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発表・掲載日:2005/08/23

半導体系スピントロニクス素子における伝導現象を解明

スピントランジスタの実現に道

ポイント

  • すべて半導体材料から構成された新型トンネル磁気抵抗(TMR)素子を開発
  • 全半導体系スピントロニクス素子における、スピン情報の保持と伝搬のメカニズムを解明
  • スピントランジスタの実現につながる成果

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】(以下「産総研」という)エレクトロニクス研究部門【部門長 和田 敏美】スピントロニクスグループ 齋藤 秀和 研究員らは、全て半導体材料から構成されたトンネル磁気抵抗(TMR ; Tunneling Magneto-Resistance)素子を作製し、電子の持つスピン(究極の微小磁石)に依存する電気伝導現象の解明に初めて成功した。

 スピントロニクスという名前で呼ばれる磁性体を利用するエレクトロニクス技術からは、ホームサーバー用の大容量ハードディスクを可能にした巨大磁気抵抗(GMR)素子や、不揮発性磁気メモリ(MRAM ; Magnetoresistive Random Access Memoryを可能にするTMR素子など、スピンに依存する電気伝導現象を用いるスピントロニクス素子が生み出されてきた。これらの素子では、電子のスピン状態を保持・伝搬することによりその機能が実現されている。従来のスピントロニクス素子は、その構成材料として強磁性金属材料を用いるもののみであった。一方、最近のスピントロニクス研究分野において、半導体材料で構成されるスピントロニクス素子が次のターゲットとして浮上してきている。半導体材料はトランジスタやレーザーなどの多様な機能を支える重要な材料であるため、半導体系材料で構成されたスピントロニクス素子には、既存のMRAMを凌駕する未来の高性能不揮発メモリや、不揮発性論理素子の心臓部であるスピントランジスタなどの大きな可能性が期待されるからである。しかしながら、金属系材料にくらべて半導体系材料はより複雑な電子状態を持つ材料であるため、これまでの研究では、半導体系材料を用いたスピントロニクス素子において、金属系のスピントロニクス素子のように、スピン状態の保持と伝搬が可能かどうかは明確でなかった。

 今回、産総研は強磁性電極層に強磁性半導体(Ga,Mn)As、トンネル障壁に半導体セレン化亜鉛(ZnSe)といういずれも半導体膜材料を採用した全単結晶半導体型TMR素子を開発し【図1参照】、スピンに依存する伝導現象を詳細に調べた。その結果、全て半導体材料で構成されるTMR素子においても、(i)金属系のTMR素子と同様に、大きなTMR効果が得られること、(ii) 金属系TMR素子には見られない、半導体の正孔(ホール)の特徴を反映した異方的TMR効果が発生することの確認に成功した。今回の成果は、半導体スピントロニクス素子におけるスピン情報の保存と伝搬の実証という基礎的な観点から重要な意味を持つ。さらに、スピントランジスタの実現に道を拓くものである。

断面電子顕微鏡写真
図1 断面電子顕微鏡写真


研究の背景と経緯

 今日の情報通信技術は、ハードディスクに代表される磁気デバイスと、トランジスタやレーザーに代表される半導体デバイスを使用することによって成り立っている。電子のスピンを利用する磁気デバイス技術と、電子の電荷を利用する半導体デバイス技術は、これまで全く別物として開発されてきた。しかしながら、近年それぞれのデバイス技術がその成熟度を高めた結果、性能の限界の壁にぶつかりつつある。この問題を解決するために、電子の電荷とスピン両方の性質を同時に取り入れて、その相乗効果を利用して新機能素子の実現を図るスピントロニクス技術が大きく注目されている。スピントロニクス素子の代表例がTMR素子である。昨年度、産総研では、金属強磁性体からなる電極と酸化マグネシウム(MgO)からなるトンネル障壁層を組み合わせた画期的なTMR素子の開発に成功した。この金属系スピントロニクス素子はすでに、DRAM(Dynamic Random Access Memory)に代わる大容量・高速でかつ不揮発性を兼ね備えた理想的なメモリであるMRAMや、超高密度ハードディスクに向けた応用研究が企業において行われる段階になっている。

 このように、TMR素子に代表されるスピントロニクス素子はこれまで金属強磁性体を用いることにより発展してきた。その大きな理由は、長年の研究の蓄積により、金属強磁性体中のスピン情報の保持と伝搬の機構が良く理解されているためである。金属スピントロニクス素子の成功を背景に、近年、半導体材料を用いたスピントロニクス素子の実現可能性が注目を集めるようになってきた。金属系スピントロニクス素子では困難な、トランジスタ機能などの半導体機能を併せ持つより高度な新機能素子の実現が期待されるからである。現在のMRAMでは記憶部(金属系TMR素子)と素子選択機能(シリコン系トランジスタ)の分離が必要であるが、スピントランジスタが実現できれば、これらを一体化した超大容量不揮発性メモリや、高機能モバイル機器に必要となる不揮発性論理素子などが可能となると期待されている。

