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摘要：本研究开发了一种以铁-锰基合金为磁性存储材料，在原子层级形成平坦超薄膜的磁性忆阻器，制成直径为200纳米的微小且简单的圆柱状元件，并成功模拟了突触功能，有望应用于未来的类脑系统。

关键词：忆阻器、突触模拟、类脑系统、铁-锰基磁性存储材料、旋节线分解

要点

开发了一种以铁-锰基合金为磁性存储材料，在原子层级形成平坦超薄膜的磁性忆阻器
成功利用直径为200纳米的微小且简单的圆柱状元件模拟了突触功能
结构易于集成，可高速运行，有望应用于未来的类脑系统

本研究开发的磁性忆阻器的概念图，以及利用磁性忆阻器模拟突触功能的实例

研究内容

磁隧道结（MTJ）由厚度小于几纳米的超薄薄膜堆叠而成，众所周知，微小的凹凸或晶体结构的紊乱会损害其电气和磁性特性。另一方面，均质且无结构缺陷的材料易于发生磁化的同时反转，因此无法获得作为磁性存储器的特性。如此一来，对于用于磁性存储器的MTJ，就需要在当前技术水平下两个看似矛盾的方面取得平衡：“制造干净的层叠结构”和“磁性存储层的纳米结构化”。

图1所示为使用透射电子显微镜观察本研究开发的铁-锰基合金制成的MTJ横截面。将形成有MTJ薄膜的晶圆从成膜设备中取出，在进行热处理之前可以确认元素均匀分布在平坦的磁性存储层中；而在特定条件下进行热处理时，铁-锰基合金会发生旋节线分解，导致磁性存储层中铁元素的成分出现周期性波动。这里的关键在于，从明场像的比较可以看出，旋节线分解前后，MTJ的微观薄膜结构或晶体结构没有发生变化。换句话说，本研究表明，通过使用旋节线分解，可以在保持MTJ所需的洁净层叠结构的同时，将纳米结构引入磁性存储层。

图1：使用透射电子显微镜观察本研究开发的MTJ的断面结构

本次开发的磁性存储层的磁性特性的评估结果如图2所示。与仅利用对应“0”和“1”的两种磁化状态的磁性存储器不同，磁性忆阻器利用磁性存储层的逐步磁化反转。传统的Co-Fe-B合金在约1毫特斯拉的弱磁场下即可发生磁化的同时反转，因此无法稳定维持磁性忆阻器中重要的部分磁化反转的中间状态。另一方面，通过旋节线分解将磁化在纳米尺度上“分割”的铁-锰基合金，其磁化状态可维持至约50毫特斯拉，且随着磁场强度的进一步增加，磁化反转逐渐进行，并伴随着表达“0”和“1”之间状态所必需的中间状态。这些特性对于控制磁忆阻器的中间状态并稳定地维持该状态至关重要。

图2：本研究开发的磁性存储层的磁性特性的评估结果

接下来，研究小组将采用铁-锰基合金的MTJ加工成一个直径为200纳米的微小圆柱状元件，并利用磁性忆阻器模拟突触功能，如图3所示。在图3a中，研究小组通过向磁性忆阻器施加一个电压脉冲，研究了脉冲施加后元件电导的变化。突触连接神经元，并在调节神经元之间电信号的传输效率（权重）方面发挥作用。在使用磁性忆阻器的类脑系统中，用磁性忆阻器的电导代表突触权重。

本研究通过对磁性忆阻器施加连续的同极性脉冲，可以重现“长期增强”（电导增加）和“长期抑制”（电导随着连续施加极性反转脉冲而降低）现象。此外，这些长期增强与长期抑制现象可以通过宽度仅为几纳秒的脉冲进行控制，这表明本研究开发的磁性忆阻器能够实现极高的运行速度。

此外，为了在类脑系统中进行更具体的应用，研究小组旨在利用磁性忆阻器来重现“尖峰时间依赖性可塑性（STDP）”，其中突触权重会根据突触前后连接的神经元的电信号到达时间的差异而变化。在图3b中，研究小组改变时间差(Δt)的同时，向磁性忆阻器施加锯齿波形尖峰①和由两个极性相反的脉冲组成的尖峰②，研究了该时刻电导的变化。结果表明，时间差越小，电导变化越大，且变化方向会根据时间变化而反转。尤其是，研究小组证实了一种非对称的STDP学习规则：当尖峰①紧随尖峰②之后时，权重降低；而当尖峰①紧随尖峰②之前时，权重增加。在使用磁性忆阻器的类脑系统中，突触权重通过依次累加图3b所示的电导变化来更新和学习。

图3 使用本研究开发的磁性忆阻器模拟突触功能

今后计划

研究小组将对此次开发的磁性忆阻器进行阵列化，并评估其作为实用元件的特性，例如重写耐久性和元件间差异，同时进一步推进元件的小型化和集成化。此外，为实现使用磁性忆阻器的类脑系统，研究小组将开展原理验证实验，从简单的处理（例如手写字符识别）开始，并在与材料开发进行相互反馈的同时，继续进行研发。

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2026/pr20260109/pr20260109.html

DOI：10.1002/adfm.202523154

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