JP2004006775A - Magnetic logic element and magnetic logic element array - Google Patents

Magnetic logic element and magnetic logic element array Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new magnetic logic element that has a small size and can perform logical processing, and to provide a magnetic logic element array constituted by arraying the element. <P>SOLUTION: The magnetic logic element has at least two or more magnetic layers (HM and SM), an intermediate layer (SP) interposed between the magnetic layers (HM and SM), and a direction of magnetization control section for the magnetic layer (SM). Two or more input signals A and B used for controlling the direction of magnetization of the magnetic layer (SM) are provided and the magnetization of the magnetic layer (SM) is decided by combining the input signals A and B by respectively assigning 0 and 1 to the signals A and B. The logic element outputs the magnitude of the magnetoresistive effect through the intermediate layer (SP) as its output signal C. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁性体論理素子及び磁性体論理素子アレイに関し、より詳細には、電流直接駆動型の記録と、磁気抵抗効果による再生が可能な磁性体論理素子及び磁性体論理素子アレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層構造において面内に電流を流した場合に、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｅｆｆｅｃｔ）が発現することが見出されて以来、大きな磁気抵抗変化率を持つ系として、電流を積層構造に対して垂直方向に流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｐｌａｎｅ）型磁気抵抗効果素子や、非磁性層が絶縁体からなる強磁性トンネル磁気抵抗効果素子が開発された。
【０００３】
さらに、より大きな磁気抵抗効果を示す系として、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」、あるいは２つのマグネタイトを接触させた「磁気微小接点」（　Ｎ．　Ｇａｒｃｉａ，　Ｍ．　Ｍｕｎｏｚ，　ａｎｄ　Ｙ．　−Ｗ．　Ｚｈａｏ，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．８２，　ｐ２９２３　（１９９９））、あるいは２つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点（Ｊ．　Ｊ．　Ｖｅｒｓｌｕｉｊｓ，　Ｍ．　Ａ．　Ｂａｒｉ　ａｎｄ　Ｊ．　Ｍ．　Ｄ．　Ｃｏｅｙ，　ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　ｖｏｌ．８７，　ｐ２６６０１　−１　（２００１　）　）が見出された。
【０００４】
これらの磁気抵抗効果素子は、磁気センサーや磁気記録再生システムの再生素子として用いるだけでなく、不揮発性の固体磁気メモリとしての展開が進められている。しかし、これら従来の素子が有する機能は、センサあるいはメモリなどとしての単機能に過ぎなかった。
【０００５】
これに対し、シリコン（Ｓｉ）デバイスに代表される半導体素子は、論理回路、メモリ素子などとして広く用いられている。しかしこれらの半導体回路素子は、本質的に抵抗が高く、キャリア濃度が小さいために、集積化に伴う消費電力の増加あるいはダウンサイジングによる誤動作などが問題となっている。また、論理回路として使用する場合、１つの論理処理でも複数個のトランジスタ等の組み合わせが必要であるなど、さらなる小型化は難しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
磁気抵抗効果を利用した磁気素子は、これまでセンサあるいは磁気メモリとしての単機能をもつのみであった。一方、これまでの論理回路は、半導体を用いて形成されているが、今後のさらなる小型化・集積化のためには、ダウンサイジングの問題、複数の素子構成などが課題であった。
【０００７】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたもものであり、その目的は、小型で論理処理が行える新しい磁性体論理素子及びこの素子をアレイ化した磁性体論理素子アレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の磁性体論理素子は、
少なくとも２つ以上の磁性部と、
前記２つ以上の磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
前記２つ以上の磁性部の少なくともいずれかの磁化方向を制御する磁化方向制御部と、
を備え、
前記磁性部の磁化方向を制御するための入力信号Ａ及び入力信号Ｂを設けてそれぞれに「０」と「１」を割り当て、前記入力信号Ａと前記入力信号Ｂとの組み合わせにより前記磁性部の磁化を決定し、前記ＭＲ中間部を介した磁気抵抗効果の大小を出力信号Ｃとしたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の磁性体論理素子は、
磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部と、
前記第１及び第２のハード磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
前記第１のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１のソフト磁性部と、
前記第２のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間に設けられた第１のスピントランスファ中間部と、
前記第２のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間に設けられた第２のスピントランスファ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号に対応して、前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
第２の論理入力信号に対応して、前記第２のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第４の強磁性体の磁化を前記第２の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１のソフト磁性部と前記第２のソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の磁性体論理素子は、磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部と、
前記第１及び第２のハード磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
前記第１のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１のソフト磁性部と、
前記第２のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間に設けられた第１のスピントランスファ中間部と、
前記第２のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間に設けられた第２のスピントランスファ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号と第２の論理入力信号との間の大小関係に対応した書き込み電流を、前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間で流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１のソフト磁性部と前記第２のソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第４の磁性体論理素子は、磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
第２の強磁性体を含む第２のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間に設けられ、第３の強磁性体を含む第１のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間に設けられたスピントランスファ中間部と、
前記第１及び第２のソフト磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号と第２の論理入力信号との間の大小関係に対応した書き込み電流を、前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間で流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１及び第２のソフト磁性部の間でセンス電流を流すことにより、前記第２の強磁性体の前記第３の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第５の磁性体論理素子は、
磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部と、
前記第１及び第２のハード磁性部の間に設けられ、第３の強磁性体を含むソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間に設けられたスピントランスファ中間部と、
前記第２のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間に設けられたＭＲ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号に対応した第１の電圧を前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部とのいずれか一方に印加し、第２の論理入力信号に対応した第２の電圧を前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部とのいずれか他方に印加し、前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間で前記第１及び第２の電圧の大小関係に応じて流れる書き込み電流によって、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行のいずれか一方の向きに向け、
前記第２のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第２の方向に対する、前記第３の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第６の磁性体論理素子は、
磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含むハード磁性部と、
第２の強磁性体を含むソフト磁性部と、
前記ハード磁性部と前記ソフト磁性部との間に設けられたＭＲ中間部と、
第１の方向に延在する第１の書き込み配線と、
前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の書き込み配線と、
を備え、
第１の論理入力信号に対応した第１の書き込み電流を前記第１の書き込み配線に流し、第２の論理入力信号に対応した第２の書き込み電流を前記第２の書き込み配線に流して、前記第１及び第２の書き込み電流により形成された合成磁界により前記第２の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行のいずれか一方の向きに向け、
前記ハード磁性部と前記ソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第１の方向に対する、前記第２の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする。
【００１３】
一方、本発明の磁性体論理素子アレイは、
上記いずれかの複数の磁性体論理素子と、
この磁性体論理素子の任意のいずれかを選択し論理入力信号またはセンス電流を流す手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の磁性体論理素子の動作を概念的に表す模式図である。
【００１５】
すなわち、この磁性体論理素子は、２つの磁性部（ＦＭ１、ＦＭ２）と、これら磁性部の間に設けられたＭＲ中間部（ＳＰ）と、これら磁性部の少なくともいずれかの磁化方向を制御する磁化方向制御部（ＭＣ）と、を備えている。そして、磁性部ＦＭ１、の磁化方向を制御するための入力信号Ａ及び入力信号Ｂを設けてそれぞれに「０」と「１」を割り当て、入力信号Ａと入力信号Ｂとの組み合わせにより磁性部（ＦＭ１、ＦＭ２）の磁化を決定し、ＭＲ中間部ＳＰを介した磁気抵抗効果の大小を出力信号Ｃとしたことを特徴とする。
【００１６】
次に、図２は、本発明の第２の磁性体論理素子の動作を概念的に説明する模式図である。
【００１７】
すなわち、この磁性体論理素子は、磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部（ＨＭ１）と、磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部（ＨＭ２）と、を備えている。またさらに、これらハード磁性部の間に設けられたＭＲ中間部（ＳＰ）と、第１のハード磁性部（ＨＭ１）とＭＲ中間部（ＳＰ）との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１のソフト磁性部（ＳＭ１）と、第２のハード磁性部（ＨＭ２９とＭＲ中間部（ＳＰ）との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２のソフト磁性部（ＳＭ２）と、を備えている。さらに、第１のハード磁性部（ＨＭ１）と第１のソフト磁性部（ＳＭ１）との間に設けられた第１のスピントランスファ中間部（ＮＭ１）と、第２のハード磁性部（ＨＭ２）と第２のソフト磁性部（ＳＭ２）との間に設けられた第２のスピントランスファ中間部（ＮＭ２）と、を備えている。
【００１８】
そして、第１の論理入力信号Ａに対応して、第１のハード磁性部（ＨＭ１）と第１のソフト磁性部（ＳＭ１）との間で書き込み電流を流すことにより、第３の強磁性体の磁化を第１の方向と略平行または略反平行な向きに向ける。また、第２の論理入力信号Ｂに対応して、第２のハード磁性部（ＨＭ２）と第２のソフト磁性部（ＳＭ２）との間で書き込み電流を流すことにより、第４の強磁性体の磁化を第２の方向と略平行または略反平行な向きに向ける。
【００１９】
一方、第１のソフト磁性部（ＳＭ１）と第２のソフト磁性部（ＳＭ２）との間でセンス電流を流すことにより、第３の強磁性体と第４の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力Ｃを可能としたことを特徴とする。
【００２０】
次に、図３は、本発明の第３の磁性体論理素子の動作を概念的に説明する模式図である。
すなわち、この磁性体論理素子も、磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部（ＨＭ１）と、磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部（ＨＭ２）と、を備えている。またさらに、これらハード磁性部の間に設けられたＭＲ中間部（ＳＰ）と、第１のハード磁性部（ＨＭ１）とＭＲ中間部（ＳＰ）との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１のソフト磁性部（ＳＭ１）と、第２のハード磁性部（ＨＭ２９とＭＲ中間部（ＳＰ）との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２のソフト磁性部（ＳＭ２）と、を備えている。さらに、第１のハード磁性部（ＨＭ１）と第１のソフト磁性部（ＳＭ１）との間に設けられた第１のスピントランスファ中間部（ＮＭ１）と、第２のハード磁性部（ＨＭ２）と第２のソフト磁性部（ＳＭ２）との間に設けられた第２のスピントランスファ中間部（ＮＭ２）と、を備えている。
【００２１】
そして、第１の論理入力信号Ａと第２の論理入力信号Ｂとの組み合わせに対応して、第１のハード磁性部（ＨＭ１）と第１のソフト磁性部（ＳＭ１）との間で書き込み電流を流すことにより、第３の強磁性体の磁化を第１の方向と略平行または略反平行な向きに向ける。具体的には、例えば、第１の論理入力信号Ａと第２の論理入力信号Ｂとの差分に基づいて、書き込み電流を流すことができる。
【００２２】
一方、第１のソフト磁性部（ＳＭ１）と第２のソフト磁性部（ＳＭ２）との間でセンス電流を流すことにより、第３の強磁性体と第４の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力Ｃを可能としたことを特徴とする。
【００２３】
次に、図４は、本発明の第４の磁性体論理素子の動作を概念的に説明する模式図である。
すなわち、この磁性体論理素子は、磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部（ＨＭ１）と、磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部（ＨＭ２）と、第１及び第２のハード磁性部の間に設けられ、第３の強磁性体を含むソフト磁性部（ＳＭ１）と、第１のハード磁性部（ＨＭ１）とソフト磁性部（ＳＭ１）との間に設けられたスピントランスファ中間部（ＮＭ１）と、第２のハード磁性部（ＨＭ２）とソフト磁性部（ＳＭ１）との間に設けられたＭＲ中間部（ＳＰ）と、を備えている。
【００２４】
そして、第１の論理入力信号Ａに対応して、第１のハード磁性部（ＨＭ１）とソフト磁性部（ＳＭ１）との間で書き込み電流を流すことにより、第３の強磁性体の磁化を第１の方向と略平行または略反平行な向きに向ける。
【００２５】
また、第２の論理入力信号に対応して、第１のハード磁性部（ＨＭ１）とソフト磁性部（ＳＭ１）との間で書き込み電流を流すことにより、第３の強磁性体の磁化を第１の方向と略平行または略反平行な向きに向ける。
【００２６】
そして、ソフト磁性部（ＳＭ１）と第２のハード磁性部（ＨＭ２）との間でセンス電流を流すことにより、第２の強磁性体の磁化と第３の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力Ｃを可能としたことを特徴とする。
【００２７】
以下、さらに具体的な素子の構造を挙げて説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図５は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体論理素子の要部断面構造を例示する模式図である。
すなわち、本実施形態の磁性体論理素子は、その中央に設けられたＭＲ中間部ＳＰの両隣にソフト磁性部ＳＭ１とＳＭ２とを有し、さらにその外側に、それぞれスピントランスファ中間部ＮＭ１とＮＭ２とを介してハード磁性部ＨＭ１とＨＭ２とを有する。また、ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２、およびソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２には、それぞれ電極Ｅ１〜Ｅ４が設けられている。
【００２９】
ここで、「ソフト磁性部」とは、磁化が固着されておら
ず書きこみ可能なフリー状態である磁性部をいう。また、「ハード磁性部」とは、保磁力が大きな材料からなる磁性部か、あるいは磁化が固着された磁性部をいう。従って、ソフト磁性部とハード磁性部の材質は同じ場合もありうる。ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ４は、互いに平行または反平行な方向に固着されている。
【００３０】
ここで、入力信号ＡとＢは、電極Ｅ１〜Ｅ４に適宜、入力される。すなわち、入力信号を、電極Ｅ１と電極Ｅ２とに入力することにより、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向を制御し、電極Ｅ３と電極Ｅ４とに入力することにより、ソフト磁性部ＳＭ２の磁化方向Ｍ３を制御する。
【００３１】
これらいずれの場合も、スピン偏極した電子電流によってソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２の磁化方向を制御する。
【００３２】
