新規スピンギャップレス半導体を用いたトンネル磁気抵抗素子とその電界効果

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スピンギャップレス半導体は、アップスピンがギャップレス半導体、ダウンスピンが絶縁体である特異な物質である。ハーフメタル的な電子構造を有するため、磁気抵抗素子に応用すれば巨大な磁気抵抗比を発現する可能性がある。同時に、半導体的な特性を有するため、電界効果でスイッチングできる新規スピントロニクス素子が創成できる。本研究では、スピンギャップレス半導体の候補となる４元系ホイスラー合金の薄膜結晶成長、界面物性、デバイス物性を研究し、情報処理デバイスへの応用を目指した。本年度は、まず、コバルト鉄マンガンシリコン材料の磁気緩和特性を調べ、ハーフメタルに特有の低ダンピング特性を明らかにした。また、スピンギャップレス半導体として期待される他の組成のコバルト鉄ベース４元系ホイスラー合金単結晶薄膜を作製し、その磁性とスピン依存伝導について調べた。低飽和磁化でありながら比較的大きなトンネル磁気抵抗効果を示し、ハーフメタル性との関連について議論した。さらに、コバルト鉄マンガンシリコン材料のエピタキシャル単結晶極薄膜の形成を行い、その垂直磁気異方性ならびに電界効果の観測を目指した。これまでの薄膜作製の手法に加えCoGaやPdなど異なる下地を用いて厚みが数ナノメートルの薄膜を作製した。しかし十分な大きさの垂直磁気異方性や電圧効果は観測されなかった。極薄膜領域における結晶構造の乱れやサイトオーダーの低下、界面原子拡散の影響が、磁気モーメントといった磁性を劣化させていると考えられる。さらなる応用展開をする上で、極薄領域の結晶成長様式や低温結晶成長技術の研究が不可欠であることが明らかとなった。