［１］組織 研究代表者：
Prof. MITIN Vladimir (Univ. Buffalo, SUNY, USA) 通研対応教員：
Prof. OTSUJI Taiichi (RIEC, Tohoku Univ.) 研究分担者：
Assoc. Prof. SATOU Akira (RIEC, Tohoku Univ.)
延べ参加人数：3人 研究費：
物件費 97,000円
旅費 252,000円
国際特別支援費 220,000円
［２］研究経過
During the year of the collaborative efforts PI Prof. Vladimir Mitin visited the group of Research Collaborator Prof. Taiichi Otsuji twice for five days in November 2018 and then in February 2019. During the third year of this project the efforts were focused on further development of the proposed during the first year the graphene layer (GL) photodetectors (PD) based on the van der Waals (vdW) heterostructures with the radiation absorbing GLs. We have demonstrated [A1, B1-B3]
that the operation of the GL PDs that is associated with the electron photoexcitation from the GL valence band to the continuum states above the inter-GL barriers (interband transitions) are superior to the conventional quantum well photodetectors which are based on intraband transitions that have substantially lower probability. We also demonstrated that the proposed photodetectors can be used beyond the graphene technology [A2, B4], i.e. the graphene can be replaced by a thin layer of a narrow bandgap material and such photodetectors also use interband transition and surpass the conventional quantum well photodetectors. We
demonstrated that graphene hybrid structures can exhibit negative and positive photoconductivity and operate at room temperatures [A3]. Finally we paved the way for a new cycle of a collaborative research demonstrating [A4-A6, B5, B6]
that graphene-phosphorene heterostructures have very broad spectrum of applications due to strong dependence of the phosphorene bandgap on the number of monolayers of phosphorous.
［３］成果
（３－１）研究成果
We proposed new type of the GLPD (Fig. 1) and demonstrated that these PD superior to the conventional quantum well photodetector (QWPD) [A2]. The operation of the GLPDs is associated with the electron photoexcitation from the GL valence band to the continuum states above the inter-GL barriers (either via tunneling or direct transitions to the continuum states). The GLPDs perform the electron photoexcitation from the GL valence band where the number of electron is several orders of magnitude higher than that in QWPDs. Moreover, the GLPD is sensitive to a normal incident radiation (interband absorption), while QWPD is sensitive only to inclined radiation whose polarization is perpendicular to the layers.
Fig. 1. Schematic views of (a) an n-type QWIP (inclined incident irradiation) and (b) a GLPD (normal incident irradiation) with n-type emitter and collector layers and inner p-type GLs.
We show in Fig 2 that the responsivity of the GLPD can be up to 30 times higher than the responsivity of the QWPD with analogous parameters. Moreover, as it is demonstrated in
[A1], the detectivity of GLPD can be up to 15 times higher than detectivity of QWPD, so the GLPDs offer substantially better performance (see also [B1-B3]).
Fig. 2. Ratio of the GLPD to the QWPD responsivities as a function of the photon energy for the GLIPs with different GL (GL = 87.5, 100, and 125 meV) at E = 80 kV/cm.
We also show that the photoconductivity of GL photodetector at room temperature can be positive or negative depending on the energy of photons relative to the energy of the optical phonons in graphene (Fig. 3) [A3]. We evaluated the responsivity of the THz and IR photodetectors using the calculated GL photoconductivity (Figs. 3 and 4). The obtained results along with the relevant experimental data might reveal the microscopic processes in GLs, and the developed model could be used for the optimization of the GL-based photodetectors.
Fig. 3. The normalized GL photoconductivity / 00 as functions of the photon energy for the case of dominant short-range scattering for different values of
Opt / Auger
b the characteristic value of the momentum scattering, 0= 1 ps (left panel) and different 0 and b= 0.1 (right panel).
Fig. 4. The spectral characteristics of the responsivity, / ,
R R of the GL-based photodetectors with dominant short-range scattering and the same parameters as in Fig. 3.
Since the band gap of the phosphorene strongly depends on the number of its monolayers it is possible to control the frequency of emitters and/or detectors that can operate at
room temperatures in a wide spectral range from far terahertz to infrared frequencies and even higher. First we considered field effect transistor (FET) [A4] (Fig. 5). Electrons and holes have high mobility in the G-layer, but due to large effective mass, the mobility in P-layer is substantially lower. As the source-drain electric field increases, electron and hole energy go up and as they reach the energy equal to barrier height c and h the carriers transfer to P-layer (real-space-transfer), resulting in NDC: negative differential conductivity (Fig. 6).