図６は、スピン偏極電流による磁化方向の制御を説明するための概念図である。
【００３３】
すなわち、まず同図（ａ）に表したように、ハード磁性部ＨＭ１（あるいはＨＭ２）からソフト磁性部ＳＭ１（あるいはＳＭ２）に向けて電子電流を流すと、ソフト磁性部ＳＭ１（ＳＭ２）に対して、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）の磁化Ｍ１（Ｍ４）と同方向の書き込みができる。つまり、この方向に電子電流を流した場合、電子のスピンはまず、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）においてその磁化Ｍ１（Ｍ４）の方向に応じて偏極される。そして、このようにスピン偏極された電子がソフト磁性部ＳＭ１（ＳＭ２）に流入して、その磁化Ｍ２（Ｍ３）をハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）の磁化Ｍ１（Ｍ４）と同方向に反転させる。
【００３４】
これに対して、図６（ｂ）に表したように、ソフト磁性部ＳＭ１（あるいはＳＭ２）からハード磁性部ＨＭ１（あるいはＨＭ２）に向けて電子電流を流すと、これとは逆方向に書き込むことができる。すなわち、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）の磁化Ｍ１（Ｍ４）と対応したスピン電子は、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）を容易に通過できのに対して、磁化Ｍ１（Ｍ４）と逆方向のスピン電子は、スピントランスファ中間部ＮＭ１（ＮＭ２）とハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）との界面において、高い確率で反射される。そして、このように反射されたスピン偏極電子がソフト磁性部ＳＭ１（ＳＭ２）に戻ることにより、ソフト磁性部ＳＭ１（ＳＭ２）の磁化Ｍ２（Ｍ３）を、ハード磁性部Ｍ１（Ｍ４）とは逆の方向に反転させる。
【００３５】
このような「電流直接駆動型磁化反転」は、例えば、Ｊ．　Ｃ．　Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，　Ｊ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｔｅｒ．　１５９，　Ｌ１　（１９９６）．　Ｅ．　Ｂ．　Ｍｙｅｒｓ，　ｅｔ　ａｌ．，　Ｓｃｉｅｎｃｅ　２８５，　８６７　（１９９９）．　Ｊ．　Ａ．　Ｋａｔｉｎｅ，　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｌｅｔｔ．　１４，　３１４９　（２０００）．　Ｆ．　Ｊ．　Ａｌｂｅｒｔ，　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙ．　Ｌｅｔｔ．　７７，　３８０９　（２０００）．　Ｊ．　−Ｅ．　Ｗｅｇｒｏｗｅ，　ｅｔ　ａｌ．，　Ｅｕｒｏｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．，　４５，　６２６　（１９９９）．　Ｊ．　Ｚ．　Ｓｕｎ，　Ｊ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｔｅｒ．　２０２，　１５７　（１９９９）．などに開示されている。
【００３６】
すなわち、この現象は、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）を通過する際、またはハード磁性部により反射されてスピン偏極した電流が流れることにより発生するスピン偏極電子の角運動量が、ソフト磁性部の角運動量に伝達されることで磁化反転するものである。
【００３７】
このように、本発明においては、スピン偏極電流による電流直接駆動型の磁化反転機構によって、ソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２に所定の磁化を書き込むことができる。つまり、ソフト記録層に対して、より直接的に作用させることが可能である。このため、漏洩電流磁界により記録層を磁化反転させる従来の記録素子と比較して、記録時の磁化反転に必要な電流を減少させることが可能となる。
【００３８】
一方、図５の磁性体論理素子において、情報の読み出し、すなわち論理信号の出力は、例えば、電極Ｅ２と電極Ｅ３との間の磁気抵抗を読み込むことにより行うことができる。
【００３９】
図７は、本実施形態の磁性体論理素子における情報の読み出しの動作を説明する模式図である。
すなわち、同図（ａ）に表したように、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２とソフト磁性部ＳＭ２の磁化Ｍ３とが平行の場合、同図に矢印で表した方向（あるいはこれと逆の方向でもよい）にセンス電流を流して得られる抵抗は小さい。
【００４０】
一方、図７（ｂ）に表したように、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２とソフト磁性部ＳＭ２の磁化Ｍ３とが反平行の場合、抵抗は大きくなる。従って、これら抵抗出力に対応して、「０」レベルと「１」レベルとを割り当てることにより、２値情報の読み出しができる。例えば、抵抗が小さい状態を「０」、抵抗が大きい状態を「１」とすることができる。あるいは、この逆に割り当ててもよい。
【００４１】
このようにすると、後に詳述するように、電極Ｅ１〜Ｅ４にそれぞれ入力する信号の組み合わせによって、各種の論理処理が可能となる。
【００４２】
本発明においては、このような磁気抵抗効果によりソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２の磁化方向に応じた２値情報を高い感度で読み出すことが可能となる。またさらに、後に詳述するように、ＭＲ中間部ＳＰの材料や構造を適宜工夫することにより、センス電流を流す再生部の電気抵抗を最適なレベルまで高くすることができる。その結果として、特に、素子をアレイ化したような場合の素子選択が容易となり、この磁性体論理素子を集積化させたメモリ素子あるいは論理回路などを実現できる。
【００４３】
なお、本発明において設けるスピントランスファ中間部ＮＭ１及びＮＭ２としては、抵抗が小さい材料を用いることができるので、ソフト磁性部ＳＭ１とＳＭ２との間の磁気抵抗効果を検出するために、電極Ｅ１と電極Ｅ４との間でセンス電流を流してもよい。
【００４４】
ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２と、ソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２の材料としては、それぞれ、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるニッケル鉄（ＮｉＦｅ）系合金、あるいはコバルト・ニオブ・ジルコニウム（ＣｏＮｂＺｒ）系合金、鉄タンタル炭素（ＦｅＴａＣ）系合金、コバルト・タンタル・ジルコニウム（ＣｏＴａＺｒ）系合金、鉄アルミニウム・シリコン（ＦｅＡｌＳｉ）系合金、鉄ボロン（ＦｅＢ）系合金、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金、磁性半導体、あるいはハーフメタル磁性体酸化物（または窒化物）などを用いることができる。
【００４５】
磁性半導体としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）のいずれかひとつ以上の磁性元素と化合物半導体あるいは酸化物半導体とからなる磁性半導体を用いることができる。このような材料としては、具体的には、（Ｇａ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ，Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏなど挙げることができる。
【００４６】
また、ハーフメタル磁性体酸化物（または窒化物）としては、例えば、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などを挙げることができる。
すなわち、これらの材料のうちから、用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
また一方、磁性部としては連続的な磁性体からなる膜でもよく、または、非磁性体からなるマトリックス中に磁性体微粒子が形成または析出した構造の膜を用いることもできる。
【００４７】
また、特にソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２については、コバルト（Ｃｏ）あるいはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金からなる第１の層と、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）あるいはニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）からなるパーマロイ合金あるいはニッケル（Ｎｉ）からなる第２の層との２層構造としたり、あるいは、コバルト（Ｃｏ）あるいはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金からなる第１の層と、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）あるいはニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）からなるパーマロイ合金あるいはニッケル（Ｎｉ）からなる第２の層と、コバルト（Ｃｏ）あるいはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金からなる第３の層と、の３層構造とすることも望ましい。
【００４８】
これらの多層構造からなる磁性部の場合、外側のコバルト（Ｃｏ）あるいはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金の厚さは、０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。
【００４９】
さらに、ソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２、あるいはハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２として、層間交換結合した　（パーマロイ、Ｃｏ、ＣｏＦｅなどの磁性膜）／（銅（Ｃｕ），ルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性膜（厚さ０．２ｎｍ以上３ｎｍ以下））／（パーマロイ、Ｃｏ、ＣｏＦｅなどの磁性膜）からなる３層膜もスイッチング電流やスイッチング磁界を小さくするために効果的である。このような３層膜をハード磁性部に用いた場合、磁化Ｍ１、Ｍ４の方向は、３層膜の中の非磁性膜の膜厚を調節することにより、制御可能である。
【００５０】
ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ４を固着化するためには、これらハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の外側に反強磁性部（図示せず）を設けて交換バイアスを印加するればよい。反強磁性部を積層して交換バイアスを印加すると、磁化方向制御および磁気抵抗効果の大きな信号出力を得るために有利である。そのための反強磁性材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることが野望ましい。
【００５１】
また、図５には断面構造を表したが、それぞれの磁性部の平面形状は、長方形あるいは縦長（横長）の６角形などとすることが望ましい。すなわち、縦横比で１：１．１〜１：５程度で、一軸性の形状磁気異方性を有することが望ましい。またそれぞれの磁性部のサイズは、長手方向の一辺を５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲とすることが望ましい。
一方、ＭＲ中間部ＳＰの材料としては、非磁性金属を用いることが望ましい。または、ＭＲ中間部ＳＰの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体を用いることが望ましい。
スピントランスファ中間部ＮＭ１、ＮＭ２は、ソフト磁性部ＳＭとハード磁性部ＨＭの磁区を分断する役割と、スピン偏極電子の通路としての役割をもつ。その構成内容は、▲１▼Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性貴金属元素のいずれか、あるいはこの郡から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属あるいは、▲２▼ソフト磁性部ＳＭあるいは（ａｎｄ／ｏｒ）ハード磁性部ＨＭと同じ磁性体構成元素からなり、しかし結晶欠陥等の結晶変質を含む部分あるいは表面凹凸が設けられて磁壁がトラップされるように形成されている。上記の結晶欠陥は、電子線照射やイオン照射で作ることができる。また表面凹凸は、細線にくびれを設けるなどして作ることができる。
【００５２】
ここで、ハード磁性部の厚さは、０．６ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることが好ましく、ソフト磁性部の厚さは、０．２ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。また、スピントランスファ中間部の厚さは０．２ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることが望ましい。さらに、ＭＲ中間部の厚さは、０．２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
【００５３】
また、磁性部ＨＭ、ＳＭと、ＭＲ中間部ＳＰは、薄膜の形態または、細線の形態とすることが、素子の製作の観点で望ましい。
【００５４】
図８は、本実施形態の磁性体論理素子の変型例を表す模式断面図である。同図については、図１乃至図７に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５５】
これら変型例は、いずれも、そのＭＲ中間部ＳＰに「ポイントコンタクト」すなわち、接触面積が１００ｎｍ２以下の磁性微小接点Ｐが設けられている。この磁性微小接点Ｐは、ソフト磁性部ＳＭ１あるいはソフト磁性部ＳＭ２の一部が延出したように形成され、ＭＲ中間部ＳＰにおいてその周囲は絶縁体により覆われている。
【００５６】
そして、この磁気微小接点Ｐは、図８（ａ）に例示した如くコーン状の断面を有していてもよく、あるいは同図（ｂ）に例示した如くピラー状の断面を有していてもよい。またさらに、同図（ｃ）及び（ｄ）に例示した如く、複数の磁気微小接点Ｐが設けられていてもよい。
【００５７】
このような磁気微小接点Ｐのサイズを微細化すると、磁場の印加により電気抵抗が減少する。このような電気抵抗の減少が発現するサイズは、微小接点Ｐの断面形状にもよるが、本発明者の検討の結果によれば、微小接点Ｐの最大幅を概ね２０ｎｍ以下とすると、電気抵抗の減少が顕著となることが判明した。このときに、磁気抵抗変化率が２０％以上となる大きな磁気抵抗効果が発生する。ただし、微小接点Ｐの断面形状が、極端に扁平な場合などは、その最大幅が２０ｎｍを超えても、磁場の印加による電気抵抗の減少が生ずる場合がある。このような微小接点Ｐを有する磁性体論理素子も、本発明の範囲に包含される。
【００５８】
すなわち、このような磁気微小接点Ｐを設けることにより、ソフト磁性部ＳＭ１とＳＭ２との間で得られる磁気抵抗効果を向上させ、ソフト磁性部ＳＭ１とＳＭ２との磁化方向Ｍ２及びＭ４の相対的な関係を極めて高い感度で読み出すことが可能となる。
【００５９】
また、このような磁気微小接点Ｐを設ける場合、ＭＲ中間部ＳＰにおいて微小接点Ｐの周囲の材料は、絶縁性の材料により形成し、また、ＭＲ中間部ＳＰの膜厚は、０．２ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の範囲まで厚膜化してもよい。
【００６０】
図９は、本実施形態の磁性体論理素子の他の変型例を表す模式断面図である。同図については、図１乃至図８に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６１】
図９（ａ）に表した本変型例においては、ＭＲ中間部ＳＰの上下にソフト磁性部ＳＭ１及びＳＭ２がそれぞれ積層されているが、図５においてその外側に設けられるスピントランスファ中間部ＮＭ１及びＮＭ２と、さらにその外側に設けられるハード磁性部ＨＭ１及びＨＭ２は、それぞれ、面内方向に隣接されている。つまり、スピントランスファ中間部ＮＭ１及びＮＭ２と、ハード磁性部ＨＭ１及びＨＭ２は、ソフト磁性部ＳＭ１及びＳＭ２に対して、膜厚方向に積層されずに、面内方向に隣接して設けられている。
【００６２】
磁性体論理素子の各層をこのような配置関係に配列しても、図６に関して前述したスピン偏極電流による入力動作や、図７に関して前述した磁気抵抗効果による出力動作は、同様に行うことができる。
【００６３】
また、この変形例の場合には、ソフト磁性部の平面形状は、縦横比で１：１．１〜１：２０程度の範囲までアスペクト比を上げてもよい。
【００６４】
またここで、ＭＲ中間部ＳＰは、単一の絶縁層として形成してもよいが、図８に例示したように、磁気微小接点Ｐを設けることにより、図８に関して前述した作用効果を同様に得ることができる。
【００６５】
一方、図９（ｂ）は、ＭＲ中間部ＳＰの上下において、各要素を横方向に展開させず、上下方向に積層した構造を表す。但し、ＭＲ中間部ＳＰの上下において、これら積層体は互いにずれて設けられている。このように、上下の積層体をずらすと、内側の層（例えば、同図においては、ソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２）に対して、電極（例えば、同図においては、Ｅ２、Ｅ３）を接続するスペースを確保しやすいという利点がある。
【００６６】
さて、以上、図１乃至図９を参照しつつ説明した本実施形態の磁性体論理素子は、各種の論理演算を行う論理素子として用いることができる。
【００６７】
図１０は、本実施形態の磁性体論理素子を用いて排他的論理和ＥＯＲを行なう場合の動作を説明する図である。ここでは、同図（ａ）に例示したように、電極Ｅ１に信号Ｂに対応する所定電圧を、電極Ｅ４に信号Ａに対応する所定電圧を入力する。但し、信号Ａと信号Ｂは、逆でもよいし、入力する電極も、電極Ｅ１と電極Ｅ４の代わりに、電極Ｅ２あるいは電極Ｅ３でも可能である。
【００６８】
図１０に表したように信号入力する場合には、電極Ｅ２と電極Ｅ３とに対して、ある電位、例えば０ボルトと、αボルトを設定する。ここで、αはゼロを含む任意の値である。そして、信号Ａあるいは信号Ｂが「０」の時にはこれに対応して、電極Ｅ２、Ｅ３の電位よりも負の所定電圧を、電極Ｅ１、Ｅ４にそれぞれ印加する。また、信号Ａあるいは信号Ｂが「１」の時にはこれに対応して、電極Ｅ２、Ｅ３の電位よりも正の所定電圧を、それぞれ電極Ｅ１、Ｅ４に印加する。
【００６９】
この「所定電圧」は、その電圧を印加した時に流れる電流値がソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２の磁化スイッチングを起こすに必要な臨界電流Ｉｃ以上の電流となるように設定する。つまり、ソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２の磁化反転に必要なスピン偏極電流を与えることができる電圧を「所定電圧」とする。
【００７０】
こうすると、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２は、信号Ａが「０」の時にはハード磁性部ＨＭ１の磁気Ｍ１と同方向すなわち右向きになり、信号Ａが「１」の時には、これとは逆方向すなわち左向きに向く。
【００７１】
同様に、ソフト磁性部ＳＭ２の磁化Ｍ３は、信号Ｂが「０」の時には右向きに、「１」の時には左向きに向く。
【００７２】
この磁性体論理素子からの出力信号は、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向とソフト磁性部ＳＭ２の磁化Ｍ３の方向の相対的な関係により決まる。図１０（ｂ）は、入力信号の組み合わせに応じて得られる、ソフト磁性部ＳＭ１及びＳＭ２の磁化配列関係を表した表である。すなわち、同図において、各欄の上側の矢印がソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向、下側の矢印がソフト磁性部ＳＭ２の磁化Ｍ３の方向をそれぞれ表す。
【００７３】
この磁化配列関係に対応して、磁気抵抗効果により得られる出力信号を表したものが図１０（ｃ）である。図１０（ｂ）に表した反平行配列に対応する高抵抗状態を「０」または「１」とし、一方、平行配列に対応する低抵抗状態を「１」または「０」とすることができる。電極Ｅ２、Ｅ３の電位が異なる場合には、この電位の差がセンス電流を生じさせる。その結果として、入力信号を入力すると、同時に出力信号が得られる。
【００７４】
すなわち、２値的な入力信号Ａ及びＢの組み合わせのそれぞれに対して得られる出力信号は排他的論理和であり、この磁性体論理素子によって排他的論理和ＥＯＲ処理が可能となることが分かる。
【００７５】
またさらに、本実施形態の磁性体論理素子は、電極の取り扱いはそのままで、信号Ａと信号Ｂの入力を、そのどちらかを反転すなわち否定して入力することにより、否定排他的論理和（ＮＥＯＲ）を得ることもできる。
【００７６】
図１１（ａ）は、信号Ｂの入力を反転させた場合のソフト磁性体ＳＭ１、ＳＭ２の磁化配置関係を表す図である。すなわち、本具体例の場合、信号Ｂが「０」の時にはこれに対応して、電極Ｅ２よりも正の所定電圧を、信号Ｂが「１」の時にはこれに対応して電極Ｅ２よりも負の所定電圧を、電極Ｅ１に印加する。
