結晶 MgO トンネル障壁の 巨大トンネル磁気抵抗効果 湯浅新治 片山利一
共同研究者およびスポンサー 産総研 福島章雄長浜太郎久保田均 A. A. Tulapurkar 片山利一薬師寺啓安藤功兒 キヤノンアネルバ D. Djayaprawira 恒川孝二前原大樹長嶺佳紀長井基将山形伸二渡辺直樹 大阪大基礎工 鈴木義茂松本利映 A. Deac 東芝 與田グループの方々 新エネルギー 産業技術総合開発機構
内容 (1) スピントロニクスと磁気抵抗効果 (2) トンネル磁気抵抗効果 (TMR 効果 ) (3) 巨大 TMR 効果 (4) XAS と XMCD による界面状態の研究 (5) 巨大 TMR 効果のデバイスへの応用
スピントロニクスと磁気抵抗効果 N エレクトロニクス 信号の増幅 論理演算ただし揮発性 負の電荷 -e スピン ( 小さな磁石 ) S 電子 磁気抵抗効果 & スピン トルク 磁気工学 磁気記録不揮発性 シリコン LSI スピントロニクス電子の電荷とスピンの両方を活用する新しいエレクトロニクス分野 HDD
磁気抵抗効果 (Magneto-Resistance (MR)) とは? 磁界を印加すると 固体 素子の電気抵抗が変化する現象 電気抵抗 (R) 磁気抵抗効果に必要な磁界 磁気抵抗比 (MR 比 ) 0 磁界 (H) 磁界信号 磁気状態を電気信号に変換 室温かつ低磁界 (~1 mt) の MR 比が 応用上重要 1 mt の低磁界で変化するのは 強磁性体の 磁化の方向 のみ 強磁性体の磁化反転に起因した磁気抵抗効果を室温で実現することが必要
西暦 1857 磁気抵抗効果 MR 比 ( 室温 低磁界 ) AMR 効果 MR = 1-2 % Lord Kelvin 1985 1990 GMR 効果 MR = 5-15 % P.Grünberg, A.Fert ( ノーベル賞 2007) 1995 TMR 効果 MR = 20-70 % 宮崎照宣, J. Moodera 2000 2005 2010
内容 (1) スピントロニクスと磁気抵抗効果 (2) トンネル磁気抵抗効果 (TMR 効果 ) (3) 巨大 TMR 効果 (4) XAS と XMCD による界面状態の研究 (5) 巨大 TMR 効果のデバイスへの応用
磁気トンネル素子 (MTJ 素子 ) のトンネル磁気抵抗効果 (TMR 効果 ) 強磁性電極 e e e e 絶縁体 ( 厚さ nm) ( トンネル障壁 ) e e 強磁性電極 平行磁化 (P) 状態 電気抵抗 R P : 低い 反平行磁化 (AP) 状態 電気抵抗 R AP : 高い MR 比 (R AP R P )/R P 100 (%) ( 応用上の性能指数 )
FM 1 トンネル障壁 FM 2 TMR 効果の機構 Julliere モデル (1975) トンネル FM 1 障壁 FM 2 e e DOS DOS DOS DOS E F E F E F E F D 1 D 1 D 2 D 2 D 1 D 1 D 2 D 2 平行磁化トンネル抵抗 : R P 反平行磁化トンネル抵抗 : R AP MR (R AP R P ) / R P = 2P 1 P 2 / (1 P 1 P 2 ), P = ( D ) α ( EF ) Dα ( EF ) ( D ( E ) + D ( E ) ), α α = 1, 2. α F α F スピン分極率
TMR 効果の研究開発の経緯 低温で TMR 効果が発現することが 1975 年から知られていたが 室温では実現されなかったため その後あまり注目されず 100 GMR 効果の発見が契機となり TMR 効果が再び脚光を浴びる 室温 MR 比 (%) 80 60 40 20 0 宮崎 ( 東北大 ) 強磁性電極 アモルファス Al-O 強磁性電極 Moodera (MIT) Fujitsu IBM IBM INESC Tohoku Fujitsu Sony NVE 1995 2000 2005 西暦
