2012年6月11日
京都大学は、东北大学省エネルギー?スピントロニクス集积化システムセンターおよび电気通信研究所の大野英男教授のグループと日本电気株式会社（狈贰颁）との产学连携研究により、3端子型スピントロニクス素子の开発を行い、世界で初めて既存の半导体技术と同レベルの高信頼性を実証することに成功しました。本开発ではナノメートルサイズの磁石材料の构成を最适化することにより、
- 十分な动作安定性と耐久性
- 温度や磁场などの使用环境に対する优れた耐性
- 车载応用などで想定される150度の高温において10年间のデータ保持特性が実现されること
を确认しました。
デジタル机器の头脳であるシステム尝厂滨では、现在待机时の消费电力の増大が深刻化しています。今回得られた成果は、开発した技术が既存システムの信頼性や利便性を损なうことなく、新たに待机电力ゼロという価値を提供できることを示しており、実用化に向けた开発が加速されることが期待されます。
背景
システム尝厂滨はこれまでパソコン、携帯电话などのデジタル机器が高性能化する上で主要な役割を果たしてきました。しかし、この先の高性能化に向けては大きな壁が立ちはだかっており、その最たるものが待机时の消费电力の増大です。昨今この问题を解决する手段として、スピントロニクス技术に注目が集まっています。既存のシステム尝厂滨を构成する半导体记忆回路では电源をオフにすると记忆データを消失してしまう（挥発性）のに対して、スピントロニクス素子では磁石の性质を情报の记忆に利用することで情报を保持するための电力が不要（不挥発性）となり、待机时の消费电力をゼロにすることが可能です。このスピントロニクス素子には2端子型と3端子型があります。3端子型は书込みと読出しが独立な端子间で行われるため比较的高速のメモリや高速论理回路の不挥発素子に适しています。
また、微细な磁石そのものに电流を流すことで磁石の狈极と厂极を反転させられる现象「电流诱起磁壁移动」が起こり、スピントロニクス分野の新技術として注目を集めています。この电流诱起磁壁移动は上述の3端子型のスピントロニクス素子との相性がよく、またスケーラビリティーに優れることから最先端のLSI世代への適用が可能です。これまでの研究開発では、电流诱起磁壁移动を利用した3端子型スピントロニクス素子でメモリデバイスとしての基本動作が実証されていました。
図1：电流诱起磁壁移动の概念図。磁壁を貫通する方向に電流を流すことで、伝導電子の流れる方向に磁壁が移動します。ナノメートルサイズの磁?の極性を操る方法として注目されています。
図2：3端子型スピントロニクス素子の模式図。書き込みと読み出しの電流経路が異なるため高速かつ高信頼な動作が実現されます。図1の电流诱起磁壁移动はこのデータ記憶層への書き込み方式に用いられます。
研究课题
スピントロニクス素子は上述のとおり既存の半导体技术にはない待机电力ゼロという新たな価値を提供できます。しかし、実际に既存のシステム尝厂滨の市场で使用されるためには、既存技术が有している信頼性や利便性を损なわないことも必要です。具体的には、
- 1. 既存の半導体素子では動作の安定性（エラーレート）や素子の耐久性が10年間の使用に耐えうるものとなっていますが、同様の性質はスピントロニクス素子でも求められます。
また、
- 2. 既存の半導体素子が使用される様々な温度や磁界環境において、スピントロニクス素子も動作することが求められます。
その上で、
- 3. 10年間のデータ保持、すなわち不揮発性という既存のシステムには無い新たな価値
が実証されれば、いよいよスピントロニクス素子の実用化が现実味を帯びてきます。
研究手法と成果
今回、本学、東北大学、NECの研究グループは、电流诱起磁壁移动素子において情報の記憶を担うコバルトとニッケルからなるナノメートルサイズの磁石薄膜の構成を詳細に検討しました。そして開発した磁石薄膜から加工した素子において、以下に述べるように既存の半導体技術と同等レベルの特性を維持しながら、同時にスピントロニクス素子独自の新たな不揮発性という価値を提供できることが実証されました。
まず
- 1. 試作した3端子素子が必要とされる動作安定性や耐久性を有していること
が确认されました。次に
- 2. －200～150度の温度範囲、および±50エルステッド以下の磁场范囲で评価环境を変えても书込み特性が変动しないこと
を确认しました。加えて、
- 3. 試作した3端子素子が150度において10年間のデータ保持特性を有していること
を确认しました。この150度は車載応用等LSI製品に要求される最大動作温度です。これらの3つの要件が同時に満たされたのは世界でも初めてのことです。なお、これらの特性は実際に集積回路上に試作したプロトタイプチップにおいても確認されました。
図3：集积回路上に试作した素子に対して?った繰り返し书き込み?読み出し试験の结果。动作安定性と耐久性のいずれも良好な特性が得られました。
研究成果の意义
本研究で明らかにした3端子素子の高信頼性能は、误り订正などの回路システムの负担を軽减するものであり、いよいよスピントロニクス论理集积回路の実用化の道が开けました。
本成果は、内阁府の最先端研究开発支援プログラム（题名：「省エネルギー?スピントロニクス论理集积回路の研究开発」、中心研究者：东北大学 大野英男教授）によって得られたものです。
用语解説
高速论理回路の不挥発素子
尝厂滨において情报処理を司る论理回路には一时的に情报を记忆する回路が连结されており、代表的なものにフリップフロップがあります。この记忆回路が不挥発化されれば、高频度で电源のオンオフを切り替えることが可能になり、その结果として圧倒的な低消费电力化が可能となります。
电流诱起磁壁移动
磁石のもつ磁気的性質は電子のもつ磁気モーメントに由来しています。磁石の内部をミクロに見ると、この磁気モーメントの方向が揃った領域があり、これを磁区と言います。また異なる方向の磁気モーメントを有する磁区と磁区の境界領域を磁壁と言います。电流诱起磁壁移动とは、この磁壁を貫通する方向に電流を導入したとき、磁壁が電流と逆方向（電子の方向）に移動する現象のことです。1978年にL. Bergerによって理論的に予言され、2004年に小野輝男 化学研究所教授や大野英男 東北大学教授の研究グループによって単一の磁壁の电流诱起磁壁移动が世界で初めて実験的に示されました。
スケーラビリティー
デバイスのサイズを低减したときに、それに伴って特性が向上する性质のことです。尝厂滨技术ではこのスケーラビリティーの高さからこれまで数十年にわたってその性能を飞跃的に高めてきましたが、现在その物理的な限界が见え始めています。
エルステッド（Oersted、記号： Oe）
磁场の强さの単位の一つで、1摆翱别闭は1摆别尘耻／肠尘闭の磁极から1摆肠尘闭离れた位置での磁场の强さ、または半径1摆肠尘闭の1巻きの円形の闭回路に1／2π摆础闭の电流が流れている时に、闭回路の中央に生じる磁场の强さと定义されます。地磁気のつくる磁场は0.5摆翱别闭程度です。
本件连络先
京都大学化学研究所
ナノスピントロニクス領域 准教授 千葉 大地 （Chiba Daichi）
- 日刊工業新聞（6月12日 23面）および日本経済新聞（6月12日 14面）に掲載されました。