JP6172850B2 - 磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および磁気記憶素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
第1実施形態による磁気記憶素子を図1(a)に示す。この第1実施形態の磁気記憶素子1は、磁性細線(Magnetic Nanowire)10と、複数の第1電極20i(i=1,・・・)と、複数の第2電極30i(i=1,・・・)と、読み出し部40と、書き込み部50と、を備えている。
書き込み部42は、非磁性層421、強磁性層422、電極423を有し、磁性細線10に接続される。電極423には図示しない信号源が接続される。書き込み時には、信号源から電極423に電位を加える。すると、電極423から電子が磁性細線10に向かって流れる際に、強磁性層422の磁化の向きにスピン偏極した電子流が流れる。このスピン偏極した電子流により、磁性細線10の磁化方向が変更される。
磁性細線中の磁壁において、その中心位置での磁化方向が第1方向に沿う、いわゆるネール型磁壁になる例を図15(a)乃至15(c)を参照して説明する。この場合もブロッホ型磁壁の場合と同様に、磁壁移動が開始されると磁壁中心での磁化方向は回転し、電流を切ると再びネール型磁壁となる。図15(a)は本磁壁移動方法を実施する前の電圧非印加時(t=t1)における磁性細線10内の一部領域の磁化方向分布を示し、図15(b)は磁壁が移動中のある時刻(t=t2)における磁化分布を示し、図15(c)は本磁壁移動方法を実施した後(時刻t=t3)の磁化分布を示す。
次に、磁壁が移動する原理について説明する。磁性細線10を構成する磁性材料は、磁気異方性エネルギーが十分高く、磁性細線10内の磁化方向が第1方向に垂直方向を向く状態が安定である。このとき、磁気的なエネルギーとしては、磁気異方性エネルギーが支配的な寄与をするため、磁壁の位置エネルギーEDWを磁壁の中心位置x0の関数として式(1)のように表すことが可能である。
EDW(x0)=2Ku(x0)λS(x0) (2)
となる。電圧の非印加時には、磁性細線10中の磁気異方性エネルギーKuはほぼ一定とみなせるため、磁壁は断面積が小さい位置に留まる。
第1実施形態の実施例1による磁気記憶素子について図16(a)乃至16(c)を参照して説明する。図16(a)は実施例1の第1および第2電極の配置を示す平面図、図16(b)は第1および第2電極に印加する電圧のタイミングチャート、図16(c)は磁性細線10の位置x0における磁壁の位置エネルギーEDWの分布を示す図である。
電圧パルスの印加の方法は、上述の例のように、エネルギー極小位置が時間的に変化することにより磁壁の位置を誘導することができれば良いため、さまざまな方法が可能である。たとえば、図16(b)において第1電極の電圧を切った後の時刻(期間T3ないし期間T4)において、第1電極に、期間T2に引加する電圧と逆符号の電圧を印加するステップ(第5ステップ)をさらに含んでもよい。この場合、磁壁が点Cに向かう際に誤って点Bに戻ってしまう可能性を減らすことができるため、磁壁を安定的に所望の方向に移動させることが可能になる。図38(a)にこのような効果が得られる電圧パルスのタイミングチャートの例を示す。また、図38(b)に、さらに、第1電極に逆符号の電圧を与えた後、第2電極にも逆符号の電圧を与えるステップ(第6ステップ)をさらに含んだ例を示す。このようなステップを含むことで、磁壁が点Dに向かう際に誤って点Cに戻ってしまう可能性を減らすことができるため、磁壁を安定的に所望の方向に移動させることが可能になる。なお、図38(a)、38(b)に示す例は、正符号の電圧を印加した場合に磁性細線10の磁気異方性エネルギーが低下する場合に対応する。負符号の電圧を印加した場合に磁性細線10の磁気異方性エネルギーが低下する場合は図38(a)、38(b)において、印加する電圧の符号をすべての時刻で逆転すればよい。
第1実施形態の実施例2による磁気記憶素子について図39(a)乃至39(c)を参照して説明する。図39(a)は実施例2の第1および第2電極の配置を示す平面図、図39(b)は第1および第2電極に印加する電圧のタイミングチャート、図39(c)は磁性細線10の位置x0における磁壁の位置エネルギーEDWの分布を示す図である。
