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一种利用电子所具有的电学性质（电荷）和磁学性质（自旋）来创造新功能的新型半导体技术被称为“自旋电子学”，目前其学术基础研究和应用研究正在积极推进。在自旋电子学的社会应用中，核心技术是一种被称为“磁隧道结”的固态元件。利用该元件所具备的信息存储和磁传感功能，可以开发出低功耗存储器、大容量存储器以及高性能磁传感器等产品。通过这些技术的社会应用，实现IT云计算的节能化和高性能化。

什么是磁隧道结？

磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的基本结构是一层极薄的绝缘膜（隧道势垒）夹在两层铁磁金属之间。通常情况下，电流无法通过绝缘体，但当绝缘膜的厚度减薄至1–2nm时，由于量子力学的隧穿效应，会产生一种特殊的电流（隧道电流）。

当两层铁磁金属的磁体取向平行（P态）时，MTJ元件的电阻（RP）较低，允许较大的电流通过；相反，当磁体取向反平行（AP态）时，MTJ元件的电阻（RAP）相对较高，电流会减小。这一现象被称为隧道磁阻（Tunnel Magneto-Resistance，TMR）效应。

MTJ元件电阻的变化率（MR比）是器件应用性能的重要指标。由于MR比越大，就可以开发更高性能的器件，因此，至今自旋电子学领域的发展一直伴随着MR比的提高。

磁隧道结(MTJ)的结构和机制、MR比的定义

MTJ元件的器件应用及挑战

当MTJ元件中的一个磁体的方向固定，而另一个磁体的方向因外部场（例如磁场）而改变时，由于电阻随磁场变化，因此MTJ元件可用作磁传感器。此外，当P和AP状态分别对应于“0”和“1”时，MTJ元件充当存储1位信息的存储元件。通过将多个MTJ元件排列成阵列来存储信息的存储器被称为MRAM（磁阻随机存取存储器），其是一种即使断电，也能保留存储信息的非易失性存储器。

为了将MTJ元件应用于磁传感器或MRAM，需要在室温且低磁场下实现较大的MR比。1995年，一种以非晶态氧化铝（Al-O）为隧道势垒材料的MTJ元件被开发出来，随后经过约10年的全球范围研发，实现了百分之几十的MR比。

采用非晶态Al-O的MTJ元件的硬盘（HDD）读取磁头以及小容量MRAM已在2000年代中期投入了实际应用，但随后存储容量很快就达到了瓶颈。要实现更大容量和高性能的HDD或MRAM，必须实现远高于100%的巨大的MR比。

利用氧化镁开发MTJ元件

2004年，日本产业技术综合研究所（产综研）率先在全球开发出以晶体（一种原子排列成规则晶格的材料）氧化镁（MgO）为隧道势垒材料的MTJ元件，实现了约200%的巨大MR比。到目前为止，已实现超过600%的MR比，约是传统非晶态Al-O的10倍。

此外，产综研与制造设备厂商佳能安内华(Canon ANELVA)合作，开发了一种采用钴铁硼（CoFeB）合金作为铁磁金属的CoFeB/MgO/CoFeB结构的MTJ元件，实现了MTJ元件的批量生产及其在大规模集成电路（LSI）芯片中的集成，从而在全球范围内开始了使用该MTJ元件的产品开发。

MTJ元件的隧道势垒材料和MR比

MTJ元件的社会应用

产综研开发的采用MTJ元件（特别是CoFeB/MgO/CoFeB元件）的HDD读取磁头于2007年左右投入实际应用，目前已安装在所有生产的HDD中。由此，HDD的记录密度相比以前提高了一个数量级，从而实现了每个驱动器可存储数十TB的大容量HDD。目前，HDD是数据中心的主流存储设备，大约70%的数字信息存储在HDD上。随着生成式人工智能和各种云服务的普及，数据中心的扩建持续进行，其主流存储设备HDD已成为支撑IT社会的重要基础。

采用CoFeB/MgO/CoFeB结构的MTJ元件作为存储元件的第二代大容量MRAM（STT-MRAM）已于2020年前后投入了实际应用，并已开始应用于移动IT设备等。未来，睡着STT-MRAM得到广泛普及，有望通过降低计算机功耗和延长移动设备的续航时间，为节能和提高便利性做出贡献。

MTJ元件也开始作为通用磁传感器得到普及，不仅用于磁测量，还用于汽车和机械的位置与旋转检测。未来，MTJ元件有望在更多领域展现其高附加值应用，例如用于电动汽车电池管理的直流电流传感器以及用于心脏和大脑磁体的生物磁传感。

MTJ元件的社会应用

面向下一代器件的实际应用，产综研的举措

产综研目前正致力于利用MTJ元件进行下一代器件的研究和开发。产综研正在进行研发，旨在实现功耗比目前主流的非易失性存储器STT-MRAM低一个数量级的电压驱动下一代MRAM（VC-MRAM）以及高速运行的下一代MRAM（SOT-MRAM）的实用化。此外，产综研还在推进利用MTJ元件的超低功耗神经形态（类脑）计算技术的研究与开发。

实现这些下一代器件实用化的关键在于开发新型材料、元件和工艺技术。为了开发适用于各种下一代器件的新型高性能MTJ元件，产综研正利用最先进的薄膜制造设备（溅射设备）进行研发。该溅射设备能够高速旋转300毫米晶圆（对工业应用至关重要），并将其冷却至-200℃以下，然后在晶圆上使用新型材料制造MTJ元件。利用这种低温成膜技术，可以制造出以往无法制备的高质量多层薄膜和新型材料MTJ元件。产综研将以这种最先进的设备和工艺技术作为核心竞争力，与私营企业合作，致力于下一代器件的研发。

能够进行低温成膜的最先进溅射设备

https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20260121.html

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