[論文レビュー] Electrical Measurement of the Direct Spin Hall Effect in Fe/In_xGa_{1-x}As Heterostructures

E.S. Garlid, Qi Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2010

Magnetic properties of thin films被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、強磁性接触を用いたスピン極化ホール電圧測定により、Fe/InxGa1-xAsヘテロ構造における直接スピンホール効果の最初の全電気的検出を報告する。実験では、スピンホール電導度にスキュー散乱およびサイドジャンプ寄与が存在することを明らかにした。特にサイドジャンプ項は、イオン化不純物散乱に基づく理論予測よりも約2.5倍大きい値を示し、150 K未満で温度依存性が弱いことが判明した。これは、スピン寿命が高温で短くなるにもかかわらず、スピン蓄積が安定していることによるものである。

ABSTRACT

We report on an all-electrical measurement of the spin Hall effect in epitaxial Fe/In_{x}Ga_{1-x}As heterostructures with n-type channel doping (Si) and highly doped Schottky tunnel barriers. A transverse spin current generated by an ordinary charge current flowing in the In_{x}Ga_{1-x}As is detected by measuring the spin accumulation at the edges of the channel. The spin accumulation is identified through the observation of a Hanle effect in the Hall voltage measured by pairs of ferromagnetic contacts. We investigate the bias and temperature dependence of the resulting Hanle signal and determine the skew and side-jump contributions to the total spin Hall conductivity.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を有するIII-V半導体ヘテロ構造において、直接スピンホール効果の全電気的検出を実証すること。
• スキュー散乱およびサイドジャンプメカニズムが全スピンホール電導度に与える寄与を定量すること。
• エpitaxial Fe/InxGa1-xAsヘテロ構造におけるスピンホール信号のバイアスおよび温度依存性を調査すること。
• 短いスピン拡산長を有する材料におけるスピン依存現象をプローブするためのスピンホール効果の実用可能性を評価すること。

提案手法

• Siドーピング濃度を3–5×10^16 cm⁻³に設定することで、キャリア濃度と電導度を調整した、分子線エpitaxy法を用いたエpitaxial Fe/InxGa1-xAsヘテロ構造の成長。
• 標準的なリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて、[110]方向に沿った30 μm幅のチャネルを持つラテラルデバイスの作製。
• チャネル端縁から2、6、10 μmの位置に4 μm幅の強磁性Fe接触をパターン形成し、スピン依存ホール電圧を用いた横方向スピン蓄積の検出。
• 磁化を反転させるために逆方向の磁場を印けることでハンル効果を測定し、スピン寿命およびスピン蓄積の抽出を可能にした。
• ハンル信号からスピンホール電導度を抽出し、σ_SH = γσ_xx + σ_SJ の式にフィッティングした。ここでγはスキュー散乱を表し、σ_SJはサイドジャンプ寄与を表す。
• 30–150 Kの温度依存測定を実施し、電子移動度およびスピン緩和がスピンホール信号に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インジウム含有量を変化させたInxGa1-xAsにおけるスピンホール電導度に、スキュー散乱とサイドジャンプメカニズムがそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ2 Fe/InxGa1-xAsヘテロ構造におけるキャリア濃度およびチャネル電導度がスピンホール電導度に与える影響は？
• RQ3 これらのヘテロ構造におけるスピンホール効果の温度依存性は何か？また、スピン寿命および電子移動度とどのように関係しているか？
• RQ4 イオン化不純物散乱に基づく理論予測と比較して、実験的スピンホール電導度およびその成分の測定値はどの程度ずれているか？

主な発見

• スピンホール電導度（σ_SH）はインジウム含有量の増加に伴い増加するが、同時にキャリア密度および移動度も変化するため、スピン軌道結合の強化によるものと明確に断定することはできない。
• σ_SH と σ_xx の間には線形関係が観察され、スキュー（γσ_xx）およびサイドジャンプ（σ_SJ）寄与の両方が存在することを確認した。負の切片が得られたことから、σ_SJ の符号が正しいことが示された。
• σ_SJ/γ の比は、イオン化不純物散乱に基づく理論予測のおよそ2.5倍であり、全サンプルで2.2～3.0×10³ Ω⁻¹m⁻¹ の範囲にあった。
• サイドジャンプ寄与は常に予測値を上回っており、他の散乱メカニズムの寄与またはスピン極化キャリブレーションにおける未考慮の系誤差の可能性を示唆している。
• 電子移動度の上昇に伴い、30 Kから100 Kの間でスピンホール電導度はわずかに増加したが、約120 K以上で急激に低下した。これはスピン寿命（τ_s）の急激な減少に起因する。
• τ_s の温度依存性にもかかわらず、スピンホール電導度は測定範囲内で比較的安定であったことから、フォノン散乱に対しては弱い感受性を示していることが示された。