WO2024090370A1 - 磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法 - Google Patents

磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法 Download PDF

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WO2024090370A1
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layer
current
magnetic
wall motion
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浩太 近藤
義近 大谷
明星 呉
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国立研究開発法人理化学研究所
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    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a domain wall motion element, a memory device, and a data writing method.
  • Patent Document 1 describes a method for manufacturing a domain wall motion element in which a magnetization free layer is formed so as to be magnetically coupled with both a first and a second pinning layer whose magnetization directions are fixed in opposite directions, and a domain wall motion region in which the magnetization direction is set to the first direction or the second direction is formed in the magnetization free layer.
  • Magnetic memory devices as non-volatile memories are able to retain internal data even when power is not being supplied, which is a great energy-saving effect.
  • Such magnetic memory devices use ferromagnetic materials, and the magnetic pole information (information on the perpendicular binary state) is recorded internally as digital information.
  • magnetic memory devices using ferromagnetic materials have a limited domain wall motion speed, so there is a limit to how much the operating speed can be improved.
  • the technology described in Patent Document 1 is related to the initialization of domain wall motion elements, and does not solve these problems.
  • the present invention was made in consideration of these problems, and realizes a domain wall motion element, memory device, and data writing method that can improve the domain wall motion speed.
  • the domain wall motion element is made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure, and is provided with an antiferromagnetic layer having a domain wall that moves in one direction when a current is applied.
  • the antiferromagnetic material may be any one of Mn3Ge , Mn3Sn , Mn3Ga , Mn3Rh , Mn3Pt , and Mn3Ir .
  • the antiferromagnetic material may have a kagome lattice as a crystal structure, and the one direction in which the domain wall moves may be a direction approximately perpendicular to the normal vector of the plane formed by the kagome lattice.
  • the antiferromagnetic layer may be made of a single crystal.
  • the domain wall motion element may further include a spin Hall layer that contains at least one of Pt, Ta, and W and is stacked on the antiferromagnetic layer, and that exhibits the spin Hall effect when a current is applied.
  • a spin Hall layer that contains at least one of Pt, Ta, and W and is stacked on the antiferromagnetic layer, and that exhibits the spin Hall effect when a current is applied.
  • a memory device includes a domain wall motion element having an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure, a write unit that writes data into the magnetic domain by determining the magnetization direction of the magnetic domain in the antiferromagnetic layer, and a read unit that reads the magnetization direction of the magnetic domain that has moved within the domain wall motion element by applying a current to the antiferromagnetic layer.
  • the writing unit may have a photoelectric conversion element that outputs an electrical signal according to input light, and may use the electrical signal output by the photoelectric conversion element to control the magnetization direction of the magnetic domain and write data to the magnetic domain.
  • a data writing method includes a first step of writing data to a magnetic domain by controlling the magnetization direction of the magnetic domain of an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure, and a second step of moving the magnetic domain in one direction of the antiferromagnetic layer by applying a current to the antiferromagnetic layer.
  • the first and second steps may be repeated multiple times.
  • the present invention makes it possible to realize a domain wall motion element, a memory device, and a data writing method that can improve the domain wall motion speed.
  • FIG. 2 is a diagram showing a magnetic structure of a non-collinear antiferromagnetic body according to the first embodiment; FIG. 2 shows the anomalous Hall effect of Mn 3 Ge.
  • FIG. 1 is a diagram showing a method for domain wall motion in a Mn 3 Ge thin wire.
  • FIG. 2 is a diagram showing the magnetic domain wall motion of Mn 3 Ge in time series.
  • 1 is a graph showing the state of domain wall motion in Mn 3 Ge.
  • FIG. 13 is a diagram showing a state when a shift current for moving a domain wall flows in a kagome plane of Mn 3 Ge.
  • 1 is a graph showing the state of domain wall motion in Mn 3 Ge.
  • FIG. 13 is a diagram showing the positional relationship between a shift current and a Kagome surface.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the mechanism of domain wall motion in a ferromagnetic material.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating a detailed mechanism of domain wall motion in a ferromagnetic material.
  • FIG. 1 is a diagram showing a detailed mechanism of domain wall motion in Mn 3 Ge. 1 is a graph showing the relationship between the width of a domain wall and the amount of spin accumulation in Mn 3 Ge. 1 is a graph showing the domain wall velocity of each material measured by an experiment.
  • 1A to 1C are configuration diagrams showing variations of domain wall motion elements.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a memory device according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing the mechanism of domain wall motion in Mn 3 Ge.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a unit relating to control of a register section.
  • FIG. 2 is a detailed configuration diagram of a magnetoresistance element.
  • First embodiment (1A) 1 is a diagram showing the magnetic structure of Mn 3 Ge, an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure (hereinafter also referred to as a non-collinear antiferromagnetic material), which is an element of a domain wall motion element.
  • Mn 3 Ge has a crystal structure in which kagome lattices made of magnetic atoms Mn (manganese) are stacked in the c-axis direction, and FIG. 1 shows the magnetic structure of one kagome plane of the kagome lattice.
  • Ge germanium
  • Mn forms a hexagonal structure on the inside.
  • the direction of the spin of each Mn atom is indicated by an arrow. Note that in Fig. 2 and subsequent figures showing the kagome surface of Mn 3 Ge, the direction of the spin of each Mn atom is similarly indicated by an arrow.
  • Fig. 1(A) the spins of adjacent Mn atoms are offset by 120 degrees from each other.
  • This structure is called an inverted 120-degree structure, and Mn 3 Ge is in an antiferromagnetic order (or chiral antiferromagnetic order).
  • the Mn spins in the entire hexagon exhibit a weak ferromagnetic moment, also called a magnetic octupole, which determines the micromagnetization direction of Mn 3 Ge.
  • the magnetic octupole has a magnetization direction H1 shown as a downward arrow in Fig. 1(A).
  • the orientation of the magnetic octopole is opposite in Fig. 1(A) and (B).
  • the state of Fig. 1(A) and (B) can be switched between each other, so that the non-collinear antiferromagnet can also be used as a memory that records the state of "0" or "1".
  • An antiferromagnet with such a minute magnetization is also called a canted antiferromagnet.
  • Fig. 2 is a diagram showing the anomalous Hall effect of Mn 3 Ge.
  • the kagome planes of Mn 3 Ge are stacked so as to be perpendicular to the [0001] direction, which is the planar direction of the Mn 3 Ge layer M (antiferromagnetic layer).
  • Mn 3 Ge is polarized by magnetic octopoles, so a large virtual magnetic field H is generated in the [01-10] direction in the antiferromagnetic layer M.
  • 3A to 3C show the state of domain wall motion in a thin wire of Mn 3 Ge.
  • a method of domain wall motion in a thin wire of Mn 3 Ge will be described with reference to FIG.
  • the Mn 3 Ge thin wire N has a shape extending in the [2-1-10] direction.
  • a write current C By passing a write current C through this thin wire N in the [0001] direction perpendicular to the [2-1-10] direction, a magnetic domain D1 having magnetic domain walls at both ends is generated.
  • This magnetic domain wall is a Neel wall.
  • a pulse current t having a pulse width on the order of nanoseconds through the thin wire N in the negative direction of [2-1-10]
  • the magnetic domain D1 moves to the position of the magnetic domain D2 shown in FIG. 3A.
  • This pulse current t is also called a shift current.
  • 3B is a diagram showing the magnetic domain wall movement of Mn 3 Ge in a time series.
  • a state in which a magnetic domain (magnetic domain wall) is generated in the thin wire N by the write current C is shown.
  • the magnetic domain moves in the positive direction by the pulse current t.
  • time t3 which is later in the time series than time t2, the magnetic domain moves further in the positive direction by the pulse current t.
  • Fig. 3C is a graph showing the state of domain wall movement in Mn3Ge .
  • data shown by triangular dots indicates data when the direction of the magnetic domain movement distance x and the direction of the pulse current t are positive, and data shown by circular dots indicates data when the direction of the magnetic domain movement distance x and the direction of the pulse current t are negative.
  • the horizontal axis of the graph in Fig. 3C indicates the current density j of the pulse current in the fine wire N, and the vertical axis indicates the domain wall movement speed V.
  • Fig. 3C shows that when the absolute value of the current density j is approximately 4* 1010 (A/ m2 ) or more, the domain wall moves at a constant speed or more.
  • the Mn 3 Ge thin wire can be used as a domain wall motion element.
  • the mechanism of domain wall motion in Mn 3 Ge will be further explained below.
  • FIGS. 3A to 3C are diagram showing a state when a shift current j flows through the kagome surface of Mn 3 Ge to move the domain wall.
  • the kagome surface K is located on the xy plane, and the z-axis direction is defined as the normal direction of the kagome surface K.
  • the x-axis direction is the [2-1-10] direction
  • the y-axis direction is the [01-10] direction
  • the z-axis direction is the [0001] direction.
  • the angle that the vector of the shift current j makes with the z-axis is defined as ⁇ . Note that the domain wall in Mn 3 Ge moves in the opposite direction to the vector direction of the shift current j, as shown in FIGS. 3A to 3C.
  • Fig. 4B is a graph showing the state of domain wall motion in Mn3Ge when ⁇ is 0°, 45°, 60°, and 90°.
  • the horizontal axis of the graph in Fig. 4B indicates the absolute value of the current density j of the shift current, and the vertical axis indicates the domain wall motion speed V.
  • the shift current j flows within the plane of the kagome surface.
  • the spin polarization of Mn 3 Ge related to the shift current j is a non-zero value.
  • the moving domain wall is a Neel domain wall.
  • the vector of the shift current j is perpendicular to the plane of the kagome surface K.
  • the moving domain wall is a Bloch wall.
  • Fig. 4B for any value of ⁇ , as explained in Fig. 3C, it is shown that the larger the absolute value of the shift current j, the greater the movement speed V.
  • Figure 5 shows the mechanism of domain wall movement in a ferromagnetic material.
  • the arrows indicate the direction of spontaneous magnetization (magnetic moment) in the ferromagnetic layer F.
  • the direction of the magnetic moment changes in the center of the ferromagnetic layer F, and this location becomes a domain wall.
  • the right and left sides of the ferromagnetic layer F on either side of the domain wall form different magnetic domains.
  • (II) shows the state in which a shift current flows from the state shown in (I) to the left side of Figure 5.
  • the shift current passes through the domain wall, the electron spin interacts with the magnetic moment, transferring the electron spin angular momentum to the magnetic moment. This causes the magnetic moment to rotate, and the domain wall to move to the right side of Figure 5.
