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）

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）