HDD の再生磁気ヘッドへの応用 読み出し電流 Magnetic field signal 記録媒体 磁気ヘッド 記録媒体 再生磁気ヘッド ( 磁気抵抗素子 ) HDD の記録密度 (Gbit / in 2 ) 1000 100 10 1 0.1 AMR GMR TMR GMR ヘッドの出現 GMR ヘッド 0.01 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 西暦 TMR ヘッド ( アモルファスのトンネル障壁 ) ただし 200 Gbit / inch 2 を超える超高密度 HDD 実現のために さらに大きな MR 比が不可欠
新しい不揮発性メモリ MRAM MTJ ワード線 0 1 ビット線 米国フリースケール社の MRAM (4 Mbit) 2006 年から製品化 <MRAM の利点 > 不揮発性 高速動作 書き換え耐性 > 10 16 <MRAM の問題点 > 大容量化が困難 (128 Mbit 程度が上限 ) Gbit 級の大容量 MRAM を実現するには 1 150% を超える MR 比と 2 スピン トルク書き込みの実現が必要
西暦 ( 年 ) 1857 磁気抵抗効果 MR 比 ( 室温 低磁界 ) AMR 効果 MR = 1 ~ 2 % HDD ヘッド インタ クティフ ヘッド デバイス応用 1985 GMR 効果 MR = 5 ~ 15 % 1990 1995 TMR 効果 MR = 20 ~ 70 % AMR ヘッド 2000 GMR ヘッド メモリ 2005 TMR ヘッド MRAM 2010 より高集積で高性能な次世代デバイスを開発するためには より大きなMR 比の実現が不可欠
内容 (1) スピントロニクスと磁気抵抗効果 (2) トンネル磁気抵抗効果 (TMR 効果 ) (3) 巨大 TMR 効果 (4) XAS と XMCD による界面状態の研究 (5) 巨大 TMR 効果のデバイスへの応用
結晶性の酸化マグネシウム MgO(001) に関する理論予測 Fe(001) MgO(001) Fe(001) < 理論予測 > 第一原理計算 Butler et al., Phys. Rev. B 63, 056614-1 (2001). Mathon & Umerski, Phys. Rev. B 63, 220403-1 (2001). MR 比 >1000%
トンネル障壁の対称性とトンネル過程 アモルファス Al-O トンネル障壁 対称性なし 結晶 MgO(001) トンネル障壁 4 回転対称 Fe(001) Δ 2 Δ 5 Δ1 Fe(001) Δ 2 Δ 5 Δ 1 アモルファス Al-O 結晶 MgO(001) Δ 1 Fe(001) Δ 1 電極中の種々のブロッホ状態が混ざり合ってトンネルしてしまう MR 比が 100% を越えられない 高対称 Δ 1 ブロッホ状態が支配的にトンネル伝導する MR 比 >1000%( 第一原理計算 )
量子力学の教科書に書いてあるトンネル描像 バリア幅 t 障壁ポテンシャルは真空 自由電子の平面波 exp( ik z ) バリア高さ φ E F 電極 DOS が指数関数的に減少 exp( κ z ) トンネル障壁 電極 トンネル障壁幅 t を厚くすると トンネル透過率 T は指数関数的に減少する 2 T exp( 8mφ/ h t) m: 電子の有効質量
現実の絶縁体トンネル障壁の電子トンネル E F 金属中のブロッホ波 絶縁体の伝導バンド φ バンドギャップ 電極 絶縁体バンドギャップ中のエバネッセント状態 荷電子バンド 絶縁体 電極 ブロッホ状態やエヴァネッセント状態は (i) 特有の波動関数の軌道対称性と (ii) 特有のバンド分散を持っている ブロッホ状態とエバネッセント状態の界面における接続も重要
MgO 障壁内のエヴァネッセント状態の減衰長 Δ 1 (spd) Fe MgO Δ 5 (pd) Fe Δ 2 (d) Δ 1 : s + p z + d 2z 2 x 2 y 2 Butler (2001).
