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

• 研究課題/領域番号: 20F20050
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 外国
• 審査区分: 小区分28030:ナノ材料科学関連
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: PHAM NAM・HAI 東京工業大学, 工学院, 准教授 (50571717)
• 研究分担者: NGUYEN KHANG 東京工業大学, 工学院, 外国人特別研究員
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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2021年度の研究では、次の成果を達成した。
1.Si/SiOx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/Co/Pt垂直磁化膜を作製し、BiSbの大きなスピンホール角(2.4)および比較的に高い電気伝導率(1.0ｘ10E5 Ohm-1m-1)を実証した。発表論文：Appl. Phys. Lett. 119, 082403, (2021)
2.サファイア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/(Co/Pt)垂直磁化膜を作製し、BiSbの巨大なスピンホール角(10.7)および高い電気伝導率(1.8ｘ10E5 Ohm-1m-1)を達成した。発表論文：Sci. Rep. 12, 2998 (2022)
3.Si/SiOx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/(Co/Pt)垂直磁化膜の800 nmサイズの素子を作製し、BiSbによる超高速(1 ns)および超低消費電力(従来より一桁小さい電流密度)の磁反転に成功した。発表論文：Appl. Phys. Lett. 120, 152401 (2022)

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Western Digital(米国)
• [国際共同研究] Hochiminh University of Education(ベトナム)
• [雑誌論文] Nanosecond ultralow power spin orbit torque magnetization switching driven by BiSb topological insulator (2022)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Takanori Shirokura, Tuo Fan, Mao Takahashi, Naoki Nakatani, Daisuke Kato, Yasuyoshi Miyamoto, and Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 120 号: 15 ページ: 152401-152401
  • DOI: 10.1063/5.0084927
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrahigh efficient spin orbit torque magnetization switching in fully sputtered topological insulator and ferromagnet multilayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 2998-2998
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06779-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient spin current source using a half-Heusler alloy topological semimetal with back end of line compatibility (2022)
  • 著者名/発表者名: Takanori Shirokura, Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Tsuyoshi Kondo, Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 2426-2426
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06325-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improvement of the effective spin Hall angle by inserting an interfacial layer in sputtered BiSb topological insulator (bottom)/ferromagnet with in-plane magnetization (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Sasaki, H. H. Huy, N.H.D. Khang, P. N. Hai, Q. Le, B. York, X. Liu, S. Le, C. Hwang, M. Ho, H. Takano
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 58 号: 4 ページ: 3200404-3200404
  • DOI: 10.1109/tmag.2021.3115169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Giant spin-dependent phenomena in BiSb topological insulator - ferromagnet heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Science and Technology in Japan 巻: 1 ページ: 45-45
  • DOI: 10.15625/vap.2021.0006
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low power spin-orbit torque switching in sputtered BiSb topological insulator/perpendicularly magnetized CoPt/MgO multilayers on oxidized Si substrate (2021)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Takanori Shirokura, Ho Hoang Huy, Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 119 号: 8 ページ: 082403-082403
  • DOI: 10.1063/5.0062625
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal growth and characterization of topological insulator BiSb thin films by sputtering deposition on sapphire substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Mustafa Tobah, Takanori Shirokura, Nguyen Huynh Duy Khang, and Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: 6 ページ: 063001-063001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab91d0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultralow power spin-orbit torque magnetization switching induced by a non-epitaxial topological insulator on Si substrates (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Takanori Shirokura, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 12185-12185
