【別紙5】

スピントロニクス-量子センシング
技術を融合させた
超低消費電力不揮発性メモリ
量子科学技術研究開発機構量子ビーム科学部門
高崎量子応用研究所先端機能材料研究部
半導体照射効果研究
主幹研究員 山崎雄一
2021年7月13日

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背景
将来、あらゆる場所にセンサーが設置されるトリリオンセンサー社会が実現すると予測されている
配電が困難な場所はどうするか？

超低消費電力デバイス+環境発電が有力な解
超低消費電力デバイス：CPU、メモリなど

https://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/h16/html/G3802200.html

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従来技術とその問題点
従来の不揮発性メモリ
磁気抵抗メモリ(MRAM), 抵抗変化型メモリ(ReRAM), 強誘電体メモリ(FeRAM)など→電気駆動(電流書き込み・読み出し)
・電力消費が大きい
・電気配線で生じる信号遅延(高速化の障壁)
更なる低消費電力化、高速化が難しい

磁気抵抗メモリ
(MRAM)

電気駆動に変わる新原理が求められる3

新技術の特徴・従来技術との比較＜光による書き込み/読み出し＞
書き込み側→光磁化(=光駆動スピン変換)
読み出し側→量子センサー(光)による磁場検出

光磁性層
スピン欠陥層
光検出層

光4

新技術の特徴・従来技術との比較＜光による書き込み/読み出し＞
書き込み側→光磁化(=光駆動スピン変換)
読み出し側→量子センサー(光)による磁場検出
書き込みエネルギー/fJ
101

102
103

本提案デバイスSRAM
10 1 100 10
ns ns ps ps

書き込み10-3
速度100
STT103
MRAM
610
不揮発性
メモリ時間/s

従来技術(MRAM)

新技術

動作原理

スピン注入トルク
光-スピン相関トンネル磁気抵抗効果

速度～10ns/bit (WR)100ps/bit (W)1ns/bit (R)

1pJ/bit (WR)10fJ/bit (WR)

消費
電力

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新技術の特徴(書き込み側)
光磁化(=光駆動スピン変換)
従来技術=電流書き込み (MRAM)

新技術=光磁化

磁気記録層の材料制限が厳しい
磁気抵抗変化に適さない材料も使用可能
 強磁性体(高磁気抵抗比、面直磁化、  強磁性体小さい磁気異方性)

電流 反強磁性体
 磁性絶縁体

高度成長技術(界面制御等)が必要 単層で構成可能→作製容易

原子レベルの平坦性
多値化不可能(平行/反平行)

0/1

量子センサー

高感度磁気計測

多値化可能→メモリ容量増大可能…

…

0/1/2/3…
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新技術の特徴(読み出し側)
量子センサー(光)による磁場検出

(S=1)

1A

Ms=±1
Ms=0

637nm

(S=0)
1042nm

発光強度

3E

532nm

ダイヤモンド窒素-空孔
複合欠陥(NVセンター)

光検出磁気共鳴(ODMR)測定
磁場大
磁場小マイクロ波周波数

3A

(S=1)

2.87GHz

磁場で変化(電子のエネルギー準位→環境に非常に敏感)~f T/ Hz （理論）
磁場感度：0.9 pT/ Hz （実験）

超高感度↓
超微弱光(=超低エネルギー)
で検出可能
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超低消費電力施策(読み出し側)
励起レーザー
一括励起で1fJ/bit磁性層
スピン欠陥層
光検出層
ひとつのビット構成
磁性体
NVセンター
遮蔽壁(金属 etc)検出器

光子検出10000光子で0.2fJ/bit

マイクロ波照射
一括照射で1fJ/bit⇒レベルアンチクロッシングで0fJ/bit

光による一括読み出し(電気では不可能)→各セルへの微細配線不要、更なる低消費電力を可能に

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デモンストレーション(読み出し側)
発光強度分布像

平行磁化配置
反平行磁化配置

発光強度

NVセンターを含むダイヤモンド上への磁性体(パーマロイ)パターニング

ODMR測定結果

2840

2850

2860

2870

2880

2890

2900

発光強度比

10µm

(2870MHz/2850MHz)

