東京工業大学理工学研究科

吉野 淳二

スピンエレクトロニクス－ エレクトロニクスと磁気記録の融合による

新しいエレクトロニクスの創成 －

蔵前工業会技術士会 第１０６回例会・講演会 2006.10.2

Outline1. スピンエレクトロニクスとは？

2. 巨大磁気抵抗効果(GMR)

3. トンネル磁気抵抗効果(TMR)とRAMへの応用

4. 新しい磁性半導体の創成

5. 磁性半導体TMR構造における超低電流密度誘起磁化反転

エレクトロニクスと磁気記録

Hitachi Ultrastar

エレクトロニクス 磁気記録

磁石の起源 I

- e

I

N

S

N

S

S

- e

S

スピン

Bgμ= −m S

0

2Bem

μμ =

磁石の起源 II

磁場 H

0H =

非磁性金属，半導体中

磁性体中

Zeeman分裂

I

S

N

0H = 0H ≠

J− ⋅S S交換相互作用

0J >

0J <

エレクトロニクス と スピンエレクトロニクス

磁性

スピン流電流

誘電性

局在

遍歴性

Multi-Ferroics

GMR/TMR/MRAMFeRAM

Si-LSI

磁気記録

CMRCER/EPIR/RRAM

スピン

電荷

HDDの記録密度の年次推移

1985 1990 1995 2000 2005 20101M

10M

100M

1G

10G

100G

1T

10T

Are

al d

ensi

ty (b

its/in

2 )

Year

TMR Head超常磁性限界

GMR Head

MR Head

Moore's Low

DRAM

Hitachi Webページのデータより

HDD

磁気記録の発展

磁気ヘッド

メディア

記録 読み出し

薄膜ヘッド(1980)

垂直磁気記録長手磁気記録

MRヘッド

1990 AMR1997 GMR2006 TMR

磁気コイル

エレクトロニクスと磁性の融合

1975 TMR効果の観測(Julliere)

1984 電流による磁壁駆動の理論(Berger)

1988 金属超格子におけるGMR (Baibich et al.)

1988 Spin-injection experiment (Johnson & Silsbee)

1989,1992 InMnAsにおける強磁性 (Ohno & Munekata)

1990 Spin transistor (Datta & Das)

1995 室温での巨大TMR効果の観測(Miyazaki et al.)

1995 Spin valve transistor (Monsma et al.)

1996 電流による磁化反転の理論（Slonczewski, Berger ）

1998 TMR構造における電流による磁化反転の実証(Sun, Mayer et al.)

面内巨大磁気抵抗効果 (CIP-GMR)

GaAs(001)Fe: 3 nmCr: 0.9 nm

40周期I

M.N. Baibich et al., PRL, 61, 2472(1988).

巨大磁気抵抗効果の起源

１．界面の凹凸によるランダムな交換ポテンシャルによる散乱

２．超格子バンドによる効果（バルク効果）

FeCr

sdモデル

伝導電子

局在電子

Js S交換相互作用

面内巨大磁気抵抗効果 (CIP-GMR)

M.N. Baibich et al., PRL, 61, 2472(1988).Mosca et al., JMMM, 94, L1, (1991).

トンネル磁気抵抗効果 (TMR)1975 Julliere1995 Miyazaki & Tazuke1995 Moodera

磁気センサーへの応用

磁気抵抗比

1 2

1 2

21

R R PPR PP

σ σσ

↑↓ ↑↑ ↑↑ ↑↓

↑↑ ↑↓

− −= = =

−磁気抵抗比

spin Pρ ρρ ρ↑ ↓

↑ ↓

−= =

+偏極率 90CrO2

75LSMO60NiMnSb40Fe40Ni40Co45NiFeP

( )1 2 1 2kσ ρ ρ ρ ρ↑↓ ↑ ↓ ↓ ↑= +( )1 2 1 2kσ ρ ρ ρ ρ↑↑ ↑ ↑ ↓ ↓= +

代表的物質のspin偏極率

磁気抵抗RAM (MRAM)