【００７７】
図１１（ｂ）は、この磁化配置から磁気抵抗効果により得られる出力信号を表す図である。この結果からも分かるように、入力信号に対して得られる出力信号は（ｂ）のようになり、否定排他的論理和（ＮＥＯＲ）が実行されることが分かる。この場合も、電極Ｅ２とＥ３の電位が異なる場合には、入力信号と同時に出力信号を得ることが可能である。つまり、電極Ｅ２とＥ３との電位差によってセンス電流が流れるので、これを検出することにより、磁化の配置関係を読み出すことができる。
【００７８】
図１２は、本実施形態の磁性体論理素子を用いて論理積（ＡＮＤ）と論理積の否定（ＮＡＮＤ）処理を行う具体例を表す説明図である。ここで、信号Ａと信号Ｂは電極Ｅ２と電極Ｅ１にそれぞれ入力するが、その際、信号Ａのみを反転させて（すなわち否定して）入力する。また、ソフト磁性部ＳＭ２の磁化の向きを、ＡＮＤとＮＡＮＤの場合にそれぞれ右と左に向くように予め電極Ｅ３と電極Ｅ４を用いて所定の向きに所定の大きさの電流を流すことで論理選択しておく。こうすると、磁化配置の関係から、図１２（ａ）ではＡＮＤが、図１２（ｂ）ではＮＡＮＤが実現する。
【００７９】
図１３は、本実施形態の磁性体論理素子を用いて論理和（ＯＲ）とその否定（ＮＯＲ）処理を行う具体例を表す説明図である。ここで、信号Ａと信号Ｂは電極Ｅ２と電極Ｅ１にそれぞれ入力するが、その際、信号Ｂのみを反転させて（すなわち否定して）入力する。また、ソフト磁性部ＳＭ２の磁化の向きを、ＮＯＲとＯＲの場合にそれぞれ右と左に向くように予め電極Ｅ３と電極Ｅ４を用いて所定の向きに所定の大きさの電流を流すことでプログラミングしておく。こうすると、磁化配置の関係から、図１３（ａ）ではＮＯＲが、図１３（ｂ）ではＯＲが実現される。
【００８０】
図５や図８乃至図１２においては、ハード磁性部ＨＭ１とＨＭ２の磁化が平行な場合を表した。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、入力信号の入力の仕方を適宜変更すれば、ハード磁性部ＨＭ１とＨＭ２の磁化は反平行であってもよい。
【００８１】
図１４は、本実施形態の変型例の磁性体論理素子の構造を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。
【００８２】
本変型例においては、ＭＲ中間部ＳＰを介して、２本の細線状の構造がクロスして設けていられる。下側の細線状の構造には、ハード磁性部ＨＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ１、ソフト磁性部ＳＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ３、ハード磁性部ＨＭ３がこの順に配列している。
【００８３】
ＭＲ中間部ＳＰの上側の細線状の構造には、ハード磁性部ＨＭ２、スピントランスファ中間部ＮＭ２、ソフト磁性部ＳＭ２、スピントランスファ中間部ＮＭ４、ハード磁性部ＨＭ４がこの順に配列している。下側のソフト磁性部ＳＭ１と上側のソフト磁性部ＳＭ２とが、ＭＲ中間部ＳＰを介して積層されている。
【００８４】
ＭＲ中間部ＳＰの大きさは、ソフト磁性部ＳＭ１とハード磁性部ＨＭ２との重なり部と同じかそれ以上であることが必要である。従って、ＭＲ中間部ＳＰが、ソフト磁性部ＳＭ１を全て覆っても、さらにスピントランスファ中間部ＮＭまで覆ってもよい。電極Ｅ１とＥ２が接続できればよい。
【００８５】
ハード磁性部ＨＭ３の磁化方向は、ハード磁性部ＨＭ１と反平行であることが望ましい。スピントランスファ中間部により、ハード磁性部ＨＭ１とソフト磁性部ＳＭ１あるいは、ソフト磁性部ＳＭ１とハード磁性部ＨＭ３の磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。
【００８６】
この磁性体論理素子に対して、電極Ｅ１とＥ２を使って電子をＥ１からＥ２へ流すと、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化はハード磁性部ＨＭ１と同様の方向に向き、逆に電子を電極Ｅ２からＥ１へ流すと、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化はハード磁性部ＨＭ３と同様の向きとなる。
【００８７】
上側の細線構造においても、同様の磁化書き込みが可能である。
【００８８】
以上、図１乃至図１４を参照しつつ、本発明の第１の実施の形態の磁性体論理素子及びこれを用いた論理処理の具体例について説明した。これらの磁性体論理素子を用いることにより、６種類の論理処理を実行可能である。
【００８９】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９０】
図１５は、本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体論理素子の要部断面構造を例示する模式図である。
すなわち、本実施形態の磁性体論理素子は、ハード磁性部ＨＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ１、ＭＲ中間部ＳＰ及びハード磁性部ＨＭ２を順次積層した構造を有する。ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の磁化Ｍ１、Ｍ３の向きは、互いに平行または反平行とされている。
【００９１】
そして、ハード磁性部ＨＭ１、ソフト磁性部ＳＭ１及びハード磁性部ＨＭ２には、それぞれ電極Ｅ１〜Ｅ３が設けられている。
【００９２】
これらハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２、スピントランスファ中間部ＮＭ１、ソフト磁性部ＳＭ１、ＭＲ中間部ＳＰの材料、膜厚、平面形状、サイズなどについては、第１実施形態に関して前述したものと同様とすることができる。
【００９３】
本実施形態の磁性体論理素子においても、電極Ｅ１と電極Ｅ２との間で書き込み電流を流すことにより、図６に関して前述したように、スピン偏極電流によりソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２を制御することができる。
【００９４】
また、電極Ｅ２（あるいは電極Ｅ１）と電極Ｅ３との間にセンス電流を流すことにより、図７に関して前述したものと同様の磁気抵抗効果によって、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向と、ハード磁性部ＨＭ２の磁化Ｍ３の方向との相対的な関係を検出することができる。
【００９５】
図１６は、本実施形態の磁性体論理素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。同図については、図１５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９６】
本変型例においては、ＭＲ中間部ＳＰの上下にソフト磁性部ＳＭ１及びハード磁性部ＨＭ２がそれぞれ積層されているが、図１５においてその上側に設けられるスピントランスファ中間部ＮＭ１とさらにその上側に設けられるハード磁性部ＨＭ１は、それぞれ、面内方向に順に併置されている。つまり、スピントランスファ中間部ＮＭ１とハード磁性部ＨＭ１は、ソフト磁性部ＳＭ１に対して、膜厚方向に積層されずに、面内方向に隣接して設けられている。
【００９７】
磁性体論理素子の各層をこのような配置関係に配列しても、図６に関して前述したスピン偏極電流による入力動作や、図７に関して前述した磁気抵抗効果による出力動作は、同様に行うことができる。
【００９８】
またさらに、図１５あるいは図１６に例示した本実施形態の磁性体論理素子においても、ＭＲ中間部ＳＰは、単一の絶縁層として形成してもよいが、図８に例示したように、ひとつあるいは複数の磁気微小接点Ｐを設けることにより、図８に関して前述した作用効果を同様に得ることができる。
【００９９】
以上、図１５及び図１６に例示したような本実施形態の磁性体論理素子においても、論理処理が可能である。
【０１００】
図１７は、本実施形態にかかる磁性体論理素子における論理処理を説明する概念図である。本実施形態の磁性体論理素子は、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向を、電極Ｅ２と電極Ｅ１にそれぞれ入力される入力信号Ａ、Ｂに応じて決定する。
【０１０１】
図１７（ａ）は、論理積（ＡＮＤ）処理を行う場合を表す。すなわち、論理積処理を行う際には、ハード磁性部ＨＭ２の磁化Ｍ３の方向をハード磁性部ＨＭ１の磁化Ｍ１の方向と平行、すなわち、同図の場合には、右向きにしておく。そして、電極Ｅ１に信号Ｂを、電極Ｅ２に信号Ａを入力する。この際、例えば、入力信号「０」、「１」に対して、それぞれ０ボルト（低電位）と、磁化スイッチングを起こすことのできる所定の正の電圧（高電位）を印加することとする。すると、印加電圧の組み合わせに応じて電流が流れることとなり、その向きによりソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向が決定される。
【０１０２】
初めにソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２が右に向くように電極Ｅ１から電極Ｅ２へ電子電流を流すことで初期化しておく。次に、信号Ａのみ反転させて電極Ｅ２に入力し、信号Ｂはそのままの形で電極Ｅ１に入力する。その結果の出力は図１７（ａ）の真理値表の如くであり、論理積（ＡＮＤ）が実現する。
【０１０３】
また、図１７（ｂ）は、論理積の否定（ＮＡＮＤ）処理を行う具体例を表す。この場合には、ハード磁性部ＨＭ２の磁化の向きをハード磁性層ＨＭ１の磁化とは反平行、すなわち同図の場合には、左向きにしておく。信号ＡとＢに対応する入力は、図１７（ａ）と同様に信号Ａについてのみ反転させる。その結果として、図１７（ｂ）の真理値表の如くであり、論理積の否定（ＮＡＮＤ）が実現する。
【０１０４】
また、図１７（ｃ）は、論理和の否定（ＮＯＲ）処理を行う具体例を表す。この場合、ハード磁性部ＨＭ２の磁化方向を予め右向きにしておく。入力は、信号Ａは電極Ｅ２へそのまま、信号Ｂは電極Ｅ１へ反転させて入力する。その結果として図１７（ｃ）の真理値表に表したように、論理和の否定（ＮＯＲ）が実現する。
【０１０５】
さらに、図１７（ｄ）は、論理和（ＯＲ）処理を行う具体例を表す。この場合、ハード磁性部ＨＭ２の磁化方向を予め左向きにしておく。入力は、信号Ａは電極Ｅ２へそのまま、信号Ｂは電極Ｅ１へ反転させて入力する。その結果として図１７（ｄ）の真理値表に表したように、論理和の否定（ＮＯＲ）が実現する。
【０１０６】
以上図１７（ａ）〜（ｄ）に表したように、一つの素子により、４通りの論理処理が可能となることが分かる。この時、電極Ｅ２に入力した電位を基準にして電極Ｅ３にセンス電流を流すことで、信号入力と同時に信号出力を得ることが可能である。
【０１０７】
図１８および図１９は、本実施形態の磁性体論理素子を用いて排他的論理和（ＥＯＲ）とその否定（ＮＥＯＲ）処理を行なう具体例を表す説明図である。
【０１０８】
すなわち、図１５あるいは図１６に例示したような本実施形態の磁性体論理素子の２セルを１セットとして組み合わせることで、ＥＯＲ、ＮＥＯＲ処理が可能となる。この場合、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向を、それぞれ入力信号Ａ、Ｂに応じて決定する。
【０１０９】
図１８は、ＥＯＲとしての使い方の一例を表す概念図である。電極Ｅ１に信号Ｂを、電極Ｅ２に信号Ａを入力する。その際、入力信号「０」、「１」に対して、それぞれ０ボルト（低電位）と、所定の正の電圧（高電位）を印加することとする。すると、印加電圧の組み合わせに応じて電流が流れることとなり、その向きに応じてソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２の方向が決定される。
【０１１０】
初めに、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化Ｍ２が右に向くように２セルとも電極Ｅ１から電極Ｅ２へ電子電流を流すことで初期化しておく。次に、１つめのセルには信号Ａと信号Ｂをそのまま、２つめのセルには共に反転（すなわち否定）させて入力する。図１８において、それぞれのセルの下に真理値表を表した。出力として、ＭＲ中間部ＳＰを介したソフト層ＳＭ１とハード層ＨＭ２との間の磁気抵抗効果を検出するが、ここで、信号Ｂが「０」の場合には２つ目のセルを、Ｂが「１」ならば１つ目のセルを読む。この処理は排他的論理和を行なったことになる。
【０１１１】
一方、図１９は、ＮＥＯＲを行なう具体例を表す。ここでは、初期化したのち第１セルにＡ信号を反転させＢ信号はそのまま、そして第２セルにはＡはそのままでＢを反転させて入力する。出力はＥＯＲ処理と同様に、Ｂが「０」なら第二セルを、Ｂが「１」なら第一セルを読む。この結果、ＸＮＯＲが実行されることが分かる。
【０１１２】
図１８及び図１９において、ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の磁化は平行にされている。しかし、本発明はこれに限定されない。すなわち、入力を適宜調節すれば、これら磁化を反平行にしてもよい。
【０１１３】
図２０は、本実施形態の変型例の磁性体論理素子の構造を表す模式断面図である。
【０１１４】
本変型例においては、ハード磁性部ＨＭ１と、スピントランスファ中間部ＮＭ１と、ソフト磁性部ＳＭ１が積層され、ソフト磁性部ＳＭ１の上端に電極Ｅ２が接続されているる。そして、ソフト磁性部ＳＭ１の残りの部分にＭＲ中間部ＳＰ、ハード磁性部ＨＭ２が積層され、ハード磁性部ＨＭ２の上に電極Ｅ３が接続されている。
この変型例の素子も、図１５に例示したものと同様の動作をさせることが可能である。
【０１１５】
図２１は、本実施形態のもうひとつの変型例の磁性体論理素子の構造を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。
本変型例においては、ＭＲ中間部ＳＰを介して、２本の細線状の構造がクロスして設けていられる。下側の細線状の構造には、ハード磁性部ＨＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ１、ソフト磁性部ＳＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ３、ハード磁性部ＨＭ３がこの順に配列している。
【０１１６】
ＭＲ中間部ＳＰの上側の細線は、ハード磁性部ＨＭ２により形成されている。ここでも、ＭＲ中間部ＳＰの大きさは、ソフト磁性部ＳＭ１とハード磁性部ＨＭ２との重なり部と同じかそれ以上であることが必要である。従って、ＭＲ中間部ＳＰが、ソフト磁性部ＳＭ１を全て覆っても、さらにスピントランスファ中間部ＮＭまで覆ってもよい。電極Ｅ１とＥ２が接続できればよい。
【０１１７】
ハード磁性部ＨＭ３の磁化方向は、ハード磁性部ＨＭ１と反平行であることが望ましい。スピントランスファ中間部により、ハード磁性部ＨＭ１とソフト磁性部ＳＭ１あるいは、ソフト磁性部ＳＭ１とハード磁性部ＨＭ３の磁化方向をそれぞれ反平行に向けることが可能となる。
【０１１８】
この磁性体論理素子に対して、電極Ｅ１とＥ２を使って電子をＥ１からＥ２へ流すと、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化はハード磁性部ＨＭ１と同様の方向に向き、逆に電子を電極Ｅ２からＥ１へ流すと、ソフト磁性部ＳＭ１の磁化はハード磁性部ＨＭ３と同様の向きとなる。
【０１１９】
以上、図１５乃至図２１を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体論理素子及びそれを用いた論理処理の具体例について説明した。
【０１２０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
【０１２１】
図２２は、本発明の第３の実施の形態にかかる磁性体論理素子を例示する模式図である。すなわち、同図（ａ）に表した具体例の場合、ハード磁性部（もしくはセミハード層）ＨＭ、ＭＲ中間部ＳＰ、ソフト磁性部ＳＭとの積層体と、この積層体の近くに設けられた電流磁界発生用導線ＷＬ１およびＷＬ２と、を有する。
【０１２２】
また、同図（ｂ）に表した具体例の場合、積層体は、ハード磁性部（もしくはセミハード層）ＨＭ１、ＭＲ中間部ＳＰ１、ソフト磁性部ＳＭ、ＭＲ中間部ＳＰ２、ハード磁性部（もしくはセミハード層）ＨＭ２からなる。導線ＷＬ１、ＷＬ２は、この積層体の近傍で交差するように設けられている。
【０１２３】
図２２（ａ）及び（ｂ）のいずれの場合も、２本の交差する導線ＷＬ１、ＷＬ２のそれぞれに電流を流すことにより生ずる電流磁界の合成磁界により、ソフト磁性部ＳＭの磁化Ｍ２の方向が決定される。
【０１２４】
また、積層体においては、図７に関して前述したように、磁気抵抗効果により、ソフト磁性部ＳＭとハード磁性部ＨＭ１（あるいはＨＭ２）の磁化の相対的な関係が検出される。
【０１２５】
そして、本実施形態の場合、導線ＷＬ１、ＷＬ２に流す電流の向きを、それぞれ入力信号Ａ，Ｂに対応して決定し、積層体の磁気抵抗の大小を出力信号Ｃとする。例えば、図２２において、上側の電流磁界用導線ＷＬ１に流す電流の向きを信号Ａに対応させる。つまり、信号Ａが「０」ならば電流を紙面左手前から右向こう側に向けて流し、Ａが「１」ならば右奥から左手前に向けて流す。また、下側の電流磁界用導線ＷＬ２に流す電流の向きを信号Ｂに割り当て、信号Ｂが「０」ならば左奥から右手前に向けて流し、Ｂが「１」ならば右手前から左向こうに向けて電流を流す。
【０１２６】
プログラミング可能な磁性体論理素子として用いる場合には、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）の材料としてセミハード磁性の層を使用する。この層の磁化Ｍ１（Ｍ３）の方向は、電流磁界発生のための導線ＷＬ１、ＷＬ２を用いて行いたい論理処理に応じて予め決定しておく。セミハード層ＨＭ１（ＨＭ２）の磁化Ｍ１（Ｍ３）の方向を、図２２において右向きを「０」、左向きを「１」として予めプログラミングしておく。また、各論理処理時にはソフト磁性部ＳＭの磁化Ｍ２の方向が図２２において右向き（すなわち、「０」）となるように初期化してから処理を行う。
【０１２７】
入力信号Ａと入力信号Ｂとは、論理積の否定（ＮＡＮＤ）および論理積（ＡＮＤ）の場合にはそのまま入力し、論理和（ＯＲ）あるいは論理和の否定（ＮＯＲ）の場合には、ともに反転（否定）して入力する。
【０１２８】
図２３は、ＮＡＮＤ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲそれぞれの入力形態と出力信号をまとめた表である。これらにおいても、信号の入出力を同時に実行することが可能である。
【０１２９】
またさらに、本実施形態の磁性体論理素子をセルを用いた場合も、２セルを１セットとすることで、排他的論理和（ＥＯＲ）およびその否定（ＮＥＯＲ）処理が可能となる。
【０１３０】
図２４は、このように２つのセルの組み合わせを表す概念図である。
ＥＯＲ処理を行なう場合には、ハード磁性部（セミハード層）ＨＭ１（ＨＭ２）の磁化Ｍ１（Ｍ３）は、図２４において右向き（すなわち、「０」）としておく。そして、ソフト磁性部ＳＭの磁化Ｍ２を右向きとなるように初期化しておく。第１セル（図２４の左側の素子）には、信号ＡとＢを反転させずに入力し、第２セル（図２４の右側の素子）には、信号ＡとＢをともに反転させて入力する。この場合、ハード磁性部ＨＭ１（ＨＭ２）とソフト磁性部ＳＭとの間で得られる磁気抵抗効果により、その出力信号は、図２４の表のようになる。つまり、信号Ｂが「０」ならば第２セルを、信号Ｂが「１」ならば第１セルを読むことで、ＥＯＲを実行できる。また、ハード層あるいはセミハード層の磁化を図２４において左向き（すなわち、「１」）としておくことで、ＮＥＯＲを実現できる。
【０１３１】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【０１３２】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、図２５に例示した断面構造をもつダブルトンネル接合の素子ＣＬを作成した。この素子ＣＬは、図２６に表したように、ビット線ＢＬとワード線ＷＬを用いた電流磁界によって信号入力を行なう。
【０１３３】
なお、図２６に表した素子アレイにおいては、同図に表されている構成要素以外に、１セル毎に１個のセル選択用トランジスタを配し、これらトランジスタを選択するためのワード線が設けられる。
【０１３４】
ここで、ダブルトンネル接合を有する素子ＣＬの中央の磁性体はソフト磁性部ＳＭであり、この層ＳＭの磁化を信号入力に従って、ビット線ＢＬとワード線ＷＬにより形成される合成磁界により変化させる。
【０１３５】
また、素子ＣＬの上下のセミハード層ＨＭ１、ＨＭ２の磁化方向は、演算処理によって予めプログラミングにより決定しておく。これらセミハード層ＨＭ１、ＨＭ２の磁化スイッチング（すなわち磁化の反転）もビット線ＢＬとワード線ＷＬに電流を流して行なうことができる。ただし、ソフト磁性部ＳＭの磁化スイッチングより大きな電流が必要である。この大きな電流磁界によりソフト磁性部の磁化も同時にスイッチング（反転）するが、いずれも演算処理時に、まずソフト磁性部ＳＭの磁化を、図２２における右向きに初期化するため、問題ない。
【０１３６】
なお、セミハード層ＨＭ１、ＨＭ２の磁化スイッチングのための磁界が足りない場合には、図２６に点線で示したような補助導線を設け、これに電流を流すことで発生磁界を大きくすることができる。
【０１３７】
この素子に、信号Ａと信号Ｂとを入力し、入力信号Ａ、Ｂと出力信号Ｃとの関係をオシロスコープで観察した。その結果は図２７に表した通りであり、ＮＡＮＤが実現されていることが分かる。