  • This mechanism of transferring spin angular momentum is also called spin transfer torque.
  • (III) shows a state in which the magnetic moment has rotated, and as a result, the magnetic domain wall has moved toward the right side of Fig. 5 compared to (II). If the moving speed of the magnetic domain wall in such a ferromagnetic material is u, then u can be expressed by the following equation. u ⁇ (J P) / Ms ... (1)
  • J is the current density of the shift current
  • P is the spin polarization of the ferromagnetic material
  • Ms is the magnitude of magnetization.
  • Mn 3 Ge which is a non-collinear antiferromagnetic material
  • the domain wall in Mn 3 Ge can move. Therefore, in a non-collinear antiferromagnetic material, the spin polarization is not considered to be a factor in the domain wall movement.
  • Fig. 6A is a diagram showing a detailed mechanism of domain wall movement in a ferromagnetic material.
  • Fig. 6A shows a state in which, when a current j flows through a ferromagnetic material having spontaneous magnetization ⁇ , the magnetic moment in the ferromagnetic material rotates under the torque ⁇ stt derived from the spin angular momentum of electrons described in Fig. 5.
  • the current j flows in the positive direction of the x-axis, and the domain wall moves in the negative direction of the x-axis.
  • Fig. 6B is a diagram showing a detailed mechanism of domain wall motion in Mn 3 Ge, in which when a current j is applied to Mn 3 Ge having a spontaneous magnetization ⁇ , a magnetic octupole of Mn 3 Ge receives a torque ⁇ eff and rotates.
  • Fig. 6C is a graph showing the relationship between the domain wall width L and the spin accumulation amount Sa per unit electric field in Mn 3 Ge.
  • graphs are shown for both the Neel domain wall and the Bloch domain wall.
  • the absolute value of the spin accumulation amount Sa per unit electric field increases as the domain wall width L decreases.
  • the torque ⁇ eff described above increases, and the domain wall can be moved at a higher speed.
  • Fig. 7 is a graph showing the domain wall velocity when various materials are used as the domain wall motion element in an experiment.
  • the vertical axis of the graph in Fig. 7 shows the domain wall motion velocity V at the normalized current density.
  • Fig. 7 shows the following materials: Mn 3 Ge, which is an antiferromagnetic material (AFM); Pt/BiYIG/GSGG, Mn 4-x Ni x N, and GdCo/Pt, which are ferrimagnetic materials (FI); SAF1, SAF2, and SAF3, which are synthetic antiferromagnetic materials (SAF); Pt/Co/AIO x , which are ferromagnetic materials (FM); and permalloy.
  • AFM antiferromagnetic material
  • Pt/BiYIG/GSGG Pt/BiYIG/GSGG
  • Mn 4-x Ni x N and GdCo/Pt
  • FI ferrimagnetic materials
  • SAF1, SAF2, and SAF3 synthetic antiferromagnetic materials
  • SAF1 is TaN/Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN
  • SAF2 is Ta/Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/Ta
  • SAF3 is TaN/Pt/Co/Ni/Co/Ru/Ru/Co/Ni/Co/TaN.
  • Mn 3 Ge has an overwhelmingly high domain wall motion velocity V compared to other materials such as ferrimagnetic materials, synthetic antiferromagnetic materials, and ferromagnetic materials. Therefore, by applying Mn 3 Ge to a domain wall motion element, it is possible to improve the domain wall motion velocity.
  • the non-collinear antiferromagnetic material is Mn 3 Ge, but the non-collinear antiferromagnetic material according to the present invention is not limited to Mn 3 Ge.
  • the non-collinear antiferromagnetic material according to the present invention may be another type of compound as long as it is made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure and has an antiferromagnetic layer having a domain wall that moves in one direction when a current is applied.
  • An example of another type of compound is a manganese compound, and an example of this is Mn 3 X (X is any of Ge, Sn, Ga, Rh, Pt, Ir, etc.).
  • the thickness of the antiferromagnetic layer (i.e., the thickness of the antiferromagnetic layer in the direction perpendicular to the plane of the antiferromagnetic layer through which the shift current that moves the domain wall flows) may be, for example, on the order of tens to hundreds of nm. Furthermore, the size of the film thickness is not limited to this.
  • the non-collinear antiferromagnetic material used in the domain wall motion element is produced as a single crystal rather than a polycrystal.
  • a single crystal is ideally a crystal in which the direction of the crystal axis is the same in every part of the crystal, but it also includes crystals that partially contain at least either lattice defects or minute changes in the direction of the crystal axis.
  • polycrystals single crystals are stacked in a regular pattern, so pinning sites are less likely to occur and domain walls are more likely to move smoothly.
  • Single crystals can be produced by any known crystal growth method.
  • the non-collinear antiferromagnetic material incorporated in the domain wall motion element may be processed by cutting it out with a focused ion beam (FIB).
  • FIB focused ion beam
  • the domain wall motion element may be created by forming a layer of the non-collinear antiferromagnetic material on the surface of a different object by film deposition.
  • the domain wall motion element can be configured to include an antiferromagnetic layer made of a non-collinear antiferromagnetic material and having a domain wall that moves in one direction when a current is applied.
  • this antiferromagnetic material when a current is applied, spin accumulation is formed around the domain wall, causing the domain wall to move. Due to this mechanism, such an antiferromagnetic material can improve the domain wall motion speed compared to other magnetic materials such as ferrimagnetic materials, synthetic antiferromagnetic materials, and ferromagnetic materials. From another perspective, such an antiferromagnetic material can reduce the current value required to move the domain wall at the same speed compared to other magnetic materials, and therefore can be said to have an energy-saving effect.
  • the antiferromagnetic material may be, for example, any one of Mn3Ge , Mn3Sn , Mn3Ga , Mn3Rh , Mn3Pt , and Mn3Ir .
  • the antiferromagnetic material may have a kagome lattice as a crystal structure, and the direction in which the domain wall moves (or the direction in which the shift current is applied) may be approximately perpendicular to the normal vector of the plane formed by the kagome lattice.
  • the direction in which the domain wall moves may form a vector that is approximately parallel to the kagome plane.
  • approximately parallel means that the direction in which the domain wall moves is parallel to the kagome plane or nearly parallel (for example, the angle between the direction in which the domain wall moves and the kagome plane is a few degrees or less). This can further increase the domain wall motion speed.
  • the antiferromagnetic layer may also be made of a single crystal. This configuration makes it difficult for pinning sites to occur and makes it easier for the domain walls to move smoothly, thereby making it possible to further increase the domain wall movement speed.
  • Fig. 8 is a configuration diagram showing a variation of the domain wall motion element.
  • the domain wall motion element T includes a domain wall motion layer 11 made of Mn 3 Ge, and a spin Hall layer 12 made of Pt (platinum) that is stacked in the z-axis direction on the domain wall motion layer 11.
  • the domain wall motion layer 11 and the spin Hall layer 12 extend on the xy plane and have a predetermined width in the z-axis direction.
  • the domain wall displacement layer 11 is a layer (antiferromagnetic layer) made of Mn 3 Ge, and detailed description of its physical properties is omitted since it is the same as that in (1A).
  • spin Hall effect occurs, in which a flow of electron spins (spin current) occurs in the z-axis direction, which is perpendicular to the x-axis direction.
  • Figure 8 shows a state in which electrons e1 and e2 with different spins move in opposite directions in the z-axis direction.
  • electrons e1 spin-polarized in the negative y-axis direction are accumulated on the negative z-axis side of the spin Hall layer 12 (i.e., the lower side of the spin Hall layer 12 in Figure 8), while electrons e2 spin-polarized in the positive y-axis direction are accumulated on the positive z-axis side of the spin Hall layer 12 (i.e., the upper side of the spin Hall layer 12 in Figure 8).
  • a spin current is generated in the spin Hall layer 12.
  • SOT spin orbit torque
  • This torque can cause the polarity of the magnetic octupole to be reversed. In other words, it becomes possible to write information to the magnetic octupole.
  • the spin Hall layer 12 is made of Pt, but the spin Hall layer 12 is not limited to this and may be made of a material such as a non-magnetic metal or semiconductor that has strong spin-orbit interaction.
  • non-magnetic metals include Pt (platinum), W (tungsten), and Ta (tantalum).
  • the thickness of the domain wall displacement layer 11 (i.e., the width in the z-axis direction) may be on the order of tens to hundreds of nm, as shown in (1A).
  • the thickness of the spin Hall layer 12 may be on the order of tens to tens of nm. The thinner the thickness of the spin Hall layer 12, the less current is required to generate the spin Hall effect, and the greater the energy saving effect. However, to ensure that the spin Hall effect is expressed in the spin Hall layer 12, it is preferable that the spin Hall layer 12 has at least the thickness (e.g., about 10 nm) required for spin-polarized electrons to accumulate on the top and bottom surfaces.
  • the domain wall motion element can be configured to further include a domain wall motion layer 11 and a spin Hall layer 12 having at least one of Pt, Ta, and W stacked on the domain wall motion layer 11, which exhibits the spin Hall effect when a current is applied.
  • a magnetization reversal can be generated at high speed in the domain wall motion layer 11 by passing a current through the spin Hall layer 12. Therefore, when the domain wall motion element T is used as a magnetic memory device, data can be written at high speed to the domain wall motion layer 11.
  • the path of the current flowing through the domain wall motion layer 11 can be separated in the write and read operations of the magnetic memory device. Furthermore, there is no need to apply a magnetic field when reversing magnetization.
  • Embodiment 2 Next, an application example of the domain wall motion element described in the first embodiment will be described.
  • FIG. 9A is a schematic diagram of a memory device to which a domain wall motion element is applied.
  • the memory device is mounted on an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 100, and includes a register section 101 and a data read line 102.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the register unit 101 writes spin information to the internal memory by a current.
  • the internal memory is a thin wire composed of a layer of Mn 3 Ge, which is a non-collinear antiferromagnetic material, as shown in the first embodiment.
  • a spin-orbit torque is applied from the register unit 101 to the magnetic octupole of the memory, causing magnetization reversal and writing data.
  • the register unit 101 also moves a domain wall by passing a shift current through the memory, realizing another write in a new area of the memory and allowing the reading unit to read data. In this way, the register unit 101 has a function of shifting the magnetization information recorded as data, and is therefore also called a spin shift register.
  • the magnetization information is read by the reading unit of the register unit 101 and then output from the data read line 102 as an electric signal.
  • FIG. 9B is a detailed configuration diagram of the register unit 101.
