エキスコン（１９） 磁気制御薄膜論理素子の黎明

　前回のエキスコン（１８）では、トンネル磁気抵抗素子について述べた。その中で引用した資料に論理機能を持つ様々な磁気制御薄膜素子が紹介されていることにふれている。ここでは、引用した資料に提示された内容をもとに、磁気制御薄膜論理素子に注目しながら、著者の浅はかな知識をも顧みず、その機能の概要を推量しながら展望を試みる。

　コンピュータの構成要素であるこれまでの論理回路素子、CMOS等の論理機能素子は、例外なく電界を制御して論理機能を実現している。トンネル磁気抵抗素子の出現は、新たな動向である。つまり電界のみならず磁界を制御機能の中に取り入れる論理素子であることに着目できる。

　かえりみれば磁気制御による論理素子は日本国内で発案されたパラメトロン素子がある。外部から周期的な磁界を加えておき、それに伴うパラメータ励振の位相を注入磁界によって制御する技法である。多くのパラメトロン・コンピュータが日本国産品として生産され、一世を風靡した。トランジスタとこれを集積した論理回路素子の出現により、パラメトロン・コンピュータは全て市場並びに現場から撤廃された。パラメトロン・コンピュータの設計に従事した経験のある筆者にとっては、忘れ去ることのできない1960年頃の時代であり、すでに半世紀を経過している。

　磁界制御を伴う論理素子の出現は、その再来を約束するかのように前回も紹介した資料の中に、多数決論理素子を見いだすことができる。パラメトロン・コンピュータの論理設計図を朽ちかけた引き出しから取り出して、いざ再出発しようかと心ははやるが、すでに老境にあることから、若い世代の台頭にバトンタッチしたい。ここでパラメトロン論理素子は磁界制御のみにかかわり、電界による制御は認められないことをつけ加えておく。 

　さて前置きが長くなったが、磁気制御薄膜論理素子をできる限りわかり易く解説を試みる。しかしながら最初にお断りするが、理論的な背景からすると誤謬もあるであろう。その場合は改めて訂正を加えたい。

　下記の図１は、スピン移動トルク（Spin Transfer Torque）が発生する状態を説明する図である。

　図１　スピン移動トルク発生モデル

　ここでいくつかの条件を設定しておかなければならない。ベースとなる強磁性薄膜と絶縁薄膜の上に置かれる強磁性薄膜には、図の中に示した磁界方向、或いはその逆方向に磁化容易性があるような薄膜とする。もし、ベース並びに上位に置かれた強磁性薄膜にそのような性質が無い場合、磁界を透過する絶縁薄膜に磁界成分に方向性を付与するような磁界フィルタ機能があると考えてもよい。資料の図には、下記のように絶縁薄膜をサンドウィッチ状にはさんだ図が示されているのでこのように解釈した。このような磁界の方向性を持たせるために、それぞれの薄膜は非アモロファス化（non-amorphous）、すなわち結晶構造化されているとも推量される。スピン移動トルクを発生させるだけであるならば、さらに簡単な構造でもよさそうである。 

　以上の前提条件のもとに、スピン移動トルクの発生を考えよう。図１のベース電流端子から、上側の強磁性薄膜の端子に向かって電流を流すとき、前回のスピン駆動の説明同様に強磁性薄膜の中に磁界が発生する。発生した磁界と電流を担う自由電子の働く力が古典的な電気磁気学によるフレミングの左手の法則によりトルクが発生し、図の中に示した方向に電子スピンが移動すると解釈できる。このスピンが移動することで強磁性薄膜の中に導電性の良い領域が拡がる。強磁性薄膜を貫通する電流の方向を逆にすれば、逆方向に導電性が良い領域が拡がるから、電流の方向を変化させることで良導電性領域の方向を制御できる。

