトランジスタ実現へ道を拓く− https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2016/pr20160920/pr20160920.html 2012年 室温で半導体ゲルマニウムに電子スピン情報を入力 −超省電力トランジスタ実現へ道を拓く− https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120508/pr20120508.html 2011年 ゼーベック・スピントンネル効果を発見 −温度差だけで電子スピン情報がシリコンに伝わる新現象− https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2011/pr20110630/pr20110630.html