| Project/Area Number |
21J10066
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
白倉 孝典 東京工業大学, 工学院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
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| Keywords | スピントロニクス / トポロジカル半金属 / ハーフホイスラー合金 / スピンホール効果 / スパッタリング / 磁気メモリ / スピン流 |
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| Outline of Research at the Start |
メモリデバイスの微細化に伴う待機電力の増大という問題を解決するため、不揮発性新規メモリの一種である磁気抵抗メモリ(MRAM)が注目されている。MRAMは情報記録に磁化の向きを利用するため、情報書き換えのために低消費電力な磁化の方向制御技術が求められる。
本研究では、デバイス作製時の加熱プロセスに耐えうる高融点なトポロジカル半金属の一種であるYPtBi合金に注目し、情報書き換え電力を既存のスピン移行トルク方式よりも1～2桁程度低減することを目指す。また、量産性に優れたスパッタリング法を用いた高品質な薄膜化技術を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はYPtBiのデバイス応用を見据え、YPtBiの組成ずれがスピンホール効果に与える影響の評価と、配線工程に適合するための低温成膜技術開発を行った。
トポロジカル材料はスピンホール効果の強さが組成変化に敏感であるため、デバイス間におけるばらつきの原因となりうる。そこで、Y、Pt、Biの同時スパッタリング法を用いてY/Pt組成比を系統的に変化させながら、YPtBiの結晶性およびスピンホール効果の強さを評価した。Y/Pt組成比が理想組成比1:1からずれるとアンチサイト等の欠陥が増加し、正孔密度が3×10^20 cm-3から最大5×10^22 cm-3まで増大した。一方、スピンホール効果の強さを示すスピンホール伝導率はY/Pt組成比に対してほぼ不変であった。これは、他のトポロジカル材料と異なり、YPtBiのフェルミ準位がディラック点から0.3～0.8 eVと大きく離れているためであると考えられる。
次に、低温成膜手法の開発について述べる。高い結晶性と良好な界面を持つYPtBiを実現するためには600度での成膜が望ましい。一方、YPtBiを配線工程に適用するためには400℃以下で成膜する必要がある。しかし、YPtBiの成膜温度を600℃から300℃まで低下させると、スピンホール伝導率が0.84×10^5 h/4πe S/mから0.28×10^5 h/4πe S/mまで減少した。この原因として、基板に到達したスパッタ粒子のマイグレーションエネルギーが減少し、グレインサイズが縮小したことが考えられる。そこで、成膜圧力を2.0 Paから0.5 Paまで減少させ、基板に到達するスパッタ粒子の運動エネルギーを向上することでグレインサイズの増大を試みた。これにより、300℃でも600℃成膜時と同等以上の巨大なスピンホール伝導率0.89～1.4×10^5 h/4πe S/mを達成した。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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