ブロッホ状態とエヴァネッセント状態の波動関数の接続 波動関数の対称性が保存されるコヒーレントなトンネルの場合 Fe(001) MgO(001) Fe(001) k Δ 1 Δ 1 Δ 1 k // Δ 5 Δ 5 Δ 5 Δ 2 Δ 2 Δ 2
Fe(001) のバンド構造 (k // =0 方向 ) 1.5 E - E F ( ev ) 1.0 0.5 0.0 Δ 1 Δ 1 majority spin minority spin E F -0.5 Γ (001) direction H 完全にスピン分極した Δ 1 バンド (P=1) 巨大な TMR 効果が理論的に期待される Δ 1 バンドが完全にスピン分極しているのは bcc Fe に限った話ではなく Fe や Co を主成分とする bcc 強磁性合金は類似のバンド構造を持つ ( 例 ) bcc Fe-Co, ホイスラー合金など
界面の重要性 ( 理論計算 ) Zhang, et al.: Phys. Rev. B 68, 092402 (2003). 過剰な酸素原子 k Δ 1 電子状態 k // 理想的な界面 酸化された界面 Fe- Δ 1 状態は k // = 0 方向で MgO-Δ 1 に接続 Fe- Δ 1 は k // = 0 方向で MgO-Δ 1 に接続できない MR 比 >1000% MR 比 <100%
MBE成長による エピタキシャルMgO-MTJ素子の作製 産総研 JSTさきがけ Fe(001) MgO(001) Fe(001) 2 nm 特殊な単結晶基板 断面の電子顕微鏡 TEM 写真 １日 １枚 Yuasa et al., Nature Materials 3, 868 (2004).
結晶 MgO トンネル素子の 巨大 TMR 効果 の実現 < 産総研 > エピタキシャル MgO-MTJ 素子 < 米国 IBM> 配向性多結晶 MgO-MTJ 素子 MR ratio (%) 300 200 100 T = 20 K MR = 247% T = 293 K MR = 180% MR ratio (%) 180 160 140 120 100 80 60 RT 40 0-200 -100 0 100 200 H (Oe) 20 0-1000 -500 0 H (Oe) Yuasa et al., Nature Mater. 3, 868 (2004). Parkin (IBM), Nature Mater. 3, 862 (2004).
MR 比 (%) ( 室温 ) 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 巨大 TMR 効果 結晶 MgO(001) トンネル障壁 アモルファス Al-O トンネル障壁 1995 2000 西暦 ( 年 ) 産総研 [1] 現在の最高値は 1000% IBM [3] 産総研 [2] 2005 [1] Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004). [2] Yuasa, Nature Mater. 3, 868 (2004). [3] Parkin, Nature Mater. 3, 862 (2004).
内容 (1) スピントロニクスと磁気抵抗効果 (2) トンネル磁気抵抗効果 (TMR 効果 ) (3) 巨大 TMR 効果 (4) XAS と XMCD による界面状態の研究 (5) 巨大 TMR 効果のデバイスへの応用 XAS: X-ray Absorption Spectroscopy (X 線吸収スペクトル ) XMCD: X-ray Magnetic Circular Dichroism (X 線円磁気二色性 )
Fe(001) / MgO(001) 界面の研究 放射光を用いた XAS と XMCD の測定 (KEK-PF) MgO(001) Fe(001) 1 ML bcc Co(001) 6 ML (a) Fe-O 1 ML bcc Co(001) 6 ML (b) Al-O Fe(001) 1 ML bcc Co(001) 6 ML (c) Fe - L 2,3 吸収端を用いて 界面 1 原子層の Fe を調べる XAS 酸素原子との結合 XMCD 磁気モーメント Miyokawa et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 44 Part II, L9 (2005).
