JP2004146821A - Memory device and memory - Google Patents

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角野 宏治
Masafumi Ata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin injection type memory device and memory that can be increased easily in density and degree of integration. <P>SOLUTION: A magnetic memory device MM1 is a spin injection type magnetic memory device which performs writing by causing magnetization inversion by injecting spin-polarized electrons. In both end sections of the memory device MM1, a fixed layer 1, the direction of magnetization fixed in one direction, and a free layer 2 with changeable, the direction of magnetizing orientation when the spin-polarized electrons flow in, are respectively included by using a carbon nanotube 10 as one constituent unit and the central part of the tube 10 in the axial direction as a spin conductive layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 本発明は、スピン偏極注入を利用してデータの書き込みを行うメモリ素子、および、それを用いた不揮発性のメモリ装置に関する。 {Circle over (1)} The present invention relates to a memory element for writing data using spin polarization injection and a nonvolatile memory device using the same.

 高速ネットワーク社会の到来を迎え、急速に普及しつつある携帯電話やラップトップコンピュータ等のモバイルメディアにおいて、特に不揮発性メモリの開発が要求されてきている。不揮発性メモリは、常に電力が供給されずともデータ保持が可能であるため、これを用いた機器では、電源投入直後から動作させることができ、また消費電力を低減することができる。 (4) With the advent of the high-speed network society, mobile media such as mobile phones and laptop computers, which are rapidly spreading, are required to develop nonvolatile memories. Since the nonvolatile memory can hold data even when power is not always supplied, a device using the nonvolatile memory can be operated immediately after power is turned on, and power consumption can be reduced.

 近年注目されている磁気ランダム・アクセス・メモリ(Magnetic Random Access Memory;MRAM) は、SRAM(Static RAM)の高速性、DRAM(Dynamic RAM)の高密度、低コスト性、およびフラッシュメモリの不揮発性を兼ね備えており、将来のデファクト・スタンダードとして有望視されている。MRAMは、磁気効果を用いたメモリであり、巨大磁気抵抗効果を利用するスピン・バルブ型のものや、スピン依存型トンネル効果を利用するものが知られている。これらのMRAMでは、目的とするメモリセルに対応する配線にスイッチング電流を流し、発生した磁界により、そのセル内の記録層の磁化状態を変更してビット情報の書き込みが行われる。情報の読み出しは、セルの磁化状態を、磁気効果を利用して検出することによって行われる。このように、MRAMは固体メモリであるため、磁気ヘッドを用いて機械的に書き込み・読み出しを行う磁性記録媒体のように破損のおそれがなく、書き込み・読み出しの繰り返しに強いという特徴も有している。 Magnetic Random Access Memory (MRAM), which has been attracting attention in recent years, is designed to reduce the speed of SRAM (Static RAM), the high density of DRAM (Dynamic RAM), the low cost, and the non-volatility of flash memory. It has both and is promising as a future de facto standard. The MRAM is a memory using a magnetic effect, and a MRAM using a spin valve type using a giant magnetoresistance effect and a type using a spin-dependent tunnel effect are known. In these MRAMs, a switching current is applied to a wiring corresponding to a target memory cell, and the generated magnetic field changes the magnetization state of a recording layer in the cell to write bit information. Reading of information is performed by detecting the magnetization state of the cell using a magnetic effect. As described above, since the MRAM is a solid-state memory, there is no danger of damage as in a magnetic recording medium that mechanically writes and reads using a magnetic head, and the MRAM has a feature of being resistant to repeated writing and reading. I have.

 ただし、その実用化には、メモリの高密度化に伴って生じた課題が残されていた。書き込みに必要な磁界強度は、記録層の幅つまりセルサイズに反比例する。よって、メモリセルを微細化すると、消費電力は極めて大きくなる。また、隣接セル間の近接漏れ磁界により、クロストークが生じるおそれもある。例えば、幅0.2μmのメモリセルに対しては、書き込み時の電流は数mAにもなる。また、セル間が0.1μm程度まで狭まったメモリでは、対象セルに磁場を誘起させると、隣接セルにその80%の強さの磁場が及ぶことになる。 However, the practical use still had problems that had arisen with the increase in memory density. The magnetic field strength required for writing is inversely proportional to the width of the recording layer, that is, the cell size. Therefore, when the memory cell is miniaturized, power consumption becomes extremely large. In addition, there is a possibility that crosstalk may occur due to a proximity leakage magnetic field between adjacent cells. For example, for a memory cell having a width of 0.2 μm, the current at the time of writing becomes several mA. In a memory in which the distance between cells is reduced to about 0.1 μm, when a magnetic field is induced in a target cell, a magnetic field of 80% of the magnetic field is applied to an adjacent cell.

