強磁性半導体p-n接合における巨大な磁気抵抗効果に関する研究成果がJournal of Applied Physics誌に掲載されました。

Nguyen Thanh Tu, Tomohiro Otsuka, Yuto Arakawa, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, and Pham Nam Hai, “Spin transport in fully ferromagnetic p–n junctions”, Journal of Applied Physics, 131, 013902 (2022).

本研究では、p-型(Ga,Fe)Sb/n-型(In,Fe)Sb或いはn-型(In,Fe)Asの鉄系強磁性半導体のp-n接合 を作製し、そのスピン依存伝導特性を評価したところ、スピンバルブ効果による負の磁気抵抗効果およびスピン分裂効果による正の磁気抵抗効果を観測した。特に、p-型(Ga,Fe)Sb/n-型(In,Fe)Asの接合では、500%を超える巨大な磁気抵抗効果が実現できた。本研究では、半導体の最も基本的なデバイスであるp-n接合において、巨大な磁気抵抗効果を実現することで、今後の半導体デバイスにおけるスピン機能の導入が期待できる。

図(a)強磁性半導体p-n接合の構造と(b)メージャーループ(上)とマイナーループ(下)における巨大な磁気抵抗効果

博士課程の白倉君の磁気熱電効果を取り入れたスピン軌道トルクの精密な測定手法の提案と実証に関する研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。また、優れた論文に贈られるEditor’sPickに選出されました。

Takanori Shirokura and Pham Nam Hai, “Angle resolved second harmonic technique for precise evaluation of spin orbit torque in strong perpendicular magnetic anisotropy systems”, Applied Physics Letters 119, 222402 (2021).

今回の研究では、様々な磁気熱電効果を取り入れることでスピン軌道トルクを正確に評価できる方法を開発しました。スピン軌道トルクはスピンホール効果を用いて、磁性体の磁化反転を行う方法です。スピン軌道トルクは従来の方法よりも低消費電力で磁化を制御可能であるため、次世代不揮発メモリの一種である磁気抵抗メモリやマイク口波発振器など、様々なスピントロニクスデバイスヘの応用が期待されています。
低消費電力なデバイスを開発するためにはスピン軌道材料のスピン軌道トルクを正確に評価することが重要ですが、スピン軌道トルクの評価によく使用されている二次高調波法は測定時に発生した様々な磁気熱電効果の影響を受けるという欠点があり、この事実もあまり知られていませんでした。
今回の研究では理論的及び実験的にこの欠点を指摘し、磁気熱電効果を含むより一般化された角度分解二次高調波法を開発することで、より高精度なスピン軌道トルクの評価を可能にしました。本研究により、スピン軌道トルクを用いたデバイス開発及びスピン軌道材料開発が加速されることが期待されます。

熱流と磁場あるいは磁化の存在によって、起雷力が発生できる磁気熱電効果

米国UCLA大学との共同研究成果がNature Commnucations誌に掲載されました。

Hao Wu, Aitian Chen, Peng Zhang, Haoran He, John Nance, Chenyang Guo, Julian Sasaki, Takanori Shirokura, Pham Nam Hai, Bin Fang, Seyed Armin Razavi, Kin Wong, Yan Wen, Yinchang Ma, Guoqiang Yu, Gregory P. Carman, Xiufeng Han, Xixiang Zhang & Kang L. Wang, “Magnetic memory driven by topological insulators”, Nature Communications 12, 6251 (2021). 

本研究では、トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合を集積したスピン軌道トルク磁気抵抗メモリ（SOT-MRAM）素子の作製と、比較的高いトンネル磁気抵抗効果による読み出しおよびトポロジカル絶縁体による低電流密度の書き込みの実証に成功した。
SOT-MRAMは、スピンホール効果による純スピン流を用いて、高速で書き込みができる次世代の不揮発メモリ技術である。書き込み電流と電力を下げるためには、スピンホール効果が強いトポロジカル絶縁体を用いることが有望であるが、トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合との集積技術はこれまで確立されていなかった。今回の研究では、トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合を集積できることを示し、読み出しと書き込みの原理動作の実証に成功した。本研究成果により、産業界を巻き込んだ超低消費電力SOT-MRAMの研究開発が加速されると期待できる。

図１（a）トポロジカル絶縁体とCoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル接合（MTJ）をを集積した3端子SOT-MRAM素子の模型と（b）実際の素子の写真。（c）スパッタリング法のみで作製したBiSb-MTJ素子におけるトンネル磁気抵抗効果。（d）スピン軌道トルクによる書き込みの実証。

プレスリリース：トポロジカル絶縁体と磁気トンネル接合を集積した次世代不揮発性メモリー ＳＯＴ－ＭＲＡＭの実証に成功～超低消費電力ＳＯＴ－ＭＲＡＭの実用化へ加速～

米国Western Digital社との共同研究成果がIEEE Transactions on Magnetics (Early Access)に掲載されました。

J. Sasaki, H. H. Huy, N. H. D. Khang, P. N. Hai, Q. Le, B. York, X. Liu, S. Le, C. Hwang, M. Ho, H. Takano, “Improvement of the effective spin Hall angle by inserting an interfacial layer in sputtered BiSb topological insulator (bottom)/ferromagnet with in-plane magnetization”, IEEE Transactions on Magnetics 58, 3200404 (2022), doi: 10.1109/TMAG.2021.3115169.

