JP2004103661A

JP2004103661A - 磁気メモリ、その製造方法、磁気メモリを用いた磁気記録再生装置及びメモリセル

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Publication number: JP2004103661A
Application number: JP2002260379A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Kawamura; 河村　紀一; Hideji Miyaoka; 宮岡　秀治; Fumio Komori; 小森　文夫
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: JP4328072B2

Abstract

【課題】高密度記録を実現可能な磁気メモリ、その製造方法、磁気メモリを用いた磁気記録再生装置およびメモリセルを提供する。
【解決手段】結晶方位［１１０］方向に１°〜３°傾斜させた（００１）面を主面とするＣｕの単結晶基板１１と、その主面上に正方形の窒素よりなるパッチ要素が分離されて配置されてなる窒素パッチ１２と、パッチ要素を分離するＣｕラインの交差点上に形成された磁性ドット１３とよりなり、磁性ドット１３の磁化の方向の組合わせにより形成される内部状態に基づいて情報を保持する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気メモリおよびその製造方法、メモリセル並びに磁気メモリを用いた磁気記録再生装置に関し、特に数ｎｍ〜数十ｎｍの大きさの離散的な微小構造体を有する磁性ドットよりなる磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気記録・光記録媒体の記録密度は６０％／年の伸びを上回るスピードで開発が進められている。このような記録媒体の用途も年々拡大されており、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＨＤＤ等がテレビジョン画像記録に用いられるようになってきている。このような動画の容量は、１時間の動画に対して数十ＧＢを要するため、大容量の記録媒体が不可欠となっている。
【０００３】
一方、通信環境の整備が進み、数百Ｍｂ／ｓの通信速度のインターネット通信が使用されるようになっており、高速度のアクセスが可能な記録媒体がますます不可欠となっている。
【０００４】
このような状況下、次世代記録媒体として、フォトリソグラフィによるパターン媒体や、有機分子の自己組織化を用いた均一微粒子媒体が検討されている。これらの記録媒体は、従来の磁気記録技術で問題となっている磁性粒子間の相互作用を切って、１つの磁性粒子あるいは磁性ドットに１ビットの情報を担持させるもので、現在の磁気記録媒体の限界に到達しようとするものである。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｆ．　Ｋｏｍｏｒｉ　ｅｔ　ａｌ：Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｂ，　６３，　２１４４２０（２００１）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の磁気記録のメカニズムを用いた磁気記録媒体では、磁性粒子あるいは磁性ドットを可能な限り小さくかつ高密度に配置しても、１つの磁性粒子は１ビットの情報しか有しないためその記録密度の向上には限界が生じるという問題がある。
【０００７】
したがって、本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、より高密度記録を実現可能な磁気メモリ、その製造方法、磁気メモリを用いた磁気記録再生装置およびメモリセルを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、所定の結晶方位に微小角傾斜させた面を主面とする単結晶基板と、前記主面上に所定の平面形状を有する窒素層のパッチ要素が分離されてなる窒素パッチと、隣合う前記パッチ要素の境界上に自己選択的に形成された磁性ドットとよりなる磁気メモリが提供される。