 半導体スピントロニクス素子の実現のためには、(a)室温で強磁性になる半導体材料の開発、(b)金属系スピントロニクス素子と同様のスピンの保持と伝搬の実現、(c)強磁性p-n-p接合の3条件の実現が必要である。このうち、(a)に関しては、産総研は2003年にテルル化亜鉛(ZnTe)に磁性遷移金属であるクロム(Cr)を添加した(Zn,Cr)Teの開発に成功している。この材料は世界で初めての室温で強磁性を示す半導体である。(b)の条件を達成するために、強磁性半導体を電極に用いた全て半導体物質で構成されたTMR素子の研究が各機関で行われてきた。しかし、これら強磁性半導体物質を用いたTMR素子の研究は、これまで混沌とした状況にあった。電極の相対的な磁化方向によって抵抗値が変化するTMR効果(【図2】)が出現するためには、【図3】に示したように中間の非磁性トンネル層を通過する電子がスピンの向きの情報を保持したまま伝搬されていくことが必要である。しかし、半導体中の電子は金属中の電子に比べて、電子と正孔(ホール)と呼ばれる2種類のキャリアの存在、半導体デバイスの基本となるp-n接合界面における空乏層と呼ばれるキャリアが殆ど存在しない領域の形成など、複雑な性格を持っている。特に、空乏層を介したスピン情報の保持・伝搬は難しいと考えられていた【図4】。強磁性半導体では、多量のキャリアが存在することが強磁性の発生に不可欠と考えられているため、空乏層では強磁性が消失する恐れ(スピンの偏りがない状態)があるからである。そのため、半導体系TMR素子において、はたしてキャリアがスピンの情報を保持したままトンネル障壁を通過することが可能であるかどうか、世界的な論争が繰り広げられてきた。さらに、従来、半導体トンネル障壁として用いられてきた材料では、(c)の条件を満たすことができないという根本的な問題をも抱えていた。

 以上のような半導体系スピントロニクス素子を実現するための基本的な問題点の解決を目指して、今回産総研では以下に説明するような新型半導体TMR素子を開発し、そのスピン依存伝導特性を詳細に解明した。

TMR素子の磁気抵抗効果の図

図2 TMR素子の磁気抵抗効果
  a)磁石が平行の時
 
TMR効果の原理 磁石が平行の時の図
  b)磁石が反平行の時
  TMR効果の原理 磁石が反平行の時の図
 
図3 TMR効果の原理

半導体p-n接合と空乏層の図
図4 半導体p-n接合と空乏層

成果の内容

(1)すべて半導体材料から構成された新型トンネル磁気抵抗(TMR)素子の開発に成功

 (Ga,Mn)Asは半導体物質としては電気を良く通す性質を持つとともに、高品位の結晶が得られ易いことから、強磁性半導体の標準物質とみなされている材料である。そのため、今回、強磁性半導体電極としてこの(Ga,Mn)Asを採用した。この(Ga,Mn)Asを用いたTMR素子の研究は従来から行われているが、そのトンネル障壁層としてはこれまで、(Ga,Mn)Asと同じIII-V族半導体のGaAsもしくはAlAsが用いられてきた。しかし、これらの材料で良質の薄膜を得るために必要な成長温度は(Ga,Mn)Asと比べてはるかに高く(500℃~600℃)、 (Ga,Mn)As電極上に重ねて成長すると(Ga,Mn)As電極自体が壊れてしまうという問題があった。そのため、無理やり温度を下げて(Ga,Mn)As電極上にGaAsやAlAsを成長していた。このようにして作製されたトンネル障壁の品位は極めて低く、良質のTMR素子の作製が困難であるとともに、半導体としての重要な特徴であるp型、n型へのドーピングも出来なかった。

 今回、産総研ではトンネル障壁として新たにII-VI族の半導体であるセレン化亜鉛(ZnSe)を採用した【図5参照】。その理由は、ZnSeの最適成長温度が (Ga,Mn)Asと同じ程度であるため、(Ga,Mn)Asと組み合わせて高品位のTMR素子が作製可能と思われることである。また、ZnSeはn型になりやすい半導体材料であるため、p型の(Ga,Mn)Asと組み合わせることにより、将来的に、半導体素子の基本構造であるp-n-p接合の作製が可能になるという利点も併せ持っているためでもある。ただし、ZnSeをTMR素子の構成材料として用いた例はほとんどなく、その有効性は未知数であった。そこで、半導体膜作製装置の高性能化を図ると同時に、徹底した試料作製技術の高度化を推し進めつつ、磁気抵抗素子の開発を行った。