次に、第1実施形態の実施例3による磁気記憶素子について図20(a)乃至20(c)を参照して説明する。この実施例3の磁気記憶素子は、図20(a)に示すように、第1電極20i(i=1、・・・)と第2電極30i(i=1、・・・)が重ならないように配置された構成を有している。
第1実施形態の実施例4による磁気記憶素子について図22(a)乃至22(c)を参照して説明する。この実施例4の磁気記憶素子においては、磁性細線10の幅が変動する1ピッチ内で、第1および第2電極がそれぞれ2個以上設けられた構成を有している。例えば、図22(a)に示すように、磁性細線の幅の変動の1ピッチ内おいて、2つの第1電極20ai、20bi(i=1、・・・)が設けられるとともに、2つの第2電極30ai、30bi(i=1、・・・)が設けられた構成とすることができる。
第1実施形態の実施例5による磁気記憶素子について図24(a)乃至24(c)を参照して説明する。この実施例5の磁気記憶素子においては、図24(a)に示すように、磁性細線10を第3の方向から見たときに、第2電極30i(i=1、・・・)の射影が第1電極20i(i=1、・・・)の射影に含まれるように構成されている。
比較例1による磁気記憶素子の第1および第2電極の配置を図26(a)、26(b)に示す。図26(a)、26(b)はそれぞれ、比較例1による磁気記憶素子の上面図、断面図である。この比較例1においては、少なくとも極小位置Aから極小位置Bにわたる範囲において、第1電極20i(i=1、・・・)と、第2電極30i(i=1、・・・)とが交互に並んでいる。図26(a)に示すように、第1電極20i(i=1、・・・)と、第2電極30i(i=1、・・・)とが重なる領域が実質的に存在しない。また、図26(b)に示すように、磁性細線10は第1電極20i(i=1、・・・)および第2電極30i(i=1、・・・)と、絶縁膜22、32を介して接続される。この比較例1において、磁壁を位置Bから位置Aに移動させるには、まず第2電極30i(i=1、・・・)と磁性細線10の界面近傍において磁性細線10の磁気異方性エネルギーが低下するように第2電極30i(i=1、・・・)に電圧を印加する。この際、磁壁の位置は極大位置Cから極小位置A寄りの位置Dにおいてエネルギーが極小となり、エネルギーの極小位置Dまで磁壁が移動することが可能である。次に、第2電極30i(i=1、・・・)の電圧を切ると磁性細線10の断面積が極小となる極小位置Aまで磁壁が移動する。しかし、逆に磁壁の位置を位置Aから位置Bに移動させることはできない。上述のように、第2電極30i(i=1、・・・)に電圧を印加して極大位置Cの付近の磁気異方性エネルギーを低下させたとしても、エネルギーの極小位置Dまでしか磁壁を移動させることができない。これは、第1電極20i(i=1、・・・)に電圧を印加して位置Bの付近での磁気異方性エネルギーを下げたとしても位置Aの付近の磁気異方性エネルギーも同時に下がるためである。また比較例1において第2電極30i(i=1、・・・)を位置Cに関して左右対称となるように配置した例は移動方向を確率的にしか制御することができない。
比較例2による磁気記憶素子の第1および第2電極の配置を図27(a)、27(b)に示す。図27(a)、27(b)はそれぞれ、比較例2による磁気記憶素子の上面図、断面図である。比較例2においては、少なくとも極小位置Aから極小位置Bにわたる範囲において、磁性細線10と第1電極20が絶縁膜22を介して接続されている。この比較例12も比較例1の場合と同様に、磁壁を位置Bから位置Aまで移動させることは可能であるが、逆に位置Aから位置Bまで移動させることができない。また比較例2において第2電極30i(i=1、・・・)を位置Cに関して左右対称となるように配置した例は移動方向を確率的にしか制御することができない。
比較例3による磁気記憶素子の第1および第2電極の配置を図28(a)、28(b)に示す。図28(a)、28(b)はそれぞれ、比較例3による磁気記憶素子の上面図、断面図である。この比較例3においては、少なくとも極小位置Aから極小位置Bにわたる範囲において、第1電極20i(i=1、・・・)と第2電極30i(i=1、・・・)が実質的に同じ大きさであり、また上面から見た場合に、同じ位置に配置されている。この比較例3も比較例1の場合と同様に、磁壁の移動可能方向が一方向に限定される。この比較例3では、磁壁位置を位置Aから位置Bまで移動させることは可能であるが、逆に位置Bから位置Aまで移動させることができない。また比較例3において第1電極20i(i=1、・・・)および第2電極30i(i=1、・・・)を位置Cに関して左右対称となるように配置した例は移動方向を確率的にしか制御することができない。