Fig. 5: Schematic view of (a)G-P FET structure, (b) energy spectrum, and (c) density of states (DoS). Cone-shaped parts of energy spectrum corresponds to the K- and K’-valleys in G-layer.
Fig. 6 Current-voltage characteristics for three values of the gate voltage Vg/ Vo shown at the curves for one
concentration of scattereres, i 10 cm10 2.
（３－２）波及効果と発展性、研究分野への貢献など Our research was focused on graphene heterostructures, but in paper [A2] (see also [B4]) we demonstrated that the suggested new principals of photodetectors operation [A1, B1-B3] can be used for other materials, especially in the heterostructures where G-layers (see Fig. 1b) are replaced by thin layers of a narrow band gap material such as the quantum
wells of HgTe / Cd0:3Hg0:7Te with the QW thickness as a parameter.
［４］成果資料
Six Peer-reviewed journal articles
A1“Comparison of intersubband quantum-well- and interband graphene-layer-infrared photodetectors,” V.
Ryzhii, T. Otsuji, V. E. Karasik, M. Ryzhii, V. G. Leiman, V. Mitin, and M. S. Shur, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 54, No 2, 0545108 (2018), https://doi.org/10.1109/JQE.2018.2797912.
A2“Interband infrared photodetectors based on HgTe–
CdHgTe quantum-well heterostructures,” V. Ya Aleshkin, A.A. Dubinov, S.V. Morozov, M. Ryzhii, T. Otsuji, V.
Mitin, M. S. Shur, and V. Ryzhii, Optical Materials Express, Vol. 8, pp. 1349-1358 (2018), https://doi.org/10.1364/OME.8.001349.
A3“Negative and positive terahertz and infrared photoconductivity in uncooled graphene,” V. Ryzhii, D.
S. Ponomarev, M. Ryzhii, V. Mitin, M. S. Shur, and T Otsuji, Optical Materials Express, Vol.9, No 2, pp. 585-597 (2019), https://doi.org/10.1364/OME.9.000585 A4“Real-space-transfer mechanism of negative differential
conductivity in gated graphene-phosphorene hybrid structures: Phenomenological heating model", V. Ryzhii, M. Ryzhii, D. Svintsov, V. Leiman, P. Maltsev, D.
Ponomarev, V. Mitin, M. Shur, and T. Otsuji, J. Appl. Phys.
Vol. 124, No. 11, p. 114501 (2018), https://doi.org/10.1063/1.5046135.
A5“Negative photoconductivity and hot-carrier bolometric detection of terahertz radiation in graphene-phosphorene hybrid structures", V. Ryzhii, M. Ryzhii, D. Svintsov, D.
Ponomarev, V. Leiman, V. Mitin, M. Shur, and T. Otsuji, J. Appl. Phys., Vol. 124, No. 12, (2018), accepted, in press.
A6“Electrical modulation of terahertz radiation using graphene-phosphorene heterostructures”, V. Ryzhii, T.
Otsuji, M. Ryzhii, D. S. Ponomarev, V. Karasik, V.
Leiman, V. Mitin, and M. Shur, Semicond. Sci. Technol., Vol. 33, No 12, 124010 (8pp) (2018), https://doi.org/10.1088/1361-6641/aae9b2
Three invited and three regular presentations at international conferences
B1“Comparison of Infrared and Terahertz Photodetectors Based on Graphene, CdHgTe, and A3B5 Quantum-well Heterostructures,” V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Ryzhii, V. E.
Karasik, V. G. Leiman, V. Mitin, M. S. Shur , V. Ya.
Aleshkin, A. A. Dubinov, and S. V. Morozov. Invited talk at the Progress in Electromagnetics Research
Symposium: PIERS 2018, Toyama, Japan, August 1 – 4, 2018 A6, 4P-14a.
B2“Infrared and terahertz photodetectors based on van der Waals/graphene heterostructures: Can they be superior?”
V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Ryzhii, V. Mitin, and M. S. Shur, 2018 Advanced Research Workshop: Future Trends in Microelectronics, June 11-15, 2018: Sardinia, Book of Abstracts, p. 31.
B3“Interband multi-graphene-layer versus intersubband quantum well infrared photodetectors V. Mitin, V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Ryzhii, and M.S. Shur, 2018 Advanced Research Workshop: Future Trends in Microelectronics, June 11-15, 2018: Sardinia, Book of Abstracts, p. 44.