【０００９】
本発明によれば、Ｃｕなどの単結晶基板上に形成される窒素層は、基板面の格子定数と窒素の格子定数の差違により規則的に分離され、分離された窒素層よりなるパッチ要素が形成される。このパッチ要素間に現れる単結晶基板のラインの交差点上にＣｏなどの磁性元素等が自己選択的に堆積し、磁性ドットが形成される。更に、微小角傾斜した単結晶基板を用いることにより、基板面に現れるステップによりパッチ要素の集合である窒素パッチが分離され、窒素パッチの上に形成された磁性ドットの磁気的相互作用を周期的に切断することができる。したがって、磁気的相互作用を及ぼし合う複数の磁性ドットよりなるメモリセルが形成され、単結晶基板に多数のメモリセルが形成された磁気メモリが実現できる。
【００１０】
磁気的相互作用を互いに及ぼし合う複数の前記磁性ドットを有するメモリセルよりなる構成とする。また、このメモリセル内の磁性ドットの各々磁化の方向の組み合わせに基づいて情報を記憶する構成とする。磁化の方向の組合わせにより、エネルギー的に安定又は準安定な状態に情報を割当てて、メモリセルに多重性を付与することができ、より高密度の記録が可能となる。
【００１１】
前記単結晶基板はＣｕよりなり、前記主面は（００１）面である構成とする。また、前記所定の結晶方位は［１１０］方向であって、かつ前記所定数が４または４の倍数である構成とする。また、前記微小角が１度〜３度の範囲である構成としてもよい
また、前記磁性ドットは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐｄ、ＲｈおよびＲｕの群のうち少なくとも１種の元素を含む構成としてもよい。また、前記磁性ドットは、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕおよびＰｔの群のうち少なくとも１種の元素を更に含むこと構成としてもよい。
【００１２】
本発明の他の観点によれば、所定の結晶方位に微小角傾斜させた面を主面とする単結晶基板を清浄化する工程と、次いで前記主面の表面を窒化処理する工程と、次いで所定温度で加熱処理する工程と、次いで磁性材料を蒸着する工程とを含む磁気メモリの製造方法が提供される。
【００１３】
本発明によれば、上述したように、清浄な単結晶基板上に窒化処理により単結晶基板を構成する原子と窒素原子が結合し、加熱処理により窒素パッチが形成され、その上にＣｏなどの磁性ドットが自己選択的に堆積する。さらに所定の結晶方位に微小角傾斜された単結晶基板を用いるので、基板表面にステップが現れ、このステップにより磁性ドットの磁気的相互作用が切断される。このような方法により、清浄な単結晶基板上の窒素および磁性材料の特異的な結晶成長を用いて、磁気的相互作用を及ぼしあう複数の磁性ドットを単位とする磁気メモリを形成することができる。
【００１４】
前記工程は超高真空装置内で行う構成とする。窒素及び磁性材料の規則的配置を一層確保することが可能となる。
【００１５】
本発明のその他の観点によれば、前記磁気メモリと、書き込み手段と、読み出し手段とよりなる磁気記録再生装置が提供される。前記書き込み手段は、偏極電子の注入、偏極レーザ光の照射若しくは、マルチ磁化プローブによる磁化転写によるものであってもよい。また、前記読出し手段は、磁気力顕微鏡、又は円偏光した光子若しくは電子の照射によるものであってもよい。
【００１６】
本発明によれば、前記磁気メモリの微細な磁性ドットの磁化の方向を電子注入、偏極レーザ光、磁化転写などにより転移させ、また、磁気力顕微鏡、円偏光した光子若しくは電子の照射により磁化の方向を読出す。したがって、微細な書込みおよび読出し手段を用いているので、微細な磁性ドットの読み出し・書き込みが可能となる。その結果、高密度記録再生が可能である。
【００１７】
本発明のその他の観点によれば、所定の方向を有する複数の磁化の組み合わせにより決定される内部状態に基づいて情報を保持するメモリセルが提供される。
【００１８】
本発明によれば、メモリセル内の磁化同士の磁気的相互作用により、安定又は準安定な磁化方向の組合わせ、すなわち内部状態が決定され、その内部状態に情報を付与する。したがって、メモリセルは内部状態の数の情報を有することが可能となり、メモリセルは多値の情報を有することが可能となる。
