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

基本信息

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

项目摘要

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。

本研究旨在通过将钴基霍斯勒合金（由于其半金属特性而固有地具有高自旋极化）与 MgO 势垒相结合，构建半导体高效自旋注入异质结构器件的基础技术，并开发其本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MTJ的结构中的自旋极化。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。