고급 산업 과학 및 기술 기관 [Yoshikawa Hiroyuki 회장] (이하 "AIST"라고 불리는) 전자 연구 부서 [Wada Toshimi 회장] Spintronics Group 연구원 Saito Hidekazu는 세미 공조 재료로 구성되어 있습니다터널 magnetoresistive (tmr;터널링 자석 저항) 요소| 생산되었고 처음으로 우리는 전자 전도 현상을 설명하는 데 성공했으며, 이는 전자의 스핀 (궁극적 인 마이크로 마그네트)에 따라 다릅니다
Spintronics라는 자기 재료를 사용하는 전자 기술은 홈 서버에 대용량 하드 디스크를 사용할 수있게되었습니다거대한 자석성 (GMR) 요소ya,비 휘발성 자기 메모리 (MRAM;Magnetoresistive Random Access Memory)이들 요소는 전자의 스핀 상태를 유지하고 전파 함으로써이 기능을 달성한다 기존의 스핀 트로닉 장치는 강자성 금속 재료 만 구성된 재료로만 사용했습니다 한편, Spintronics Research 분야에서 무료 바카라 재료로 만든 Spintronic 장치가 다음 목표로 등장했습니다 무료 바카라 재료는 트랜지스터 및 레이저와 같은 광범위한 기능을 지원하는 중요한 재료이므로 무료 바카라 기반 재료로 만든 스핀 트로닉 요소를 사용하여 미래를위한 고성능 비 휘발성 메모리를 생성하여 기존 MRAM을 능가합니다비 휘발성 논리 요소스핀 트랜지스터와 같은 큰 가능성이 예상되기 때문입니다 그러나, 무료 바카라 재료는 금속 기반 재료보다 더 복잡한 전자 상태를 가지므로, 이전 연구는 무료 바카라 재료를 사용하는 스핀 트로닉 장치가 금속 기반 스핀 트로닉 장치와 같은 스핀 상태를 유지하고 전파 할 수 있는지 여부는 명확하지 않았다
이번에는 AIST가 강자성 전극 층을 설정했습니다강자성 무료 바카라(GA, MN) AS 및 모든 터널 장벽은 무료 바카라 필름 재료, 아연 셀레 나이드 (ZNSE)단결정무료 바카라 TMR 장치가 개발되었고 [그림 1] 스핀 의존적 전도 현상을 자세히 조사했습니다 결과적으로, 금속 기반 TMR 요소와 마찬가지로 TMR 요소 및 (ii) 금속 기반 TMR 요소에서 발견되지 않는 무료 바카라의 구멍 (구멍)의 특성을 반영하는 이방성 TMR 효과가 TMR 요소에서 큰 TMR 효과를 얻을 수 있음이 성공적으로 확인되었다 이 결과는 무료 바카라 Spintronic 장치에서 스핀 정보의 저장 및 전파를 경험적으로 입증하는 기본 관점에서 중요한 영향을 미칩니다 또한 스핀 트랜지스터의 실현을위한 길을 열어줍니다
오늘날의 정보 통신 기술은 하드 디스크와 같은 자기 장치 및 트랜지스터 및 레이저와 같은 무료 바카라 장치의 사용을 기반으로 구축됩니다 전자 전하를 사용하는 전자 스핀 및 무료 바카라 장치 기술을 사용하는 자기 장치 기술은 지금까지 완전히 다르게 개발되었습니다 그러나 최근 몇 년 동안 성숙도가 증가한 결과, 각 장치 기술은 제한 성능 장벽에 부딪 쳤습니다 이 문제를 해결하기 위해 전자 전하 및 스핀의 특성을 동시에 통합하고 시너지 효과를 사용하여 새로운 기능 요소를 실현하는 Spintronics 기술은 큰 관심을 끌고 있습니다 Spintronic 장치의 일반적인 예는 TMR 장치입니다 작년에 AIST는 금속 강자성 물질로 만든 전극과 산화 마그네슘 (MGO)으로 만든 터널 배리어 층을 결합한 획기적인 TMR 요소를 성공적으로 개발했습니다 이 금속 기반의 스핀 트로닉 요소는 이미있었습니다DRAM (동적 임의 액세스 메모리)10698_10778
