スピン軌道トルク生成機構・磁化反転機構の理解の促進に基づいた材料・素子技術の構築

• 研究課題/領域番号: 18K13796
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 張 超亮 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (80807678)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: スピントロニクス / スピン軌道トルク

研究成果の概要

近年、磁気トンネル接合(MTJ)の面直電流で誘起されたスピン移行トルク(STT)を用いてSOT磁化反転をアシストする新しい方法 (SOT&STT 磁化反転) が提案され、消費電力を大幅に低減できることが指摘されている。しかし、今まで実験では実証されていない。本研究は、SOT&STT-MTJ素子を試作し、世界初で200 psまでの高速領域で、STTとSOTの結合による無磁場磁化反転を系統的に調べた。その結果をシミュレーションと比較し、STTとSOTの効果の理解を深め、デバイス構造設計の指針を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、高性能なSOT-MTJ素子の材料設計、デバイス設計に関する系統的な理解が得られる。これらの知見を応用することで、製造が容易な構造で、高速動作、高信頼性、高い書き込み耐性を実現できるメモリ素子の実現が期待される。このため学術界に大きなインパクトを与える同時に、産業界へも高い貢献にもつながると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Field-free and sub-ns magnetization switching of magnetic tunnel junctions by combining spin-transfer torque and spin?orbit torque (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Chaoliang、Takeuchi Yutaro、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 号: 9 ページ: 092406-092406
  • DOI: 10.1063/5.0039061
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual-Port SOT-MRAM Achieving 90-MHz Read and 60-MHz Write Operations Under Field-Assistance-Free Condition (2020)
  • 著者名/発表者名: Natsui Masanori、Tamakoshi Akira、Honjo Hiroaki、Watanabe Toshinari、Nasuno Takashi、Zhang Chaoliang、Tanigawa Takaho、Inoue Hirofumi、Niwa Masaaki、Yoshiduka Toru、Noguchi Yasuo、Yasuhira Mitsuo、Ma Yitao、Shen Hui、Fukami Shunsuke、Sato Hideo、Ikeda Shoji、Ohno Hideo、Endoh Tetsuo、Hanyu Takahiro
  • 雑誌名: IEEE Journal of Solid-State Circuits 巻: 56 号: 4 ページ: 1116-1128
  • DOI: 10.1109/jssc.2020.3039800
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dual-Port Field-Free SOT-MRAM Achieving 90-MHz Read and 60-MHz Write Operations under 55-nm CMOS Technology and 1.2-V Supply Voltage (2020)
  • 著者名/発表者名: Natsui M.、Tamakoshi A.、Honjo H.、Watanabe T.、Nasuno T.、Zhang C.、Tanigawa T.、Inoue H.、Niwa M.、Yoshiduka T.、Noguchi Y.、Yasuhira M.、Ma Y.、Shen H.、Fukami S.、Sato H.、Ikeda S.、Ohno H.、Endoh T.、Hanyu T.
  • 雑誌名: 2020 IEEE Symposium on VLSI Circuits 巻: 1 ページ: 1-2
  • DOI: 10.1109/vlsicircuits18222.2020.9162774
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-Pumping-Free Determination of Spin-Orbit Torque Efficiency from Spin-Torque Ferromagnetic Resonance (2019)
  • 著者名/発表者名: Okada Atsushi、Takeuchi Yutaro、Furuya Kaito、Zhang Chaoliang、Sato Hideo、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 12 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.12.014040
• [雑誌論文] Artificial Neuron and Synapse Realized in an Antiferromagnet/Ferromagnet Heterostructure Using Dynamics of Spin?Orbit Torque Switching (2019)
  • 著者名/発表者名: Kurenkov Aleksandr、DuttaGupta Samik、Zhang Chaoliang、Fukami Shunsuke、Horio Yoshihiko、Ohno Hideo
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 31 号: 23 ページ: 1900636-1900636
  • DOI: 10.1002/adma.201900636
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin-orbit torque-induced switching of in-plane magnetized elliptic nanodot arrays with various easy-axis directions measured by differential planar Hall resistance (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Yu、Takeuchi Yutaro、Zhang Chaoliang、Jinnai Butsurin、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 114 号: 1 ページ: 012410-012410
  • DOI: 10.1063/1.5075542
• [雑誌論文] Spin-orbit torques in high-resistivity-W/CoFeB/MgO (2018)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Yutaro、Zhang Chaoliang、Okada Atsushi、Sato Hideo、Fukami Shunsuke、Ohno Hideo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 号: 19 ページ: 192408-192408
  • DOI: 10.1063/1.5027855
• [学会発表] Dual-Port Field-Free SOT-MRAM Achieving 90-MHz Read and 60-MHz Write Operations under 55-nm CMOS Technology and 1.2-V Supply Voltage (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Natsui,A. Tamakoshi,H. Honjo,T. Watanabe,T. Nasuno,C. Zhang,T. Tanigawa,H. Inoue,M. Niwa,T. Yoshiduka,Y. Noguchi,M. Yasuhira,Y. Ma,H. Shen,S. Fukami,H. Sato,S. Ikeda,H. Ohno,T. Endoh,T. Hanyu
  • 学会等名: Symposia on VLSI Technology and Circuits
  • 国際学会
• [学会発表] Uniform artificial synapse and neuron based on spintronic devices (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kurenkov, S. DuttaGupta, C. Zhang, S. Fukami, Y. Horio, and H. Ohno
  • 学会等名: 17th RIEC International Workshop on Spintronics and 10th JSPS Core-to-Core Workshop on “New-Concept Spintronic Devices”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Artificial Synapse and Neuron Based on the Dynamics of Spintronic Devices (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kurenkov, S. DuttaGupta, C. Zhang, S. Fukami, Y. Horio, and H. Ohno
  • 学会等名: 64th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Antiferromagnet/ferromagnet heterostructures as synapses and neurons (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kurenkov, S. DuttaGupta, C. Zhang, S. Fukami, Y. Horio and H. Ohno
  • 学会等名: SPICE Workshop on Antiferromagnetic Spintronics: from topology to neuromorphic computing
