ハーフメタルを用いた革新的スピントランジスタの創製

使用半金属创建创新的自旋晶体管

基本信息

批准号：
09J02936
负责人：
大平祐介
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

電荷に加えて、電子スピンを制御するスピントランジスタは,スピントロニクス分野において実現が強く求められている.本研究では、スピントランジスタ実現のために、新しい動作原理に基づくトランジスタ構造を独自に考案した.基本構造は、ハーフメタルCo_2MnSiを電極とする二重の強磁性トンネル接合(二重MTJ)である.ハーフメタルであるCo_2MnSiを用いることで,大きな磁気電流比と大きなON/OFF比とを兼ね備えたスピントランジスタが実現できる.前年度までの研究により,ゲート電圧の印加により,ドレイン電流の過渡応答が観測されることがわかった.また,過渡応答から磁気電流比とON/OFF比の評価を行った結果,磁気電流比が最大で215%,ON/OFF比は最大2920(いずれも低温)という値を得ることに成功した.過渡応答の形状がRC直列回路のそれと同様の形状をしていることから,トンネル障壁層の抵抗とゲート電極を構成する容量(ゲート容量)とが素子の出力を決定するパラメータになると考えられる.そこで本年度は,トンネル障壁層とゲート電極を構成するMgO層の膜厚を変化させながら素子の作製・評価を行った.評価の結果,磁気電流比の大きさはその素子のTMR比の大きさに対応することがわかった.ON/OFF比に関しては,素子のTMR比の大きさに加えて,ゲート容量が大きくなると大きなON/OFF比が得られるということが明らかになった.素子のTMR比を向上させることができれば,さらに大きな磁気電流比とON/OFF比とを得ることができる.TMR比の向上のために,スピントランジスタを構成する二重MTJの,Co_2MnSiとMgOの界面へ極薄のCoFe層の挿入を試みた.上部界面,下部界面それぞれにおいて挿入するCoFe層の最適化を行った.最適化の結果,CoFe層なしでは40-60%程度(室温)であったTMR比を,最大で134%(室温)まで向上させることができた.

自旋电子学领域强烈希望实现除了控制电荷外还控制电子自旋的自旋晶体管。在这项研究中，我们独立设计了一种基于新工作原理的晶体管结构来实现自旋晶体管。基础结构是双铁磁体以半金属Co_2MnSi为电极的隧道结（双MTJ）采用半金属Co_2MnSi，既具有大的磁流比，又具有大的ON/OFF比。可以实现自旋晶体管。前一年进行的研究表明，通过施加栅极电压可以观察到漏极电流的瞬态响应。此外，根据瞬态来评估磁电流比和开/关比因此，磁流比为我们成功获得了高达 215% 的值和高达 2920 的 ON/OFF 比（均在低温下）。由于瞬态响应的形状类似于 RC 串联电路，因此隧道势垒层的构成电阻器和栅电极的电容器（齿轮）因此，今年，我们在改变构成隧道势垒层和栅电极的MgO层的厚度的同时，制作并评估了该器件。评估结果，磁电流比的大小为关于ON/OFF比，发现栅极电容越大，除了器件的TMR比越大，器件的TMR比也越大。如果能够改善这一点，可以获得更大的磁流比和ON/OFF比。为了提高TMR比，在构成自旋的双MTJ的Co_2MnSi和MgO之间的界面上应用了超薄膜。插入CoFe层。我们尝试优化在上下界面插入的 CoFe 层。优化的结果是，在没有 CoFe 层的情况下，TMR 比率约为 40-60%（室温），增加到最高 134%（室温）。