232.01

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【分野】スピントロニクス

【タイトル】垂直磁化積層フェリメモリ層への無磁場でのSTTアシストSOT磁化反転

【出典】

• D. Pan, R. Yabushita, D. Oshima, T. Kato, “Field-Free Switching of Antiferromagnetically Coupled Co/Pd-Based Perpendicular Multi-Layer via Combined Spin Torques”, J. Magn. Magn. Mater. 618, 172872 (2025).
  DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2025.172872

【概要】
名古屋大学の潘達特任助教、博士前期課程の藪下稜大氏、大島大輝准教授、加藤剛志教授は、垂直磁化のCo/Pd積層フェリメモリ層を有する巨大磁気抵抗効果ピラー素子において、スピン移行トルク（Spin Transfer Torque：STT）とスピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：SOT）を同時印加することで、無磁場で磁化反転できることを実証した。これは、大容量で高速な3次元磁気メモリの書き込み手法として期待される成果である。

【本文】
大量の情報を高速に処理するデータ処理システムにおけるボトルネックに、メモリ階層における主記憶と仮想メモリの3桁の速度ギャップがある。これを埋める新たな高速・高密度不揮発メモリとして3次元磁気メモリ（H. M. Hung et al., J. Magn. Soc. Jpn. 45, 6 (2021).，図1）が注目されている。この3次元磁気メモリの情報書き込みには、スピン移行トルク（Spin Transfer Torque：STT）アシストによる無磁場でのスピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：SOT）磁化反転（S. Honda, Y. Sonobe, J. Phys. D Appl. Phys. 55, 395001 (2022).）が有効と考えられる。名古屋大学では、これを実証するために垂直磁化のCo/Pd多層膜をメモリ層とした巨大磁気抵抗効果ピラー素子において、無磁場でのSTTアシストSOT磁化反転を調べ、STTアシストがSOT磁化反転の反転電流を大幅に減少させることを示している（D. Pan et al., IEEE Trans. Magn. 59, 4100505 (2023).）。今回、3次元メモリの高密度化の妨げとなるビット間の磁気的相互作用を減少させることができ、熱安定性に優れる積層フェリ型のCo/Pdメモリ層においてSTTアシストSOT磁化反転を検討した。その結果、これまで報告のなかった積層フェリ型のメモリ層においても、強磁性メモリ層と同様に、STTアシストにより無磁場でのSOT磁化反転が可能であることが分かった（図2）。また，積層フェリメモリ層では、 STTアシスト電流の方向によりSOT磁化反転のアシスト効果が異なることを見いだしている（図2）。この差異についても定性的に考察し、積層フェリメモリ層ではメモリ層内の磁化配置により、STT効率が変化することを指摘している。
　本成果は、磁気ランダムアクセスメモリの飛躍的高密度化を可能とする3次元磁気メモリの書き込み技術が、熱安定性に優れ、磁気的干渉が小さなCo/Pd積層フェリメモリ層に対しても適用できることを示したものであり、3次元磁気メモリの基盤技術の開発に大きく貢献するものである。

（沼津高専　大澤友克）

Fig. 1　Schematic of 3-dimentional magnetic memory. STT assisted SOT reverse the magnetization of the bit adjacent to the word line. The written bit (domain) is shifted by STT current though the magnetic pillar and the magnetization direction of the bottom bit is read by TMR effect of MTJ.

Fig. 2 SOT current density as a function of the STT assist current density measured for the CPP-GMR device with a Co/Pd synthetic antiferromagnetic memory layer. AP-P and P-AP indicate the transitions of the magnetizations adjacent to the Cu layer from antiparallel (AP) to parallel (P) and P to AP, respectively. The STT and SOT current densities were normalized by their respective critical switching densities. Note that the in-plane external field Hx was not applied during the switching.