[논문 리뷰] Enhanced Spin Lifetime and Long-Range Spin Transport in p-Silicon using Spin Gapless Semiconductor as Ferromagnetic Injector

Nilay Maji, Subham Mohanty외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 13.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 0

한 줄 요약

전기에 의한 스핀 주입, 축적 및 전달을 Mn2CoAl을 스핀 주입기로 사용하여 가볍게 도핑된 p형 실리콘에서 입증하고, 측정 가능한 스핀 수명 및 장거리 확산을 달성.

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.

연구 동기 및 목표

• 정력적이고 인터페이스가 신호를 저해하는 p형 실리콘에서의 전기적 스핀 주입 및 수송을 동기 부여하고 가능하게 한다.
• 스핀-갭리스 반도체(Mn2CoAl)를 자기 주입기로 사용하여 p-Si로의 스핀 주입 효율을 향상시킨다.
• 3단말 Hanle 및 온도에 따라 비국소 측정을 통해 스핀 수명, 확산 길이 및 수송 메커니즘을 특성화한다.
• 3단말 및 4단말 측정의 결합으로 진정한 스핀 수송을 검증하고 스핀-발출 현상 및 제어된 프리진을 보인다.

제안 방법

• Mn2CoAl를 강자성 주입기로 하여 가볍게 도핑된 p-Si 채널과 얇은 MgO 터널 장벽으로 분리된 측면형 소자 제작.
• 5 K에서 300 K까지 Lorentzian 스핀 신호를 검출하기 위한 3단말(Hanle) 측정 수행.
• NL Hanle 피팅을 통해 4단말(비국소) 스핀-밸브 및 Hanle 측정으로 스핀 수명 및 확산 길이 추출.
• 스핀 수명의 온도 의존성을 분석하여 지배적 스핀 재결춤 메커니즘(Bir–Aronov–Pikus 유형)을 식별.
• NL 데이터로부터 스핀 수명과 확산 길이를 추출하여 p-Si에서 확산 확장형 스핀 수송을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀-갭리스 반도체가 터널 장벽을 통해 p형 실리콘으로 스핀을 효율적으로 주입할 수 있는가?
• RQ2 Mn2CoAl을 주입기로 사용할 때 서로 다른 온도 범위에서 가볍게 도핑된 p-Si의 스핀 수명과 확산 길이는 무엇인가?
• RQ3 3단말 Hanle 및 4단말 비국소 측정이 p-Si에서의 스핀 수송에 대한 일관된 증거를 제공하는가?
• RQ4 이 시스템에서 지배적 스핀 재결합 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 인터페이스 스핀 편극화 및 열 잡음이 높은 온도에서 스핀 신호에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 3-T Hanle 신호는 5 K에서 300 K까지 관찰되며, 300 K에서 약 0.68 ns, 5 K에서 약 4.11 ns의 스핀 수명을 보인다.
• NL 스핀밸브 및 Hanle 측정은 5 K에서 잘 정의된 스핀 스위칭 및 스핀 프리cession을 보여준다.
• NL Hanle 피팅은 약 5.65 ns의 스핀 수명과 약 0.82 μm의 스핀 확산 길이를 산출하여 p-Si에서 확산적 장거리 스핀 수송을 확인한다.
• 스핀 수명은 Bir–Aronov–Pikus 유형 재결합과 일치하는 약한 거듭제곱 법칙의 온도 의존성을 보인다.
• 인터페이스 스핀 편극화와 열 잡음이 증가 온도에서 신호를 약화시키지만, 3-T 및 4-T 데이터가 결합되어 Mn2CoAl이 p형 실리콘에 대한 효과적인 스핀 주입기로서의 역할을 확인한다.