全球最高性能的半导体类隧道磁阻元件
2016-09-26 12:13:52   来源：BP日经   评论：0   点击：

日本产业技术综合研究所（产综研）近日宣布，使用该所开发的单晶氧化镓（Ga2O3）成膜工艺，开发出了以Ga2O3为隧道阻挡层的单晶隧道磁阻（TMR）元件。作为存储功能的性能指数的磁阻变化率在室温下达到极高的92％，有望成为拥有存储功能的纵型自旋场效应晶体管（纵型自旋FET）的基本构造，可为实现零待机功率的常闭型计算做出贡献。据介绍，92％的磁阻变化率在半导体类TMR元件中是室温条件下的全球最高性能。

此次开发的TMR元件截面的电子显微镜照片，研究发现，各层原子沿积层方向垂直排列，形成了全单晶TMR元件

可利用电子自旋来获得非易失性存储功能的自旋FET的相关研究在全球得到顺利推进。但从实用性来看，MR比必须要达到百分之几十以上，而使用与现行FET相同的横型元件时，室温条件下的磁阻变化率只有0.1％左右。最近，业界提出了基于全单晶TMR元件的纵型自旋FET方案，其中还有以非磁性体半导体为阻挡层的全单晶TMR元件，在极低温条件下表现出100％以上的磁阻变化率。但该元件在室温下的磁阻变化率几乎为零。

产综研的研究人员试制了由铁强磁性电极和Ga2O3隧道阻挡层构成的全单晶TMR元件，成膜时采用蒸镀法之一的分子束外延法。具体方法是，在作为下部电极的单晶铁上使非常薄的（厚0.4～0.7nm）单晶氧化镁（MgO）层生长，接着在氧化镁层上以接近室温的条件形成非晶Ga2O3膜（厚1.5～3.0nm），然后一边向该膜吹附适量的氧、一边实施达到约500度的热处理，由此获得了极高品位的单晶Ga2O3膜。在该单晶Ga2O3膜上，可使单晶铁上部电极直接生长。

对单晶Ga2O3膜实施分析后发现，形成了被称作“尖晶石型”的单纯晶体结构。磁阻变化率增大的原因在于，随着隧道阻挡层和上部强磁性电极的单晶化，使电子在保持波的性质下实现了传输。今后产综研将进一步提高磁阻变化率，同时设计出通过向Ga2O3膜施加电场来控制输出电流的栅极构造，并进行工作验证，目标是在5年后开发出达到实用性能的纵型自旋FET。

此次研究的详细内容已于2016年9月20日（美国时间）刊登在美国科学杂志《Physical Review Applied》的在线版上。