  • DOI: 10.1038/s41598-020-69027-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spin-orbit torque as a method for field-free detection of in-plane magnetization switching (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang and Pham Nam Hai
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 号: 25 ページ: 252402-252402
  • DOI: 10.1063/5.0033158
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Nanosecond ultralow power spin orbit torque magnetization switching induced by BiSb topological insulator (2022)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Takanori Shirokura, Tuo Fan, Mao Takahashi, Naoki Nakatani, Daisuke Kato, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 2022 JSAP Spring meeting
• [学会発表] L10-MnGa垂直直膜における電子状態観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林 正起, N. H. D. Khang, 武田 崇仁, 荒木 恒星, 岡野 諒, 鈴木 雅弘, 黒田 健太, 矢治 光一郎, 菅原 克明, 相馬 清吾, 中山 耕輔, 山内 邦彦, 北村 未歩, 堀場 弘司, 藤森 淳, 佐藤 宇史, 辛 埴, 田中 雅明, P. N. Hai
  • 学会等名: 日本物理学会(第77回)年次大会
• [学会発表] L10-MnGa 垂直直膜における電子状態観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林 正起, N. H. D. Khang, 武田 崇仁, 荒木 恒星, 岡野 諒, 鈴木 雅弘, 黒田 健太, 矢治 光一郎, 菅原 克明, 相馬 清吾, 中山 耕輔, 山内 邦彦, 北村 未歩, 堀場 弘司, 藤森 淳, 佐藤 宇史, 辛 埴, 田中 雅明, P. N. Hai
  • 学会等名: 強的秩序とその操作に関わる第14回研究会
• [学会発表] Low power spin-orbit torque magnetization switching in all-sputtered BiSb topological insulator / perpendicularly magnetized CoPt / MgO multilayers on Si substrate (2021)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 2022 Joint MMM-INTERMAG
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature spin injection and spin-to-charge conversion in a ferromagnetic semiconductor / topological insulator heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Shobhit Goel, Nguyen Huynh Duy Khang, Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka
  • 学会等名: EP2DS-24/MSS-20 Joint Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature spin injection and spin-to-charge conversion in a ferromagnetic semiconductor/topological insulator heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Shobhit Goel, Nguyen Huynh Duy Khang, Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Room-temperature spin injection and spin-to-charge conversion in a ferromagnetic semiconductor/topological insulator heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Shobhit Goel, Nguyen Huynh Duy Khang, Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka
  • 学会等名: International conference on Molecular Beam Epitaxy (21th ICMBE)
  • 国際学会
• [学会発表] The Practical Material Challenges Involved in using the Topological Insulator BiSb in a Spin Transfer Device (2021)
  • 著者名/発表者名: B. York, P. N. Hai, Q. Le, C. Hwang, Nguyen H.D. Khang, Ho Hoang Huy, J. Sasaki, X. Liu, S. Le, M. Ho, H. Takano
  • 学会等名: The 32nd Magnetic Recording Conference (TMRC 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] High spin Hall angle in sputtered BiSb topological insulator (bottom)/ ferromagnet with in-plane magnetization on sapphire substrates (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Sasaki, Ho Hoang Huy, Nguyen H.D. Khang, P. N. Hai, Q. Le, B. York, X. Liu, S. Le, C. Hwang, M. Ho, H. Takano
  • 学会等名: The 32nd Magnetic Recording Conference (TMRC 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Low power spin-orbit torque magnetization switching in all-sputtered BiSb topological insulator / perpendicularly magnetized CoPt / MgO multilayers on Si substrate (2021)
  • 著者名/発表者名: Fan Tuo, Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 82th JSAP Autumn meeting
• [学会発表] Room-temperature spin injection and spin-to-charge conversion in a ferromagnetic semiconductor / topological insulator heterostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Shobhit Goel, Nguyen Huynh Duy Khang, Le Duc Anh, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka
  • 学会等名: 82th JSAP Autumn meeting
• [学会発表] BiSbトポロジカル絶縁体のスピンホール効果のSb組成比依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 市村 雅貴, Nguyen Huynh Duy Khang, 高橋 真央, 宮本 泰敬, ファム ナムハイ
