次々世代高性能磁気デバイスの低消費電力稼働化のための新規方式および新規材料
秋田大学 大学院理工学研究科
物質科学専攻 材料理工学コース
吉村 哲（大学院理工学研究科 附属革新材料研究センター長）

磁性細線メモリ <IBM提案（2008）の次々世代記録デバイス> の特長と問題点
特長
記録媒体：貴金属フリー（安価な材料）の磁性ナノワイヤー（耐衝撃性）⇒ 情報不揮発性⇒ ３次元記録（超大容量：100 Tbit以上）
記録ビット（磁区）の移動：スピン注入方式⇒ モーターフリー（低消費電力稼働）

問題点
書込み方式：HDDと同じ電流磁界（高い消費電力記録）（困難な書込み）
記録素子：HDDと同様の磁気記録ヘッド（複雑構造な記録素子）（素子の多数配置）

コイルと鉄心からなる
HDD用磁気記録ヘッド

現状、HDD用磁気記録ヘッドを用いた書込みの検証、磁区移動の機能検証およびそのメカニズムの議論、が活発に行われているが、デバイス形成には至っていない。

材料 強磁性・強誘電薄膜を用いた新記録方式による問題解決の提案（高消費電力・困難な書込み・複雑素子の多数配置）(Bi,A)(Fe,B)O3 菱面晶ﾍﾟﾛﾌﾞｽｶｲﾄ構造 ・室温で強誘電性を示す（Tc = 850 ℃）
反強磁性
電荷＋・[111]に自発分極を持つ（P = 100 μC/cm2）s

強磁性(フェリ)・BiやFeの特定元素置換で室温強磁性を示す
Bi3+ , Ba2+ , Sr2+ ,La3+ , Gd3+ , Nd3+
O2-－

磁気特性

誘電特性

Fe3+ , Mn2+ , Co2+
D. H. Wang, et al.,Appl. Phys. Lett., 88, 212907 (2006)(Bi,Ba)FeO3

単相型の強磁性・強誘電薄膜を用いた電圧印加のみで完全磁化反転の模式図Top electrode

Ferro-mag. ＆ Ferro-elec.
M P
Bottom electrodeTop electrode

M P
Ferro-mag. ＆ Ferro-elec.
Bottom electrode・書込み時の電流は小 ≪低消費電力≫ ・強電界の印加が可能 ≪容易な書込み≫
・記録素子構造が単純 ≪低製造コスト≫ ・貴金属を使わない ≪低製造コスト≫

構想１ 電界駆動型の低消費電力な磁性細線メモリ【大容量、低電力稼働･記録、容易な書込、低コスト（材料・製造）、耐衝撃、を全て満たす】

Magnetic nano-wireElectrode

Electrode( for bit motion )磁気 N N N
転写

M＋＋＋Insulator

PM

電界印加－－－ 磁化反転
SSS

Multiferroic film

Electrode( for reading )Electrode( for writing )×

Magnetic
Tunnel Junction

特許第6573374号 (R1.8.23)

磁気記録ヘッドのような複雑な構造を有する数百ナノメートルスケールのコイルと鉄心からなる磁界印加機構（ロスの大きい電流磁界の印加）は不要

書込み： １．書込み電極間に電界を印加して強磁性・強誘電薄膜を磁化させる。
２．強磁性・強誘電薄膜の磁化がワイヤー状磁性薄膜に磁気転写されることで、記録ビットを形成する。

強磁性・強誘電薄膜を適切に配置・使用することで、書込み電力を飛躍的に低減
記録素子構造を劇的に簡略現在提案されている立体映像表示用の空間光変調素子の問題点

空間光変調素子
上部透明電極磁化自由層
超極薄絶縁層

磁化固定層

電流

下部電極

各画素の磁化方向（上･下）により反射光強度を制御「スピン偏極電流」による
磁気Kerr効果の変調

大画面化・高精細化には多数の画素が必要⇒ 多数の画素に電流を流すことになるので稼働電力が莫大になる

構想２ 電界駆動型の低消費電力な空間光変調素子【大画面、高精細、低電力稼働、低コスト（材料・製造）、を満たす】

通常型
上部透明電極上部透明電極
磁化自由層

強磁性
強誘電 層

超極薄絶縁層

磁化固定層

磁気転写型

電流

上部透明電極
電圧

下部電極

下部電極

強磁性・強誘電薄膜を用いた電界駆動型空間光変調素子
特許第6741452号,6741453号

通常型(R2.7.29)

磁気光学増強層

強磁性
強誘電 層
下部電極

電圧

磁気転写型
（磁気Kerr効果の大きい金属磁性層を積層）

目的
次々世代高性能磁気デバイスの超低消費電力稼働化に向け、大きな飽和磁化,垂直磁気異方性・大きな磁気Kerr効果を持つ強磁性・強誘電体薄膜材料の探索および作製、そしてその薄膜を用いた「電界印加磁化反転」および「電界印加磁気転写」のデモンストレーションを行う。

NNNM
＋＋＋
P
－－－
SSS

上部透明電極上部透明電極
強磁性
強誘電 層
下部電極

電圧

磁気光学増強層

強磁性
強誘電 層
下部電極

電圧

実験装置

超高真空対応スパッタリングシステム（エイコー社製）(秋田大学 地方創生センター２号館（共通機器登録）)

