東大、交換バイアスによる次世代MRAM用反強磁性体の磁気秩序の制御に成功

東京大学(東大)は4月26日、不揮発性の「磁気抵抗メモリ」(MRAM)の次世代材料として開発した、マンガンとスズの合金であるワイル反強磁性体「Mn3Sn」の磁気秩序が、強磁性層の磁気状態安定化のために現行の強磁性体を用いたMRAMでも使われている界面磁気結合効果の「交換バイアス」により制御可能であることを発見したと発表した。
同成果は、東大大学院 理学系研究科 物理学専攻の朝倉海寛大学院生、同・肥後友也特任准教授(東大 物性研究所 リサーチフェロー兼任)、同・松尾拓海大学院生(米・ジョンズ・ホプキンス大学 大学院生)、同・上杉良太特別研究員(日本学術振興会特別研究員)、同・中辻知教授(東大 物性研究所 特任教授/東大 トランススケール量子科学国際連携研究機構 機構長/ジョンズ・ホプキンス大 リサーチプロフェッサー兼任)、東大 物性研究所の浜根大輔技術専門職員らの研究チームによるもの。詳細は、機能性材料に関する化学と物理学を扱う学際的な学術誌「Advanced Materials」に掲載された。
演算の省電力化と高速化に向け、MRAMの研究開発が進められており、すでに商用化もされている。現行のMRAMは、強磁性体を中心とした多層膜で構成される磁気トンネル接合(MTJ)素子で構成されている。同素子では、「トンネル障壁層」の上にある「参照層」(読み出しの際に記録層との磁気状態の比較に用いられる層)と、下にある記録層の強磁性体が持つ磁化が平行と反平行の状態を「0」と「1」の不揮発な情報として記録できるため、既存の技術に比べて高い省電力性と書き換え耐性が可能。
そして次世代技術として、動作速度がGHz帯からTHz帯へと大幅に向上することが期待されているのが、現行の強磁性体の代わりに反強磁性体を用いたMRAMである。反強磁性メモリ材料の「Mn3Sn」を開発し、これまで「スピン軌道トルク」による磁気状態の書き込みと、「トンネル磁気抵抗効果」による読み出しというメモリ機能を実証してきたのが研究チームだ。これらの現象を用いた反強磁性体MRAMの実現のためには、交換バイアスによる参照層のMn3Snの磁気状態を固定する技術が不可欠だという。
そこで研究チームは今回、MTJ素子の参照層と「ピニング層」(参照層の上にあり、参照層の磁気状態を交換バイアスにより固定するための層で、現行MRAMでも反強磁性体が用いられている)で構成される二層膜のうち、参照層を従来の強磁性体からMn3Snに置き換えた薄膜試料を作製し、その二層間に実際に交換バイアスが生じ、Mn3Snの参照層を安定化させられるのかどうかを確かめることにしたとする。
参照層とピニング層の界面に交換バイアスが生じるのかを確認するため、「磁場中冷却」プロセスを経て、Mn3Snが示す「異常ホール効果」の磁場依存性が室温で測定された。その結果、磁場中冷却時に印加された冷却磁場の方向に対応し、異常ホール効果の信号が作るヒステリシス曲線にシフトが生じたことが確認された。この結果は、Mn3Snのキラル反強磁性秩序をピニング層との界面に生じた交換バイアスによって固定できたことが示されているという。
今回観測された交換バイアスは、試料の保磁力に対して比較的小さい値に留まっているが、さらに1桁以上大きくできる可能性があるとする。また、試料の低温への冷却により信号のシフトは顕著になり、特に絶対温度100K(約-173℃)では0.4T程度の巨大なシフト量を観測できたとした。
交換バイアスに代表される界面磁気結合効果は、MTJ素子で見られるナノスケールの構造中にある膜厚数ナノメートルの磁性層といった、非常に微細な磁性体の磁気状態を局所的に制御できるという点で応用上非常に重要。今回の研究において、反強磁性体間に発生する交換バイアスの詳細な観測の成果は、今後の反強磁性メモリの開発に貢献することが期待されるとした。