Observation of giant tunnel magnetoresistance change by ballistic spin transport control

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本課題はトンネル磁気抵抗（TMR）素子のスピン依存伝導の改善によって室温でのTMR比の大幅な増大を狙うものである。TMR比の大幅な向上はスピントロニクス応用の幅を大きく広げ、とりわけ超高密度磁気メモリMRAMの新アーキテクチャやスピンニューロモルフィック素子の実現に向けて必須の課題である。2022年度は室温TMR比の世界最大値631%を達成した。この値は15年ぶりにTMR比の最大値を更新するものであり、TMR研究の今後の飛躍的進展を予期させるものである。TMR素子に用いた材料は従来から知られているCoFeの強磁性層とMgOのバリア層であるが、記録更新に至ったのは高い結晶品位を持つエピタキシャル膜の実現とMgO界面開拓の結果である。MgOの下側界面ではMgO成膜中の遊離酸素による下側CoFe表面の酸化が問題となり、一方、MgO上側界面では真空中熱処理中の酸素抜けによって上部CoFe層の品質を低下させることが問題であった。今回下側には金属Mg挿入、上側にはMgO表面を追酸化するプロセスを開発し、これらの条件の最適化により急速にTMR比向上がみられた。またこのTMR比向上に付随し、TMR比がMgO膜厚によって大きく周期的に変動する現象であるTMR振動も非常に大きくなった。0.3 nmの振動周期を持ち、振幅幅は最大141%（室温）に達し、TMR素子の伝導を大きく支配していることが分かった。最大TMR比の向上とTMR振動振幅の向上の関係をも示唆する結果である。このTMR振動は理論計算でも再現がなされておらず未解明であるため、今回の巨大なTMR比とその振動現象の発現は現象解明の大きなヒントとなると期待される。