[論文レビュー] Enhanced Spin Lifetime and Long-Range Spin Transport in p-Silicon using Spin Gapless Semiconductor as Ferromagnetic Injector

Nilay Maji, Subham Mohanty+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2026

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 0

ひとこと要約

電気的スピン注入、蓄積、輸送を、Mn2CoAlをスピン注入体として用いた軽ドープp型シリコンに対して実証し、測定可能なスピン寿命と長距離拡散を達成。

ABSTRACT

Electrical spin injection and transport in silicon are central challenges for realizing semiconductor-based spintronic devices, particularly in p-type Si, where strong spin relaxation and interface effects often suppress detectable spin signals. Here, we report electrical spin injection, accumulation, and transport in lightly doped p-type silicon using the spin-gapless Heusler compound Mn$_2$CoAl as a ferromagnetic spin injector, separated from the p-Si channel by a thin MgO tunnel barrier in a lateral device geometry. Spin transport is systematically investigated through three-terminal (3-T) Hanle and four-terminal (4-T) nonlocal (NL) spin-valve and Hanle measurements. Clear Lorentzian Hanle signals are observed in the 3-T configuration from 5 K up to room temperature, yielding a spin lifetime of $\sim$0.68 ns at 300 K that increases to $\sim$4.11 ns at 5 K. Temperature-dependent analysis reveals a weak power-law dependence of the spin lifetime, indicating Bir--Aronov--Pikus--type spin relaxation mechanism. To validate genuine spin transport, NL spin-valve and Hanle measurements were performed, revealing well-defined spin-valve switching and controlled spin precession at 5 K. From NL Hanle fitting, a spin lifetime of $\sim$5.65 ns and a spin diffusion length of $\sim$0.82 $μ$m are extracted, confirming diffusive long-range spin transport in the p-Si channel. Although NL signals diminish at elevated temperatures due to reduced interfacial spin polarization and thermal noise, the combined 3-T and 4-T results establish spin-gapless Mn$_2$CoAl as an effective spin injector for p-type silicon. These findings highlight the potential of spin-gapless semiconductors for improving spin injection efficiency and advancing Si-compatible spintronic devices.

研究の動機と目的

• Relaxationが強く、界面が信号を妨げるp型シリコンにおける電気的スピン注入と輸送を動機づけ、可能にする。
• スピンギャップレス半導体（Mn2CoAl）をフェルミ磁性注入体として用い、p-Siへのスピン注入効率を改善する。
• 3端子Hanle測定と温度を跨る非局所測定を通じて、スピン寿命、拡散長、輸送機構を特徴付ける。
• 3端子と4端子を組み合わせた測定により、スピン・バルブ挙動と制御された事前回転を示し、 genuine なスピン輸送を検証する。

提案手法

• Mn2CoAlをフェルミ磁性注入体とし、薄い MgO トンネル障壁で軽くドープされた p-Si チャンネルから分離した横方向デバイスを作製する。
• 5 K から 300 K までの Lorentzian なスピン信号を検出するための3端子（3-T）Hanle測定を実施する。
• NL Hanle適合を通じてスピン寿命と拡散長を抽出する4端子（4-T）非局所（NL）スピン・バルブおよびHanle測定を行う。
• スピン寿命の温度依存性を解析し、支配的なスピン緩和機構（Bir–Aronov–Pikus型）を特定する。
• NLデータからスピン寿命と拡散長を抽出し、p-Siにおける拡散性長距離スピン輸送を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンネル障壁を介してスピンギャップレス半導体はp型シリコンへ効率的にスピンを注入できるか？
• RQ2 Mn2CoAlを注入体として使用した場合、温度範囲を跨って軽くドープされたp-Siのスピン寿命と拡散長はどの程度か？
• RQ3 3端子Hanleと4端子非局所測定はp-Siのスピン輸送の一貫した証拠を提供するか？
• RQ4 この系における支配的なスピン緩和機構は何か？
• RQ5 界面スピン極性と熱雑音は高温でスピン信号にどう影響するか？

主な発見

• 3-T Hanle信号は5 Kから300 Kで観測され、300 Kでのスピン寿命は約0.68 ns、5 Kで約4.11 ns。
• NLスピン・バルブおよびHanle測定は5 Kで明確なスピンスイッチングとスピン前転を示す。
• NL Hanle適合はスピン寿命約5.65 nsとスピン拡散長約0.82 μmを得て、p-Siにおける拡散的長距離スピン輸送を確認。
• スピン寿命はBir–Aronov–Pikus型緩和と整合する弱いべき乗則的温度依存を示す。
• 界面スピン極性と熱雑音の低下により高温域で信号は弱まるが、3-Tおよび4-Tデータを総合すると、Mn2CoAlはp型シリコンへの有効なスピン注入体として機能する。