B4 “Concepts of Infrared and Terahertz Photodetectors Based on Vertical Graphene and HgTe-CdHgTe Heterostructures,” M. Ryzhii, T. Otsuji, V. Ryzhii, V.
Aleshkin, A. Dubinov, V. E. Karasik, V. Leiman, V.
Mitin, and M. S. Shur, Invited talk at The 7th Russia–
Japan–USA-Europe Symposium on Fundamental &
Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies
"RJUSE TeraTech-2018," Sept 17-21, 2018, Warsaw, Poland. Book of Abstracts.
B5“Electrical carrier heating in graphene-phosphorene heterostructures and its applications,” M. Ryzhii, T. Otsuji, V. Ryzhii, D. Ponomarev, V. Mitin, and M. S. Shur, Applied Nanotechnology and Nanoscience International Conference “ANNIC 2018" Oct. 22-24, 2018, Berlin, Germany. Book of Abstracts.
B6“Graphene-phosphorene hybrid structures and their applications,” V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Ryzhii, V. Leiman, D. Ponomarev, P.P. Maltsev, D. Svintsov, V. Mitin, and M. S. Shur, Invited talk at The International Conference
“Micro- and Nanoelectronics – 2018” (ICMNE-2018), Zvenigorod, Russia, October 1-5, 2018, Book of Abstracts, p. L2-2.
採択回数 １ ２ ３
（若手）
採択番号： H28/A16
スピン軌道相互作用の電気的制御による磁化・スピンダイナミ クス操作に関する研究
［１］組織
研究代表者：好田 誠
（東北大学大学院工学研究科）
通研対応教員：金井 駿
（東北大学電気通信研究所）
研究分担者：
森田 健（千葉大学工学研究科）
千葉 大地（東京大学工学系研究科）
深見 俊輔（東北大学電気通信研究所）
眞田 治樹（NTT 物性科学基礎研究所）
国橋 要司（NTT 物性科学基礎研究所）
石原 淳（東京理科大学理学部）
山根 結太（理化学研究所）
小山 知弘（東京大学工学系研究科）
飯浜 賢志（東北大学 WPI-AIMR）
延べ参加人数：11 人
研究費：物件費 97,000 円 旅費 112,000 円 若手特別支援費 120,000 円
［２］研究経過
スピン軌道相互作用は、そもそも相対論的な効果 であり真空中ではその効果が極めて小さい。しかし ながら、半導体や金属に代表される固体では、その 効果が増強され様々なスピン機能を生み出す重要な 概念となっている。この様な分野をスピンオービト ロニクスと呼ぶが、本プロジェクトではまさに半導 体から金属までの異なる物質をバックグラウンドに 持つ研究者が集まり、スピン軌道相互作用を共通言 語として、その物理的・工学的な知見を得るのが目
的である。そのような研究背景の下、金属および半 導体において、電子スピン・磁化の電気的制御を用 いたデバイス応用そしてスピンダイナミクスの研究 を進めた。
研究分担者には、スピンダイナミクスを専門にす る研究者 3 名と、磁気輸送測定からスピン物性を明 らかにする研究者 1 名、そして磁性の電場制御、高 速磁化ダイナミクス操作および磁性体を用いたニュ ーロモルフィックコンピューティングを専門にする 研究者 2 名により構成され、磁化およびキャリアス ピンのダイナミクス操作に関する研究に従事した。
