CN101609716A - 利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法 - Google Patents

利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用磁性纳米线中的磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法。所述磁性纳米线包括多个磁畴和形成在所述磁畴之间的区域中的钉扎点。所述方法包括以下步骤：通过向磁性纳米线施加具有第一脉冲电流密度的第一脉冲电流，使磁畴壁从第一钉扎点脱钉；通过向磁性纳米线施加具有第二脉冲电流密度的第二脉冲电流，使磁畴壁移动到第二钉扎点。第一脉冲电流密度大于第二电流脉冲密度。

Description

利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法
本专利申请要求于2008年6月16日在韩国知识产权局提交的第10-2008-0056526号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用被完全包含于此。
技术领域
本发明涉及一种利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法。
背景技术
即使在切断电源的情况下也能保留记录的信息的传统非易失性信息存储装置的示例包括硬盘驱动器(HDD)和非易失性随机存取存储器(RAM)。
HDD是具有旋转部件的信息存储装置，而旋转部件易于劣化。该劣化导致在操作HDD的过程中发生故障的可能性相对高，从而降低了可靠性。
闪速存储器是非易失性RAM的示例。与HDD相比，闪速存储器不包括旋转部件，闪速存储器的读取/写入操作速度低、使用寿命短并且数据存储容量小。传统的闪速存储器的制造成本也相对高。
传统的非易失性信息存储装置的另一示例不如说是利用了磁畴壁移动的原理。在传统的磁信息存储装置中，铁磁体中微小的磁区域被称作磁畴，磁化方向彼此不同的磁畴之间的边界区域被成为磁畴壁。磁畴壁具有给定的体积，并且可以在施加到磁体的电流的作用下在磁体中移动。
利用磁畴壁移动的信息存储装置可以利用磁性纳米线存储相对大量的信息。然而，为了将信息记录在磁畴中并且从磁畴中读取信息，磁畴壁必须被连续移动，这要耗费相对大量的功率和/或能量。
发明内容
示例实施例涉及一种降低利用磁畴壁移动来操作信息存储装置中的驱动能量的方法。
示例实施例提供了一种利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法，该方法降低了所需的驱动功率和/或能量。
至少一个示例实施例提供了一种利用磁性纳米线中的磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法。所述磁性纳米线可以包括多个磁畴和形成在所述多个磁畴之间的区域中的钉扎点。根据至少一个示例实施例，可以通过向磁性纳米线施加第一脉冲电流，使磁畴壁从第一钉扎点脱钉。第一脉冲电流可以具有第一脉冲电流密度。可以通过向磁性纳米线施加第二脉冲电流，使磁畴壁移动到第二钉扎点。第二脉冲电流可以具有第二脉冲电流密度。第一脉冲电流密度可以大于第二脉冲电流密度。
根据至少一些示例实施例，第一脉冲电流密度可以大于使磁畴壁从第一钉扎点移动的临界电流密度。第二脉冲电流密度的持续时间可以长于第一脉冲电流密度的持续时间。第一脉冲电流密度可以是与脱钉操作中使用的最小电能有关的脉冲电流密度，第二脉冲电流密度可以是与移动操作过程中的最小电能有关的脉冲电流密度。第一脉冲电流密度和第二脉冲电流密度可以是脱钉操作和移动操作的电能的总和为最小值的脉冲电流密度。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例实施例，本发明将变得更加清楚，在附图中：
图1是可以应用根据示例实施例的利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法的信息存储装置的示例的透视图；
图2是示出操作信息存储装置的传统方法的时序图；
图3是用于解释根据示例实施例的操作信息存储装置的方法的时序图；
图4是示出信息存储装置根据电流密度的脱钉现象(depinningphenomenon)的曲线图；
图5是示出信息存储装置根据电流密度的脱钉时间和电能的变化的曲线图；
图6是示出信息存储装置根据第二脉冲电流的电流密度的传播时间的曲线图；
图7是示出信息存储装置根据第二脉冲电流的电流密度的传播时间和电能的变化的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图更加充分地描述本发明的各种示例实施例，在附图中示出了本发明的一些示例实施例。在附图中，为了清晰起见，扩大了层和区域的厚度。