이러한 방식으로, TMR 요소와 같은 Spintronic 요소는 지금까지 금속 강자성 재료를 사용하여 개발되었습니다 그 주된 이유는 수년간의 연구의 축적이 금속 페로 마그넷에서 스핀 정보를 유지하고 전파하는 메커니즘을 잘 이해했기 때문입니다 금속 스핀 트로닉 장치의 성공으로 최근 몇 년 동안 무료 바카라 재료를 사용하는 스핀 트로닉 장치의 타당성이 주목을 끌고 있습니다 금속 기반 스피 트로닉 장치에서 달성하기 어려운보다 정교한 새로운 기능 요소가 트랜지스터 기능과 같은 무료 바카라 기능보다 더 발전 할 것으로 예상되기 때문입니다 현재 MRAM은 메모리 유닛 (금속 TMR 요소)과 요소 선택 함수 (실리콘 기반 트랜지스터)의 분리를 요구하지만, 스핀 트랜지스터를 실현할 수 있다면 이들을 통합하는 초대형 비 휘발성 메모리 및 고성능 모바일 장치에 필요한 비 변형 논리 요소가 가능할 것으로 예상됩니다
무료 바카라 Spintronic 장치를 실현하기 위해서는 세 가지 조건을 실현해야합니다 (a) (a) 실온에서 강자성이되는 무료 바카라 재료의 개발, (b) 스핀 보유 및 전파의 실현 및 금속 기반 스핀 트로닉 장치와 유사한 전파의 실현 및 (c) teromagnetic p-n-p 접합부의 실현 이들 중 (A)와 관련하여 AIST는 2003 년에 AIST (Zn, Cr) TE를 성공적으로 개발했으며, 여기서 아연 텔루 라이드 (ZnTE)는 자기 전이 금속 인 크롬 (CR)과 함께 첨가됩니다 이 재료는 실온에서 강자성 특성을 나타내는 세계 최초의 무료 바카라입니다 조건 (b)을 달성하기 위해, 다양한 기관들이 강자성 무료 바카라를 전극으로 사용하여 모든 무료 바카라 재료로 구성된 TMR 요소에 대한 연구를 수행했다 그러나 이러한 강자성 무료 바카라 재료를 사용한 TMR 장치에 대한 연구는 지금까지 혼란스러운 상황에 처해 있습니다 전극의 상대 자화 방향에 따라 저항 값이 변화하는 TMR 효과 ([도 2])의 경우, 중간 비자 성 터널 층을 통과하는 전자는 스핀 방향에 대한 정보를 유지하면서 전파되어야한다 3] 그러나, 금속의 전자와 비교하여 무료 바카라의 전자는 전자와 구멍이라는 두 가지 유형입니다캐리어무료 바카라 장치의 존재P-N Junction Interface11755_12068
위에서 설명한 무료 바카라 기반 Spintronic 장치를 실현하기위한 기본 문제를 해결하기 위해 AIST는 아래에 설명 된 바와 같이 새로운 유형의 무료 바카라 TMR 장치를 개발했으며 스핀 의존 전도도 특성을 상세하게 설명했습니다
그림 2 : TMR 요소의 자기 적 효과
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a) 자석이 평행 한 경우 |
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b) 자석이 안티 파언트 인 경우 |
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그림 3 TMR 효과의 원리
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그림 4 무료 바카라 P-N 접합 및 고갈 층
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(1) 무료 바카라 재료로 만든 새로운 터널 자기 저항 (TMR) 요소를 성공적으로 개발했습니다