課題

1. MR比の増大

2. バイアス印加によるMR比の減少

3. サイズの減少に伴う反転電流の増大

1954 IBM コアメモリ

2006.7 Freescale 4Mb MRAM量産化

不揮発性メモリーの特徴

メカニズム不明書き換え回数の向上

4RRAM

高精度な熱設計高速動作時のマージン向上

△101285854/0.167.7OUM(PRAM)

面積低減，書き換え回数向上低疲労化

◎109-1230-10030-10064/0.1335FeRAM

出力電圧向上電流磁化反転の低閾値化

△/○1015<10-5010-5016/0.1820MRAM

大容量化，高速化○106501041/0.164.4Flash

△1015<5050256/0.178DRAM

課題消費

電力

書き換え回数

Read(ns)

Write(ns)

cap.(Mb)/D.R.(μm)

size（F2）

猪俣博士のご厚意／産総研H18研究戦略

不揮発性メモリ

Flush RAM PRAM(相変化RAM)

FeRAM(強誘電体RAM)

カルコゲナイド(GeSbTe)

結晶（10ns）

／アモルファス(100ns)強誘電材料

PZT: Pb(Zr,Ti)O3SBT: SrBi2Ta2O9BLT: (Bi,La)4Ti3O12BIT: Bi4Ti3O12

0

2

4

6

8

10

0.01 0.1 1 10

Cur

rent

(mA

)

Cell size (μm)

Current-field writingSpin-injection writing

電流磁場による書き込みと課題

電流による磁化反転

Mg

G

Ω L

ωJ− ⋅s S

I

I

ddt

= ×

= N

r

L

F

N F1 F2I N

電流注入磁化反転（CPP-GMR: 実験）

1984 L. Berger： Proposal of “spin-transfer” (Theory)

1985 P. P. Freitas et al.: Domain wall motion exp. 3.5mm, 45A

1996 J. Slonczewski, L. Berger: Spin-transfer in GMR film (theory)

1998 M. Tsoi, et al.: Spin-wave excitation in a GMR film (exp.)Co/Cu/Co, 40nm2, 0.3mA

1999 Spin-transfer magnetization reversal (exp.)E. B. Myers et al. Co/Cu/Co, ～50nm2, 0.2mAJ. Z. Sun LSMO, 2×8μm2 , 1μA ?

2003 S. I. Klselev, et al.: Micro-wave emission

2004 A. Yamaguchi, et al.: Domain wall motion in very thin wire0.2mm, 2mA

II-VI族希薄磁性半導体

II-VI族化合物半導体への遷移金属の添加

ZnIISVI: MnII 黄燈色の蛍光体: EL素子

Cd(Hg)1-xMnxTe (0≤ x ≤0) CdTe (ZB), MnTe (NaCl)

II-VI族希薄磁性半導体の物性

Mn間： 反強磁性的相互作用 (J1= −7K)

p-d交換相互作用に起因する巨大なZeeman分裂

∑ ⋅−⋅=i

iB JgH iSsHsμ

HJSxN

ggHsgEB

zeffzBeff μ

μ 0, +==

meV10meV01.0:20002:

⇒Δ⇒

Eg

|1/2 -1/2>

|1/2 +1/2>

|3/2 -1/2>

|3/2 +1/2>

|3/2 +3/2>

|3/2 -3/2>

σ−σ+

3 1

31

半導体における磁気光学効果

2

0 2 20

1, e NP Em i

ε χ χε ω ω ωΓ± ± ± ±

± ±

= =− −

光吸収における選択則: zh JΔ=

光もスピン(1)を有する |1/2 -1/2>

|1/2 +1/2>

|3/2 -1/2>

|3/2 +1/2>

|3/2 +3/2>

|3/2 -3/2>

σ−σ+

3 1

31

( )s i⋅e p

直線偏光直線偏光

旋光性

楕円偏光

旋光性＋円２色性

Faraday効果の応用： 光アイソレーター

0.6～0.8μm(Hg)CdMnTe光アイソレータTokinのカタログより

III-V族希薄磁性半導体の誕生, InAs: Mn

磁性不純物の固溶限界が低い （<0.1 %)