这里公开了本发明的详细的说明性的实施例。然而，这里公开的特定结构上和功能上的细节仅代表描述本发明示例实施例的目的。然而，本发明可以以许多可选的形式实施，而不应该解释为仅限于在此阐述的实施例。
因此，尽管本发明的示例实施例可以为各种修改和可选的形式，但是在附图中以示例的方式示出了本发明的实施例，并且将在这里详细地描述这些实施例。然而，应该理解，不意图将本发明的示例实施例限制于公开的具体形式，而是相反，本发明的示例实施例将覆盖落入本发明的范围内的所有修改、等同物和替换。在整个附图的描述中，相同的标号表示相同的元件。
应该理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述不同的元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用来将一个元件与其它元件区分开来。例如，在不脱离本发明示例实施例的范围的情况下，第一元件可以被命名为第二元件，类似地，第二元件可以被命名为第一元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何组合和所有组合。
应该理解，当元件被称作“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可以直接连接到或直接结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，不存在中间元件。应该以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其它术语(例如，“在......之间”与“直接在......之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。
这里使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，而不意图成为本发明示例实施例的限制。如这里使用的，除非上下文清楚地表示，否则单数形式也意图包括复数形式。还应该进一步理解，当在这里使用术语“包含”和/或“包括”时，说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应该注意，在一些可选的实施中，提到的功能/行为可以不按照附图中指出的顺序进行。例如，根据所涉及的功能/行为，连续示出的两幅图实际上可以基本上同时进行，或者有时可以按照相反的顺序进行。
图1是可以应用根据示例实施例的利用磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法的示例性磁信息存储装置100的透视图。
参照图1，信息存储装置100可以包括存储信息(数据)的磁性纳米线10。磁性纳米线10可以包括多个磁畴12。在每对相邻的磁畴12之间可以形成磁畴壁14。每个磁畴12是可以存储数据的单位区域。
在图1中，描述了以直线形式形成的单条磁性纳米线10。然而，磁性纳米线10是为了解释示例实施例的示意图，因此，磁性纳米线10不限于此。例如，在信息存储装置100中可以形成多条磁性纳米线10，并且磁性纳米线10可以以各种形状(例如，水平地、竖直地、弯曲地等)形成。也可以结合这些各种类型的磁畴信息存储装置来应用/实施示例实施例。
磁性纳米线10可以包括位于形成有磁畴壁14的区域中的钉扎点(pinningsite，未示出)，使得磁畴壁14可以被更容易地钉扎(pin)。钉扎点可以降低相应磁畴壁14的各向异性磁势(magnetic anisotropic potential)。钉扎点可以通过减小磁畴壁14的面积来形成，或者可以由降低磁畴壁14的各向异性磁势的材料来形式。钉扎点临时固定磁畴壁14的位置，当向磁性纳米线10施加给定的临界电流时，允许磁畴壁14通过钉扎点。
在一个示例中，凹槽(未示出)可以表示钉扎点。可选地，可以通过在磁性纳米线10的区域处添加不同于磁性纳米线10的添加材料来形成钉扎点。在该示例中，可以通过降低与钉扎点对应的区域的各向异性磁势来使磁畴壁14被钉扎。
磁性纳米线10可以包括连接到磁性纳米线10的第一端E1的第一导线C1和连接到磁性纳米线10的第二端E2的第二导线C2。第一导线C1还可以连接到第一驱动器件D1，第二导线C2还可以连接到第二驱动器件D2。第一驱动器件D1和第二驱动器件D2可以为晶体管、二极管等。第一驱动器件D1和第二驱动器件D2、第一导线C1和第二导线C2可以构成向磁性纳米线10施加用于移动磁畴壁的电流的电流施加元件。