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、前述した第１実施例の素子を２つ組み合わせて１つのＥＯＲ処理を行い記録するＥＯＲメモリを作製した。ここで、セミハード層ＨＭ１、ＨＭ２の磁化は、図２２において右向きにプログラミングした。そして、ソフト磁性部ＳＭの磁化をまず右向きに初期化したのち１個目のセルには信号Ａと信号Ｂをそのまま入力し、２個目のセルには信号ＡとＢをともに反転させて入力した。その結果として得られる磁化配置から、真理値表は図２４に表した如くであった。信号Ａとしてデータ信号を、信号Ｂとして暗号化鍵信号を入力すると、この１ビットに対して２セルを用いて、データをストリーム暗号として保存することができる。再生は、暗号化鍵信号Ｂが「０」ならば２つめのセルを、暗号化鍵信号Ｂが「１」ならば１つめのセルを読み込むことにより行う。
【０１３８】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例として、図５の構造を有する磁性体論理素子について説明する。ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２は、ともにＣｏ−Ｆｅ合金であり、ソフト磁性部ＳＭ１、ＳＭ２は、Ｃｏ−Ｆｅ（０．６ｎｍ）／Ｎｉ−Ｆｅ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ−Ｆｅ（０．６ｎｍ）、あるいは、Ｃｏ−Ｆｅ（１．５ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ−Ｆｅ（１．５ｎｍ）からなる積層膜からなる。スピントランスファ中間部ＮＭ１、ＮＭ２には、５ｎｍ厚さのＣｕを、ＭＲ中間部ＳＰには、厚さ１ｎｍ乃至２ｎｍのアルミナを使用した。また、ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の外側には、ルテニウム（Ｒｕ）層を介してＣｏ−Ｆｅ膜／ＰｔＩｒＭｎ膜を積層して、これら磁性部ＨＭ１、ＨＭ２の磁化を固着した。
【０１３９】
このような積層体を形成後、微細加工プロセスにより、約（３０ｎｍ〜１５０ｎｍ）×（６０ｎｍ〜３００ｎｍ）の長方形に近い形状に加工した素子をアレイ状に並べて電極を設けた。但し、積層構造の一部には、電極を形成したために、平面寸法が他の部分よりも小さくなっている箇所が形成された。
【０１４０】
このようにして形成した磁性体論理素子のソフト磁性部ＳＭは、概ねプラスマイナス１ｍＡ以上の電流で磁化スイッチング（反転）することを確認し、その時の所要電圧を求めた。そして、この電圧よりも若干絶対値が大きな電圧を入力信号値とした。そして、素子に入力する信号Ａとして保存したいデータ信号を、信号Ｂとして暗号化鍵信号を入力し、データ書き込みを行なった。その結果、データは暗号信号鍵でスクランブルされたストリーム暗号として記録され、暗号化処理機能付きメモリが実現できた。このメモリは、暗号化鍵信号が分かっているユーザーのみが解読可能である。
【０１４１】
なお、論理素子として、各セルあるいはアレイ上のワード線あるいはビット線などの読み出し用配線に信号増幅手段を設けることで、論理素子間での連鎖的な信号処理が容易になる。
【０１４２】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、図１４に例示したように、２本の細線をクロスさせた構造の固体磁気素子の作成方法を説明する。
【０１４３】
図２８は、本実施例の固体磁気素子の製造方法を表す工程図である。
すなわちまず、ハード磁性部ＨＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ１、ソフト磁性部ＳＭ１、スピントランスファ中間部ＮＭ３、ハード磁性部ＨＭ３の元となる磁性膜を形成する。その膜の上にレジストを塗布し、ＥＢ描画装置を用いて細線状マスクを形成する。そして、リアクティブイオンエッチング装置で細線以外の部分を除去して図２８（ａ）に表したように細線１００を形成する。
【０１４４】
この細線に対して、図２８（ａ）に表したＬ１とＬ２のライン上で電子ビームをスキャンさせることにより、図２８（ｂ）に表したように、結晶変質部からなるスピントランスファ中間部ＮＭ１、ＮＭ２を形成する。
【０１４５】
次に、図２８（ｃ）に表したように、細線１００の上にＭＲ中間部ＳＰを積層する。そして、さらにその上に、ハード磁性部ＨＭ２、スピントランスファ中間部ＮＭ２、ソフト磁性部ＳＭ２、スピントランスファ中間部ＮＭ４、ハード磁性部ＨＭ４のための磁性層１１０を形成する。そして、図２８（ａ）に関して前述したものと同様の方法でこの磁性層１１０を細線化する。この時、細線１２０の方向が、下の細線１００と略直角方向になるように形成する。
【０１４６】
ハード磁性部ＨＭ１、ＨＭ４の磁化と、ハード磁性部ＨＭ２、ＨＭ３の磁化の方向を反平行にするために、例えば、ハード磁性部ＨＭ３にＰｔＭｎパッドを直接、積層しあるいはＲｕ（膜厚約１ｎｍ）を介してＰｔＭｎパッドを積層する。そして、最後に配線を取り付けた。
【０１４７】
以上説明した方法により、ＭＲ中間部ＳＰを介して、例えば幅５０ｎｍの２本のクロスした細線を有する固体磁気素子を形成することができる。
【０１４８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁性体論理素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０１４９】
また、ロジックの動作説明に関しては、図１〜図８の如く、積層化された構造を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば図９や図１６などに例示したようにトポロジー的に等価な構造のものを用いても、同様にロジック動作させることができ、これらも本発明の範囲に包含される。素子の形状や入力信号の入力形態、及び出力形態についても、当業者が適宜変更したものも本発明の範囲に包含される。
【０１５０】
また、磁性体論理素子における反強磁性層、ハード磁性部、ソフト磁性部、ＭＲ中間部、スピントランスファ中間部、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。
【０１５１】
また、上述した具体例における入力信号Ａと入力信号Ｂに対応した信号入力方法は一例に過ぎず、同じ論理演算を行うにも他の入力の組み合わせがあり、さらに２セル１ビット扱いの場合には、出力信号の取り方にも多様性がある。これら全ては、本発明の範囲に包含される。
【０１５２】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁性体論理素子及び磁性体論理素子アレイを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁性体論理素子及び磁性体論理素子アレイも同様に本発明の範囲に属する。
【０１５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、小型で演算処理機能をもつ磁性体論理素子およびそのアレイを提供することができ、回路の縮小化および高密度の集積化が可能となり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の磁性体論理素子の動作を概念的に表す模式図である。
【図２】本発明の第２の磁性体論理素子の動作を概念的に表す模式図である。
【図３】本発明の第３の磁性体論理素子の動作を概念的に表す模式図である。
【図４】本発明の第４の磁性体論理素子の動作を概念的に表す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態にかかる磁性体論理素子の要部断面構造を例示する模式図である。
【図６】スピン偏極電流による磁化方向の制御を説明するための概念図である。
【図７】本発明の磁性体論理素子における情報の読み出しの動作を説明する模式図である。
【図８】第１実施形態の磁性体論理素子の変型例を表す模式断面図である。
【図９】第１実施形態の磁性体論理素子の他の変型例を表す模式断面図である。
【図１０】第１実施形態の磁性体論理素子を用いて排他的論理和ＥＯＲを行なう場合の動作を説明する図である。
【図１１】信号Ｂの入力を反転させた場合のソフト磁性体ＳＭ１、ＳＭ２の磁化配置関係を表す図である。
【図１２】第１実施形態の磁性体論理素子を用いて論理積（ＡＮＤ）と論理積の否定（ＮＡＮＤ）処理を行う具体例を表す説明図である。
【図１３】第１実施形態の磁性体論理素子を用いて論理和（ＯＲ）とその否定（ＮＯＲ）処理を行う具体例を表す説明図である。
【図１４】第１実施形態の変型例の磁性体論理素子の構造を表す模式図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態にかかる磁性体論理素子の要部断面構造を例示する模式図である。
【図１６】第２実施形態の磁性体論理素子のもうひとつの変型例を表す模式断面図である。
【図１７】第２実施形態にかかる磁性体論理素子における論理処理を説明する概念図である。
【図１８】ＥＯＲとしての使い方の一例を表す概念図である。
【図１９】ＮＥＯＲを行なう具体例を表す。
【図２０】第２実施形態の変型例の磁性体論理素子の構造を表す模式断面図である。
【図２１】第２実施形態のもうひとつの変型例の磁性体論理素子の構造を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその平面図であり、同図（ｂ）はその正面図である。
【図２２】、本発明の第３の実施の形態にかかる磁性体論理素子を例示する模式図である。
【図２３】ＮＡＮＤ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲそれぞれの入力形態と出力信号をまとめた表である。
【図２４】２つのセルの組み合わせを表す概念図である。
【図２５】ダブルトンネル接合の素子ＣＬを表す模式図である。
【図２６】ビット線ＢＬとワード線ＷＬを用いた電流磁界によって信号入力を行なうことを表す模式図である。
【図２７】第１実施例によりＮＡＮＤが実現されていることを表すグラフ図である。
【図２８】本発明の第４実施例の固体磁気素子の製造方法を表す工程図である。
【符号の説明】
Ｅ１〜Ｅ４電極
ＨＭ１，ＨＭ２ハード磁性層（セミハード層）
Ｍ１〜Ｍ４磁化
ＮＭ１，ＮＭ２非磁性層
Ｐ磁気微小接点
ＳＭ１，ＳＭ２ソフト磁性層
ＳＰ１、ＳＰ２中間層
ＷＬワード線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic logic element and a magnetic logic element array, and more particularly, to a magnetic logic element and a magnetic logic element array capable of current direct drive recording and reproduction by a magnetoresistance effect.
[0002]
[Prior art]
Since it was found that a giant magnetoresistance effect was exhibited when an electric current was flowed in a plane in a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / a nonmagnetic layer / a ferromagnetic layer, a large magnetoresistance change occurred. As a system having a ratio, a CPP (Current Perpendicular to Plane) type magnetoresistive element in which a current flows in a direction perpendicular to the laminated structure and a ferromagnetic tunnel magnetoresistive element in which a nonmagnetic layer is made of an insulator have been developed. .
[0003]
Further, as a system exhibiting a larger magnetoresistance effect, a “magnetic microcontact” in which two needle-like nickels (Ni) are attached, or a “magnetic microcontact” in which two magnetites are brought into contact (N. Garcia, M. Munoz, and Y.-W. Zhao, Physical Review Letters, vol. MD Coey, Physical Review Letters, vol. 87, p26601-1 (2001)).
[0004]
These magnetoresistive elements are being used not only as magnetic sensors and reproducing elements in magnetic recording and reproducing systems, but also as non-volatile solid-state magnetic memories. However, the functions of these conventional devices are only single functions as sensors or memories.
[0005]
On the other hand, semiconductor elements typified by silicon (Si) devices are widely used as logic circuits, memory elements, and the like. However, since these semiconductor circuit elements are inherently high in resistance and low in carrier concentration, there are problems such as an increase in power consumption due to integration or malfunction due to downsizing. Further, when used as a logic circuit, it is difficult to further reduce the size, for example, a combination of a plurality of transistors or the like is required for one logic process.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Until now, a magnetic element utilizing the magnetoresistance effect had only a single function as a sensor or a magnetic memory. On the other hand, conventional logic circuits have been formed using semiconductors, but in order to achieve further miniaturization and integration in the future, problems such as downsizing and multiple element configurations have been issues.
[0007]
The present invention has been made based on the recognition of such a problem, and an object of the present invention is to provide a new magnetic logic element which is small in size and capable of performing logic processing, and a magnetic logic element array in which the elements are arrayed. is there.
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first magnetic logic element of the present invention comprises:
At least two or more magnetic parts,
An MR intermediate part provided between the two or more magnetic parts;
A magnetization direction control unit that controls a magnetization direction of at least one of the two or more magnetic units;
With
An input signal A and an input signal B for controlling the magnetization direction of the magnetic unit are provided, and “0” and “1” are assigned to the input signal A and the input signal B, respectively. It is characterized in that the magnetization is determined, and the magnitude of the magnetoresistance effect via the MR intermediate portion is used as an output signal C.
[0008]
Further, the second magnetic logic element of the present invention is:
A first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second hard magnetic portion including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
An MR intermediate portion provided between the first and second hard magnetic portions;
A first soft magnetic part provided between the first hard magnetic part and the MR intermediate part and having a third ferromagnetic material;
A second soft magnetic part provided between the second hard magnetic part and the MR intermediate part and having a fourth ferromagnetic material;
A first spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part;
A second spin transfer intermediate part provided between the second hard magnetic part and the second soft magnetic part;
With
By flowing a write current between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part in response to the first logic input signal, the magnetization of the third ferromagnetic material is changed to the first magnetic part. In a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the direction of
By passing a write current between the second hard magnetic part and the second soft magnetic part in response to the second logic input signal, the magnetization of the fourth ferromagnetic material is changed to the second magnetic part. In a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the direction of
By flowing a sense current between the first soft magnetic portion and the second soft magnetic portion, the relative relationship between the magnetization directions of the third ferromagnetic material and the fourth ferromagnetic material is obtained. A logical output based on the data.