  • the register unit 101 includes a current generating unit 201 having a conductor 202, a spin Hall layer 203, a magnetoresistance element 204, and a memory line 301.
  • FIG. 9C is a block diagram showing units related to the control of the register section 101.
  • the ASIC 100 includes hardware configurations such as a control section 401, a current measurement circuit 402, and a data output circuit 403.
  • the control unit 401 has a processor 411 and a memory 412.
  • the processor 411 includes one or more processors such as a CPU (Central Processing Unit), an MPU (Micro Processing Unit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), a DSP (Digital Signal Processor), etc.
  • Memory 412 is used to store one or more instructions.
  • the one or more instructions are stored in memory 412 as a group of software modules (computer programs).
  • Memory 412 is composed of volatile memory, non-volatile memory, or a combination of both.
  • the number of memories 412 is not limited to one, and multiple memories 412 may be provided.
  • the volatile memory may be, for example, RAM (Random Access Memory) such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) or SRAM (Static Random Access Memory).
  • the non-volatile memory may be, for example, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), or Flash Memory.
  • the processor 411 is connected to the memory 412, and can perform the following processing executed by the control unit 401 by reading and executing one or more instructions from the memory 412. Note that the memory 412 may be provided outside the processor 411, or may be built into the processor 411.
  • the current measurement circuit 402 and the data output circuit 403 are any type of electrical circuit capable of performing the functions described below.
  • the current generating unit 201 generates an electrical signal for writing information to the memory line 301 via the spin hole layer 203.
  • the current generating unit 201 may have, for example, any photoelectric conversion element. In response to light input to the photoelectric conversion element, this photoelectric conversion element outputs a current, which is an electrical signal.
  • the current generating unit 201 may have a circuit that generates an electrical signal by being controlled by the control unit 401.
  • the conductor 202 of the current generating unit 201 is connected to the spin Hall layer 203, and both ends of the conductor 202 are connected to a power supply voltage and ground, respectively, so that a bias voltage V is applied.
  • the conductor 202 passes a write current Iw corresponding to the electrical signal through the spin Hall layer 203.
  • the spin Hall layer 203 overlaps (i.e., is stacked) with a portion of the memory line 301 perpendicularly, and has the same physical properties and functions as the spin Hall layer 12 described in (1B).
  • a write current Iw flows through the spin Hall layer 203, a spin current is generated therein by the mechanism shown in (1B).
  • the memory line 301 is a domain wall motion element having a domain wall motion layer made of a non-collinear antiferromagnetic material, and has the same physical properties and functions as the domain wall motion layer 11 shown in (1B). Therefore, when a spin orbit torque caused by a spin current is applied to the magnetic octupole of the memory line 301, magnetization reversal occurs, and data is written as magnetization information in the region of the memory line 301 stacked with the spin Hall layer 203. In this way, the current generation unit 201 and the spin Hall layer 203 determine the magnetization direction of the magnetic domain of the memory line 301, and function as a write unit that writes data to that magnetic domain.
  • the magnetization information written is one bit of data, "0" or "1.”
  • FIG. 9B if the magnetization information in the magnetic octupole is pointing upward (positive z-axis direction), it is defined as “0,” and if it is pointing downward (negative z-axis direction), it is defined as "1.”
  • this magnetization information is separated from adjacent magnetization information by a domain wall.
  • a shift current Is (pulse current) is passed through the memory line 301 in the x-axis direction along which the memory line 301 extends.
  • a circuit for passing the shift current Is may be provided inside or outside the ASIC 100. This shift current Is causes the magnetization information to move in the x-axis direction within the memory line 301, as per the mechanism shown in (1A), to the position of the magnetoresistance element 204 separated from the spin Hall layer 203.
  • the timing and duration of the shift current Is can be controlled as desired.
  • FIG. 9D is a detailed configuration diagram of the magnetoresistance element 204.
  • the magnetoresistance element 204 is a magnetic tunnel junction element (MTJ element), and has a memory area 301A that is a partial area of the memory line 301, a nonmagnetic layer 211, and a magnetization fixed layer 212.
  • the memory area 301A, nonmagnetic layer 211, and magnetization fixed layer 212 are stacked in this order in the z-axis direction of FIG. 9B.
  • magnetization M11 information As described above, in memory area 301A, one bit of data "0" or “1” is written to the magnetic octupole as magnetization M11 information.
  • This magnetization M11 information is reversible, and is shown in FIG. 9D as arrows pointing in both directions.
  • the magnetization information stored in memory area 301A changes when shift current Is flows.
  • the non-magnetic layer 211 is made of an insulator such as MgO, and separates the memory area 301A from the magnetization fixed layer 212.
  • the magnetization fixed layer 212 is a layer in which the direction of magnetization M12 is fixed, and is made of, for example, a ferromagnetic material or an antiferromagnetic material.
  • the magnetization fixed layer 212 is made of either a single crystal or a polycrystal. Note that, although the explanation will continue assuming that magnetization M12 faces upward (positive direction of the z-axis) in FIG. 9D, magnetization M12 may also face downward (positive direction of the z-axis).
  • the resistance of the magnetoresistance element 204 is in a low state. However, when the magnetization M11 and the magnetization M12 are in opposite directions (anti-parallel state), the resistance of the magnetoresistance element 204 is in a high state.
  • a first terminal 221 is connected to the surface of the memory area 301A opposite to the surface on which the nonmagnetic layer 211 is laminated, and the drain of a transistor 222 is connected to the first terminal 221.
  • the transistor 222 is, for example, an NMOS (N-channel metal oxide semiconductor) transistor, but may be another type of transistor.
  • the gate of the transistor 222 is connected to the control unit 401 shown in FIG. 9C, and the control unit 401 controls the on and off of the transistor 222.
  • a power supply voltage (not shown) is connected to the source of the transistor 222.
  • a second terminal 223 is connected to the surface of the magnetization fixed layer 212 opposite to the surface on which the nonmagnetic layer 211 is laminated, and a read line 224 is connected to the second terminal 223.
  • the read line 224 is connected to the current measurement circuit 402.
  • the control unit 401 When the control unit 401 turns on the transistor 222, a predetermined voltage is applied to the magnetoresistance element 204. By applying a voltage to the magnetoresistance element 204 in this manner, the control unit 401 passes a read current from the first terminal 221 through the memory area 301A, the nonmagnetic layer 211, the magnetization fixed layer 212, and the second terminal 223 to the read line 224. At this time, even if the voltage value applied to the magnetoresistance element 204 is the same, the current value of the read current changes depending on whether the resistance of the magnetoresistance element 204 is high or low (i.e., depending on whether the magnetoresistance element 204 is in a parallel or anti-parallel state).
  • the current measurement circuit 402 shown in FIG. 9C measures the current value of the read current and outputs the measurement value to the control unit 401.
  • the control unit 401 uses the measurement value to determine whether the magnetoresistance element 204 is in a parallel or anti-parallel state.
  • the control unit 401 determines whether the magnetoresistance element 204 is in a parallel or anti-parallel state, for example, by comparing the magnitude of a predetermined current threshold with the measurement value.
  • the control unit 401 also obtains information on the direction of magnetization M12 of the magnetization fixed layer 212. This information is stored in, for example, the memory 412.
  • the control unit 401 determines whether the information of the magnetization M11 of the memory area 301A indicates "0" or "1” based on the determination result indicating whether the magnetoresistance element 204 is in a parallel or anti-parallel state and the information on the direction of the magnetization M12.
  • the control unit 401 controls the data output circuit 403 to output the determined result of "0" or "1” as an electrical signal from the data read line 102.
  • the magnetoresistance element 204, the current measurement circuit 402, and the control unit 401 function as a reading unit that reads the magnetization information of the memory area 301A.
  • a memory device serving as an ASIC 100 can be configured to include a memory line 301 having a domain wall motion layer made of a non-collinear antiferromagnetic material, a write unit that writes data into the magnetic domain by controlling the magnetization direction of the magnetic domain of the memory line 301, and a read unit that reads the magnetization direction of the magnetic domain that has moved in the memory line 301 by applying a current.
  • the memory device exhibits the effects described in the first embodiment.
  • the memory device may further include a photoelectric conversion element.
  • the writing section of the memory device controls the magnetization direction of the magnetic domains using the electrical signal output by the photoelectric conversion element in response to the input light, and writes data to the magnetic domains. In this way, the memory device is capable of writing data in response to the input light.
  • the present invention can also be considered as a data writing method having a first step of writing data to a magnetic domain in a magnetic domain wall displacement layer made of a non-collinear antiferromagnetic material by controlling the magnetization direction of the magnetic domain, and a second step of moving the magnetic domain in one direction in the magnetic domain wall displacement layer by applying a current to the magnetic domain wall displacement layer.
  • the domain wall motion speed is maximized, and the effect of high-speed data writing can be improved as shown in the first embodiment.
  • the domain wall motion speed is very fast compared to the domain wall motion speed in known materials.
  • the material of the non-collinear antiferromagnetic material constituting the memory line 301 is not limited to Mn 3 Ge, and may be any of the various materials shown in the first embodiment.
  • the ASIC 100 can be applied to any device.
  • the ASIC 100 can be applied to optical communication devices.
  • the input light to the photoelectric conversion element of the current generating unit 201 is, for example, any signal light output from a device other than the ASIC 100.
  • the ASIC 100 can also be applied to other uses, in which case the input light may be light that is not output from the device, such as natural light.
  • the current generating unit 201 is not essential to the ASIC 100.
  • the ASIC 100 may obtain a write current output from a device other than the ASIC 100, and pass the write current directly or after performing any pre-processing to the spin hole layer 203, thereby writing data corresponding to the write current to the memory line 301.
  • the hardware configuration shown in FIG. 9C is not limited to being inside the ASIC 100, but may be provided externally.
  • the non-collinear antiferromagnetic material of the present invention may be configured so that distortion is introduced into the antiferromagnetic layer, ensuring that the degree of freedom of the polarization of the magnetic octupole is two-valued in the direction perpendicular to the film surface. This makes it easier to write and read digital data in a magnetic memory device.
  • the memory device shown in the second embodiment is merely one example, and the domain wall motion element using a non-collinear antiferromagnetic material can be applied to other types of memory devices.
  • the domain wall motion element may be applied to SOT-MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).
  • each of the plurality of memory cells is connected to a bit line and a word line for writing and reading data.
  • Each memory cell has an MTJ element.
  • this MTJ element is formed by sequentially stacking a memory area 301A using a non-collinear antiferromagnetic material, a non-magnetic layer 211, and a magnetization fixed layer 212.