成膜中の薄膜へのVHFプラズマ照射機構と２元同時スパッタリング機構を導入時に特別に追加

装置改良 酸化物薄膜の高品位化（結晶化促進）のために～設置位置～⇒ レーザーアシスト加熱機構（パスカル社製）の追加設置～到達温度～
放射温度計 （℃）

877 ℃ (7 W )予想温度（℃）
ランプヒーター＋レーザー

y = 0.5117x + 31.072

ランプヒーターのみ

基板付近拡大図

熱電対（℃）

電力(W)

予想処理温度(℃)

06953779480858166858

7877

877 ℃（7 W）成膜では薄膜からBi蒸発装置改良 酸化物薄膜の高品位化（結晶化促進）のために⇒ 成膜用のパルスDC電源（アルバック社製）の追加設置

薄膜作製装置の模式図

40.68 MHzIn-situ anneal: max 650 ℃

作製したい薄膜の結晶構造＜複雑＞

Pt(111)10 - 20 rpm

Bi1-xBaxFeO3(001)

Substrate
70 - 120 mm

P-DCTarget

パルスDC電源

13.56 MHz

Ba0.4
Ba0.3

B.P.
: 2 x 10-7 Pa

ＲＦBa0.4Ba0.3

反応性パルスDCスパッタリング成膜のコンセプト
353637382 (degree)

39

高エネルギーの薄膜原料粒子をパルス的に供給（粒子の表面拡散を促進）
反転電圧パルスによる帯電除去とアークの防止40実験結果 反応性パルスDCスパッタリング法で作製した(Bi1-xBax)FeO3薄膜の特性

Japanese Journal of Applied Physics, Vol.57, p.0902B7 (2018)

80 薄膜面垂直方向
400-40Ms : 90 emu/cm3
Hc : 2.0 kOe-80-20 -15 -10 -505 10 15 20

H (kOe)0.2

薄膜面垂直方向0.1
0-0.1-0.2-300

-150

0150

E (kV/cm)300

パルスDCスパッタリング成膜の条件を最適化することでRFスパッタリング成膜の場合に比較して、1.5倍の飽和磁化が得られた。
⇒ 磁気デバイスへの応用できる可能性有り！

反応性パルスDCスパッタリング法で作製した(Bi,La)(Fe,Co)O3 薄膜の特性
Scientific Reports, Vol.11, p.11118 (2021)

80

Out-of-planeOut-of-plane

400In-plane-40

In-plane-80-20 -15 -10 -50

5 10 15 20

H (kOe)

0.6
0.4
0.2

0.4

0.5

0.6La/(Bi+La)0.7(Bi0.5La0.5)(Fe0.7Co0.3)O3薄膜において垂直磁気異方性が得られた。
⇒ 磁性細線メモリへの応用に有用！

0-0.2-0.4-0.6-200-1000100E (kV/cm)200

反応性パルスDCスパッタリング法で作製した(Bi,La)(Fe,Co)O3 薄膜の特性
10050

2.01.00.50

Out of plane00.0-50-0.50kλ = 700 - 750 nm

h k (x 50)

In-plane-100-20-1001020H (kOe)

1.0-1.0-20-10k0.001020H (kOe)h k (x 50)(Bi,La)(Fe,Co)O3 200 nm-1.0200

300

400

500

600

700800900 1000

Wave length (nm)(Bi0.5La0.5)(Fe1-yCoy)O3薄膜において、Feに対するCo置換量を増大させることにより一般的な金属強磁性薄膜では得られない非常に大きな磁気Kerr効果が得られた。
⇒ 空間光変調素子への応用に有用！

(Bi,La)(Fe,Co)O3薄膜における局所（数百nm）電界印加磁化反転の検証
500 nm 幅での電界書込み
Topo.

MFM imageTopo. EFM image (-1V)

最小書込み幅の検討
500 nm -> 400 nm -> 300 nm -> 200 nm -> 100 nm＋ ＋－－Topo.

MFM image

N N

200400nm
nm
100 300nm
nm

500nm

Electric-writing（-10V）
Cross section of electric writing

metal coated tip

書込み幅を変化－ 10 V(Bi,La)(Fe,Co)O3Bottom electrode
Substrate

300 nm幅程度までの電界印加において設定通りの磁区の書込みが実現（想定されるビット・画素幅：100 nm程度）

(Bi,La)(Fe,Co)O3 / [Co/Pd]4 積層膜における電界印加磁気転写の検証
Nanotechnology, Vol.34, p.465703 (2023)

電界書込み前の[Co/Pd]ドットは多磁区・消磁状態

電界書込み

電界書込み後の[Co/Pd]ドットは黒い部分（S極）が減った

NNNM＋＋＋P－－－SSS

下向きに磁化していた部分の75％程度が上向きに反転 （電界印加磁気転写）

まとめ○ 次々世代磁気デバイスとして広く認識されている・ 超大容量の磁性細線メモリ
・ 立体映像表示用の空間光変調素子について、超低消費電力稼働化するための、強磁性･強誘電薄膜を用いた新規な電界駆動方式を提案した。
○ 上記の磁気デバイスの実現に向けた強磁性･強誘電薄膜において、・ 新しい反応性パルスDCスパッタリングでの高品位な薄膜作製による飽和磁化の大きな改善
・ 置換元素種およびそれらの置換量の最適化による、これまで実現されたことがない垂直磁気異方性および巨大な磁気Kerr効果の導出を実現した。
○ 上記の強磁性･強誘電薄膜において、・ 単層膜における電界印加磁化反転・ 強磁性薄膜との積層膜における電界印加磁気転写のデモンストレーションに成功した。