[0009]
Further, a third magnetic logic element of the present invention includes a first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second hard magnetic portion including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
An MR intermediate portion provided between the first and second hard magnetic portions;
A first soft magnetic part provided between the first hard magnetic part and the MR intermediate part and having a third ferromagnetic material;
A second soft magnetic part provided between the second hard magnetic part and the MR intermediate part and having a fourth ferromagnetic material;
A first spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part;
A second spin transfer intermediate part provided between the second hard magnetic part and the second soft magnetic part;
With
By flowing a write current corresponding to the magnitude relationship between the first logic input signal and the second logic input signal between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part, Directing the magnetization of the third ferromagnetic material in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction;
By flowing a sense current between the first soft magnetic portion and the second soft magnetic portion, the relative relationship between the magnetization directions of the third ferromagnetic material and the fourth ferromagnetic material is obtained. A logical output based on the data.
[0010]
Further, a fourth magnetic logic element of the present invention includes a first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second soft magnetic portion including a second ferromagnetic material,
A first soft magnetic portion provided between the first hard magnetic portion and the second soft magnetic portion and including a third ferromagnetic material;
A spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part;
An MR intermediate portion provided between the first and second soft magnetic portions;
With
By flowing a write current corresponding to the magnitude relationship between the first logic input signal and the second logic input signal between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part, Directing the magnetization of the third ferromagnetic material in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction;
A logic output is detected based on a relative relationship between the magnetization directions of the second ferromagnetic material and the third ferromagnetic material by flowing a sense current between the first and second soft magnetic units. It is made possible.
[0011]
Further, the fifth magnetic logic element of the present invention comprises:
A first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second hard magnetic portion including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
A soft magnetic portion provided between the first and second hard magnetic portions and including a third ferromagnetic material;
A spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the soft magnetic part;
An MR intermediate part provided between the second hard magnetic part and the soft magnetic part;
With
A first voltage corresponding to a first logic input signal is applied to one of the first hard magnetic portion and the soft magnetic portion, and a second voltage corresponding to a second logic input signal is applied to the first hard magnetic portion and the soft magnetic portion. A voltage is applied to one of the other of the first hard magnetic part and the soft magnetic part, and the voltage is applied to the first hard magnetic part and the soft magnetic part in accordance with the magnitude relationship between the first and second voltages. By the flowing write current, the magnetization of the third ferromagnetic material is directed to one of directions substantially parallel or substantially antiparallel to the first direction,
By passing a sense current between the second hard magnetic portion and the soft magnetic portion, a logical output based on the relative relationship of the magnetization direction of the third ferromagnetic material to the second direction is provided. Is detectable.
[0012]
Further, a sixth magnetic logic element according to the present invention includes:
A hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A soft magnetic portion including a second ferromagnetic material;
An MR intermediate portion provided between the hard magnetic portion and the soft magnetic portion,
A first write wiring extending in a first direction;
A second write wiring extending in a direction intersecting the first direction;
With
Flowing a first write current corresponding to a first logical input signal to the first write wiring, and flowing a second write current corresponding to a second logical input signal to the second write wiring; The combined magnetic field formed by the first and second write currents directs the magnetization of the second ferromagnetic material in one of directions substantially parallel or substantially antiparallel to the first direction,
By flowing a sense current between the hard magnetic part and the soft magnetic part, a logical output based on a relative relationship between a magnetization direction of the second ferromagnetic material and the first direction can be detected. It is characterized by having.
[0013]
On the other hand, the magnetic logic element array of the present invention
Any one of the plurality of magnetic logic elements,
Means for selecting any one of the magnetic logic elements and flowing a logic input signal or a sense current;
It is characterized by having.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram conceptually illustrating the operation of the first magnetic logic element of the present invention.
[0015]
That is, this magnetic logic element controls two magnetic parts (FM1, FM2), an MR intermediate part (SP) provided between these magnetic parts, and a magnetization direction of at least one of these magnetic parts. And a magnetization direction controller (MC). Then, an input signal A and an input signal B for controlling the magnetization direction of the magnetic unit FM1 are provided, and “0” and “1” are assigned to the input signal A and the input signal B, respectively. FM1 and FM2), and the magnitude of the magnetoresistance effect via the MR intermediate portion SP is used as the output signal C.
[0016]
Next, FIG. 2 is a schematic diagram conceptually explaining the operation of the second magnetic logic element of the present invention.
[0017]
That is, in this magnetic logic element, the first hard magnetic portion (HM1) including the first ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in the first direction, and the magnetization direction is fixed in the second direction. A second hard magnetic portion (HM2) including a second ferromagnetic material. Further, an MR intermediate portion (SP) provided between the hard magnetic portions and a third ferromagnetic material provided between the first hard magnetic portion (HM1) and the MR intermediate portion (SP). And a second soft magnetic unit (SM1 provided between the HM29 and the MR intermediate unit (SP) and having a fourth ferromagnetic material). And a first spin transfer intermediate unit (NM1) provided between the first hard magnetic unit (HM1) and the first soft magnetic unit (SM1). And a second spin transfer intermediate unit (NM2) provided between the second hard magnetic unit (HM2) and the second soft magnetic unit (SM2).
[0018]
Then, a write current is passed between the first hard magnetic part (HM1) and the first soft magnetic part (SM1) in response to the first logic input signal A, so that the third ferromagnetic substance Is oriented in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction. Further, by passing a write current between the second hard magnetic section (HM2) and the second soft magnetic section (SM2) in response to the second logic input signal B, the fourth ferromagnetic substance Is directed in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the second direction.
[0019]
On the other hand, by flowing a sense current between the first soft magnetic unit (SM1) and the second soft magnetic unit (SM2), the magnetization directions of the third and fourth ferromagnetic materials are changed. It is characterized in that a logical output C based on a relative relationship is enabled.
[0020]
Next, FIG. 3 is a schematic diagram conceptually explaining the operation of the third magnetic logic element of the present invention.
That is, also in this magnetic logic element, the first hard magnetic portion (HM1) including the first ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in the first direction, and the magnetization direction is fixed in the second direction. A second hard magnetic portion (HM2) including a second ferromagnetic material. Further, an MR intermediate portion (SP) provided between the hard magnetic portions and a third ferromagnetic material provided between the first hard magnetic portion (HM1) and the MR intermediate portion (SP). And a second soft magnetic section (SM1 provided between the HM29 and the MR intermediate section (SP) and having a fourth ferromagnetic material. And a first spin transfer intermediate unit (NM1) provided between the first hard magnetic unit (HM1) and the first soft magnetic unit (SM1). And a second spin transfer intermediate unit (NM2) provided between the second hard magnetic unit (HM2) and the second soft magnetic unit (SM2).
[0021]
Then, corresponding to the combination of the first logic input signal A and the second logic input signal B, the write current is applied between the first hard magnetic part (HM1) and the first soft magnetic part (SM1). , The magnetization of the third ferromagnetic material is directed substantially parallel or substantially antiparallel to the first direction. Specifically, for example, a write current can be caused to flow based on a difference between the first logic input signal A and the second logic input signal B.
[0022]
On the other hand, by flowing a sense current between the first soft magnetic unit (SM1) and the second soft magnetic unit (SM2), the magnetization directions of the third and fourth ferromagnetic materials are changed. It is characterized in that a logical output C based on a relative relationship is enabled.
[0023]
Next, FIG. 4 is a schematic diagram conceptually illustrating the operation of the fourth magnetic logic element of the present invention.
That is, in this magnetic logic element, the first hard magnetic portion (HM1) including the first ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in the first direction, and the magnetization direction is fixed in the second direction. A second hard magnetic portion (HM2) including a second ferromagnetic material, a soft magnetic portion (SM1) provided between the first and second hard magnetic portions and including a third ferromagnetic material, A spin transfer intermediate part (NM1) provided between the first hard magnetic part (HM1) and the soft magnetic part (SM1), and a second hard magnetic part (HM2) and a soft magnetic part (SM1). And an MR intermediate part (SP) provided therebetween.
[0024]
Then, in response to the first logic input signal A, a write current is passed between the first hard magnetic part (HM1) and the soft magnetic part (SM1), so that the magnetization of the third ferromagnetic material is changed. Orient in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction.
[0025]
Also, by passing a write current between the first hard magnetic part (HM1) and the soft magnetic part (SM1) in response to the second logical input signal, the magnetization of the third ferromagnetic material is changed to the second magnetic input part. Orientation in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the direction of 1.
[0026]
Then, by flowing a sense current between the soft magnetic part (SM1) and the second hard magnetic part (HM2), the relative magnetization directions of the second and third ferromagnetic materials are changed. A logical output C based on a logical relationship.
[0027]
Hereinafter, a more specific element structure will be described.
[0028]
(First Embodiment)
FIG. 5 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a main part of the magnetic logic element according to the first embodiment of the present invention.
That is, the magnetic logic element of the present embodiment has the soft magnetic portions SM1 and SM2 on both sides of the MR intermediate portion SP provided at the center thereof, and further has the spin transfer intermediate portions NM1 and NM2 outside thereof. And hard magnetic portions HM1 and HM2 via the interface. The hard magnetic portions HM1 and HM2 and the soft magnetic portions SM1 and SM2 are provided with electrodes E1 to E4, respectively.
[0029]
Here, the “soft magnetic portion” means that the magnetization is fixed.
A magnetic part in a free state where it can be written. The “hard magnetic portion” refers to a magnetic portion made of a material having a large coercive force or a magnetic portion having a fixed magnetization. Therefore, the soft magnetic part and the hard magnetic part may be made of the same material. The magnetizations M1, M4 of the hard magnetic portions HM1, HM2 are fixed in directions parallel or anti-parallel to each other.
[0030]
Here, the input signals A and B are appropriately input to the electrodes E1 to E4. That is, the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is controlled by inputting an input signal to the electrodes E1 and E2, and the magnetization direction of the soft magnetic portion SM2 is input by inputting the input signal to the electrodes E3 and E4. Control M3.
[0031]
In any of these cases, the magnetization directions of the soft magnetic portions SM1 and SM2 are controlled by the spin-polarized electron current.
[0032]
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining the control of the magnetization direction by the spin polarization current.
[0033]
That is, first, as shown in FIG. 7A, when an electron current flows from the hard magnetic part HM1 (or HM2) to the soft magnetic part SM1 (or SM2), the soft magnetic part SM1 (SM2) In addition, writing can be performed in the same direction as the magnetization M1 (M4) of the hard magnetic portion HM1 (HM2). That is, when an electron current flows in this direction, the spin of the electrons is first polarized in the hard magnetic portion HM1 (HM2) according to the direction of the magnetization M1 (M4). Then, the electrons thus spin-polarized flow into the soft magnetic portion SM1 (SM2), and reverse the magnetization M2 (M3) in the same direction as the magnetization M1 (M4) of the hard magnetic portion HM1 (HM2). .
[0034]
On the other hand, as shown in FIG. 6B, when an electron current flows from the soft magnetic portion SM1 (or SM2) to the hard magnetic portion HM1 (or HM2), writing is performed in the opposite direction. Can be. That is, the spin electrons corresponding to the magnetization M1 (M4) of the hard magnetic portion HM1 (HM2) can easily pass through the hard magnetic portion HM1 (HM2), whereas the spin electrons in the opposite direction to the magnetization M1 (M4). Is reflected with high probability at the interface between the spin transfer intermediate portion NM1 (NM2) and the hard magnetic portion HM1 (HM2). Then, the spin-polarized electrons reflected in this way return to the soft magnetic portion SM1 (SM2), so that the magnetization M2 (M3) of the soft magnetic portion SM1 (SM2) is reversed from that of the hard magnetic portion M1 (M4). In the direction of.
[0035]
Such “current direct drive type magnetization reversal” is described, for example, in J. Mol. C. Slonczewski, J .; Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996). E. FIG. B. Myers, et al. , Science 285, 867 (1999). J. A. Katine, et al. Phys. Rev .. Lett. 14, 3149 (2000). F. J. Albert, et al. , Appl. Phys. Lett. 77, 3809 (2000). J. -E. Weglowe, et al. , Europhys. Lett. , 45, 626 (1999). J. Z. Sun, J.M. Magn. Magn. Mater. 202, 157 (1999). And so on.
[0036]
That is, this phenomenon occurs because the angular momentum of the spin-polarized electrons generated when passing through the hard magnetic portion HM1 (HM2) or when the spin-polarized current is reflected and reflected by the hard magnetic portion flows through the soft magnetic portion. The magnetization is inverted by being transmitted to the angular momentum.
[0037]
As described above, in the present invention, a predetermined magnetization can be written in the soft magnetic portions SM1 and SM2 by the current direct drive type magnetization reversal mechanism using the spin-polarized current. That is, it can be made to act more directly on the soft recording layer. For this reason, it is possible to reduce the current required for the magnetization reversal at the time of recording as compared with the conventional recording element in which the recording layer is reversed by the leakage current magnetic field.
[0038]
On the other hand, in the magnetic logic element of FIG. 5, reading of information, that is, output of a logic signal can be performed, for example, by reading the magnetic resistance between the electrode E2 and the electrode E3.
[0039]
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an operation of reading information in the magnetic logic element of the present embodiment.
That is, as shown in FIG. 7A, when the magnetization M2 of the soft magnetic part SM1 and the magnetization M3 of the soft magnetic part SM2 are parallel, the direction indicated by the arrow in the figure (or the opposite direction). Good), the resistance obtained by passing a sense current is small.
[0040]
On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the magnetization M2 of the soft magnetic part SM1 and the magnetization M3 of the soft magnetic part SM2 are antiparallel, the resistance increases. Therefore, binary information can be read by assigning a “0” level and a “1” level according to these resistance outputs. For example, a state where the resistance is low can be set to “0”, and a state where the resistance is high can be set to “1”. Alternatively, the assignment may be performed in the opposite manner.
[0041]
In this way, as will be described in detail later, various logic processes can be performed by combining the signals input to the electrodes E1 to E4.
[0042]
In the present invention, binary information corresponding to the magnetization direction of the soft magnetic portions SM1 and SM2 can be read with high sensitivity by such a magnetoresistance effect. Further, as will be described in detail later, by appropriately devising the material and structure of the MR intermediate portion SP, it is possible to increase the electric resistance of the reproducing portion through which the sense current flows to an optimum level. As a result, the element selection becomes easy particularly when the elements are arrayed, and a memory element or a logic circuit in which the magnetic logic elements are integrated can be realized.
[0043]
Since the spin transfer intermediate portions NM1 and NM2 provided in the present invention can be made of a material having a small resistance, the electrode E1 and the electrode E1 are used to detect the magnetoresistance effect between the soft magnetic portions SM1 and SM2. A sense current may flow between E4 and E4.
[0044]
The materials of the hard magnetic portions HM1, HM2 and the soft magnetic portions SM1, SM2 are iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or iron (Fe), cobalt (Co), nickel ( Ni), an alloy containing at least one element selected from the group consisting of manganese (Mn) and chromium (Cr), a nickel-iron (NiFe) -based alloy called "permalloy", or cobalt-niobium-zirconium (CoNbZr) Alloy, iron tantalum carbon (FeTaC) alloy, cobalt tantalum zirconium (CoTaZr) alloy, iron aluminum silicon (FeAlSi) alloy, iron boron (FeB) alloy, cobalt iron boron (CoFeB) alloy, etc. Soft magnetic material, Heusler alloy, magnetic semiconductor, or half-metal magnetic Body oxide (or nitride) or the like can be used.
[0045]
As the magnetic semiconductor, for example, a magnetic material composed of one or more magnetic elements of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), chromium (Cr), and manganese (Mn) and a compound semiconductor or an oxide semiconductor Semiconductors can be used. Specific examples of such a material include (Ga, Cr) N, (Ga, Mn) N, MnAs, CrAs, (Ga, Cr) As, ZnO: Fe, and (Mg, Fe) O. Can be.
[0046]
Further, as the half metal magnetic oxide (or nitride), for example, CrO 2 , Fe 3 O 4 , La 1-X Sr X MnO 3 And the like.
That is, from these materials, those having magnetic characteristics according to the application may be appropriately selected and used.
On the other hand, as the magnetic portion, a film made of a continuous magnetic material may be used, or a film having a structure in which magnetic fine particles are formed or precipitated in a matrix made of a nonmagnetic material may be used.