  • the memory area 301A is not configured as a fine line, but is provided individually for each MTJ element (i.e., separated for each MTJ element).
  • a spin-hole layer connected to a bit line and a word line is stacked on the surface formed on the opposite side of the non-magnetic layer 211 in the memory area 301A.
  • a first transistor connected to the spin-hole layer at the drain is connected to the first bit line at its source and to the word line at its gate.
  • a second transistor connected to the spin-hole layer at the drain is connected to the second bit line at its source and to the word line common to the first transistor at its gate.
  • Other aspects of the MTJ element configuration are similar to the magnetoresistance element 204 in embodiment 2, so the description will be omitted.
  • the control unit 401 controls the voltage levels on the bit lines and word lines to perform writing.
  • the control unit 401 sets the voltage level on the word lines to the H level, and sets the voltage level on one of the first bit line and the second bit line to the H level and the voltage level on the other to the L level.
  • the control unit 401 controls the voltage levels of each bit line and word line, thereby storing different digital information in each of the multiple memory cells arranged in a matrix.
  • the control unit 401 also sets the voltage level of the word line to the H level, and sets the voltage level of one of the first bit line and the second bit line to the H level and leaves the other in an open state, thereby passing a read current through the memory cell and reading data. Details of this data reading are as described in the second embodiment, and therefore will not be described here.
  • a domain wall motion element is provided with an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure, the antiferromagnetic layer having a domain wall that moves in one direction when a current is applied thereto.
  • the antiferromagnetic material is any one of Mn 3 Ge, Mn 3 Sn, Mn 3 Ga, Mn 3 Rh, Mn 3 Pt, and Mn 3 Ir. 2.
  • the antiferromagnetic material has a kagome lattice as a crystal structure, The one direction in which the domain wall moves is a direction substantially perpendicular to a normal vector of a plane formed by the Kagome lattice. 3.
  • the domain wall motion element according to claim 1 or 2. (Appendix 4)
  • the antiferromagnetic layer is made of a single crystal. 4.
  • the domain wall motion element according to claim 1 . (Appendix 5)
  • a spin Hall layer is further provided on the antiferromagnetic layer, the spin Hall layer having at least one of Pt, Ta, and W, and exhibiting a spin Hall effect when a current is applied thereto. 5.
  • the domain wall motion element according to claim 1 is
  • (Appendix 6) a domain wall motion element having an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure; a writing unit that writes data into the magnetic domains by determining the magnetization direction of the magnetic domains of the antiferromagnetic layer; a reading unit that reads the magnetization direction of the magnetic domain that has moved in the domain wall motion element by applying a current to the antiferromagnetic layer;
  • a memory device comprising: (Appendix 7) the writing unit has a photoelectric conversion element that outputs an electrical signal according to input light, and controls the magnetization direction of the magnetic domain using the electrical signal output by the photoelectric conversion element to write data in the magnetic domain. 7. The memory device of claim 6.
  • (Appendix 8) a first step of writing data to a magnetic domain by controlling the magnetization direction of the magnetic domain of an antiferromagnetic layer made of an antiferromagnetic material having a non-collinear spin structure; a second step of applying a current to the antiferromagnetic layer to move the magnetic domain in one direction across the antiferromagnetic layer;
  • the data writing method includes the steps of: (Appendix 9) Repeating the first and second steps a number of times; 9.
  • M antiferromagnetic layer
  • F ferromagnetic layer
  • T domain wall motion element 11: domain wall motion layer 12: spin Hall layer 100: ASIC 101
  • Register section 102 Data read line 201 Current generating section 202 Conductor 203 Spin Hall layer 204 Magnetoresistance element 211 Nonmagnetic layer 212 Magnetization fixed layer 221 First terminal 222 Transistor 223 Second terminal 224 Read line 301 Memory line 301A Storage area 401 Control section 402 Current measuring circuit 403 Data output circuit 411 Processor 412 Memory

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Abstract

本開示によれば、磁壁移動速度を向上させることが可能な磁壁移動素子を実現することが可能である。本開示の一形態に係る磁壁移動素子は、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、電流が印加されることによって一方向に移動する磁壁を有する反強磁性層を備える。

Description

磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法
　本発明は、磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法に関する。
　コンピュータ等に搭載される磁気メモリデバイスは、そのパフォーマンスの向上が課題となっており、そのための研究開発がなされている。
　例えば、特許文献１には、それぞれの磁化方向が互いに逆向きに固定された第１及び第２のピニング層の両方と磁気的に結合するように磁化自由層を形成し、磁化方向を第１方向あるいは第２方向に設定する磁壁移動領域が磁化自由層内に形成されるような、磁壁移動素子の製造方法が記載されている。磁壁移動素子をこのようにして製造することにより、磁壁移動により磁化状態が変化する磁壁移動素子の初期化を行うことが意図されている。
特開２０１３－１７５５９８号公報
