국립 선진 산업 과학 기술 연구소 (National Research and Development Agency), 국가 선진 산업 과학 기술 연구소 [Ishimura Kazuhiko의 회장] (이하 "AIST"라고 언급 함) 새로운 원칙 컴퓨팅 연구 센터 [리서치 센터 Yuasa Shinji] 실시간 바카라 장치 연구원 Hibino Ariki, Taniguchi, Tomohiro, 및 Tomohiro, 및 Tomohiro, 및 Tomohiro, 그리고 Tomohiro, 및 연구팀은 전류를 자기 재료로 얻을 수 있다고 말했다실시간 바카라흐름 (실시간 바카라 흐름)로 변환 된 현상 (이하 "실시간 바카라 변환": 개요 다이어그램 (왼쪽)의 메커니즘이 명확 해지고실시간 바카라 변환 효율에서 상당한 개선이 이루어졌다
AIST는 지금까지자기 재료비 휘발성 자기 메모리 MRAM유형입니다실시간 바카라 궤도 토크 유형 MRAM (SOT-MRAM)(개요 다이어그램 (왼쪽))은 정보 작성의 성능 (Micromagnets 반전)을 개선하기 위해 연구 및 개발되었습니다 그러나, 자기 재료의 실시간 바카라 변환 메커니즘은 명확하지 않았기 때문에, 응용 분야에 필수적인 높은 실시간 바카라 변환 효율을 달성하기위한 지침이 확립되지 않았다 이 기사에서는 자기 재료의 실시간 바카라 변환을 정확하게 감지 할 수있는 장치 구조를 개발하고 실시간 바카라 변환 효율을 체계적으로 조사했습니다 결과적으로 자기 재료는입니다인터페이스and내부 (벌크)로 인한 두 가지 다른 실시간 바카라 변환 메커니즘이 있음을 밝혀 냈으며, 개요 (오른쪽)에 표시된대로 인터페이스에서 자기 재료를 제어하여 실시간 바카라 변환 효율을 크게 향상시킬 수있는 방법을 발견했습니다 이 결과는 초고속 작동과 전력 절약을 결합한 차세대 메모리 SOT-MRAM을 실현하는 길을 설정하여 향후 모바일 장치 및 데이터 센터의 전력 절약과 성능 향상을 초래할 것으로 예상됩니다
이 결과는 2021 년 10 월 29 일 (영국 시간)자연 커뮤니케이션에서 온라인으로 게시 됨
(왼쪽) 자기 재료의 실시간 바카라 변환 및 그것을 사용하는 SOT-Mram의 개념적 다이어그램
(오른쪽) 인터페이스의 자기 재료 제어로 인한 실시간 바카라 변환 효율이 크게 향상되었습니다
Society 50에서 요구하는 방대한 양의 데이터 (빅 데이터) 분석을 실현하기 위해, 일본이 목표로하는 미래 사회는 IT 장비의 에너지 소비를 크게 줄이는 것이 필수적입니다 이에 대한 한 가지 해결책은 에너지 절약이 우수한 MRAM입니다 많은 관심을 끌고 있습니다 MRAM입니다자기 터널 접합 요소 (MTJ 요소)의 자화 방향 (자석 방향 : 위 또는 아래쪽)으로 정보를 저장하며 비 휘발성, 고속 작동 및 대기 전력이 필요하지 않은 내구성과 같은 기능이 있습니다 현재 정보를 작성하고 읽으려면 현재 MTJ 요소로 이동Current-Write MRAM (STT-MRAM)이미 시스템 LSI의 혼합 메모리로 상용화되었습니다
반면에, 실시간 바카라 궤도 토크 유형 MRAM (SOT-MRAM)에 대한 기본 연구는 차세대 MRAM의 후보 기술 중 하나로 활발하게 수행되고 있습니다 (그림 1) SOT-MRAM에서, 전류는 MTJ 요소에 인접한 배선 층을 통과하며, 정보는 MTJ 요소에서 자석의 방향을 반전시켜 전류로부터 실시간 바카라 변환에 의해 생성 된 실시간 바카라 전류를 사용하여 작성됩니다 정보를 읽을 때 STT-MRAM과 마찬가지로 작은 전류가 MTJ 요소에 적용됩니다 이 메모리 구조에서, 전류는 쓰기 동안 MTJ 요소를 통과하지 않으며 원칙적으로 MTJ 요소의 전류 분해에는 아무런 문제가 없으며, 이는 STT-MRAM의 고속 작동시 문제가됩니다 따라서 SOT-MRAM은 STT-MRAM보다 고속 