2020 Fiscal Year Research-status Report
Nitride based coherent heterostructures for efficient spin-orbit torque magnetization switching
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19K04499
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
磯上 慎二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主任研究員 (10586853)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末益 崇 筑波大学, 数理物質系, 教授 (40282339)
角田 匡清 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80250702)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超高効率磁化反転 / マンガン窒化物薄膜 / ノンコリニア磁気構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，スピン軌道トルク磁化反転に要する臨界電流密度（Jc）の低減を新材料で実現することを最終目的としている．本目的が達成されれば例えば超省電力かつ高速に動作する磁気メモリが実現できるため記録容量を格段に増大できる可能性がある．
当初の実施計画では，垂直磁気異方性を有する低飽和磁化（Ms）材料と高スピンホール材料とのヘテロ接合を想定し，元素添加やN組成制御も含めたMn-N系材料の開発と接合界面の微細構造制御から目的達成を試みることになっていた．Mn4Nを第一候補として開発を進める中で，本材料が有する低Msの利得をさらに強化するため，ヘテロ接合より単層膜の状態で磁化反転に挑戦する発想の転換に至った．反強磁性薄膜単層の電気的な反転現象の有用性が国内外問わず注目され始めていることから，当初の計画よりも現在の潮流に乗った発想である．
磁気構造を従来100配向系Mn4Nから変調し，よりノンコリニア磁気構造へ近づけるため，111配向MgO単結晶基板上にエピタキシャル成長させた．結晶構造解析の結果，111配向Mn4Nが基板上に規則化していることが確認された．面内，面直方向の磁化過程を測定した結果，従来の100配向Mn4Nで得られる垂直磁気異方性から劇的に変化していることが確認され，よりノンコリニア型への遷移が示唆された．テスト素子を微細加工によって作製し，111面内に書き込みパルス電流を流した後の磁化状態を，面内ホール抵抗率の値として測定を行った．その結果，パルス電流をOFFにしたときのホール抵抗率が一定，すなわち書き込まれた後の磁化状態が維持されるメモリ機能が認められた．また必要な書き込み電流密度は1MA/cm^2以下であり，ヘテロ接合で報告のある値より桁で小さいことが判った．スピンホール材料との接合を不要としながらJcを低減する材料系として111配向Mn4Nの優位性が実証された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
非磁性／強磁性ヘテロ接合においてスピン軌道トルクによる電流誘起磁化反転のJcを桁で低減するためには，強磁性層のMs低減と，非磁性層の（接合界面のスピン注入効率を含めた）スピンホール角の増大が不可欠である．しかし強磁性層を必要とする従来のヘテロ接合形態では，特にMs低減に限界がある．そこで強磁性層ではなく，Msが必然的に小さい111配向マンガン窒化物薄膜の磁化を直接反転する点に着眼した．これは特に単層膜の状態でスイッチングが可能なら従来のヘテロ接合が不要であることを意味しており，Jc低減へのさらなる課題である界面のスピン注入効率の改善に必要な技術革新が除かれる．実験検討の結果，1×10^6 A/cm^2へのJc低減が達成され，従来の非磁性／強磁性ヘテロ接合系と比較して桁で小さいことが実証された．用いた111配向マンガン窒化物（Mn4N）は結晶構造が単純な正方晶系であるために，作製や解析が容易であるメリットもある．比較のため作製した100配向Mn4N薄膜では明瞭な反転が得られなかったことから，111配向Mn4Nで得られた低Jcの直接的な要因は，磁気構造の違いによるものと推察された．またジュール熱からの影響について検討したところ，反転電流の印加中におけるホールバー状のテスト素子温度がほぼ室温から変化ないことから，異常ネルンスト効果などによる外的要因が限りなく無視できることも確かめられた．以上の結果は，本研究で目的としている反転電流密度の低減を即座に解決するきっかけを与えるものである．また高効率磁化反転素子に適用できる新規材料系，単層膜での磁化反転メカニズムへの学術的波及効果が期待される．よって本研究の進捗状況として，当初の計画以上に進展していると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
発想転換によって当初の計画以上の進展が認められた111配向Mn4Nの低Jc値に対し，追加実験と理論解析の双方を用いた学術的な理解が必要と考えられる．１つ目は111配向Mn4NのMnスピン構造の解明，２つ目は界面／表面の歪み状態に起因したスピン輸送現象の解明を今後の研究推進方策として検討する．
100配向Mn4N薄膜は従来より，異方性磁気抵抗効果，異常ホール効果，磁壁移動において，優れたデバイス特性が各方面から報告されるようになった比較的新しい物質である．しかしながら，第一原理計算から期待される磁気特性，異常ホール伝導率とは桁で異なる状況にあるため，ポテンシャルが十分に発揮されていないことが我々の研究で明らかになりつつある．従って，結晶構造やバンド構造などのもっと基本的な観点からMn4N本体の材料特性を見直し，実際の特性劣化を及ぼす要因を特定する必要がある．ここで得られる結果は，本研究で実証した111配向Mn4Nの低Jcを解明することに直接貢献が期待される．
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| Causes of Carryover |
世界トップの実験データを検証するために必要な研究方法の更新があり，配分額より高額な物品の購入を優先した．その理由から分担者への分担金が当該年度は未使用であったため，次年度使用額が生じている．次年度は，分担者の研究機関にて消耗品費としての執行を計画している．
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