【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.03】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24HK0020

利用課題名 / Title

Co基ホイスラー合金・強磁性酸化物を用いたスピン機能デバイスの研究

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学 / Hokkaido Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

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）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子線リソグラフィ/ EB lithography,スピン制御/ Spin control,トポロジカル量子物質/ Topological quantum matter,膜加工・エッチング/ Film processing/etching

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)

山ノ内 路彦

所属名 / Affiliation

北海道大学 大学院 情報科学研究院

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-602：超高精度電子ビーム描画装置(125kV)
HK-621：反応性イオンエッチング装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

スピントランジスタやスピンLEDなどのスピンの機能を利用した半導体デバイスは，次世代のエレクトロニクスや情報通信機器などへの応用が期待されている．このようなデバイスの実現には，垂直磁化膜から半導体へ面直方向のスピンを注入，輸送するとともに，そのスピンを検出する技術が求められる．これまでに，光学的な手法で面直方向のスピン注入が実証されているが，応用上重要な電気的な手法によるスピン注入の実証はなされていない．本研究ではn型GaAs上に成長したMn/Co垂直磁化膜をスピン注入デバイスに加工し，垂直磁化膜からn-GaAsへのスピン注入および検出を，最も確実かつ正確な手法の1つとされている非局所4端子法により調べた．

実験 / Experimental

GaAs(001)基板上に表面側からRu(2 nm)/Mn(1.7 nm)/Co(1.0 nm)/n⁺-GaAs (15 nm, n = 7×10¹⁸ cm^-3)/ n⁺¬n^- GaAs transition layer (15 nm)/n^--GaAs (2000 nm, n = 5×10¹⁶ cm^-3)/un-doped GaAs(250 nm)構造を成膜した．そして，この積層構造を電子線リソグラフィー，RIE及び，Arイオンミリングを用いてホールバー，及びスピン注入デバイスに加工した．Mn/Co垂直磁化膜の磁気特性については，ホールバーにおいて異常ホール効果により評価した．Mn/Co垂直磁化膜からn-GaAsへのスピン注入については，スピン注入デバイスを用いてスピン注入によるスピン蓄積，及び輸送に起因した磁気抵抗を非局所四端子法で評価した．

結果と考察 / Results and Discussion

ホールバーにおいて，77 Kで横抵抗が膜面垂直方向の磁場に対して明瞭なヒステリシスを示したことから，Mn/Co垂直磁化膜が垂直磁気異方性を有すると考えられる．また，77 KにおけるMn/Co垂直磁化膜の保磁力はおよそ0.41 Tと見積もられた．続いて，スピン注入デバイスにおいて，77 Kで非局所抵抗の膜面垂直方向の磁場依存性を測定した．非局所抵抗は約0.41 Tにおいてスピンバルブ型の磁気抵抗変化を示した．スピンバルブ型の磁気抵抗が観測された磁場はMn/Co垂直磁化膜の保磁力とほぼ一致することから，この結果はMn/Co垂直磁化膜からGaAsに面直スピンが注入，輸送され，非局所四端子法により電気的に検出されたことを示唆する．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

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)

1. Mineto Ogawa, Spin injection and detection using perpendicularly magnetized Mn/Co bilayers grown on GaAs via all electrical methods, Applied Physics Letters, 126, (2025).
   DOI: 10.1063/5.0239771
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Mineto Ogawa, Michihiko Yamanouchi, Tetsuya Uemura, "Electrical Detection of Magnetization Reversal via Magnetoresistance of MnGa/GaAs Junction (ポスター)", ICMBE2024, 令和6年9月10日.
2. Kotaro Nara, Mineto Ogawa, Michihiko Yamanouchi, Tetsuya Uemura, "Electrical spin injection into GaAs from perpendicularly magnetized Mn/Co bilayers", 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 令和6年9月18日.
3. 小川峰登、奈良晃太郎、山ノ内路彦、植村哲也, "Mn/Co 垂直磁化膜/n-GaAs ヘテロ接合を用いた横型スピンバルブ素子の評価", 第48回 日本磁気学会学術講演会, 令和6年9月26日.
4. 奈良 晃太郎, 小川 峰登, 山ノ内 路彦, 植村 哲也, "非局所測定法を用いた垂直スピン注入の電気的検出", 第60 回 応用物理学会北海道支部第21回 日本光学会北海道支部合同学術講演会, 令和6年11月2日.
5. 長田 悠, 小川 峰登, 奈良 晃太郎, 山ノ内 路彦, 植村 哲也, "スパッタ成膜した Co2FeSi から GaAs へのスピン注入", 第60 回 応用物理学会北海道支部第21回 日本光学会北海道支部合同学術講演会, 令和6年11月2日
6. 柴田 智生, 中村 協太, 小山 貴也, 植村 哲也, 山ノ内 路彦, "SrRuO3 におけるトポロジカルホールトルクの面内磁場依存性", 第60 回 応用物理学会北海道支部第21回 日本光学会北海道支部合同学術講演会, 令和6年11月2日
7. Ogawa Mineto, Nara Kotaro, Yamanouchi, Michihiko, Tetsuya Uemura, "Observations of non-local spin-valve signal and Hanle signal in perpendicularly magnetized Mn/Co/n-GaAs junctions via all electrical methods", 2025 Joint MMM-Intermag Conference, 令和7年1月16日.

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