スピン偏極共鳴トンネル効果を発見― スピン・トランジスタの実現に向けて道筋 ―

■ ポイント ■

1)	スピン偏極共鳴トンネル効果という新現象を発見。
2)	ナノ構造電極を持つ新型トンネル磁気抵抗素子(以下「TMR素子」という)を開発。情報の記憶機能とスイッチング機能を兼ね備えた新型素子（スピン・トランジスタ）の開発に道筋

■ 概　要 ■

独立行政法人産業技術総合研究所【理事長吉川弘之】（以下「産総研」という）エレクトロニクス研究部門【部門長伊藤順司】と、科学技術振興事業団【理事長沖村憲樹】（以下「科技団」という）は、スピン偏極共鳴トンネル効果という新しい現象を発見し、ナノ構造電極を持つ新型TMR素子を世界で初めて開発した。これにより、強磁性体を用いた新しいトランジスタ（スピン・トランジスタ）の開発に道筋が開かれた。この研究成果は、米科学誌サイエンスに掲載される（2002年7月12日）。

○スピン偏極共鳴トンネル効果を発見
　TMR素子の電極の中に量子井戸準位を生成すると磁気抵抗が巨大な振動を起こすことを発見した。これは「スピン偏極共鳴トンネル効果」という新しい物理現象によるものである。

○単結晶ナノ構造電極を持つTMR素子を世界で初めて開発
　単結晶薄膜作製技術を用いて、非常に薄い（厚さ3 ナノメートル以下）単結晶の非磁性金属（銅）と強磁性金属（コバルト）から成るナノ構造電極を持つTMR素子を世界で初めて作製した。特質すべき点として、この素子は室温でもスピン偏極共鳴トンネル効果を示す。

○スピン・トランジスタの実現に道筋
　スピン偏極共鳴トンネル効果を利用すれば、情報の記憶機能とスイッチング機能を併せ持つ新しい素子（スピン・トランジスタ）の実現が可能になる。室温で動作するスピン・トランジスタは、超高密度MRAMや新規の不揮発性論理素子を実現するためのキーテクノロジーとなると期待される。さらに、このような電子スピンの干渉効果を固体中で制御する技術は、量子コンピュータへの応用の点からも注目されている。

○米科学誌サイエンスに掲載
　題目："Spin-Polarized Resonant Tunneling in Magnetic Tunnel Junctions"、著者：湯浅新治、長浜太郎、鈴木義茂、2002年7月12日。

なお、上記の研究は、産総研と科技団との共同研究契約に基づき、戦略的創造研究推進事業の中の研究領域「電子・光子等の機能制御」【研究総括菅野卓雄（東洋大学理事長）】における研究テーマ「固体中へのスピン注入による新機能創製」【研究代表者鈴木義茂】の一環として行われた。

■ 研究の背景と経緯 ■

　1995年に巨大な磁気抵抗効果（TMR効果）を示す素子（TMR素子）【図１(A)参照】が開発され、これを利用した新しい不揮発性メモリ（ MRAM、Magnetoresistive Randam Acess Memory ）が考案された。MRAMは、DRAMに代わる大容量で高速な不揮発性メモリとして世界的に開発が行われている。このように固体中の電子スピンを利用した新しいエレクトロニクス分野は「スピントロニクス」と呼ばれ、最近急速に発展している。
　TMR素子は、磁性体の特徴である不揮発記憶の機能を持つメモリ素子である。これは、従来の半導体素子では実現できない機能である。しかし一方で、半導体素子の特徴である整流機能（ダイオード）やスイッチング機能（トランジスタ）などの機能を、TMR素子は持ち合わせていない。実際のMRAMでは、TMR素子と半導体トランジスタ（CMOS）を組み合わせて用いており、情報の記憶をTMR素子が担い、情報の選択（メモリ上のアドレスの指定）をCMOSが担っている。このため、シリコンLSI上にTMR素子を作製する必要があり、MRAMの構造や製造プロセスが複雑になる等の問題が生じる。さらに、TMR素子よりも大きなCMOS大きさでMRAMの集積度が限定されてしまうという問題もある。もしトランジスタ機能を持ったTMR素子（スピン・トランジスタ）を実現できれば、CMOSを必要としない新型MRAMや新規の不揮発性論理素子が可能となり、スピントロニクス分野に更なる飛躍的発展をもたらすと期待される。スピン・トランジスタを実現するためには、ナノメートルサイズの強磁性体で起こると考えられている特殊なトンネル効果（スピン偏極共鳴トンネル効果）を用いることが最も有効と考えられる。しかし、多数の世界的に著名な研究グループがスピン偏極共鳴トンネル効果の実現を試みてきたが、これまで極低温においてさえ成功した例はなかった。
　産総研と科技団は、今回、ナノ構造電極を持つ新型TMR素子を開発し、世界で初めてスピン偏極共鳴トンネル効果を室温で実現することに成功した。

