化合物半導体障壁を用いた磁気トンネル接合の創製

• Project/Area Number: 20H02186
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 葛西 伸哉 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拠点, グループリーダー (20378855)
• 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拠点, グループリーダー (10361198) ; 高橋 有紀子 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拠点, グループリーダー (50421392)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
• Keywords: スピントロニクス / 磁気トンネル接合 / 垂直磁気異方性

Outline of Research at the Start

強磁性金属上への化合物半導体成長技術を構築することで、半導体の低バンドギャップ特性を活かした超低抵抗・高出力磁気トンネル接合の実現を目指す。また、強磁性金属・化合物半導体界面に特徴的な界面電子状態を利用することで、大容量磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)実現のために必要な界面誘導垂直磁気異方性を実現する。垂直磁気異方性の特異な電圧応答を利用することで新規磁化反転手法を構築し、超低消費電力駆動が可能なMRAM機能の実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

化合物半導体障壁を中間層に持つ磁気トンネル接合における巨大な垂直磁気異方性の実現を目指し、基盤研究を行った。まず、従来の実験結果を再現するために、Cu(In,Ga)Se(以下CIGS)を用いた磁気トンネル接合を作製し、その輸送物性を評価した。結果、以前と同様の出力を実現することに成功している。
磁気トンネル接合における耐電圧の低さ、および特性ばらつきの原因がCIGS層への磁性元素の拡散であることは以前の研究から予見されており、その抑制のため、様々な挿入層の検討を行った。併せて、障壁層の材料探索および高品質成長のため、分子線エピタキシー装置の実装を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初予定よりもMBEの導入が遅れたため、本来精力的に行う予定であった化合物半導体障壁層の低ダメージ成長については進捗が遅れている。その他についてはおおむね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

(1) 障壁層材料の低ダメージ成長：前年度に分子線エピタキシーを導入し、基本的な立ち上げ作業は完了している。当該装置を用いて、障壁層材料の低ダメージ成長を試みる。成長過程のRHEED観察、トンネル磁気抵抗効果および垂直磁気異方性の評価を通して、成長条件の最適化を行う。特に成長温度については詳細に検討する。
(2) 拡散防止層の導入：上記で問題が解決できない場合、界面へ原子拡散防止層の挿入を再検討する。こちらについても、上記同様、MBE法によって界面挿入を行う。
(3) 新規材料の検討；現行CIGSとは異なるカルコパイライト型化合物半導体障壁の検討を行う。