独立行政法人产业技术综合研究所【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）自旋电子学研究中心【研究中心主任：汤浅真司】隶属半导体自旋电子学团队斋藤英和，企划主任，独立开发单晶氧化镓 (Ga2O3)的成膜工艺，半导体Ga2O3隧道阻挡层仅由单晶体组成隧道磁阻 (TMR) 元件
这次开发的TMR元件磁阻变化率（MR比）室温下的值非常大，达到 92%。该TMR元件具有记忆功能垂直的自旋场效应晶体管这是（垂直自旋FET）的基本结构，并且具有零待机功耗计算机正常关闭的贡献预计。该技术的详细内容于2016年9月20日（当地时间）发表在美国学术期刊上已应用物理审查
这项研究和开发得到了内阁府创新研究和开发促进计划（ImPACT）“实现无需充电即可长期使用的终极生态IT设备（2014-2019财年）”的支持。
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| 新开发的TMR元件横截面电子显微照片 从下铁（Fe）电极层到半导体Ga2O3可以看出，从势垒层到上面的Fe层，各层原子在堆叠方向上呈线性排列，表明它是一个全单晶TMR器件。
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降低待机功耗对于计算机等 IT 设备的大幅节能至关重要。然而，当今计算机的主存储器和逻辑电路中使用的晶体管是“易失性”元件，当电源关闭时它们会丢失信息，因此很难显着降低待机功耗。因此，需要一种“非易失性”FET，能够显着降低待机功耗，并且即使在电源关闭时也不会丢失信息。
自旋 FET 正在全世界范围内得到研究，因为它们可以利用电子自旋提供非易失性存储功能。然而，作为存储功能的品质因数的MR比实际上需要在百分之几十到100%以上的范围内，但之前的自旋FET研究使用了与当前FET相同的水平元件，并且在室温下MR比一直在01%左右。
AIST一直致力于新型TMR元件和使用它们的磁存储器的开发，并拥有世界一流的隧道元件制造技术。此外，该公司多年来一直致力于构建自旋 FET 所需的铁磁金属/半导体结，并拥有世界一流的技术。
最近，基于全单晶TMR元件的垂直自旋FET被提出，以显着提高MR比。铁磁半导体作为电极和非磁性半导体作为势垒层，在极低的温度下表现出100%以上的高MR比。然而，该装置的主要问题在于室温下MR比几乎为零。产业技术研究院利用长年积累的TMR元件制造技术和异种材料薄膜生长技术，将强磁性金属电极与半导体势垒层相结合，致力于开发具有高MR比的全单晶TMR元件。
Ga，氧化物半导体，用作半导体隧道势垒层材料2O3被使用了。由于这种半导体具有复杂的晶体结构，因此人们认为很难与铁 (Fe) 等常见铁磁电极结合创建单晶 TMR 元件。因此，迄今为止，它作为TMR器件的隧道势垒层还很少受到关注。 AIST 开发了一种独特的成膜工艺，将 Fe 铁磁电极与 Ga 结合2O3我们制造了由隧道势垒层组成的全单晶TMR器件。图1显示了开发的成膜过程。成膜是气相沉积的一种分子束外延法被使用了。首先，在用作底部电极的单晶 Fe 上生长非常薄（04-07 纳米厚）的单晶氧化镁 (MgO) 层。在此非晶态嘎2O3如果在室温附近形成薄膜（15至30纳米厚），然后在向薄膜上吹入适量氧气的同时热处理至约500℃，则可以得到极高品质的单晶Ga2O3获得膜。这种单晶Ga2O3单晶Fe上电极可以直接在薄膜上生长。另外，得到的单晶Ga2O3对该薄膜的详细分析表明它具有一种简单的晶体结构，称为尖晶石型。
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| 图1 新开发的单晶Ga2O3膜制备方法 |
图2显示了新开发的TMR元件在室温下的MR比。为了进行比较，具有传统半导体阻挡层（电极是铁磁金属）的全单晶TMR元件的最高值和Ga2O32O3还显示了势垒层的TMR元素的值（上电极中的Fe是多晶的）。嘎2O3层单晶化，MR比显着增加，显示出半导体隧道势垒层器件的最高值（92%）。 MR比的增加被认为是由于隧道势垒层和上部铁磁电极的单晶结构，它允许电子在传播的同时保持其波动特性，类似于使用单晶MgO的TMR元件。
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| 图2 具有半导体势垒层的TMR元件在室温下的MR比比较 |
未来，我们将致力于进一步提高MR率和2O3我们将设计并演示栅极结构的操作，通过向薄膜施加电场来控制输出电流，目标是在五年内开发出具有实用性能的垂直自旋FET。这将导致超节能常断计算机的实现。