2021 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative metal/semiconductor-hybrid spintronic devices for nano-scale memory
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21H05000
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
水上 成美 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (00339269)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浜屋 宏平 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90401281)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 磁性体 / 半導体 / 垂直磁化 / 磁気抵抗素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初計画に従い研究を進めた。代表者は、独自の材料である正方晶Mn系垂直磁化薄膜(001)面を電極に有し、MgOバリア中間層を有する垂直磁化磁気抵抗素子について研究を進めた。これまで、室温80%程度の磁気抵抗比を報告している当該素子において[Appl. Phys. Lett. 118, 172412 (2021)]、界面原子構造や化学結合を詳細に調べつつプロセスを検討することにより、120%に達する磁気抵抗比を室温で得ることに成功した。本成果は学会で報告するとともに、論文投稿を準備中である。加えて、これまでにない六方晶Mn系垂直磁化薄膜材料を用いた垂直磁化磁気抵抗素子の創成を目指し、プロトタイプ材料としてMnBi垂直磁化薄膜の作製プロセスの検討を進めた。並行して、上述の素子ならびに材料と組み合わせて用いるための立方晶の結晶構造を有する良質の半導体薄膜を得るため、界面構造を調べつつ薄膜作製プロセスの検討を進めた。分担者は、これまで独自に検討してきたGe半導体中間層を有する縦型磁気抵抗素子の下部電極に、ハーフメタル性が期待されるCo系ホイスラー合金の一つであるCo2FeSi を利用するための結晶成長プロセスを検討した。具体的には、これまでのFe3Si電極層を、Co2FeSi層を成長するためのバッファー層として利用するなどの工夫を行い、GeとCo2FeSi界面での原子の相互拡散を抑制する結晶成長プロセスを検討した。これらの研究により、Co2FeSiを界面に有する全エピタキシャル薄膜成長を達成した。また、これを用いた縦型磁気抵抗素子において約1.4 %の室温磁気抵抗比を得ることに成功した[Appl. Phys. Lett. 119, 192404 (2021)]。また、(111)配向したCo系ホイスラー合金上にCo/Pd多層膜を作製し、垂直磁化特性を発現することに成功し始めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
代表者は、Mn系垂直磁化薄膜を電極とした垂直磁化磁気抵抗素子で120%に達する磁気抵抗比を達成した。この磁気抵抗比はMn系材料を用いた素子では世界最高の大きさである。今年度得た知見からさらに磁気抵抗比をエンハンスさせることも可能であり、中間層を半導体化するための準備も進んでいる。また六方晶系の垂直磁化薄膜の研究も進んでいる。加えて、分担者は、中間層をIV族半導体(Ge)とする縦型スピンバルブ素子において室温で世界最高の磁気抵抗比を達成しており、代表者が作製するMn系垂直磁化薄膜電極にこの技術を応用展開する準備を整えている。よって、概ね順調に研究は進捗しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
代表者は、今年度の成果をベースに、正方晶Mn系材料(001)面を電極に有し、中間に半導体(001)面を有する磁気抵抗素子の研究を進める。また、今年度に得た知見をもとに六方晶の構造を有する垂直磁化薄膜の研究を加速する。これらを推進するため、製膜ならびに評価のための設備を導入する。さらに、分担者の作製するIV族半導体(Ge)素子と、代表者の開発する磁性材料を融合した素子研究を推進する。代表者と分担者の研究機関を跨いで試料を搬送するため、試料表面の酸化(劣化)が懸念されることから、試料表面清浄化を行う設備を導入する。分担者は、代表者が作製するMn系垂直磁化薄膜(001)面ないし(0001)面上に、IV族半導体(Ge)薄膜をエピタキシャル成長する技術を開発する。上述のように、試料の搬送によって試料表面の汚染が想定されるため、現有の真空装置の改造と現有のイオン銃の移設整備を行い、垂直磁化磁性電極構造を有するGe縦型スピンバルブ構造の一部を早期に実現する。
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