世界初、半導体pn接合構造でスピン伝導観測に室温で成功：研究開発の最前線

東京都市大学は、半導体pn接合を持つデバイス構造において、室温でのスピン伝導の観測に世界で初めて成功した。大規模データセンターの消費電力増大の抑制に貢献する。

[MONOist]

　東京都市大学は2025年5月27日、半導体pn接合を持つデバイス構造において、室温でのスピン伝導の観測に世界で初めて成功したと発表した。大規模データセンターの消費電力増大の抑制に貢献する。大阪大学、熊本大学との共同研究グループによる成果だ。

　低消費電力での動作が期待される半導体デバイスの代表的なものとして、トンネルFET（TFET）がある。今回の研究では、TFETの構造と半導体へのスピン注入技術を組み合わせた新構造を開発した。同方式では、III-V族強磁性半導体を使ったノウハウがあるが、これまでの成果は極低温の環境下で実証されたものだけだった。

半導体pn接合を有するデバイスにおけるスピン伝導観測温度の歴史。今回の研究では、室温（27℃）環境で十分に動作することを確認［クリックで拡大］ 出所：東京都市大学

　そこで、これまで培ったIV族半導体Geへの高効率なスピン注入技術と室温スピン伝導観測技術を駆使して、Ge pn接合におけるBTBT（量子力学的バンド間トンネル）伝導を介した室温でのスピン伝導を観測することに成功した。

　これは、TFETの低消費電力演算とスピンデバイスの低消費電力不揮発メモリを兼ね備えた「スピンTFET」を開発するための要素技術を、室温で実証した重要な成果といえる。スピンTFETの開発は、大規模データセンターでの消費電力の増加を抑制する次世代スピントロニクスデバイスとして期待される。

Ge pn接合を介したスピン注入技術の模式図。今回の研究では、上部の高性能磁性体（強磁性ホイスラー合金）から下部のn-Ge半導体層へ、スピン偏極電子が量子力学的バンド間トンネル伝導を介して高効率に注入され、室温においてスピン伝導が観測された［クリックで拡大］ 出所：東京都市大学

　研究グループは、半導体Geと高性能スピントロニクス磁性材料を直接つなぎ合わせた低接合抵抗電極構造を用いて、Geスピンデバイス構造については室温スピン伝導を効率的に観測してきた。しかし、半導体デバイスの多くに組み込まれているpn接合を有する構造では、これまで室温スピン伝導を観測した例はなかった。

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