　図２は、資料に示されていた多数決論理素子の図を基にして筆者が簡略化して描いたものである。　入力端子Ａ，Ｂ，Ｃの三端子には入力の論理値によって異なる電流を与える。出力端子は、前回のエキスコン（１８）で説明したトンネル磁気抵抗素子である。この出力端子に、次段の論理素子の入力を駆動する電流を流すことができれば、増幅器なしに直接次段の接続可能であることが資料の中で示唆されているのは興味深い。

図２　簡略化して示した磁気薄膜多数決論理素子

　出力側に向かってスピン移動トルクが移動するように入力電流を流す場合を仮に論理値１とし、到達しない場合を論理値０としよう。各入力端子による一つだけの電流駆動ではスピン移動トルクが出力端子に届かないように設定して出力端子に電流が流れない状態を０とすると下記の表のように多数決論理素子として動作する。 

入力端子			出力端子
Ａ	Ｂ	Ｃ
０ ０ ０ ０ １ １ １ １	０ ０ １ １ ０ ０ １ １	０ １ ０ １ ０ １ ０ １	０ ０ ０ １ ０ １ １ １

　ここまで、昨年末に刊行された米国のIEEE学会誌に掲載された紹介記事資料を基にして、前回のエキスコン（１８）と今回のエキスコン（１９）では論理機能素子出現の黎明として書き留めたが、様々な疑問が生じているのでメモとして次に記しておく。

・図２の磁気薄膜多数決素子について、資料内容を基にひもといていくと、資料に引用された論文は実際に論理素子を試作して得た結果による報告なのかという疑問が生じる。その理由を述べよう。図１のスピン駆動トルク発生の原理を基にすれば、導電性領域は一方向に拡がる。仮に入力端子Ａの導電性領域が拡大したとしても、方向性があれば出力端子側に回り込むことができるかという疑問である。一方向に拡がる導電性領域を曲げるためには各端子の交差点に指向性を変換させる機能が必要である。直進する自動車が、直角に曲がるためにはハンドルを操作しなければならない。薄膜磁気素子の中でのスピン移動トルクにその能力があるのだろうか。

・最近は強力な磁力のある永久磁石が市販されている。このような永久磁石では、分子の周囲を回転する電子のスピン運動で磁力が発生していると古典的な電磁気学では教えられている。磁石内部で電子スピンを持つ分子は移動していないはずである。磁気薄膜の中で電子スピンが固体物質の中で移動するメカニズムはよく理解できない。分子は移動できないからスピン運動を担う電子だけが移動するのだろうか。スピン移動トルクの現象解明が行われれば、マイクロ波工学でよく知られている電波の進行方向を定めるジャイレータと同じような機能を持つ素子が半導体薄膜の上で構成できるのではないかと類推できる。

・インターネットで磁気薄膜中の磁性抵抗変化について調べると、両側の強磁性薄膜にサンドウィッチ状にはさまれた絶縁薄膜内部に磁界が存在しない場合は、ある方向とその逆方向の移動荷電子がそれぞれ五分五分に存在すると説明されている。これに電流を流したり、磁界をかけるとそのバランスが崩れて、電気を流しやすい方向に変化するようなナノ・メートル空間の特徴と説明されている。古典的な電気磁気学の知識からすると理解しがたい。従って著者は、前回のエキスコン（１８）で、スピン方向が揃うこととして説明を試みた。この説明でよいのか、著者自身に対しても疑問が残る。

・最近はMRI（Magnetic Resonance Imaging）が医療診断機器として多くの医療機関に設置され、診断に大きな貢献を行っている。MRIは強力な磁場に人体を置き、身体の臓器内部の分子のスピン運動を一定方向にそろえておいて、これに電磁波を放射すると、身体の構成分子はその電磁波エネルギーを吸収し、臓器構成物質の差異による異なる波長の電磁波を放射することで人体内部の臓器内部の様相をコンピュータを用いるスペクトラム解析で造影させると聞かされている。磁気薄膜構成素子をMRIと同様な方式で解析するといかなる様相が観測できるのか、疑問を持つ。それと同時にその結果は興味深い。引用した資料に電気的な振動現象を利用する内容も示されているが、あるいはMRI と同じような磁気共鳴現象があるのかどうかという疑問である。