次に、第1実施形態および実施例1乃至実施例5のいずれかによる磁気記憶素子1の磁性細線10の材料について説明する。磁性細線10には、磁化方向が磁性細線10の積層方向に直交する方向に向きうる各種の磁性材料を用いることができる。
次に、第1実施形態による磁気記憶素子1の製造方法について図29(a)乃至29(c)を参照して説明する。磁気記憶素子1は、成膜技術と微細加工技術によって作製される。磁気記憶素子1の具体的な製造工程の一例は以下の通りである。なお説明の簡略化のため、読み出し部および書き込み部については省略する。
第2実施形態による磁気記憶素子1を図30(a)乃至30(c)を参照して説明する。図30(a)は、第2実施形態の磁気記憶素子1を基板に垂直な面で切断した断面図であり、図30(b)、30(c)はそれぞれ、図30(a)の破線で示す部分Uの側面図,Vの上面図である。
第3実施形態による磁気記憶素子1について図31(a)、31(b)を参照して説明する。図31(a)は、第3実施形態の磁気記憶素子1を基板に垂直な面で切断した断面図であり、図31(b)は、第3実施形態の磁気記憶素子1を駆動するための駆動電圧のタイミングチャートである。
第3実施形態の変形例による磁気記憶素子1について、図32(a)、32(b)を参照して説明する。図32(a)は、第3実施形態の変形例による磁気記憶素子1を基板に垂直な面で切断した断面図であり、図31(b)は、第3実施形態の変形例による磁気記憶素子1を駆動するための駆動電圧のタイミングチャートである。
第4実施形態による磁気記憶装置について図33および図34を参照して説明する。第3実施形態の磁気記憶装置の回路図を図33に示し、斜視図を図34に示す。ただし、第1電極、第2電極は図示していない。
第5実施形態の磁気メモリを図35に示す。この第5実施形態の磁気メモリは、第4実施形態の磁気記憶装置500を基板600上に複数個マトリクス状に配置した構成を有している。このような構成とすることにより、大容量の磁気メモリを実現することができる。
10 磁性細線
20、20i(i=1、・・・) 第1電極
22 絶縁膜
25 第3電極
30、30i(i=1、・・・) 第2電極
32 絶縁膜
42 書き込み部
44 読み出し部
46 電極
Claims (16)
- 第1方向に延在し、前記第1方向に直交する断面積が前記第1方向に沿って変化するとともに前記断面積が極小となる位置を少なくとも2個有する磁性細線と、
前記磁性細線を挟んで設けられた第1および第2電極群であって、前記第1電極群は前記第1方向に沿って離間して設けられた複数の第1電極を有し、前記第2電極群は前記第1方向に沿って離間して設けられた複数の第2電極を有し、前記第1電極および前記第2電極が前記磁性細線を挟んで共に存在しない第1領域と、前記磁性細線を挟んで前記第1電極が存在し前記第2電極が存在しない第2領域および前記第1電極と前記第2電極が前記磁性細線を挟んで重なる第3領域ならびに前記磁性細線を挟んで前記第1電極が存在せず前記第2電極が存在する第4領域のうちの少なくとも2つの領域と、を前記磁性細線が有するように、前記複数の第1電極および前記複数の第2電極が配置された第1および第2電極群と、
前記複数の第1電極と前記磁性細線との間に設けられた第1絶縁膜と、
前記複数の第2電極と前記磁性細線との間に設けられた第2絶縁膜と、
を備えた磁気記憶素子。 - 前記磁性細線は、前記第1方向に沿った第1部分と、前記第1部分に接続し前記第1方向と異なる第2方向に沿った第2部分とを有し、前記第1および第2部分にはそれぞれ、前記第1および第2電極群が設けられている請求項1記載の磁気記憶素子。
- 前記磁性細線は、前記第1方向に沿った第1部分と、一端が前記第1部分に接続し前記第1方向と異なる第2方向に沿った第2部分と、前記第2部分の他端に接続し前記第1方向に平行な第3方向に沿った第3部分と、を有し、前記第1および第3部分にはそれぞれ前記第1方向および第3方向に沿って前記第1および第2電極群が設けられ、前記第1部分の前記第2電極群および前記第3部分の前記第2電極群は共通の第2電極群である請求項1記載の磁気記憶素子。
