今や石油と並ぶ戦略物資となった半導体。この半導体の産業構造に地殻変動を起こすかもしれない技術が、杜(もり)の都・仙台の地で着々と準備されている。技術の名は「スピントロニクス」。半導体の世界のみならず、未来のコンピューターの姿まで変えるポテンシャルを秘める。地盤沈下著しい日本の半導体産業の立ち位置を変える切り札としても期待が高まっている。一般に半導体といえば電気で動くエレクトロニクス部品だが、スピントロニクスは電気と、電子の持つスピンが生む磁気も使う。この技術を使ったメモリー製品の量産は2018年から始まっており、市場ができつつある。この研究で世界をリードするのが東北大学 国際集積エレクトロニクス研究開発センター(CIES)だ。今回から2回にわたり、CIESセンター長を務める東北大の遠藤哲郎教授に、スピントロニクス半導体について聞く。(聞き手:高山 和良、山口 健(日経BP 総合研究所 主席研究員))

スピントロニクス半導体とパワーエレクトロニクス、2つの技術の「梁山泊」

──遠藤先生がセンター長をされている、東北大学「国際集積エレクトロニクス研究開発センター」(CIES: Center for Innovative Integrated Electronics Systems)は電気と磁気を両方使う新しい半導体技術であるスピントロニクス半導体と、モーターや電源などの制御に使われるパワーエレクトロニクスの研究開発で世界の先端を走る研究開発機関として知られています。スピントロニクス技術とは何なのか、またCIESはどんな役割を持っているのかについて教えてください。

遠藤教授(以下、敬称略):CIES、つまり国際集積エレクトロニクス研究開発センターは、スピントロニクスとパワーエレクトロニクスという2つの半導体技術における日本の橋頭堡、ある意味ではこの2つの技術の梁山泊にたとえられるのではないかと思っています。

スピントロニクスとは、ひと言で言うと、電気と、電子のスピンによる磁気を使う半導体技術のことです。略称でMRAM(エムラム、後の囲み記事を参照)、日本語で言うと磁気抵抗メモリーと呼ばれる新しい半導体メモリーに使われる技術になります。一般の人にはあまり知られていませんが、既に2018年からMRAM製品の量産が始まっていて、今まさに市場ができつつあるところです。

現在の代表的な半導体メモリーとしては、DRAM(ディーラム)やSRAM(エスラム)、それとハードディスクの代替が進むフラッシュメモリー、いわゆるNAND(ナンド)型フラッシュメモリー(以下、NANDフラッシュと略)がよく知られています。DRAMとSRAMは電源を切るとデータが消えてしまう揮発性メモリーで、NANDフラッシュは電源を切ってもデータが消えない不揮発性メモリーです。

技術用語解説:MRAM、DRAM、SRAM、フラッシュメモリー

MRAMはMagnetoresistive Random Access Memoryの略。磁気抵抗メモリーなどと呼ばれる。東北大学が開発を進めているのは、主として磁気トンネル接合(Magnetic tunnel junction、MTJ)素子を使う「スピン注入磁化反転型MRAM」(STT-MRAM:Spin Transfer Torque -MRAM)と、さらにそれを発展させた次世代の「スピン軌道トルク型磁気トンネル接合素子」(SOT-MTJ:Spin Orbit Torque ーMTJ)を使ったSOT-MRAM(Spin Orbit Torque-MRAM)である。ここでは特に断らない限りMRAMとはSTT-MRAMを指すものとする。

DRAMはDynamic Random Access Memoryの略、SRAMはStatic Random Access Memoryの略で、共に代表的な半導体メモリーの形式。DRAMはコンピューターの主記憶として使われる、メモリーLSIの中でも容量が大きく、最も大量に生産されている製品である。一方のSRAMは、DRAMより読み書きが速いので一時的に記憶させるキャッシュメモリーなど、高速動作が求められるところに使われる。DRAMに比べると技術的に大容量化しにくく、容量当たりの価格も高い。どちらも電源を切るとデータが失われる揮発性メモリー。

NANDフラッシュはフラッシュメモリーの1種で、電源を切ってもデータが失われない不揮発性メモリーの代表的なもの。3次元積層の技術が進化して大容量化が進んでいる。半導体デバイスとしては読み書きのスピードは遅いので外部記憶装置に使われハードディスクの置き換えが進んでいる。「NAND」とは「Not AND」の略。半導体デバイスの基本となる論理回路には「AND」(論理積)や「OR」(論理和)などいくつかあるが、「AND」回路の出力の逆を出力するのが「NAND」回路と考えればいい。NANDフラッシュは、この「NAND」の仕組みを使っている。NANDフラッシュのほかにNORフラッシュがある。