産総研など、半導体ダイオードより3倍高感度なスピンダイオードを開発

産業技術総合研究所(産総研)と大阪大学は10月21日、半導体ダイオードの性能を上回る、ナノサイズの磁石を用いたスピントルクダイオードを開発したと発表した。

同成果は、大阪大学 基礎工学研究科の三輪真嗣助教、石橋翔太氏(当時:博士前期課程2年)、鈴木義茂教授、冨田博之博士研究員、田村英一特任教授、安東健氏(当時:博士前期課程2年)、水落憲和准教授らによるもの。産総研 ナノスピントロニクス研究センターの野崎隆行主任研究員、猿谷武史氏(現:キヤノンアネルバ)、久保田均研究チーム長、薬師寺啓主任研究員、谷口知大研究員、今村裕志研究チーム長、福島章雄副研究センター長、湯浅新治研究センター長と共同で行われた。詳細は、英国科学雑誌「Nature Materials」のオンライン速報版に掲載された。

電子の持つ磁石の性質であるスピンを利用するスピントロニクスの実用化に向けた研究開発が活発に行われている。HDDの読み取りヘッドでは、磁石の磁極の向きにより抵抗値が変化するトンネル磁気抵抗効果がすでに利用されている。また、磁石の磁極が有する不揮発性を利用したMRAMも実現しており、既存の半導体RAMを置き換えるために高密度化に向けて開発が進められている。このような背景から、磁性素子はポストCMOS素子として期待されている。しかし、既存のダイオードやトランジスタといった半導体素子の性能指数を上回る磁性素子は実現していない。

研究グループは2005年に、磁気抵抗効果と磁極の首振り運動を利用したスピントルクダイオード効果を発見した。スピントルクダイオードは従来の半導体ダイオードと原理が異なり、携帯電話などで広く用いられるマイクロ波の検出機能(ダイオード効果)において半導体ダイオードを上回る可能性があると期待されたが、発見当時の性能指数は感度3800V/Wと半導体ダイオードを下回るものだった。今回、スピントルクダイオードの性能を向上させ、半導体ダイオードの約3倍のダイオード感度1万2000V/Wを実証したのに加え、素子の小型化により、S/N比のさらに向上させた。

図1 スピントルクダイオード感度の変遷

半導体ダイオードでは、流す電流の向きにより空間電荷層と呼ばれる電流が流れにくい層の厚さが変化し、負方向よりも正方向で電流が流れにくくなる。このため、交流電流を流すと正味の直流電圧が生じる。このダイオード効果により、マイクロ波の検出が可能となる。しかし、半導体ダイオードの性能は動作温度により一意的に定まるため、性能向上は難しいとされている。

スピントルクダイオードの仕組みとしては、磁気トンネル接合と呼ばれる薄い磁石を2枚張り合わせた素子に正電流を流すと、スピン注入効果により磁極の向きが反平行になるため、磁気抵抗効果により素子抵抗が増加して、半導体と同様に正方向では電流が流れにくくなる。逆に、負方向ではスピン注入効果により磁極の向きが平行になるため、抵抗は減少し電流が流れやすくなる。このように磁気トンネル接合は半導体と同様、ダイオード効果を有する。これをスピントルクダイオード効果と呼ぶ。

図2 半導体ダイオードとスピントルクダイオードの原理

今回の研究では、図3-1のように、ナノメートルサイズの厚さを持つ2枚の磁石(鉄ボロン合金、コバルト鉄ボロン合金)と酸化マグネシウム層からなる磁気トンネル接合素子を用いた。スピントルクダイオードの出力向上のためには、磁極の首振り運動の振れ幅を大きくする必要がある。そのための素子として素子形状を円形に設計し、鉄ボロン層の上に酸化マグネシウム層を配置した。

図3-2は、4.8μAの交流電流を流した時のスピントルクダイオードの検出電圧。横軸は入力交流電流の周波数で、半導体ダイオードを上回る検出電圧を得た。図3-3は、検出電圧の直流電流に対する変化を示している。このように直流電流を加えることにより、検出電圧を大幅に増大させられることを発見した。さらに、その増大が磁極の首振運動の回転軸の傾き(一種の非線形効果)により説明できることを見出した。

図3 新型スピントルクダイオードの構造と特性

一般的に、磁気トンネル接合素子を小型化するとスピン注入効果が増すため、信号強度が増加するが、素子を小型化すると、磁極の安定性を低下させるため、雑音も増加する。研究グループは非線形効果のメカニズムを明らかにし、素子小型化に対する影響を詳細に解析した。その結果、素子の小型化により雑音以上に信号を増加できることを見い出した。これにより、S/N比において、半導体を大幅に上回るスピントルクダイオードの実現が可能なことが分かった。

スピントルクダイオードは、高感度、小型、高速チューニング、低抵抗、周波数選択性などの特性のため、マイクロ波検出器として通信機器、ICタグや車載レーダなどへの応用が期待できる。また、HDDやMRAMに応用されているスピントロニクス素子の高周波エレクトロニクス分野への応用も加速するものと期待されるとコメントしている。



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