【００１９】
前記磁化の方向が同一の円周の接線方向であって、磁化の向きが右回りまたは左回りである内部状態を有する構成とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を磁気メモリ及びメモリセルの構成、磁気メモリの製造方法、メモリセルの内部状態、磁気メモリの書込み方法および読み出し方法について、順に説明する。
【００２１】
（磁気メモリ及びメモリセルの構成）
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１（Ａ）は本発明の実施の形態の磁気メモリを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【００２３】
図１（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、本実施の形態の磁気メモリ１０は、Ｃｕなどの単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に形成された窒素層が分離されて正方形状となったパッチ要素（図示せず）が複数分離されてなる窒素パッチ１２と、窒素パッチ１２上に形成されたＣｏなどよりなる磁性ドット１３より構成されている。
【００２４】
単結晶基板１１、例えばＣｕ単結晶基板は、（００１）面を主面として、［１１０］方向に微小角（１°〜３°）傾斜している。このような単結晶基板１１では、（００１）面の結晶面が一定の間隔でいわゆるステップ１４により分離され、分離された個々の区画はテラス１５を形成する。テラス１５は（００１）面の同一の結晶面よりなっている。ステップ１４は、同じＩｎｄｅｘを有する隣合う結晶面との段差であり、Ｃｕのようなｆｃｃ（面心立方格子）の結晶構造の場合、ステップ１４は格子定数の高さを有するので、テラス１５上に形成された窒素パッチ１２はステップで完全に分離される。その結果、窒素パッチ１２の上に形成されている磁性ドット１３は、隣接する窒素パッチ１２の磁性ドット１３と分離され、磁気的な相互作用が切られている。一方、窒素パッチ１２上の例えば４つの磁性ドット１３は、互いに磁気的な相互作用を及ぼし合う。このような構成により、磁気メモリ１０の一単位であるメモリセル１６が形成される。なお、単結晶基板１１は、Ｃｕの他、シリコン、ＭｇＯ、サファイアなどを用いることができ、また、これらの単結晶層が形成された基板であってもよい。
【００２５】
図２（Ａ）はメモリセルを拡大して示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【００２６】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照するに、メモリセル１６は、上述したように、単結晶基板１１と、単結晶基板１１上に形成された窒素パッチ１２と、窒素パッチ１２上に形成された磁性ドットよりなるが、窒素パッチ１２は、窒素からなる正方形のパッチ要素１８が分離されてマトリクス状に配列された構成となっている。
【００２７】
パッチ要素１８は、厚さ方向が単原子あるいは数原子層の窒素からなり、窒素はＣｕと結合している。窒素とＣｕとの格子定数の差違により、Ｃｕの（００１）面上に窒素層が連続して形成されず、パッチ要素１８は、面内方向で周期的に分離されて形成される。パッチ要素１８は一辺が約５ｎｍ程度のほぼ正方形の形状を有している。この形状及び大きさは、単結晶基板面の選択とその面の傾斜角度により制御可能である。
【００２８】
隣合うパッチ要素１８間にはＣｕの単結晶基板１１が露出しており、これをＣｕライン１９と呼ぶ。このＣｕライン１９の交差点に磁性ドット１３が自己選択的に配置される。
【００２９】
このように磁性ドット１３が自己選択的に配置されるのは、窒素吸着面上よりＣｕ上の方が、金属原子が吸着安定化しやすいためであると考えられる。
【００３０】
