Innovative metal/semiconductor-hybrid spintronic devices for nano-scale memory

用于纳米级存储器的创新金属/半导体混合自旋电子器件

• 批准号: 21H05000
• 负责人: 水上 成美
• 金额: $ 118.31万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-05 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H05000/
• 关键词: スピントロニクス; 磁性体; 半導体; 垂直磁化; 磁気抵抗素子

代表者、分担者は各々独自の磁性材料ならびに半導体材料を用いた研究を進めつつ、融合研究を本格化した。代表者は、正方晶Mn合金(001)面を電極としMgO(001)面をスペーサーとする垂直磁化素子において、放射光分析等最先端計測手法も駆使することで界面層構造の最適化を進め、室温で120%の磁気抵抗比を示す素子の開発を達成し論文発表した。当該素子は低温で300%に迫る磁気抵抗比を示しており酸化物半導体スペーサーを有する素子開発へ向けた準備が整った。また正方晶Mn合金と窒化物半導体スペーサーを組み合わせた素子研究を進め、スペーサーの構造パラメータとそれに接する正方晶Mn合金の磁気特性の関係について知見を得た。これらの研究の過程で、メモリ応用に向けて重要となる結晶成長技術を見出した。研究を加速するために窒素・酸素雰囲気の制御性を高めつつ安定した製膜を可能とする製膜装置改造を行った。ウルツ鉱型ワイドギャップ半導体の(0001)面を用いた素子と組み合わせて用いるため、六方晶Mn強磁性合金ならびに、六方晶フェリ磁性合金材料の研究を進めた。これら新磁性材料においてメモリ応用上必須となる低ダンピング定数の特性評価を進めるため、レーザー装置を導入し高精度計測の整備を進めた。また、分担者の開発するIV族半導体スペーサーを有する素子に代表者の開発する新磁性体薄膜を積層するため、試料表面を清浄化するイオンガンを備えたチャンバーを導入し整備を進めた。分担者は、高精度な薄膜成長を実現するために、MBE用のビームフラックスモニタ等を導入し整備した。代表者の作製した正方晶Mn合金薄膜(001)面上にIV族半導体薄膜成長を検討する過程で、ミスマッチが大きいながらもGe(001)面がエピタキシャル成長することを偶然見出し、MnGa/Ge(001)面を有する縦型の磁気抵抗素子の作製に成功し学会報告した。また、Sn添加Ge薄膜の作製条件を探索した。

代表和共享者各自使用自己的磁性和半导体材料进行研究时，开始了全面的融合研究。该代表已经开发了一篇论文，该论文已开发出具有四方Mn合金（001）表面的垂直磁化元件，作为电极和具有MGO（001）表面的间隔物作为间隔者，并且还使用了切割边缘测量方法，并使用了诸如同步级结构的优化，以促进诸如互联设备的优化，以促进诸如同步级别的优化，即室温。该设备在低温下表现出接近300％的磁化率，并且可以开发氧化物半导体间隔物。此外，我们对将四方MN合金与氮化物半导体间隔仪结合在一起的设备进行了研究，并获得了有关间隔者的结构参数与四方MN合金的磁性之间的关系的知识。在这些研究过程中，我们发现了对于记忆应用很重要的晶体增长技术。为了加速研究，我们修改了膜形成装置以实现稳定的膜形成，同时增加了氮气和氧气气氛的可控性。对Hexagonal MN铁磁合金和六角磁合金材料进行了研究，以使用Wurtzite宽间隙半导体的（0001）平面结合使用元素。为了评估低阻尼常数的特性，这对于这些新磁性材料中的内存应用至关重要，引入了激光设备并进行了高精度测量。此外，为了堆叠由代表在设备上开发的新磁性薄膜，由共享者开发了IV组半导体间隔物，该室配备了一个离子枪，该腔室介绍了清洁样品表面的离子枪，并进行了维护。为了实现高精度薄膜的生长，共享者为MBE引入了束通量监测器并准备了它们。在研究IV组半导体薄膜的增长过程中，该代表制造的四大合金薄膜（001），发现尽管不匹配的GE（001）表面表现出现了较大的表面，但该公司成功地产生了MNGA/GE（001）表面的垂直磁磁性元素。此外，搜索了制造SN掺杂薄膜的条件。

项目成果

磁気ダンピング、第3章、第5節、スピントロニクスハンドブック

磁阻尼，第 3 章第 5 节，自旋电子学手册

• 发表时间: 2023
• 作者: 水上成美

磁性ヘテロ構造薄膜の超高速スピン制御

磁性异质结构薄膜的超快自旋控制

• 发表时间: 2023
• 作者: 飯浜賢志;石橋一晃;水上成美
• 通讯作者: 水上成美

Room temperature spin signals improved by low-temperature annealing in Co2MnSi/Fe/Ge lateral spin-valve devices

Co2MnSi/Fe/Ge 横向自旋阀器件中的低温退火改善了室温自旋信号

• 发表时间: 2022
• 作者: Yamada Michihiro;Sumi Kazuaki;Naito Takahiro;Sawano Kentarou;Hamaya Kohei
• 通讯作者: Hamaya Kohei

Magnetoresistance ratio of more than 1% at room temperature in germanium vertical spin-valve devices with Co2FeSi

磁阻%20ratio%20of%20more%20than%201%%20at%20room%20温度%20in%20锗%20垂直%20旋转阀%20devices%20with%20Co2FeSi

• DOI: 10.1063/5.0061504
• 发表时间: 2021
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: Yamada A.;Yamada M.;Honda M.;Yamada S.;Sawano K.;Hamaya K.
• 通讯作者: Hamaya K.

Significant effect of interfacial spin moments in ferromagnet-semiconductor heterojunctions on spin transport in a semiconductor

• DOI: 10.1103/physrevb.105.195308
• 发表时间: 2022-05
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: T. Naito;R. Nishimura;M. Yamada;A. Masago;Y. Shiratsuchi;Y. Wagatsuma;K. Sawano;R. Nakatani;T. Oguchi;K. Hamaya