大阪大学大学院基础工学研究科的山田晋也副教授、加藤昌稔、浜屋宏平教授、该大学大学院工学研究科的市川修平助教、藤原康文教授等共同研究小组成功地在日本发明的高性能半导体材料氮化镓（GaN）上制作了高性能自旋电子学材料（惠斯勒合金磁铁），开发了使用由高性能磁铁/GaN构成的低结电阻电极结构的室温·高效率自旋注入技术。
GaN是一种高性能半导体材料，有望在光电子和功率电子学等多个领域应用，但在积极利用电子自旋自由度的自旋电子学领域也开始受到期待。特别是作为半导体自旋电子器件被期待的自旋发光器件用的半导体材料，是很有潜力的材料。但是，到目前为止大部分研究，在从铁磁性体向GaN的自旋注入时，一般使用使用了名为"铁磁性体/绝缘体隧道势垒/GaN"的绝缘体隧道势垒层的高电阻的电极结构，不仅在器件动作中需要大电压与元件性能直接相关的自旋注入效率也不太高，这是应用上的课题。
此次的研究，为了实现对GaN的低功耗·高效率的自旋注入，作为自旋注入源材料利用了惠斯勒合金磁铁和GaN的肖特基隧道直接接合。惠斯勒合金磁铁作为高性能自旋电子学材料而闻名，作为对砷化镓（GaAs）和锗（Ge）等半导体材料的高性能自旋注入源材料而被利用。但是，由于惠斯勒合金磁铁和GaN的晶体结构大不相同，表面的原子排列也不一致，所以在GaN上高质量地制作（外延生长）惠斯勒合金磁铁是极其困难的。
图1.（左）高性能磁铁（惠斯勒合金磁铁）和高性能半导体（GaN）晶体结构.（右）高性能磁铁/GaN结的电子显微镜照片。
研究小组通过在惠斯勒合金磁铁和GaN的接合界面插入数个原子层（约0.4nm）的钴（Co），在GaN上外延生长惠斯勒合金磁铁（图1），成功实现了肖特基隧道直接接合。另外，制作了使用该肖特基隧道直接接合电极结构的测试器件结构，在室温下成功观测到自旋注入信号（图2）。
图2.作为用于验证自旋注入现象的测试器件而制作的GaN卧式自旋电子学元件（左）和室温自旋传导信号的例子（右）。
此次的研究，由于是高性能磁铁和GaN之间不使用绝缘体隧道阻挡层的自旋注入电极构造，实现了比以前低3位数以上的接合电阻值，实现了低功耗的自旋注入。同时，另外，通过利用高性能惠斯勒合金磁铁作为自旋注入源，实现了比以前高3～4倍以上的自旋注入效率。
总之，此次的研究成果，是对GaN的「低消耗电力且高效率」的自旋注入技术的实证，今后，与电池水平的低电压驱动的自旋发光器件的开发相连的事被期待。该研究成果的相关信息刊登在国际学术杂志《Advanced Electronic Materials》上。
English 
Chinese