2019 年 2 月 1 日には、東北大学電気通信研究所共同 プロジェクト研究会として「固体中のスピン・ダイ ナミクスの物理と応用」(研究代表者：東北大 CIES 松倉 文礼教授)および「スピン軌道相互作用を介し た磁化・スピンダイナミクスの電気的操作に関する 研究」に関する共同研究会を開催し、8 名の研究者 を招いて本分野の最先端研究について成果発表が行 われた。具体的には、飯浜賢志氏(東北大 WPI)から は強磁性/非磁性/強磁性構造における超高速スピン 輸送を用いた全光学磁化反転、森田健氏(千葉大)か らは半導体量子井戸構造におけるスピンモード前の 遷移状態における拡散電子スピンダイナミクスとス ピン軌道相互作用の評価法について、宗片比呂夫氏 (東工大)からは高品位 AlO トンネルバリアを用いた 室温純粋円偏光発光ダイオードのメカニズムについ て、多々良源氏(理研)からはスピン流を定義しなく ても説明できるスピントロニクス現象について、小 山知弘氏(東大)からは電場を用いてジャロシンスキ ー・守谷相互作用を制御することによる高速磁壁ダ イナミクスについて、山根結太氏(理研)からは Noncollinear 反強磁性体におけるスピン流誘起磁 化ダイナミクスについて、国橋要司氏(NTT)からは GaAs 量子井戸中におけるドリフトスピンダイナミ クスについて、最後に石原淳氏(東理大)からは半導 体量子井戸における高移動度二次元電子のスピンダ イナミクスについて講演を頂いた。質疑応答も活発
共同プロジェクト研究
に行われ、スピントロニクス分野の更なる広がりに 対する可能性を強く感じると共に、異なる分野を網 羅的に理解できる良い機会となった。
［３］成果
（３－１）研究成果
本年度は、以下に示す研究成果を得た。
まず第１に、強磁性半導体(Ga,Mn)As を用いた横 型スピン注入素子において、弱磁場下で半導体 GaAs チャネル中の核スピン偏極を観測することに成功し、
核スピンが 20 μm の長距離にわたって偏極してい ることを明らかにした。GaAs をはじめとする III-V 族半導体は、電子スピンのゲート電界制御が可能で あり、かつ直接遷移型のエネルギーギャップを有す ることから、スピントランジスタのチャネル材料や スピン発光ダイオードの候補物質として注目されて いる。これらの物質においては、Ga と As 原子が有 限の核スピンを有するため、電子スピンとのフリッ プフロップ過程で核スピンが偏極すると、最大で数 テスラに及ぶ核磁場を生み出すため、電子スピンの 寿命を大きく変調させることが知られてる。よって 核磁場とスピン流の相互作用を直接観測しその機構 を理解することは、半導体を用いたスピンダイナミ クスを制御する上で基盤技術となる。しかしながら、
スピントランジスタの基本構成要素である微小な横 型スピン注入素子のチャネル中における核スピン偏 極の空間的な広がりとスピン流に及ぼす影響につい て は 調 べ られ て こ な かっ た 。 本 研究 で は 、 (Ga,Mn)As/n-GaAs スピン注入・検出構造を用いて横 型スピン注入素子を作製し、磁気抵抗効果から電子 スピンの偏極率の距離依存性を系統的に調べ、核ス ピン偏極率やその空間分布について詳細に調べた。
図 1 に磁気抵抗測定の結果を示す。ゼロ磁場付近の 電子スピン蓄積に起因するピーク構造に加え、核ス ピン偏極を示すサテライトピークが観測された。こ のサテライトピークの検出電極距離依存性から、ス ピン注入源から 20μm まで離れても核スピン偏極が 実現されていることを明らかにした。核スピン偏極 率はスピン流の伝搬に伴い減衰することが分かった。
図 1. スピン注入源から異なる距離にあるスピン 検出端子で測定したスピン電圧の外部磁場依存性
第２に、半導体 2 次元電子ガスにおいて、スピン 軌道ロッキングを用いてスピン緩和の抑制と効率的 なスピン制御を両立する新たなスピン回転制御法を 見出した。半導体における電子スピンの回転制御は、
量子コンピューティングや省電力集積回路を実現す る上で基盤技術となる。しかし、電子スピンが磁場 の周りを歳差運動しながら回転すると、スピン位相 緩和が生じるため、スピン情報が失われてしまう問 題を抱えていた。スピン軌道ロッキングは、電子の 運動方向に依存しスピンの向きが一意に決まるスピ ン軌道相互作用の基本的な性質の一つである。この 効果を用いることにより、常に電子スピンが有効磁 場方向に揃いながらスピン制御できる新たな方法を 考案し、ナノ構造素子を用いて実証した。InGaAs 半 導体量子井戸を用いた磁気フォーカシング素子を作 製し(図 2)、弱い面直磁場を印加しながら電流を流 した。ソースから出た電子は、サイクロトロン運動 により、円軌道を描きながらドレインに到着する。
この時、常に電子スピンは有効磁場方向を向くため、
スピン歳差運動を誘起せずに、スピン方向を変化さ せることが可能となる。ドレインを流れる電流の伝 導度の磁場依存性を詳細に評価することで、図 3 に 示すように、スピンの向きが 180 度回転して、ドレ インに到着していることを明らかにし、理論計算結 果とも良い一致をすることを明らかにした。
図 2.作製した InGaAs 磁気フォーカシング素子構造
図 3. 電子の軌道運動とスピン方向の概念図