　不揮発性メモリとしての磁気メモリデバイスは、電力が供給されない状態で内部データを保持することができるため、省エネの効果が大きい。このような磁気メモリデバイスには、強磁性体が用いられ、その磁極情報（垂直２値状態の情報）が、デジタル情報として内部に記録されていた。しかしながら、強磁性体を用いた磁気メモリデバイスは、その磁壁移動速度が限られているため、動作速度の向上に限界があった。特許文献１に記載の技術は、磁壁移動素子の初期化に関するものであり、このような課題を解決するものではなかった。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、磁壁移動速度を向上させることが可能な磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法を実現する。
　本発明の一態様に係る磁壁移動素子は、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、電流が印加されることによって一方向に移動する磁壁を有する反強磁性層を備える。
　上記磁壁移動素子において、前記反強磁性体は、Ｍｎ３Ｇｅ、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｒｈ、Ｍｎ３Ｐｔ、又はＭｎ３Ｉｒのいずれかであってもよい。
　上記磁壁移動素子において、前記反強磁性体は、結晶構造としてカゴメ格子を有し、前記磁壁が移動する前記一方向は、前記カゴメ格子が形成する平面の法線ベクトルと略垂直な方向であってもよい。
　上記磁壁移動素子において、前記反強磁性層は単結晶で構成されてもよい。
　上記磁壁移動素子は、前記反強磁性層に積層された、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗの少なくともいずれかを有し、電流が印加されることによってスピンホール効果を発現するスピンホール層をさらに備えてもよい。
　本発明の一態様に係るメモリデバイスは、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる反強磁性層を有する磁壁移動素子と、前記反強磁性層の磁区の磁化方向を定めることで、前記磁区にデータを書き込む書込み部と、電流が前記反強磁性層に印加されることによって前記磁壁移動素子内で移動した前記磁区の磁化方向を読み取る読み取り部を備える。
　上記書込み部は、入力光に応じた電気信号を出力する光電変換素子を有し、前記光電変換素子が出力した電気信号を用いて前記磁区の磁化方向を制御し、前記磁区にデータを書き込んでもよい。
　本発明の一態様に係るデータ書込み方法は、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる反強磁性層の磁区の磁化方向を制御することで、前記磁区にデータを書き込む第１のステップと、前記反強磁性層に電流を印加することで、前記反強磁性層の一方向に前記磁区を移動させる第２のステップを有する。
　上記データ書込み方法では、前記第１及び第２のステップが複数回繰り返し実行されてもよい。
　本発明によれば、磁壁移動速度を向上させることが可能な磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法を実現することができる。
実施の形態１にかかる非共線反強磁性体の磁気構造を示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅの異常ホール効果を示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅの細線における磁壁移動の手法を示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅの磁壁移動を時系列によって示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅの磁壁移動の状態を示すグラフである。 Ｍｎ３Ｇｅのカゴメ面に対して、磁壁を移動させるためのシフト電流が流れるときの状態を示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅの磁壁移動の状態を示すグラフである。 シフト電流とカゴメ面との位置関係を示す図である。 強磁性体における磁壁移動のメカニズムを示す図である。 強磁性体における磁壁移動の詳細なメカニズムを示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅにおける磁壁移動の詳細なメカニズムを示す図である。 Ｍｎ３Ｇｅにおける、磁壁の幅とスピン蓄積量との関係を示すグラフである。 実験によって測定された各材料の磁壁速度を示したグラフである。 磁壁移動素子のバリエーションを示す構成図である。 実施の形態２にかかるメモリデバイスの概略的な構成図である。 Ｍｎ３Ｇｅにおける磁壁移動のメカニズムを示す図である。 レジスタ部の制御に関するユニットを示すブロック図である。 磁気抵抗素子の詳細な構成図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、発明を実施するための形態における以下の記載及び図面は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、説明を明確にするため、素子又はデバイスの構造については、適宜、３次元座標系を用いた説明がなされる。さらに、数値範囲を示す「－」は特に断りがない限り、その下限値及び上限値を含むものとする。また、この開示では、明記のない限り、複数の項目について「その少なくともいずれか」が定義された場合、その定義は、任意の１つの項目を意味しても良いし、任意の複数の項目（全ての項目を含む）を意味しても良い。
　実施の形態１
　（１Ａ）
　図１は、磁壁移動素子の要素である、非共線性のスピン構造を有する反強磁性体（以下、非共線反強磁性体とも記載する）であるＭｎ３Ｇｅの磁気構造を示す図である。Ｍｎ３Ｇｅは、ｃ軸方向に磁性原子のＭｎ（マンガン）からなるカゴメ格子が積層した結晶構造を有するものであり、図１では、そのカゴメ格子の一層のカゴメ面における磁気構造が示されている。
　図１において、カゴメ面Ｋの外側ではＧｅ（ゲルマニウム）が六角形の構造を形成し、内側ではＭｎが六角形の構造を形成している。図１では、Ｍｎ原子の各々のスピンの向きが矢印で示されている。なお、図２以降においてＭｎ３Ｇｅのカゴメ面を示す図においても、同様に、Ｍｎ原子の各々のスピンの向きが矢印で示される。
　図１（Ａ）では、隣接したＭｎ原子同士のスピンは、互いに１２０度ずれている。この構造は、逆１２０度構造と呼ばれるものであり、Ｍｎ３Ｇｅは、反強磁性秩序（又は、カイラル反強磁性秩序）状態にある。このとき、六角形全体におけるＭｎのスピンは、弱い強磁性モーメントを呈しており、磁気八極子とも称され、Ｍｎ３Ｇｅの微小磁化方向を決定する。磁気八極子は、図１（Ａ）において下向きの矢印として示した磁化方向Ｈ１となる。
　他方、図１右側の（Ｂ）において、カゴメ面内部においてＭｎが構成する六角形の構造でも、隣接したＭｎ原子同士のスピンは、互いに１２０度ずれている。しかしながら、各Ｍｎ原子は、図１（Ａ）とは異なる方向のスピンを有している。そのため、図１（Ｂ）において、Ｍｎ３Ｇｅは反強磁性秩序状態にあるものの、その磁気八極子は、図１（Ｂ）において上向きの矢印として示した磁化方向Ｈ２となる。
　以上に示したように、図１（Ａ）と（Ｂ）では、磁気八極子の向きが反対になる。そして、Ｍｎ３Ｇｅにおける磁気八極子の偏極状態を制御することで、図１（Ａ）と（Ｂ）の状態を互いに切り替えることができるため、非共線反強磁性体は、「０」又は「１」の状態を記録するメモリとしても用いることができる。この詳細については後述する。なお、このような微小な磁化を有する反強磁性体は、キャントした反強磁性体（canted antiferromagnet）とも呼ばれる。
　図２は、Ｍｎ３Ｇｅの異常ホール効果を示す図である。図２に示した通り、Ｍｎ３Ｇｅのカゴメ面は、Ｍｎ３Ｇｅの層Ｍ（反強磁性層）の平面方向である［０００１］方向に垂直となるように積層されている。ここで、図１において説明した通り、Ｍｎ３Ｇｅでは磁気八極子による偏極があるため、反強磁性層Ｍにおいて［０１－１０］方向に大きな仮想磁場Ｈが生じる。
　この状態において、反強磁性層Ｍの［０００１］方向に電流ｉが流される。このとき、反強磁性層Ｍに磁場が印加されていないにもかかわらず、仮想磁場Ｈによって、反強磁性層Ｍ内の電子ｅは、反強磁性層Ｍの平面方向である［２－１－１０］方向にその移動方向が曲げられる。このようにして、［２－１－１０］方向にホール電圧が生じる、異常ホール効果が発生する。
　図３Ａ～３Ｃは、Ｍｎ３Ｇｅの細線における磁壁移動の状況を示す。まず、図３Ａを用いて、Ｍｎ３Ｇｅの細線における磁壁移動の手法について説明する。
　図３Ａにおいて、Ｍｎ３Ｇｅの細線Ｎは、［２－１－１０］方向に延びた形状を有する。この細線Ｎに対し、［２－１－１０］方向と直交する［０００１］方向に書込み電流Ｃを流すことにより、両端に磁壁を有する磁区Ｄ１を生成する。この磁壁はネール磁壁（Neel wall）である。そして、パルス幅がナノ秒のオーダーとなるパルス電流ｔを細線Ｎにおける［２－１－１０］の負の方向に流すことにより、磁区Ｄ１は、図３Ａで示した磁区Ｄ２の位置まで移動する。このパルス電流ｔは、シフト電流とも呼ばれる。
　なお、パルス電流ｔが流れる方向は、図３Ａにおいて左向きの方向を正の値とし、磁壁の移動距離ｘの方向は、図３Ａにおいて右向きの方向（つまり、磁区Ｄ１からＤ２に向かう方向）を正の値とする。
　図３Ｂは、Ｍｎ３Ｇｅの磁壁移動を時系列によって示す図である。まず、時刻ｔ１においては、書込み電流Ｃによって、細線Ｎ内に磁区（磁壁）が生成される状態が示されている。次に、時刻ｔ１から時系列が後となる時刻ｔ２では、パルス電流ｔによって、磁区が正の方向に移動している。さらに、時刻ｔ２から時系列が後となる時刻ｔ３では、パルス電流ｔによって、磁区がさらに正の方向に移動している。
　図３Ｃは、Ｍｎ３Ｇｅの磁壁移動の状態を示すグラフである。図３Ｃにおいて三角のドットで示されるデータは、磁区の移動距離ｘの方向及びパルス電流ｔが流れる方向が正である場合のデータを示し、丸のドットで示されるデータは、磁区の移動距離ｘの方向及びパルス電流ｔが流れる方向が負である場合のデータを示す。図３Ｃのグラフの横軸は、細線Ｎ内におけるパルス電流の電流密度ｊを示したものであり、縦軸は、磁壁の移動速度Ｖを示す。図３Ｃでは、電流密度ｊの絶対値がおよそ４＊１０１０（Ａ／ｍ２）以上となったときに、磁壁が一定速度以上で移動することが示される。
　以上に示した通り、Ｍｎ３Ｇｅの細線は、磁壁移動素子として用いることが可能となる。また、以下において、Ｍｎ３Ｇｅにおける磁壁移動のメカニズムについてさらに説明する。
　図４Ａは、Ｍｎ３Ｇｅのカゴメ面に対して、磁壁を移動させるためのシフト電流ｊが流れるときの状態を示す図である。カゴメ面Ｋは、ｘｙ平面上に位置しており、カゴメ面Ｋの法線方向としてｚ軸方向が定義される。ここで、ｘ軸方向は［２－１－１０］方向であり、ｙ軸方向は［０１－１０］方向であり、ｚ軸方向は［０００１］方向である。そして、シフト電流ｊのベクトルがｚ軸となす角度をφと定義する。なお、Ｍｎ３Ｇｅにおける磁壁は、図３Ａ～図３Ｃに示した通り、シフト電流ｊのベクトルの方向と反対の方向に移動する。
　図４Ｂは、φが０°、４５°、６０°、９０°の場合における、Ｍｎ３Ｇｅの磁壁移動の状態を示すグラフである。図４Ｂのグラフの横軸は、シフト電流の電流密度ｊの絶対値を示したものであり、縦軸は、磁壁の移動速度Ｖを示す。
　図４Ｃは、φ＝９０°及びφ＝０°の場合の、シフト電流とカゴメ面との位置関係を示す図である。φ＝９０°では、シフト電流ｊのベクトルは、カゴメ面Ｋの平面に平行となる。換言すれば、シフト電流ｊは、カゴメ面の平面内を流れることを意味する。この場合、シフト電流ｊに関するＭｎ３Ｇｅのスピン偏極は０ではない値になる。また、移動する磁壁はネール磁壁である。一方、φ＝０°では、シフト電流ｊのベクトルは、カゴメ面Ｋの平面に垂直となる。この場合、シフト電流ｊに関するＭｎ３Ｇｅのスピン偏極は、φ＝９０°と比較すると微小な値（例えば、φ＝９０°のスピン偏極の１／１０程度の値）となる。また、移動する磁壁はブロッホ磁壁（Bloch wall）である。
