大阪大學研究生院基礎工程研究科的山田晉也副教授、加藤昌稔博士生（從事本研究時）、濱屋宏平教授，以及研究生院工學研究科的市川修平助教和藤原康文教授等人組成的聯合研究團隊，成功地在氮化鎵（GaN）上製備出了高性能的自旋電子材料（赫斯勒合金磁體），並開發出了由高性能磁體/GaN組成的低接電擊阻電極結構的室溫・高效率自旋注入技術。這種高性能自旋電子材料作爲日本發自日本的技術而備受矚目。相關研究成果已發表在《Advanced Electronic Materials》上。
圖1. 爲驗證自旋注入現象而製作的測試用GaN橫向自旋電子學元件(左)和室溫自旋傳導訊號的示例(右)（供圖：大阪大學）
GaN正在被廣泛應用於光電子學和功率電子學等領域，同時，也有望應用於積極利用電子自旋自由度的自旋電子學領域。尤其作爲自旋發光元件的半導體材料，GaN是一種頗具魅力的材料。
然而，至今爲止的大多數研究，在從強磁體向GaN進行自旋注入時，通常都採用強磁體/絕緣體隧道屏障/GaN這樣的具有絕緣體隧道屏障層的高電阻電極結構，但在推廣應用時，還存在需要大電壓驅動，直接影響元件性能的自旋注入效率不高等課題。
爲了在GaN中實施低功耗且高效的自旋注入，研究團隊使用了赫斯勒合金磁體作爲自旋注入源材料與GaN的肖特基隧道進行直接接合。赫斯勒合金磁體是一種知名的高性能自旋電子學材料，已被用作高效自旋注入源材料，注入到砷化鎵（GaAs）和鍺（Ge）等半導體材料中。但是，赫斯勒合金磁體和GaN的晶體結構有很大的差異，表面原子排列也不一致，所以在GaN上製作高品質的赫斯勒合金磁體非常困難。
對此，研究團隊成功地在赫斯勒合金磁體與GaN的接觸界面插入了數原子厚度的鈷（Co）（厚約0.4奈米），使得赫斯勒合金磁體在GaN上進行磊晶生長，並實施肖特基隧道直接接觸。同時製作了一個使用該肖特基隧道直接接觸的電極結構的測試元件，併成功地在室溫下觀察到自旋注入訊號。
由於這種自旋注入電極結構沒有在高性能磁體和GaN之間使用絕緣體隧道屏障層，因此實施了比傳統方法低3個數規模的接電擊阻值，實施了低功耗的自旋注入。此外，透過使用高性能的赫斯勒合金磁體作爲自旋注入源，實施了傳統方法3～4倍的自旋注入效率。
這次的研究成果實際驗證了「低功耗且高效」的GaN自旋注入技術。未來有望實施在電池級別低電壓下驅動的小型GaN系自旋雷射。
山田副教授表示：「此次的研究成果是與半導體領域等其他領域的研究者們合作的結果。我們在2018年開始合作研究，直到論文發表花了大約5年的時間，但能推動跨領域的融合研究，對我而言這是一項非常有意義的研究成果。在此再次感謝所有的相關人員，今後爲了能夠進一步隊形變換此次的研究成果，還將繼續操作進行研究」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Advanced Electronic Materials
論文：Half-metallic Heusler alloy/GaN heterostructure for semiconductor spintronics devices
DOI：doi.org/10.1002/aelm.202300045