今回の成果では、BiSbと磁性体界面にRuを挿入することで、スピンホール効果によるスピン注入効率が向上したことを報告しています。

Si基板上のトポロジカル絶縁体BiSbによる超低電流磁化反転に成功した研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。

Tuo Fan, Nguyen Huynh Duy Khang, Takanori Shirokura, Ho Hoang Huy, Pham Nam Hai, “Low power spin–orbit torque switching in sputtered BiSb topological insulator/perpendicularly magnetized CoPt/MgO multilayers on oxidized Si substrate”, Appl. Phys. Lett. 119, 082403 (2021).

トポロジカル絶縁体は高いスピンホール効果を示し、次世代SOT-MRAMのスピン流源として注目されていますが、今までは主にIII-V族半導体やサファイア基板など、単結晶基板の上にエピタキシャル製膜したBiSb膜しか性能評価されませんでした。今回にデバイス応用に適する酸化Si基板の上にスパッタリング法で製膜したMgO (10nm) / Pt(0.8nm) / Co(0.6nm) / Pt(0.8nm) / BiSb (10nm)構造において、比較的に高いスピンホール角（2.4)と電気伝導率(1.0 x 10⁵ Ohm^-1m^-1)のBiSb膜を用いて、高い垂直磁気異方性(4.5 kOe)の磁性膜の磁化反転に成功しました。本成果はBiSbトポロジ絶縁体が実用的なスピン流材料であることを実証しました。

アモルファス合金YPtのスピンホール効果の起源を解明した研究成果がApplied Physics Express誌に掲載されました。

Takanori Shirokura, Kou Fujiwara and Pham Nam Hai, “Spin Hall effect in amorphous YPt alloy”, Appl. Phys. Express 14, 043002 (2021).

スピンホール効果は一般に散乱によって生じる外因性スピンホール効果とバンド構造のベリー位相による内因性スピンホール効果がありますが、原子レベルの規則性が無いアモルファス合金におけるスピンホール効果の起源は今までよく理解されていませんでした。本研究では、アモルファス合金YPtにおいて、世界で初めてアモルファス合金でもベリー位相による内因性スピンホール効果が存在しえることを明らかにしました。また、YPtはアモルファス状にもかかわらず、スピン拡張がPt合金よりも3倍が長いことが分かった。

東京大学と他の国際機関との共同研究で、ｎ型強磁性半導体(In,Fe)Asの光電子分光に関する研究成果がPhysical Review B誌に掲載されました。

Masaki Kobayashi, Le Duc Anh, Jan Minár, Walayat Khan, Stephan Borek, Pham Nam Hai, Yoshihisa Harada, Thorsten Schmitt, Masaharu Oshima, Atsushi Fujimori, Masaaki Tanaka, Vladimir N. Strocov, “Minority-spin impurity band in n-type (In,Fe)As: A materials perspective for ferromagnetic semiconductors”, Phys. Rev. B 103, 115111 (2021).

本研究により、ｎ型強磁性半導体(In,Fe)Asのバンド構造を明らかにしました。特に電子が予測通りに伝導帯に滞在し、またバンドギャップ中にFeの不純物バンドも観測されました。

スピン軌道トルクを用いた面内磁化反転の新しい検出方法の提案と実証に関する研究成果がApplied Physics Letters誌に掲載されました。
Nguyen Huynh Duy Khang, Pham Nam Hai, “Spin–orbit torque as a method for field-free detection of in-plane magnetization switching”, Appl. Phys. Lett. 117, 252402 (2020).

垂直磁化の単膜磁性体の磁化反転の検出は異常ホール効果が用いられています。しかし、面内磁化膜の場合、反転の検出方法がありませんでした。そこで、磁化反転の後に、面内に磁場を印加して、プレナーホール効果を測定する方法がありますが、磁場印加が必要でした（米国ウェステンデジタル社が提案した方法）。本研究では、面内磁化反転の後に、スピン軌道トルクを用いて、磁化を少し傾けることで、外部磁場印加をしなくても、磁化反転を検出できる方法を提案し、実際に磁化反転の検出を実証しました。本方法は磁気抵抗メモリや磁壁駆動磁性細線メモリの研究開発に応用できると期待できます。

日本原子力研究開発機構、東京大学、京都産業大学との共同研究で、強磁性半導体物質GaMnAsの磁化機構を解明した研究成果がJournal of Applied Physics誌の注文論文として掲載されました。

Yukiharu Takeda, Shinobu Ohya, Pham Nam Hai, Masaki Kobayashi, Yuji Saitoh, Hiroshi Yamagami, Masaaki Tanaka, and Atsushi Fujimori, “Direct observation of the magnetic ordering process in the ferromagnetic semiconductor Ga_1-xMn_xAs via soft x-ray magnetic circular dichroism”, Journal of Applied Physics 128, 213902 (2020).

GaMnAsは最初に合成された強磁性半導体でありながら、その磁化機構が長い間に論争になっています。特に、磁化が空間的に均一としたZener p-d交換モデルが信じられてきました。今回の研究では、X線磁気円二色法を用いて、高温から温度を下げながら、磁化過程を測定しました。その結果、キュリー温度以上の高い温度領域から局所的に超常磁性領域が出現し、キュリー温度温度以下でグローバルな磁化が出現したという非均一な磁化過程を明らかにした。従って、GaMnAs中のMn原子が均一に分布しても、磁化が決して均一ではないことが分かります。

トポロジカル絶縁体におけるスピンホール効果のレビュー論文がJournal of the Magnetics Society of Japanに掲載されました。

Pham Nam Hai, “Spin Hall Effect in Topological Insulators”, J. Magn. Soc. Jpn. 44, 137-144 (2020).