ホイスラー合金を用いたスピン注入ヘテロ構造の製作とスピン輸送特性の研究

Heusler合金自旋注入异质结构的制备及自旋输运特性研究

• 批准号: 10J00152
• 负责人: 平 智幸
• 金额: $ 0.9万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2010 至 2011
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J00152/
• 关键词: 強磁性トンネル接合; ハーフメタル強磁性体; ホイスラー合金; エピタキシャルトンネル接合; スピントロニクス; 不揮発性磁気メモリ; スピン注入

本研究は、ハーフメタル特性に由来する高いスピン偏極率を本質的に有するCo系ホイスラー合金とMgOバリアを組み合わせた、半導体への高効率スピン注入ヘテロ構造デバイス基盤技術を構築すると共に、その優れたスピン輸送特性を実証することを目的にしている。前年度までにCo系ホイスラー合金の一つであるCo_2MnSiを電極材料に用いた強磁性トンネル接合(MTJ)に対し、室温で340%、4.2Kで1800%を超える高いトンネル磁気抵抗(TMR)比を実証した。また、次世代のMOSFETのチャネル材料として期待されるGeに着目し、急峻で平坦なヘテロ界面を有する全層エピタキシャル成長のCo_2MnSi/MgO/Geヘテロ構造の作製法を確立した。強磁性体電極を用いた半導体スピントロニクスデバイスで構成される論理回路の機能を能動的に変えるためには、MOSFETのドレインまたはソース上の強磁性電極をMTJに置換した構造において、MTJのスピン偏極電流による磁化反転技術を利用する方法が考えられる。このスピン偏極電流による磁化反転技術を利用するためには、高品質なMTJが必須なため、当該年度では、Ge基板上に高品質なMTJの作製技術の確立を試みた。MgO中間層を介してGe基板上へ作製したCo_<50>Fe_<50>/MgO/Co_<50>Fe_<50>MTJに対して、MgO中間層の膜厚を10nmとしたMTJでMgO基板上に作製したMTJと同程度のTMR比を実証した。また、MgO中間層の膜厚が1nmとスピン注入に好ましいと考えられる厚みのMTJに対して室温で110%(4.2Kで170%)の良好なTMR比を実証した。この高品質なMTJの実現によってMTJからのスピン注入および、スピン偏極電流による磁化書き換えの実証が期待される。

本研究旨在通过结合钴基赫斯勒合金和 MgO 势垒，构建高效自旋注入异质结构器件的基础技术，该合金因其半金属特性而具有高自旋极化特性。研究的目的是证明自旋输运特性。与去年之前使用Co_2MnSi（一种钴基霍斯勒合金）作为电极材料的铁磁隧道结（MTJ）相比，我们实现了室温下340％的高隧道磁阻（TMR）比和室温下超过1800％的高隧道磁阻（TMR）比。 4.2K已被证明。我们还关注了有望成为下一代MOSFET沟道材料的Ge，并建立了一种全层外延生长的具有陡峭和平坦异质界面的Co_2MnSi/MgO/Ge异质结构的制造方法。为了主动改变由使用铁磁电极的半导体自旋电子器件组成的逻辑电路的功能，需要改变将MOSFET的漏极或源极上的铁磁电极替换为结构中的MTJ的自旋极化。一种可能的方法是使用电流磁化反转技术。为了利用这种利用自旋极化电流的磁化反转技术，高质量的MTJ是必不可少的，因此在本财年，我们尝试建立一种在Ge基板上制造高质量MTJ的技术。与通过MgO中间层在Ge衬底上制造的Co_<50>Fe_<50>/MgO/Co_<50>Fe_<50>MTJ相比，在MgO衬底上制造具有10nm厚度的MgO中间层的MTJ我们展示了与上面制造的 MTJ 相当的 TMR 比率。我们还证明了 MgO 中间层厚度为 1 nm 的 MTJ 在室温下具有 110% 的良好 TMR 比（4.2K 下为 170%），这被认为更适合自旋注入。这种高质量 MTJ 的实现预计将展示 MTJ 的自旋注入和自旋极化电流的磁化重写。

项目成果

Tunnel magnetoresistance in fully epitaxial CoFe/MgO/CoFe magnetic tunnel junctions on Ge(001) substrates via a MgO interlayer

通过 MgO 夹层在 Ge(001) 衬底上全外延 CoFe/MgO/CoFe 磁隧道结中的隧道磁阻

• 发表时间: 2012
• 作者: G.-f.Li;T.Taira;H.-x.Liu;K.-i.Matsuda;T.Uemura;M.Yamamoto
• 通讯作者: M.Yamamoto

Epitaxial growth of Heusler alloy Co_2MnSi/MgO heterostructure on Ge(001) substrate

Ge(001)衬底上外延生长Heusler合金Co_2MnSi/MgO异质结构

• 发表时间: 2011
• 作者: G.-f.Li;T.Taira;K.-i.Matsuda;T.Uemura;M.Yamamoto
• 通讯作者: M.Yamamoto

Spin-dependent transport characteristics of epitaxial magnetic tunnel junctions of CoFe/MgO/CoFe ultrathin layer/Co_2MnSi

CoFe/MgO/CoFe超薄层/Co_2MnSi外延磁隧道结的自旋相关输运特性

• 发表时间: 2012
• 作者: H.-x.Liu;Y.Honda;T.Taira;K.-i.Matsuda;T.Uemura;Y.Miura;M.Shirai;M.Yamamoto
• 通讯作者: M.Yamamoto

Spin-dependent transport properties of fully epitaxial magnetic tunnel junctions of CoFe/MgO/CoFe ultrathin layer/Co_2MnSi

CoFe/MgO/CoFe超薄层/Co_2MnSi全外延磁隧道结的自旋相关输运特性

• 发表时间: 2011
• 作者: H.-x.Liu;T.Taira;Y.Honda;K.-i.Matsuda;T.Uemura;M.Yamamoto;Y.Miura;M.Shirai
• 通讯作者: M.Shirai

Structural and magnetic properties of epitaxially grown Heusler alloy Co_2MnSi/MgO heterostructures on Ge(001) substrates

Ge(001)衬底上外延生长Heusler合金Co_2MnSi/MgO异质结构的结构和磁性能

• 发表时间: 2011
• 作者: G.-f.Li;T.Taira;K.-i.Matsuda;M.Arita;T.Uemura;M.Yamamoto
• 通讯作者: M.Yamamoto