【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.15】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TT0010
利用課題名 / Title
希土類遷移金属フェリ磁性体とアンビポーラ金属から構成するJohnson型スピンスイッチの作製
利用した実施機関 / Support Institute
豊田工業大学 / Toyota Tech.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
スピントロニクスデバイス/ Spintronics device,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
酒井 政道
所属名 / Affiliation
埼玉大学大学院理工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
増井 拓郎,秋山 大伍,戸沢 遥哉,曳町 光紀
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
粟野 博之,鷲見 聡
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
TT-002：多機能薄膜作製装置
TT-022：磁気光学効果測定装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
イットリウム二水素化物YH2は、電子と正孔が同時に電気伝導に作用するアンビポーラ伝導体であり、電子－正孔散乱下のスピン輸送が注目されている [1, 2]。先行研究では、Hall-bar構造にGdFeCo電極を用いることによって、スピン偏極電流注入下におけるYH2の逆スピンHall効果（ISHE）が室温下で観測されている [3, 4]。本研究では、ISHEに相補的なスピン輸送観測法であるスピン蓄積電圧測定を目指すので、Jhonsonのスピンスイッチ型スピンバルブ素子[5]の作製に取り組んだ。先行研究では、電圧検出電極にAuが使用されてきたが、Auは高価で希少性が高いため、本研究では実用化を視野に入れて、Auの代わりに安価で希少性の低いCuを使用した。
実験 / Experimental
素子基板として約17 mmX10 mm、厚さ0.65 mmの合成石英ガラスを用い、フォトリソグラフィとEB蒸着を交互に4回繰り返し行い回路パターンを作る。
第１に、素子周辺回路導線部にCu、スピン注入電極にFe、チャネル部に再びCuを用いた素子（以下Cu/Fe/Cuと表記）の作製を行い、プロセスを確立した。過去に作製実績のあるHall-bar素子のプロセスを基に、現像結果や蒸着後のパターン形状、成膜金属のXRD結果などを考慮して条件を設定した。
第２に、上記素子のスピン流チェネル部を、Cuの代わりにYH2を用いた素子（以下Cu/Fe/YH2）を作製した。YH2の作製方法はEB蒸着によってY（厚さ300 nm）を成膜した後、Ar97%H23%の混合ガスによる水素化を行った。Yは極めて酸化しやすため、EB蒸着から水素化までの工程中にY2O3になる可能性がある。酸化を誘発する工程を特定する目的で、複数の条件で成膜した。成膜条件では、3 ccハース静止蒸着と10 ccプラネタリ蒸着の2種類の装置を使い、また、2種類のレジスト（AZ5214E またはTSMR 7800 lb）を使用した。水素化後の素子の比抵抗測定やSEM撮影、単一膜のXRD測定などから、Yが出来るだけ酸化しにく工程条件を調査した。
第３に、第２で作製したCu/Fe/YH2のFe部をGdFeCo（Gd:Fe:Co＝24：53：23）とする素子Cu/GdFeCo/YH2を作製した。測定電極（Cu）部を作製し、GdFeCo部のフォトリソグラフィを施したサンプルに対して、豊田工大のスパッタ装置（多機能薄膜作製装置）を用いて、GdFeCo部を成膜した。その後、埼玉大学に持ち帰って、Yを成膜し水素化した。
結果と考察 / Results and Discussion
第１素子Cu/Fe/Cuの比抵抗測定、-0.5～0.5[T]の磁場を印加した磁場依存性の測定やゼロ磁場での時間依存性の測定を行い、素子パターンやプロセスに問題がないことを確認した。
第２素子Cu/Fe/YH2の作製工程がYの酸化に及ぼす影響を調べた結果、3 ccハース静止蒸着装置では、ハースからの輻射熱によって、レジストからの脱離酸素が成膜中のYを酸化させている可能性が高いことが分かった。一方、それに比べて輻射熱が弱い、10 ccハースプラネタリ蒸着装置を使用することによって、成膜中のYの酸化を抑制できることが分かった。成膜中のYの酸化に対しては、ハースからの輻射熱の影響がレジストによる違いに比べて、圧倒的に大きい。
第３素子Cu/GdFeCo/YH2の作製では、第２素子の作製結果を鑑みて、Yの成膜には10 ccハースプラネタリ蒸着装置を使用した。作製した8端子素子の顕微鏡写真などを図１に示す。この第３素子を使って、先ず、面直スピン注入に対するISHE測定を行った。この測定では、図１の２つのGdFeCo電極間に交流電流（480 Hz）を流して、電流方向に面内で直交する２つのCu電極間の電圧を測定した。現在、このISHE測定およびスピン向きをチャネル面に対して平行にした場合のスピン蓄積電圧測定を行っている。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図１ 合成石英ガラス基板（厚さ0.65 mm）上に作製した8端子素子：(a)素子全体（模式図）と (b) 面内スピンバルブ構造Cu/GdFeCo/YH2（顕微鏡写真）
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
・参考文献：
[1] Sakai et al. 2022 J. Phys.: Condens. Matter 34 055801
[2] Koinuma et Al. 2024 J. Phys.: Condens. Matter 36 135806
[3] Sato et al. 2023 Phys. Scr. 98 045912
[4] Yamazaki et al. 2025 J. Phys.: Condens. Matter 37 065804
[5] Johnson M 1994 Phys. Rev. Lett. 70 2142
・共同研究者：粟野 博之（豊田工業大学）、鷲見 聡（豊田工業大学）
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Ikuo Yamazaki, Spin injection from a magnetically near-compensated state in GdFeCo and inverse spin Hall effect in electron–hole compensated metal YH2, Journal of Physics: Condensed Matter, 37, 065804(2024).
DOI: 10.1088/1361-648X/ad9371
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件