| 研究課題/領域番号 |
16H03852
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
介川 裕章 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, 主任研究員 (30462518)
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| 研究分担者 |
三浦 良雄 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (10361198)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 磁性薄膜 / スピントロニクス / ハーフメタル |
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| 研究実績の概要 |
強磁性トンネル素子を利用した応用ではトンネル磁気抵抗比（TMR比）の大幅な向上が求められている。本課題では完全スピン偏極材料（ハーフメタル）を用いた強磁性トンネル接合による性能向上を目指しており、特にトンネルバリアとハーフメタル層界面におけるスピン分極率の低下を完全格子整合の実現と界面制御層の導入によって改善し、巨大TMR比の実現を図る。平成28年度は、MTJ積層構造を作製し、界面における問題点を明らかにするとともに界面構造の最適化のための知見を得た。また、精度の高いTMR比の理論的導出のための準備を行った。
（1）格子整合CFA/MgAl2O4積層構造の実現と原子拡散現象：Co2FeAl/MgAl2O4/Co2FeAl構造において面内格子が完全に整合した積層実現が実現され、高温熱処理によって各層の規則構造の実現によって室温TMR比~340％の比較的高い値を得た。一方、MgAl2O4層を得るための酸化プロセスによって下部側Co2FeAl層界面が過酸化状態になることによって特性を十分引き出せない問題が明らかになった。また、超薄Co2FeAl/MgAl2O4界面構造を作製したところ、Co2FeAl中のAlの大部分がMgAl2O4層へ拡散する現象も見いだされ、理想的な界面構造とは異なっていることが分かった
（2）Li置換MgAl2O4バリア：バリア層の構造最適化や設計自由度の向上のためにMgAl2O4の一部Liに置換したエピタキシャルバリア層を実現した。Fe/Li-Mg-Al-O/Fe構造によって120％を超えるTMR比を実現した。
（3）理論的取り扱いの検討：精度の高い伝導計算の整備を行い、特にFeを強磁性層として、バリアをCu(InGa)Se2、MgOとしてコヒーレントトンネル効果を検証した。その結果、TMR比がバリア層の持つ障壁高さと膜厚増大によって向上する傾向を見いだした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ホイスラー合金層/バリア/ホイスラー合金層の3層構造の作製に成功し、特に、格子整合の実現と比較的高いTMR比を実現しており、TMR素子化の技術の進展は順調に進んでいる。また、MgAl2O4の一部をLiに置換したLi-Mg-Al-Oバリアも作製可能であることを示しており、バリア層の設計自由度の向上が図られている。また、理論計算によって様々な材質を用いた素子のTMR比を予測することが可能になった。
一方で、バリア層とホイスラー合金層界面における原子拡散や過酸化の問題も明らかになっている。このため、両者の界面に用いる材質や構造の設計を進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
界面におけるスピン分極率特性の劣化の抑制のために、ハーフメタル層とバリア層の間に極薄の3d遷移金属元素（Mn、Fe、Co、Niなど）の挿入による効果を理論と実験の両方から行う予定である。特に、ハーフメタル層のバリアに接する領域における交換スティフネス定数の向上を界面挿入層によって目指すことで、室温におけるTMR比増大を目指す。理論的には安定界面構造の検討を主に進める。また実験では、原子拡散を抑制できる手法の開発と理論的に検討された安定な挿入層の実現を目指す。
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