発表のポイント

• 不揮発性磁気メモリの高密度化・省電力化が可能な新手法を開発
• 既存の磁化反転方法と比較し30％の低電流密度化を実現
• 大量生産に適用可能な積層構造を用いているため、IoT・AIなどに必要な高密度・省電力記録素子へ応用可能

概要

IoTやAIの普及により今後爆発的な情報量増加が見込まれる情報通信社会において、情報を高密度かつ省電力で記録できる不揮発性磁気メモリ^(※1)は必要不可欠となります。

東北大学大学院工学研究科・高等研究機構新領域創成部(FRiD)の好田誠 教授、新田淳作 名誉教授らは、韓国科学技術院（KAIST）のJeonchun Ryu研究員(東北大学大学院工学研究科博士課程修了／現Samsung Advanced Institute of Technology)、Byong-Guk Park教授、Kyung-Jin Lee教授と協力して、不揮発性磁気メモリの高密度化に必要不可欠な垂直磁化強磁性体に対して、外部磁場を必要とせずかつ低消費電力で磁化反転可能となる新たな手法を確立しました。スピントロニクスデバイスの大量生産に適した多結晶CoFeB/Ti/CoFeB構造で実現できるため、AI・IoTなど情報社会における高密度・省電力記録技術として期待されます。

本研究成果は4月7日付（英国時間）で英国の科学誌「Nature Electronics」でオンライン公開されました。

研究背景

スピン軌道トルク^(※2)は、電流を流すことでスピン流^(※3)を生み出し、強磁性体の磁化を操作できる（電気的磁化制御）ことからデバイス応用に適しています。特に高密度記録が期待できる垂直磁化強磁性体／非磁性体構造では、スピン流を生み出す起源としてスピンホール効果^(※4)が用いられてきました。

しかし生成されるスピン流の向きが一方向に限られるため原理的に磁化反転ができず、外部磁場を印加しなければならない実用上の大きな課題がありました。また強磁性体を含む多層構造では、特定の方向だけでなく、様々な方向にスピン流が生成されることが分かっていましたが、その全てを利用した磁化反転はなされてきませんでした。加えて、不揮発性磁気メモリの低消費電力化のためには、低電流密度での磁化スイッチングが不可欠です。

ところが従来のスピンホール効果を用いた方法では、現在実用化されているスピン移行トルク^(※5)による不揮発性磁気メモリに比べて、電流密度が1桁以上大きい問題が残されていました。不揮発性磁気メモリを広く普及させるためには低電流密度による無磁場磁化スイッチングを可能にする新たな手法が求められていました。

研究成果

本研究は、面内磁化した下部強磁性体／非磁性体／垂直磁化した上部強磁性体からなる三層構造において、下部強磁性体の磁化と上部強磁性体の磁化方向をずらすことで(図1(a))、全ての方向に生成されるスピン流の同時活用が可能となり、低電流密度かつ無磁場の磁化スイッチングを実現しました。特に下部強磁性体に用いたエピタキシャルコバルトは面内結晶磁気異方性^(※6)が大きいため、上部強磁性体の磁化との相対角度を自在に制御でき、様々な方向のスピン流を磁化反転に活用できます。同時に、磁化方向に依存するスピン流成分を明確に分離して同定することができるようになりました(図1(b))。

このような無磁場磁化スイッチング効率の向上は、現在、不揮発性磁気メモリの製造方法であるスパッタリング法により作製された多結晶CoFeB/Ti/CoFeB構造においても達成され(図2(a))、提案したアプローチがスピントロニクスデバイスの大量生産に適用可能であることを示しました。さらに、既存のスピン流を用いた磁化反転よりも30%の低電流密度化を実現しました(図2(b))。

この結果は、高密度・低消費電力不揮発性磁気メモリの重要なマイルストーンとなり、IoTやAIで利用される不揮発性磁気メモリの革新的省電力技術になると期待されます。

図1　新開発の積層構造と得られた信号
(a) 面内磁化した下部強磁性体／非磁性体／垂直磁化した上部強磁性体からなる不揮発性磁気メモリ構造
(b)面内磁場角度を変えて上部強磁性体と下部強磁性体の磁化角度を変化させたときのスピン軌道トルク信号。これまでのモデル(青点線)では説明できない大きな変化が観測され、新しいスピン流成分を考慮したモデルにより実験結果を説明できます(赤実線)。

図2　多結晶CoFeB/Ti/CoFeB構造で実施した実験データ
(a) 不揮発性磁気メモリの製造方法を用いて作製した多結晶CoFeB/Ti/CoFeB構造
(b)外部磁場を印加しない状態で強磁性体の磁化を反転させるのに必要な電流密度の磁化方向依存性。新しいスピン流を利用できる磁化角度では30％の低電流密度化が実証されました。