磁性材料におけるスピン変換の機構を解明―省電力型の次世代不揮発性磁気メモリー開発に道：産業技術総合研究所
(2021年10月29日発表)
（国）産業技術総合研究所は10月29日、磁性材料で電流がスピンの流れに変換されるメカニズムを解明し、スピン変換効率の大幅な向上を実現したと発表した。超高速動作と省電力性を両立する次世代素子「スピン軌道トルク型不揮発性磁気メモリー」の実現に道を開く成果という。
今後の社会でますます重要となるビッグデータ解析の普及では、IT機器の飛躍的な省電力化が欠かせない。解決策の一つとして、磁気トンネル接合素子（MTJ素子）を用いた待機電力を必要としない不揮発性磁気メモリー（MRAM）が注目され、MTJ素子に直接電流を流して情報の書き込みと読み出しを行う「電流書き込み型MRAM」がすでに実用化されている。
その先を見据えた次世代型のMRAMの研究開発で、候補の一つとして浮上しているのが「スピン軌道トルク型MRAM」と呼ばれるメモリー。
スピン軌道トルク型MRAMは、MTJ素子に隣接した配線層に電流を流し、電流からのスピン変換により生成されたスピン流を用いてMTJ素子の磁石の向きを反転させて情報を書き込む。読み出しはMTJ素子に微少な電流を流して行う。
電流書き込み型MRAMに比べて高速動作と高い信頼性を両立しやすいという利点があり、超高速メモリーとしての応用が期待されている。ただ、その実現には垂直磁化MTJ素子の書き込みに適した新規のスピン変換技術の開発が求められている。
研究グループは、配線層に磁性材料を用いることとし、それに適したスピン変換の可能性に注目、新規スピン変換開発を目指して機構の解明に取り組んだ。研究ではまず磁性材料におけるスピン変換を高精度に検出できる素子を作製、スピン変換効率の系統的調査を行った。
その結果、磁性材料の界面および内部から生じる2つの異なるスピン変換機構が存在することを突き止め、界面の磁性材料を制御することによりスピン変換効率を大幅に向上できる方法を見出した。実験ではスピン変換効率が約3倍向上したという。
今後は変換効率のさらなる向上を目指して新規の磁性材料の開発などを進めたいとしている。
