トポロジカル半金属を用いた高性能純スピン注入源の開発

使用拓扑非金属开发高性能纯自旋注入源

基本信息

批准号：
21J10066
负责人：
白倉孝典
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度はYPtBiのデバイス応用を見据え、YPtBiの組成ずれがスピンホール効果に与える影響の評価と、配線工程に適合するための低温成膜技術開発を行った。トポロジカル材料はスピンホール効果の強さが組成変化に敏感であるため、デバイス間におけるばらつきの原因となりうる。そこで、Y、Pt、Biの同時スパッタリング法を用いてY/Pt組成比を系統的に変化させながら、YPtBiの結晶性およびスピンホール効果の強さを評価した。Y/Pt組成比が理想組成比1:1からずれるとアンチサイト等の欠陥が増加し、正孔密度が3×10^20 cm-3から最大5×10^22 cm-3まで増大した。一方、スピンホール効果の強さを示すスピンホール伝導率はY/Pt組成比に対してほぼ不変であった。これは、他のトポロジカル材料と異なり、YPtBiのフェルミ準位がディラック点から0.3～0.8 eVと大きく離れているためであると考えられる。次に、低温成膜手法の開発について述べる。高い結晶性と良好な界面を持つYPtBiを実現するためには600度での成膜が望ましい。一方、YPtBiを配線工程に適用するためには400℃以下で成膜する必要がある。しかし、YPtBiの成膜温度を600℃から300℃まで低下させると、スピンホール伝導率が0.84×10^5 h/4πe S/mから0.28×10^5 h/4πe S/mまで減少した。この原因として、基板に到達したスパッタ粒子のマイグレーションエネルギーが減少し、グレインサイズが縮小したことが考えられる。そこで、成膜圧力を2.0 Paから0.5 Paまで減少させ、基板に到達するスパッタ粒子の運動エネルギーを向上することでグレインサイズの増大を試みた。これにより、300℃でも600℃成膜時と同等以上の巨大なスピンホール伝導率0.89～1.4×10^5 h/4πe S/mを達成した。

今年，我们着眼于YPtBi的器件应用，评估了YPtBi的成分偏差对自旋霍尔效应的影响，并开发了与布线工艺兼容的低温成膜技术。在拓扑材料中，自旋霍尔效应的强度对成分的变化很敏感，这可能会导致器件之间的变化。因此，我们使用Y、Pt和Bi的同时溅射方法系统地改变Y/Pt组成比，同时评估了YPtBi的结晶度和自旋霍尔效应的强度。当Y/Pt成分比偏离理想成分比1:1时，反位等缺陷增多，空穴密度从3×10^20 cm-3增加到最大5×10^22 cm-3 。另一方面，表示自旋霍尔效应强度的自旋霍尔电导率相对于Y/Pt组成比几乎没有变化。这被认为是因为，与其他拓扑材料不同，YPtBi的费米能级远离狄拉克点0.3至0.8 eV。接下来，我们将讨论低温薄膜沉积方法的发展。为了获得高结晶度和良好界面的YPtBi，期望在600度下成膜。另一方面，为了将YPtBi应用于布线工艺，需要在400℃以下的温度下成膜。然而，当YPtBi沉积温度从600℃降低到300℃时，自旋霍尔电导率从0.84×10^5 h/4πe S/m降低到0.28×10^5 h/4πe S/m。其原因被认为是到达基板的溅射粒子的迁移能量降低，晶粒尺寸变小。因此，我们尝试通过将沉积压力从 2.0 Pa 降低至 0.5 Pa 并增加溅射粒子到达基底的动能来增加晶粒尺寸。结果，即使在300℃下，我们也实现了0.89至1.4×10^5 h/4πe S/m的巨大自旋孔电导率，这相当于或高于在600℃下沉积时的电导率。