研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

野﨑 隆行

産業技術総合研究所 スピントロニクス研究センター
研究チーム長電圧によるスピンの高効率制御技術の開拓
低消費電力で駆動する不揮発性磁気メモリの実現に向けて研究の背景層程度まで超薄膜化した鉄（Fe）などの強ある。MRAMにおいては、強磁性層/酸磁性層に誘電層を介して電圧を印加する化マグネシウム（MgO）層/強磁性層のサInternet of Things（ IoT）、人工知能と、磁気異方性（磁化の向きやすい方向をンドイッチ構造からなる磁気トンネル接合（AI）といった新しい技術が急激に身近なも決める物性）が変化することを発見した（電（MTJ）素子が記憶要素として用いられる。のとなり、今後情報通信ネットワークの拡大【1】。
圧磁気異方性制御）
この現象は電子両強磁性層の磁化の向きが平行か反平はより加速的に進むと予測される。
このよう軌道の広がり方や占有状態が電圧を加行で抵抗が大きく変化するトンネル磁気抵な高度情報環境の持続的な発展を維持すえることにより変化し、電子の軌道運動と抗効果【2】を用いて情報が読み出される。

るためにはIT機器の消費電力低減が重要結合しているスピン（磁化）の向きがそれにこのMTJ素子に超薄膜強磁性層の作製な課題となっている。その１つのアプローチ伴って変わることで生じる（図1参照）。金技術を導入し、2010年に電圧磁気異方として注目されているのが、電源を切っても属の場合は電子遮蔽効果のため電圧を性制御の観測に初めて成功した【3】。これ

情報を保持することができる 不揮発性メモ印加しても物性変化は顕在化しないというにより実用的な1〜2 V程度の電圧でのリ である。我々は、電子が有する磁石としてのが電磁気学の常識であったが、数原子磁気異方性制御が可能となった上に、磁の性質（スピン）を利用した新しい電子デバ層レベルの金属超薄膜の作製を可能とす

気抵抗効果を用いることで磁化情報と電イスの創製を目指す スピントロニクス 技術

るプロセス技術の発展が新現象の発見を気情報間の変換が可能となったため、電に注目し、磁石の情報不揮発性を利用したもたらした。

圧磁気異方性変化の特性を電気的に評固体磁気メモリ（MRAM）の開発に取り組んでいる。
しかしながら、現状のMRAMでは情報の書き込み（磁化方向の制御）に電価する標準技術の確立にも繋がった。

研究の成果

さらに、電圧磁気異方性制御の高速応答性実証を目的として、電圧による強磁性流通電を用いており、抵抗損失による不要

私は大阪大学所属時の初期から電圧共鳴ダイナミクスの観測を試みた。強磁性な電力消費が駆動電力低減の弊害となっ

磁気異方性制御の研究に参加する機会

金属薄膜の磁化はGHz帯に固有の共鳴ている。に恵まれ、特に産総研に異動後にこの手周波数を持ち、この周波数に一致する周

我々はこの問題の抜本的な解決策とし法を実用化技術に押し上げるための研究期でトルクを与えると振り子の共振のようて電圧による新しい磁化方向制御技術の開発に取り組んできた。成果の１つが実に共鳴運動が誘起される。このトルクに高開発に取り組んできた。その結果、数原子用素子への導入と高速応答性の実証で

周波電圧印加によって生じる磁気異方性

図1 超薄膜金属強磁性層における電圧磁気異方性変化の原理模式図

図2 （ a ）電圧による強磁性共鳴励起の原理模式図、および（b）
磁気抵抗効果を利用した電圧誘起強磁性共鳴信号の観測例

（a）

（b）

丸文研究奨励賞 受賞者の周期的な変化を利用し（図2（ a ））、電圧誘起磁化ダイナミクスを電気的に検出することに成功した（図2（ b））。
これにより10

図3 （ a ）Irドープ超薄膜Fe層を有する電圧制御型MTJ素子の模式図（b）
これまでに報告されている磁気異方性と電圧磁気異方性制御効率の特性比較
Irドープ超薄膜Fe（星印）
により実用化ターゲットに求められる特性が初めて達成された（挿入図はIrドープ超薄膜Feにおける磁気異方性エネルギーの印加電界強度依存性の観測例）

GHz（ 時間スケールで0.1ナノ秒）の高周波帯においても電圧磁気異方性変化が応答することが実証された【 4 】。ダイナミク（a）（b）

ス励起の効率より、電圧制御が従来の電流制御と比較して約1/100の低消費電力化が可能であることを示した。
また、共同研究者の塩田らにより、パルス電圧によって誘起される磁化の高速ダイナミクスを利用した電圧のみによる画期的な磁化反転制御法も実現されている【5】。
電圧制御型MRAMの開発において最も重 要となる技 術 課 題がスケーラビリティー実証に向けた電圧磁気異方性制御の高効率化である。磁化の向きとして情報方性制御を基礎研究から実用化へ橋渡ししたオリジナル技術が課題解決の一助となを保存するためには室温の熱エネルギーするにあたって解決しなければならない課ることを夢見て引き続き尽力したい。

