[論文レビュー] Spin transport in Si-based spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistors: Spin drift effect in the inversion channel and spin relaxation in the n+-Si source/drain regions

Shôichi Sato, Tanaka, Masaaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Semiconductor materials and devices被引用数 4

ひとこと要約

本研究は室温下におけるシリコンベースのスピンMOSFETにおけるスピン輸送を調査し、2次元逆転チャネルにおける横方向の電界によって駆動されるスピンドリフトが、有効スピン拡산長を顕著に向上させ、磁気抵抗比を6倍に増幅することを示した。理論的モデリングにより、スピン緩和は主にn+-Siソース/ドレイン領域で発生しており、チャネルでは発生しないことが明らかになった。これは、スピン損失を最小限に抑え、デバイス性能を向上させるために最適化されたデバイス設計の必要性を示している。

ABSTRACT

We have experimentally and theoretically investigated the electron spin transport and spin distribution at room temperature in a Si two-dimensional (2D) inversion channel of back-gate-type spin metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (spin MOSFETs). The magnetoresistance ratio of the spin MOSFET with a channel length of 0.4$μ$m was increased by a factor of 6 from that in our previous paper [Phys. Rev. B 99, 165301 (2019)] by lowering the parasitic resistances at the source/drain junctions with highly-phosphorus-doped n+-Si regions and by increasing the lateral electric field in the channel along the electron transport, called "spin drift". Clear Hanle signals with some oscillation peaks were observed for the spin MOSFET with a channel length of 10 $μ$ m under the lateral electric field, indicating that the effective spin diffusion length is dramatically enhanced by the spin drift. By taking into account the n+-Si regions and the spin drift in the channel, one-dimensional analytic functions were derived for analyzing the effect of the spin drift on the spin transport through the channel and these functions were found to explain almost all the experimental results. From the calculated spin current and spin distribution, it was revealed that almost all the spins are unflipped during the spin-drift-assisted transport through the 0.4-$μ$m-long inversion channel, but the most part of the injected spins from the source electrode are relaxed in the n+-Si regions of both the source and drain junctions. This means that the spin drift is useful and precise design of the device structure is essential to obtain a higher magnetoresistance ratio. Furthermore, we showed that the effective spin resistances that are introduced in this study are very helpful to understand how to improve the magnetoresistance ratio of spin MOSFETs for practical use.

研究の動機と目的

• 室温下におけるSiベースのスピンMOSFETにおけるスピン輸送メカニズムを理解すること。
• 2次元逆転チャネルにおけるスピンドリフトが有効スピン拡散長に与える影響を調査すること。
• n+-Siソース/ドレイン領域におけるスピン緩和を定量的に評価し、磁気抵抗比に与える影響を明らかにすること。
• スピンドリフトおよび接合抵抗効果を正確に記述する解析的モデルの構築。
• 実用的スピンMOSFETにおける磁気抵抗比を向上させるための設計戦略の同定。

提案手法

• チャネル長が0.4–10 µmの変化を加えたバックゲート型スピンMOSFETにおいて、磁気抵抗およびハンドル信号の実験的測定。
• ソース/ドレイン接合部における寄生抵抗を低減するため、高リンドーピングn+-Si領域の使用。
• 逆転チャネルに横方向の電界を印加し、スピンドリフトを誘発し、スピン輸送を強化。
• スピンドリフトおよび有効スピン抵抗を組み込んだ、1次元のスピン電流およびスピン分布関数の導出。
• スピンドリフト（チャネル内）およびn+-Si領域におけるスピン緩和を考慮したスピン輸送の理論的モデリング。
• 実験的ハンドル信号の振動ピークを理論モデルにフィットさせ、スピン拡散長を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si逆転チャネルにおけるスピンドリフトが、スピンMOSFETにおける有効スピン拡散長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 n+-Siソース/ドレイン領域におけるスピン緩和が、デバイス全体のスピン損失に占める寄与度はどの程度か？
• RQ3 スピンドリフトがSiベースのスピンMOSFETにおける磁気抵抗比をどの程度向上させるか？
• RQ4 1次元の解析関数が、スピンドリフトおよび接合抵抗を含むスピン輸送をどれほど正確にモデル化できるか？
• RQ5 実用的スピンMOSFETにおける磁気抵抗比を最大化するために不可欠な設計原則は何か？

主な発見

• 0.4-µmのチャネル長を有するスピンMOSFETでは、寄生抵抗の低減とスピンドリフトの増大により、前例に比べ磁気抵抗比が6倍に向上した。
• 横方向電界を印加した10-µmチャネルデバイスでは、明確なハンドル信号と振動ピークが観測され、有効スピン拡散長の顕著な向上が確認された。
• 理論的解析により、0.4-µmの長さの逆転チャネル内を通過する間に、ほぼすべてのスピンが反転していないことが示され、チャネル内でのスピン緩和は最小限であることが明らかになった。
• 注入されたスピンの80％以上が、ソースおよびドレイン接合部のn+-Si領域で緩和されており、ここがスピン損失の主要因であることが判明した。
• モデルに有効スピン抵抗を導入することで、磁気抵抗を向上させるためのデバイス設計最適化の実用的フレームワークが得られた。
• 1次元関数に基づく解析モデルは、すべての実験データをうまく説明でき、スピンドリフトおよび接合効果の重要性が裏付けられた。