[論文レビュー] Can spintronic field effect transistors compete with their electronic counterparts?

Supriyo Bandyopadhyay, M. Cahay|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2004

Quantum and electron transport phenomena被引用数 49

ひとこと要約

この論文は、Datta-Das概念に基づくスピントロニクスフィールド効果トランジスタ（SPINFET）を評価し、極めて強いスピン軌道結合を示す材料が開発されない限り、速度や消費電力効率において従来の電子的MOSFETを上回ることはできないと結論している。研究では、元のSPINFET設計に対する提案された変更が、非ゼロのオフ状態導電度と高いリーク電流のため、性能を劣化させることを示している。

ABSTRACT

Current interest in spintronics is largely motivated by a belief that spin based devices (e.g. spin field effect transistors) will be faster and consume less power than their electronic counterparts. Here we show that this is generally untrue. Unless materials with extremely strong spin orbit interaction can be developed, the spintronic devices will not measure up to their electronic cousins. We also show that some recently proposed modifications of the original spin field effect transistor concept of Datta and Das [Appl. Phys. Lett., Vol. 56, 665 (1990)] actually lead to worse performance than the original construct.

研究の動機と目的

• スピントロニクスフィールド効果トランジスタ（SPINFET）が、速度および消費電力損失において従来の電子的フィールド効果トランジスタと同等の性能を達成できるかどうかを評価すること。
• 特にスピン軌道結合の強さを含む材料パラメータがSPINFET性能に与える影響を評価すること。
• バランスの取れたラシュバ・ドレゼルハウス相互作用に依存するような、提案されたSPINFETの変種の制限を分析すること。
• CMOSに類似したデジタル論理に必要なゼロリークの「オフ」状態をSPINFETが達成できるかどうかを特定すること。
• 既存の電子デバイスと比較して、SPINFETがデジタル、アナログ、またはミックスドシグナル応用において実用的かどうかを調査すること。

提案手法

• 一次元スピントロニクスフィールド効果トランジスタ（SPINFET）を、バッテリー輸送および単一チャネル、準一次元半導体チャネルを用いて分析する。
• Datta-Das機構を用いる：強磁性接触からのスピン偏光注入、ラシュバスピン軌道相互作用によるゲート制御スピンプロセッション、ドレインにおけるスピン依存伝送。
• 材料パラメータ（例：InAs、εr、Eg、Δ、m*、d）を用いたゲート電圧依存性から導出されるラシュバ結合強度ηの理論的モデルを適用する。
• チャネル長Lおよびηに基づき、スピンをπラジアン回転させるために必要なゲート電圧からスイッチング電圧Vsを計算する。
• SPINFETの性能指標（トランスコンダクタンス、ユニティゲイン周波数、消費電力損失）を理想の一様1次元MOSFETと比較する。
• バランスの取れたラシュバ・ドレゼルハウス相互作用を用いる代替SPINFET設計を評価し、オフ状態導電度およびリーク電流を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPINFETは、トランスコンダクタンス、ユニティゲイン周波数、消費電力損失といった性能指標を、従来のシリコンまたはガリウムヒ素MOSFETと同等に達成できるか？
• RQ2 一次元キャリア閉じ込めが、SPINFETにおけるリーク電流の低減と導電度変調の最大化に果たす役割は何か？
• RQ3 ラシュバ相互作用によるスピン軌道結合の強さが、スイッチング電圧および全体的なデバイス性能に与える影響は何か？
• RQ4 バランスの取れたラシュバ・ドレゼルハウス相互作用を用いる、元のDatta-Das SPINFETに対する提案された変更は、性能を向上させるか、悪化させるか？
• RQ5 非ゼロのオフ状態導電度を示すSPINFETは、余分な待機消費電力損失を伴わずに、デジタル論理回路で効果的に使用可能か？

主な発見

• 一次元SPINFETの理論的スイッチング電圧は、V_s ≈ ℏ²π / (2m*Lζ) で与えられ、ζはラシュバ結合のゲート電圧依存性である。
• 実験的に観察されたζ値（約8×10⁻³¹ C·m）は、理論的推定値（約5×10⁻²⁹ C·m）の約60分の1であり、顕著な乖離が生じており、さらなる実験的検証が求められる。
• 一次元チャネルを有するSPINFETは、バッテリー輸送および単一チャネル閉じ込めが維持される場合にのみ、オフ状態導電度がゼロとなり、真のCMOSに類似した動作が可能になる。
• バランスの取れたラシュバ・ドレゼルハウス相互作用に依存するSPINFETは、最小でオン導電度の半分以上のオフ導電度を示し、高いリーク電流のためデジタル論理に不適切である。
• このような変更を加えたSPINFETのトランスコンダクタンスは、元のDatta-Dasデバイスの約半分にまで低下し、アナログ性能が劣化する。
• 極めて強いスピン軌道結合を示す材料が開発されない限り、SPINFETはデジタル、アナログ、またはミックスドシグナル応用において、従来のMOSFETを速度や消費電力効率の面で上回ることはできない。