スピン注入による磁化反転の動作：福田昭のストレージ通信（32） 次世代メモリ、STT-MRAMの基礎（10）（1/2 ページ）

今回は、磁気トンネル接合（MTJ）素子における、電子スピン注入による磁化（磁気モーメント）の振る舞いについて解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

磁気トンネル接合（MTJ）の磁化状態を電子スピンで変える

　国際会議「IEDM」のショートコースでCNRS（フランス国立科学研究センター）のThibaut Devolder氏が、「Basics of STT-MRAM（STT-MRAMの基礎）」と題して講演した内容を紹介するシリーズの第10回である。

　前回は、電子スピンの注入によるデータ書き込み（磁化反転）の原理を説明した。今回は、電子スピンの注入による磁化（磁気モーメント）の振る舞いを解説する。

　まず、横置きにした磁気トンネル接合（MTJ）素子を考えよう。左に厚い強磁性体層（F1層）がある。F1層の磁化は垂直な上向きで、固定されている。中央には薄い絶縁層がある。右には薄い強磁性体層（F2）があり、垂直な下向きに磁化されている。従って磁気トンネル接合（MTJ）は反平行の状態（論理値「1」）にあることが分かる。F2層の磁化は固定されておらず、磁界によって動く。

　ここで左端に仮想的な金属電極（常磁性体）を配置し、金属電極からF1層に電子を注入する。電子には上向きの磁気モーメントを備えた電子（上向き電子）と、下向きの磁気モーメントを備えた電子（下向き電子）がある。電子がF1層に突入すると、F1層の磁化方向と同じ上向きの電子は通過するが、下向きの電子はF1層によって反射される。この結果、上向きの電子だけが絶縁層に到達する。

　上向きの電子は絶縁層を抜けてF2層に突入する。F2層の磁化（下向きの磁気モーメント）と上向きの電子の間で交換相互作用が生じる。すると、F2層の磁化には上向きのトルクが発生する。電流密度（すなわち電子の密度）がある程度以上に高くなると、上向きのトルクが増大し、F2層の磁化は上向きに反転する。この結果、MTJは平行状態（論理値「0」）となる。

反平行状態の磁気トンネル接合（MTJ）素子に電子スピンを注入して平行状態に変化させる（論理値「0」を書き込む）仕組み。左から右へ電子を流す（クリックで拡大） 出典：CNRS