작동 및 높은 신뢰성을 달성하기가 더 쉽고 초고속 메모리로 사용될 것으로 예상됩니다 SOT-MRAM의 이전 연구 및 개발에서 우리는 배선 계층을 사용했습니다비자 성 물질사용되었습니다 비자 성 물질을 사용한 실시간 바카라 변환에서, 실시간 바카라 전류가 생성된다평면 내 자화 MTJ 요소에 기록 할 수 있습니다 그러나이 실시간 바카라 변환은 높은 메모리 통합을 달성하는 데 사용될 수 있습니다Peror-Magnetized MTJ 요소에 적용합니다 잘못된 글쓰기와 같은 많은 문제가 발생합니다 따라서, 특히 자화 된 MTJ 요소를 수직으로 작성하는 데 적합한 새로운 실시간 바카라 변환 기술에 대한 수요가있었습니다
AIST는 2014 년 이후 SOT-MRAM 응용 분야에 대한 시선과의 실시간 바카라 전환에 대한 기본 연구를 수행하고 있으며, 비자 성 물질이 아닌 배선 층으로 자기 재료를 사용했습니다이상 홀 효과를 사용하여 수직으로 자화 된 MTJ 요소를 수직으로 작성하는 데 적합한 실시간 바카라 변환이 달성 될 수 있다고 제안되었다 또한, 우리는 배선 층으로 자기 재료를 사용하여 요소를 제조했으며, 우선 세계에서 비정상적인 홀 효과를 사용하여 실시간 바카라 변환을 성공적으로 관찰 할 수있었습니다 (AIST Press 발표 2018 년 2 월 13 일) 다른 한편으로, 미국 국립 표준 및 기술 연구소 및 Kaist Research Group은 자기 재료의 비정상적인 홀 효과와 다른 대칭과 다른 대칭과의 새로운 실시간 바카라 전환이 제안되었으며, 수직 자화 화 된 MTJ 요소의 쓰기는 그림 1 (b)과 같은 조립하기 쉬운 장치 구조에서도 달성 될 수있을 것으로 예상된다 그러나,이 새로운 실시간 바카라 변환의 상세한 메커니즘 (예 : 인터페이스 또는 대량의 자기 재료가 지배적인지 여부)은 명확하지 않았으며, 전력 절약 작업에 필요한 높은 실시간 바카라 변환 효율을 달성하기위한 지침이 확립되지 않았다 따라서, 우리는 높은 정확도로 자기 재료의 실시간 바카라 변환을 감지 할 수있는 요소를 개발하고 실시간 바카라 전환 효율에 대한 체계적인 조사를 수행하고 실시간 바카라 변환 메커니즘을 명확히하고 효율성을 향상시키기 위해 노력했습니다
그림 1 SOT-MRAM의 기본 구조
(a) 배선 레이어에 비자 성 물질을 사용한 기존 구조
(b) 배선 층에 자기 재료를 사용한 새로운 구조 자기 재료의 자기 자석의 방향이 쓰기 전류와 평행 할 때, 수직 방향으로 편광 된 실시간 바카라 전류가 생성되어, 특히 자화 된 MTJ 요소의 신뢰할 수있는 정보 쓰기가 가능합니다
이 연구 및 개발은 과학 연구 특별 연구원 (문제 번호 19J01643)과 과학 연구진 팀-유형 연구 프로젝트 (CREST) (문제 번호 JPMJCR18T3)를위한 과학 연구 보조금 촉진을위한 일본 사회에 의해 지원되었습니다
이 연구에서는 그림 2 (a)에 표시된 요소가 제작되었습니다 코발트 (CO) 및 니켈 (NI)으로 구성된 다층 자기 재료 (이하 "CO/NI 다층 필름")가 배선 층으로서 바닥에서 사용되었고, MRAM의 정보를 저장하는 책임이있는 철 (Fe-B) 합금 계층 (이하 "감지 층")로 언급 된 철 촉자 (Fe-B) 합금 계층 (이하 촉자 (Fe-B) 합금 계층 (이하 "감지 층")로 구성된 다층 자성 물질이 상단에 사용되었다 또한, 두 층 사이에 얇은 구리 (Cu) 층을 삽입하여자기 커플 링| 제거되었습니다 전류 가이 요소를 통과 할 때, Co/Ni 다층 필름에서 실시간 바카라 변환에 의해 생성 된 실시간 바카라 전류는 검출 층에 주입된다 실험에서, 검출 층에서 생성 된 토크는 실시간 바카라 전류의 주입에 의해 측정되었고, 실시간 바카라 전환 효율을 정량적으로 평가 하였다 이 방법은 검출 층에서 자화의 세차입니다강자성 공명이 요소에서거대한 자석 정서 효과표현됩니다
