Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

スピントロニクス / ピエゾエレクトリック磁気抵抗素子 / 圧電体 / 不揮発性メモリ / MRAM / SmFe2 / 磁歪 / 偏光広域X線吸収微細構造 / 逆磁歪効果

ピエゾエレクトロニック磁気抵抗素子の記録層材料として垂直磁気方位製を有したアモルファスSmFe2層を実現し，その磁気異方性の起源を放射光測定で明らかにした．さらにピエゾエレクトリック磁気抵抗素子の磁気抵抗素子部分として，SmFe2を記録層に含む磁気抵抗素子の試作を行い，トンネル伝導による非線形電気伝導特性を確認したが，室温において磁気抵抗変化は観測できなかった．また，圧力印加構造の動作実験として，SmFe2円柱に圧電体とその上下に電極を設けた簡易デバイスを作成し，電圧の印加に伴う磁化特性の変化を検出した．

不揮発性メモリの本質的なトレードオフである情報書換のためのエネルギーと熱的安定性を打破するデバイスとしてピエゾエレクトリック磁気抵抗素子の開発に挑戦し，そのデバイス動作の一部を実証した．本研究成果は，コンピューターやInternet of Thingsなどに必要な超低消費電力メモリの開発に有効であった．

スピン / 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / スピン依存伝導 / 強磁性転移温度 / スピントロニクス / 磁気抵抗 / スピントランジスタ / 狭ギャップ半導体 / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / 半導体 / 強磁性 / ナノ構造 / トンネル接合 / FET / 量子井戸 / 転移温度 / スピンエレクトロニクス / 不揮発性メモリ

低消費電力・機能性デバイスに向けた強磁性/半導体融合系の創出とそのスピン物性の研究を行い、材料物性、機能実現、デバイスの各領域で大きな成果を得た。室温以上の高い強磁性転移温度をもつｐ型およびｎ型強磁性半導体(GaFeSb, InFeSb)の作製に成功した。非磁性半導体/強磁性半導体からなる二層ヘテロ構想を作製し、新しい電子伝導現象（大きな磁気抵抗効果）を発見、この構造をトランジスタに加工しゲート電圧によってInAs薄膜中の波動関数を変化させ、近接効果による磁気抵抗を大きく変調することにも成功するなど多くの新しい物性機能を明らかにすると共に、縦型および横型スピントランジスタを作製、動作実証した。

半導体材料あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を構成要素として取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン自由度」をも活用する新しい機能材料やデバイスをつくることに成功した。バンドエンジニアリングとスピン自由度を有する新しいデバイス構造：スピントランジスタを提案・解析・作製、その動作を実証した。これにより、スピントロニクスという新しい学術分野の研究をリードするとともに、従来の半導体デバイスや集積回路では持ち得なかった「不揮発性」低消費電力」「再構成可能性」「情報処理の柔軟性」の機能をもつ材料とデバイスを創製し、ポストスケーリング時代の新技術を創成する道を開いた。

スピントロニクス / 不揮発性メモリ / スピン注入磁化反転 / 磁性ランダムアクセスメモリ / 熱アシスト磁化反転

本年度は、熱アシスト効果を用いたMRAM書き込み方式の高速化を検討するため、高出力パルスYAGレーザを用いた記憶セルの高速加熱、及び熱拡散過程における磁化復元特性を詳しく調べた。記憶セルには、比較的強磁性秩序温度が低く垂直磁化特性を有するアモルフアスTbFe膜を用いた。従来のMRAMでは、基板内配線へのパルス電流印加により書込み磁界を発生させるが、配線のインダクタンス、および浮遊キャパシタにより、1ナノ秒以下の短パルス化が困難である。そこで、このような問題を解決する手段として、温度変化のみでMRAMセルの磁化を反転させる新たな書込み方式を提案し、その基本動作特性を計算機シミュレーションより調べた。以下、本研究で得られた知見を箇条書きにまとめる。
●ストロボスコピックな手法を用いて、パルス幅(50-50%)、パルス立ち上がり(10-90%)ともに1ナノ秒のパルスYAGレーザをTb-Feドット(50μm×50μm×20nm)に印加した際の磁化変化を異常ホール効果測定により調べた。その結果、レーザ照射によるMRAMセルの到達温度が高いほど熱拡散時間が長くなることが分かった。今回試作した素子では、レーザ強度の最適化により10ナノ秒オーダの熱アシスト書込みを実現できた。熱アシスト書込みのセル加熱温度は、キュリー温度場程度が最適である。
●T_cが低くハードな垂直磁化膜(TbFe)とT_cでソフトな面内磁化膜(CoFe)を交換結合させた複合膜記憶セルについて、セル温度をハード膜のT_c以上にパルス的に上昇させた後の磁化緩和過程を計算機シミュレーションにより調べた。その結果、垂直磁化膜の磁化を複合膜の面内交換等価磁界で歳差運動させることが可能であること、および加熱パルス時間によりハード層の磁化方向をスイッチングできることを見出した。この結果は、外部磁界を用いず、記憶セルの加熱のみによって磁化反転できることを示しており、熱アシスト書き込みの高速化を実現するための新たな手段として期待できる。
●困難軸方向のスピンを有するスピン電流を注入することによるプリセッショナル磁化反転に関してマイクロマグネティクス計算を行い、熱アシストによる書込み電流低減効果を定量的に評価した。

スピントロニクス / 不揮発性メモリ / 書き換え可能論理動作回路 / 磁性ランダムアクセスメモリ / 不揮発メモリ

記録情報の安定保持を担う記録層と低磁界での磁化反転を担う駆動層を、複数の磁性層により構成し、これらを磁気的に結合した機能分担型磁性不揮発メモリについて、材料探索、評価素子試作、動作実験、機能動作解析等の研究を総合的に行い、テラビット級高速磁性不揮発メモリの実現に資する以下の成果を得た。
1)記録層と駆動層の結合機構として、パターン端部磁極間静磁気結合と界面交換結合を利用する2方式についてシミュレーションによる比較検討を行った結果、駆動層から記録層へのトルク伝達性に優れた後者が、微小セルにおいても良好な機能分担特性を実現できることを明らかにした。
2)上層の機能動作用導体パターンをマスクとして下層の磁性多層膜細線をドライエッチングする自己整合型プロセスを開発し、最小パターン幅200nmのクロスポイント(CP)メモリ素子を試作した。素子の磁気抵抗測定より、静磁気結合に起因する特徴的な磁化反転特性を検証し、同結合が記録層の磁化反転磁界を著しく低減可能であることを明らかにした。
3)軟磁性CoFe層(駆動層)と硬磁性TbFe層(記録層)を交換結合させたメモリセルの基本動作実験を行い、導体パターンからのジュール加熱によるTbFe層の磁気異方性低減効果により磁化反転磁界が顕著に低減されることを実証した。また、高速動作評価として集束レーザビーム照射によるパルス熱励起を試み、同様の反転磁界低減効果を検証した。
4)マクロスケールモデルを導入した有限温度磁化過程解析プログラムを新たに開発して、熱アシスト磁化反転過程の詳細を明らかにし、効果的な機能分担機能を発現するための各層磁気特性、層構成、層間交換結合強度等に関する設計指針を確立した。また、100nmサイズの機能分担型垂直磁化記憶セルの設計及び動作シミュレーションを行い、実用的な情報安定性と低電力性を検証した。

【研究分担者】
能崎幸雄	九州大学	大学院・システム情報科学研究院	助手	(Kakenデータベース)