[0047]
In particular, regarding the soft magnetic portions SM1 and SM2, a first layer made of a cobalt (Co) or cobalt iron (CoFe) alloy and a permalloy alloy made of nickel iron (NiFe) or nickel iron cobalt (NiFeCo) or nickel (NiFeCo) are used. Ni), or a first layer made of a cobalt (Co) or cobalt iron (CoFe) alloy, and a first layer made of nickel iron (NiFe) or nickel iron cobalt (NiFeCo). It is also desirable to have a three-layer structure of a second layer made of a permalloy alloy or nickel (Ni), and a third layer made of a cobalt (Co) or cobalt iron (CoFe) alloy.
[0048]
In the case of a magnetic part having such a multilayer structure, the thickness of the outer cobalt (Co) or cobalt iron (CoFe) alloy is desirably in the range of 0.2 nm or more and 3 nm or less.
[0049]
Further, as the soft magnetic portions SM1 and SM2 or the hard magnetic portions HM1 and HM2, interlayer-exchange-coupled (magnetic films such as permalloy, Co, and CoFe) / nonmagnetic films (such as copper (Cu) and ruthenium (Ru)) are used. A three-layer film composed of (thickness of 0.2 nm or more and 3 nm or less)) / (magnetic film of Permalloy, Co, CoFe, etc.) is also effective for reducing the switching current and the switching magnetic field. When such a three-layer film is used for the hard magnetic portion, the directions of the magnetizations M1 and M4 can be controlled by adjusting the thickness of the nonmagnetic film in the three-layer film.
[0050]
In order to fix the magnetizations M1 and M4 of the hard magnetic portions HM1 and HM2, an anti-ferromagnetic portion (not shown) may be provided outside the hard magnetic portions HM1 and HM2 to apply an exchange bias. When an exchange bias is applied after stacking the antiferromagnetic portions, it is advantageous to control the magnetization direction and obtain a signal output with a large magnetoresistance effect. As the antiferromagnetic material therefor, iron manganese (FeMn), platinum manganese (PtMn), palladium manganese (PdMn), palladium platinum manganese (PdPtMn), or the like is desirably used.
[0051]
FIG. 5 shows the cross-sectional structure, but the planar shape of each magnetic part is desirably a rectangle or a vertically long (horizontally long) hexagon. That is, it is desirable to have a uniaxial shape magnetic anisotropy in an aspect ratio of about 1: 1.1 to 1: 5. It is desirable that the size of each magnetic portion be such that one side in the longitudinal direction is in a range of 5 nm or more and 1000 nm or less.
On the other hand, it is desirable to use a non-magnetic metal as the material of the MR intermediate part SP. Alternatively, the material of the MR intermediate part SP is selected from the group consisting of aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), cobalt (Co), nickel (Ni), silicon (Si), and iron (Fe). It is desirable to use an insulator made of an oxide, a nitride, or a fluoride containing at least one of the elements described above.
The spin transfer intermediate portions NM1 and NM2 have a role of separating magnetic domains of the soft magnetic portion SM and the hard magnetic portion HM, and a role of a path of spin-polarized electrons. Its constituent contents include (1) one of non-magnetic noble metal elements such as Cu, Ag, and Au, or a metal containing at least one element selected from this group, or (2) a soft magnetic part SM or (and) / Or) It is made of the same magnetic constituent element as the hard magnetic part HM, but is formed so as to trap a domain wall including a portion containing crystal alteration such as a crystal defect or surface irregularities. The above crystal defects can be created by electron beam irradiation or ion irradiation. In addition, the surface irregularities can be formed by providing a constriction on a fine wire.
[0052]
Here, the thickness of the hard magnetic part is preferably in the range of 0.6 nm to 100 nm, and the thickness of the soft magnetic part is preferably in the range of 0.2 nm to 50 nm. The thickness of the intermediate portion of the spin transfer is desirably in the range of 0.2 nm to 100 nm. Further, the thickness of the MR intermediate portion is desirably in the range of 0.2 nm to 10 nm.
[0053]
Further, it is desirable that the magnetic parts HM and SM and the MR intermediate part SP be in the form of a thin film or a thin wire from the viewpoint of manufacturing an element.
[0054]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the magnetic logic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0055]
In each of these variations, the MR intermediate portion SP has a “point contact”, that is, a contact area of 100 nm. 2 The following magnetic minute contacts P are provided. The magnetic minute contact point P is formed such that a part of the soft magnetic part SM1 or the soft magnetic part SM2 is extended, and the periphery of the MR intermediate part SP is covered with an insulator.
[0056]
The magnetic microcontact P may have a cone-shaped cross section as illustrated in FIG. 8A, or may have a pillar-shaped cross section as illustrated in FIG. 8B. Good. Furthermore, a plurality of magnetic microcontacts P may be provided as illustrated in FIGS.
[0057]
When the size of such a magnetic minute contact P is reduced, the electric resistance is reduced by applying a magnetic field. The size at which such a decrease in electrical resistance appears depends on the cross-sectional shape of the microcontact P. However, according to the results of the study by the present inventors, when the maximum width of the microcontact P is approximately 20 nm or less, the electrical resistance is reduced. Was found to be remarkable. At this time, a large magnetoresistance effect occurs in which the magnetoresistance change rate becomes 20% or more. However, when the cross-sectional shape of the minute contact P is extremely flat, the electric resistance may be reduced by the application of the magnetic field even if the maximum width exceeds 20 nm. A magnetic logic element having such a minute contact P is also included in the scope of the present invention.
[0058]
That is, by providing such a magnetic minute contact point P, the magnetoresistance effect obtained between the soft magnetic portions SM1 and SM2 is improved, and the relative magnetization directions M2 and M4 of the soft magnetic portions SM1 and SM2 are improved. The relationship can be read with extremely high sensitivity.
[0059]
In the case where such a magnetic minute contact P is provided, a material around the minute contact P in the MR intermediate part SP is formed of an insulating material, and the film thickness of the MR intermediate part SP is 0.2 nm to The thickness may be increased to a range of about 1000 nm.
[0060]
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating another modified example of the magnetic logic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0061]
In this modification shown in FIG. 9A, the soft magnetic portions SM1 and SM2 are respectively stacked on the upper and lower sides of the MR intermediate portion SP, but the spin transfer intermediate portions NM1 and NM2 provided outside the soft magnetic portions SM1 and SM2 in FIG. And the hard magnetic portions HM1 and HM2 further provided outside thereof are adjacent to each other in the in-plane direction. That is, the spin transfer intermediate portions NM1 and NM2 and the hard magnetic portions HM1 and HM2 are provided adjacent to the soft magnetic portions SM1 and SM2 in the in-plane direction without being laminated in the film thickness direction.
[0062]
Even if the respective layers of the magnetic logic element are arranged in such an arrangement relation, the input operation by the spin-polarized current described above with reference to FIG. 6 and the output operation by the magnetoresistance effect described above with reference to FIG. it can.
[0063]
Also, in the case of this modification, the aspect ratio of the planar shape of the soft magnetic portion may be increased to a range of about 1: 1.1 to 1:20 in aspect ratio.
[0064]
Here, the MR intermediate portion SP may be formed as a single insulating layer. However, as shown in FIG. 8, by providing the magnetic minute contact P, the operation and effect described above with reference to FIG. Obtainable.
[0065]
On the other hand, FIG. 9B shows a structure in which the respective elements are not expanded in the horizontal direction and stacked vertically in the MR middle part SP. However, these laminates are provided above and below the MR intermediate portion SP so as to be shifted from each other. As described above, when the upper and lower laminates are shifted, the electrodes (for example, E2 and E3 in the same drawing) are connected to the inner layers (for example, the soft magnetic portions SM1 and SM2 in the same drawing). There is an advantage that space can be easily secured.
[0066]
The magnetic logic element of the present embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 9 can be used as a logic element for performing various logical operations.
[0067]
FIG. 10 is a diagram for explaining an operation when performing an exclusive OR EOR using the magnetic logic element of the present embodiment. Here, as illustrated in FIG. 3A, a predetermined voltage corresponding to the signal B is input to the electrode E1 and a predetermined voltage corresponding to the signal A is input to the electrode E4. However, the signals A and B may be reversed, and the input electrodes may be the electrodes E2 or E3 instead of the electrodes E1 and E4.
[0068]
When a signal is input as shown in FIG. 10, certain potentials, for example, 0 volt and α volt are set for the electrodes E2 and E3. Here, α is any value including zero. Then, when the signal A or the signal B is "0", a predetermined voltage negative than the potential of the electrodes E2 and E3 is applied to the electrodes E1 and E4, respectively. When the signal A or the signal B is “1”, a predetermined voltage more positive than the potential of the electrodes E2 and E3 is applied to the electrodes E1 and E4, respectively.
[0069]
The “predetermined voltage” is set so that the current value flowing when the voltage is applied is equal to or more than the critical current Ic required to cause the magnetization switching of the soft magnetic portions SM1 and SM2. That is, a voltage that can provide a spin-polarized current required for the magnetization reversal of the soft magnetic portions SM1 and SM2 is defined as a “predetermined voltage”.
[0070]
In this case, the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is in the same direction as the magnetism M1 of the hard magnetic portion HM1 when the signal A is "0", that is, in the opposite direction, when the signal A is "1". Turn left.
[0071]
Similarly, the magnetization M3 of the soft magnetic portion SM2 is directed rightward when the signal B is "0" and leftward when the signal B is "1".
[0072]
The output signal from the magnetic logic element is determined by the relative relationship between the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 and the direction of the magnetization M3 of the soft magnetic portion SM2. FIG. 10B is a table showing the magnetization arrangement relationship of the soft magnetic portions SM1 and SM2 obtained according to the combination of the input signals. That is, in the figure, the upper arrow in each column indicates the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1, and the lower arrow indicates the direction of the magnetization M3 of the soft magnetic portion SM2.
[0073]
FIG. 10C shows an output signal obtained by the magnetoresistance effect corresponding to this magnetization arrangement relationship. The high resistance state corresponding to the anti-parallel arrangement shown in FIG. 10B can be “0” or “1”, while the low resistance state corresponding to the parallel arrangement can be “1” or “0”. . If the potentials of the electrodes E2 and E3 are different, this difference in potential causes a sense current. As a result, when an input signal is input, an output signal is obtained at the same time.
[0074]
In other words, it can be seen that the output signals obtained for each of the combinations of the binary input signals A and B are exclusive OR, and this magnetic logic element enables the exclusive OR EOR processing.
[0075]
Further, in the magnetic logic element of the present embodiment, the input of the signal A and the input of the signal B are inverted, that is, negated, and the input of the signal A and the signal B is input while the handling of the electrodes is not changed. ) Can also be obtained.
[0076]
FIG. 11A is a diagram illustrating a magnetization arrangement relationship of the soft magnetic bodies SM1 and SM2 when the input of the signal B is inverted. That is, in the case of this specific example, when the signal B is “0”, a predetermined positive voltage corresponding to the signal E2 is applied, and when the signal B is “1”, a predetermined negative voltage is applied correspondingly to the electrode E2. Is applied to the electrode E1.
[0077]
FIG. 11B is a diagram illustrating an output signal obtained by the magnetoresistance effect from this magnetization arrangement. As can be seen from the result, the output signal obtained with respect to the input signal is as shown in (b), and it can be seen that the negative exclusive OR (NEOR) is executed. Also in this case, when the potentials of the electrodes E2 and E3 are different, an output signal can be obtained simultaneously with the input signal. That is, since a sense current flows due to a potential difference between the electrodes E2 and E3, by detecting the sense current, it is possible to read out the arrangement relationship of the magnetization.
[0078]
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a specific example of performing a logical product (AND) and a logical product negation (NAND) process using the magnetic logic element of the present embodiment. Here, the signal A and the signal B are input to the electrode E2 and the electrode E1, respectively. At this time, only the signal A is inverted (that is, negated) and input. In addition, the direction of magnetization of the soft magnetic section SM2 is controlled by flowing a current of a predetermined magnitude in a predetermined direction using the electrodes E3 and E4 in advance so as to face right and left in the case of AND and NAND, respectively. Select it. In this case, AND is realized in FIG. 12A and NAND is realized in FIG.
[0079]
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a specific example of performing a logical sum (OR) and its negation (NOR) processing using the magnetic logic element of the present embodiment. Here, the signal A and the signal B are input to the electrode E2 and the electrode E1, respectively. At this time, only the signal B is inverted (ie, negated) and input. Further, the direction of magnetization of the soft magnetic portion SM2 is programmed by flowing a current of a predetermined magnitude in a predetermined direction using the electrodes E3 and E4 in advance so as to turn right and left in the case of NOR and OR, respectively. Keep it. In this case, NOR is realized in FIG. 13A and OR is realized in FIG. 13B from the relationship of the magnetization arrangement.
[0080]
FIGS. 5 and 8 to 12 show the case where the magnetizations of the hard magnetic portions HM1 and HM2 are parallel. However, the present invention is not limited to this. That is, the magnetizations of the hard magnetic portions HM1 and HM2 may be antiparallel if the way of inputting the input signal is appropriately changed.
[0081]
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a structure of a magnetic logic element according to a modification of the present embodiment. That is, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a front view thereof.
[0082]
In this modified example, two thin line-shaped structures are provided crossing each other via the MR intermediate portion SP. In the lower thin line-shaped structure, a hard magnetic part HM1, a spin transfer intermediate part NM1, a soft magnetic part SM1, a spin transfer intermediate part NM3, and a hard magnetic part HM3 are arranged in this order.
[0083]
In the thin line structure above the MR intermediate part SP, a hard magnetic part HM2, a spin transfer intermediate part NM2, a soft magnetic part SM2, a spin transfer intermediate part NM4, and a hard magnetic part HM4 are arranged in this order. The lower soft magnetic portion SM1 and the upper soft magnetic portion SM2 are stacked via the MR intermediate portion SP.
[0084]
It is necessary that the size of the MR intermediate part SP is equal to or larger than the overlapping part of the soft magnetic part SM1 and the hard magnetic part HM2. Therefore, the MR intermediate part SP may cover the entire soft magnetic part SM1 or may further cover the spin transfer intermediate part NM. It is only necessary that the electrodes E1 and E2 can be connected.
[0085]
It is desirable that the magnetization direction of the hard magnetic part HM3 be antiparallel to the hard magnetic part HM1. The spin transfer intermediate portion enables the magnetization directions of the hard magnetic portion HM1 and the soft magnetic portion SM1 or the magnetization directions of the soft magnetic portion SM1 and the hard magnetic portion HM3 to be antiparallel.
[0086]
When electrons flow from the electrodes E1 and E2 to the magnetic logic element from the electrodes E1 to E2, the magnetization of the soft magnetic portion SM1 is oriented in the same direction as the hard magnetic portion HM1, and the electrons are conveyed from the electrode E2. When flowing to E1, the magnetization of the soft magnetic part SM1 becomes the same direction as that of the hard magnetic part HM3.
[0087]
Similar magnetization writing is possible in the upper thin line structure.
[0088]
The magnetic logic element according to the first embodiment of the present invention and a specific example of the logic processing using the magnetic logic element have been described above with reference to FIGS. By using these magnetic logic elements, six types of logic processing can be executed.
[0089]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0090]
FIG. 15 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a main part of a magnetic logic element according to the second embodiment of the present invention.
That is, the magnetic logic element of the present embodiment has a structure in which the hard magnetic part HM1, the spin transfer intermediate part NM1, the MR intermediate part SP, and the hard magnetic part HM2 are sequentially stacked. The directions of the magnetizations M1 and M3 of the hard magnetic portions HM1 and HM2 are parallel or antiparallel to each other.
[0091]
The hard magnetic portion HM1, the soft magnetic portion SM1, and the hard magnetic portion HM2 are provided with electrodes E1 to E3, respectively.
[0092]
The materials, film thickness, planar shape, size, etc. of the hard magnetic portions HM1, HM2, the spin transfer intermediate portion NM1, the soft magnetic portion SM1, and the MR intermediate portion SP are the same as those described above with respect to the first embodiment. Can be.
[0093]
Also in the magnetic logic element of this embodiment, the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is controlled by the spin-polarized current as described above with reference to FIG. 6 by flowing the write current between the electrodes E1 and E2. be able to.
[0094]
Further, by flowing a sense current between the electrode E2 (or the electrode E1) and the electrode E3, the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 and the hard magnetic The relative relationship between the direction of the magnetization M3 of the portion HM2 and the direction can be detected.
[0095]
FIG. 16 is a schematic sectional view showing another modified example of the magnetic logic element of the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIG. 15 are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted.
