2021 Fiscal Year Research-status Report
反強磁性体材料を基軸とした超高密度不揮発メモリデバイスの開拓
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21K18189
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2026-03-31
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| Keywords | 反強磁性スピントロニクス / スピン軌道トルク / 磁気抵抗効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、本質的に微細化限界が生じない『反強磁性体を用いた超高密度メモリデバイス』の動作原理を実証し、超大容量・超高速性・低消費電力性を有する次世代メモリデバイスを開拓することにある。
令和3年度は、現状保有している超高真空スパッタ装置の１源チャンバーに、ターゲット交換機構と基板加熱機構を付与し、真空を破ることなく4種類の反強磁性体を成膜できる研究環境を整えた。また、以下の知見を明らかにした。
（１）新規成膜機構を用いて、読み出し用の反強磁性体の検討を行った結果、反強磁性体IrMn(111)上にMgO/Ptがエピタキシャル成長することが確認された。MgOの配向面は(111)であることが分かった。
（２）書き込み用の反強磁性構造として、Pt/Ir/Pt(Phys. Rev. B 104, 064439 (2021))およびPt/Ru/Pt(Appl. Lett. 119, 142401-1/7 (2021))非磁性中間層を有する新規なSynthetic反強磁性構造を設計し提案した。また、実際に提案構造を作製して評価した結果、反強磁性構造が実現し、大きなスピンHall効果が得られることが明らかとなった。電流をスピン電流に変換する効率（スピンHall角）は、Pt単層膜の約２倍であることが分かった。Pt/Ir/Pt系の比抵抗は、Pt単層膜とほぼ同等であることから、Pt/Ir/Pt系Synthetic反強磁性電極のSOT書込み時の消費電力は、Pt単層膜の約１／２に低減可能である。また、本構造を用いて、異なる反強磁性状態間を安定的にSOTスピン反転可能であることを実証した(Phys. Rev. B 105, 054421 (2022))。
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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
令和3年度は、書き込み用の新規反強磁性構造として、Pt/Ir/PtおよびPt/Ru/Pt非磁性層を有する新規なSynthetic反強磁性構造を提案し、材料のみならず積層構造を工夫することによって、電流-スピン電流変換効率とスピントルクの効率を向上できることを明らかにした。本発見により、新しい展開が期待でき、令和4年度以降の研究開発に資する大きな知見と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、現状保有している超高真空スパッタ装置の１源チャンバーに、ターゲット交換機構と基板加熱機構を付与し、真空を破ることなく4種類の反強磁性体を成膜できる研究環境を構築した。また、Pt/Ir/PtおよびPt/Ru/Pt非磁性層を有する新規Synthetic反強磁性構造を提案し、材料のみならず積層構造を工夫することによっても、電流-スピン電流変換効率とスピントルクの効率を向上できることを明らかにした。
令和4年度からは、令和3年度に得られた知見を用い、Synthetic反強磁性構造の探索を深耕するとともに、大きな読み出し信号が得られる反強磁性体/フェリ磁性体の探索も推し進める。具体的には、読出し信号増大に重要なスピン依存伝導機構と、書込み効率化に重要なスピン軌道トルク、及び、反強磁性体界面に働く磁気的交換結合機構の解明を進め、(1)大きな読み出し信号が得られる反強磁性体の探索、(2)高効率書き込みが可能な反強磁性体の探索、(3)その間の交換相互作用制御技術の確立を行い、(1)～(3)の全ての技術を採り入れたデバイスの動作を原理検証することで、反強磁性体を基軸とした超高密度・超高速・低消費電力スピンメモリを開拓する。
研究代表者の斉藤は、研究計画の立案、書き込み用反強磁性体/読み出し用反強磁性体の設計と探索を行い、反強磁性体を基軸にした超高密度スピンデバイスの高性能化を目指す。分担者の池田、手束は、代表者と共に、新規デバイスの作製を行う。手束は斉藤と共に、特殊な評価手法により、MR値、反強磁性体材料の反転効率と反強磁性2層構造の動作を調べ、反強磁性体エンジニアリングにフィードバックする。チームの総合力により、反強磁性体を基軸とした超高密度・超高速・低消費電力スピンメモリを開拓する。
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Research Products
(4 results)
