工学系

2019年11月11日

研究成果のポイント

・ハードディスクの読み取りヘッドや固体磁気メモリ※1として広く利用されているトンネル磁気抵抗素子※2は、これまで硬い半導体シリコン(Si)基板上に形成されてきた。今回、硬いトンネル磁気抵抗素子に匹敵する性能を柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上の素子で実現。
・今回作製に成功した柔らかいプラスチック基板上に形成したトンネル磁気抵抗素子は、繰り返し基板を引き伸ばしても壊れず動作する高い耐久性と、500℃近い加熱に対しても耐熱性をもつことを確認。
・ウェアラブルデバイスへの磁気メモリ混載や、基板を引き伸ばすことで可逆的に変化する磁気的性質が大きな抵抗変化をもたらす現象を利用したメカニカルセンサなど、スピン素子※3の新たな産業応用展開へ向け大きく前進。

概要

硬い半導体シリコン(Si)基板上に形成されてきたトンネル磁気抵抗素子は、ハードディスクの読み取りヘッドや固体磁気メモリとして広く利用されてきました。今回、大阪大学産業科学研究所の千葉大地教授と関谷毅教授は、東京大学大学院工学系研究科博士課程3年(兼大阪大学産業科学研究所特別研究学生)の太田進也氏、村田製作所の安藤陽氏らと共同で、柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子(図1)が、硬い半導体基板上に形成した素子に匹敵する性能をもつことを実証しました。さらに、同素子は繰り返し基板を引き伸ばしても壊れず動作する高い耐久性と、500℃近い加熱に対しても耐熱性をもつことを確認しました。これらの結果は同素子が実用レベルに近い性能を有していることを示すものです。今後、ウェアラブルデバイスへの磁気メモリ混載やフレキシブルな高感度磁界センサとしての実用化、基板を引き伸ばすことで可逆的に変化する磁気的性質が大きな抵抗変化をもたらす現象を利用したメカニカルセンサの実用化など、スピン素子の新たな産業応用展開を切り拓くことが期待できます。

本研究成果は、米国科学誌「Applied Physics Letters」に、11月11日(月)に公開されました。なお、同誌のEditor's Pickに選出されました。

図1 柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子の写真(左下・右上)と概略図(中央)。

研究の背景、内容

大阪大学産業科学研究所の千葉大地教授と関谷毅教授のグループは株式会社村田製作所と共同で、柔らかいフレキシブル基板上のスピン素子を用いた新たな産業応用展開を推し進めています。スピン素子にはメモリ機能や磁界センシング機能がありますが、これに柔らかさが付与されることで、IoT産業上きわめて重要なメカニカル動作の検知(生体や構造物表面のモーションやひずみ検知など)も機能として加わります。これにより、磁気記録技術の高度化が本題であった従来のスピントロニクスが辿るルートとは一線を画す産業応用展開の新ルートが拓けます。

今回、千葉大地教授と関谷毅教授は、東京大学大学院工学系研究科博士課程3年(兼大阪大学産業科学研究所特別研究学生)の太田進也氏、村田製作所の安藤陽氏らと共同で、柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子が、硬い半導体基板上に形成した素子に匹敵する性能をもつことを実証しました。本研究で用いたトンネル磁気抵抗素子は、ハードディスクの読み取りヘッドや固体磁気メモリで広く用いられているCoFeB/MgO/CoFeBの積層構造(図1)であり、CoFeBが磁性体、MgOはトンネル障壁です。図2(a)は、素子抵抗の磁界に対する依存性を示しています。抵抗が高い(低い)磁界領域では、磁気トンネル接合内の2層のCoFeB磁性層の磁化の向きが互いに反平行(平行)になっています。素子に高温処理(アニール)を施すことにより、抵抗変化率が大きく増大していることが分かります。今回、ポリイミド製の基板を用いることで、500℃までの高温アニールに耐えうる素子を形成することに成功しました。図2(b)図2(a)における最大抵抗変化率をアニール温度に対してプロットした図です。450℃付近で抵抗変化率が200%近い値(抵抗が3倍程度変化することに相当)をとっており、フレキシブル基板上の素子は硬いSi基板上に形成した素子と同等以上の性能を示していることが分かります。なお、例えば一度高温でアニールを施した素子は、それ以下の温度までであれば性能を維持できる耐熱性を持っていると言えます。透過型電子顕微鏡を用いた詳しい調査により、高温アニールがMgO層の結晶化を促進し、抵抗変化率増大をもたらしていることが裏付けられました(図3)。同素子を引っ張っては元に戻しということを1000回繰り返しても、素子の抵抗や200%程度の抵抗変化率は全く変化せず、高い耐久性が示されました(図4)

図2 (a)柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子の抵抗の外部磁界依存性と(b)最大の抵抗変化率のアニール温度依存性。

図3 柔らかいプラスチック基板(フレキシブル基板)上に形成したトンネル磁気抵抗素子の透過型電子顕微鏡像。

図4 基板を引っ張っては元に戻す動作を繰り返した際の、素子抵抗と最大抵抗変化率。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本結果は、柔らかいスピン素子が実用に耐えうる性能を持っていることを示した世界初の成果です。スピン素子は集積化が容易であり、かつセンサとしても高感度です。今後、ウェアラブルデバイスへの集積磁気メモリ混載やフレキシブルな高感度磁界センサとしての実用化、基板を引き伸ばすことで可逆的に変化する磁気的性質が大きな抵抗変化をもたらす現象を利用したメカニカルセンサやウェアラブル生体モーションセンサの実用化など、スピン素子の新たな産業応用展開を切り拓くことが期待できます。

特記事項

本研究成果は、2019年11月11日(月)に、米国科学誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。
タイトル:“Flexible CoFeB/MgO-based magnetic tunnel junctions annealed at high temperature (≥350℃)”
著者名: Shinya Ota, Akira Ando, Tsuyoshi Sekitani, Tomohiro Koyama, and Daichi Chiba

なお本研究は株式会社村田製作所および科研費(JP17J03125, JP19H00860)、Spintronics Research Network of Japanの支援を受けて行われました。

用語説明

※1 固体磁気メモリ
磁性体を用いた不揮発性メモリ(電源を投入しなくても記憶を保持できる情報記録デバイス)。※2で説明するトンネル磁気抵抗素子の抵抗の大きさが0と1の情報に対応している。

※2 トンネル磁気抵抗素子
2層の磁性体で薄い絶縁層をサンドイッチした構造を持つ素子。それぞれの層は数ナノメートル程度の厚みをもつ。2層の磁性体の磁化の向きが互いに平行のとき絶縁層を介したトンネル電流が大きく、反平行の時小さい。つまり、磁化が平行の時、素子の抵抗が低く、反平行の時高くなる。これを0と1の情報に対応させることで、※1で説明した磁気メモリのビットとして用いられている。一方、素子の抵抗は磁化の相対角度に依存して連続的に変化するため、外部から加わる磁界に応じて中間的な磁化の相対角度を示す状況にあれば、磁界センサとしても機能する。後者はハードディスクの読み取りヘッドとして用いられている。

※3 スピン素子
ナノメートル程度の厚みを持つ磁性体の薄膜や積層構造を用いた機能性電子デバイス。

研究者のコメント(千葉大地教授)

スピン素子に柔らかさを持たせることで、これまでスピントロニクス分野が目指してきた磁気記録技術の高度化の範疇に留まらない広い応用展開が拓けます。今回の成果は柔らかいスピン素子の産業応用実現可能性が非常に高いことを示す重要な結果であると考えています。

参考URL

大阪大学 産業科学研究所 千葉研究室HP
https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/se/index.html

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