米乐m6官方网站[所长：中钵良二]（以下简称“AIST”）自旋电子学研究中心[研究中心主任：汤浅真司]电压自旋电子学团队研究员盐田阳一已经证明了使用电压进行磁存储器写入的稳定操作，这是实际使用所必需的写入错误率已得到澄清。
具有非常薄的金属磁体层（记录层）磁性隧道结器件（MTJ器件）在纳秒量级的极短时间内，磁化反转利用它，可以将信息写入磁存储器。这次，我们演示了这种电压写入方法的稳定运行，并开发了一种评估写入错误率的方法，将错误率降低到4×10-3此外，使用可以重现实验结果的计算机模拟，磁摩擦常数减少和耐热干扰性Δ改进或编写后验证所需的内存使用量为 10-10～10-15的错误率（下图（b））。由于电压写入方法不需要电流，因此功耗极低。这一成果的结果是，超低功耗电压写入型非易失性存储器「电压扭矩MRAM'' 研究和开发预计将加速。
该结果的详细信息于 2015 年 12 月 10 日发表在日本科学期刊上应用物理快车网络突发新闻版
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| (a)这次使用的磁隧道结(MTJ)元件的示意图和(b)写入错误率对热干扰电阻的依赖性 |
| (a) 当施加极短时间的电压脉冲时，记录层的磁化（红色箭头）反转。 (b)磁摩擦常数001、耐热干扰性50以上、写入错误率10-15 |
降低IT设备的能耗，即所谓的绿色IT，是实现环保生态社会最重要的问题之一。一种方法是开发非易失性电子设备。自旋电子学零待机功耗非易失性存储器领域，利用磁化的非易失性记录功能。MRAM'' 正在开发中。当前写入型MRAM（STT-MRAM)预计是一种低功耗的非易失性存储器，但由于写入电流仍然存在功耗，因此降低功耗是有限度的。
另一方面，使用大约纳秒的电压脉冲的磁化反转具有以下特征：1）由于原则上不需要电流，所以超低功耗；2）大约纳秒的高速操作；3）高耐用性；4）能够在室温下操作。电压扭矩MRAM是一种电压写入磁存储器，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。
AIST 与大阪大学工程科学研究生院的 Yoshishige Suzuki 教授等人合作，开发了一种通过向厚度为几个原子层的金属磁体薄膜施加电压来控制磁化倾向发生的方向（磁各向异性）的技术。AIST 2012 年 5 月 1 日新闻稿ETC。）。使用该技术的电压扭矩MRAM的实际应用要求写入错误率为10-10～10-15然而，迄今为止，还没有对电压写入方法的写入错误率进行评估，并且不知道是否可以作为存储器进行稳定操作。
在AIST，这次可以用于千兆级大容量内存垂直磁化型我们致力于评估 MTJ 器件使用纳秒电压脉冲写入的错误率。另外，10-10～10-15为了实现以下写入错误率，我们研究了演示实验和计算机模拟。
这项研究和开发是内阁府“创新研究和开发促进计划（ImPACT）”研究开发计划“实现无需充电即可长时间使用的终极生态IT设备”的一部分（计划负责人：佐桥正史），并得到了日本学术振兴会科学研究补助金（项目编号：26886017）的部分支持。
图1为电压写入方式示意图。当不施加电压时，磁化强度方向为低磁能方向，并且稳定向上（图 1 中的左侧，对应于存储器的“0”状态）或向下（图 1 中的右侧：对应于存储器的“1”状态）。当在这里施加超高速电压脉冲时，磁各向异性瞬间发生变化，记录层的磁化强度开始旋转（图1中心）。如果恰好在磁化方向与初始状态相反时关闭电压，旋转将停止，磁化方向将固定在相反方向，并且存储器将被写入。
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图1电压脉冲磁化反转示意图
当施加电压脉冲时，磁化旋转，当电压关闭时，磁化反转发生。 |
这次使用的装置为直径120纳米的圆筒形，使用由18纳米铁硼合金制成的磁性层作为记录层，并通过绝缘氧化镁层施加电压。根据施加电压后元件电阻的变化来判断磁化反转的成功或失败，并通过写入100,000次来评估写入错误率。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）之间的关系。星号表示写入错误率最小的电压施加时间。这次使用的磁化反转技术利用磁化的旋转运动，因此当施加电压恰好达到磁化旋转半圈所需的时间时，磁化有效地反转，星号对应于该时间。实验中4×10-3已实现。请注意，该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。
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| 图2 写入错误率对电压施加时间的依赖性 |
10-3即使写入错误率为10左右，如果多次执行写入后验证，也足以将内存投入实际使用。-10～10-15可以实现作为存储器的稳定操作。但验证会降低写入速度，所以如果想要超高速操作内存，就需要使用验证10-10～10-15的写入错误率图 3 显示了为研究这是否可行而进行的计算机模拟的结果。这是耐热干扰性Δ写入错误率的结果。在这个演示实验中，4×10-3得到，即Δ= 26，与磁摩擦常数=01的模拟结果吻合较好。进一步降低磁摩擦系数（001以下）和抗热干扰能力Δ提高 (50+) 至 10-15认为可以实现以下写入错误率。注意，具有这样的磁摩擦系数和耐热干扰性的MTJ元件可以通过使用具有更稳定的垂直磁化的记录层材料以及进一步小型化元件尺寸来完全实现。通过这种方式，我们获得了实现实际使用所需的写入错误率的指南，有望显着加速超功耗电压扭矩MRAM的研发。
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| 图3 写入错误率的热干扰电阻Δ依赖项 |
未来，基于这次获得的指导方针，我们将实现低磁摩擦常数和高热干扰性Δ垂直磁化MTJ元件并提高电压写入的准确性，旨在在不使用验证的情况下达到实用水平的写入错误率。