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] First demonstration of field-free SOT-MRAM with 0.35 ns write speed and 70 thermal stability under 400°C thermal tolerance by canted SOT structure and its advanced patterning/SOT channel technology (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Honjo, A. Nguyen Thi Van, T. Watanabe, T. Nasuno, C. Zhang, T. Tanigawa, S. Miura, H. Inoue, M. Niwa, T. Yoshizuka, Y. Noguchi, M. Yasuhira, A. Tamakoshi, M. Natsui, Y. Ma, H. Koike, Y. Takahashi, K. Furuya, H. Shen, S. Fukami, H. Sato, S. Ikeda, T. Hanyu, H. Ohno, T. Endoh
  • 学会等名: 2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetization reversal via the combination of spin-orbit torque and spin-transfer torque in sub-ns region (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, Y. Takeuchi, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: 17th RIEC International Workshop on Spintronics and 10th JSPS Core-to-Core Workshop on “New-Concept Spintronic Devices”
  • 国際学会
• [学会発表] Antiferromagnet/ferromagnet heterostructures for artificial neurons and synapses (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kurenkov, S. DuttaGupta, C. Zhang, S. Fukami, Y. Horio, and H. Ohno
  • 学会等名: York-Tohoku-Kaiserslautern Research Symposium on “New-Concept Spintronics Devices”
  • 国際学会
• [学会発表] Efficient control of magnetization utilizing spin-orbit torque and spin-transfer torque (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, Y. Takeuchi, Y. Takahashi, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: York-Tohoku-Kaiserslautern Research Symposium on “New-Concept Spintronics Devices”
  • 国際学会
• [学会発表] Antiferromagnet/Ferromagnet Heterostructures for Artificial Neurons and Synapses (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Kurenkov, S. DuttaGupta, C. Zhang, S. Fukami, Y. Horio, H. Ohno
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Sub-ns switching by combining SOT and STT in MTJ devices (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, Y. Takeuchi, Y. Takahashi, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: The 2nd Symposium for World Leading Research Centers
  • 国際学会
• [学会発表] Relationship between spin-orbit torque switching efficiency and W resistivity in W/CoFeB/MgO (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Furuya, Y. Takeuchi, C. Zhang, B. Jinnai, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 2019 Joint MMM-Intermag Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Sub-ns and low-power magnetization switching by combination of spin-orbit torque and spin-transfer torque (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, Y. Takeuchi, Y. Takahashi, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: 2019 Joint MMM-Intermag Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-orbit torque-induced switching of in-plane magnetized elliptic nanodots detected using planar Hall effect (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, Y. Takeuchi, C. Zhang, B. Jinnai, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: 16th RIEC International Workshop on Spintronics and 8th JSPS Core-to-Core Workshop on “New-Concept Spintronic Devices”
  • 国際学会
• [学会発表] Time and spatial evolution of spin-orbit torque-induced switching in W/CoFeB/MgO (2019)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, S. Fukami, S. DuttaGupta, H. Sato and H. Ohno
  • 学会等名: 16th RIEC International Workshop on Spintronics and 8th JSPS Core-to-Core Workshop on “New-Concept Spintronic Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Determination of spin-orbit torque by spin-torque ferromagnetic resonance free from spin-pumping (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Okada, Y. Takeuchi, K. Furuya, C. Zhang, H. Sato, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Enhancement of spin-orbit torque in W/CoFeB/MgO by controlling W resistivity (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Furuya, Y. Takeuchi, C. Zhang, B. Jinnai, Y. Takahashi, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Associative memory operation using analog spin-orbit torque device (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, W. A. Borders, A. Kurenkov, C. Zhang, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: SPICE Workshop - Spintronics meets Neuromorphics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin-orbit torque switching in nanoscale devices, physics and material engineering (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, Y. Takeuchi, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: KITS Workshop 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analog spintronics device for artificial neural networks (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, W. A. Borders, A. Kurenkov, C. Zhang, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: The 2018 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neuromorphic computing with analog spin-orbit torque devices (Invited) (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, W. A. Borders, A. Kurenkov, C. Zhang, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: The 10th International School and Conference on Physics and Applications of Spin Phenomena in Solids