　いずれにしても現在開発研究が進められているナノ・メートルの微少空間における様々な材質の中での物理現象は未解決の課題が山積しているように思われる。これから研究開発を行うことを志す若い世代にとっては宝の山であると述べておきたい。（納）

エキスコン（１８） トンネル磁気抵抗素子

　微細加工技術の進歩と共に、筆者が学んできた電磁気学の常識を覆す現象が見出されており、これを元に新しいデバイスの研究開発とその実用化が進んでいる。

　下記に示す図は、１ナノ・メートル（百万分の１ミリ）という極めて薄い絶縁性の薄膜の上下に強磁性体薄膜をサンドウィッチ状に構成した模式図である。下層の強磁性体の磁化方向は固定したままとして上層の強磁性体の磁化方向を変化させる。図１のように上下の強磁性体とも同方向の磁化を行った場合は、上下層間の絶縁膜にはトンネル効果により電子が通過する状態となり抵抗値が低くなる。一方上層強磁性体の磁化方向を下層強磁性体とは、図２のように逆方向にするとトンネル効果がなくなり、電子は通過しないから抵抗値が高くなる。

　このような効果をもたらすように構成された素子のことを、トンネル磁気抵抗素子（Magnetic Tunnel Junction Device）という。筆者の学生時代の卒業研究は、磁界の真空中に置かれた電極に電子束を加速する電極構造の研究であったことを記憶している。その記憶を辿ると、電極間に磁界が存在すると電子束は円形に曲げられるので電極間には電流が流れない。つまり上下強磁性体の磁化方向が同一であれば強い磁界が存在するために電子は円形曲線を辿って元に戻され、電流は流れないと考えられる。逆に上下強磁性体の磁化方向が逆であれば磁界は存在しない場合、電界があれば電子が両電極間を移動するから抵抗値は低くなるというのが筆者の持つ常識であった。

トンネル磁気抵抗素子は、この常識を覆す現象である。物理学の分野では、この現象をどのように解釈するのか、はなはだ興味深い。

 

図１．　上下強磁性体薄膜にはさまれた絶縁体内部の電子スピンのモデル図 

　様々な資料を読んでも磁気抵抗現象の物理的な説明は、スピンのことは書かれているが、なかなか理解できない。そこで筆者は図１と図２のような解釈を試みた。この図１では絶縁体薄膜の内部に生じている電子軌道のスピンが外部からの磁界により一定方向を向いている様子を示している。下側の端子から発生した自由電子は、絶縁体の電子スピンの助けによって移動する様子がトンネル現象として表れると解釈する。上の端子に発生する自由電子も、回転する電子スピンの助けによって下側の電極に到達するから、両方向の電子の流れを補助するので両端子間の電気的な抵抗は低下する。

 

図２．スピンの方向がランダムな状態のために自由電子が流れにくいモデル図 

　図２のように上下の磁界が逆方向になると絶縁体内部のスピンは、方向性がなくなるから自由電子は動きにくくなり、電気的な抵抗は高くなる。以上のように解釈すると、強磁性体にはさまれた絶縁体が上下の磁性体の磁化方向によって抵抗値が変化する説明として分かり易い。しかしこれはあくまで筆者の解釈であり、量子物理学者による理論的な説明ではないことをお断りする。

このような物理的現象を基にして、様々なデバイス開発が行われていることが文末に資料として示したIEEE学会誌Proceedings 2013年の12月号に紹介されている。

　これまでの薄膜デバイスでは磁気現象をほとんど扱っていなかった。筆者が知りうる範囲では磁気ディスクのヘッドに磁気抵抗素子を用いている程度であった。ここ数年にわたり、磁気薄膜デバイスの中に強磁性体を組み込む技術開発が深く静かに浸透しつつあることを知り、大いなる啓蒙を受けている。

