台湾のスピントロニクス研究者らが、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）技術において重要な発見をした。ナノメートル規模のプラチナ層を使ってMRAMの状態をより速く切り替える方法である。
スピントロニクスはナノスケールエレクトロニクスの発展分野であり、電子の電荷だけでなくスピンも利用して変化をもたらします。
磁気抵抗RAM（MRAM）は、磁気を利用してセルの抵抗状態を高から低へと変化させ、2進数の1または0を信号として出力します。MRAMは不揮発性で、DRAMとほぼ同等の速度を備えています。この技術により、DRAM、SRAM、NANDを単一チップ技術で置き換えることができる可能性があります。
サプライヤーは 10 年以上にわたって MRAM チップ技術を開発しており、その中には Avalanche、Crocus、EverSpin、Samsung、Spin Transfer Technologies などがあります。
MRAMセルは磁気トンネル接合効果を利用し、絶縁層またはトンネルバリア層によって分離された2つの磁性層を備えています。一方の磁性層は高い保磁力を持ち、もう一方の磁性層はN極とS極の間で反転します。2つの磁性層が同じ極性を持つ場合、セル全体のトンネル磁気抵抗は逆極性を持つ場合よりも低くなり、「1」の信号となります。
クロッカスMRAM図
鍵となるのは、可変磁性層の極性をできるだけ高速かつ効率的に切り替えることです。データの書き込みは可変磁性層の磁性を切り替えることを意味し、通常はセルの読み取りよりも多くの電力を消費します。
スピン注入トルク磁気RAM（STT-MRAM）は、電子の2つの異なるスピン方向のいずれかを用いて、可変磁性層の極性（磁区を「トルク」する）を少ない電力で切り替えます。ただし、高速スイッチングには、低速スイッチングよりも高い書き込み電流が必要です。
台湾の国立清華大学（NTHU）を拠点とし、Chih-Huang Lai教授とHsiu-Hau Lin教授が率いる研究チームは、セル内の2つの磁性層の下にわずか数ナノメートルの厚さのプラチナ層を追加し、スイッチングプロセスをより適切に操作した。
そこに送られた電気は、電子の流れとともにスピン流自体に作用し、結合した磁性多層膜の交換バイアスを操作します。研究者たちは交換バイアスを、「反強磁性層が強磁性層を『固定』する磁性多層膜で発生する現象」と簡潔に説明しました。
主著者は台北タイムズに対し、チームの研究はスピン流を交換バイアスの操作に使用した初めての事例であると語った。
彼らの研究は、「スピン軌道トルクによる交換バイアスの操作」と題された論文として『ネイチャー マテリアルズ』に掲載されました。
論文では、「交換バイアスはスピントロニクスデバイスに不可欠な要素です。本論文では、スピン流から生成されるスピン軌道トルクが、次世代磁気ランダムアクセスメモリの強磁性磁化を切り替える有望な手法であることを示しています。この手法は、交換バイアスの制御にも活用できます。」と説明されています。
Pt/Co/IrMn三層膜に電流パルスを印加すると、強磁性磁化と交換バイアスが同時にスイッチングされますが、そのメカニズムは異なります。これは、強磁性磁化と交換バイアスを独立して操作できることを意味します。
研究者らは、次のように重要なことを付け加えている。「我々の研究は、強磁性体/反強磁性体ヘテロ構造におけるスピン軌道トルクが異なる磁気特性の独立した操作を容易にし、将来のスピントロニクスデバイスの革新的な設計を促進することを実証している。」
この技術が製品化されるまでには少なくとも4～5年かかります。®