当经过第一驱动器件D1施加电流时，磁畴壁14可以沿着第一方向(在图1中用箭头21表示的方向)移动。当经过第二驱动器件D2施加电流时，磁畴壁14可以沿着第二方向(在图1中用箭头22表示的方向)移动。
图1中示出的电流施加元件不限于此，而是可以以各种方式形成。例如，与第一导线C1连接到第一驱动器件D1和第二导线C2连接到第二驱动器件D2不同，或者第一导线C1和第二导线C2中只有一个连接到驱动器件D1和D2中的至少一个，或者第二导线C2可以连接到驱动器件D1，第一导线C1可以连接到驱动器件D2。在图1的结构中，用于移动磁畴壁的电流经过第一驱动器件D1和/或第二驱动器件D2被施加到磁性纳米线10，并且根据施加到磁性纳米线10的电流的方向来确定磁性纳米线14的移动方向。磁畴壁14沿着与电子相同的方向移动，即，沿着与电流相反的方向移动。
磁性纳米线10可以包括用于再现数据的读取元件30和用于写入数据的写入元件40。读取元件30和写入元件40中的每个可以位于磁性纳米线10上，与相应的磁畴12对应。读取元件30和写入元件40可以为例如利用隧道型磁电阻(TMR)效应或巨磁电阻(GMR)效应的器件。利用TMR效应和GMR效应的器件是本领域所孰知的，因此将省略对其进行详细描述。
示例实施例不限于图1中示出的读取元件30和写入元件40的原理和结构，而是可以结合各种磁畴信息存储装置被实施/应用。例如，写入元件40可以利用外部磁场来写入数据。在另一示例中，写入元件40可以利用电子的自旋扭矩现象(spin torque phenomenon)来写入数据。
磁畴12的电子自旋可以为垂直磁性自旋或者水平磁性自旋。磁畴12的电子自旋可以根据磁性纳米线10的材料来确定。
与磁性纳米线10中分开的读取元件30和写入元件40不同，可以包括执行写入和读取功能两者的读取/写入元件。
当磁畴壁14在经过第一驱动器件D1和/或第二驱动器件D2向磁性纳米线10施加的给定的、期望的或预定的脉冲电流的作用下在位单元(bit unit)中移动时，可以通过向读取元件30施加读取电流来再现记录在磁性纳米线10中的数据，或者可以通过向写入元件40施加写入电流来将数据记录到磁性纳米线10中。
现在将参照图1来描述根据示例实施例的利用磁畴壁移动来驱动信息存储装置100的方法。
参照图1，可以利用写入元件40将信息记录在第一磁畴M1中。可以通过写入元件40施加写入电流来记录信息，从而在第一磁畴M1中设置磁各向异性方向。接着，例如可以通过第二驱动器件D2施加移动脉冲电流，使得磁畴12沿着第二方向22移动到相邻的磁畴区域。磁畴12可以停在相邻的磁畴区域中。然后可以利用写入元件40来设置第二磁畴M2的磁各向异性方向(magnetic anisotropic direction)。可以按照如上所述的第一磁畴M1的方式相同的方式来设置第二磁畴M2的磁各向异性方向。可以根据写入电流的方向来确定第二磁畴M2的磁各向异性方向。
现在将描述读取信息的方法。仍然参照图1，根据至少一个示例实施例，可以利用读取元件30向第三磁畴M3施加读取电流。可以测量流过磁畴M3的电流来读取记录在磁畴M3中的信息。接着，磁畴M3响应于经过第一驱动器件D1或第二驱动器件D2施加的移动脉冲来移动，从而连续地或基本上连续地读取其它磁畴中的信息。
如根据如上所述的示例实施例的读取信息和写入信息的方法中所示，在利用磁畴壁移动的信息存储装置100中，移动磁畴壁来读取磁畴12中的信息或者将信息写入磁畴12中。
图2是示出驱动信息存储装置的传统方法的时序图。
参照图2，向驱动器件(例如D1或D2)施加用于移动磁畴壁的脉冲电流Ja，使得磁畴壁14可以从钉扎点中移动出来。为此，脉冲电流Ja的脉冲电流密度可以大于使磁畴壁14脱钉(磁畴壁14从钉扎点中移动出来)的临界电流密度。脉冲电流Ja可以具有给定的、期望的或者预定的刚好足够移动一个磁畴壁14的持续时间ta。
图3是示出驱动信息存储装置100的方法的示例实施例的时序图。
参照图1和图3，施加到驱动器件的用于移动磁畴壁14的移动电流可以包括第一脉冲电流Jd和第二脉冲电流Jp，第一脉冲电流Jd用于将磁畴壁14从钉扎点中移动出来(脱钉)，第二脉冲电流Jp用于在磁畴壁已经脱钉后移动磁畴壁14。第一脉冲电流Jd可以具有大于临界电流密度的第一脉冲电流密度。第二脉冲电流Jp可以具有第二脉冲电流密度。
第二脉冲电流Jp的第二脉冲电流密度可以低于第一脉冲电流Jd的第一脉冲电流密度。第一脉冲电流Jd和第二脉冲电流Jp可以根据磁性纳米线10的材料和/或厚度而改变。第二脉冲电流Jp的第二持续时间tp可以长于第一脉冲电流Jd的第一持续时间td。因为与第二脉冲电流Jp有关的能量低于与第一脉冲电流Jd有关的能量，所以这样可以降低与第一脉冲电流Jd和第二脉冲电流Jp有关的能量的总和。示例实施例可以降低操作信息存储装置100所需要的功率和/或能量。可以分别利用在脱钉操作和传播操作过程中的降低的(例如，最小的)能量来确定第一脉冲电流Jd和第二脉冲电流Jp。
