[論文レビュー] Room-temperature perpendicular magnetization switching through giant spin-orbit torque from sputtered BixSe(1-x) topological insulator material

Mahendra DC, Mahdi Jamali+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 52被引用数 152

ひとこと要約

室温で、溶射された BixSe(1-x) トポロジカル絶縁体による非常に大きなスピン軌道トルクにより駆動される垂直磁化スイッチングを実証し、二層系で記録的なスピン・ホール角と低いスイッチング電流を達成する。

ABSTRACT

The spin-orbit torque (SOT) arising from materials with large spin-orbit coupling promises a path for ultra-low power and fast magnetic-based storage and computational devices. We investigated the SOT from magnetron-sputtered BixSe(1-x) thin films in BixSe(1-x)/CoFeB heterostructures by using a dc planar Hall method. Remarkably, the spin Hall angle (SHA) was found to be as large as 18.83, which is the largest ever reported at room temperature (RT). Moreover, switching of a perpendicular CoFeB multilayer using SOT from the BixSe(1-x) has been observed with the lowest-ever switching current density reported in a bilayer system: 2.3 * 105 A/cm2 at RT. The giant SHA, smooth surface, ease of growth of the films on silicon substrate, successful growth and switching of a perpendicular CoFeB multilayer on BixSe(1-x) film opens a path for use of BixSe(1-x) topological insulator (TI) material as a spin-current generator in SOT-based memory and logic devices.

研究の動機と目的

• 超低電力で高速な磁気記憶と論理を実現するために、大きなスピン軌道結合を持つ材料の利用を動機づける。
• BixSe(1-x)/CoFeBヘテロ構造におけるスピン軌道トルクの効率とスイッチング挙動を定量化する。
• TIベースのバイレイヤー系における室温の垂直磁化スイッチングを実証する。

提案手法

• マグネトロンスパッタリング法で薄膜の BixSe(1-x) を作製し、シリコン基上に BixSe(1-x)/CoFeB ヘテロ構造を形成する。
• 直流平面ホール法を用いてスピン軌道トルクを測定する。
• 平面ホールデータからスピン・ホール角を抽出する。
• 室温でSOTによって誘起される垂直 CoFeB 多層のスイッチングを実証する。
• 二層系の既知ベンチマークとスイッチング電流密度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶射された BixSe(1-x) におけるスピン・ホール角の大きさはどれくらいで、室温での挙動はどうなるのか？
• RQ2 RTでのCoFeB多層に対して、BixSe(1-x)由来のSOTは信頼性の高い垂直磁化スイッチングを誘発できるか？
• RQ3 この TI/フェロ磁性体二層系で達成可能な最小のスイッチング電流密度はいくらか？
• RQ4 これらの薄膜はデバイス集積のためのシリコン基上で滑らかな表面と拡張可能な成長性を示すか？

主な発見

• 室温で最大 18.83 のスピン・ホール角を示し、このクラスの材料として室温での報告値の中で最大である。
• BixSe(1-x) 由来の SOT によって室温で垂直 CoFeB 多層のスイッチングを実証。
• 二層系で報告された史上最小のスイッチング電流密度：2.3 × 10^5 A/cm^2 を室温で達成。
• シリコン基上での成長が容易で、表面が滑らかな巨大SOTを実現しており、メモリ/論理デバイス向けのTIベーススピン電流生成を可能にする。