[0096]
In this modified example, the soft magnetic part SM1 and the hard magnetic part HM2 are stacked on the upper and lower sides of the MR intermediate part SP, respectively. However, the spin transfer intermediate part NM1 provided on the upper side in FIG. The hard magnetic portions HM1 are respectively arranged side by side in the in-plane direction. That is, the spin transfer intermediate portion NM1 and the hard magnetic portion HM1 are provided adjacent to the soft magnetic portion SM1 in the in-plane direction without being laminated in the film thickness direction.
[0097]
Even if the respective layers of the magnetic logic element are arranged in such an arrangement relation, the input operation by the spin-polarized current described above with reference to FIG. 6 and the output operation by the magnetoresistance effect described above with reference to FIG. it can.
[0098]
Further, also in the magnetic logic element of the present embodiment illustrated in FIG. 15 or FIG. 16, the MR intermediate portion SP may be formed as a single insulating layer, but as illustrated in FIG. Alternatively, by providing a plurality of magnetic minute contacts P, the operation and effect described above with reference to FIG. 8 can be similarly obtained.
[0099]
As described above, logic processing can be performed in the magnetic logic element of the present embodiment as illustrated in FIGS. 15 and 16.
[0100]
FIG. 17 is a conceptual diagram illustrating logical processing in the magnetic logic element according to the present embodiment. In the magnetic logic element of the present embodiment, the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is determined according to the input signals A and B input to the electrode E2 and the electrode E1, respectively.
[0101]
FIG. 17A shows a case where a logical product (AND) process is performed. That is, when performing the AND operation, the direction of the magnetization M3 of the hard magnetic portion HM2 is parallel to the direction of the magnetization M1 of the hard magnetic portion HM1, that is, in the case of FIG. Then, the signal B is input to the electrode E1, and the signal A is input to the electrode E2. At this time, for example, it is assumed that 0 volt (low potential) and a predetermined positive voltage (high potential) capable of causing magnetization switching are applied to the input signals “0” and “1”. Then, a current flows according to the combination of the applied voltages, and the direction of the current determines the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1.
[0102]
Initially, initialization is performed by flowing an electron current from the electrode E1 to the electrode E2 so that the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is directed to the right. Next, only the signal A is inverted and input to the electrode E2, and the signal B is input to the electrode E1 as it is. The output of the result is as shown in the truth table of FIG. 17A, and a logical product (AND) is realized.
[0103]
FIG. 17B shows a specific example of performing a logical negation (NAND) process. In this case, the direction of the magnetization of the hard magnetic portion HM2 is antiparallel to the direction of the magnetization of the hard magnetic layer HM1, that is, in the case of FIG. The inputs corresponding to the signals A and B are inverted only for the signal A as in FIG. As a result, as shown in the truth table of FIG. 17B, the negation of a logical product (NAND) is realized.
[0104]
FIG. 17C illustrates a specific example of performing a logical OR negation (NOR) process. In this case, the magnetization direction of the hard magnetic portion HM2 is set to the right in advance. The signal A is input to the electrode E2 as it is, and the signal B is inverted and input to the electrode E1. As a result, as shown in the truth table of FIG. 17C, the negation of the logical sum (NOR) is realized.
[0105]
FIG. 17D shows a specific example of performing a logical sum (OR) process. In this case, the magnetization direction of the hard magnetic portion HM2 is set to the left in advance. The signal A is input to the electrode E2 as it is, and the signal B is inverted and input to the electrode E1. As a result, as shown in the truth table of FIG. 17D, the negation of the logical sum (NOR) is realized.
[0106]
As shown in FIGS. 17A to 17D, it can be seen that one element can perform four types of logic processing. At this time, a signal output can be obtained simultaneously with a signal input by flowing a sense current to the electrode E3 based on the potential input to the electrode E2.
[0107]
FIG. 18 and FIG. 19 are explanatory diagrams showing a specific example of performing exclusive OR (EOR) and negation (NEOR) processing using the magnetic logic element of the present embodiment.
[0108]
That is, EOR and NEOR processing can be performed by combining two cells of the magnetic logic element of the present embodiment illustrated in FIG. 15 or FIG. 16 as one set. In this case, the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic section SM1 is determined according to the input signals A and B, respectively.
[0109]
FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating an example of usage as an EOR. The signal B is input to the electrode E1, and the signal A is input to the electrode E2. At this time, 0 volt (low potential) and a predetermined positive voltage (high potential) are applied to the input signals “0” and “1”, respectively. Then, a current flows according to the combination of the applied voltages, and the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is determined according to the direction.
[0110]
First, the two cells are initialized by flowing an electron current from the electrode E1 to the electrode E2 so that the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM1 is directed to the right. Next, the signal A and the signal B are input to the first cell as inverted (that is, negated) to the second cell. In FIG. 18, a truth table is shown below each cell. As an output, a magnetoresistive effect between the soft layer SM1 and the hard layer HM2 via the MR intermediate part SP is detected. Here, when the signal B is “0”, the second cell is replaced by B If "1", read the first cell. In this process, exclusive OR is performed.
[0111]
On the other hand, FIG. 19 shows a specific example of performing NEOR. Here, after the initialization, the A signal is inverted in the first cell, the B signal is left as it is, and the B signal is inverted and input to the second cell while A is left as it is. As in the EOR process, the output reads the second cell if B is "0" and reads the first cell if B is "1". As a result, it can be seen that XNOR is executed.
[0112]
In FIGS. 18 and 19, the magnetizations of the hard magnetic portions HM1 and HM2 are made parallel. However, the present invention is not limited to this. That is, if the input is appropriately adjusted, these magnetizations may be made antiparallel.
[0113]
FIG. 20 is a schematic sectional view illustrating the structure of a magnetic logic element according to a modification of the present embodiment.
[0114]
In this modified example, a hard magnetic part HM1, a spin transfer intermediate part NM1, and a soft magnetic part SM1 are stacked, and an electrode E2 is connected to the upper end of the soft magnetic part SM1. Then, an MR intermediate part SP and a hard magnetic part HM2 are laminated on the remaining part of the soft magnetic part SM1, and an electrode E3 is connected on the hard magnetic part HM2.
The element of this modified example can also perform the same operation as that illustrated in FIG.
[0115]
FIG. 21 is a schematic view illustrating the structure of a magnetic logic element according to another modification of the present embodiment. That is, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a front view thereof.
In this modified example, two thin line-shaped structures are provided crossing each other via the MR intermediate portion SP. In the lower thin line-shaped structure, a hard magnetic part HM1, a spin transfer intermediate part NM1, a soft magnetic part SM1, a spin transfer intermediate part NM3, and a hard magnetic part HM3 are arranged in this order.
[0116]
The thin line above the MR intermediate part SP is formed by the hard magnetic part HM2. Also here, the size of the MR intermediate part SP needs to be equal to or larger than the overlapping part of the soft magnetic part SM1 and the hard magnetic part HM2. Therefore, the MR intermediate part SP may cover the entire soft magnetic part SM1 or may further cover the spin transfer intermediate part NM. It is only necessary that the electrodes E1 and E2 can be connected.
[0117]
It is desirable that the magnetization direction of the hard magnetic part HM3 be antiparallel to the hard magnetic part HM1. The spin transfer intermediate portion enables the magnetization directions of the hard magnetic portion HM1 and the soft magnetic portion SM1 or the magnetization directions of the soft magnetic portion SM1 and the hard magnetic portion HM3 to be antiparallel.
[0118]
When electrons flow from the electrodes E1 and E2 to the magnetic logic element from the electrodes E1 to E2, the magnetization of the soft magnetic portion SM1 is oriented in the same direction as the hard magnetic portion HM1, and the electrons are conveyed from the electrode E2. When flowing to E1, the magnetization of the soft magnetic part SM1 becomes the same direction as that of the hard magnetic part HM3.
[0119]
The specific examples of the magnetic logic element according to the second embodiment of the present invention and the logic processing using the same have been described above with reference to FIGS.
[0120]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0121]
FIG. 22 is a schematic view illustrating a magnetic logic element according to the third embodiment of the present invention. That is, in the case of the specific example shown in FIG. 9A, a laminate of the hard magnetic portion (or semi-hard layer) HM, the MR intermediate portion SP, and the soft magnetic portion SM, and a current provided near this laminate are provided. And magnetic field generating conductors WL1 and WL2.
[0122]
In the case of the specific example shown in FIG. 3B, the laminated body is composed of a hard magnetic part (or semi-hard layer) HM1, an MR intermediate part SP1, a soft magnetic part SM, an MR intermediate part SP2, a hard magnetic part (or semi-hard part). Layer) HM2. The conducting wires WL1 and WL2 are provided so as to intersect near the stacked body.
[0123]
In both cases of FIGS. 22A and 22B, the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM is changed by the combined magnetic field of the current magnetic fields generated by passing the current through each of the two intersecting conductors WL1 and WL2. It is determined.
[0124]
In the stacked body, as described above with reference to FIG. 7, the relative relationship between the magnetizations of the soft magnetic portion SM and the hard magnetic portion HM1 (or HM2) is detected by the magnetoresistance effect.
[0125]
In the case of the present embodiment, the directions of the currents flowing through the conductors WL1 and WL2 are determined corresponding to the input signals A and B, respectively, and the magnitude of the magnetic resistance of the laminate is set as the output signal C. For example, in FIG. 22, the direction of the current flowing through the upper current magnetic field conducting wire WL1 corresponds to the signal A. In other words, if the signal A is "0", the current flows from the left front to the right side of the paper, and if the signal A is "1", the current flows from the right back to the left front. Also, the direction of the current flowing through the lower current magnetic field conducting wire WL2 is assigned to the signal B. If the signal B is “0”, the current flows from the back left to the front right, and if the signal B is “1”, the flow is from the right front to the left. Apply current toward it.
[0126]
When used as a programmable magnetic logic element, a semi-hard magnetic layer is used as the material of the hard magnetic portion HM1 (HM2). The direction of the magnetization M1 (M3) of this layer is determined in advance in accordance with a logic process to be performed using the conductors WL1 and WL2 for generating a current magnetic field. The direction of the magnetization M1 (M3) of the semi-hard layer HM1 (HM2) is programmed in advance as “0” in the right direction and “1” in the left direction in FIG. At the time of each logic process, the process is performed after initialization so that the direction of the magnetization M2 of the soft magnetic portion SM is rightward (ie, “0”) in FIG.
[0127]
The input signal A and the input signal B are input as they are in the case of a logical NOT (NAND) and logical AND (AND), and both are input in the case of a logical OR (OR) or a logical OR (NOR). Invert (negative) and enter.
[0128]
FIG. 23 is a table summarizing the input forms and output signals of each of NAND, AND, OR, and NOR. Also in these, it is possible to simultaneously execute input and output of signals.
[0129]
Furthermore, when cells are used as the magnetic logic element of the present embodiment, exclusive OR (EOR) and its negation (NEOR) can be performed by setting two cells as one set.
[0130]
FIG. 24 is a conceptual diagram showing a combination of two cells as described above.
When performing the EOR process, the magnetization M1 (M3) of the hard magnetic portion (semi-hard layer) HM1 (HM2) is directed rightward (ie, “0”) in FIG. Then, the magnetization M2 of the soft magnetic section SM is initialized so as to face right. The signals A and B are input to the first cell (the element on the left side of FIG. 24) without inversion, and the signals A and B are input to the second cell (the element on the right side of FIG. 24) without being inverted. I do. In this case, due to the magnetoresistance effect obtained between the hard magnetic part HM1 (HM2) and the soft magnetic part SM, the output signal is as shown in the table of FIG. That is, EOR can be performed by reading the second cell if the signal B is "0" and reading the first cell if the signal B is "1". NEOR can be realized by setting the magnetization of the hard layer or the semi-hard layer to the left in FIG. 24 (that is, “1”).
[0131]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0132]
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a double tunnel junction device CL having the cross-sectional structure illustrated in FIG. 25 was prepared. As shown in FIG. 26, the element CL performs signal input by a current magnetic field using a bit line BL and a word line WL.
[0133]
In the element array shown in FIG. 26, in addition to the components shown in FIG. 26, one cell selection transistor is arranged for each cell, and word lines for selecting these transistors are provided. Can be
[0134]
Here, the magnetic material at the center of the element CL having the double tunnel junction is the soft magnetic portion SM, and the magnetization of this layer SM is changed by the combined magnetic field formed by the bit line BL and the word line WL according to the signal input.
[0135]
The magnetization directions of the upper and lower semi-hard layers HM1 and HM2 of the element CL are determined in advance by programming through arithmetic processing. The magnetization switching (that is, magnetization reversal) of the semi-hard layers HM1 and HM2 can also be performed by passing a current through the bit line BL and the word line WL. However, a current larger than the magnetization switching of the soft magnetic section SM is required. The magnetization of the soft magnetic portion is simultaneously switched (reversed) by the large current magnetic field. However, in any case, the magnetization of the soft magnetic portion SM is first initialized to the right in FIG.
[0136]
When the magnetic field for switching the magnetization of the semi-hard layers HM1 and HM2 is insufficient, an auxiliary conductor as shown by a dotted line in FIG. 26 is provided, and the generated magnetic field can be increased by flowing a current through the auxiliary conductor. .
[0137]
The signal A and the signal B were input to this element, and the relationship between the input signals A and B and the output signal C was observed with an oscilloscope. The result is as shown in FIG. 27, and it can be seen that the NAND is realized.
(Second embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, an EOR memory for recording by performing one EOR process by combining two elements of the first embodiment described above was manufactured. Here, the magnetization of the semi-hard layers HM1 and HM2 was programmed rightward in FIG. After the magnetization of the soft magnetic section SM is first initialized to the right, the signals A and B are directly input to the first cell, and both the signals A and B are inverted and input to the second cell. did. From the resulting magnetization configuration, the truth table was as shown in FIG. When a data signal is input as the signal A and an encryption key signal is input as the signal B, data can be stored as a stream cipher using two cells for one bit. Reproduction is performed by reading the second cell if the encryption key signal B is "0" and reading the first cell if the encryption key signal B is "1".
[0138]
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment of the present invention, a magnetic logic element having the structure of FIG. 5 will be described. The hard magnetic portions HM1 and HM2 are both Co-Fe alloys, and the soft magnetic portions SM1 and SM2 are Co-Fe (0.6 nm) / Ni-Fe (0.8 nm) / Co-Fe (0.6 nm). Alternatively, it is composed of a laminated film composed of Co—Fe (1.5 nm) / Ru (1 nm) / Co—Fe (1.5 nm). Cu having a thickness of 5 nm was used for the spin transfer intermediate portions NM1 and NM2, and alumina having a thickness of 1 to 2 nm was used for the MR intermediate portion SP. Further, a Co—Fe film / PtIrMn film was stacked outside the hard magnetic portions HM1 and HM2 via a ruthenium (Ru) layer, and the magnetizations of these magnetic portions HM1 and HM2 were fixed.
[0139]
After forming such a laminate, elements processed into a shape close to a rectangle of about (30 nm to 150 nm) × (60 nm to 300 nm) by a microfabrication process were arranged in an array to provide electrodes. However, in a part of the laminated structure, a portion having a planar dimension smaller than other portions was formed due to formation of an electrode.
[0140]
It was confirmed that the soft magnetic portion SM of the magnetic logic element formed in this manner was subjected to magnetization switching (inversion) with a current of approximately ± 1 mA or more, and the required voltage at that time was obtained. Then, a voltage having an absolute value slightly larger than this voltage was set as the input signal value. Then, a data signal to be stored as a signal A to be input to the element and an encryption key signal as a signal B were input, and data writing was performed. As a result, data was recorded as a stream cipher scrambled with an encryption signal key, and a memory with an encryption processing function was realized. This memory can be decrypted only by a user who knows the encryption key signal.
[0141]
Note that by providing a signal amplifying means as a logic element on a read wiring such as a word line or a bit line on each cell or array, it becomes easy to perform a chained signal processing between the logic elements.
[0142]
(Fourth embodiment)
Next, as a fourth embodiment of the present invention, a method of manufacturing a solid-state magnetic element having a structure in which two thin wires are crossed as illustrated in FIG. 14 will be described.
[0143]
FIG. 28 is a process chart illustrating the method for manufacturing the solid-state magnetic element of the present embodiment.
That is, first, a magnetic film serving as a base of the hard magnetic part HM1, the spin transfer intermediate part NM1, the soft magnetic part SM1, the spin transfer intermediate part NM3, and the hard magnetic part HM3 is formed. A resist is applied on the film, and a fine line mask is formed using an EB lithography apparatus. Then, portions other than the fine lines are removed by a reactive ion etching apparatus to form the fine lines 100 as shown in FIG.