 良好な磁気抵抗特性を得るためには、素子を構成する薄膜すべてが単結晶であり、かつ、接合界面が平坦であることが重要である。そこで、試料作製には高品位膜が得られる分子線エピタキシー法を用いた。酸化を防ぐため、試料は一貫して超高真空中で作製された。【図1】に作製した試料の透過断面電子顕微鏡写真を示す。作製した素子のZnSe層の厚さは1nmである。ZnSe層および上下の(Ga,Mn)As層ともに単結晶であり、平坦な接合界面が得られていることが確認できる。

従来材料および新材料型半導体TMR素子 従来材料素子の図 従来材料および新材料型半導体TMR素子の図 従来材料および新材料型半導体TMR素子 新材料素子の図
a)従来材料素子
GaAsやAIAsを使用。n型半導体層の形成困難。膜品位悪。
  b)新材料素子
ZnSeを使用。高品位n型半導体層形成容易。
図5 従来材料および新材料型半導体TMR素子

(2) 全半導体系スピントロニクス素子における、スピン情報の保持と伝搬のメカニズムを解明

 今回強磁性電極に用いた(Ga,Mn)Asは-160℃以下の温度でしか強磁性にならないため、電気伝導特性は-271℃の低温で評価した。TMR素子の電流-電圧特性を解析した結果、ZnSeと(Ga,Mn)Asの界面近傍に1 nm程度キャリアの存在しない空乏層の形成が確認された。これはn型ZnSeとp型(Ga,Mn)Asの組み合わせを反映したものと考えられる。TMR素子に外部から磁界を印加して、二つの(Ga,Mn)As電極の磁化の方向をお互いに平行または反平行にして、電気抵抗の大きさの変化(すなわち磁気抵抗)を調べた。その結果、【図6】に示すように、今回作製したTMR素子は、磁化方向の配置により、抵抗値が2倍も変化する(磁気抵抗(MR)比100%に相当)ことがわかった。このことは、素子の内部で、電気を運ぶ電子が持つスピンの情報(上向き、下向き)が保持されながら、一方の電極から他方の電極へと伝搬することを示すものである。このように、今回の実験により、半導体材料で構成され、空乏層がある半導体素子特有の電子状態においても、金属系のスピントロニクス素子と同様に、スピンの情報を保持したままで電子を伝搬させることが可能なことが明確に示された。

 また、今回の実験では、従来の金属系のTMR素子では観察されなかった新しい現象も見出された。【図7】はその現象を捉えたものである。これは、強い磁界を印加して2つの強磁性層の磁化方向を平行に固定したまま、試料を回転しつつ電気抵抗の変化を観測したものである。このような測定条件では、当然ながら通常のTMR効果は発現しない。すなわち、素子の電気抵抗に変化は見られないはずである。それにも拘らず、素子の電気抵抗はある特定の結晶方向に磁界を印加したときに高く(もしくは低く)なっている。これは、「異方性TMR効果」と呼ばれ、正孔が電気伝導を担っている半導体系TMR素子に固有の現象であり、通常のTMR効果とは発生原理が全く異なる。観測された異方的TMR効果による電気抵抗の変化が、【図6】で示したTMR効果のそれと比較して約1/40程度と非常に小さい。従来の半導体TMR素子の研究では、これら2つの効果が分離されていなかったために、実際に金属系のスピントロニクス素子のような通常のTMR効果を利用した素子の作製が可能かどうか論争となっていたのである。

TMR効果の図

図6 TMR効果
 
異方的TMR効果の図

図7 異方的TMR効果

(3) スピントランジスタの開発へとつながる成果

 今回の成果は、学術的に重要な意義を持つばかりではなく、半導体スピントロニクス素子の実現に大きく寄与するものである。これまで、半導体スピントロニクス素子の実現に必要な3つの条件の内、「スピンの保持と伝搬の実現」と「強磁性p-n-p接合」未解決であった。今回の成果は、n型半導体ZnSeの有効性と重要性、空乏層を介してもなおスピン情報の保存・伝搬が可能であることを示した点で、上述の2つの課題が解決可能であることを初めて示したものである。もう一つの条件である「室温で強磁性を示す半導体材料の開発」に関しては、すでに産総研は強磁性転移温度が室温に達する(Zn,Cr)Teの開発に成功している。現状では、まだ(Ga,Mn)Asほどの高品位薄膜が出来ていないが、現在その解決を目指して研究を行っている。このように、現状では、これらの3つの課題を個別に取り扱っている状態であるが、さらなる材料探索や結晶成長技術の確立によりこれらの課題を同時に解決できれば、不揮発性論理素子などの心臓部となるスピントランジスタの開発へつながるものと期待される。

