Study on superconducting spintronics memory elements and their application to programmable logic circuits

超导自旋电子学存储元件及其在可编程逻辑电路中的应用研究

基本信息

批准号：
22K04226
负责人：
赤池宏之
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Daido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04226/
关键词：
電子デバイス・機器超伝導デバイス磁性ジョセフソン接合

项目摘要

本研究では、メモリ素子の基本素子となる磁性ジョセフソン接合、特に、超伝導巨視的波動関数の電極間位相差が基底状態においてπとなるジョセフソンπ接合が重要となる。令和4年度は、この接合の磁性障壁層についてニッケル薄膜を中心に基礎的検討を行った。磁性材料を障壁層として応用する際、接合特性の制御が容易になることから磁気的特性が弱い方が望ましい。また、障壁層の数nmから十nm程度の膜厚制御の必要性から、成膜速度を小さくする必要がある。そこで、成膜速度と薄膜特性との関連性を調べた。その結果、成膜速度の減少に伴い、抵抗率が数倍程度増加することが分かった。さらに、磁気的特性を調査するための異常ホール効果の測定結果から、成膜速度の減少により、異方性磁界が大きく低減することが分かった。これらの特性変化は、ニッケル薄膜中の電子密度の変化に起因している可能性が示唆された。また、得られた実験データから、接合作製時に重要となる磁性体のコヒーレンス長を見積もった。一方、磁性ジョセフソン接合作製技術の検討として、作製プロセス高信頼化のため、陽極酸化プロセスを導入し、超伝導材料となるニオブなどの陽極酸化特性を評価した。その結果、陽極酸化速度などの基礎的データを得た。また、メモリ素子の設計においては、回路シミュレーションにより、磁性ジョセフソン接合に求められる接合特性についての基礎的検討を行った。メモリ素子の基本構造は、超伝導インダクタンスと一つの磁性ジョセフソン接合から成り、回路内では受動素子的に振る舞うことを想定しているものの、接合特性が回路の動特性に影響を与えることが分かった。

在这项研究中，我们关注磁性约瑟夫森结，它是存储器件的基本元件，特别是约瑟夫森π结，其中超导宏观波函数的电极间相位差在基态下为π。 2020财年，我们对该结的磁阻挡层进行了基础研究，重点是镍薄膜。当应用磁性材料作为势垒层时，优选较弱的磁性，因为它更容易控制结特性。另外，由于需要将阻挡层的膜厚控制在数纳米至10纳米左右，因此需要降低成膜速度。因此，我们研究了沉积速率和薄膜特性之间的关系。结果发现，随着成膜速度降低，电阻率增加数倍。此外，用于研究磁性能的反常霍尔效应的测量结果表明，通过降低沉积速率，各向异性磁场显着减小。有人认为这些性能变化可能是由于镍薄膜中电子密度的变化所致。此外，根据获得的实验数据，我们估计了磁性材料的相干长度，这在制作结时很重要。另一方面，作为磁性约瑟夫森结制造技术的研究，我们引入了阳极氧化工艺以提高制造工艺的可靠性，并评估了超导材料铌的阳极氧化性能。结果，获得了阳极氧化率等基本数据。此外，在设计存储器件时，我们通过电路模拟对磁性约瑟夫森结所需的结特性进行了基础研究。存储元件的基本结构由超导电感和磁性约瑟夫森结组成，虽然假设它的行为类似于电路中的无源元件，但已经发现结特性影响电路的动态特性。塔。