マイクロ波周波数 (MHz)5%12345678

試行回数

一方の磁化を外部磁場で反転1mT以下の磁場変化を量子センサーで測定できることを確認
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想定される用途• 本技術の特長を活かして、光-電気変換インターフェースや光バッファメモリへの応用が期待される
エッジ
超低消費電力不揮発性メモリ

クラウド
フォトニックネットワーク

超低消費電力不揮発性メモリ＜クラウド＞
光電変換デバイス＜エッジ＞
本提案デバイス
車載小規模情報書き込み 101
処理デバイスエネルギー/fJ 2＜エッジ＞
10 SRAM
ウェアラブル
10 1 100 10103
ns ns ps psデバイス
書き込み10-3
速度100
STT不揮発性 103
MRAM
6
メモリ時間/s
1010

想定される用途• 個々の技術の適用先として、以下が考えられる
光磁化：記録装置(HDD、磁気テープ)
光アイソレーターなど記録装置(ヘッド、記録層)光アイソレーター

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想定される用途• 個々の技術の適用先として、以下が考えられる
量子センサー：磁場、温度、電界(歪み)の高精度、高空間分解能センサー＊センサー材料はダイヤモンド以外に炭化ケイ素(SiC),六方晶窒化ホウ素(hBN→2次元材料)がある

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想定される用途
細胞内温度計測

G. Kucsko et al.
Nature 500 54 (2013)

デバイス内電界強度測定

T. Iwasaki et al.
ACS Nano 11 1238 (2017)

温度、磁場分布可視化

Chen et al.
EPJ Quantum Technology 8
Article number: 8 (2021)

Q-LEAP量子計測・センシング/量子生命
光電流電池/パワーデバイスモニタリング
13実用化に向けた課題• 現在、量子センサーによる磁化読み出しについては予備実験済み。
• 今後、光による磁化制御について、材料も含めた最適手法の選定が必要である。
• 実用化に向けては、光磁化および量子センサーのアセンブリ最適化、更なる低消費電力化が求められる。

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企業への期待• 実用化に向けた諸課題解決のための共同研究、個々の技術(光磁化技術および量子センサー)の具体的な応用のご提案を希望いたします
光磁化量子センサー
ECR ionsource

欠陥作製→イオン、電子線照射
Ion
implanter

Tandemaccelerator

0.1keV
電子線加速器

超高真空SiO2
5 nm

Fe

共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡

AVF Cyclotron~500MeV
量子センサープロトタイプ

MoTe2
graphene
Al2O3
前駆体

カルコゲン 遷移金属

分子線エピタキシー マグネトロン 化学気相蒸着 分子線エピタキシー
スパッタリング
X線光電子分光
グラフェン
金属,絶縁材料等 ホイスラー合金等 窒化ホウ素

遷移金属
カルコゲナイド 組成・化学状態分析

電子線回折像

二次元物質ヘテロ構造を含む多層膜試料

2MeV

技術相談、材料提供・加工依頼など歓迎いたします15

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：光スピンデバイス、これを用いた情報保持装置、及び光スピンデバイスの動作方法• 出願番号 ：特願2020-165535• 出願人：量子科学技術研究開発機構、東北大学• 発明者：山崎雄一、増山雄太、境誠司、李松田、平山祥郎、大島武、新田淳作

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お問い合わせ先
量子科学技術研究開発機構
イノベーションセンターまでお願いいたします。
TEL 043－206－3146（共同研究）
043－206－3027（ライセンス）
FAX 043－206－4061
e-mail innov-prom1＠qst.go.jp（共同研究）
chizai＠qst.go.jp（ライセンス）17