■ 成果の内容 ■

（１）単結晶ナノ構造電極を持つTMR素子を開発

　単結晶薄膜作製技術を用いて、強磁性金属（コバルト）単結晶薄膜上に非常に薄い（厚さ3 ナノメートル以下）非磁性金属（銅）単結晶層を積層した「単結晶ナノ構造電極」を作製し、これを用いた新型TMR素子を世界で初めて開発した【図１(B)、図２参照】。このような強磁性金属と非磁性金属を積層したナノ構造電極の場合、ある一方向を向いた電子スピンだけが銅層の中に閉じこめられ、スピン偏極した量子井戸準位が形成される【図３参照】。スピン偏極量子井戸準位は、スピン偏極共鳴トンネル効果を実現するために不可欠である。このような量子井戸準位を生成するためには、非常に薄くて平坦な単結晶の強磁性金属と非磁性金属から成るナノ構造を作製することが非常に重要である。従来型のTMR素子では電極が多結晶であったため、電極の中に量子井戸準位を生成することができなかった。

（２）スピン偏極共鳴トンネル効果を発見

　強磁性体を用いたナノ構造電極の中に量子井戸準位ができるとスピン偏極共鳴トンネル効果が起こり、その結果、磁気抵抗が巨大な振動を示す。このような磁気抵抗の振動を世界で初めて実現した【図４参照】。特質すべきこととして、室温でも大きなスピン偏極共鳴トンネル効果を実現することに成功した。これまで半導体素子では通常の（スピン偏極していない）共鳴トンネル効果が見つかっていたが、室温では大きな効果が得られていなかった。さらに、磁性体を用いたスピン偏極共鳴トンネル効果は極低温ですら実現されていなかった。今回、スピン偏極トンネル効果を実現できた要因は、極めて良質の単結晶ナノ構造電極を作製することによって電子スピンの散乱を画期的に減らすことに成功した点である。

（３）スピン・トランジスタの実現に道筋

　スピン偏極共鳴トンネル効果が室温で実現されたことで、室温で動作するスピン・トランジスタが実現可能であることが原理的に示された。今回開発した新型TMR素子を更に発展させて３端子素子を開発すれば、情報記憶機能とスイッチング機能を併せ持つスピン・トランジスタが実現できる。これにより、半導体トランジスタを必要としない新型MRAMや新規の不揮発性論理素子の開発が可能になると期待される。さらに、このような電子スピンの干渉効果を固体中で制御する技術は、量子コンピュータへの応用の点からも注目されている。

■ 今後の予定 ■

　今後、スピン偏極共鳴トンネル効果を利用したスピン・トランジスタの実現を目指す。

■ 本件問い合わせ先 ■

独立行政法人産業技術総合研究所エレクトロニクス研究部門スピントロニクスグループ
【http://unit.aist.go.jp/nano-ele/spinics/index.htm】
研究グループ長	鈴木義茂	〒305-8568 茨城県つくば市梅園1-1-1中央第2 TEL：0298-61-5432　FAX：0298-61-3432 E-mail：suzuki-y@aist.go.jp
主任研究員	湯浅新治	TEL：0298-61-5401
研究員	長浜太郎	TEL：0298-61-7168

科学技術振興事業団
戦略的創造事業本部　研究推進部　研究第二課
課　長　　蔵並　真一　　〒332-0012　埼玉県川口市本町4-1-8
TEL：048-226-5641　FAX：048-225-2144
E-mail：kuranami@jst.go.jp

◆用語の説明
◆図１(A)：従来のＴＭＲ素子　 (ENGLISH)
◆図１(B)：単結晶ナノ構造電極を持つ新型TMR素子　 (ENGLISH)
◆図2：単結晶ナノ構造電極を持つ新型TMR素子の電子顕微鏡写真　 (ENGLISH)
◆図3：新型TMR素子のナノ構造電極の中に量子井戸準位が生成する。　(ENGLISH)
◆図4：スピン偏極共鳴トンネル効果が起こり、磁気抵抗が巨大な振動を示す。　(ENGLISH)