磁性ドット１３は、１または数原子層の厚さを有し、直径約２ｎｍの円盤状に形成されている。磁性ドット１３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの他、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐｄ、ＲｈおよびＲｕの群のうち少なくとも１種の元素からなり、強磁性体あるいは反強磁性体を形成し磁化を有している。また、磁性ドット１３の磁化及び隣接する磁性ドット１３間の相互作用を調整する点でＣｕ、Ａｇ、ＡｕおよびＰｔの群のうち少なくとも１種の元素を更に含んでもよい。結晶磁気異方性が大きな規則化合金、例えばＦｅＰｔ、ＦｅＰｄまたはＣｏＰｔが高温でも超常磁性に相転移せず磁化が安定する点で更に好ましい。同様にＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄの人工格子膜も同様に好ましい。
【００３１】
図３は、本実施の形態の磁気メモリの磁気特性を示す図である。図３中、縦軸はＫｅｒｒ回転角、横軸は印加磁場であり、ループの方向を矢印で示す。また、基板面に平行に磁場を印可している。図３を参照するに、９９Ｋにおけるヒステリシスループは、磁気メモリの各磁性ドット１３が強磁性であることを示している。ここで特徴的な点は、ループの微細構造にある。すなわち、図３に示すように、Ｋｅｒｒ回転角が飽和後、磁場を減少させるとＫｅｒｒ回転角が減少して反転する前に、さらにＫｅｒｒ回転角が一定の部分が存在する。これは準安定状態が存在することを示している。すなわち、磁性ドット１３の磁化が印加磁場の方向より変化して、ある方向に固定されていることを示し、メモリセル１６内の磁性ドット１３同士に相互作用が存在することが分かる。
【００３２】
上述したように、本発明の実施の形態の磁気メモリ１０は、Ｃｕなどの単結晶基板１１上に形成された窒素層が、基板面の格子定数と窒素の格子定数の差違により規則的に分離される。分離されたパッチ要素１８間に表れる単結晶基板１１のラインの交差点上にＣｏなどの磁性材料等が自己選択的に堆積し、磁性ドット１３が形成され、更に、微小角傾斜する単結晶基板に現れるステップにより窒素パッチ１２が分離され、その上に形成された磁性ドット１３の磁気的相互作用が周期的に切断される。その結果、メモリセル１６内の磁性ドット１３は磁気的相互作用を及ぼし合い、メモリセル１６間は磁気的相互作用が切断された磁気メモリ１０が形成される。
【００３３】
なお、磁性ドット１３間の距離及び配置、メモリセル１６内の磁性ドット１３の数は、単結晶基板１１の材料、傾斜させる結晶方位および角度により制御可能である。
【００３４】
（磁気メモリの製造方法）
図４は、本実施の形態の磁気メモリの製造工程を示すフローチャートである。
本実施の形態の磁性メモリの製造方法を図４を参照しながら説明する。
【００３５】
以下に説明する工程は総て超高真空（ＵＨＶ（Ｕｌｔｒａ　Ｈｉｇｈ　Ｖａｃｕｕｍ））装置において行う。超高真空装置は、そのチャンバ内を１×１０^−１０Ｔｏｒｒより高真空にすることが可能な装置である。かかる高真空を達成できる装置により、不純物ガス等に阻害されず、単結晶基板上に規則的な窒素パッチのパッチ要素を形成することが可能となり、かつ、磁性ドットがパッチ要素の境界であるＣｕラインの交差点上に自己選択的に形成可能となる。
【００３６】
先ず、Ｃｕの単結晶基板１１の磁気メモリ１０を形成する基板面を超高真装置のチャンバ内で清浄化する（Ｓ１０１）。具体的には、［１１０］方向に傾斜する（００１）の微傾斜面を有するＣｕの単結晶基板１１をチャンバでＡｒイオン（例えば加速エネルギ５００ｅＶ）をスパッタして、基板表面の付着物をＡｒイオンにより物理的に叩き出して清浄化する。
【００３７】
次の工程では、かかるスパッタにより形成された歪みを除去する（Ｓ１０２）。具体的には、例えば基板温度９７０Ｋ、１０〜２０分間熱処理を行う。加熱は基板載置台内に設けられたヒータあるいはＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法などを用いることができる。なお、上記スパッタと熱処理は、チャンバ内の真空度を一旦１×１０^−１０Ｔｏｒｒに排気後に行う。
【００３８】
