Observation of giant tunnel magnetoresistance change by ballistic spin transport control

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01750
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: SUKEGAWA Hiroaki 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, グループリーダー (30462518)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三浦 良雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, グループリーダー (10361198) ; 柳原 英人 筑波大学, 数理物質系, 教授 (50302386)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: スピントロニクス / 強磁性トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果 / エピタキシャル成長 / 磁性薄膜

Outline of Final Research Achievements

A significant enhancement in the tunnel magnetoresistance (TMR) ratio in magnetic tunnel junctions (MTJs) has been achieved using single crystal thin film technology. Focusing on MTJ stacks with CoFe/MgO/CoFe structures grown in (001) orientation, an enhancement in the TMR ratio was observed by developing interface engineering techniques through introducing nano-insertion layers and additional oxidation processes at the MgO barrier interfaces. Finally, the room temperature TMR ratio record of 631% was achieved. This giant TMR ratio is due to the improvement of the electronic states at the interfaces, leading to a pronounced ballistic spin-transport and a resulting very high tunneling spin polarization. This achievement indicates the potential for significant performance improvements in future spintronic devices.

Free Research Field

スピントロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

室温におけるTMR比の増大は磁気センサーや磁気メモリ（MRAM）を含む幅広いスピントロニクス応用にとって重要な課題である。しかし長い間TMR比の増大は停滞しており、短期間での増大は見込めない状態にあった。本課題では、MTJのバリア層の界面に着目した開発を行ったことで、15年ぶりに室温TMR比の最高値を更新しMTJの高出力化の筋道を示した。これによって、スピントロニクス素子の電気出力の大幅な増大による近い将来のセンサー感度向上やメモリ素子の高密度化・高速動作につながることが期待できる。