全球最高性能的半导体类隧道磁阻元件

2016-09-260阅读0

  日本产业技术综合研究所(产综研)2016年9月20日宣布,使用该所开发的单晶氧化镓(Ga2O3)成膜工艺,开发出了以Ga2O3为隧道阻挡层的单晶隧道磁阻(TMR)元件。作为存储功能的性能指数的磁阻变化率在室温下达到极高的92%,有望成为拥有存储功能的纵型自旋场效应晶体管(纵型自旋FET)的基本构造,可为实现零待机功率的常闭型计算做出贡献。据介绍,92%的磁阻变化率在半导体类TMR元件中是室温条件下的全球最高性能。

  

此次开发的TMR元件截面的电子显微镜照片

  研究发现,各层原子沿积层方向垂直排列,形成了全单晶TMR元件(摘自产综研新闻发布资料)

  可利用电子自旋来获得非易失性存储功能的自旋FET的相关研究在全球得到顺利推进。但从实用性来看,MR比必须要达到百分之几十以上,而使用与现行FET相同的横型元件时,室温条件下的磁阻变化率只有0.1%左右。最近,业界提出了基于全单晶TMR元件的纵型自旋FET方案,其中还有以非磁性体半导体为阻挡层的全单晶TMR元件,在极低温条件下表现出100%以上的磁阻变化率。但该元件在室温下的磁阻变化率几乎为零。

  

此次开发的单晶Ga2O3膜的制备方法

  (摘自产综研的新闻发布资料)

  产综研的研究人员试制了由铁强磁性电极和Ga2O3隧道阻挡层构成的全单晶TMR元件,成膜时采用蒸镀法之一的分子束外延法。具体方法是,在作为下部电极的单晶铁上使非常薄的(厚0.4~0.7nm)单晶氧化镁(MgO)层生长,接着在氧化镁层上以接近室温的条件形成非晶Ga2O3膜(厚1.5~3.0nm),然后一边向该膜吹附适量的氧、一边实施达到约500度的热处理,由此获得了极高品位的单晶Ga2O3膜。在该单晶Ga2O3膜上,可使单晶铁上部电极直接生长。

  对单晶Ga2O3膜实施分析后发现,形成了被称作“尖晶石型”的单纯晶体结构。磁阻变化率增大的原因在于,随着隧道阻挡层和上部强磁性电极的单晶化,使电子在保持波的性质下实现了传输。今后产综研将进一步提高磁阻变化率,同时设计出通过向Ga2O3膜施加电场来控制输出电流的栅极构造,并进行工作验证,目标是在5年后开发出达到实用性能的纵型自旋FET。

  此次研究的详细内容已于2016年9月20日(美国时间)刊登在美国科学杂志《Physical Review Applied》的在线版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)