国立研究開発法人産業技術総合研究所は2022年1月28日、同研究所新原理コンピューティング研究センターの研究チームが、フッ化リチウム（LiF）と酸化マグネシウム（MgO）を組み合わせたトンネル障壁層を用いた新構造の磁気トンネル接合素子（MTJ素子）を開発し、磁気メモリー（MRAM）の記録保持特性を大幅に改善させることに成功したと発表した。産総研では、脳型コンピューティング用メモリーに応用が期待できる技術だとしている。
MTJ素子は1nm程度のトンネル障壁層を磁性薄膜でサンドイッチした構造をしており、磁性薄膜の磁化の向きによって情報を半永久的に保存できる。この特性を利用すれば、待機電力を必要としない不揮発性メモリーが可能となり、脳の構造や情報処理方式を模倣して高度情報処理を行う脳型コンピューティングに利用できると期待されている。
ところがMTJ素子は、室温や動作中の熱によって磁化の向きが揺らぎ、情報が消えてしまうことがある。このため、記録された情報を確実に保持するには、熱に負けずに磁化の向きを特定の方向に維持する必要があった。
研究グループは、LiFとMgOを組み合わせた複合トンネル障壁層を用いた新構造のMTJ素子を開発。記録層の鉄（Fe）とMgOの間にわずか1～2原子層の非常に薄いLiFを導入することで、Feの磁化の向きが膜面垂直方向に安定化することを発見。トンネル障壁層がMgO単層となっている従来のMTJ素子に比べ、記録保持特性が約2倍改善されることも確認した。この技術を応用すれば、記録層の薄い電圧書き込み型MRAMでも高い記録保持特性を実現できる。
産総研は今後、脳型コンピューティング用メモリーの有力候補として期待されるギガビット級の電圧書き込み型MRAMの実現に向け、下地層や磁性層材料も含めた材料／構造設計を検討。さらなる性能向上を図るとともに電圧書き込み技術の開発を進めるとしている。
今回の技術の詳細は、2022年1月28日付けで学術誌「NPG Asia Materials」にオンライン掲載された。
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