超高品質フルエピタキシャルスピン構造による極微細バリスティックスピントランジスタ

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分子線エピタキシー(MBE)法を用いて、酸化物SrTiO3基板の上に高品質の強磁性金属単結晶La0.67Sr0.33MnO3薄膜を作製した。40 nm程度の幅の極微細領域にアルゴンイオンを照射した。この手続きにより、その領域に、酸素欠損が発生し、局所的にその領域が半導体に相転移する。このようにして、極微細半導体チャネル領域を形成し、すべて単結晶酸化物からなる強磁性体／半導体／強磁性体の横型２端子素子を作製した。本素子において、3 Kの低温において最大で140％の高い磁気抵抗比を得ることに成功した。この値は、過去30年にわたる横型スピントランジスタの先行研究において得られてきた磁気抵抗比を10倍以上上回る値である。さらにバックゲート構造を有する３端子のスピントランジスタ素子を作製し、ゲート電圧によって電流を変調することにも成功した。本成果により、磁性の世界最大規模の国際学会であるMMM2022で招待講演を行い、先日、科学誌Advanced Materials(IF=32)に論文が採択された。一方、Geベースの素子では、予期しない新たな結果が得られた。Fe/MgO/p-Geからなるオールエピタキシャル単結晶ヘテロ接合をMBEを利用して作製し、20 nm程度の短チャネル長を有する横型スピンバルブ素子を作製した。昨年度用いたデバイスのMgOの膜厚を3nmから1nmに変更し、素子構造も若干変更した。その結果、スピンバルブ効果とは異なる巨大な3万%におよぶ磁気抵抗効果が観測された。詳細な測定を行い、新規の抵抗スイッチ効果が得られたのではないかと推測している。さらに素子によっては、スピンバルブ効果と類似の測定結果が得られることも明らかになった。現在、この原因について、さらに詳細に調べる予定である。同時に、本素子で得られている従来型スピンバルブ効果についても、さらに探求していく予定である。