次の工程では、清浄化された基板表面に窒素イオン（例えば加速エネルギ５００ｅＶ）をスパッタする（Ｓ１０３）。具体的には、例えば基板温度６００Ｋ、熱処理時間５分に設定する。なお、Ｃｕの単結晶基板１１に反応するイオン電流量をモニタしながら熱処理を行う。また、チャンバにゲートバルブを介して接続された他方のチャンバ内に配設したＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により、形成された窒素パッチ１２を確認してしてもよい。より正確に製造工程を把握することができる。この工程によりＣｕの単結晶基板１１上に窒素層のパッチ要素１８からなる窒素パッチ１２が形成される。
【００３９】
次の工程では、Ｃｏをアルミナ製のるつぼによる熱蒸着法により１または数原子層の磁性ドットを形成する（Ｓ１０４）。具体的には、基板温度を室温とする。また、蒸着速度を例えば０．１原子層／分、蒸着時の真空度を５×１０^−１０Ｔｏｒｒより低く設定する。なお、Ｃｏ蒸着量をモニタするため膜厚モニタを用いてもよい。この工程によりパッチ要素の境界であるＣｕラインの交差点に磁性ドット１３が自己選択的に形成される。
【００４０】
以上により、図１および図２に示す磁気メモリ１０が形成される。
【００４１】
なお、本実施の形態の磁性メモリの製造工程では、磁性ドットとしてＣｏを蒸着したが、上述した磁性材料を蒸着してもよい。磁性材料が２元系合金あるいはそれ以上の合金より成るときは複数のるつぼを用いるか、あるいは合金材料を用いても良い。また、磁性ドットを形成後にその上に保護膜を形成してもよい。磁性ドットの磁化の酸化等による経時的安定性を向上することができる。
【００４２】
（メモリセルの内部状態）
次にメモリセルの磁化状態について説明する。本発明は、メモリセルの磁気ドットの磁化の方向の組み合わせに基づいて、メモリセルに多値の情報を保持させることが可能な点に新規な特徴がある。
【００４３】
図５は、メモリセル内の４個の磁性ドットの磁化の方向を示す図である。図５を参照するに、上述したように、磁性ドット１３の厚さおよび大きさはほぼ同等なので各々の磁化Ｍ_１〜Ｍ_４の大きさはほぼ等しい。そして、磁性ドット１３は互いに５ｎｍ程度離れて配置されているので、磁性ドット１３は互いに静磁気的相互作用を及ぼし合う。したがって、磁化Ｍ_１〜Ｍ_４のエネルギー的に安定な方向は、例えば図５に示す磁化Ｍ_１は、隣合う磁性ドット１３の磁化Ｍ_２及びＭ_３との静磁気相互作用を受けるので、磁性ドットを結んだ線に対してほぼ４５°をなす方向、すなわち図５中のδはほぼ４５°である。
【００４４】
図６は、メモリセルのエネルギー的に安定あるいは準安定な磁化の方向の組み合わせを示す図である。図６を参照するに、エネルギー的に安定あるいは準安定な磁化の方向の組み合わせ（以下内部状態と呼ぶ）は１６通りある。すなわち、メモリセルの多重度が１６であることを意味する。具体的には、メモリセルの多重度１６の内部状態は、４つの磁性ドットが載る円の一方向を磁化が向いた内部状態Ａと、対角する磁化同士が反対を向いた内部状態Ｂと、隣り合う２つの磁化のうち一方の磁化とは磁力線が円滑に接続でき他方とは反強磁性的に向いた内部状態Ｃ_１〜Ｃ_４と、隣り合う２つの磁化のいずれの磁化とも反強磁性的に向いた内部状態Ｄ_１〜Ｄ_２、及びこれらの反転対称である内部状態Ａ’，Ｂ’，Ｃ’_１〜Ｃ’_４，Ｄ’_１〜Ｄ’_２とによりなっている。
【００４５】
これらの内部状態は、外部から見れば準安定または安定状態と考えることができる。したがって４つの磁性ドットにより１６通りの情報を保持させることが可能となる。
【００４６】
図７はメモリセルの内部状態を遷移させる操作を示す図である。図７を参照するに、内部状態Ａを内部状態Ｃ’_２に遷移させる操作は、内部状態Ａの上段の２つの磁化を貫く回転軸αの周りに２つの磁化を同じ方向に１８０°回転させる。また、内部状態Ａを内部状態Ｃ’_１に遷移させる操作は、内部状態Ａの左列の２つの磁化を貫く回転軸βの周りに２つの磁化を同じ方向に１８０°回転させる。
【００４７】
【数１】

このような遷移操作は以下のように記述することができる。内部状態Ａは、式（１）のように、４つの磁化の状態をｘ_ｋｊで表し、２行２列の行列として表すことができる。それに対して、内部状態を遷移する操作は、式（２）及び（３）に示すように、上述した回転軸α及びβの周りに対称の回転操作をする演算子Ｊ_αｋ及びＪ_βｋを用いて、式（４）で表すことができる。
