[論文レビュー] Theory of magnetic bipolar transistors

Jaroslav Fabian, Igor Žutić+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2002

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、半導体バンド内のスピン分離を統合することで、磁場および注入スピンを用いた電流増幅率の制御を可能にする磁気双極トランジスタ（MBT）を提案する。スピン注入およびバンド構造工学を活用することで、MBTは調整可能な増幅を実現し、電流増幅率はスピン分離に指数関数的に依存し、磁場の向きによって非対称的に制御される。

ABSTRACT

The concept of a magnetic bipolar transistor (MBT) is introduced. The transistor has at least one magnetic region (emitter, base, or collector) characterized by spin-splitting of the carrier bands. In addition, nonequilibrium (source) spin in MBTs can be induced by external means (electrically or optically). The theory of ideal MBTs is developed and discussed in the forward active regime where the transistors can amplify signals. It is shown that source spin can be injected from the emitter to the collector. It is predicted that electrical current gain (amplification) can be controlled effectively by magnetic field and source spin.

研究の動機と目的

• スピン依存輸送を有する従来のヘテロジャンクショントランジスタを拡張する磁気双極トランジスタ（MBT）の理論的枠組みを構築すること。
• 磁場および非平衡スピン注入が半導体ベースのトランジスタにおける電気的電流増幅率（増幅）をどのように制御できるかを調査すること。
• スピン注入およびバンドスピン分離がnpn型MBTにおける調整可能で磁気的に制御可能な電流増幅を可能にすることを示すこと。
• 発射体効率およびキャリア再結合が増幅率を決定する役割を、特にSiとGaAs材料において分析すること。
• 磁場およびスピン極化を外部制御パラメータとして用いることで、トランジスタ動作を制御可能とし、新しいスピントロニクス機能を実現する可能性を確立すること。

提案手法

• 非デゲネレートボルツマン統計および低注入条件に基づくMBTの理論的モデルを構築し、デプレーション層における再結合およびスピン緩和が無視できるものと仮定する。
• 発射体-ベースおよびベース-コレクタの2つのジャンクション構造（p-n）を採用し、少なくとも1つの領域（例：ベース）でバンドスピン分離を有する。バンド分離は磁場に比例し、磁性ドーピングによって強化される。
• 発射体およびコレクタの接触部における非平衡スピン密度（u₀, u₃）およびスピン-電子密度ベクトル（v）を境界条件として指定し、これらを入力パラメータとして扱う。
• デプレーション層を横断する化学ポテンシャルおよびスピン電流の自己無撞撲連続方程式を適用し、ジャンクションにおけるキャリアおよびスピン密度を決定する。
• 電流増幅率（β）の主要な式を導出し、スピン分離パラメータ（ζ_b）、発射体スピン極化（α_be）、および材料固有パラメータ（γ′, α_T′）に依存することを示す。
• GaAsおよびSiベースのMBTにおける増幅行動を分析し、ζ_bに指数関数的に依存することと、磁場の向きによる非対称的制御を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の電荷ベース制御を超えて、外部磁場および注入スピンによって双極トランジスタの電流増幅率を制御できるか？
• RQ2 ベース領域の導電帯におけるスピン分離が、npn型MBTにおける発射体効率および全体の電流増幅率にどのように影響するか？
• RQ3 キャリア再結合（γ′）と磁場誘起バンド分離（α_T′）の相対的影響は、異なる半導体材料において電流増幅率の制御にどのように寄与するか？
• RQ4 SiベースのMBTとGaAsベースのMBTにおける磁場およびスピン注入への応答としての電流増幅率の違いは何か？
• RQ5 スピンバタール効果およびスピン注入は、磁気ヘテロ構造トランジスタにおいて測定可能で制御可能な増幅をもたらすか？

主な発見

• MBTにおける電流増幅率（β）は、導電帯スピン分離パラメータ（ζ_b）に指数関数的に依存し、Siベースのトランジスタではβ ∼ cosh(ζ_b)となる。
• SiベースのMBTでは、電流増幅率は主に発射体効率（γ′）に支配され、β ≈ 1/γ′となる。増幅率はスピン極化に応じて磁場の向きによって非対称的に制御される。
• GaAsベースのMBTでは、再結合および磁場効果の両方が増幅率の制御に顕著に寄与するが、キャリア再結合が速いためSiに比べて効果は弱い。
• 理論的計算により、SiベースのMBTは、キャリア寿命が長いことから、GaAsに比べて磁場およびスピン注入に対してはるかに感度が高いことが示された。
• MBTの設計により、高注入スピン注入を用いた半導体フェロ磁性の電子的制御が可能となり、磁気状態の動的スイッチングが実現可能である。
• モデルは、発射体からコレクタへのスピン注入が実現可能であり、スピンおよび磁場が増幅の独立した制御パラメータとして使用可能であると予測している。