229.01
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【分野】スピントロニクス
【タイトル】半導体バリア材料MgGa2O4への界面挿入によるトンネル磁気抵抗比の増大を実現
【出典】
R. R. Sihombing, T. Scheike, J. Uzuhashi, T. Ohkubo, Z. Wen, S. Mitani, and H. Sukegawa, “Enhanced tunnel magnetoresistance of Fe/MgGa2O4/Fe(001) magnetic tunnel junctions by interface-tuning with atomic scale MgO insertion layers”, Appl. Phys. Lett. 126, 022407 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0247660 (Open access)
【概要】
NIMSのグループは、バリア高さが低く素子抵抗の低減が容易な半導体MgGa2O4バリアを用いた磁気トンネル接合を開発した。磁性層との界面に原子層厚のMgOを挿入することで、界面品質が大きく改善され、室温でのトンネル磁気抵抗比（TMR比）151%を達成した。低温ではTMR比が165%から291%に増大した。この成果は、将来の磁気メモリ素子の高集積化に貢献することが期待される。
【本文】
磁気トンネル接合（MTJ）はハードディスクの磁気ヘッドや磁気抵抗メモリ（MRAM）に使用されるスピントロニクス応用の中心を担う素子として知られている。MTJは極薄のトンネルバリア層（バリア）を有し、この層がトンネル磁気抵抗比（TMR比）や面積抵抗（RA値）を決定づける。最新の磁気ヘッドやMRAMの応用では、MTJのナノスケール微細化が必要で、それに伴い低抵抗化（RAのさらなる低下）が求められている。現在、絶縁性が高い酸化マグネシウムがバリア材料として主流であるが、既に1 nm以下にまで薄膜化が進んでいる。このため、より厚いままでも低抵抗が達成可能なバリア材料の必要性が高まっている。これまで、半導体スピネル酸化物であるMgGa2O4は有望な低バリア高さを持つバリアとして期待されていたがTMR比が低いことが問題であった。
本研究ではTMR比の向上を目指し、MgGa2O4の界面状態の精密な制御に注力した。具体的には、MgGa2O4バリアと磁性層である鉄（Fe）が接する上下の界面両方に、約0.3 nmの極薄MgOを挿入した。この結果、MgGa2O4からMgO界面層へGaが部分的に移動することで、均質な岩塩（NaCl）型結晶構造を持つ(MgGa)Oバリアが形成され、バリア層とFe層がほぼ完全に格子整合する構造が得られた。これによって、バリア高さを低く保ったままTMR比を向上させ、Fe/MgGa2O4/Feの室温報告値は従来の121%から151%へ、低温においては165%から291%へほぼ倍増した。今後、より低RA領域における素子開発を進めることで、将来の磁気メモリ素子の高集積化に適した新規MTJの実現が期待される。
（NIMS 増田啓介）
【図】(a) Tunnel magnetoresistance (TMR) ratio as a function of magnetic field of the interface-tuned MgGa2O4 barrier magnetic tunnel junction (MTJ). (b) Cross-sectional bright-field scanning transmission electron microscope image of the MTJ. Rock-salt-like (MgGa)O barrier with good lattice-matched interfaces were observed.