【００４８】
図８（Ａ）はメモリセルの内部状態の遷移、（Ｂ）はその遷移に沿った状態エネルギーの変化を示す図である。図８（Ａ）に示すように、内部状態Ａから矢印に沿って内部状態Ａ’まで遷移する場合の状態エネルギーの変化は、図８（Ｂ）に示すように、内部状態Ａ、Ａ’は安定状態であり、内部状態Ｃ、Ｄ、Ｃ’は準安定状態なので、それぞれの内部状態で保持することが可能である。
【００４９】
本実施の形態によれば、上述したように、メモリセルを形成する４つの磁性ドットの磁化の方向の組み合わせにより形成される、エネルギーの安定及び準安定な状態の内部状態により、１６通りの情報を保持することが可能である。したがって、より高密度の磁気メモリを実現することが可能である。
【００５０】
以下、本実施の形態の変形例について説明する。
【００５１】
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、磁性ドットが３つの場合のメモリセルを示す図である。図９（Ａ）を参照するに、メモリセルは３つの磁性ドットが三角形の各々の頂点に配置されている。これらの磁化のエネルギー的に安定な方向は、正三角形の頂点に配置されている場合は、磁性ドットを結んだ線に対して６０°をなす方向である。このような場合、エネルギー的に安定な内部状態は、図９（Ａ）に示すように、磁力線が略円となるように向いている場合で、２通りの内部状態がある。このように、磁性ドットを配置するためには、Ｃｕ（１１１）面において［１２１］、［２１１］、又は［１１２］の方位に１°〜３°の角度で傾斜させた基板により実現できる。
【００５２】
このような三角形の頂点に配置された磁性ドットを一単位として、この単位を組み合わせて、図９（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、３つの磁性ドット×３単位及び３つの磁性ドット×６単位、あるいは図示されないが３つの磁性ドット×１０単位のメモリセルを容易に構成できる。
【００５３】
（磁気メモリの書込み方法）
次に、上述した磁気メモリ１０に情報を書込む方法について説明する。
【００５４】
磁気メモリのメモリセルの内部状態を遷移させる原理は上述した通りである。以下内部状態を遷移させる方法を具体的に説明する。
【００５５】
図１０は、コヒーレントなスピンを有する電子を注入してメモリセルの内部状態を遷移させる様子を示す図である。以下、メモリセルは３つの磁性ドットからなる場合を例として説明する。図１０を参照するに、記録ヘッドは走査型プローブ２０よりなり、コヒーレントなスピンを有する電子（偏極電子）２１を注入可能に構成されている。この記録ヘッド２０は、メモリセル１６の磁性ドット１３の近傍にアクセスして、１つの磁性ドットに偏極電子２１を直接注入する。一方、メモリセル１６にはバイアス電場あるいは磁場が印可される。バイアス電場等の制御により、偏極電子を注入された磁性ドット１３の磁化Ｍの変化に基づいて、他の磁性ドット１３の磁化Ｍを変化させることができる。このような方法によりメモリセル１６の内部状態を遷移させることができる。
【００５６】
図１１は、偏極レーザ光によりメモリセルの内部状態を遷移させる様子を示す図である。図１１を参照するに、量子ドットレーザにより射出されたレーザ光２５を近接場領域においてメモリセル１６の１つの磁性ドット１３に照射する。磁性ドット１３の格子振動を増加させることなく、磁性ドット１３の磁化Ｍを構成する電子を光励起させ、電子温度を上昇させて、電子スピンのコヒーレントな振動振幅を増大させ、すなわち位相の揃った電子スピンの摂動を増大させることによって、磁化Ｍの向きのフロップの遷移確率を高くすることができる。すなわち、レーザ光２５の位相と磁化Ｍを構成する電子スピンの振動位相を干渉させて、磁化Ｍの反転を行う。この際、磁化Ｍの反転を制御するために、メモリセル１３にはバイアス電場又は磁場が印可される。このように偏極された近接場光によりメモリセル１６の内部状態を遷移させることができる。
【００５７】
