メディア

MTJにおけるトンネル障壁層の重要性：福田昭のストレージ通信次世代メモリ、STT-MRAMの基礎（12）（2/2 ページ）

» 2016年06月10日 11時30分公開

[福田昭，EE Times Japan]

材料の違いによるトンネル伝導の違い

　MTJでトンネル障壁層を通過する（波動関数がトンネル障壁層に染み出す）ブロッホ状態は主に3種類ある。アルミナのトンネル障壁層は、この3種類のブロッホ状態をほぼ同じように通していた。

トンネル障壁層の材料の違いによるトンネル伝導の違い 出典：CNRS
左の図はアモルファス状態のアルミナ膜（アルミニウム酸化膜）をトンネル障壁層に採用したMTJ。3種類のブロッホ状態（桃色の矢印）の電子がトンネル障壁層を通過する。右の図は酸化マグネシウム（MgO）の結晶をトンネル障壁層に採用したMTJ。3種類のブロッホ状態（桃色の矢印）の中で、右端のブロッホ状態だけがほとんどそのまま、トンネル障壁層を抜ける。そのほかのブロッホ状態はトンネル障壁層内で著しく減衰する。

　これに対して酸化マグネシウム（MgO）結晶のトンネル障壁層は、ブロッホ状態の選択性が強い。3種類の中で2種類のブロッホ状態の電子（状態密度）はトンネル障壁層内で大きく減少し、ほぼゼロになってしまう。つまり、トンネル障壁層を通過しない。残りの1種類のブロッホ状態だけがトンネル障壁層ないであまり減少せず、トンネル電流となる。

　ここで極めて重要な点は、トンネル電流となるブロッホ状態が、理論的には巨大なMR比を生じるということだ。酸化マグネシウム（MgO）結晶をトンネル障壁に採用したMTJの研究は2004年以降も順調に進み、最近では実験室レベルで600％という巨大なMR比が得られた。また最近のMRAM開発ではMTJのトンネル障壁層にはほぼすべて、MgO結晶が使われている。

（次回に続く）

スピン注入型MRAMの微細化（スケーリング）
STT-MRAMの記憶容量を拡大する最も基本的な方法が、微細化だ。現時点でSTT-MRAMは、研究レベルでかなりのレベルまで微細化できることが分かっている。実際の研究結果を交えて紹介しよう。
STT-MRAMの基礎――情報の蓄積に磁気を使う
次世代不揮発メモリの候補の1つに、STT-MRAM（スピン注入磁化反転型磁気メモリ）がある。データの読み書きが高速で、書き換え可能回数も多い。今回から始まるシリーズでは、STT-MRAMの基本動作やSTT-MRAが求められている理由を、「IEDM2015」の講演内容に沿って説明していこう。
MRAMの記憶素子「磁気トンネル接合」
今回は、磁気トンネル接合素子に焦点を当てる。磁気トンネル接合素子においてどのように2値のデータを保持できるのか、その仕組みを解説したい。
STT-MRAMでSRAM比1/10以下の消費電力を達成
東芝と東京大学は2016年2月1日、「あらゆる種類のメモリと比べ世界最高の電力性能」というMRAMを開発したと発表した。