日本国立先进产业技术研究院（AIST）自旋电子学研究中心（主任：Shinji Yuasa）电压自旋电子学团队Yoichi Shiota（研究员）（所长：Shinji Yuasa；所长：Ryoji Chubachi）演示了使用电压的磁存储器写入的稳定操作，阐明了实现实际应用所需的写入错误率的方法。

通过将仅纳秒的极短电压脉冲施加到具有非常薄的铁磁金属层（记录层）的磁隧道结（MTJ），可以诱发磁化反转。使用这种技术，信息可以写入磁存储器。 ​AIST通过该电压写入证明了稳定的操作，并开发了写入错误率评估方法，评估错误率为4×10^-3。此外，通过使用可以重现实验结果的计算机模拟，AIST 表明错误率的可能性为 10^-10至 10^-15对于存储器应用来说是必需的，可以通过降低磁阻尼常数并提高热稳定系数Δ或通过写入后执行验证来实现（下图（b））。电压写入方式不需要电流，因此功耗极低。这一成果有望加速超低功耗电压写入非易失性存储器“电压扭矩MRAM”的研发。

详细结果发表在日本科学杂志的初步网络版上，应用物理快车2015 年 12 月 10 日。

(a)新使用的磁隧道结(MTJ)元件的示意图和(b)写入错误率的热稳定性因数依赖性 (a) 施加非常短的电压脉冲会反转记录层的磁化（红色箭头）。 (b) 预计写入错误率将低于10-15磁阻尼常数为 001，热稳定性系数至少为 50。

降低IT设备的功耗，实现所谓的“绿色IT”，是实现环境友好型社会的关键挑战。实现这一目标的一种方法是开发非易失性电子设备。在自旋电子学领域，利用磁化的非易失性记录功能，正在开发零待机功耗的非易失性存储器“MRAM”。目前，全球正在产品开发中的MRAM电流写入系统（STT-MRAM）承载着低功耗非易失性存储器的期望，但由于电流写入的功耗，其功耗的降低是有限的。

另一方面，由纳秒量级的电压脉冲引起的磁化反转具有以下特点：1）超低功耗，因为原则上不需要电流；2）纳秒量级的高速操作；3）高写入耐久性；4）能够在室温下操作。采用电压写入方式的磁存储器“电压扭矩MRAM”目前仍处于基础研究阶段，但未来有望成为比STT-MRAM功耗更低的非易失性存储器。

与大阪大学工程科学研究生院的 Yoshishige Suzuki 教授合作，AIST 致力于开发通过向仅有几个原子层厚的金属磁性薄膜施加电压来控制磁各向异性或磁矩的技术（如 5 月 1 日所述）^st，2012 AIST 新闻稿）。采用该技术的电压扭矩MRAM的实际应用要求写入错误率不超过10^-10至 10^-15。但目前还没有评估电压写入方式的写入错误率的例子，也不知道是否有作为存储器稳定运行的潜力。

在这个项目中，AIST通过向可用于千兆位级大容量存储器的垂直磁化MTJ施加纳秒电压脉冲来评估写入错误率。此外，AIST还进行了实验演示和计算机模拟，以实现写入错误率低于10^-10至 10^-15.

这项研究和开发是作为内阁府“通过颠覆性技术推动范式变革计划（ImPACT）”研究和开发计划“实现无需长时间充电即可使用的终极环保IT设备”的一部分进行的（计划经理：Seiji Sahashi），并以研究活动启动援助的形式获得了一些帮助（问题编号：26886017），日本科学研究振兴会的科学研究补助金。

电压写入方法示意图如图1所示。不施加电压时，磁化方向为磁能较低的方向，稳定向上（图1左：对应存储器“0”状态）或向下（图1右：对应存储器“1”状态）。在此施加超快电压脉冲会瞬间改变磁性层，并且记录的磁化强度开始旋转（图 1 中心）。当磁化强度转向其初始状态的相反方向时，通过准确地关闭电压来执行存储器的写入。通过关闭电压来停止磁化的旋转，并将磁化固定在相反的方向。

图1：电压脉冲磁化反转示意图 施加电压脉冲时磁化旋转。当磁化反转时关闭电压会导致磁反转。

本研究中使用的元件是直径 120 nm 的圆柱体。使用18nm的铁硼合金磁性层作为记录层，并通过MgO绝缘层施加电压。磁化反转的成功或失败是根据施加电压后元件电阻的变化来确定的，并在每100,000次写入后评估写入错误率。图2显示了写入错误率和电压施加时间（施加电压脉冲的时间跨度）之间的关系。星号表示写入错误率最低的电压施加时间。由于本次采用的磁化反转技术利用了磁化的旋转运动，因此在磁化旋转一半的时间施加电压时，磁化有效反转，因此星号标记对应于该时间。 4×10的写入错误率相对较低^-3通过实验实现。这些实验结果与假设磁摩擦常数为 01 的计算机模拟结果非常吻合。

图2：写入错误率与电压施加时间的关系

即使写入错误率在10左右，存储器也能稳定运行^-3，写入错误率为 10^-10至 10^-15实际使用所必需的，写入后经过几次验证即可实现。然而，写入速度会因验证而降低。因此，写入错误率为10^-10至 10^-15无需使用验证即可超高速操作内存。研究这是否可行的计算机模拟结果如图3所示。通过计算机模拟计算了热稳定因子Δ的写入错误率(WER)。写入错误率为4×10^-3，这与Δ等于26、磁阻尼常数等于01时的仿真结果非常吻合。实现写入错误率小于10^-15也许可以通过降低磁阻尼常数（低于001）并提高热稳定系数Δ（超过50）来实现。如果使用具有更稳定的垂直磁化的记录层材料并且元件尺寸进一步小型化，具有这样的磁阻尼常数和热稳定因子的MTJ元件当然是可行的。这样，就获得了实现实际应用所需的写入错误率的指导方针。该指南将加速超低功耗电压扭矩MRAM的研发。

图 3：写入错误率与热稳定因子 Δ 的关系

基于通过这项研究获得的指导方针，AIST将开发具有低磁阻尼常数和高热稳定因子Δ的垂直磁化MTJ元件，并提高电压写入的精度，旨在实现无需验证的实际应用级写入错误率。