大阪大学研究生院基础工学研究科博士研究生大木健司、硕士生上田信之介、浜屋宏平教授，该校先导性学际研究机构宇佐见乔政讲师，熊本大学半导体与数字研究教育机构山本圭介教授，东京都市大学综合研究所泽野宪太郎教授等人的联合研究团队，在含有半导体pn结合的器件中，全球首次成功观测到了室温下的自旋传导现象。相关研究成果以快报形式发表在《Physical Review Applied》上。
图1 经由Ge pn结合的自旋注入技术示意图。自旋极化电子通过量子力学带间隧穿传导，从顶部高性能磁性体（强磁性赫斯勒合金）高效注入底部n-Ge半导体层，最终在室温条件下观测到了自旋传导。（供图：大阪大学）
随着AI技术的普及，大规模数据中心的电力消耗持续大幅增加。为此，兼具低功耗运算功能与非易失性存储功能的新一代半导体自旋电子器件的研发正在加速推进。要实现非易失性存储功能，必须证实电子在保持其磁性特征（自旋）的同时能在半导体中实现电子传导的自旋传导。
此前，联合研究团队已自主开发出了将半导体锗（Ge）与高性能自旋电子学磁性材料（强磁性赫斯勒合金）高品质直接接合的结构，并证实了室温自旋传导。然而，由于常规半导体器件中存在负责电流开关控制的pn结合，因此需要在含有pn结合的器件结构中观测室温自旋传导。
迄今为止的先行研究仅能利用极低温环境下工作的Ⅲ-V族强磁性半导体，pn结合对自旋器件室温工作是否产生影响，还处于未知。
此次联合研究团队提出了全新的方法：将利用量子力学带间隧穿（BTBT）传导进行电流调制的隧穿FET（TFET）技术应用于半导体自旋电子学器件。作为实现新型半导体自旋电子学器件——自旋TFET的第一步，团队在Ge与强磁性赫斯勒合金高品质直接接合的结构中引入pn结合，成功观测到通过pn结合BTBT传导的室温自旋传导。这是迈向自旋TFET的重要一步。
十年积淀终获硕果
浜屋教授表示：“本成果并非追逐‘流行最前沿’领域的研究成果，而是用本研究室技术攻克了存在十年以上难题的研究成果。这是体现了我们十余年来脚踏实地推进科学与技术融合所孕育的成果。感谢《Physical Review Applied》期刊将这项扎实的研究以快报形式刊载。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Physical Review Applied (Letter 版)
论文：Room-temperature spin transport through band-to-band tunneling at semiconductor pn junctions
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.L051005