図１２は、マルチ磁化プローブによりメモリセルの内部状態を遷移させる様子を示す図である。図１２を参照するに、記録ヘッドは、メモリセルの３つの磁性ドット１３と対応するように構成された３本のプローブ３１よりなるマルチ磁化プローブ３０よりなる。マルチ磁化プローブ３０の各々プローブの先端には、記録する磁化方向と同じ方向を有する磁化が形成されており、バイアス磁場を印可しながらプローブを磁化Ｍに接触させて転写させる。３つの磁性ドット１３に対してこの操作を同時に行うことにより、メモリセル１６の内部状態を遷移させることができる。
【００５８】
（磁気メモリの読出し方法）
次に、上述した磁気メモリの読出し方法について説明する。
【００５９】
図１３は、磁気力顕微鏡によりメモリセルの内部状態を読み出す様子を示す図である。図１３を参照するに、磁気力顕微鏡プローブ３５をメモリセル１６の３つの磁性ドット１３の中心に近づけ、３つの磁性ドット１３の磁化Ｍにより形成される磁場の方向を検知する。例えば、吸い込み方向である場合磁化Ｍは右回転、湧き出し方向である場合磁化Ｍは左回転であることを検知することができ、メモリセルの内部状態を読み出すことができる。また、３つの磁性ドットの総てを走査してそれぞれの磁性ドット１３の磁化Ｍの方向を検知してもよい。
【００６０】
図１４は、反射した電子又は光子の量によりメモリセルの内部状態を読み出す様子を示す図である。図１４を参照するに、位相の揃った光子４１_ＩＮを射出可能な光源、例えば量子ドットレーザ４０Ａ、４０Ｂより、メモリセル１６の磁性ドット１３に近接した位置から同位相で右円偏光した光子４１を磁性ドットに照射する。磁性ドット１３の磁化Ｍの方向により反射量が異なり、反射した光子４１_ＯＵＴは、照射した光子４１_ＩＮと同様の位相を有する光子と互いに干渉して干渉縞を形成する。また左円偏向した光子を照射して、同様に干渉縞を形成する。この２つの干渉縞のパターンをフォトディテクタ４２などにより測定して磁化Ｍの方向を検知することができる。各々の磁性ドットの方向を検知することによりメモリセル１６の内部状態を読み出すことできる。なお、光子４１の代わりに電子を用いることができる。
【００６１】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、Ｃｕなどの単結晶基板上に形成された窒素層のパッチ要素からなる窒素パッチの上にＣｏなどの磁性元素等が自己選択的かつ規則的に堆積し磁性ドットが形成される。更に、微小角傾斜した単結晶基板を用いることにより窒素パッチが分離され、その上に形成された磁性ドットの磁気的相互作用が周期的に切断される。したがって、メモリセル内は磁気的相互作用を及ぼし合う複数の磁性ドットよりなり、メモリセル間は磁気的相互作用が切断された磁気メモリを形成することが可能となる。さらに、メモリセルを形成する複数の磁性ドットの磁化の方向の組合わせにより形成される、エネルギーの安定及び準安定な状態の内部状態により、メモリセルは多値の情報を保持することが可能である。したがって、より高密度の磁気メモリを実現することが可能である。
【００６３】
また、偏極電子の注入、偏極レーザ光の照射若しくは、マルチ磁化プローブによる磁化転写により書き込み、また、磁気力顕微鏡、又は円偏光した光子若しくは電子の照射によるものにより読出すことにより、微小な磁性ドットの磁化の方向を転移する。したがって、メモリセルの内部状態を遷移させることが可能であり、高記録密度の磁気記録再生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態の磁気メモリを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【図２】（Ａ）はメモリセルを拡大して示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本実施の形態の磁気メモリの磁気特性を示す図である。
【図４】本実施の形態の磁気メモリの製造工程を示すフローチャートである。
【図５】メモリセル内の４個の磁性ドットの磁化の方向を示す図である。
【図６】メモリセルの内部状態を示す図である。
【図７】メモリセルの内部状態を遷移させる操作を示す図である。
