Si平台上Co2Fe(Al,Si)/Ge/Co2FeSi垂直自旋阀器件的室温磁阻效应观测

推荐：研究人员针对半导体自旋电子器件中铁磁金属(FM)与半导体(SC)间的自旋电阻失配问题，通过低温外延生长技术和Sn掺杂Ge中间层，构建了Co2Fe(Al,Si)/Ge/Co2FeSi异质结构。该研究首次在垂直结构自旋阀(VSV)器件中观测到室温下0.11%的磁阻(MR)效应，为Si平台上高性能Ge基自旋器件开发提供了关键技术突破。

　　

在半导体技术持续追求低功耗发展的背景下，自旋电子器件因其非易失性存储特性成为研究热点。然而，铁磁金属与半导体材料间的自旋电阻失配问题长期制约着器件性能，特别是在室温下实现高效自旋注入和检测仍面临挑战。传统基于GaAs的器件受限于低温操作，而Si、Ge等IV族半导体虽具有弱自旋-轨道耦合优势，但如何构建高质量异质界面成为关键科学问题。

日本大阪大学的研究团队创新性地采用低温分子束外延(MBE)技术，结合Sn掺杂Ge中间层策略，成功在Si(111)衬底上制备出全外延Co₂Fe(Al,Si)(CFAS)/Ge/Co₂FeSi(CFS)垂直自旋阀结构。通过反射高能电子衍射(RHEED)和原子力显微镜(AFM)证实了界面原子级平整度(R_rms~1.6 nm)，高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)显示Sn元素被有效限制在Ge层内。制备的电流垂直平面(CPP)型器件在300 K下展现出0.11%的磁阻(MR)效应，首次实现了Co基Heusler化合物垂直结构中室温非易失性存储功能。

关键技术包括：(1)分阶段Sn掺杂Ge生长策略，初始1 nm采用固相外延(SPE)确保平整度；(2)80°C低温外延CFAS/CFS Heusler化合物电极；(3)Fe终止层抑制Ge/CFAS界面互扩散；(4)六边形拓扑电极设计诱导磁各向异性。

【生长与结构表征】
通过两步Ge缓冲层和Fe₃Si过渡层，在Si(111)上获得晶格匹配的CFS底电极。Sn掺杂仅作用于Ge生长初期（前3 nm），后续17 nm纯Ge层有效抑制了Sn表面偏析。Fe终止层使顶部CFAS实现外延生长，EDX图谱证实Co/Ge互扩散被限制在纳米尺度。

【磁学性能】
室温磁化曲线显示阶梯状反转行为，饱和磁化强度达905 emu/cm³，表明顶部CoFe/CFAS与底部CFS/Fe₃Si通过Ge层实现磁解耦。虽略低于理论值（985 emu/cm³），但证实了垂直结构的自旋阀功能。

【器件性能】
5.3 μm²结型器件在10 K和300 K分别呈现0.30%和0.11%的MR比，对应自旋信号为18 mΩ和6.0 mΩ。尽管低于先前CFS/Ge/Fe₃Si结构的1.4%，但首次验证了双Heusler电极垂直结构的可行性。

该研究突破性地解决了半导体自旋器件三大核心问题：通过Sn掺杂Ge中间层实现界面原子级控制；利用Fe终止层抑制Ge/CFAS互扩散；证实Co基Heusler化合物在垂直结构中的室温应用潜力。虽然当前MR值受限于底部Co/Ge互扩散和顶部CFAS(Ge)无序相，但为开发与CMOS工艺兼容的Ge基自旋存储器奠定了关键技术基础。未来通过优化界面工程，有望在Si平台上实现更高性能的自旋电子器件集成。