- 前記第1部分の前記第1電極群と、前記第3部分の前記第1電極群は、前記第1方向において同じ位置に配置される請求項3記載の磁気記憶素子。
- 前記第1部分の前記第1電極群と、前記第3部分の前記第1電極群は、前記第1方向において異なる位置に配置される請求項3記載の磁気記憶素子。
- 第1方向に延在し、前記第1方向に交わる第2方向の断面積が前記第1方向に沿って変化し、前記断面積が極小となる位置を少なくとも2つ備える磁性細線と、
前記磁性細線の第1部分に設けられ、前記第1方向に沿って離間して配置された複数の第1電極を備える第1電極群と、
前記磁性細線の第2部分に設けられ、前記第1方向に沿って離間して配置された複数の第2電極を備える第2電極群と、を備え、
前記磁性細線は、
前記第2方向において、前記第1電極および前記第2電極がない第1領域と、
前記第2方向において、前記第1電極があって前記第2電極がない第2領域、前記第1電極と前記第2電極がある第3領域、前記第1電極がなく前記第2電極がある第4領域のうちの少なくとも2つの領域と、を備えた磁気記憶素子。 - 第1方向に延在し、前記第1方向に直交する第2方向の断面積が前記第1方向に沿って変化し、前記断面積が極小となる位置を少なくとも2つ備える磁性細線と、
前記磁性細線の第1部分に設けられ、前記第1方向に沿って離間して配置された複数の第1電極を備える第1電極群と、
前記磁性細線の第2部分に設けられ、前記第1方向に沿って離間して配置された複数の第2電極を備える第2電極群と、を備え、
前記磁性細線は、
前記第2方向において、前記第1電極および前記第2電極がない第1領域と、
前記第2方向において、前記第1電極があって前記第2電極がない第2領域、前記第1電極と前記第2電極がある第3領域、前記第1電極がなく前記第2電極がある第4領域のうちの少なくとも2つの領域と、を備えた磁気記憶素子。 - 前記磁性細線と前記複数の第1電極との間および前記磁性細線と前記複数の第2電極との間に絶縁膜が設けられた請求項6または7記載の磁気記憶素子。
- 前記磁性細線は前記第3領域を有し、前記第3領域において前記断面積が極大となる位置を備える請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気記憶素子。
- 前記磁性細線は前記第3領域を有し、前記第3領域において前記断面積が極小となる位置を備える請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気記憶素子。
- 前記複数の第1電極はそれぞれ共通の第1駆動電圧を発生する第1駆動部に接続され、前記複数の第2電極はそれぞれ共通の第2駆動電圧を発生する第2駆動部に接続される請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気記憶素子。
- 前記磁性細線から磁化情報を読み出す読み出し部と、前記磁性細線に磁化情報を書き込む書き込み部と、を更に備えている請求項1乃至11のいずれかに記載の磁気記憶素子。
- マトリクス状に配列された請求項1乃至12のいずれかに記載の複数の磁気記憶素子と、
前記複数の磁気記憶素子のそれぞれに対応して設けられた複数のスイッチングトランジスタであって、ソースおよびドレインのうちの一方が対応する列の磁気記憶素子内の読み出し部の一端に接続される、複数のスイッチングトランジスタと、
行に対応して設けられた複数の第1配線であって、各第1配線には、対応する行の前記スイッチングトランジスタのゲートが接続される、複数の第1配線と、
列に対応して設けられた複数の第2配線であって、各第2配線には、対応する列の前記記憶素子内の前記読み出し部の他端が接続される、複数の第2配線と、
を備えている磁気記憶装置。 - 請求項13記載の磁気記憶装置を複数個備え、前記複数の磁気記憶装置がマトリクス状に配列されている磁気メモリ。
- 請求項1乃至12のいずれかに記載の磁気記憶素子の駆動方法であって、
前記第1電極群に第1駆動電圧を印加するステップと、
前記第2電極群に第2駆動電圧を印加するステップと、
を備えている駆動方法。 - 前記第1駆動電圧を印加する時間と、前記第2駆動電圧を印加する時間が部分的に重なる請求項15記載の駆動方法。
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