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» 2016年05月24日 11時30分 公開

MRAMの記憶素子「磁気トンネル接合」福田昭のストレージ通信(29) 次世代メモリ、STT-MRAMの基礎(7)(2/3 ページ)

[福田昭,EE Times Japan]

 同じトンネル接合でも、金属薄膜が強磁性体だと様相が異なってくる。まずは磁化の方向を考慮しなければならない。2枚の強磁性金属薄膜は面内方向に磁化しており、両者の磁化の方向が平行(同じ向き)である場合(平行状態)と、反平行(逆向き)である場合(反平行状態)を想定する。このような素子を「磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunneling Junction)」と呼ぶ。

 平行状態の場合、電子のスピンはいずれの金属薄膜でも同じ方向である。するとトンネル効果(磁気トンネル効果)が起こり、電子が絶縁膜を通過する。電気抵抗は低い状態になる。

 反平行状態の場合、金属薄膜同士で電子スピンの方向が逆向きである。このときはトンネル効果がほとんど起こらない。電気抵抗は高い状態になる。

 この性質を利用すると、2値のデータを記憶できる。平行状態と反平行状態を制御することでデータを記憶するのが、MRAMにおける磁気記憶の原理である。そして平行状態と反平行状態で抵抗値の差が大きいほど、大きな信号を読み出せることになる。

2枚の磁性体薄膜と極めて薄い絶縁膜によるトンネル接合素子(磁気トンネル効果)。出典:CNRS

固定層と自由層の磁化方向がデータの値を決める

 MRAM用の磁気トンネル接合(MTJ)素子では、2枚の強磁性体薄膜のなかで1枚は磁化の方向を動かせない層、もう1枚は磁化の方向を自由に動かせる層となっている。前者を「固定層」、後者を「自由層」と呼ぶ。

 電子スピンによる磁気モーメントは離散的な存在で、上向き、あるいは、下向きである。磁化が生じていないときは、上向きの磁気モーメントを備えた電子(上向きの電子)と、下向きの磁気モーメントを備えた電子(下向きの電子)の数(厳密には「状態密度」)が等しい。常磁性体では通常、このような状態にある。

 これに対して強磁性体では、上向きの電子の数と、下向きの電子の数(状態密度)に偏りがある。例えば上向きの電子が多ければ、強磁性体は上向きの磁気モーメントを備えるように磁化されている。下向きの電子が多ければ、磁化は逆向き(下向き)になる。

 磁気トンネル接合(MTJ)の固定層とは、電子のスピン(磁気モーメントの向き)に偏りがあり、なおかつ、この偏り(「電子スピン偏極」と呼ぶ)が変えられない層だといえる。そして自由層とは、何らかの手段によって電子スピンの偏りを変えられる層といえる。

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