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

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。

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。