成果報告書詳細
管理番号20110000001399
タイトル平成18年度~平成22年度成果報告書 スピントロニクス不揮発性機能技術プロジェクト(1)
公開日2011/12/13
報告書年度2006 - 2010
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P06016
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約強磁性体を用いたスピントロニクス技術は,強磁性体に固有の不揮発性機能を電子デバイスや光デバイスに付与することにより,情報通信機器の低消費電力化を担う種々の不揮発性機能デバイスを生み出していくポテンシャルを有し,将来のエレクトロニクスの中核的な基盤技術としてとして期待される.本研究開発では,スピンとキャリアの相互作用を利用して不揮発性機能デバイスを実現するための下記の基盤技術の開発を行った.
(1)低電力磁化反転TMR素子技術:本項目は現在メインメモリに使用されているDRAMを置き換えることのできる高速大容量の不揮発性メモリであるスピンRAMの実用化に資することであった.その成否は高性能TMR素子技術の開発にあった.本研究開発を開始した2006年時点では,実用的なTMR素子としては産総研が開発したCoFeB/MgO/CoFeB構造のTMR素子が唯一のものであった.しかし,このCoFeB系のTMR素子は,面内方向の磁化を持つ磁気異方性が弱い素子であるため,メモリ容量を向上させるためにTMR素子を微細化していくと簡単に情報が失われるという,メモリ応用にとっては致命的な欠陥を抱えていた.そのため,本研究開発では,磁気異方性が高い垂直磁化の新材料を用いる新しいTMR素子を開発することとした.しかしながら,2006年の時点では,CoFeB/MgO/CoFeB以外のTMR素子で情報読み出しのための高いTMR比や,情報書き込みのための低い書き込み電流が実現できるかどうかは全く不明であった.本研究開発では,平成21年度の内閣府革新的技術推進費の応援も得て,この困難な課題の解決に成功した.最終年度までに,垂直磁化TMR素子において,200%以上の高いTMR比と,1 MA/cm2以下の低い書き込み電流密度を実現した.これによりメモリ容量1 Gbit以上で動作速度30 ns以下というDRAMを置換可能なスピンRAM技術が世界で初めて確立された.この技術を用いたスピンRAMが,そう遠くない時期に市場に投入されることを確信している.
(2) 不揮発性スピン光機能素子設計技術:本項目は,光導波路中に埋め込まれた強磁性金属ナノ構造と光との相互作用を利用する新動作原理による不揮発性機能光素子の基盤技術の開発を行った.強磁性金属ナノ構造の磁化方向を20 dB以上のSN比で読み出す技術,450 fs間隔の高速光スピン列による選択的スピン生成技術など不揮発性光素子の可能性を示す高度な成果を得ることができた.
(3) スピン能動素子設計技術:本項目では,強磁性金属ナノ構造を用いた新しい動作原理による電力増幅機能を実現するための基盤技術の開発を行っている大阪大学に高性能強磁性薄膜を供給した.その結果,室温においてファンアウト5.7という画期的な性能を持つスピン能動素子の開発に成功した.
これらの開発項目の中でも特に(1)スピンRAMは世界的にも開発競争が激しい素子であるため,その開発には最大限の人的・資金的資源を投入した.その結果,上記のように世界の競争相手を圧倒するオリジナルかつ実用的な垂直磁化TMR素子の開発に成功した.また,(2)不揮発性スピン光機能素子と(3)スピン能動素子設計技術の開発に当たっては,素子の実現可能性を示すことを目指した開発を行い,世界に誇るオリジナルで高度な成果を得ることができた.以上のことから,本研究開発は当初の予想を大幅に上回る高い成果を得ることに成功したと結論することができる.
英文要約Title: Spintronics nonvolatile devices project (FY2006-FY2010) Final Report
Spintronics technology ferromagnetic materials has a potential to create novel nonvolatile functional devices that can reduce the power consumption of IT appliances, and therefore, is expected to be a core technology for future electronics. In this project, we have developed basic technologies for non-volatile devices based on the interaction between charge and spin of electrons, as described below.
(1)Magnetic tunnel junction (MTJ) technology for low power magnetization reversal: Goal of the research is to develop the basic technologies that enable the commercialization of high-speed and high-density non-volatile memory, Spin-RAM. The key for this was high-performance MTJ technology. In 2006, when this project started, the standard MTJ structure for practical applications was the CoFeB/MgO/CoFeB, which was developed by AIST. The CoFeB-based MTJs have, however, weak magnetic anisotropy and are magnetized in plane. Because of the weak magnetic anisotropy, it was impossible to attain a long retention with nano-sized MTJ cells, which is a fatal defect for high-density memory applications. To solve this issue, we used novel perpendicular magnetic materials for the electrodes. In addition to large perpendicular magnetic anisotropy, we also tried to achieve high magnetoresistance (MR) ratio and small write current density simultaneously. With a support of Kakushin Gijutsu Suishinhi from the Cabinet Office in 2009, we have solved all the difficult issues. By the last fiscal year of the 5 year project, we have achieved the MR ratio over 200%, writing current density smaller than MA/cm2 in thermally stable perpendicularly magnetized MTJs. By using the perpendicular MTJs, we demonstrated the high density that corresponds to > 1 Gbit capacity and operation speed faster than 30 ns. This performance makes it possible for Spin-RAM to replace DRAM. High-density Spin-RAM based on the technologies developed in this project is expected to be commercialized in near future.
(2)Design of nonvolatile spin optical devices: We have developed basic technologies for nonvolatile optical device based on interaction between photon and electron spin in nano-scale ferromagnet embedded in optical waveguide. We developed a technology to read out the spin memory of the nano-magnet with the S/N ratio of above 20 dB and also demonstrated the possibility of non-volatile optical memory that is driven by high-speed optical pulse at an interval of 450 fs.
(3)Design of active spin devices: In collaboration with Osaka University, we have developed novel spintronic devised based on nano-scale ferromagnet, which have power amplification capability. AIST was in charge of the fabrication of ferromagnetic multilayer films that were supplied to Osaka University. Through this joint research, we developed active spintronic devices that showed fan-out of 5.7 at room temperature.
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