磁気トンネル接合(MTJ)素子
MTJ:Magnetic Tunnel Junction
TMR(Tunnel MagnetroResistance)素子とも。
構造
数nm程度の薄さの絶縁膜を2枚の強磁性体で挟んだ構造を持っている。
トンネル効果により、絶縁膜が非常に薄膜であるゆえに電子が絶縁膜のポテンシャル障壁を突き抜ける。電子が通り抜ける確率はポテンシャル障壁が低ければ大きくなり、高ければ小さくなる。
2つの強磁性体の磁化方向の向きにより抵抗値が異なる。これは磁気抵抗効果に基づく。2つの金属の磁化方向が平行であれば最小の、反平行であれば最大の抵抗値を示す。
2枚の強磁性体は保持力の異なるもので構成され、磁化反転しにくい層と反転しやすい層を形成する。前者を固定層、後者を自由層と呼ぶ。
保持力は物質の材質によって、もしくは強磁性体の厚さによって差異をもたせている。
絶縁膜の厚さは、抵抗値に大きく影響する。
\[
R\propto \exp(2\chi t)
\]
ここで\(\chi\)は次のように与えられる。
\[
\chi = \frac{8\pi^{2}m^{*}\sqrt{\Phi-E_{F}}}{h}
\]
スピン軌道トルク
電流を流すのは非磁性体であり、スピンホール効果を受けるようにする。
書き込み方式
- FIMS
- TAS
- CIS
Field-induced magnetization switching
Thermally-assisted switching
Current-induced switching
MRAM
原理
MRAMのセル構造には2種類あり、GMR効果を用いたものとTMR効果を用いたものである。
最初はGMR素子を用いたMRAM開発が活発だったが、現在はTMR素子を使うものが多く、TMR素子が一般的になっている。
フリー層とピン層は保持力が異なる金属を用いる。フリー層は柔かい磁性体、ピン層は硬い磁性体を用いる。もしくは層の厚さを変えることにより実現する。これをスピンバルブ型という。
交換バイアス型は、スピンバルブ型の下に反強磁性体を更かした構造を取る。
交換バイアス相互作用により、下側の強磁性体がピンされることにより直反転が行いにくくなる。つまりはピン層になる。
メモリセルとして用いる場合は情報の0と1を記憶しておく磁化方向が決まっている必要がある、つまりは異方的である必要がある。
異方性を持つものでも、磁化されやすい方向を容易軸、磁化されにくい方向を困難軸という。
TMR素子には磁気的な異方性を持たせることが必須である。簡単には長方形などの形状により持たせることができる。
書込み
読み出し
MRAMセルアレイには2種類存在する。
1つはクロスポイントMRAMであり、ビット線とワード線の交点にTMR素子を配置した構造を持つ。
もう1つは選択トランジスタ型MRAMであり、ワード線とTMR素子のあいだにトランジスタを挟む構造を持つ。
クロスポイントMRAMは、非常に単純な構造を持っているため集積化に向いているが、読み出しの際に他のTMR素子(セル)にも電流が回り込んでしまうという問題がある。
選択トランジスタ型MRAMは、回り込み電流は低減できるためSN比を稼ぐことが出来るが、集積化しにくいという問題がある。
他にもトランジスタではなくダイオードを用いるものや、TMR素子2個をコンプリメンタリに配置することにより、よりSN比を稼ぐ構造のものもある。
速度
典型的なMRAMアーキテクチャ(1T1J)について考える。
読み出し時間t readは以下のように推定することができる。
\[
t_{read}= C_B(R+R_{Tr})
\]
\(C_B\)...ビット線容量
\(R\)...TMRの抵抗
\(R_{Tr}\)...Trのオン抵抗
消費電力
書き換え耐性
磁性体の磁化反転は、原理的に制限が無いことが期待されている。
しかし、分極反転を繰り返すうちに分極量が減少してしまう疲労特性や、ヒステリシス曲線がシフトしてしまうインプリント特性などの問題が存在する。
MRAMは10^16回以上の書き換え耐性(無限回相当)を持つと言われている。
メモ
SOT-MRAMは、STT-MRAMのような書き込み時間とデータ保持時間の間のトレードオフの関係がない
Intelが、SOTとSTT-MRAMを一体化(似たような論文を読んだ気が…)
STTアシスト電流を用いて外部磁場の必要性をなくす
書き換え可能時間は10ns