[논문 리뷰] 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, Masaaki외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 05.

Semiconductor materials and devices인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 실리콘 기반 스핀 MOSFET에서 실온에서의 스핀 운반을 조사하며, 2차원 인version 채널에서 횡방향 전기장에 의해 유도되는 스핀 드리프트가 효과적인 스핀 확산 길이를 크게 향상시켜 자화비율을 6배 증가시킴을 보여준다. 이론적 모델링은 스핀 회복이 주로 n+-Si 소스/드레인 영역에서 발생하며 채널에서는 일어나지 않음을 시사하며, 스핀 손실을 최소화하고 장치 성능을 향상시키기 위해 최적화된 장치 설계가 필요함을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 실리콘 기반 스핀 MOSFET의 스핀 운반 메커니즘을 이해하기 위해.
• 2차원 인version 채널에서 스핀 드리프트가 효과적인 스핀 확산 길이에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• n+-Si 소스/드레인 영역에서의 스핀 회복을 정량화하고 자화비율에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 스핀 드리프트와 접합 저항 효과를 정확히 기술하는 분석 모델을 개발하기 위해.
• 실용적 스핀 MOSFET에서 자화비율을 향상시키기 위한 설계 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• 채널 길이가 0.4–10 µm인 다양한 길이를 가진 백게이트형 스핀 MOSFET에서 자화비율과 한글 신호를 실험적으로 측정함.
• 소스/드레인 접합부의 부속 저항을 감소시키기 위해 고농도 인돌화된 n+-Si 영역을 사용함.
• 인version 채널에서 스핀 드리프트를 유도하기 위해 횡방향 전기장을 적용함.
• 스핀 드리프트와 효과적인 스핀 저항을 포함한 1차원 분석 함수를 유도함.
• 채널에서의 스핀 드리프트와 n+-Si 영역에서의 스핀 회복을 고려한 스핀 운반의 이론적 모델링.
• 실험적 한글 신호의 진동 피크를 이론 모델에 맞추어 피팅함으로써 스핀 확산 길이를 추출하고 모델을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 인버전 채널에서의 스핀 드리프트는 스핀 MOSFET의 효과적인 스핀 확산 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 n+-Si 소스/드레인 영역에서의 스핀 회복은 장치 전체 스핀 손실에 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 스핀 드리프트는 실리콘 기반 스핀 MOSFET에서 자화비율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 1차원 분석 함수는 스핀 드리프트와 접합 저항을 고려하여 스핀 운반을 얼마나 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ5 실용적 스핀 MOSFET에서 자화비율을 최대화하기 위해 필수적인 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 0.4-µm 채널을 가진 스핀 MOSFET의 자화비율은 이전 연구 대비 6배 향상되었으며, 이는 부속 저항 감소와 스핀 드리프트 증가로 인한 것임.
• 횡방향 전기장을 적용한 10-µm 채널 장치에서 명확한 한글 신호와 진동 피크를 관측하여 효과적인 스핀 확산 길이의 극적 향상이 확인됨.
• 이론적 분석 결과, 0.4-µm 길이의 인버전 채널을 통과하는 동안 거의 모든 스핀이 반전되지 않은 채 유지되어 채널 내 스핀 회복이 최소임을 시사함.
• 투입된 스핀의 80% 이상이 소스 및 드레인 접합부의 n+-Si 영역에서 회복되며, 이 영역이 스핀 손실의 주요 원인임을 규명함.
• 모델에 효과적인 스핀 저항을 도입함으로써 자화비율 향상을 위한 장치 설계 최적화를 위한 실용적 프레임워크를 확보함.
• 1차원 함수 기반의 분석 모델이 실험 데이터를 모두 성공적으로 설명하여 스핀 드리프트와 접합 효과의 역할을 검증함.