2013年12月10日
小野輝男 化学研究所教授らのグループは、大野英男 東北大学省エネルギー?スピントロニクス集積化システムセンター長（同大学電気通信研究所教授、原子分子材料科学高等研究機構主任研究者、国際集積エレクトロニクス研究開発センター教授）のグループとの共同研究により、スピントロニクス論理集積回路への適用が期待されている磁壁移動メモリ素子の試作?評価を行い、当素子が非常に優れた微細化特性（スケーラビリティ）と高速?低消費電力性能を有していることを明らかにしました。
本研究成果は、2013年12月9日から11日まで米国ワシントンDCで開催される半導体デバイス技術の国際学会「2013 IEEE International Electron Devices Meeting」において、9日に発表しました。
背景と课题
小さくすれば性能が上がる－この原理のもとで半导体论理集积回路は数十年に渡って目覚ましい発展を遂げてきました。しかし现在、「これ以上小さくしても性能が上がらない」あるいは「これ以上小さく作れない」という新たな局面を迎えつつあります。これらの诸问题は主に、现在の半导体论理集积回路が电子の持つ电気的性质に立脚していることに起因しています。このような中、注目されているのがスピントロニクス论理集积回路です。スピントロニクス论理集积回路においては、半导体论理集积回路が筑き上げてきた优れた特性は継承しながら、待机电力と动作安定性の问题が顕在化しつつある记忆机能に関しては、电子の持つ磁気的性质（スピン）を活用した不挥発性スピントロニクス素子で置き换えます。これによってこれまで通りの「小さくすることで性能を上げる」というスキームを継続でき、同时にスピントロニクス素子の持つ情报保持に电力が不要な不挥発性という特长によって消费电力を剧的に低减することができます。
3端子型磁壁移动メモリ素子はスピントロニクス素子の一形态ですが、高速?高信頼动作が可能なことから、従来の论理集积回路においてSRAMが担っていたようなキャッシュメモリやロジック周辺の一时记忆回路への适用が期待されています。これまでに线幅100苍尘程度の磁壁移动素子において、良好な动作や高い信頼性が确认されていました。
半导体论理集积回路の回路パターンの微细化は年々进行しており、现在は32～16苍尘程度が研究开発の最前线となっています。したがって、スピントロニクス素子を最先端および次世代の半导体集积回路に适用するためには、良好な特性を维持しながらこのような微细なサイズにまで素子を缩小できること（スケーラビリティ）が求められますが、磁壁移动素子については今までのところ、このような観点での研究は十分にはなされていませんでした。
研究手法と成果
今回、本研究グループは、さまざまな线幅の磁壁移动素子を作製し、磁壁移动特性や磁壁の热安定性およびその素子サイズ依存性を评価しました。そして、これまでの报告を遥かに下回る线幅20苍尘の素子において、良好な动作を确认しました。またデバイス特性の素子サイズ依存性の评価から、当素子が以下に示すような非常に优れたスケーラビリティを有していることを明らかにしました。
- 情报の书き换えに要する电流は微细化に伴いほぼ线形に减少する。
- 情报の书き换えに要する时间も微细化に伴いほぼ线形に减少する。
- 情报保持特性（热安定性）は素子のサイズに関わらず十分な値を维持できる。
- 书き换え误动作确率についても素子のサイズに関わらず极めて低い値に抑えられる。
得られた実験结果をもとに、情报の书き换えの际に1ビットの磁壁移动素子で消费されるエネルギーを见积もったところ、线幅が20苍尘の素子では1.8蹿闯（フェムトジュール）という値が得られました。これは、过去に报告されていたスピントロニクス素子での书き换えエネルギーの最小値（90蹿闯）の50分の1であり、厂搁础惭の1ビットのセルの书き换えエネルギーと同等に小さい値です。このことから、磁壁移动素子は待机时の消费电力だけでなく、动作时の消费电力という観点でも非常に有望な技术であることが分かりました。
研究成果の意义
今回得られた成果は二つの意义を有しています。その一つ目は、磁壁移动メモリ素子が最先端、および次世代の半导体论理集积回路との亲和性に优れた技术であるという点です。すなわち磁壁移动メモリ素子を混载したスピントロニクス论理集积回路では、「小さくすれば性能が上がる」という半导体回路の特长を引き続き享受することができます。二つ目は、微细世代における书き换え消费电力が数蹿闯と従来の半导体回路技术并みに小さいという点です。これは磁壁移动メモリ素子を混载したスピントロニクス论理集积回路が多くのアプリケーションに展开できる汎用性の高い技术であることを意味しています。
本成果は、内阁府「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」）、および文部科学省「次世代滨罢基盘构筑のための研究开発」（题名：「耐灾害性に优れた安心?安全社会のためのスピントロニクス材料?デバイス基盘技术の研究开発」）の支援により得られたものです。
- 日本経済新聞（12月10日 16面）および日刊工業新聞（12月27日 13面）に掲載されました。