　図４Ｂでは、任意のφの値について、図３Ｃで説明した通り、シフト電流ｊの絶対値が大きくなるほど、移動速度Ｖが増加することが示されている。また、図４Ｂには、φの値が０°から増加するにつれて磁壁の移動速度Ｖが増加し、φ＝９０°において移動速度Ｖが最大となることも示されている。ただし、φ＝０°の場合でも、磁壁は移動することが可能となる。例えば、シフト電流の電流密度ｊの絶対値が６＊１０１０（Ａ／ｍ２）の場合にＶが略１００（ｍ／ｓ）となり、電流密度ｊの絶対値が８＊１０１０（Ａ／ｍ２）の場合にＶが略２００（ｍ／ｓ）となる。この移動速度は、公知の他の種類の材料における磁壁の移動速度と比較すると、非常に速いものとなる。
　図５は、強磁性体における磁壁移動のメカニズムを示す図である。図５において、矢印は強磁性層Ｆ内の自発磁化（磁気モーメント）の向きを示す。（Ｉ）においては、磁気モーメントの向きが強磁性層Ｆの中央において変化しており、この箇所が磁壁になる。また、磁壁を挟んで、強磁性層Ｆの右側と左側とは異なる磁区となる。
　（ＩＩ）では、（Ｉ）に示した状態から、図５の左側に向けてシフト電流が流れる状態を示す。磁壁をシフト電流が通過する際に、電子のスピンが磁気モーメントと相互作用することにより、電子のスピン角運動量が磁気モーメントに受け渡される。これにより、磁気モーメントが回転して、磁壁が図５の右側に向けて移動することになる。このスピン角運動量の受け渡しのメカニズムは、スピントランスファートルクとも称される。
　（ＩＩＩ）は、磁気モーメントが回転した結果、（ＩＩ）と比較して、磁壁が図５の右側に向けて移動した状態を示す。このような強磁性体における磁壁の移動速度をｕとすると、ｕは以下の式で表される。
ｕ∝（Ｊ・Ｐ）／Ｍｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
ここで、Ｊはシフト電流の電流密度であり、Ｐは強磁性体のスピン分極率であり、Ｍｓは磁化の大きさを意味する。
　スピン分極率Ｐは、強磁性体のスピン偏極と相関関係があり、強磁性体のスピン偏極が大きくなった場合、スピン分極率Ｐも大きくなるため、ｕが大きい値となる。つまり、磁壁がより高速で移動することになる。一方、強磁性体のスピン偏極が０となった場合、スピン分極率Ｐが０となるため、ｕが０となる。つまり、強磁性体において、磁壁は移動しない。以上から、強磁性体においては、スピン偏極の程度が、磁壁移動の重要なファクターといえる。
　しかしながら、非共線反強磁性体であるＭｎ３Ｇｅの場合、上記の通り、シフト電流ｊに関するＭｎ３Ｇｅのスピン偏極がφ＝９０°と比較すると微小な値となるφ＝０°の場合でも、Ｍｎ３Ｇｅ内の磁壁は移動することができる。そのため、非共線反強磁性体において、スピン偏極は、磁壁移動の要因となるものではないと考えられる。
　図６Ａは、強磁性体における磁壁移動の詳細なメカニズムを示す図である。図６Ａは、自発磁化σを有する強磁性体に対して電流ｊが流された場合に、強磁性体内の磁気モーメントが、図５にて説明した電子のスピン角運動量由来のトルクτｓｔｔを受けて回転する状態を示している。ここで、電流ｊはｘ軸の正の方向に流れ、磁壁はｘ軸の負の方向に移動する。
　図６Ｂは、Ｍｎ３Ｇｅにおける磁壁移動の詳細なメカニズムを示す図である。図６Ｂは、自発磁化σを有するＭｎ３Ｇｅに対して電流ｊが流された場合に、Ｍｎ３Ｇｅの磁気八極子がトルクτｅｆｆを受けて回転する状態を示している。
　局所的に磁化方向が変化する磁壁の領域に電流を流すと、磁壁近傍において、電場により非平衡スピン蓄積が誘起されることが知られている。図６Ｂに示したＭｎ３Ｇｅにおける磁壁移動は、スピン偏極ではなく、この非平衡スピン蓄積によって磁気八極子にトルクが与えられることで生じる。したがって、スピン偏極度が小さく、磁壁移動には適していないと考えられてきた磁性材料においても、非平衡スピン蓄積を用いることで、高速に磁壁を動かせる可能性がある。
　図６Ｃは、Ｍｎ３Ｇｅにおける、磁壁の幅Ｌと、単位電場あたりのスピン蓄積量Ｓａとの関係を示すグラフである。図６Ｃでは、ネール磁壁とブロッホ磁壁の両方についてグラフが示されている。図６Ｃから参照される通り、ネール磁壁とブロッホ磁壁の両方とも、磁壁の幅Ｌが小さくなるほど、単位電場あたりのスピン蓄積量Ｓａの絶対値が増加する。単位電場あたりのスピン蓄積量Ｓａの絶対値の増加に伴い、上述のトルクτｅｆｆが増加し、磁壁がより高速に動かせることになる。
　図７は、様々な材料を磁壁移動素子として実験で用いた場合の磁壁速度を示したグラフである。図７のグラフの縦軸は、規格化された電流密度における磁壁移動速度Ｖを示す。図７には、反強磁性体（AntiFerromagnetic material：ＡＦＭ）であるＭｎ３Ｇｅ、フェリ磁性体（Ferrimagnetic material：ＦＩ）であるＰｔ／ＢｉＹＩＧ／ＧＳＧＧ、Ｍｎ４－ｘＮｉｘＮ、ＧｄＣｏ／Ｐｔ、合成反強磁性体（Synthetic AntiFerromagnetic material：ＳＡＦ）であるＳＡＦ１、ＳＡＦ２、ＳＡＦ３、強磁性体（Ferromagnetic material：ＦＭ）であるＰｔ／Ｃｏ／ＡＩＯｘ、パーマロイ（permalloy）が材料として示されている。ここで、ＳＡＦ１は、ＴａＮ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／ＴａＮであり、ＳＡＦ２は、Ｔａ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｔａであり、ＳＡＦ３は、ＴａＮ／Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｒｕ／Ｒｕ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／ＴａＮである。
　図７に示される通り、Ｍｎ３Ｇｅは、フェリ磁性体、合成反強磁性体や強磁性体といった他の材料と比較して、磁壁移動速度Ｖが圧倒的に大きいことが分かる。したがって、Ｍｎ３Ｇｅを磁壁移動素子に適用することにより、磁壁移動速度を向上させることが可能となる。
　以上の例では、非共線反強磁性体がＭｎ３Ｇｅである例を示したが、本発明にかかる非共線反強磁性体はＭｎ３Ｇｅに限られない。非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、電流が印加されることによって一方向に移動する磁壁を有する反強磁性層を備えるものであれば、本発明にかかる非共線反強磁性体は、他の種類の化合物であってもよい。他の種類の化合物としては、マンガン化合物が例として挙げられ、その例として、Ｍｎ３Ｘ（Ｘは、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ等のいずれか）が想定される。
　なお、反強磁性層の膜厚（すなわち、磁壁を移動させるシフト電流が流れる反強磁性層の平面に対して垂直な方向の、反強磁性層の厚み）は、例えば十ｎｍ－数百ｎｍのオーダーであってもよい。また、膜厚の大きさは、これに限定されない。
　また、磁壁移動素子に用いられる非共線反強磁性体は、多結晶よりも、単結晶のものとして生成されるのがより好ましい。ここで、単結晶は、理想的には、結晶のどの部分においても結晶軸の方向が同じとなる結晶であるが、格子欠陥又は結晶軸の向きの微小な変化の少なくともいずれかが部分的に含まれるような結晶も含まれる。単結晶は、多結晶と比較して結晶が規則的に積層されているため、ピニングサイトが生じにくく、磁壁がスムーズに移動しやすくなる。単結晶は、公知の任意の結晶育成法で生成することができる。
　磁壁移動素子に組み込まれる非共線反強磁性体の加工は、集束イオンビーム（Focused Ion Beam:ＦＩＢ）によって削り出されることによりなされてもよい。あるいは、成膜により、異なる物体の表面に非共線反強磁性体の層を形成させることで、磁壁移動素子が作成されてもよい。
　［効果の説明］
　以上に示したように、本発明では、磁壁移動素子を、非共線反強磁性体からなり、電流が印加されることによって一方向に移動する磁壁を有する反強磁性層を備えるように構成することができる。この反強磁性体においては、電流が印加されることにより、スピン蓄積が磁壁周辺に形成されることで、磁壁が移動する。このようなメカニズムにより、このような反強磁性体は、フェリ磁性体、合成反強磁性体や強磁性体といった他の磁性体材料と比較して、磁壁移動速度を向上させることが可能となる。また、別の観点で言えば、このような反強磁性体は、他の磁性体材料と比較して、磁壁を同じ速度で移動させるのに必要な電流値を少なくすることができるため、省エネの効果を奏するともいえる。
　ここで、反強磁性体は、例えば、Ｍｎ３Ｇｅ、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｒｈ、Ｍｎ３Ｐｔ、又はＭｎ３Ｉｒのいずれかであってもよい。
　また、反強磁性体は、結晶構造としてカゴメ格子を有し、磁壁が移動する方向（又は、シフト電流が印加される方向）は、カゴメ格子が形成する平面の法線ベクトルと略垂直な方向であってもよい。つまり、磁壁が移動する方向は、カゴメ面と略平行なベクトルを構成してもよい。ここで、略平行とは、磁壁が移動する方向がカゴメ面と平行であるか、又は平行に近い（例えば、磁壁が移動する方向とカゴメ面とのなす角が数度以下である）ことを意味する。これにより、磁壁移動速度をさらに高速にすることができる。
　また、反強磁性層は単結晶で構成されてもよい。この構成により、ピニングサイトが生じにくく、磁壁がスムーズに移動しやすくなることで、磁壁移動速度をさらに高速にすることができる。
　（１Ｂ）
　次に、非共線反強磁性体の層と異なる層を積層させた磁壁移動素子の例を説明する。
　図８は、磁壁移動素子のバリエーションを示す構成図である。図８において、磁壁移動素子Ｔは、Ｍｎ３Ｇｅによって構成された磁壁移動層１１と、磁壁移動層１１に対してｚ軸方向に積層されており、Ｐｔ（白金）によって構成されたスピンホール層１２を備える。磁壁移動層１１及びスピンホール層１２は、ｘｙ平面上で延びており、ｚ軸方向に所定の幅を有する。
　磁壁移動層１１は、Ｍｎ３Ｇｅによって構成された層（反強磁性層）のことであり、その物性の詳細な説明は（１Ａ）と同様であるため省略する。
　スピンホール層１２では、電流ｊがｘ軸方向に流れたときに、ｘ軸方向と垂直な方向であるｚ軸方向に、電子スピンの流れ（スピン流）が生じるスピンホール効果が生じる。図８では、異なるスピンを有する電子ｅ１、ｅ２が、ｚ軸方向においてそれぞれ反対の方向に移動する状態が示されている。詳細には、ｙ軸負方向にスピン偏極した電子ｅ１がスピンホール層１２のｚ軸負方向の側（すなわち、図８におけるスピンホール層１２の下部側）に蓄積される一方、ｙ軸正方向にスピン偏極した電子ｅ２がスピンホール層１２のｚ軸正方向の側（すなわち、図８におけるスピンホール層１２の上部側）に蓄積される。このようにして、スピンホール層１２にスピン流が生じる。
　スピンホール層１２の上部側、すなわち磁壁移動層１１との境界面に蓄積された、スピン偏極した電子ｅ２は、隣接する磁壁移動層１１のＭｎ３ＧｅにおけるＭｎの磁気モーメントに対し、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）を与える。このトルクにより、磁気八極子の極性反転を発生させることができる。つまり、磁気八極子に情報を書き込むことが可能となる。
　以上の例では、スピンホール層１２がＰｔで構成される例を示したが、スピンホール層１２はこれに限られず、スピン軌道相互作用の強い非磁性体の金属又は半導体といった材料で構成されていてもよい。このような非磁性体の金属の例としては、Ｐｔ（白金）のほか、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）といったものが挙げられる。
