阪大ら,磁気トンネル接合素子を有機シート上に形成

大阪大学,東京大学,村田製作所の研究グループは,世の中で広く用いられているCoFeB/MgO系の磁気トンネル接合素子を,柔らかい有機シート上へ直接形成することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

磁気トンネル接合と呼ばれる,2枚の磁性薄膜で絶縁体のナノ薄膜をサンドイッチした構造は,ハードディスクの高感度な磁気読み取りヘッドや不揮発性磁気メモリーの記録素子として広く活躍しており,代表的なスピントロニクス素子といえる。

中でも,CoFeBを磁性層に,MgOを絶縁層に用いた接合素子は,市販のデバイスにおいてすでに広く用いられている。しかし,これらの接合素子は硬い半導体素子上に形成され,外部から応力が加わった状況下で使用することは想定していなかった。

今回,研究グループは,ポリイミドからなる熱に強い有機基板上に,CoFeB/MgO/CoFeBトンネル磁気接合素子を形成した。トンネル磁気抵抗素子では,2枚の磁性層(CoFeB)の磁化の方向が平行・反平行によって,高抵抗・低抵抗の状態が実現する。

同素子に350℃の熱処理を行なったあとの磁界印加に対する抵抗変化をみると,磁化が反平行の時に,平行時に比べ,抵抗が100%も増大する(倍になる)ことが示された。また,基板に引っ張り応力を加えていくと,基板のひずみ量が大きくなるほど,高抵抗時の磁界領域が広がっていることがわかった。これは,磁気弾性効果により,CoFeBの磁化が反転するのに必要な磁界の大きさが変化していることに起因している。

このように大きな磁気弾性効果が見えていることは,基板からトンネル接合部に確かにひずみが伝搬していることを示している。一方で,最大の抵抗変化率は加えたひずみ量にほとんど依存しないことがわかっただけでなく,強く引っ張った後にも素子の特性が作製時と全く変わらない,つまり外部から応力が加わっても壊れにくい素子が形成されていることが示されたという。

研究グループは,柔らかいスピントロニクス素子は,固い基板上に形成されてきた従来の素子に比べ圧倒的にメカニカルデザインの自由度が大きく,ひずみゲージの感度向上や,フレキシブルデバイス周辺へ集積化された省電力な磁気メモリーの配備を可能にするなど,IoT社会に適合した新たな応用展開が期待できるとしている。

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