　現在は、このトンネル磁気抵抗素子をメモリ素子として構成することが研究開発の主流と見受けられる。電源を落しても記憶が残されるという非揮発性モメリ素子であることから注目されている。

2007 年2 月11 日から米国サンフランシスコで開催された「国際固体素子回路会議(ISSCC：2007 IEEE International Solid-State Circuits Conference)で発表があった（株）日立製作所と東北大学電気通信研究所の共同研究の「スピン注入磁化反転方式を用いた2メガビットの不揮発性RAMチップの試作に成功」の日本文の記事がある。

上に説明した磁気抵抗デバイスをメモリ素子に組み込む場合、一方の強磁性体薄膜は磁界を固定し、もう一方の磁界を固定磁界と同一方向、又は逆方向にすることによってメモリ機能を持たせる。この磁化方向を変化させるためには薄膜強磁性体の側に電流を流す導体を近接させて磁化させる方法があるが、大きな電流を必要とする。そこで新に試作された方法では、直接磁気抵抗メモリ素子に電流を流して片側の強磁性体薄膜の磁化方向を変化させるスピン注入磁化反転方式を用いている。この電気的磁化反転の可能性は1996 年の理論研究により示されていたが、実証したのは日立製作所と東北大学の共同研究の成果である。

 

図３．　スピン注入方式の説明図

　さて、このスピン注入磁化方式については、どのような物理的な説明ができるのであろうか。1996年の予測理論の論文には詳細に書かれているであろうが、論文を入手していないこともあって、これまた筆者として思考を重ねてみた。

　この図の上側の強磁性薄膜は、スピンが揃っていない状態を考えよう。その状態において、電子をある方向に流すとスピン運動を担う電子もその方向に誘導される。徐々にスピンの方向が外からの電子流に揃うことで磁界が一定方向にそろい、一方向磁化となり、メモリ素子への記録が行われる。このように考えればスピン注入磁化方式が理解できそうである。再度にわたるが詳細な理論は原論文をひもといていただきたい。

ここで、ある課題があることに気がつく。下側の固定磁界の強磁耐薄膜は、上側の書き込みによって磁化方向が変化しないようにしておかなければならない。そのためには良導体を下側の薄膜と絶縁体薄膜の間に入れるとか、あるいは上側の強磁性体とは性質が異なる材料を用いるなどの手法があると思われる。ここでは、とりあえずとして不揮発性メモリ・デバイスを紹介した。しかしながら応用範囲は、さらに拡がると推察される。強磁性体の磁化方向を変化させて薄膜絶縁層の抵抗値を変化させることと相まって電極によるキャリァの制御を行えば、さらに高度の機能が実現できる。またスピンそのものが電界と磁界の作用で移動することから論理機能素子も実現できることが実験的に示されている。

　簡単に説明すれば、二つの入力ｘとｙについて　ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）なる関数を強磁性薄膜と従来のキャリアを電荷制御する構造によって、別の関数　ｚ＝ｇ（ｘ，ｙ）に変化できる。このことを敷衍するとプログラミングが強磁性体の制御で行えることを意味している。

　さらに言えば絶縁薄膜の電導はいかなる方向にも設定できるから、広大な平原に交通路を構築するような技術開発が行われることも想像できる。いや想像の域を脱して現実味があることが下記の資料に紹介されている。 

半導体製造工場を海外に移してしまった電子立国日本は、その萌芽を育てる土壌を失っているのではないかとの憂いを持つ。次世代のコンピュータは大いに様変わりするのではないかという夢に向かって若い世代の若者が飛躍することを願いたい。（納）

 資料：　D. E. Nikonov and I. A. Young “Overview of Beyond-CMOS devices and a Uniform Methodology for Their Benchmarking”  pp2498-2533, Vol.101 No.12, Proc. IEEE, Dec. 2013.