　なお、磁壁移動層１１の膜厚（すなわちｚ軸方向の幅）は、例えば（１Ａ）に示した通り、十ｎｍ－数百ｎｍのオーダーであってもよい。また、スピンホール層１２の膜厚は、例えば十－数十ｎｍのオーダーであってもよい。なお、スピンホール層１２の膜厚を薄くするほど、スピンホール効果を生じさせるための電流を少なくすることができるため、省エネの効果を高くすることができる。ただし、スピンホール層１２においてスピンホール効果を確実に発現させるためには、スピンホール層１２は、上下の面にスピン偏極した電子が蓄積されるのに必要な膜厚（例えば１０ｎｍ程度）を、少なくとも有することが好ましい。
　［効果の説明］
　本発明では、磁壁移動素子を、磁壁移動層１１と、その磁壁移動層１１に積層された、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗの少なくともいずれかを有し、電流が印加されることによってスピンホール効果を発現するスピンホール層１２をさらに備えるように構成することができる。このように、磁壁移動層１１にスピンホール層１２を積層させることにより、スピンホール層１２に電流を流すことで、磁壁移動層１１において高速に磁化反転を発生させることができる。そのため、磁気メモリデバイスとして磁壁移動素子Ｔを用いた場合に、磁壁移動層１１へのデータの書込みが高速となる。また、データ書込み時において磁壁移動層１１に直接電流を流す必要がないため、磁気メモリデバイスにおける書込みと読出しの動作において、磁壁移動層１１に流す電流の経路を分けることができる。さらに、磁化反転に際して磁場を印加することが不要となる。
　実施の形態２
　次に、実施の形態１で説明した磁壁移動素子の適用例について説明する。
　図９Ａは、磁壁移動素子が適用されたメモリデバイスの概略的な構成図である。図９Ａにおいて、メモリデバイスは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）１００に搭載されており、レジスタ部１０１及びデータ読出線１０２を備える。
　レジスタ部１０１は、電流によって、内部のメモリにスピンの情報を書き込む。内部のメモリは、実施の形態１で示した、非共線反強磁性体であるＭｎ３Ｇｅの層により構成された細線である。メモリの磁気八極子に対してレジスタ部１０１からスピン軌道トルクが与えられることで、磁化反転が発生し、データが書き込まれる。また、レジスタ部１０１は、シフト電流をメモリに対して流すことで、磁壁を移動させ、メモリの新たな領域に別の書込みをすることや、読み取り部に対してデータの読み取りをさせることを実現させる。このように、レジスタ部１０１は、データとして記録させた磁化の情報をシフトさせる機能を有するため、スピンシフトレジスタとも呼称される。磁化の情報は、レジスタ部１０１の読み取り部によって読み取られた後、電気信号としてデータ読出線１０２から出力される。
　図９Ｂは、レジスタ部１０１の詳細な構成図である。レジスタ部１０１は、導電体２０２を有する電流生成部２０１、スピンホール層２０３、磁気抵抗素子２０４及びメモリ線３０１を備える。
　また、図９Ｃは、レジスタ部１０１の制御に関するユニットを示すブロック図である。ＡＳＩＣ１００は、図９Ａ、９Ｂに示した構成に加えて、制御部４０１、電流計測回路４０２及びデータ出力回路４０３といったハードウェア構成を備える。
　制御部４０１は、プロセッサ４１１及びメモリ４１２を有する。プロセッサ４１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の任意のプロセッサを、１以上含むものである。
　メモリ４１２は、１以上の命令を格納するために使用される。ここで、１以上の命令は、ソフトウェアモジュール群（コンピュータプログラム）としてメモリ４１２に格納される。メモリ４１２は、揮発性メモリや不揮発性メモリ、又はそれらの組み合わせで構成される。メモリ４１２は、１個に限られず、複数設けられてもよい。なお、揮発性メモリは、例えば、ＤＲＡＭ (Dynamic Random Access Memory)、ＳＲＡＭ (Static Random Access Memory)等のＲＡＭ (Random Access Memory)であってもよい。不揮発性メモリは、例えば、ＰＲＯＭ (Programmable ROM)、ＥＰＲＯＭ (Erasable Programmable Read Only Memory)、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙであってもよい。
　プロセッサ４１１は、メモリ４１２と接続されており、１以上の命令をメモリ４１２から読み出して実行することで、制御部４０１が実行する以下の処理を行うことができる。なお、メモリ４１２は、プロセッサ４１１の外部に設けられていてもよいし、プロセッサ４１１に内蔵されていてもよい。
　また、電流計測回路４０２及びデータ出力回路４０３は、下記に説明する機能を発揮することが可能な、任意の種類の電気回路である。
　以下、図９Ｂ及び図９Ｃを参照しながら、レジスタ部１０１の動作について説明する。図９Ｂにおいて、電流生成部２０１は、スピンホール層２０３を介してメモリ線３０１に情報を書き込むための電気信号を生成する。電流生成部２０１は、例えば、任意の光電変換素子を有してもよい。光電変換素子への入力光に応じて、この光電変換素子は、電気信号である電流を出力する。別の例として、電流生成部２０１は、制御部４０１によって制御されることで電気信号を生成する回路を有してもよい。
　電流生成部２０１の導電体２０２は、スピンホール層２０３と接続されるほか、その両端が電源電圧及びグラウンドとそれぞれ接続されることによって、バイアス電圧Ｖが印加される。電流生成部２０１が電気信号を出力することで、導電体２０２は、電気信号に応じた書込み電流Ｉｗをスピンホール層２０３に対して流す。
　スピンホール層２０３は、メモリ線３０１の一部と直交して重なっており（すなわち、積層されており）、（１Ｂ）で記載したスピンホール層１２と同様の物性及び機能を有する。スピンホール層２０３に書込み電流Ｉｗが流れると、（１Ｂ）に示したメカニズムにより、その内部にスピン流が生じる。
　メモリ線３０１は、非共線反強磁性体からなる磁壁移動層を有する磁壁移動素子であり、（１Ｂ）で示した磁壁移動層１１と同様の物性及び機能を有する。そのため、メモリ線３０１の磁気八極子に対して、スピン流に起因したスピン軌道トルクが与えられることで、磁化反転が発生し、スピンホール層２０３と積層したメモリ線３０１の領域にデータが磁化の情報として書き込まれる。このようにして、電流生成部２０１及びスピンホール層２０３は、メモリ線３０１の磁区の磁化方向を定めることで、その磁区にデータを書き込む書込み部として機能する。
　書き込まれる磁化の情報は、１ビットのデータ「０」又は「１」であり、図９Ｂでは、磁気八極子における磁化の情報が上向き（ｚ軸正方向）であれば「０」、下向き（ｚ軸負方向）であれば「１」と定義される。メモリ線３０１内では、この磁化の情報は磁壁によって、隣接した磁化の情報と区切られる。
　データが書き込まれた後、メモリ線３０１が延伸するｘ軸方向に対して、シフト電流Ｉｓ（パルス電流）がメモリ線３０１に流される。なお、シフト電流Ｉｓを流すための回路がＡＳＩＣ１００内又はＡＳＩＣ１００外に設けられていてもよい。このシフト電流Ｉｓにより、磁化の情報は、（１Ａ）に示したメカニズムの通り、メモリ線３０１内でｘ軸方向を移動して、スピンホール層２０３と離間した磁気抵抗素子２０４の位置まで移動する。
　なお、シフト電流Ｉｓを流すタイミング及び流す時間については、任意に制御することが可能である。
　図９Ｄは、磁気抵抗素子２０４の詳細な構成図である。磁気抵抗素子２０４は、この例では磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）であり、メモリ線３０１の一部領域である記憶領域３０１Ａと、非磁性層２１１と、磁化固定層２１２を有する。記憶領域３０１Ａ、非磁性層２１１及び磁化固定層２１２は、この順に、図９Ｂのｚ軸方向に積層されている。
　記憶領域３０１Ａには、上記の通り、１ビットのデータ「０」又は「１」が、磁化Ｍ１１の情報として磁気八極子に書き込まれている。この磁化Ｍ１１の情報は反転可能な情報であり、図９Ｄでは、上下両方向を向く矢印として示されている。また、シフト電流Ｉｓが流れることにより、メモリ線３０１の磁区が移動するため、記憶領域３０１Ａに格納される磁化の情報は、シフト電流Ｉｓが流れることで変化する。
　非磁性層２１１は、ＭｇＯ等といった絶縁体で形成されており、記憶領域３０１Ａと磁化固定層２１２とを分離する。
　磁化固定層２１２は、磁化Ｍ１２の方向が固定された層であり、例えば強磁性体又は反強磁性体で構成されている。磁化固定層２１２は、単結晶又は多結晶のいずれかで構成されている。なお、磁化Ｍ１２は、図９Ｄにおいて上方向（ｚ軸正方向）を向くとして説明を続けるが、磁化Ｍ１２は下方向（ｚ軸正方向）を向いていてもよい。
　記憶領域３０１Ａの磁化Ｍ１１と磁化固定層２１２の磁化Ｍ１２が同じ向きである（平行状態である）とき、磁気抵抗素子２０４の抵抗は低い状態となる。しかしながら、磁化Ｍ１１と磁化Ｍ１２が反対の向きである（反平行状態である）とき、磁気抵抗素子２０４の抵抗は高い状態となる。
　また、記憶領域３０１Ａにおいて非磁性層２１１が積層された面と反対側の面には、第１端子２２１が接続され、第１端子２２１には、トランジスタ２２２のドレインが接続されている。トランジスタ２２２は、例えばＮＭＯＳ（N-channel metal oxide semiconductor）トランジスタであるが、他の種類のトランジスタであってもよい。トランジスタ２２２のゲートには、図９Ｃに示された制御部４０１が接続されており、制御部４０１は、トランジスタ２２２のオン及びオフを制御する。また、トランジスタ２２２のソースには、図示しない電源電圧が接続されている。
　さらに、磁化固定層２１２において非磁性層２１１が積層された面と反対側の面には、第２端子２２３が接続され、第２端子２２３には、読出し線２２４が接続されている。読出し線２２４は、電流計測回路４０２に接続されている。
　制御部４０１がトランジスタ２２２をオンにすることで、磁気抵抗素子２０４に所定の電圧が印加される。このようにして磁気抵抗素子２０４に電圧を加えることで、制御部４０１は、第１端子２２１から記憶領域３０１Ａ、非磁性層２１１、磁化固定層２１２、第２端子２２３を経由して読出し線２２４に読出し電流を流す。このとき、磁気抵抗素子２０４に印可される電圧値が同じ場合であっても、磁気抵抗素子２０４の抵抗が高いか低いかに応じて（すなわち、磁気抵抗素子２０４が平行状態か反平行状態であるかに応じて）、読出し電流の電流値が変化する。
　図９Ｃに示された電流計測回路４０２は、読出し電流の電流値を計測し、計測値を制御部４０１に出力する。制御部４０１は、その計測値を用いて、磁気抵抗素子２０４が平行状態か反平行状態であるかを判定する。制御部４０１は、例えば電流の所定の閾値と、計測値との大小を比較することにより、磁気抵抗素子２０４が平行状態か反平行状態であるかを判定する。また、制御部４０１は、磁化固定層２１２の磁化Ｍ１２の向きの情報を取得する。この情報は、例えばメモリ４１２に格納されている。
　制御部４０１は、磁気抵抗素子２０４が平行状態か反平行状態を示す判定結果と、磁化Ｍ１２の向きの情報に基づいて、記憶領域３０１Ａの磁化Ｍ１１の情報が、「０」又は「１」のいずれを示すかを判定する。制御部４０１は、データ出力回路４０３を制御して、判定した「０」又は「１」の結果を、電気信号としてデータ読出線１０２から出力させる。以上に示した通り、磁気抵抗素子２０４、電流計測回路４０２及び制御部４０１は、記憶領域３０１Ａの磁化情報を読み取る読み取り部として機能する。
　［効果の説明］
　本発明では、ＡＳＩＣ１００としてのメモリデバイスを、非共線反強磁性体からなる磁壁移動層を有するメモリ線３０１と、メモリ線３０１の磁区の磁化方向を制御することで、磁区にデータを書き込む書込み部と、電流が印加されることでメモリ線３０１内で移動した磁区の磁化方向を読み取る読み取り部を備えるように構成することができる。このように、実施の形態１で示した磁性体をメモリデバイス内に組み込むことにより、メモリデバイスは、実施の形態１で記載した効果を奏する。
　また、メモリデバイスは、光電変換素子をさらに備えていてもよい。メモリデバイスの書込み部は、入力光に応じて光電変換素子が出力した電気信号を用いて磁区の磁化方向を制御し、磁区にデータを書き込む。このようにして、メモリデバイスは、入力光に応じたデータ書込みが可能となる。
