国立先进产业科学技术研究所[院长：Ryoji Chubachi]（以下简称“AIST”）自旋电子学研究中心[研究中心主任：Shinji Yuasa] Kenji Iihama，日本学术振兴会研究员，Hitoshi Kubota，首席研究员，金属自旋电子学团队 Tomohiro Taniguchi，首席研究员，Kei Yakushiji 研究小组负责人认为，下一步通过使用铁基磁性材料作为布线材料，一代将能够实现高可靠性。非易失性磁存储器提出了一种新的记录技术，并通过实际制作元件演示了其原理。
近年来，AIST等一直在开发磁性材料异常霍尔效应的物理特性来减少非易失性磁存储器中的记录重写错误。这次，我们使用钴铁合金磁体材料作为布线材料、镍铁合金磁体材料作为记录层，制作了具有新结构的面内电流型磁存储元件，并演示了记录技术的原理。因此，采用廉价且常见的铁基材料进行布线自旋注入效率与铂等现有材料制成的接线一样高效，并且还表明它具有高度可靠性，可以减少重写记录时的错误。新开发的元件结构和记录技术有望实现结合高可靠性和节能功能的下一代非易失性磁存储器。
该结果的详细信息于2018年2月8日（英国时间）在线发表在《Nature Electronics》上。
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| 通过使电流通过磁铁的下部布线，可以重写位于上方的记录层中的信息 |
(左)本次制作的装置示意图
（右）根据该结果提出的非易失性磁存储器的示意图 |
在人工智能、物联网设备活跃的未来社会，IT设备的超低功耗将成为越来越重要的问题。例如，在移动IT设备中，CPU和内存消耗高达总功耗的30%至40%，这是需要频繁充电的因素。解决这个问题的一种方法是开发非易失性存储器。其中，使用磁性隧道结元件垂直电流型的非易失性磁存储器不仅具有非易失性，还具有高速、大容量、高重写耐用性等特点，作为新一代通用存储器而备受关注。
也是最近，如图1（左）面内电流类型磁存储器的研究也日趋活跃。该装置基于被称为记录层的磁体的磁化方向来存储信息，并且当重写信息时，电流通过记录层下方的由非磁性材料制成的布线以反转记录层的磁化。由于电流不直接穿过记录层，因此与垂直电流型相比，记录层受到电损坏的风险较小，并且由于写入和读取电路是分离的，因此更容易控制存储功能。由于这些特性，它被广泛期望应用于需要超低功耗和超越半导体存储器的超高容量存储器的物联网设备。
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| 图1（a）传统面内电流型器件与（b）此处提出的新结构的比较 |
自2004年发明带有氧化镁(MgO)隧道势垒层的高性能隧道磁阻元件以来，产业技术研究所将该元件定位为实现大容量垂直电流型非易失性磁存储器的核心技术，并一直在开发国内外领先的器件。与此同时，自2014年以来，我们一直与美国国家标准与技术研究所和法国国家科学研究中心合作开展面内电流型磁存储器的研究。我们从理论上提出，如果将部分下部布线替换为磁性材料，则可以更可靠地重写信息，从而显着提高记录可靠性（图1右）。然而，目前还没有关于验证这一理论的报道，即创建一种由磁性材料制成的布线的新结构元件，或证明记录技术的原理。
这次，AIST 使用磁性材料布线创建了面内电流型磁存储器，并致力于演示信息记录，作为上述原理的演示。在采用非磁性材料制成的导线的传统面内电流型磁存储器中，当将重写信息的自旋注入记录层时，自旋的方向固定在横向，因此磁化保持在横向，如图1（左）所示。为了准确地重写记录信息，磁化方向必须垂直于记录层平面（图中向上或向下）；如果在水平方向停止，将导致记录不完整（错误）。另一方面，在AIST等提出的使用磁体材料配线的面内电流型磁存储器中，当将用于重写信息的自旋注入记录层时，自旋的方向具有除横向以外的分量，因此记录层的磁化方向完全向上或向下，从而导致可靠的信息重写。这种非横向自旋方向是可能的，因为磁性材料具有称为反常霍尔效应的物理特性。这样，通过利用反常霍尔效应，可以消除由于自旋注入导致的不完整信息写入，这一直是传统面内电流磁存储器的弱点，并且可以提高可靠性。以上是AIST等人自2014年以来理论上提出的新技术的概述。
为了演示原理，我们创建了一个具有图 2（左）所示结构的元素。下布线的磁体材料使用钴铁合金，上磁体使用镍铁合金，其对应于磁存储器的记录层。还有 2 个磁铁磁耦合，我们创建了一个三层薄膜，其间夹有低电阻铜。当对薄膜施加外部磁场时，镍铁合金和钴铁合金的磁化指向该外部磁场的方向。当交流电流通过这种状态下的薄膜时，产生交变磁场，并且记录层(镍铁合金)的磁化强度开始跟随交变磁场振荡。然后磁阻效应，在元件的左端和右端之间出现直流电压信号。该电压信号与外部磁场的关系如图2（右）所示。特别是交流电的频率和外部磁场的大小共振现象满足时，电压信号增加。
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| 图2 本次制作的器件示意图（左）和电压信号示例（右） |
当直流电流通过布线（钴铁合金）同时施加交变磁场以使记录层（镍铁合金）振动时，自旋通过磁耦合分离层（铜）从布线注入到记录层。此时，随着记录层的磁化试图与注入自旋的方向对齐，磁化振荡的幅度发生变化。在观测数据上，可以获得电压信号宽度的变化，如图2（右）所示。由于该宽度变化反映了注入的自旋量，因此可以根据电压信号宽度的变化来评估自旋注入效率。这次，通过测量电压信号宽度、电流和外部磁场之间的关系获得从布线到记录层的自旋注入效率约为15%。这是与使用非磁性材料的传统元件相比的高效率。
尽管很难预测 AIST 及其同事在 2014 年提出的理论中的自旋注入效率，但这一原理证明首次表明，即使使用廉价且常见的铁基布线，利用反常霍尔效应的自旋注入也足够高效。
此外，在图2（右）中，电压信号宽度由于直流电流而增加，但是当直流电流以相反方向通过时，信号宽度变得更窄。这表明，如果直流电流的方向相反，则注入的自旋方向也相反；也就是说，在该装置中，磁化可以向上或向下反转。该特性对于磁存储器应用至关重要。
这次，我们使用钴铁合金磁体材料作为面内电流型磁存储器的布线制造了一种新器件，并利用反常霍尔效应演示了自旋注入。这种新器件显示出具有高自旋注入效率的信息写入性能，可与使用非磁性材料互连的传统面内电流型磁存储器相媲美。此外，这种采用磁性材料布线的新结构消除了重写信息的不完整性，这是传统非磁性材料布线的弱点，并且有可能通过减少错误来显着提高可靠性。从选择布线材料的角度来看，很明显廉价且普通的铁（在本例中为钴铁）可以提供高性能，预计这将对未来面内电流型磁存储器的材料策略产生重大影响。
未来，我们将继续研究磁化反转来演示写入操作。我们还将致力于优化器件结构和材料，以降低功耗。该公司还将致力于开发针对新应用的设备，例如高频振荡设备。