[論文レビュー] High TMR ratio in Co2FeSi and Fe2CoSi based magnetic tunnel junctions

Christian Sterwerf, Markus Meinert+2 more|Aug 9, 2013

Magnetic properties of thin films被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、Co2FeSiにFeをドーピングして中間化学 Stoichiometry (Fe1.75Co1.25Si) を達成することで、Co2FeSiおよびFe2CoSiベースの磁気トンネル接合 (MTJ) において高いトンネル磁気抵抗 (TMR) 確率を実現した。15 Kで262%、室温で159%に達する最高TMR比は、スパッタリングおよび外部アニールを経て生成された逆ヘウスラーFe2CoSi膜にMgOバリアを用いた、原子配列の誘導に起因するスピンの少数状態における擬似ギャップ内でのフェルミエネルギーの整合に起因する。

ABSTRACT

Magnetic tunnel junctions with Fe1+xCo2-xSi (0 < x < 1) electrodes and MgO barrier were prepared on MgO substrates by magnetron co-sputtering. Maximum tunnel magnetoresistance (TMR) ratios of 262 % at 15 K and 159 % at room temperature were observed for x=0.75. Correlations of the annealing temperature dependent atomic ordering and TMR amplitude are discussed. The high TMR for an intermediate stoichiometry is ascribed to the adjustment of the Fermi energy within a minority spin pseudo gap.

研究の動機と目的

• Feドーピングを施したCo2FeSiおよびFe2CoSi組成を用いて、ヘウスラー系磁気トンネル接合における高いTMR比を達成すること。
• Co2FeSiおよびFe2CoSi MTJにおける原子配列とアニール温度のTMR性能への影響を調査すること。
• 少数スピン擬似ギャップ内でのフェルミエネルギー整合がTMR比の向上に果たす役割を特定すること。
• Co2FeSiとFe2CoSiベースのMTJ間の内在的スピン偏極の比較を行い、特にCo2FeSiにおいては原子配列とTMRとの相関が見られないことの理由を明らかにすること。

提案手法

• 室温でDC/RFマグネトロン共スパッタリングを用い、Cr種層を介してMgO(001)基板上にエピタキシャルFe1+xCo2−xSi膜を成長させた。
• 2 nmのMgOトンネルバリアをスパッタープリントし、その後Co70Fe30/Mn83Fe17/Ru対電極を堆積させた。
• 200 °C〜500 °Cの範囲で外部真空アニールを施し、原子配列の誘導と結晶性の向上を図った。
• X線回折および非対称散乱測定を用いて、特にD-A,C配列パラメータを含む結晶学的配列を分析した。
• 15 K〜300 Kの温度範囲および最大0.3 Tの磁場下で、2点プローブ法を用いてTMR比を測定した。
• バイアス依存TMRおよび温度依存TMRの分析を通じて、バイアス安定性および熱的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Co2FeSiにおけるFeドーピングは、MgOベースのMTJにおけるTMR比にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Fe1+xCo2−xSiベースのMTJにおいて、原子配列（D-A,Cパラメータ）がTMR性能を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 Co2FeSiベースのMTJでは、原子配列とTMRとの相関が見られないのはなぜか？これはFe2CoSiベースのMTJとは対照的である。
• RQ4 高アニール温度下での対電極からのMn拡散が、TMRにどの程度悪影響を及えるか？
• RQ5 少数スピン擬似ギャップ内でのフェルミエネルギー調整が、Fe1.75Co1.25SiベースのMTJにおけるTMRの向上を説明できるか？

主な発見

• Fe1.75Co1.25SiベースのMTJにおいて、375 °Cでアニール処理を施した結果、15 Kで最高のTMR比262%を達成した。
• 同じFe1.75Co1.25Si組成において、室温（300 K）でも159%のTMR比を維持した。
• Fe1.75Co1.25Si MTJでは、300 °C〜375 °Cの間でTMR比が一定であったことから、改善された原子配列とMn拡散効果の間でバランスが取れていると示唆された。
• Co2FeSiベースのMTJでは、325 °Cで最大TMR比118%を記録したが、さらに高いアニール温度下でもD-A,C配列が向上する一方でTMR比は低下した。
• Fe2CoSiのバイアス依存TMRは、バイアスに伴う低下が遅く、-0.8 V付近にわずかなピークが観察されたことから、バンド構造効果の可能性が示唆された。
• すべての組成において、TMR(15 K)/TMR(300 K)比は約1.5倍に比例しており、他のヘウスラー系MTJとも整合的であった。