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東北大学ら、MRAMにおける“第3のスピン軌道トルク磁化反転方式”を開発

〜超高速と低電流を両立へ

従来の方式(左2つ)と新方式(右)の比較

 東北大学 電気通信研究所の大野英男教授、および電気通信研究所の深見俊輔准教授らは22日、スピン軌道トルク磁化反転の第3の方式の動作を実現し、新構造磁気メモリ素子の開発に成功したと発表した。

 近年、磁性体の磁化で情報を記憶する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)の実用化が始まっている。MRAMは高速動作が可能で書き換え回数に制限はなく、DRAMとは異なり電力を与えなくても記憶情報を保持できるため、システムの低消費電力化に役立つ。

 このMRAMの新たな書き込み方法としては、スピン・軌道相互作用に由来するトルクを用いる方法があり、研究が行なわれており、従来のMRAMより10倍程度速い速度で制御できる。しかしこれまで開発されてきたスピン軌道トルク磁化反転方式は、書き込み電流と磁化する向きが直交していたため、磁化反転に要する電流の絶対値が大きかったり、低速領域では小さな電流で良いものの高速領域で磁化反転に要する電流が著しく増大し、セル面積の低減が難しいなどの課題があった。

 今回研究グループは、電流と磁化する向きが並行する“第3の方式”を利用。シリコン基板上にnmスケールの素子を製作し、電流を導入する重金属チャネル層にはタンタル、磁化が反転する強磁性層にはコバルト鉄ボロン(CoFeB)合金を用いた。製作した素子の磁化反転特性を評価したところ、磁化反転に要した電流密度は10の11乗A/平方m台前半で実用上十分なレベル、なおかつ従来のMRAM素子より10倍高速な1nsecレベルの磁化反転を低電流で達成した。

 研究ではこれまでの2つの方式の素子も製作/評価し、新構造の特性と詳細に比較。その結果、スピン軌道トルク磁化反転を誘引するのに必要な電流密度のしきい値を決める因子についても、これまで知られていなかった知見を得られたという。

 新素子は、従来の低電流/高速動作の両立が難しかった問題を解決し、GHzクラスの超高速動作に向けた道が開けたという。また、新方式により、磁化反転の物理をより詳細に調べられるようになった。新素子は集積回路の消費電力を劇的に低減でき、IoT社会において重要な役割を果たすセンサー端末などにおいて優位性を発揮するだろうとしている。

 今回の研究は、内閣府 総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)の佐橋政司プログラム・マネージャーの研究開発プログラム、および文部科学省「未来社会実現のためのITC基盤技術の研究開発」の一環として行なわれたもので、文部科学省や科学技術振興機構との共同発表となっている。

(劉 尭)