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Two-dimensional Electronic State in a Ferromagnetic L10 MnGa Thin Film with Perpendicular Magnetization (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Kobayashi, N. H. D. Khang, Takahito Takeda, Kohsei Araki, Ryo Okano, Masahiro Suzuki, Kenta Kuroda, Koichiro Yaji, Katsuaki Sugawara, Seigo Souma, Kosuke Nakayama, Miho Kitamura, Koji Horiba, Atsushi Fujimori, Takafumi Sato, Shik Shin, Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 82th JSAP Autumn meeting
• [学会発表] New method for field-free detection of in-plane magnetization switching induced by spin-orbit torque (2021)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
  • 学会等名: The 68th JSAP Spring meeting
• [学会発表] Topological Insulator Spintronics (2020)
  • 著者名/発表者名: Pham Nam Hai, Nguyen Huynh Duy Khang, Tuo Fan, Yugo Ueda, Yasuyoshi Miyamoto
  • 学会等名: The VANJ Conference 2020 (VANJ20)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrahigh efficient spin-orbit-torque magnetization switching in sputtered topological insulator BiSb/(Co/Pt)2 multilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 2020 Magnetism and Magnetic Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal Growth and Characterization of Topological Insulator BiSb Thin Films by Sputtering Deposition for SOT-MRAM Applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Mustafa Tobah, Takanori Shirokura, Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
  • 学会等名: 2020 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Giant spin-related transport phenomena in BiSb topological insulator/ferromagnet bilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Tuo Fan, Pham Nam Hai
  • 学会等名: SPIE Spintronics XIII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Giant Unidirectional Spin Hall Magnetoresistance in GaMnAs/BiSb Bilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai
  • 学会等名: Intermag 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Giant spin Hall effect in BiSb topological insulator (2020)
  • 著者名/発表者名: Pham Nam Hai, Nguyen Huynh Duy Khang, Yasuyoshi Miyamoto
  • 学会等名: The 2nd Kavli ITS Workshop on Magnetic Semiconductors
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient spin-orbit torque magnetization switching by short pulse currents in non-epitaxial topological insulator BiSb-ferrimagnet heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Takanori Shirokura, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
  • 学会等名: The 81th JSAP Autumn meeting
• [学会発表] Ultrahigh efficient spin-orbit-torque magnetization switching in sputtered BiSb topological insulator and Co/Pt ferromagnetic multilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Pham Nam Hai
  • 学会等名: The 81th JSAP Autumn meeting
• [学会発表] Ultralow-power and fast spin-orbit torque magnetization switching in all-sputtered BiSb topological insulator-ferrimagnet multilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Takanori Shirokura, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
  • 学会等名: Spin-RNJ 若手オンライン研究発表会
• [学会発表] Ultralow-power spin-orbit torque magnetization switching in all-sputtered BiSb topological insulator-ferromagnet multilayers (2020)
  • 著者名/発表者名: Nguyen Huynh Duy Khang, Soichiro Nakano, Yasuyoshi Miyamoto, Pham Nam Hai
  • 学会等名: The 67th JSAP Spring meeting
• [備考] トポロジカル絶縁体による磁性体の超高速磁化反転に成功
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2022/063811
• [備考] 東工大、SOT-MRAMでSRAMと並ぶ約200psの超高速磁化反転の可能性を証明
  • URL: https://news.mynavi.jp/techplus/article/20220414-2321383/
• [備考] ナノ秒の超高速超低消費電力磁化反転に成功
  • URL: http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=2003
• [備考] スパッタリング製膜したトポロジカル絶縁体膜でスピンホール角>10を達成
  • URL: http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1940
• [備考] Si基板上のトポロジカル絶縁体による超低電流磁化反転に成功
  • URL: http://magn.pe.titech.ac.jp/lab/?p=1808
• [備考] 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
• [備考] 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
• [備考] 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
• [産業財産権] SOT Reader Using BiSb Topological Insulator (2022)
  • 発明者名: Q. Le, 他12名
  • 権利者名: Western Digital、東京工業大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2022
  • 外国