　また、本発明は、非共線反強磁性体からなる磁壁移動層の磁区の磁化方向を制御することで、その磁区にデータを書き込む第１のステップと、磁壁移動層に電流を印加することで、磁壁移動層の一方向に磁区を移動させる第２のステップとを有するデータ書込み方法としてもとらえることができる。このようなデータ書込みの方法を採用することにより、実施の形態１で記載した効果を奏する。
　また、第１及び第２のステップを複数回繰り返し実行することにより、多くのデータを、メモリデバイスの磁壁移動層の異なる領域に連続して格納させることができる。
　なお、シフト電流Ｉｓのベクトルが、メモリ線３０１におけるＭｎ３Ｇｅのカゴメ面の平面と略平行となる場合に、実施の形態１に示した通り、磁壁の移動速度は最大となり、高速でデータ書込みをできるという効果を向上させることができる。しかしながら、シフト電流Ｉｓのベクトルが、メモリ線３０１におけるＭｎ３Ｇｅのカゴメ面の平面と略垂直である場合でも、磁壁の移動速度は、公知の材料における磁壁の移動速度と比較すると、非常に速いものとなる。
　メモリ線３０１を構成する非共線反強磁性体の材料は、Ｍｎ３Ｇｅに限らず、実施の形態１で示した各種材料であってもよい。
　ＡＳＩＣ１００は、任意の機器に適用することが可能である。例えば、ＡＳＩＣ１００は、光通信の機器に適用することが可能である。その場合、電流生成部２０１が有する光電変換素子への入力光は、例えばＡＳＩＣ１００以外の機器から出力された任意の信号光である。ただし、ＡＳＩＣ１００は、それ以外の用途に適用することも可能であり、その場合、入力光は、自然光など、機器から出力されていない光であってもよい。
　また、ＡＳＩＣ１００において、電流生成部２０１は必須ではない。例えば、ＡＳＩＣ１００は、ＡＳＩＣ１００以外の機器から出力された書込み電流を取得し、その書込み電流をそのまま、又は任意の前処理を施した上でスピンホール層２０３に流すことにより、書込み電流に応じたデータをメモリ線３０１に書き込んでも良い。
　また、図９Ｃに示すハードウェア構成は、ＡＳＩＣ１００の内部に限らず、外部に設けられていても良い。
　以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態によって記載された内容に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
　例えば、本発明における非共線反強磁性体を、その反強磁性層に歪みが導入されるように生成することで、磁気八極子の偏極の自由度を、確実に膜面垂直方向の２値にするように構成してもよい。これにより、磁気メモリデバイスにおけるデジタルデータの書込み及び読み取りをより容易にすることができる。
　また、実施の形態２に示したメモリデバイスはあくまで一例であり、非共線反強磁性体を用いた磁壁移動素子は、他の種類のメモリデバイスに適用することが可能である。例えば、磁壁移動素子は、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）に適用されてもよい。
　ＳＯＴ－ＭＲＡＭでは、複数のメモリセルがマトリクス状に配置され、複数のメモリセルの各々が、データの書込み及び読出しのためのビット線及びワード線に接続されている。また、各メモリセルは、ＭＴＪ素子を有する。このＭＴＪ素子は、実施の形態２に記載の通り、非共線反強磁性体を用いた記憶領域３０１Ａ、非磁性層２１１及び磁化固定層２１２が順に積層されたものである。ただし、記憶領域３０１Ａは細線として構成されず、各ＭＴＪ素子に個別に（すなわち、ＭＴＪ素子毎に分離して）設けられている。また、記憶領域３０１Ａにおいて非磁性層２１１と反対側に形成された面には、ビット線及びワード線と接続されたスピンホール層が積層されている。詳細には、ドレインでそのスピンホール層と接続された第１のトランジスタが、そのソースで第１のビット線に、そのゲートでワード線に接続される。また、ドレインでそのスピンホール層と接続された第２のトランジスタは、そのソースで第２のビット線に、そのゲートで、第１のトランジスタと共通のワード線に接続される。ＭＴＪ素子の構成におけるその他の点については、実施の形態２における磁気抵抗素子２０４と同様であるため、説明を省略する。
　制御部４０１は、書込みを実行するために、ビット線及びワード線における電圧レベルを制御する。詳細には、制御部４０１は、ワード線における電圧レベルをＨレベルに設定し、第１のビット線及び第２のビット線の一方における電圧レベルをＨレベルに、他方における電圧レベルをＬレベルに設定する。第１のビット線及び第２のビット線のいずれをＨレベルにするかを変更することで、スピンホール層に流れる電流の向きを変更することが可能となる。スピンホール層に流れる電流の向きに応じて、実施の形態１及び２で説明したメカニズムにより、記憶領域３０１Ａにおいて磁化情報を記憶させることができる。ここで、制御部４０１は、各ビット線及びワード線の電圧レベルを制御することで、マトリクス状に配置された複数のメモリセルの各々において、異なるデジタル情報を格納させることができる。
　また、制御部４０１は、ワード線における電圧レベルをＨレベルに設定し、第１のビット線及び第２のビット線の一方における電圧レベルをＨレベルに、他方を開放状態とすることで、メモリセルに読出し電流を流すことで、データの読出しを実行することができる。このデータの読出しの詳細については、実施の形態２に記載した通りであるため、説明を省略する。
　さらに、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
　（付記１）
　非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、電流が印加されることによって一方向に移動する磁壁を有する反強磁性層を備える磁壁移動素子。
　（付記２）
　前記反強磁性体は、Ｍｎ３Ｇｅ、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｒｈ、Ｍｎ３Ｐｔ、又はＭｎ３Ｉｒのいずれかである、
　付記１に記載の磁壁移動素子。
　（付記３）
　前記反強磁性体は、結晶構造としてカゴメ格子を有し、
　前記磁壁が移動する前記一方向は、前記カゴメ格子が形成する平面の法線ベクトルと略垂直な方向である、
　付記１又は２に記載の磁壁移動素子。
　（付記４）
　前記反強磁性層は単結晶で構成される、
　付記１乃至３のいずれか１項に記載の磁壁移動素子。
　（付記５）
　前記反強磁性層に積層された、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗの少なくともいずれかを有し、電流が印加されることによってスピンホール効果を発現するスピンホール層をさらに備える、
　付記１乃至４のいずれか１項に記載の磁壁移動素子。
　（付記６）
　非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる反強磁性層を有する磁壁移動素子と、
　前記反強磁性層の磁区の磁化方向を定めることで、前記磁区にデータを書き込む書込み部と、
　電流が前記反強磁性層に印加されることによって前記磁壁移動素子内で移動した前記磁区の磁化方向を読み取る読み取り部と、
　を備えるメモリデバイス。
　（付記７）
　前記書込み部は、入力光に応じた電気信号を出力する光電変換素子を有し、前記光電変換素子が出力した電気信号を用いて前記磁区の磁化方向を制御し、前記磁区にデータを書き込む、
　付記６に記載のメモリデバイス。
　（付記８）
　非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる反強磁性層の磁区の磁化方向を制御することで、前記磁区にデータを書き込む第１のステップと、
　前記反強磁性層に電流を印加することで、前記反強磁性層の一方向に前記磁区を移動させる第２のステップと、
　を有するデータ書込み方法。
　（付記９）
　前記第１及び第２のステップを複数回繰り返し実行する、
　付記８に記載のデータ書込み方法。
　これらの例に示したように、本発明の構成や詳細には、その技術的思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０２２年１０月２８日に出願された日本出願特願２０２２－１７３１４４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
Ｍ　　　　反強磁性層
Ｆ　　　　強磁性層
Ｔ　　　　磁壁移動素子
１１　　　磁壁移動層
１２　　　スピンホール層
１００　　ＡＳＩＣ
１０１　　レジスタ部
１０２　　データ読出線
２０１　　電流生成部
２０２　　導電体
２０３　　スピンホール層
２０４　　磁気抵抗素子
２１１　　非磁性層
２１２　　磁化固定層
２２１　　第１端子
２２２　　トランジスタ
２２３　　第２端子
２２４　　読出し線
３０１　　メモリ線
３０１Ａ　記憶領域
４０１　　制御部
４０２　　電流計測回路
４０３　　データ出力回路
４１１　　プロセッサ
４１２　　メモリ

Claims (9)

  1. 　非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなり、電流が印加されることによって一方向に移動する磁壁を有する反強磁性層を備える磁壁移動素子。
  2. 　前記反強磁性体は、Ｍｎ３Ｇｅ、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｒｈ、Ｍｎ３Ｐｔ、又はＭｎ３Ｉｒのいずれかである、
    　請求項１に記載の磁壁移動素子。
  3. 　前記反強磁性体は、結晶構造としてカゴメ格子を有し、
    　前記磁壁が移動する前記一方向は、前記カゴメ格子が形成する平面の法線ベクトルと略垂直な方向である、
    　請求項１又は２に記載の磁壁移動素子。
  4. 　前記反強磁性層は単結晶で構成される、
    　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁壁移動素子。
  5. 　前記反強磁性層に積層された、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗの少なくともいずれかを有し、電流が印加されることによってスピンホール効果を発現するスピンホール層をさらに備える、
    　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁壁移動素子。
  6. 　非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる反強磁性層を有する磁壁移動素子と、
    　前記反強磁性層の磁区の磁化方向を定めることで、前記磁区にデータを書き込む書込み部と、
    　電流が前記反強磁性層に印加されることによって前記磁壁移動素子内で移動した前記磁区の磁化方向を読み取る読み取り部と、
    　を備えるメモリデバイス。
  7. 　前記書込み部は、入力光に応じた電気信号を出力する光電変換素子を有し、前記光電変換素子が出力した電気信号を用いて前記磁区の磁化方向を制御し、前記磁区にデータを書き込む、
    　請求項６に記載のメモリデバイス。
  8. 　非共線性のスピン構造を有する反強磁性体からなる反強磁性層の磁区の磁化方向を制御することで、前記磁区にデータを書き込む第１のステップと、
    　前記反強磁性層に電流を印加することで、前記反強磁性層の一方向に前記磁区を移動させる第２のステップと、
    　を有するデータ書込み方法。
  9. 　前記第１及び第２のステップを複数回繰り返し実行する、
    　請求項８に記載のデータ書込み方法。
PCT/JP2023/038152 2022-10-28 2023-10-23 磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法 WO2024090370A1 (ja)

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