(b) Co(6 ML)/Fe-O(1 ML) 0.25 0.20 Fe-L 3 B = 0 T XAS ( a.u. ) 0.15 0.10 Fe-L 2 0.05 0 705 710 715 720 725 Photon energy ( ev ) Fe-O に特有のピーク分裂を観測
(a) Co(6 ML)/Fe(1 ML)/MgO(001) 0.8 Fe-L 3 XAS ( μ + ) XAS & XMCD ( a.u. ) 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2 Fe-L 2 XAS ( μ - ) XMCD ( μ + μ - ) B = ±3 T -0.4 700 710 720 730 740 Photon Energy ( ev ) Fe は酸化しておらず 大きな磁気モーメントを持っている
(c) Co(6 ML)/Fe(1 ML)/Al-O 0.8 Fe-L 3 XAS ( μ + ) XAS & XMCD ( a.u. ) 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2 Fe-L 2 XAS ( μ - ) XMCD ( μ + μ - ) -0.4 700 710 720 730 740 Photon Energy ( ev ) Fe は酸化しておらず 大きな磁気モーメントを持っている
界面の Fe 原子の磁気モーメント Total magnetic moment MgO(001) Fe(001) 1 ML bcc Co(001) 6 ML (a) Fe-O 1 ML bcc Co(001) 6 ML (b) Al-O Fe(001) 1 ML bcc Co(001) 6 ML (d) μ Fe = 2.6 μ B μ Fe = 0.3 μ B μ Fe = 2.9 μ B MR = 250 % MR = 20 % 界面 Fe の磁気モーメントと MR 比の間には 直接的な相関はない
内容 (1) スピントロニクスと磁気抵抗効果 (2) トンネル磁気抵抗効果 (TMR 効果 ) (3) 巨大 TMR 効果 (4) XAS と XMCD による界面状態の研究 (5) 巨大 TMR 効果のデバイスへの応用
260 240 MR 比 (%) ( 室温 ) 220 200 180 160 140 120 100 80 アモルファス Al-O 障壁 MgO(001) 障壁 IBM [3] 産総研 [2] 産総研 [1] MgO(001) FeCo(001) 配向性多結晶 MTJ 素子 MgO(001) Fe(001) エピタキシャル MTJ 素子 60 40 20 0 1995 2000 2005 西暦 ( 年 ) [1] Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004). [2] Yuasa, Nature Mater. 3, 868 (2004). [3] Parkin, Nature Mater. 3, 862 (2004). [4] Djayaprawira, SY, APL 86, 092502 (2005).
HDD 磁気ヘッドや MRAM の基本構造 強磁性電極 or トンネル障壁 強磁性電極 Ru Co-Fe 反強磁性層 (Pt-Mnなど) この下部構造は fcc(111) 配向膜 ( 面内 3 回転対称 ) < 問題点 > fcc (111)(3 回転対称 ) の上に MgO(001)(4 回転対称 ) を成長することは 通常は不可能
MR 比 (%) ( 室温 ) 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 アモルファス Al-O 障壁 キヤノンアネルハ - 産総研 [4] MgO(001) 障壁 IBM [3] 産総研 [2] 産総研 [1] MgO(001) アモルファス CoFeB MgO(001) FeCo(001) 配向性多結晶 MTJ 素子 MgO(001) Fe(001) エピタキシャル MTJ 素子 60 40 20 0 1995 2000 西暦 ( 年 ) 2005 [1] Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004). [2] Yuasa, Nature Mater. 3, 868 (2004). [3] Parkin, Nature Mater. 3, 862 (2004). [4] Djayaprawira, SY, APL 86, 092502 (2005).
