大阪大學研究生院基礎工學研究科博士研究生大木健司、碩士生上田信之介、浜屋宏平教授，該校先導性學際研究機構宇佐見喬政講師，熊本大學半導體與數字研究教育機構山本圭介教授，東京都市大學綜合研究所澤野憲太郎教授等人的聯合研究團隊，在含有半導體pn結合的器件中，全球首次成功觀測到了室溫下的自旋傳導現象。相關研究成果以快報形式發表在《Physical Review Applied》上。
圖1 經由Ge pn結合的自旋注入技術示意圖。自旋極化電子通過量子力學帶間透納傳導，從頂部高性能磁性體（強磁性赫斯勒合金）高效注入底部n-Ge半導體層，最終在室溫條件下觀測到了自旋傳導。（供圖：大阪大學）
隨著AI技術的普及，大規模組據中心的電力消耗持續大幅增加。為此，兼具低功耗運算功能與非易失性存儲功能的新一代半導體自旋電子器件的研發正在加速推進。要實現非易失性存儲功能，必須證實電子在保持其磁性特徵（自旋）的同時能在半導體中實現電子傳導的自旋傳導。
此前，聯合研究團隊已自主開發出了將半導體鍺（Ge）與高性能自旋電子學磁性材料（強磁性赫斯勒合金）高品質直接接合的結構，並證實了室溫自旋傳導。然而，由於常規半導體元件中存在負責電流開關控制的pn結合，因此需要在含有pn結合的器件結構中觀測室溫自旋傳導。
迄今為止的先行研究僅能利用極低溫環境下工作的Ⅲ-V族強磁性半導體，pn結合對自旋器件室溫工作是否產生影響，還處於未知。
此次聯合研究團隊提出了全新的方法：將利用量子力學帶間透納（BTBT）傳導進行電流調變的透納FET（TFET）技術應用於半導體自旋電子學器件。作為實現新型半導體自旋電子學器件——自旋TFET的第一步，團隊在Ge與強磁性赫斯勒合金高品質直接接合的結構中引入pn結合，成功觀測到通過pn結合BTBT傳導的室溫自旋傳導。這是邁向自旋TFET的重要一步。
十年積澱終獲碩果
浜屋教授表示：「本成果並非追逐‘流行最前緣’領域的研究成果，而是用本研究室技術攻克了存在十年以上難題的研究成果。這是體現了我們十餘年來腳踏實地推進科學與技術融合所孕育的成果。感謝《Physical Review Applied》期刊將這項紮實的研究以快報形式刊載。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Physical Review Applied (Letter 版)
論文：Room-temperature spin transport through band-to-band tunneling at semiconductor pn junctions
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.L051005
