高スピン流生成効率と高熱耐久性とを両立した薄膜を開発―― SOT方式の不揮発性メモリに最適 東工大とキオクシア

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東京工業大学は2022年2月15日、キオクシアとの共同研究グループが、高いスピン流生成効率と高い熱耐久性とを両立するYPtBi薄膜を作製し、動作を実証したと発表した。スピン軌道トルク(SOT)方式を用いる不揮発性メモリに適したものとなっている。

SOT方式を用いた不揮発性メモリは、従来のスピン移行トルク(STT)方式よりも高効率でスピン流を生成できるため、近年注目を集めている。SOT方式では、スピンホール効果を利用してスピン流を生成する。

SOT方式を用いる場合、純スピン注入源に用いる非磁性体の選択が重要となる。重金属類は、半導体集積プロセスに対して親和性が高いため、候補として有望視されてきた。しかし、スピンホール効果の強さを表すスピンホール角(θSH)が0.1台と小さく、デバイス動作時に消費電力が大きくなる点がデメリットとなる。

また、トポロジカル絶縁体も1を超える巨大なθSHを有しており、近年有望視されている。一方で、V族とVI族のみから構成されるため熱耐久性が300℃程度に留まり、半導体集積プロセスに対する親和性が低い点が課題となっていた。

従来型のトポロジカル絶縁体の結晶構造(左)とエネルギーバンド構造(右)

同研究グループが今回着目したYPtBi薄膜は、ハーフホイスラー型トポロジカル半金属(HHA-TSM)の一種だ。トポロジカル絶縁体と同じく、スピンホール効果の強いトポロジカル表面状態(TSS)を有している。冒頭の画像は、HHA-TSMの結晶構造とエネルギーバンド構造を示す。

薄膜形成にあたっては、産業での応用を想定してスパッタリング法を用いた。成膜温度を変えて同薄膜を形成したところ、Bi含有量で理想組成となる1を600℃まで維持できることが判明した。同薄膜が600℃まで安定であることを示している。

スパッタリング法で製膜したYPtBi膜におけるBi組成比の成膜温度依存性

さらに、スパッタリング法を用いてYPtBi膜と強磁性体CoPt膜のヘテロ接合膜を形成し、スピン伝導特性を評価した。YPtBi膜は平均表面粗さ約2Åと平坦な界面を有するため、CoPt膜は記録媒体に望ましい強い垂直磁気異方性を示した。

YPtBiの成膜条件を最適化することで、θSHが最大で4.1に達している。これらのヘテロ接合膜を用いて、パルス電流による磁化反転実験を実施したところ、高効率でCoPtを磁化反転できることが確認された。

パルス電流印加シーケンス

パルス電流印加シーケンスに対応した磁化反転の結果。
青の点は電流に対して平行に0.5kOeの外部磁場を印加した際の、赤の点は反平行に0.5kOeの外部磁場を印加した際の磁化反転の結果に対応している。

また、外部磁場を反転させることにより、磁化反転の方向も反転するというSOT方式に典型的な振る舞いも確認した。

これらの実験結果により、YPtBi膜は重金属よりも1桁小さな電流密度で、CoPt膜の磁化反転を可能とするスピン流を生成できることが判明した。

今後は、YPtBiを利用した低消費電力な不揮発性メモリの研究や、他のHHA-TSMを用いた材料の研究が進むことが期待される。

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