(GA, MN)는 강자성 무료 바카라에 대한 표준 재료로 간주되는 재료로서 고품질 결정을 얻는 능력뿐만 아니라 전기를 전도하는 특성을 갖기 때문이다 따라서,이 (GA, MN)는 이번에 강자성 무료 바카라 전극으로 사용되었다 과거에 수행 된 (GA, MN)를 사용하는 TMR 장치에 대한 연구는 과거에 수행되었지만 GAAS 또는 ALA는 (GA, MN)과 동일한 III-V 무료 바카라가 터널 배리어 층으로 사용되었습니다 그러나, 이들 물질로 고품질 박막을 얻는 데 필요한 성장 온도는 (GA, MN)과 같이 (500 ℃ 내지 600 ℃) 훨씬 높으며 (GA, MN)에 걸쳐 전극 자체가 파괴 될 때 문제가있다 따라서, AS 전극 (GA, MN)에서 GAA 및 ALA를 성장시키기 위해 힘에 의해 온도가 감소되었다 따라서 제조 된 터널 장벽은 매우 낮아서 고품질 TMR 장치를 제조하기가 어렵고 P 형 및 N- 타입 장치를 무료 바카라로 사용하는 것이 중요합니다도핑나도 할 수 없었습니다
이번에는 AIST가 그룹 II-VI 무료 바카라 인 새로운 터널 장벽 인 아연 셀레 나이드 (ZNSE)를 채택했습니다 (그림 5 참조) 그 이유는 ZnSE의 최적 성장 온도가 (GA, MN)과 거의 동일하기 때문에 고품질 TMR 장치가 (GA, MN)과 함께 제작 될 수 있기 때문입니다 또한, ZnSE는 N- 타입이 발생하기 쉬운 무료 바카라 재료이기 때문에, P- 타입 (GA, MN)과 결합함으로써 미래에 무료 바카라 장치의 기본 구조 인 PN-P 접합을 제조 할 수 있다는 이점이있다 그러나 ZnSE가 TMR 장치의 구성 재료로 사용 된 경우는 거의 없었으며 그 효과는 알려져 있지 않았습니다 따라서 무료 바카라 필름 제조 장비의 성능을 향상 시키면서이 회사는 샘플 제조 기술의 철저한 발전을 촉진하면서 자기 정제 요소를 개발했습니다
우수한 자기 저항 특성을 얻으려면, 요소를 구성하는 모든 박막은 단일 결정이며 접합 인터페이스가 평평한 것이 중요합니다 따라서, 샘플 준비를 위해 고품질 필름을 얻을 수있다분자 빔 에피 택시 방법사용되었습니다 산화를 방지하기 위해, 샘플을 매우 높은 진공 상태에서 일관되게 제조 하였다 무화과 도 1은 제조 된 샘플의 전송 단면 전자 현미경 사진을 보여준다 제조 된 장치의 Znse 층의 두께는 1 nm이다 층으로서 ZnSE 층과 상단 및 하부 (GA, MN)는 단결정이며, 평평한 정션 인터페이스가 얻어진다는 것을 확인할 수있다
(2) 모든 비도체 Spintronic 장치에서 스핀 정보를 유지하고 전파하는 메커니즘 완화
이번에는 강자성 전극에 사용 된 (GA, MN)가 -160 ° C 미만의 온도에서만 강자성이되기 때문에, 전기 전도성 특성은 -271 ℃의 저온에서 평가되었다 TMR 요소의 전류-전압 특성을 분석하고 약 1 nm의 캐리어가없는 고갈 층이 Znse와 (Ga, Mn) 사이의 계면 근처에 형성되었음을 확인 하였다 이것은 N- 타입 ZnSE 및 P- 타입 (GA, MN)의 조합을 반영하는 것으로 생각된다 외부 자기장을 TMR 요소에 적용하여 전극이 서로 평행하거나 반 알리 렐라로서 2 개의 자화 방향을 만들었고, 전기 저항의 크기 (즉, 자성상)의 크기의 변화를 조사 하였다 결과적으로,도 1에 도시 된 바와 같이 6,이 시간이 생성 된 TMR 요소의 저항 값은 자화 방향 (Magnetoresistive (MR) 비율100%에 해당) 이것은 요소 내부에서 전기를 운반하는 전자에 의해 보유 된 스핀 정보 (위 및 아래쪽)가 한 전극에서 다른 전극으로 전파됨을 나타냅니다 따라서,이 실험은 무료 바카라 재료로 만들어진 무료 바카라 장치에 고유 한 전자 상태에서도 고갈 층이 있는데, 전자는 금속 기반 스핀 트로닉 장치와 같은 스핀 정보를 유지하면서 전파 될 수 있음을 분명히 보여 주었다