现在将描述根据示例实施例的磁畴壁的移动电流的能量模拟结果。
在模拟过程中使用的磁性纳米线为具有垂直磁方向性(vertical magneticdirectionality)的Co/Pt层，宽度为60nm，高度为5nm，磁畴长度为160nm。另外，磁性纳米线的阻尼常数为0.1，自旋极化为0.7，磁各向异性能Ku为106erg/cc，饱和磁化强度Ms为200emu/cc，交换常数(exchange constant)A*为1×10-6erg/cc，非绝热β(non-adiabaticity beta)为0.01。钉扎点为凹槽。
图4和图5是示出刚从钉扎点移动出来的磁畴壁的脱钉过程的模拟过程中产生的数据的曲线图。
图4是示出了信息存储装置根据电流密度的脱钉现象的曲线图。
参照图4，在电流密度为大约9×106A/cm2时没有发生脱钉，而在电流密度为大约10×106A/cm2或者更大时，磁畴壁被脱钉。因此，在该示例中，使磁畴壁脱钉的临界电流密度是大约10×106A/cm2。如图所示，随着电流密度增加，脱钉时间和传播时间被缩短。
图5是示出信息存储装置100根据电流密度的脱钉时间和电能的变化的曲线图。
参照图5，当用于脱钉的第一脉冲的电流密度增加时，脱钉时间被缩短。然而，可以通过增加电流密度来逐渐缩短脱钉时间的缩短比例。还是如图5中所示，脱钉能量的最小点出现在电流密度为大约16×106A/cm2的位置。在电流密度为大约16×106A/cm2的位置，脱钉时间为大约1纳秒(nsec)。
图6和图7是示出在磁畴壁已经脱钉的情况下传播过程的模拟过程中产生的数据的曲线图。
图6是示出信息存储装置根据第二脉冲电流的电流密度的传播时间的曲线图。
参照图6，在施加大约16×106A/cm2的电流密度作为第一脉冲电流持续大约1nsec之后，模拟了由第二脉冲电流引起的用于移动磁畴壁的能量。如图所示，随着第二脉冲电流增加，磁畴壁移动时间被缩短。
图7示出了信息存储装置根据第二脉冲电流的电流密度的传播时间和电能的变化的曲线图。
参照图7，由于第二脉冲电流密度增加，磁畴壁移动时间减少。如图7中所示，移动磁畴壁的最小能量出现在电流密度为大约10×106A/cm2的位置。
示例实施例可以通过分别在脱钉过程和传播过程中施加利用最小能量的情况下的脉冲电流密度来降低用于移动磁畴壁的能量。可以结合示例实施例如上所述地将脱钉过程和传播过程分开来实现上述目的。这与针对脱钉过程和传播过程两者都施加相等的脉冲电流的传统方法不同。
在示例中，采用传统方法，施加16×106A/cm2的电流密度持续4.604ns来移动磁畴壁，能耗为11.59J/cm3。在根据示例实施例的磁畴壁移动的方法中，利用大约16×106A/cm2的电流密度作为第一脉冲电流(例如，Jd)持续大约1ns，利用大约10×106A/cm2的电流密度作为第二脉冲电流(例如，Jp)持续大约6.452ns。在该示例中，这里的能耗是大约8.87J/cm3。因此，相对于传统的移动磁畴壁的方法，根据示例实施例的移动磁畴壁的方法可以将能耗降低大约24％。
尽管已经参照本发明的示例实施例示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离如权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对此进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1、一种利用磁性纳米线中的磁畴壁移动来操作信息存储装置的方法，所述磁性纳米线包括多个磁畴和形成在所述多个磁畴之间的区域中的钉扎点，所述方法包括以下步骤：
通过向磁性纳米线施加第一脉冲电流，使磁畴壁从第一钉扎点脱钉，第一脉冲电流具有第一脉冲电流密度；
通过向磁性纳米线施加第二脉冲电流，使磁畴壁移动到第二钉扎点，第二脉冲电流具有第二脉冲电流密度，第一脉冲电流密度大于第二脉冲电流密度。
2、如权利要求1所述的方法，其中，第一脉冲电流密度大于使磁畴壁从第一钉扎点脱钉的临界电流密度。
3、如权利要求1所述的方法，其中，第二脉冲电流密度的持续时间长于第一脉冲电流密度的持续时间。
4、如权利要求1所述的方法，其中，第一脉冲电流密度是与脱钉操作中使用的最小电能有关的脉冲电流密度。
5、如权利要求4所述的方法，其中，第二脉冲电流密度是与移动操作过程中的最小电能有关的脉冲电流密度。
6、如权利要求1所述的方法，其中，第一脉冲电流密度和第二脉冲电流密度是脱钉操作和移动操作的电能的总和为最小值的脉冲电流密度。
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