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強磁性金属/半導体ハイブリッド量子スピントロニクスデバイス

研究課題

研究課題/領域番号 20J12256
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

鈴木 亮太  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 採択後辞退 (2021年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードスピントロニクス / 磁気トンネル接合 / トンネル磁気抵抗効果 / 分子線エピタキシー
研究開始時の研究の概要

スピントロニクス分野では、強磁性体の磁化の向きにより抵抗値が変化する、磁気トンネル接合を用い、不揮発で超低消費電力な磁気抵抗メモリが作製可能である。しかしながら、これらの研究開発では強磁性体にFeを使用しており、既存の膨大なIV族半導体テクノロジーと整合がなされていない。これらを融合することは、スピンMOSFET等の次世代スピントロニクス素子の作製に必要不可欠である。IV族半導体GeはFeと格子整合性が非常に良いため、Ge基板上に半導体をベースとした新たなスピン機能素子の作製を目指す。

研究実績の概要

Feとの格子整合性が良い酸化物半導体SrTiO3を用いて、Fe/MgO/Fe/γ-Al2O3/Nb:SrTiO3からなる、フルエピタキシャル二重障壁磁気トンネル接合素子を、分子線エピタキシー法により作製した。反射高速電子回折像および透過電子顕微鏡像により、すべての層がエピタキシャル成長していることを確認した。電気伝導測定を行ったところ、300 Kで219%もの大きなトンネル磁気抵抗比を観測した。これは典型的なFe/MgO/Feのものよりも大きく、Nb:SrTiO3電極の面内フェルミ波数が小さいことに起因したk-space filteringによってトンネル磁気抵抗効果が増大した可能性がある。バンド計算を行ってみたところ、実際にNb:SrTiO3の面内フェルミ波数はトンネル磁気抵抗効果の増大が見込めるほど小さいことが分かった。本研究の結果は、FeやFeをベースとした磁気トンネル接合素子と、酸化物半導体であるSrTiO3との良い整合性を示す結果であると考えられる。また、同様の素子構造において、バイアス電圧を上昇させると、トンネル磁気抵抗比が上昇するという特異な現象を観測した。この原因を探るため、電気伝導測定を行ったところ、ゼロバイアス近傍では、クーロンブロッケード効果に起因して、γ-Al2O3層の抵抗値が支配的であることがわかった。これにより、低バイアス電圧領域ではFe/MgO/Fe層の電圧降下がほとんど起こらず、その結果、非常に高いバイアス電圧領域においても、大きなトンネル磁気抵抗効果が観測されることがわかった。実験的には、3.5 Kで、バイアス電圧-4 Vにおいても、23%のトンネル磁気抵抗比が得られた。この結果により、磁気トンネル接合素子にFe/γ-Al2O3/Nb:SrTiO3層を接続することで、高バイアス領域においても、高いトンネル磁気抵抗比が得られる手法を確立した。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

報告書

(1件)
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (3件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (2件)

  • [雑誌論文] Large tunnel magnetoresistance in a fully epitaxial double-barrier magnetic tunnel junction of Fe/ MgO/ Fe/ γ-Al2O3/ Nb-doped SrTiO32020

    • 著者名/発表者名
      R. Suzuki, Y. Tadano, M. Tanaka, and S. Ohya
    • 雑誌名

      AIP Adv.

      巻: 10 号: 8 ページ: 085115-085115

    • DOI

      10.1063/5.0002536

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Unconventional bias dependence of tunnel magnetoresistance induced by the Coulomb blockade effect2021

    • 著者名/発表者名
      Ryota Suzuki、Yuriko Tadano、Le Duc Anh、Masaaki Tanaka、Shinobu Ohya
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 単結晶Fe/ MgO/ Fe/γ-Al2O3/Nb:SrTiO3二重障壁磁気トンネル接合における大きなトンネル磁気抵抗効果と異常なバイアス電圧依存性2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木亮太、但野由梨子、田中雅明、大矢忍
    • 学会等名
      PASPS-25
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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