全GaSeスピントランジスターの概念図
東北大学大学院工学研究科は2017年11月8日、層状半導体GaSe（セレン化ガリウム）が、従来のGaAs（ヒ化ガリウム）に比べて10倍以上大きなスピン軌道相互作用を示すことを発見したと発表した。GaSeが新しい電界効果スピントランジスタの実現にむけ有望な材料であることを示す成果だ。
炭素原子が結合したシート状物質であるグラフェンの発見以来、層状物質半導体の研究が活発に行われている。グラフェンはエネルギーギャップがゼロであるため原子層トランジスターとしてON／OFF比を大きくできない欠点がある。一方で、GaSeなどのIII－VI族層状物質半導体は、直接遷移型のエネルギーギャップが有限で比較的移動度が高いため、原子層トランジスタを目指した研究が行われている。またGaSeは、最近では圧力印加によるトポロジカル絶縁体転移や、電界制御による強磁性転移が理論的に予言されている。
今回、東北大学大学院工学研究科の研究グループでは、GaSe薄膜を用いた素子構造を作製し、GaSeの「スピン軌道相互作用」の強さを検証した。スピン軌道相互作用は電子が電界中を運動することで磁界を感じる相対論的効果で、トポロジカル絶縁体転移や強磁性体の磁気異方性等に重要な役割を果たすとともに、電気的なスピン生成や操作、検出を可能にする。しかしこれまでGaSeのスピン軌道相互作用の起源について実験的な知見はなかった。
同グループでは、低温における磁気量子伝導度測定を行い、弱反局在理論とのフィッティングからスピン軌道相互作用の強さを評価した。その結果GaSeは、同程度のエネルギーギャップ、価電子帯のスピン分離を持つIII-V族半導体GaAsに比べ、10倍以上スピン軌道相互作用が強くなることを発見した。また、バックゲート電圧依存性から、ゲート電圧により変調可能な「ラッシュバ型」のスピン軌道相互作用であることが確認された。
(左) 作製したGaSe薄膜トランジスター構造 (右) 磁気量子伝導度のゲート電圧依存性 黒い実線は弱反局在理論との比較
理論的に予言されている電界による磁性体転移と、ラッシュバ効果を組み合わせることで、磁性体を用いることなくGaSeのみで全GaSeスピントランジスタを構成することが可能となることが期待できるという。