[0144]
By scanning the thin line with an electron beam on the lines L1 and L2 shown in FIG. 28A, as shown in FIG. 28B, a spin transfer intermediate portion NM1 composed of a crystal alteration portion is formed. , NM2.
[0145]
Next, as shown in FIG. 28C, the MR intermediate part SP is stacked on the thin wire 100. Then, a magnetic layer 110 for the hard magnetic part HM2, the spin transfer intermediate part NM2, the soft magnetic part SM2, the spin transfer intermediate part NM4, and the hard magnetic part HM4 is further formed thereon. Then, the magnetic layer 110 is thinned by the same method as described above with reference to FIG. At this time, the thin wire 120 is formed so that the direction of the thin wire 120 is substantially perpendicular to the lower thin wire 100.
[0146]
In order to make the magnetization directions of the hard magnetic portions HM1 and HM4 and the magnetization directions of the hard magnetic portions HM2 and HM3 antiparallel, for example, a PtMn pad is directly laminated on the hard magnetic portion HM3 or Ru (about 1 nm in thickness). A PtMn pad is stacked through the substrate. Finally, the wiring was attached.
[0147]
According to the above-described method, a solid-state magnetic element having two crossed thin lines with a width of, for example, 50 nm can be formed via the MR intermediate portion SP.
[0148]
The embodiments of the invention have been described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a person skilled in the art can appropriately select a specific dimensional relationship and a material of each element constituting the magnetic logic element, a shape and a material of an electrode, a passivation, an insulating structure, and the like from a known range. Is carried out in the same manner, and as long as a similar effect can be obtained, it is included in the scope of the present invention.
[0149]
In addition, the operation of the logic has been described by taking a stacked structure as an example as shown in FIGS. 1 to 8, but the present invention is not limited to this, and is illustrated in, for example, FIGS. In this way, a logic operation can be similarly performed using a topologically equivalent structure, and these are also included in the scope of the present invention. As for the shape of the element and the input form and output form of the input signal, those appropriately changed by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.
[0150]
Further, components such as an antiferromagnetic layer, a hard magnetic portion, a soft magnetic portion, an MR intermediate portion, a spin transfer intermediate portion, and an insulating layer in the magnetic logic element may be formed as a single layer, respectively. May be laminated.
[0151]
Further, the signal input method corresponding to the input signal A and the input signal B in the specific example described above is only an example, and there are other combinations of inputs for performing the same logical operation. Has a variety of ways of taking output signals. All of these are included within the scope of the present invention.
[0152]
In addition, based on the above-described magnetic logic elements and magnetic logic element arrays as embodiments of the present invention, all magnetic logic elements and magnetic logic element arrays that can be implemented by those skilled in the art by appropriately changing the design are also included. Similarly, it belongs to the scope of the present invention.
[0153]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a magnetic logic element having a small size and an arithmetic processing function and an array thereof, which enables downsizing of a circuit and high-density integration. The benefits are enormous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view conceptually showing the operation of a first magnetic logic element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view conceptually showing an operation of a second magnetic logic element of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view conceptually showing an operation of a third magnetic logic element of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view conceptually showing an operation of a fourth magnetic logic element of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a main part of the magnetic logic element according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining control of a magnetization direction by a spin-polarized current.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an operation of reading information in the magnetic logic element of the present invention.
FIG. 8 is a schematic sectional view illustrating a modified example of the magnetic logic element of the first embodiment.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating another modification of the magnetic logic element of the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating an operation when performing an exclusive OR EOR using the magnetic logic element of the first embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating a magnetization arrangement relationship of soft magnetic bodies SM1 and SM2 when an input of a signal B is inverted.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a specific example of performing a logical product (AND) and a logical product negation (NAND) process using the magnetic logic element of the first embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a specific example of performing a logical sum (OR) and its negation (NOR) processing using the magnetic logic element of the first embodiment.
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a structure of a magnetic logic element according to a modification of the first embodiment.
FIG. 15 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a main part of a magnetic logic element according to a second embodiment of the invention.
FIG. 16 is a schematic sectional view showing another modification of the magnetic logic element of the second embodiment.
FIG. 17 is a conceptual diagram illustrating logic processing in a magnetic logic element according to the second embodiment.
FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating an example of usage as an EOR.
FIG. 19 shows a specific example of performing NEOR.
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure of a magnetic logic element according to a modification of the second embodiment.
FIG. 21 is a schematic diagram illustrating a structure of a magnetic logic element according to another modification of the second embodiment. That is, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a front view thereof.
FIG. 22 is a schematic view illustrating a magnetic logic element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a table summarizing input forms and output signals of NAND, AND, OR, and NOR.
FIG. 24 is a conceptual diagram showing a combination of two cells.
FIG. 25 is a schematic view showing a double tunnel junction device CL.
FIG. 26 is a schematic diagram showing that a signal is input by a current magnetic field using a bit line BL and a word line WL.
FIG. 27 is a graph showing that a NAND is realized by the first embodiment.
FIG. 28 is a process chart illustrating the method of manufacturing the solid-state magnetic element according to the fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
E1 to E4 electrodes
HM1, HM2 hard magnetic layer (semi-hard layer)
M1-M4 magnetization
NM1, NM2 non-magnetic layer
P magnetic minute contact
SM1, SM2 soft magnetic layer
SP1, SP2 intermediate layer
WL word line

Claims (13)

少なくとも２つ以上の磁性部と、
前記２つ以上の磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
前記２つ以上の磁性部の少なくともいずれかの磁化方向を制御する磁化方向制御部と、
を備え、
前記磁性部の磁化方向を制御するための入力信号Ａ及び入力信号Ｂを設けてそれぞれに「０」と「１」を割り当て、前記入力信号Ａと前記入力信号Ｂとの組み合わせにより前記磁性部の磁化を決定し、前記ＭＲ中間部を介した磁気抵抗効果の大小を出力信号Ｃとしたことを特徴とする磁性体論理素子。At least two or more magnetic parts,
An MR intermediate part provided between the two or more magnetic parts;
A magnetization direction control unit that controls a magnetization direction of at least one of the two or more magnetic units;
With
An input signal A and an input signal B for controlling the magnetization direction of the magnetic unit are provided, and “0” and “1” are assigned to the input signal A and the input signal B, respectively. A magnetic logic element, wherein magnetization is determined, and the magnitude of the magnetoresistance effect via the MR intermediate portion is used as an output signal C. 磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部と、
前記第１及び第２のハード磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
前記第１のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１のソフト磁性部と、
前記第２のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間に設けられた第１のスピントランスファ中間部と、
前記第２のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間に設けられた第２のスピントランスファ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号に対応して、前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
第２の論理入力信号に対応して、前記第２のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間で書き込み電流を流すことにより、前記第４の強磁性体の磁化を前記第２の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１のソフト磁性部と前記第２のソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする磁性体論理素子。A first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second hard magnetic portion including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
An MR intermediate portion provided between the first and second hard magnetic portions;
A first soft magnetic part provided between the first hard magnetic part and the MR intermediate part and having a third ferromagnetic material;
A second soft magnetic part provided between the second hard magnetic part and the MR intermediate part and having a fourth ferromagnetic material;
A first spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part;
A second spin transfer intermediate part provided between the second hard magnetic part and the second soft magnetic part;
With
By flowing a write current between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part in response to the first logic input signal, the magnetization of the third ferromagnetic material is changed to the first magnetic part. In a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the direction of
By passing a write current between the second hard magnetic part and the second soft magnetic part in response to the second logic input signal, the magnetization of the fourth ferromagnetic material is changed to the second magnetic part. In a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the direction of
By flowing a sense current between the first soft magnetic portion and the second soft magnetic portion, the relative relationship between the magnetization directions of the third ferromagnetic material and the fourth ferromagnetic material is obtained. A magnetic logic element capable of detecting a logic output based on a logic element. 磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部と、
前記第１及び第２のハード磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
前記第１のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第３の強磁性体を有する第１のソフト磁性部と、
前記第２のハード磁性部と前記ＭＲ中間部との間に設けられ、第４の強磁性体を有する第２のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間に設けられた第１のスピントランスファ中間部と、
前記第２のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間に設けられた第２のスピントランスファ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号と第２の論理入力信号との間の大小関係に対応した書き込み電流を、前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間で流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１のソフト磁性部と前記第２のソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第３の強磁性体と前記第４の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする磁性体論理素子。A first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second hard magnetic portion including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
An MR intermediate portion provided between the first and second hard magnetic portions;
A first soft magnetic part provided between the first hard magnetic part and the MR intermediate part and having a third ferromagnetic material;
A second soft magnetic part provided between the second hard magnetic part and the MR intermediate part and having a fourth ferromagnetic material;
A first spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part;
A second spin transfer intermediate part provided between the second hard magnetic part and the second soft magnetic part;
With
By flowing a write current corresponding to the magnitude relationship between the first logic input signal and the second logic input signal between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part, Directing the magnetization of the third ferromagnetic material in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction;
By flowing a sense current between the first soft magnetic portion and the second soft magnetic portion, the relative relationship between the magnetization directions of the third ferromagnetic material and the fourth ferromagnetic material is obtained. A magnetic logic element capable of detecting a logic output based on a logic element. 磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
第２の強磁性体を含む第２のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第２のソフト磁性部との間に設けられ、第３の強磁性体を含む第１のソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間に設けられたスピントランスファ中間部と、
前記第１及び第２のソフト磁性部の間に設けられたＭＲ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号と第２の論理入力信号との間の大小関係に対応した書き込み電流を、前記第１のハード磁性部と前記第１のソフト磁性部との間で流すことにより、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行な向きに向け、
前記第１及び第２のソフト磁性部の間でセンス電流を流すことにより、前記第２の強磁性体の前記第３の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする磁性体論理素子。A first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second soft magnetic portion including a second ferromagnetic material,
A first soft magnetic portion provided between the first hard magnetic portion and the second soft magnetic portion and including a third ferromagnetic material;
A spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part;
An MR intermediate portion provided between the first and second soft magnetic portions;
With
By flowing a write current corresponding to the magnitude relationship between the first logic input signal and the second logic input signal between the first hard magnetic part and the first soft magnetic part, Directing the magnetization of the third ferromagnetic material in a direction substantially parallel or substantially anti-parallel to the first direction;
A logic output is detected based on a relative relationship between the magnetization directions of the second ferromagnetic material and the third ferromagnetic material by flowing a sense current between the first and second soft magnetic units. A magnetic logic element characterized by being made possible. 磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含む第１のハード磁性部と、
磁化方向が第２の方向に固着された第２の強磁性体を含む第２のハード磁性部と、
前記第１及び第２のハード磁性部の間に設けられ、第３の強磁性体を含むソフト磁性部と、
前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間に設けられたスピントランスファ中間部と、
前記第２のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間に設けられたＭＲ中間部と、
を備え、
第１の論理入力信号に対応した第１の電圧を前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部とのいずれか一方に印加し、第２の論理入力信号に対応した第２の電圧を前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部とのいずれか他方に印加し、前記第１のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間で前記第１及び第２の電圧の大小関係に応じて流れる書き込み電流によって、前記第３の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行のいずれか一方の向きに向け、
前記第２のハード磁性部と前記ソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第２の方向に対する、前記第３の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする磁性体論理素子。A first hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A second hard magnetic portion including a second ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in a second direction;
A soft magnetic portion provided between the first and second hard magnetic portions and including a third ferromagnetic material;
A spin transfer intermediate part provided between the first hard magnetic part and the soft magnetic part;
An MR intermediate part provided between the second hard magnetic part and the soft magnetic part;
With
A first voltage corresponding to a first logic input signal is applied to one of the first hard magnetic portion and the soft magnetic portion, and a second voltage corresponding to a second logic input signal is applied to the first hard magnetic portion and the soft magnetic portion. A voltage is applied to one of the other of the first hard magnetic part and the soft magnetic part, and the voltage is applied to the first hard magnetic part and the soft magnetic part in accordance with the magnitude relationship between the first and second voltages. By the flowing write current, the magnetization of the third ferromagnetic material is directed to one of directions substantially parallel or substantially antiparallel to the first direction,
By passing a sense current between the second hard magnetic portion and the soft magnetic portion, a logical output based on the relative relationship of the magnetization direction of the third ferromagnetic material to the second direction is provided. A magnetic logic element characterized by being able to detect the magnetic field. 磁化方向が第１の方向に固着された第１の強磁性体を含むハード磁性部と、
第２の強磁性体を含むソフト磁性部と、
前記ハード磁性部と前記ソフト磁性部との間に設けられたＭＲ中間部と、
第１の方向に延在する第１の書き込み配線と、
前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の書き込み配線と、
を備え、
第１の論理入力信号に対応した第１の書き込み電流を前記第１の書き込み配線に流し、第２の論理入力信号に対応した第２の書き込み電流を前記第２の書き込み配線に流して、前記第１及び第２の書き込み電流により形成された合成磁界により前記第２の強磁性体の磁化を前記第１の方向と略平行または略反平行のいずれか一方の向きに向け、
前記ハード磁性部と前記ソフト磁性部との間でセンス電流を流すことにより、前記第１の方向に対する、前記第２の強磁性体の磁化の向きの相対的な関係に基づく論理出力を検出可能としたことを特徴とする磁性体論理素子。A hard magnetic portion including a first ferromagnetic material having a magnetization direction fixed in a first direction;
A soft magnetic portion including a second ferromagnetic material;
An MR intermediate portion provided between the hard magnetic portion and the soft magnetic portion,
A first write wiring extending in a first direction;
A second write wiring extending in a direction intersecting the first direction;
With
Flowing a first write current corresponding to a first logical input signal to the first write wiring, and flowing a second write current corresponding to a second logical input signal to the second write wiring; The combined magnetic field formed by the first and second write currents directs the magnetization of the second ferromagnetic material in one of directions substantially parallel or substantially antiparallel to the first direction,
By flowing a sense current between the hard magnetic part and the soft magnetic part, a logical output based on a relative relationship between a magnetization direction of the second ferromagnetic material and the first direction can be detected. A magnetic logic element comprising: 前記書き込み電流を流すことにより前記ソフト磁性部にスピン偏極した電子電流が流入し、前記スピン偏極した電子電流によりそのソフト磁性部の強磁性体の磁化が前記略平行または略反平行な向きに向けられることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１つに記載の磁性体論理素子。By flowing the write current, a spin-polarized electron current flows into the soft magnetic part, and the magnetization of the ferromagnetic material of the soft magnetic part is oriented in the substantially parallel or substantially antiparallel direction by the spin-polarized electron current. 7. The magnetic logic element according to claim 2, wherein the magnetic logic element is directed to: 前記センス電流を流したときに、前記磁化の向きの相対的な関係に応じて抵抗が変化することを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の磁性体論理素子。8. The magnetic logic element according to claim 2, wherein when the sense current flows, the resistance changes according to a relative relationship between the directions of the magnetization. 前記ＭＲ中間部は、電気的に絶縁性の材料により形成されてなることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つに記載の磁性体論理素子。9. The magnetic logic element according to claim 2, wherein the MR intermediate portion is formed of an electrically insulating material. 前記ＭＲ中間部は、隣接する磁性部から延出した磁気接点を含むことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１つに記載の磁性体論理素子。9. The magnetic logic element according to claim 2, wherein the MR intermediate part includes a magnetic contact extending from an adjacent magnetic part. 前記ソフト磁性部が有する前記強磁性体は、前記ハード磁性部が有する前記強磁性体よりも軟磁性の材料からなることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１つに記載の磁性体論理素子。The magnetic material according to claim 2, wherein the ferromagnetic material of the soft magnetic portion is made of a material that is softer than the ferromagnetic material of the hard magnetic portion. Logic element. 前記ハード磁性部が有する前記強磁性体に交換バイアス磁界を印加する反強磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１つに記載の磁性体論理素子。The magnetic logic element according to claim 2, further comprising an antiferromagnetic layer that applies an exchange bias magnetic field to the ferromagnetic material included in the hard magnetic unit. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の複数の磁性体論理素子と、
この磁性体論理素子の任意のいずれかを選択し論理入力信号またはセンス電流を流す手段と、
を備えたことを特徴とする磁性体論理素子アレイ。A plurality of magnetic logic elements according to any one of claims 1 to 12,
Means for selecting any one of the magnetic logic elements and flowing a logic input signal or a sense current;
A magnetic logic element array comprising:
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