アモルファス CoFeB合金を用いて 結晶成長の難題を解決 産総研 キヤノンアネルバ 250 以上で 熱処理 結晶の 対称性 bcc CoFeB (001) アモルファス CoFeB合金 4回転 MgO(001) 対称性 無し アモルファス CoFeB合金 Ru Co-Fe 3回転 2 nm 結晶化 MgO(001) bcc CoFeB (001) 1 nm 熱処理後の構造 反強磁性 Pt-Mn 成膜直後の構造 巨大TMR効果 が発現
MgO トンネル素子の量産技術を開発 産総研 キヤノンアネルバ HDD 産業界で世界標準の生産用スパッタ装置 大型の Si ウエハ 1 日 100 枚 現在 スピントロニクス応用の主流技術
界面制御のためのスパッタ成膜プロセスの改良 MgO 成膜時に不純ガス分子 ( 主に H 2 O) を徹底的に除去 スパッタガス (Ar) H 2 O H 2 O ターゲット (MgO) H 2 O H 2 O H 2 O プラズマ H 2 O H 2 O TMR 薄膜 H 2 O H 2 O 基板 H 2 O H 2 O ターゲット粒子 H 2 O 水分子を強く吸着する性質のある金属層 ( タンタル )
磁気抵抗効果 MR 比 ( 室温 低磁界 ) 産業応用 西暦 1857 AMR 効果 MR = 1-2 % HDD 磁気ヘッド 1985 Lord Kelvin GMR 効果 MR = 5-15 % 電磁誘導ヘッド : すでに製品化 1990 P. Grünberg, A. Fert : 研究開発中 1995 TMR 効果 MR = 20-70 % MR ヘッド 2000 宮崎照宣, J.Moodera GMR ヘッド 不揮発性メモリ 2005 巨大 TMR 効果 MR = 100-1000 % 湯浅新治, S. Parkin TMR ヘッド MgO-TMR ヘッド MRAM 新規デバイス 2010 スピン RAM マイクロ波発振器
MgO-TMR ヘッドの製品化と超高密度 HDD の実現 MgO-TMR ヘッド 2007 年に製品化 (HDD メーカー各社 ) 500 Gbit/inch 2 の超高密度 HDD が実現 ( 以前の 3 倍以上に ) 将来的に 1 Tbit / inch 2 まで実現可能 20 nm MgO-MTJ 素子 電子顕微鏡写真
磁気抵抗効果 MR 比 ( 室温 低磁界 ) 産業応用 西暦 1857 AMR 効果 MR = 1-2 % HDD 磁気ヘッド 1985 Lord Kelvin GMR 効果 MR = 5-15 % 電磁誘導ヘッド : すでに製品化 1990 P. Grünberg, A. Fert : 研究開発中 1995 TMR 効果 MR = 20-70 % MR ヘッド 2000 宮崎照宣, J.Moodera GMR ヘッド 不揮発性メモリ 2005 巨大 TMR 効果 MR = 100-1000 % 湯浅新治, S. Parkin TMR ヘッド MgO-TMR ヘッド MRAM 新規デバイス 2010 スピン RAM マイクロ波発振器
スピン トルク MRAM ( スピン RAM) ソニーが試作した 4 kbit のスピン RAM (Hosomi et al., IEDM 2005.) MTJ Bit Line Capping layer CoFeB Pt-Mn MgO Buffer layer CoFeB Ru 10 nm 1 nm CoFe CMOS ( ソニーご提供 )
垂直磁化 MTJ 素子を用いたスピン RAM の開発 東芝, 産総研, 他, IEDM (2008) 12.6. 100 nsec. A TEM image of 50 nm-sized MTJ or MgO(001) R (a.u.) I 30 nsec. 10 nsec. 0 5 10 t (nsec.) I (a.u.) A CMOS integrated 1 kbit MTJ array 垂直磁化 MgO-MTJ は 超 Gbit 級スピン RAM の最有力解
磁気抵抗効果 MR 比 ( 室温 低磁界 ) 産業応用 西暦 1857 AMR 効果 MR = 1-2 % HDD 磁気ヘッド 1985 Lord Kelvin GMR 効果 MR = 5-15 % 電磁誘導ヘッド : すでに製品化 1990 P. Grünberg, A. Fert : 研究開発中 1995 TMR 効果 MR = 20-70 % MR ヘッド 2000 宮崎照宣, J.Moodera GMR ヘッド 不揮発性メモリ 2005 巨大 TMR 効果 MR = 100-1000 % 湯浅新治, S. Parkin TMR ヘッド MgO-TMR ヘッド MRAM 新規デバイス 2010 スピン RAM マイクロ波発振器