米乐m6官方网站【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）电子研究部【所长：和田利美】自旋电子组研究员斋藤英和等人。隧道磁阻（TMR；隧道磁阻)元素，我们第一次成功地阐明了依赖于电子自旋（最终的微磁体）的导电现象。
使用称为自旋电子学的磁性材料的电子技术使得为家庭服务器创建大容量硬盘成为可能。巨磁阻 (GMR) 元件是啊非易失性磁存储器（MRAM；磁阻随机存取存储器）这些器件通过维持和传播电子的自旋态来实现其功能。传统的自旋电子元件仅使用铁磁金属材料作为其构成材料。另一方面，在最近的自旋电子学研究领域，由半导体材料制成的自旋电子器件已成为下一个目标。半导体材料是支持晶体管和激光器等多种功能的重要材料，因此由半导体材料制成的自旋电子元件可用于创建超越现有MRAM的未来高性能非易失性存储器。非易失性逻辑元件是心脏自旋晶体管预计。然而，由于半导体基材料比金属基材料具有更复杂的电子态，因此之前的研究尚未明确使用半导体基材料的自旋电子器件是否能够以与金属基自旋电子器件相同的方式维持和传播自旋态。
AIST 开发出铁磁电极层铁磁半导体(Ga,Mn)As，由半导体硒化锌(ZnSe)制成的隧道势垒，两种半导体薄膜材料单晶我们开发了一种半导体TMR器件[见图1]并详细研究了自旋相关传导现象。结果，我们成功地确认，即使在完全由半导体材料制成的TMR元件中，（i）与金属基TMR元件类似，也可以获得大的TMR效应，并且（ii）会出现反映半导体中空穴特性的各向异性TMR效应，而这在金属基TMR元件中是看不到的。从展示半导体自旋电子器件中自旋信息的存储和传播的基本角度来看，这一结果具有重要意义。此外，它将为自旋晶体管的实现铺平道路。
10192_10582DRAM(动态随机存取存储器)的理想替代品大容量、高速、非易失性、超高密度硬盘。
如上所述，已经通过使用铁磁金属开发了自旋电子器件，例如TMR器件。其主要原因是通过多年的研究，人们已经很好地理解了金属铁磁体中自旋信息保留和传播的机制。近年来，随着金属自旋电子器件的成功，利用半导体材料的自旋电子器件的可行性引起了人们的关注。这是因为它有望实现新的、更先进的功能器件，这些器件还具有晶体管功能等半导体功能，而这是金属基自旋电子器件难以实现的。目前的MRAM需要将存储部分（金属TMR元件）和元件选择功能（硅基晶体管）分离，但如果能够实现自旋晶体管，则有望将这两者集成到高性能移动设备所需的超高容量非易失性存储器和非易失性逻辑元件中。
为了实现半导体自旋电子器件，需要（a）开发一种在室温下变成铁磁性的半导体材料，（b）实现与金属自旋电子器件类似的自旋保持和传播，以及（c）实现铁磁性p-n-p结。关于(a)，AIST于2003年成功开发了(Zn,Cr)Te，它是在碲化锌(ZnTe)中添加了磁性过渡金属铬(Cr)而制成的。这种材料是世界上第一种在室温下表现出铁磁性的半导体。为了实现条件(b)，各种机构一直在对完全由使用铁磁半导体作为电极的半导体材料构成的TMR元件进行研究。然而，使用这些铁磁半导体材料的TMR器件的研究迄今为止一直处于混乱状态。为了出现电阻值根据电极的相对磁化方向而变化的TMR效应（图2），穿过中间非磁性隧道层的电子必须在保留有关自旋方向的信息的同时进行传播，如图3所示。然而，与金属中的电子相比，半导体中的电子有两种类型：电子和空穴。职业生涯，这是半导体器件的基础p-n 结接口中形成称为耗尽层的区域，其中几乎没有载流子。特别是，人们认为通过耗尽层保留和传播自旋信息会很困难 [图 4]。这是因为，在铁磁半导体中，大量载流子的存在被认为对于铁磁性的产生至关重要，因此存在铁磁性在耗尽层（没有自旋偏置的状态）中消失的风险。因此，在半导体TMR器件中，关于载流子是否可以在保留其自旋信息的同时穿过隧道势垒，一直存在世界范围内的争论。此外，传统上用作半导体隧道势垒的材料具有不能满足条件(c)的根本问题。
为了解决实现上述半导体自旋电子器件的基本问题，AIST开发了如下所述的新型半导体TMR器件，并详细阐明了其自旋相关传导特性。
图2 TMR元件的磁阻效应
|
|
a) 当磁铁平行时 |
| |
|
| |
b) 当磁铁反平行时 |
| |
 |
|
|
图3 TMR效应原理
|
(1) 成功开发出完全由半导体材料构成的新型隧道磁阻（TMR）元件
