| 研究課題/領域番号 |
19H00844
|
|---|
| 研究機関 | 東北大学 |
|---|
研究代表者 |
斉藤 好昭 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)
|
|---|
| 研究分担者 |
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)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
|
| キーワード | スピントロニクス / スピン軌道トルク / 電圧制御 / ナノ構造エンジニアリング |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、スピン軌道トルク(SOT)の大きさと、重金属ナノ構造、界面制御層、比抵抗との相関を調べて、スピン伝導メカニズムの解明を行い、低抵抗で高効率な重金属ナノ構造配線/界面制御層を見出すとともに、その上に高熱安定性記録層を有しアスペクト比１の垂直磁化方式のSOTデバイスを作製する技術や、無磁場でのスピン反転技術、スピンの電圧制御技術を開発することにより、超低消費電力・高速スピンメモリデバイスの基盤を構築することである。
令和１年度は、現状保有している超高真空スパッタ装置にRHEEDを付与して、成長条件出しを迅速に進める体制を整えた。また、重金属配線と界面制御層にナノ構造エンジニアリングを導入し、以下の知見を明らかにした。
（１）①垂直磁気異方性を有する強磁性層がMRAMで主流となっていること、②結晶成長の相性および③磁気特性の３つを考慮すると、Pt/Co系およびW/CoFeB系の２つの系がSOTの重金属／強磁性体の有力候補となる。令和１年度は、重金属の比抵抗を増大させずに、スピン生成効率であるスピンホール角|θSH|を増大するため、内因性メカニズムによるスピンホール効果の増大を試みた。その結果、β相、α相W-TaおよびPt-Auともに、あるTa濃度、Au濃度で|θSH|は最大値を示すことを明らかにした。β相に関しては、Ta濃度を増大するとW-Taの比抵抗の絶対値は単調減少することも明らかとなり、観測された|θSH|の最大は、第一原理計算で予想された内因性メカニズムによるスピンホール効果の増大に起因していることが判明した。
（２）（１）に述べた重金属層と強磁性体層の間に、界面制御層であるサブナノメーターの極薄Hf層を挿入すると、CoFeBの垂直磁気異方性が増大し、より高い熱安定性を有する記録層を作製できることが明らかとなった。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
R1年度は、比較的大きなスピン生成効率を有することが知られているβ-Wに比べて、低抵抗で高効率な重金属材料を見出した。また、来年度から取り組む予定の高熱安定性記録層を有しアスペクト比１の垂直磁化方式のSOTデバイスの作製に向けて、良好なHf界面制御層を見出すことに成功した。重金属層上に、0.35 nm以上の極薄Hf層を挿入すると、①CoFeBの垂直磁気異方性が増大すること、②その上のMgOトンネルバリアが(100)配向性を有することを、今年度導入したRHEEDを用いて明らかとした。本発見は、R2年度以降の開発の大きな知見となるため。
|
| 今後の研究の推進方策 |
R2年度は、R1年度から開始した低抵抗・重金属配線の高効率SOT磁化反転技術の構築をさらに推し進めるとともに、開発した低抵抗・重金属配線上に、高熱安定性記録層を有しアスペクト比１の垂直磁化方式のSOTデバイスを構築するため、垂直磁化方式スピントンネル接合の成膜・デバイス作製技術構築に取り組む。前者は、重金属配線と界面制御層にナノ構造エンジニアリングを導入し、SMR測定、Harmonic Hall測定という特殊な評価方法を用いて、スピンホールおよびRashba-Edelstein効果のスピントルクの大きさを調べる。その大きさと、重金属ナノ構造、界面制御層、比抵抗との相関を調べてスピン伝導メカニズムの解明を行うとともに、SOTスピン反転の効率向上を目指す。後者は、昨年度立ち上げたIn-situ構造観測装置（RHEED）を活用するとともに、開発した重金属配線にHf界面制御層を付与し、その上に大きなTMR比を有する良好な垂直磁化方式スピントンネル接合デバイスを作製する技術を構築する。
|