によって磁化が反転してしまわないように題は山積している。その解決には原子レベ十 分 高い熱 安 定を有する必 要があるた

ルでの構造解析や電圧印加状態での電め、素子の微小化（大容量化）が進むほど子状態分析、計算科学を利用した原理解

大きな磁気異方性が必要となる。電圧制明・新材料探索、さらに安定な電圧誘起磁究室にてスタートし、産業技術総合研究所

御型MRAMでは電圧により磁気異方性を化反転を実現する電圧制御型MRAM用スピントロニクス研究センター（湯浅新治セ

打ち消すことで磁化反転制御を行うため回路・アーキテクチャ設計など、それぞれのンター長）
にて実用化研究に取り組んでき【5】、
電圧磁気異方性変化の効率も同時フィールドの最先端技術を結集して取り組た成果を中心としています。両研究グルーに向上させる必要がある。
この変化効率はむ必要が有る。幸い我々は現在ImPACT

プにてご支援、ご助言いただいた共同研究

単位電界あたりの異方性エネルギー変化

プログラムの枠組みにて、上記の課題に産者の皆様に感謝申し上げます。
また、本研

量（fJ/Vm）
で定義され、実用的には少なく学官連携体制で総括的に取り組む環境に究成果に関する継続的な研究遂行は、戦とも300 fJ/Vm以上が必要とされている。

恵まれており、継続的な発展を期待したい。

略的創造研究推進事業 さきがけ「ナノ製これまでは主に鉄コバルト合金を用いた研

電圧磁気異方性制御はMRAMに限らず、造技術の探索と展開（横山直樹 総括）」、究が中心であり、その場合、変化効率はこれまで提案されてきた様々なスピントロニCREST「次世代エレクトロニクスデバイス

100 fJ/Vmに留まっていた【6】。
さらなる効

クスデバイス、例えば高感度磁気センサーの創出に資する革新材料・プロセス研究

率向上を目指し、高品質エピタキシャル超や高周波スピンデバイス、さらにスピン波や（渡辺久恒 総括）」、および革新的研究開薄膜Feの作製技術確立【7, 8】と、大きなススピン流を利用した新しい情報伝送技術

発推進プログラムImPACT「無充電で長ピン軌道相互作用を有する5d遷移金属を等にも適用可能であり、スピントロニクスデ期間使用できる究極のエコIT機器の実現

用いた界面エンジニアリングの導入によバイスの発展を根本から支える重要な技（佐橋政司 PM）」の支援により行われましり、イリジウム（Ir）を低濃度でドーピングした術となる可能性を秘めている。大容量・高た。上記プロジェクトにてお世話になりまし

FeIr合金超薄膜（図3（ a ））において、300速・低消費電力を同時に求められる次世代た共同研究者を含む関係者の皆様にもこfJ/Vmを超える大きな電圧磁気異方性変ネットワークインフラにおいて、日本で誕生の場を借りて深く御礼申し上げます。

謝辞
本研究は大阪大学 鈴木義茂教授の研化効率を示す新材料の開発に成功した【 9 】。
（図3（ b ））これにより、実用メモリの要求を満たす特性に初めて到達し、電圧制御型MRAMの実現可能性が大きく進展した。

References（参考文献 ）【1】T. Maruyama, Y. Shiota, T. Nozaki et al. Nat. Nanotechnol. 4, 158（2009）.
【2】S. Yuasa et al. Nat. Mater. 3, 868（2004）.
【3】T. Nozaki et al. Appl. Phys. Lett. 96, 022506（2010）.

将来の展望【4】T. Nozaki et al. Nat. Phys. 8, 491（2012）.
【5】Y. Shiota, T. Nozaki et al. Nat. Mater. 11, 39（2012）.
【6】W. Skowrónski, T. Nozaki et al. Appl. Phys. Exp. 8, 053003（2015）.

現象の発見から約10年を経て、ようやく実用可能性を議論できる状況まで研究開発が進んできたが、当然ながら電圧磁気異【7】T. Nozaki et al. Phys. Rev. Appl. 5, 044006（2016）.
【8】A. Kozioł-Rachwał, T. Nozaki et al. Sci. Rep. 7, 5993（2017）.
【9】T. Nozaki et al. NPG Asia Mater. 9, e451（2017）.