2022 Fiscal Year Final Research Report

Nanostructure engineering for realization of highly efficient spin-orbit torque device controled by gate voltage

Research Project

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Project/Area Number	19H00844
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	Saito Yoshiaki 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (80393859)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	手束展規東北大学, 工学研究科, 准教授 (40323076) 池田正二東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (90281865)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	スピントロニクス / スピン軌道トルク / ナノ構造エンジニアリング / 電圧制御 / 低抵抗高効率重金属配線 / ジャロシンスキー守谷相互作用
Outline of Final Research Achievements	We have established low-power and high-density technologies for the two systems, W/CoFeB and Pt/Co systems, which are candidates for high-speed spin-orbit torque (SOT)-MRAM device by investigating the correlation between nanostructure of heavy metals and magnitude of SOT. We have been proposed a W/Hf-multilayer structure and synthetic antiferromagnetic (AF) heavy-metal (HM) structure with Pt/Ir/Pt spacer layer, and succeed in establishing an efficient SOT magnetization switching technology for low resistive HM wiring, which was considered difficult to achieve at the time of the start of this “kiban-A” project. The most energy efficient SOT reversal has been observed in the synthetic AF systems. We have also succeeded in observing field-free switching at room temperature by using the effective field of Dzyaloshinskii-Moriya interaction at the interface of the magnetic layer of perpendicularly magnetized synthetic AF systems.
Free Research Field	スピントロニクス
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究により、これまで困難とされてきた「低抵抗で高効率な重金属配線技術」、「垂直磁化を有する強磁性層の無磁場でのスピン反転技術」の確立に成功した。まだ書込み電流は、現行のスピントルク(STT)-MRAMよりも大きいが、今回開発したSyhthetic AF重金属配線材料は低抵抗であるため、本SOTの消費電力はSTTの1/2以下に低減できたことになる。また、大容量化に有効な垂直磁化を有する強磁性層の無磁場での磁化反転にも成功し、SOT-MRAMの社会での関心が高まっている。直磁気異方性の増大、反強磁性結合の消失、無磁場での磁化反転のメカニズムの理解など、ここで得られた学術的な意義も大きい。