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）

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。

[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。