Interfacial structure control for domain wall memories with low-power consumption

低功耗畴壁存储器的界面结构控制

• 批准号: 20H02196
• 负责人: 小峰 啓史
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Ibaraki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02196/
• 关键词: スピン軌道トルク; 電界制御; 磁気メモリ; 低消費電力; 界面制御; 磁壁移動型メモリ; トポロジカル絶縁体; 低電力動作; 磁性絶縁体; ダンピング定数の電界制御; スピン波情報処理; 閾値電流; 磁気トポロジカル絶縁体; 磁気異方性の電界制御; FET型メモリ素子; スピン軌道トルク; 電界制御; 磁気メモリ; 低消費電力; 界面制御; 磁壁移動型メモリ; トポロジカル絶縁体; 低電力動作; 磁性絶縁体; ダンピング定数の電界制御; スピン波情報処理; 閾値電流; 磁気トポロジカル絶縁体; 磁気異方性の電界制御; FET型メモリ素子

本研究では、電荷-スピン変換を磁壁に効率よく伝達するため、トポロジカル絶縁体と磁性体の界面状態を理解する。磁性層/トポロジカル絶縁層界面の電子状態解析、及び、異常ホール抵抗等のハーモニック解析を通じて、大きな界面スピン軌道トルクを誘起するための材料および界面制御方法を探索する。低電流駆動、及び、ロバストネス向上のため、磁壁ピニング効果を抑制するための軟磁性被覆構造も併行して検討し、低消費電力・高速動作を両立する基本原理を明らかにする。導入したSb用Kセルおよび既設のBi用セルを組み合わせを検討し、組成を変えたBi-Sb薄膜および磁性膜との積層構造を作製した。3次元トポロジカル絶縁体となるSb量10~20at.%の制御が可能な成膜条件を整え、各種単結晶基板上にBi-Sb薄膜を形成した。構造解析、電気特性解析から、スピン軌道トルクを誘起するのに十分と思われるBi-Sb薄膜を得た．Bi-Sb薄膜への金属磁性層積層を試みたところ、界面構造の乱れが顕著となることがわかり、磁性絶縁体層とBi-Sb層の積層構造の形成への移行を進めている。一方、磁性トポロジカル絶縁体の応用として、低消費電力で磁化反転を実現出来るFET型素子を提案した。ゲート電圧による磁気異方性制御およびソースードレイン電界によるスピン軌道トルクを組み合わせることで、低消費電力な磁気メモリが形成出来ることを明らかにした。この素子の書き込みエラー率を詳細に調べたところ、従来磁気トンネル接合で議論されている異方性電圧制御に比べて、著しくエラー率が改善出来ることを明らかにした。また、磁気異方性の電圧制御はリザバーコンピューティングへの展開が期待出来ることを明らかにした。

在这项研究中，我们了解拓扑绝缘体和磁性材料之间的界面状态，以便有效地将电荷旋转转换转换为域壁。通过电子状态分析，搜索了磁性绝缘层界面和谐波分析，例如异常孔电阻，材料和界面控制方法，用于诱导大型界面自旋轨道扭矩。为了改善低电流驾驶和鲁棒性，还将研究一种软磁性涂层结构来抑制域壁钉效果，从而揭示实现低功耗和高速运行的基本原理。研究了引入的SB K细胞和现有的BI细胞的组合，并使用BI-SB薄膜和具有不同组成的磁性膜制备层压结构。调整了膜形成条件，以控制10至20个SB含量为3D拓扑绝缘子，并在各种单晶体底物上形成BI-SB薄膜。从结构和电特性分析中，我们获得了一个BI-SB薄膜，该薄膜似乎足以诱导自旋轨道扭矩。当我们试图将金属磁性层堆叠在BI-SB薄膜上时，我们发现界面结构很明显，并且我们正在朝着磁绝缘子层和BI-SB层的层压结构的形成。另一方面，作为磁性拓扑绝缘子的应用，我们提出了一种FET型设备，该设备可以通过低功耗来实现磁化反转。已经揭示了低功耗磁性记忆可以通过通过门电压和通过源驱动器电场组合磁各向异性控制和自旋轨道扭矩来形成。对该元素的写入错误率的详细检查表明，与磁性隧道连接中已经讨论过的各向异性电压控制相比，错误率可以显着提高。它还揭示了磁各向异性电压控制可以预计将扩展到储层计算。