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin-orbit torque switching device for high-performance and low-power integrated circuits (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, C. Zhang, B. Jinnai, and H. Ohno
  • 学会等名: The 23rd International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (ICMFS-2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analog spin-orbit torque devices for artificial neural networks (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, W. A. Borders, A. Kurenkov, C. Zhang, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: The 21st International Conference on Magnetism
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neuromorphic computing with analog spin-orbit torque device (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, W. A. Borders, A. Kurenkov, C. Zhang, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: Workshop on Spintronics and Nanomagnetism for Neuromorphic Computing
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spintronic analog memory for neuromorphic computing (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, W. A. Borders, A. Kurenkov, C. Zhang, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: 14th International Conference on Modern Materials and Technologies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin-orbit torque switching and its applications, from high-speed memory to artificial neural network (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Fukami, C. Zhang, W. A. Borders, A. Kurenkov, S. DuttaGupta, and H. Ohno
  • 学会等名: 5th International Conference of Asian Union of Magnetics Societies (IcAUMS 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Engineering of spin-orbit torques in W/CoFeB/MgO heterostructures for efficient control of magnetization (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, K. Furuya, Y. Takahashi, B. Jinnai, C. Zhang, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 2nd Tohoku/SG-SPIN Workshop in Spintronics
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-orbit torque switching in in-plane nanomagnets characterized by planar Hall effect (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, Y. Takeuchi, C. Zhang, B. Jinnai, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: NIMS Academic Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-orbit torque switching in perpendicular-magnetized Co/Pt multilayers (2018)
  • 著者名/発表者名: B. Jinnai, C. Zhang, A. Kurenkov, M. Bersweiler, H. Sato, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: NIMS Academic Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-orbit torque induced switching of in-plane nanomagnet arrays evaluated through differential planar Hall effect (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahashi, Y. Takeuchi, C Zhang, B. Jinnai, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: The 21st International Conference on Magnetism (ICM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-orbit torque in W/CoFeB/MgO heterostructures, Wide-range W resistivity dependence (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, K. Furuya, Y. Takahashi, C Zhang, A. Okada, B. Jinnai, H. Sato, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: The 21st International Conference on Magnetism (ICM2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Extended harmonic Hall measurement of spin-orbit torques in high-resistivity-W/CoFeB/MgO (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, C. Zhang, A. Okada, H. Sato, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 7th Workshop of the Core-to-Core Project Tohoku-York-Kaiserslautern
  • 国際学会
• [学会発表] Harmonic measurement of current induced spin-orbit torques in high-resistivity-W/CoFeB/MgO (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, C. Zhang, A. Okada, H. Sato, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of write-error rate of spin-orbit torque induced magnetization switching (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Miyasaka, T. Saino, C. Zhang, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Enhancement of spin-orbit torque efficiency in W/CoFeB/MgO by engineering W resistivity (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Furuya, Y. Takeuchi, Y. Takahashi, C. Zhang, A. Okada, B. Jinnai, S. Fukami and H. Ohno
  • 学会等名: 第37回電子材料シンポジウム
• [学会発表] Magnetization switching combining spin-orbit torque and spin-transfer torque (2018)
  • 著者名/発表者名: C. Zhang, Y. Takeuchi, Y. Takahashi, S. Fukami, and H. Ohno
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [産業財産権] Magnetoresistance effect element and magnetic memory device (2018)
  • 発明者名: S. Fukami, C. Zhang et al.
  • 権利者名: S. Fukami, C. Zhang et al.
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018
  • 取得年月日: 2018
  • 外国