GaAs + MnAs(NiAs)

低温MBE成長による平衡相の析出の抑制

1989 Munekata et al. In1-xMnxAs（x<0.2）の成長．

1992 Ohno et al. In1-xMnxAsにおける強磁性の観測（TC～10K)

超高真空（10-8 Pa）中での真空蒸着

精密な膜厚制御

成長のその場観察（RHEED)

分子線エピタキシー法

GaMnAsの抵抗率と強磁性転移温度

10 100

10-4

10-3

0.025

0.035

0.013

0.063

0.015

x=0.009Ga1-xMnxAs

ρ shee

t(Ωm

)

T(K)

-1000 -500 0 500 1000-30

-20

-10

0

10

20

30

field normal field parallel

GaMnAs Sample125 K

Mag

netiz

atio

n (e

mu/

cm3 )

Magnetic Field (Oe)

1%以上のMn添加で低温での電気伝

導性が現れると共に強磁性発現．

面内容易磁化軸

EA(Mn) ≈ 100 meV

GaAs: Mn MIT ≈ 1×1019cm-3

III-V 族DMSの特徴

• 1%程度の低い磁性イオン濃度で強磁性が発現する．

– 長距離の相互作用

• ホールの導入が，強磁性発現の要因

– ホール誘起

• TCは，磁性イオン濃度，キャリア濃度に正の相関をもつ

１．RKKY相互作用

２．Double-exchange (Akai, PRL, 81, 3002 (1998).)

３．p-d exchange (Dietl et al., Science, 287, 1019 (2000).)

p-d交換モデル （Dietl et al.）Zeemann energy

Z BE gμ= − ⋅s H sdE J= − ⋅s S

p-d交換相互作用

Zener., Phys. Rev., 81, 440, (1950).

Dietl et al., Science, 287, 1019 (2000).

0=H 0≠H

GaMnAsを用いたTMR素子と電流による磁化反転

磁気抵抗比の向上

共鳴トンネル現象による磁気抵抗比の増大

電圧依存性の緩和

2MR MR↑↓↑ ↑↑↑ ↑↓ ↑↑=

多値論理素子

反転電流の低減

I

I

Single barrier

I

I

Double barrier

二重障壁トンネル磁気抵抗素子

GaMnAsを用いることによる利点

全て単結晶で構成できるので理想的界面が実現できる

従来半導体デバイスとの整合性が高い

磁性原子濃度が低いため，低電流で電流による磁化反転が観測できる

試料作製

• 分子線エピタキシー法：– 成長温度250℃

– Mn濃度 5%

• 電子ビームリソグラフィー+化学エッチング– 400nmx1400nm

[110]

[1-10]

4 23 10 A/cmthI ≈ × という超低電流密度で磁化反転を観測 !!

スピンエレクトロニクス

スピンエレクトロニクス

1988 GMR1989 InMnAs

GMR

TMR 磁壁移動

磁化反転

MRAM

ハーフメタル

磁気センサ

磁気ヘッド

CMR強相関系

マルチフェロイック

LS相互作用スピンホール効果

スピンTr

Rashba-LS相互作用

スピンバッテリ

スピンダイオード

スピンポンピング

異常ホール効果

光による磁化のコヒーレント制御

近藤効果

全光NMR

QHEエッジ状態による

核スピン検出と制御量子情報処理

光による核スピンのコヒーレント制御

量子ドット

バリスティックMR

ポイントコンタクト

光誘起磁化

円偏光LED

円偏光センサ磁気光学効果

強磁性半導体透明強磁性

光情報処理

強磁性体／半導体接合