産総研、半導体酸化Gaをトンネル障壁層とした全単結晶TMR素子を開発

産業技術総合研究所(産総研)は9月20日、独自に開発した単結晶酸化ガリウム(Ga₂O₃)の成膜プロセスを用いて、半導体Ga₂O₃をトンネル障壁層とした単結晶だけからなるトンネル磁気抵抗(TMR)素子を開発したと発表した。

同成果は、産総研 スピントロニクス研究センター 半導体スピントロニクスチーム付 齋藤秀和 企画主幹らの研究グループによるもので、9月20日付けの米国科学誌「Physical Review Applied」オンライン版に掲載された。

最近、磁気抵抗変化率(MR比)を大幅に向上させるために、全単結晶TMR素子をベースとした縦型のスピン電界効果型トランジスタ(縦型スピンFET)が提案されている。強磁性半導体を電極とし、非磁性半導体を障壁層とした全単結晶TMR素子には、極低温では100%以上の高いMR比を示すものもある。しかし、この素子には室温でMR比がほぼゼロになってしまうという問題がある。

同研究グループが半導体トンネル障壁層材料として用いたGa₂O₃は、結晶構造が複雑であるため、鉄(Fe)などの一般的な強磁性電極と組み合わせた単結晶TMR素子の作製は困難と考えられていた。しかし今回、独自の成膜プロセスを開発し、Fe強磁性電極とGa₂O₃トンネル障壁層からなる全単結晶TMR素子を作製することに成功。室温でMR比92%を達成した。

具体的には、成膜に分子線エピタキシー法を利用した。まず、下部電極である単結晶Fe上に厚さ0.4～0.7nmの薄い単結晶酸化マグネシウム(MgO)層を成長させ、この上に、厚さ1.5～3.0nmのアモルファスGa₂O₃膜を室温付近で製膜。その後、適量の酸素を膜に吹き付けながら500℃程度までの熱処理を行うと、高品位の単結晶Ga₂O₃膜が得られる。この単結晶Ga₂O₃膜上には、単結晶Fe上部電極を直接成長させることができる。なお、得られた単結晶Ga₂O₃膜を詳細に分析したところ、スピネル型という単純な結晶系の構造であったという。

同研究グループは今後、MR比の一層の向上を図るとともに、Ga₂O₃膜に電界をかけて出力電流を制御するためのゲート構造の設計と動作実証を行い、5年後を目途に実用的な性能の縦型スピンFETを開発するとしている。