 以上の成果は、米国物理学会発行のPhysical Review Letters誌の2005年8月19日号に掲載された。



今後の予定

 今回の成果を発展させて、ZnSe層への電子ドーピングによる増幅機能の実現や、数百nm程度の厚みのZnSe障壁層の実現により、スピントランジスタの開発を目指す。また低温でしか強磁性にならない(Ga,Mn)Asに代えて、室温でも強磁性になる産総研が開発した(Zn,Cr)Teを用いたスピントロニクス素子の開発にも取り組む。

用語の解説

◆トンネル磁気抵抗(TMR)素子
厚さ数nm(1nm:10億分の1メートル)程度の非常薄い絶縁体もしくは半導体(トンネル障壁)を2層の強磁性体の電極で挟んだ素子。2つの強磁性層の磁化の相対的な向きが平行である時と反平行である時で、素子の電気抵抗が変化する。不揮発性磁気メモリの記憶部として利用される。[参照元へ戻る]
◆巨大磁気抵抗(GMR)素子
TMR素子が絶縁体を用いるのに対して、中間層に非磁性金属を用いた磁気抵抗素子。TMR素子と動作原理は同じである。一般に、抵抗の変化はTMR素子に比べて小さい。[参照元へ戻る]
◆不揮発性磁気メモリ(MRAM)
強磁性体のヒステリシス現象を利用したコンピュータ用メモリ。原理的には不揮発、高速、低消費電力、低電力駆動、高集積といった、メモリに要求される特性をすべて兼ね備えている。[参照元へ戻る]
◆不揮発性論理素子
現在のコンピュータは、電源を切ってしまうと記憶が失われてしまう。これは、コンピュータの中で記憶や演算を担う半導体素子が揮発性(電源を切ると情報を失う)であることに因る。通常、ハードディスクに情報を記録し、コンピュータの電源を入れた際にハードディスクの情報を半導体にコピーしている。このためコンピュータの起動には時間がかかり、また、電源が入っている間は(たとえコンピュータを使用していなくても)少なからず電力を消費している。もし、不揮発性論理素子(電源を切っても情報を失わない素子)が実現できれば、電源を入れると同時に起動するコンピュータができ、さらに、殆ど電力を必要としないコンピュータも実現できるはずである。[参照元へ戻る]
◆スピントランジスタ
通常のトランジスタに強磁性の不揮発性を付加させた素子。スピントロニクス分野における最終目標となる素子の一つ。不揮発性論理素子や超大容量不揮発メモリに必要。ただし、作製は極めて難しく、これまで報告例は無い。[参照元へ戻る]
◆強磁性半導体
強磁性を示す半導体。砒素化ガリウム(GaAs)やテルル化亜鉛(ZnTe)などの半導体産業で多用されている半導体材料を構成する陽イオン元素(ガリウム(Ga)や亜鉛(Zn))を、マンガン(Mn)やクロム(Cr)などの磁性イオンで置換することにより作製される。[参照元へ戻る]
◆単結晶
試料全体にわたって原子が規則正しく並んで作られている結晶。これに対して、ところどころで結晶の並びが異なっているものは多結晶と呼ばれる。単結晶は材料の機能を高めることやデバイス応用に重要。[参照元へ戻る]
◆DRAM
Dynamic Random Access Memoryの略。現在のコンピュータに用いられている最も一般的なメモリであり、大容量、比較的高速な読み書きが可能などの特徴を持っている。ただし、キャパシタ(蓄電素子)に電気を貯めることで情報を記憶するため、電源を切るとキャパシタが放電されて記憶情報が失われてしまう(揮発性)。[参照元へ戻る]
◆キャリア
物質中で、電荷を運ぶ役割を担う粒子。電子と正孔がある。半導体の場合、電子が電気伝導を担う半導体をn型、正孔が担う半導体をp型半導体と呼ぶ。トランジスタには双方の半導体層が必要となる。[参照元へ戻る]
◆p-n接合界面
n型とp型半導体から構成される接合。トランジスタなどのすべての半導体デバイスの基本構成要素として重要。[参照元へ戻る]
◆ドーピング
半導体をデバイスに応用するため、半導体の電気伝導特性を制御すること。電気的に絶縁状態の半導体に不純物を添加することより行う。キャリア制御を行う場合、半導体には一般に高い結晶品位が要求される。[参照元へ戻る]
◆分子線エピタキシー法
超高真空中において作製したい物資を構成する元素をビーム状にして、お互いのビームを基板上で同時に堆積させることにより目的の物質を成長させる技術。一般に、高品位の結晶膜が得られるが、作製時に制御すべきパラメータが多い。[参照元へ戻る]
◆磁気抵抗(MR)比
磁気抵抗素子の電気抵抗値が変化する割合を百分率で表したもの。磁気抵抗素子の代表的な性能指数であり、この数値が大きいほど高性能であることを意味する。[参照元へ戻る]

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