米乐m6官方网站【理事长中钵良二】（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野崎隆之研究小组带头人为东北大学电通信研究所辻川雅人助理教授、国立材料科学研究所大久保忠胜。我们与课题组组长、大阪大学 Shinji Miwa 副教授和明亮光子科学研究中心组长 Motohiro Suzuki 合作，开发了一种压控磁存储器（电压扭矩MRAM)并实现了高效的电压自旋控制。
通过施加电压，金属磁体薄膜的磁化趋于取向的方向（磁各向异性)电压旋转控制技术是非易失性固态磁存储器（MRAM)驱动功率的关键技术而受到关注。这次，我们开发了一种FeIr超薄膜磁体，它是在典型的磁体材料铁（Fe）中添加低浓度的铱（Ir）制成的，同时保持了实际使用所需的垂直磁各向异性。电压自旋控制效率其效率比传统方法高出约三倍。结果，首次实现了电压扭矩MRAM实际应用的性能目标。电压扭矩MRAM有可能比目前的方法显着降低写入所需的能量，是当前MRAM发展的主流，并且是一种无需待机功耗、驱动功率较低的新技术。非易失性存储器此成就的详细信息将于 2017 年 12 月 1 日（英国当地时间）公布NPG 亚洲材料（自然出版集团亚洲材料）。
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新开发的铁铱超薄膜磁体（红星）的特性及元件结构示意图
首次在垂直磁各向异性和电压自旋控制效率方面实现了实用化的性能目标。 |
在物联网和人工智能开启的下一代IT社会中，大数据的高速处理将至关重要，降低IT设备的功耗将成为日益重要的问题。例如，就移动IT设备而言，CPU和内存消耗的电量占总功耗的30%~40%，这也是需要频繁充电的因素之一。引入非易失性存储器是降低CPU和存储器功耗的有效途径。
磁隧道结 (MTJ) 元件隧道磁阻 (TMR) 效应读取信息然而，目前正在开发的MRAM使用电流写入信息，由于电流产生的热量而消耗电力。因此，它们的驱动功率比现有半导体存储器高几个数量级，这限制了它们的应用。另一方面，由于电压-扭矩MRAM利用电压写入信息，因此它有望成为低驱动功率的理想非易失性存储器。然而，提高电压自旋控制效率对其实际应用来说是一个挑战。
我们专注于使用电压的磁各向异性控制作为实现电压扭矩MRAM的基础技术。这是一种物理现象，当通过氧化镁（MgO）等电介质层向厚度超薄至约1纳米（百万分之一毫米）的金属磁体施加电压时，容易发生磁化的方向（磁各向异性）会发生变化。在本文中，使用该方法的磁化控制方法被称为电压自旋控制技术。迄今为止，AIST已经证明了利用电压自旋控制技术实现MTJ元件磁化反转控制的实现和稳定性（2017 年 7 月 12 日 AIST 新闻稿) 和物理起源的阐明 (2017 年 6 月 26 日 AIST 新闻稿), 通过电路模拟验证存储器操作(2016 年 12 月 5 日 AIST 新闻稿）已经证明了电压扭矩MRAM的有效性。为了将信息存储为磁化方向，磁化方向必须在室温下相对于热能保持稳定（热稳定性)，因此，元素越小，所需的磁各向异性越大。另一方面，由于需要消除该磁各向异性以反转磁化，因此需要提高电压自旋控制效率以增加电压扭矩MRAM的容量。实用容量的存储器需要300或更高的效率，但目前只有100左右，提高电压自旋控制效率一直是一个挑战。这次，我们致力于开发一种新材料，旨在提高控制效率。
这项研究是“创新研究和开发促进计划（ImPACT）”的研究和开发计划“实现无需充电即可长时间使用的终极生态IT设备”（计划负责人：Masashi Sahashi）的一部分。
图1（左）为本次制作的器件结构示意图。通过在顶部和底部电极之间施加电压，氧化镁 (MgO) 层下方的超薄膜磁体的磁各向异性会发生变化。迄今为止，一直使用的是典型的磁体材料铁钴（FeCo）合金，但这次我们开发了由FeIr合金制成的超薄膜磁体，其中铱（Ir）以5%至10%的低浓度分散在Fe中。膜厚约为1纳米。图1（右）是超薄FeIr薄膜磁体的电子显微镜图像示例，可以看到Ir（黄色箭头）随机分散在Fe内部。由于 Ir 的磁各向异性适度分散在 Fe 中，这种 FeIr 超薄膜磁体比纯 Fe/MgO 结强约 18 倍。垂直磁各向异性
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| 图1 本次使用的器件结构示意图（左）和FeIr超薄膜磁体的电子显微镜图像（右） |
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图2 FeIr超薄膜磁体的电压自旋控制观察示例（左）及其与传统磁体的特性比较（右）
这次（红星）我们首次实现了满足电压-扭矩MRAM（浅蓝色区域）实际应用目标的特性。 |
我们还使用金属磁体（Fe）作为上电极创建了 MTJ 元件结构，并尝试通过 TMR 效应评估电压自旋控制效率。图2（左）显示了垂直磁各向异性对电场强度的依赖性，该斜率代表了电压自旋控制的效率。在电压扭矩 MRAM 中，磁化反转是通过电压消除各向异性来控制的，因此确定电场可以减少多少各向异性非常重要。图 2（右）显示了迄今为止在 MTJ 元件结构中报道的具有高速响应的电压自旋控制的效率和垂直磁各向异性。浅蓝色区域是各种内存应用所需的规格值。传统铁钴（FeCo）基超薄膜磁体的电压自旋控制效率保持在100左右，但新开发的FeIr合金超薄膜磁体表现出三倍以上的效率（红星），首次达到电压扭矩MRAM的实际应用目标区域（浅蓝色区域）。
此外，理论分析表明，分散的 Ir 原子在提高这种 FeIr 合金的效率方面发挥着重要作用。 Ir 通常是一种非磁性材料，不具有磁性，但当它与 Fe 相邻时，就会呈现磁性。理论上预测，Ir等具有磁性的重元素或许能够实现高电压自旋控制效率，但另一方面，问题是当Ir原子彼此相邻放置时，垂直磁各向异性会降低。这次，我们发现将低浓度的Ir分散在铁基超薄膜中可以同时实现垂直磁各向异性和电压自旋控制效率。
除了开发新开发材料的量产技术外，我们还将继续开发新材料和结构，旨在进一步提高垂直磁各向异性和电压自旋控制效率，并致力于扩大可使用电压扭矩MRAM的存储器应用并将其开发为实际的存储器电路。