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トポロジカル絶縁体を用いる超低消費電力磁気抵抗メモリの創製

Research Project

Project/Area Number 20F20050
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionTokyo Institute of Technology
Host Researcher PHAM NAM・HAI  東京工業大学, 工学院, 准教授 (50571717)
Foreign Research Fellow NGUYEN KHANG  東京工業大学, 工学院, 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
Keywordsスピン軌道トルク / スピンホール効果 / トポロジカル絶縁体
Outline of Research at the Start

本研究では、スピンホール効果が極めて強いかつ高い電気伝導率を両立できるトポロジカル絶縁体をスピン注入源として使用し、超低電流密度かつ超高速な書き込みができるスピン軌道トルク(SOT)-磁気抵抗メモリ(MRAM)を実証する。トポロジカル絶縁体の巨大なスピンホール効果による磁化反転を実現できれば、MRAMの書き込み電力2桁、書き込み速度1桁、ビット密度1桁が向上でき、従来の揮発性メモリであるSRAMやDRAMを置き換えると期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、スピンホール効果が極めて強いかつ高い電気伝導率を両立できるトポロジカル絶縁体をスピン注入源として使用し、超低電流密度かつ超高速な書き込みができるSOT-MRAMを実証する。トポロジカル絶縁体の巨大なスピンホール効果による磁化反転を実現できれば、MRAMの書き込み電力2桁、書き込み速度1桁、ビット密度1桁が向上でき、従来の揮発性メモリであるSRAMやDRAMを置き換えると期待できる。我々は2020年度の研究では、次の成果を達成した。
1.シリコン基板上に成膜した垂直磁化膜のCoTbフェリ磁性体/分子線エピタキシャル結晶成長法により製膜したBiSbヘテロ接合において、巨大なスピンホール効果(有効なスピンホール角3.2)の確認および超低電流密度磁化反転(世界記録の7x10E4 Acm-2)に成功し、BiSbトポロジカル絶縁体はシリコン基板上でも高いスピンホール性能を発揮できることを実証した。さらに、ホール端子幅2 μmの9 μm x 3 μmの細線において、10 nsの高速パルス印加で磁反転が確認でき、磁壁の速度が少なくても200 m/s以上高速であることを明らかにした。この研究では、BiSbはエピタキシャル膜でなくても、スピンホール層として高いポテンシャルを持つことを確認した。
2.次に量産性が高いスパッタリング法により製膜したBiSbを用いたCoTb/BiSbヘテロ接合においても、高い有効スピンホール角(1.2)および超定電流密度磁化反転(7x10E5 Acm-2)を確認した。
3. Si基板上にスパッタリング製膜したトポロジカル絶縁体BiSb/Pt/Fe面内磁化膜において、無磁場下のスピン軌道トルク磁化反転に成功した。さらに、面内磁化反転を検出するために、2次高調波ホール効果を用いた新しい検出方法を提案し、その実証を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

トポロジカル絶縁体BiSbとフェリ磁性体を組み合わせることによって、世界記録の7x10E4 Acm-2という超低電流密度による磁化反転に成功した。また、主メモリの不揮発性メモリに必要な高速な書き込み(10 ns)の実証に成功した。

Strategy for Future Research Activity

本年度には、さらに高速な磁化反転を実証するために、電子ビームリソグラフィーによる微細加工技術を用いて、300 nm程度と小さい素子を作製し、書き込み時間1~10 nsの高速な磁化反転、さらにサブnsの超高速な磁化反転の実証を行う。これにより、トポロジカル絶縁体の巨大なスピンホール効果による磁性薄膜の超高速かつ超低消費電力の磁化反転を実証し、次世代SOT-MRAMの書き込み技術を確立する。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(17 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Crystal growth and characterization of topological insulator BiSb thin films by sputtering deposition on sapphire substrates2020

    • Author(s)
      Tuo Fan, Mustafa Tobah, Takanori Shirokura, Nguyen Huynh Duy Khang, and Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59 Pages: 063001-063001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab91d0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ultralow power spin-orbit torque magnetization switching induced by a non-epitaxial topological insulator on Si substrates2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Takanori Shirokura, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: 12185-12185

    • DOI

      10.1038/s41598-020-69027-6

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spin-orbit torque as a method for field-free detection of in-plane magnetization switching2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang and Pham Nam Hai
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 117 Pages: 252402-252402

    • DOI

      10.1063/5.0033158

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] New method for field-free detection of in-plane magnetization switching induced by spin-orbit torque2021

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
    • Organizer
      The 68th JSAP Spring meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Topological Insulator Spintronics2020

    • Author(s)
      Pham Nam Hai, Nguyen Huynh Duy Khang, Tuo Fan, Yugo Ueda, Yasuyoshi Miyamoto
    • Organizer
      The VANJ Conference 2020 (VANJ20)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ultrahigh efficient spin-orbit-torque magnetization switching in sputtered topological insulator BiSb/(Co/Pt)2 multilayers2020

    • Author(s)
      Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Pham Nam Hai
    • Organizer
      2020 Magnetism and Magnetic Materials
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Crystal Growth and Characterization of Topological Insulator BiSb Thin Films by Sputtering Deposition for SOT-MRAM Applications2020

    • Author(s)
      Tuo Fan, Mustafa Tobah, Takanori Shirokura, Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
    • Organizer
      2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Giant spin-related transport phenomena in BiSb topological insulator/ferromagnet bilayers2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Tuo Fan, Pham Nam Hai
    • Organizer
      SPIE Spintronics XIII
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Giant Unidirectional Spin Hall Magnetoresistance in GaMnAs/BiSb Bilayers2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
    • Organizer
      Intermag 2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Giant spin Hall effect in BiSb topological insulator2020

    • Author(s)
      Pham Nam Hai, Nguyen Huynh Duy Khang, Yasuyoshi Miyamoto
    • Organizer
      The 2nd Kavli ITS Workshop on Magnetic Semiconductors
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Efficient spin-orbit torque magnetization switching by short pulse currents in non-epitaxial topological insulator BiSb-ferrimagnet heterostructures2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Takanori Shirokura, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
    • Organizer
      The 81th JSAP Autumn meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ultrahigh efficient spin-orbit-torque magnetization switching in sputtered BiSb topological insulator and Co/Pt ferromagnetic multilayers2020

    • Author(s)
      Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Pham Nam Hai
    • Organizer
      The 81th JSAP Autumn meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ultralow-power and fast spin-orbit torque magnetization switching in all-sputtered BiSb topological insulator-ferrimagnet multilayers2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Takanori Shirokura, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
    • Organizer
      Spin-RNJ 若手オンライン研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Ultralow-power spin-orbit torque magnetization switching in all-sputtered BiSb topological insulator-ferromagnet multilayers2020

    • Author(s)
      Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
    • Organizer
      The 67th JSAP Spring meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 面内磁化反転の新しい検出方法の提案と実証

    • URL

      http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1729

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] Si基板上のトポロジカル絶縁体による超低消費電力磁化反転の実証

    • URL

      http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1659

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 高品質なトポロジカル絶縁体のスパッターリング成膜に成功

    • URL

      http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1633

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2021-12-27  

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