또한,이 실험에서, 기존의 금속 기반 TMR 장치에서는 관찰되지 않은 새로운 현상이 발견되었다 무화과 7은 현상을 보여줍니다 이것은 두 개의 강자성 층의 자화 방향을 서로 평행하게 유지하면서 샘플을 회전시키는 동안 전기 저항의 변화를 관찰하기 위해 강한 자기장이 적용 되었기 때문입니다 이러한 측정 조건에서 정상적인 TMR 효과는 자연스럽게 발생하지 않습니다 즉, 요소의 전기 저항의 변화는 보이지 않아야합니다 그럼에도 불구하고, 자기장이 특정 결정 방향으로 적용될 때 원소의 전기 저항은 더 높거나 낮다 이것을 "이방성 TMR 효과"라고하며, 구멍이 전기 전도를 전달하는 무료 바카라 TMR 요소에 고유 한 현상이며, 생성 원리는 정상적인 TMR 효과와 완전히 다릅니다 이방성 TMR 효과로 인한 전기 저항의 관찰 된 변화는 매우 작다 6 무료 바카라 TMR 장치에 대한 기존의 연구에서,이 두 가지 효과는 분리되지 않았으며, 금속 기반 스핀 트로닉 장치와 같은 일반적인 TMR 효과를 사용하는 장치를 실제로 제작할 수 있는지에 대한 논쟁이있었습니다
그림 6 TMR 효과
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그림 7 이방성 TMR 효과
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(3) 스핀 트랜지스터의 개발로 이어지는 결과
이 성과는 중요한 학문적 중요성 일뿐 만 아니라 무료 바카라 Spintronic 장치의 실현에 크게 기여합니다 지금까지 무료 바카라 스핀 트로닉 장치를 실현하는 데 필요한 세 가지 조건 중 "스핀 보유 및 전파의 실현"및 "Ferromagnetic P-N-P Junction"은 해결되지 않았습니다 위에서 언급 한 두 가지 문제가 N- 타입 무료 바카라 ZnSE에게 효과적이고 중요하며 고갈 층을 통해 스핀 정보를 저장하고 전파 할 수 있다는 점에서 처음으로 해결 될 수 있습니다 다른 조건과 관련하여, "실온에서 강자성 특성을 나타내는 무료 바카라 재료의 개발", AIST는 이미 강자성 전이 온도가 실온에 도달하는 (Zn, Cr) TE (Zn, Cr) TE를 이미 성공적으로 개발했습니다 현재, 고품질의 박막은 아직 생산되지 않은 AS (GA, MN)가 높지만 현재이 문제를 해결하기 위해 연구를 수행하고 있습니다 위에서 언급 한 바와 같이,이 세 가지 문제는 현재 개별적으로 해결되고 있지만, 이러한 문제는 추가 재료 검색과 Crystal Growth Technologies의 확립에 의해 동시에 해결 될 수 있다면, 이는 스핀 트랜지스터의 개발로 이어질 것으로 예상되며, 이는 비일압 논리 요소 등의 핵심이 될 것으로 예상됩니다
위의 결과는 American Physics Association에서 게시합니다물리 검토 편지잡지의 2005 년 8 월 19 일호에 출판
이 성과를 개발함으로써, 우리는 ZnSE 층을 도핑하여 증폭 기능을 실현하고 약 수백 nm의 두께를 갖는 ZnSE 장벽 층을 실현함으로써 스핀 트랜지스터를 개발하는 것을 목표로한다 또한 저온에서 강자성 인 GA, MN) 대신 AIST가 개발 한 (Zn, Cr) TE를 사용하여 Spintronic 장치를 개발하여 실온에서도 강자성이됩니다