【図８】（Ａ）はメモリセルの内部状態の遷移、（Ｂ）はその遷移に沿った状態エネルギーの変化を示す図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、磁性ドットが３つの場合のメモリセルを示す図である。
【図１０】コヒーレントなスピンを有する電子を注入してメモリセルの内部状態を遷移させる様子を示す図である。
【図１１】偏極レーザ光によりメモリセルの内部状態を遷移させる様子を示す図である。
【図１２】マルチ磁化プローブによりメモリセルの内部状態を遷移させる様子を示す図である。
【図１３】磁気力顕微鏡によりメモリセルの内部状態を読み出す様子を示す図である。
【図１４】反射した電子又は光子の量によりメモリセルの内部状態を読み出す様子を示す図である。
【符号の説明】
１０　　磁気メモリ
１１　　単結晶基板
１２　　窒素パッチ
１３　　磁性ドット
１４　　ステップ
１５　　テラス
１６　　メモリセル
１８　　パッチ要素
１９　　Ｃｕライン
２０　　走査型プローブ
２５　　レーザ光
３０　　マルチ磁化プローブ
３５　　磁気力顕微鏡プローブ
４０Ａ、４０Ｂ　　量子ドットレーザ
４１_ＩＮ、４１_ＯＵＴ　　光子
Ｍ，Ｍ_１〜Ｍ_４　　磁化
Ａ，Ａ’，Ｂ，Ｂ’，Ｃ_１〜Ｃ_４，Ｃ’_１〜Ｃ’_４，Ｄ_１〜Ｄ_２，Ｄ’_１〜Ｄ’_２　　内部状態

Claims

所定の結晶方位に微小角傾斜させた面を主面とする単結晶基板と、
前記主面上に所定の平面形状を有する窒素層のパッチ要素が分離されてなる窒素パッチと、
隣合う前記パッチ要素の境界上に自己選択的に形成された磁性ドットとよりなる磁気メモリ。
磁気的相互作用を互いに及ぼし合う複数の前記磁性ドットを有するメモリセルよりなることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
前記メモリセル内の磁性ドットの各々磁化方向の組み合わせに基づいて情報を記憶することを特徴とする請求項２記載の磁気メモリ。
前記単結晶基板はＣｕよりなり、前記主面は（００１）面であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の磁気メモリ。
前記所定の結晶方位は［１１０］方向であって、かつ前記所定数が４または４の倍数であることを特徴とする請求項４記載の磁気メモリ。
前記微小角が１度〜３度の範囲であることを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ。
前記磁性ドットは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐｄ、ＲｈおよびＲｕの群のうち少なくとも１種の元素を含むことを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の磁気メモリ。
前記磁性ドットは、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕおよびＰｔの群のうち少なくとも１種の元素を更に含むことを特徴とする請求項７記載の磁気メモリ。
所定の結晶方位に微小角傾斜させた面を主面とする単結晶基板を清浄化する工程と、
次いで前記主面の表面を窒化処理する工程と、
次いで所定温度で加熱処理する工程と、
次いで磁性材料を蒸着する工程とを含む磁気メモリの製造方法。
前記工程は超高真空装置内で行われることを特徴とする請求項９記載の磁気メモリの製造方法。
請求項１〜８記載の磁気メモリと、書き込み手段と、読み出し手段とよりなる磁気記録再生装置。
前記書き込み手段は、偏極電子の注入、偏極レーザ光の照射若しくは、マルチ磁化プローブによる磁化転写であることを特徴とする請求項１１記載の磁気記録再生装置。
前記読み出し手段は、磁気力顕微鏡、又は円偏光した光子若しくは電子の照射によることを特徴とする請求項１１記載の磁気記録再生装置。
所定の方向を有する複数の磁化の組み合わせにより決定される内部状態に基づいて情報を保持することを特徴とするメモリセル。
前記磁化の方向が同一の円周の接線方向であって、磁化の向きが右回りまたは左回りである内部状態を有することを特徴とする請求項１４記載のメモリセル。