[論文レビュー] Lecture Notes on Semiconductor Spintronics

T. Dietl|ArXiv.org|Dec 30, 2007

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 6被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、(Ga,Mn)Asなどのホール制御型強磁性半導体に焦点を当て、熱力学的、マイクロ磁気的、輸送的、光学的性質について包括的にレビューしている。スピン極性キャリアの注入と制御により、非揮発的で低消費電力のデータ保存および処理を可能にするスピントロニクス素子—例えばスピントランジスタやMRAM—の可能性が強調されている。特に、スピン軌道結合および不純物効果の正確なモデル化が可能であるため、(Ga,Mn)Asは現在最も理解が進んでいる強磁性半導体である。

ABSTRACT

These informal lecture notes describe the progress in semiconductor spintronics in a historic perspective as well as in a comparison to achievements of spintronics of ferromagnetic metals. After outlining motivations behind spintronic research, selected results of investigations on three groups of materials are presented. These include non-magnetic semiconductors, hybrid structures involving semiconductors and ferromagnetic metals, and diluted magnetic semiconductors either in paramagnetic or ferromagnetic phase. Particular attention is paid to the hole-controlled ferromagnetic systems whose thermodynamic, micromagnetic, transport, and optical properties are described in detail together with relevant theoretical models.

研究の動機と目的

• 金属スピントロニクスと比較しての半導体スピントロニクス分野の進展をレビューすること。
• ホール制御型強磁性半導体の熱力学的、マイクロ磁気的、輸送的、光学的性質を分析すること。
• 低消費電力および高速動作を実現するためのスピン注入、制御、検出における主な課題を同定すること。
• 理論的モデリングが希薄磁性半導体における強磁性の挙動を説明する役割を評価すること。
• スピントロニクス素子が量子情報処理および次世代メモリおよび論理技術に与える可能性を探索すること。

提案手法

• 非磁性半導体、半導体-強磁性金属ヘテロ構造、および希薄磁性半導体（DMS）に関する実験的および理論的結果の体系的レビュー。
• DMS材料におけるスピン軌道結合および電子バンド構造効果を記述する、経験的制約を組み込んだ理論モデルの適用。
• 特にホール媒介交換相互作用の役割に注目し、(Ga,Mn)Asにおける強磁性の挙動を説明するためのマイクロ磁気的および輸送モデルの使用。
• 半導体ヘテロ構造における磁気光学効果およびスピン依存輸送の分析。
• 強い電子相関および不純物効果の共存により、DMSにおける強磁性を予測する計算上の課題の評価。
• ナノスケールの相分離および磁気的秩序を扱うために、空間的に分解能の高い特性評価技術と高度なシミュレーションプロトコルの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン極性キャリアをスピントロニクス応用のための半導体に効率的に注入する方法は何か？
• RQ2 希薄磁性半導体における室温強磁性を可能にする主要なメカニズムは何か？
• RQ3 スピン軌道結合およびバンド構造効果は、強磁性半導体の磁気的および輸送的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 強い電子相関を示す不純物混在DMS系において、ab initio手法が強磁性秩序を正確に予測できるか？
• RQ5 半導体ベースのスピントロニクス素子において、電気的に制御可能なスピン電流の生成および検出は、今後の見通しとしてどの程度現実的か？

主な発見

• (Ga,Mn)Asにおけるホール媒介強磁性は、スピン軌道結合およびバンド構造効果の正確なモデリングが可能であるため、現在最も理解が進んでいる強磁性半導体である。
• スピントランジスタやMRAMなどのスピントロニクス素子は、現在、半導体の国際技術ロードマップ（ITRS）において、従来のシリコントランジスタの代替として実現可能であると認識されている。
• 経験的制約を組み込み、スピン軌道結合を考慮した理論的モデルは、強磁性半導体における熱力学的、マイクロ磁気的、輸送的、光学的性質を定量的に記述できる。
• 強い電子相関と電子的／磁気的不純物効果が共存するDMS系では、ab initio手法が正確に強磁性を予測できないため、新たな計算プロトコルの開発が不可欠である。
• 絶縁体のフェリ磁性酸化物および窒化物は、室温以上で動作するスピン選択的バリアとしての可能性を示しており、高密度メモリおよび磁気光学応用に適している。
• 磁気的および電気的双極子モーメントが結合する多フェロ性材料は、低消費電力MRAMを含む、電気的に制御可能なスピントロニクス素子の新しいパラダイムを提供する。