(Ga,Mn)As是一种被认为是铁磁半导体标准材料的材料，因为它作为半导体材料具有良好的导电性，并且易于获得高质量的晶体。因此，这次我们采用(Ga,Mn)As作为铁磁半导体电极。使用(Ga,Mn)As的TMR元件的研究已经进行了一段时间，但迄今为止，GaAs或AlAs(它们是与(Ga,Mn)As一样的III-V族半导体)已被用作隧道势垒层。然而，用这些材料获得高质量薄膜所需的生长温度比(Ga,Mn)As高得多(500°C至600°C)，并且存在如果在(Ga,Mn)As电极上生长(Ga,Mn)As电极本身会被破坏的问题。因此，通过强制降低温度，在(Ga,Mn)As电极上生长GaAs和AlAs。这样生产出来的隧道势垒的质量极低，难以生产高质量的TMR元件，也难以生产高质量的TMR元件。兴奋剂也做不到。
这次，AIST 新采用了 II-VI 族半导体硒化锌 (ZnSe) 作为隧道势垒 [见图 5]。其原因是ZnSe的最佳生长温度与(Ga,Mn)As的最佳生长温度大致相同，因此通过将其与(Ga,Mn)As结合来制造高质量的TMR元件似乎是可能的。此外，由于ZnSe是一种倾向于n型的半导体材料，因此它还具有以下优点：通过将其与p型(Ga,Mn)As组合，将来可以创建p-n-p结，这是半导体器件的基本结构。然而，使用ZnSe作为TMR元件的构成材料的例子很少，其效果也不清楚。因此，我们开发了磁阻元件，致力于提高半导体薄膜制造设备的性能，同时彻底提高样品制造技术的复杂性。
为了获得良好的磁阻特性，重要的是构成元件的所有薄膜都是单晶且接合界面平坦。因此，可以获得高质量的薄膜用于样品制备分子束外延法被使用了。样品始终在超高真空中制备以防止氧化。如图。图1显示了制备的样品的透射截面电子显微照片。所制造的器件的ZnSe层的厚度为1nm。可以确认ZnSe层和上下(Ga,Mn)As层均为单晶，并获得平坦的键合界面。
(2) 阐明全半导体自旋电子器件中自旋信息保留和传播的机制
这次用于铁磁电极的(Ga,Mn)As仅在低于-160℃的温度下才变得铁磁，因此在-271℃的低温下评价导电性能。对TMR器件电流-电压特性的分析证实，在ZnSe和(Ga,Mn)As界面附近形成了约1 nm的无载流子耗尽层。这被认为反映了n型ZnSe和p型(Ga,Mn)As的组合。通过向TMR元件施加外部磁场，使两个(Ga,Mn)As电极的磁化方向彼此平行或反平行，并研究电阻(即磁阻)大小的变化。结果，如图6所示，这次制作的TMR元件的电阻值根据磁化方向的排列而变化2倍（磁阻 (MR) 比率相当于100%)。这表明，在元件内从一个电极传播到另一个电极时，带电的电子所持有的自旋信息（向上、向下）被保留。通过这种方式，该实验清楚地证明，即使在由半导体材料制成且具有耗尽层的半导体器件的独特电子状态下，也可以在保留自旋信息的同时传播电子，就像在基于金属的自旋电子器件中一样。
此外，在该实验中，还发现了在传统金属基TMR元件中未观察到的新现象。如图。图7捕捉到了这一现象。这是通过施加强磁场并平行固定两个铁磁层的磁化方向，同时旋转样品并观察电阻变化来完成的。当然，在这样的测量条件下，正常的TMR效应不会发生。即，不应观察到元件的电阻发生变化。然而，当在特定晶体方向上施加磁场时，器件的电阻变得更高（或更低）。这被称为“各向异性TMR效应”，是空穴在导电中发挥作用的半导体TMR元件特有的现象，其产生原理与通常的TMR效应完全不同。观察到的由于各向异性TMR效应引起的电阻变化非常小，约为图2所示TMR效应的电阻变化的1/40。 6 在半导体TMR器件的传统研究中，这两种效应并没有分开，导致了关于是否真的有可能创建利用普通TMR效应的器件（例如基于金属的自旋电子器件）的争议。
图6 TMR效果
|
|
图7 各向异性TMR效应
|
(3) 导致自旋晶体管发展的结果
这一成果不仅具有重要的学术意义，而且对半导体自旋电子器件的实现做出了巨大贡献。到目前为止，实现半导体自旋电子器件所需的三个条件中的两个尚未解决：“自旋保持和传播的实现”和“铁磁p-n-p结”。目前的结果证明了n型半导体ZnSe的有效性和重要性，以及即使通过耗尽层也能存储和传播自旋信息的能力，并且首次证明上述两个问题可以得到解决。另一方面，“开发在室温下表现出铁磁性的半导体材料”，产业技术研究院已经成功开发出铁磁性转变温度达到室温的(Zn,Cr)Te。目前，还没有生产出高达(Ga,Mn)As的高质量薄膜，但我们目前正在研究寻找解决方案。如上所述，目前这三个问题正在单独解决，但如果这些问题能够通过进一步的材料探索和晶体生长技术的建立同时解决，预计这将导致自旋晶体管的发展，而自旋晶体管将成为非易失性逻辑器件的核心。
以上结果由美国物理学会发表物理评论信杂志。
我们的目标是通过发展本研究的结果并通过对 ZnSe 层进行电子掺杂并实现厚度为数百 nm 的 ZnSe 势垒层来实现放大功能，从而开发自旋晶体管。此外，我们还将致力于开发使用AIST开发的在室温下也具有铁磁性的(Zn,Cr)Te的自旋电子器件，以取代仅在低温下具有铁磁性的(Ga,Mn)As。