2020 Fiscal Year Research-status Report
スピン軌道トルクＲＡＭにおける新しい読み出しディスターブ機構とその解決法の検討
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19K04536
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
河原 尊之 東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (80416990)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピン軌道トルクRAM / スピン軌道相互作用 / 不揮発メモリ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請前に、次世代不揮発メモリであるスピン軌道トルクRAMの読出し時において、新しい誤動作(読出しディスターブ)が起こることを見出し、それを一桁以上低減する方式を提案していた。新しい誤動作とは、読出し時の重金属層電流によりスピン流が発生し、誤書き込みが起こるというものである。提案した低減方式とは、読出し時の電流経路を重金属層の両側に向かうようにし、スピン流は発生するが向きの違うスピンを発生させて相殺し誤書き込みを起こし難くする方式である。
今回の研究では、この低減方式の実験検証へ向かう準備として、磁性体シミュレーションによって低減方式の効果を検証することを目的とし、本研究期間中に以下の３点について検討を行う。・材料依存性(2019年度)、・素子寸法依存性(2020年度)、・メモリアレー寄生抵抗依存性(2021年度)。なお、このメモリの動作原理は量子力学に基づくため確率動作の数式を含んでおり、また誤動作自体も確率的な取り扱いであるため、評価は計算機実験に近く多くの時間を要する。
当初の計画通りに、2019年度の材料依存性に続いて、2020年度は素子寸法依存性を検討した。その過程で、低減方式では自由層に流れ込む逆向きのスピン流によって、対応した磁化過程が起こり、これによってディスターブが低減されていることが明らかになった。また、矩形の面内磁化のＴＭＲ素子においては、低減効果はあるものの、長辺方向の一定サイズ以上では反転電流(閾値電流)が増えなくなることが明らかになった。これは磁区ができ、それが成長するという磁化過程となるからと推定する。素子寸法依存性の検討結果は国際学会IEEE Intermag 2021に採択された。なお、2019年度の成果も国際学会IEEE/AIP Joint Intermag/MMM 2020に採択された。これらは磁性体の分野の代表的な国際学会である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通りに、2020年度は素子寸法依存性を検討した。しかしながら、COVID-19のため、状況と感染対策の兼ね合いから学生の研究参加可能性を踏まえ、具体検討開始は７月からとなった。
まず、提案方式において、自由層における磁化過程を検討した。これまで、読み出し電流を重金属の両方向に流すと生成するスピン流自体が打ち消し合うことを想定していた。しかしながら今回、フリー層の左右に働く反対方向の磁化が強く拮抗し合うことでディスターブ低減となることがわかった。また拮抗する部分では渦状の磁化構造に動的にはなっていた。この拮抗する磁化渦部分が大きいほどフリー層での磁化反転が起こりづらくなることから、素子の形状によっては磁化渦の大きさが変わり、ディスターブ低減に効果を及ぼす可能性が考えられる。
更に、素子サイズの違いによる提案方式の読み出しディスターブ低減効果を評価した。様々な形状での検討に対応するため、強磁性体として、一軸性で磁気異方性の高いコバルトのパラメータを使用した。まず電流方向の素子幅(Xとする)の依存性について評価した。読み出し時間は5nsとして、従来および提案SOT構造について磁化反転確率を評価した。素子幅の大小に限らずディスターブ低減効果が得られた。従来構造の閾値電流はX<90nmでは比例し、X>90nmではほぼ一定の大きさにとどまった。一方提案構造の閾値電流はX<90nmでは反比例し、X>90nmでほぼ一定の大きさにとどまった。この閾値電流が増えなくなる理由は、磁区ができ、それが成長するという磁化過程となるためと推定している。電流方向とは垂直方向の素子幅(Yとする)の依存性を同様に評価した。従来構造も提案構造も閾値電流は素子幅Yに比例した。また素子幅XとYがX=Yの場合のサイズ依存性も評価した。従来構造も提案構造も閾値電流は素子幅に比例した。ここでは単区のままである。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通り、メモリアレーとしての寄生抵抗依存性を検討する。2019年度の報告で述べたように2020年度に新たなＷＳを購入した。ソフトはオープンで使えるＭｕＭＡＸ３を選択した。これまでのＷＳ及びそこでの所有ソフト(LLGシミュレータ)も使用して検討を加速する。
成果を国際学会(15th Joint MMM-INTERMAG Conference, January 10-14, 2022, New Orleans, LA )へ投稿する。また、2020年度までの内容をフルペーパに纏め、採択され次第、プレスリリースを行う計画である。2020年度までの内容で、磁区の動的な振舞いなども発表していく予定である。
続くステップとしての実験検討を行う方式を検討し、次の科研費申請に繋げる。
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| Causes of Carryover |
2020年度は国際学会が遠隔となり、参加費用(登録費用)のみとなったため。2021年度は、15th Joint MMM-INTERMAG Conference, January 10-14, 2022, New Orleans, LA をめざしており、現地開催となることを想定している。
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| Remarks |
東京理科大学のアウトリーチ活動である”TUS FORUM 2020 SDGsへの新たな取り組み”において、上記の紹介ビデオとpdf資料(https://www.tus.ac.jp/tusforum/2020/images/pdf/forum-kawahara.pdf )にて内容を紹介。
他、大学HP教員ページや個人SNS Linkedinでも学会採択成果を発信。
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