이 연구에서, 우리는 먼저 CO/Ni 다층 필름의 자석 방향에 따라 실시간 바카라 변환에서 어떤 분극의 방향이 발생하는지 조사했습니다 결과적으로, 두 가지 상이한 실시간 바카라 방향을 갖는 실시간 바카라 전환이 CO/Ni 다층 필름에서 발생한다는 것이 밝혀졌다 (도 2 (b)) 하나는 비자 성 물질의 경우와 동일한 실시간 바카라 방향을 갖는 실시간 바카라 변환이다 다른 하나는 자기 재료의 자화 방향에 크게 의존하는 새로운 실시간 바카라 변환이며, 이는 특히 자화 된 MTJ 요소를 수직으로 작성하는 데 적합한 것으로 밝혀졌다
그림 2 (a) 제조 된 장치의 개략도 및 (b) 자기 재료에서 관찰 된 두 가지 유형의 실시간 바카라 변환
비자 성 물질과 마찬가지로, 자석 방향과 관련하여 변하지 않는 실시간 바카라 변환 (상단)은 자기 재료의 자화 방향에 따라 실시간 바카라 방향이 변하는 새로운 실시간 바카라 변환 (하단)이 관찰되었습니다 특히, 후자의 실시간 바카라 변환은 수직으로 자화 된 MTJ 요소에 정보를 작성하는 데 적합하다
차례로, 우리는 배선 층의 두께가 자화 방향에 따라 다르면서 새로운 실시간 바카라 변환의 기원을 조사하기 위해 변경된 실험을 수행했습니다 결과적으로, 우리는 필름 두께의 감소와 관련하여 실시간 바카라 전환 효율을 증가시키는 거동을 관찰했다 (도 3 (a)) 이 결과는 자기 재료의 인터페이스와 내부 (벌크)에서 유래 한 두 가지 메커니즘이 서로를 취소하는 방향으로 공존 함을 보여줍니다 이것은 인터페이스의 기여가 실시간 바카라 변환 효율을 향상시키는 데 중요하다는 것을 보여 주었다 다음으로,이 인터페이스의 기여에 중점을 두어 우리는 구리와의 계면에서 자기 재료의 조성물 (CO 및 Ni의 비율)을 최적화함으로써 실시간 바카라 전환 효율을 향상시키기 위해 노력했다 결과적으로, 인터페이스의 자기 재료는 Co로 Ni69CO31합금으로 만들어 실시간 바카라 변환 효율이 약 3 배나 성공적으로 개선되었습니다 (그림 3B)
이 연구는 자기 재료의 실시간 바카라 전환 메커니즘을 명확히하고이를 기반으로 전환 효율이 크게 향상되었음을 보여 주었다 결과적인 실시간 바카라 변환 효율은 수직 자성화 된 SOT-MRAM을위한 것입니다기타 후보 자료보다 1 배 높은 순서이며, 이는 자기 재료가 SOT-MRAM의 배선 층으로 유망함을 나타냅니다 이러한 결과는 SOT-MRAM에서 배선 계층의 향후 개발을 크게 촉진 할 것입니다
그림 3 (a) 필름 두께 의존성 및 (b) 자기 재료의 새로운 실시간 바카라 전환 효율의 인터페이스 상태 의존성
앞으로, 우리는 자기 재료를 배선 레이어로 사용하여 SOT-MRAM을 연구하고 개발할 것입니다 우리는 고속, 매우 신뢰할 수있는 작문 작업을 보여주기 위해 연구를 수행하고 있으며, 고밀도 SOT-MRAM을 수직으로 자화 화 된 MTJ 요소와 결합하여 실현하는 것을 목표로합니다 또한 실질적인 사용을 구현할 때 새로운 실시간 바카라 전환 효율은 1000 Ω-1CM-1그것은 (현재 상태의 약 두 배) 이상이어야하며, 전환 효율을 더욱 향상시키기 위해 새로운 자기 재료를 개발하는 작업을 수행 할 것입니다 SOT-MRAM이 실질적으로 사용되면 모바일 장치 및 데이터 센터에서 더 많은 에너지 절약과 더 높은 성능으로 이어질 것으로 예상됩니다
잡지 이름 :Nature Communications
종이 제목 : 실시간 바카라 궤도 커플 링을 통한 Ferromagnet의 거대한 전하 간 변환
저자 : Yuki Hibino, Taniguchi, Kay Yakushiji, Akio Fukushima, Hitoshi Kubota 및 Shinji Yuasa
doi : 101038/s41467-021-26445-y