 こうした課題を克服する技術として、記録層への偏極スピン注入法という新規な書き込み手法によるMRAMが提案されている(特許文献1参照)。この場合、メモリ素子は図4のように構成されている。すなわち、磁化方向が常に固定される強磁性層(固定層)111と、ビット情報に応じて磁化方向を変化させる強磁性層(自由層)112とが、常磁性層113により隔てられている。なお、常磁性金属層114,115は、強磁性層111,112に積層方向に電流を流すための電極層である。偏極スピン注入法では、強磁性層111,112に対し、積層方向にスピン偏極電流を流すことで偏極した電子を注入し、スピン角運動量を伝える。これにより、強磁性層112では、相互作用を受けて磁気モーメントが反転する。この機構はスピン変換と呼ばれる。こうしたスピン電流の注入により磁化を切り換える書き込み方式では、外部磁場を印加する必要がないので、メモリセル間の干渉がなく、電力消費を抑えることができる。 M As a technique for overcoming such a problem, an MRAM using a novel writing method called a polarized spin injection method to a recording layer has been proposed (see Patent Document 1). In this case, the memory element is configured as shown in FIG. That is, the ferromagnetic layer (fixed layer) 111 whose magnetization direction is always fixed and the ferromagnetic layer (free layer) 112 whose magnetization direction is changed according to bit information are separated by the paramagnetic layer 113. The paramagnetic metal layers 114 and 115 are electrode layers for passing a current through the ferromagnetic layers 111 and 112 in the stacking direction. In the polarized spin injection method, polarized electrons are injected into the ferromagnetic layers 111 and 112 by flowing a spin-polarized current in the stacking direction to transmit spin angular momentum. Thereby, in the ferromagnetic layer 112, the magnetic moment is reversed by the interaction. This mechanism is called spin conversion. In the writing method in which the magnetization is switched by injecting the spin current, there is no need to apply an external magnetic field, so that there is no interference between memory cells and power consumption can be suppressed.

 また、偏極スピン注入法の他の特徴としては、書き込み時間がスピン伝導速度にのみ依存することから、応答速度の向上を図ることが可能である。
特開平11−120758号公報 特許第2546114号公報
Another characteristic of the polarized spin injection method is that the writing time depends only on the spin conduction speed, so that the response speed can be improved.
JP-A-11-120758 Japanese Patent No. 2546114

 しかしながら、この技術においても実用化に向けての問題があった。強磁性層111,112の間に配置される常磁性層113は、磁気的スペーサとしての役割に加え、電子の偏極スピンを緩和させずに伝導させるスピン伝導層としての側面を持つ。したがって、常磁性層113は、スピンコヒーレンス長の長い材料であって、強磁性層111,112に対してスピン散乱が極めて小さい材料である必要がある。そうした(強磁性材料/常磁性材料)の組み合わせは極めて限定されるため、常磁性層113には、スピン伝導層としてより好適な材料が求められていた。 However, this technology also had a problem for practical use. The paramagnetic layer 113 disposed between the ferromagnetic layers 111 and 112 has a side surface as a spin conduction layer that conducts electrons without relaxing polarized spin, in addition to serving as a magnetic spacer. Therefore, the paramagnetic layer 113 needs to be a material having a long spin coherence length and having a very small spin scattering with respect to the ferromagnetic layers 111 and 112. Since such a combination of (ferromagnetic material / paramagnetic material) is extremely limited, the paramagnetic layer 113 has been required to be made of a material more suitable as a spin conduction layer.

 一方、こうしたMRAM技術の研究開発とは別に、カーボンナノチューブの物性研究や機能材料としての応用開発が進められてきている。カーボンナノチューブは、ナノスケールで秩序だった1次元構造(筒状構造)をもつ炭素材料であり、容易にバンドル(束)と呼ばれる凝集体を形成する。 On the other hand, apart from such research and development of MRAM technology, research on the physical properties of carbon nanotubes and application development as functional materials have been promoted. A carbon nanotube is a carbon material having a one-dimensional structure (tubular structure) ordered on a nanoscale, and easily forms an aggregate called a bundle.

 特許文献2には、カーボンナノチューブの中心にある中空の穴に種々の異物質を内包させる技術が開示されており、磁性体を内包させたカーボンナノチューブについては、(1)チューブ内径(5〜10nm)が通常の磁性体の磁区の大きさよりも小さいことから、単磁区微粒子と考えられること、(2)チューブの長軸を垂直に並べれば、その異方性から極めて高密度の垂直磁気記録媒体ができると考えられることが記載されている。ただし、上記公報には、カーボンナノチューブのメモリへの応用については全く記述されてはいない。ごく最近になってトランジスタへの応用などが発表されてきたものの、これまでメモリ応用に関しては具体的な進展が見られないままであった。その理由として、従来よりもセルサイズが格段に小さくなるため、外部磁界をどのようにしてセルごとに印加するかという問題などの点で、従来どおりの構造を踏襲したのでは実現が難しいことが考えられる。つまり、単にナノチューブ内に素子を詰め込んだだけでは、実用的なMRAMにはなり得ないのである。 Patent Literature 2 discloses a technique of encapsulating various foreign substances in a hollow hole at the center of a carbon nanotube. For a carbon nanotube encapsulating a magnetic substance, (1) tube inner diameter (5 to 10 nm) ) Is smaller than the size of the magnetic domain of a normal magnetic substance, and is considered to be a single domain fine particle. (2) If the long axis of the tube is arranged vertically, the perpendicular magnetic recording medium having extremely high density It is described that it is thought that it can be done. However, the above publication does not describe at all the application of the carbon nanotube to the memory. Although application to transistors has been announced very recently, no concrete progress has been made in memory application until now. The reason is that the cell size is much smaller than in the past, and it is difficult to achieve this by following the conventional structure in terms of how to apply an external magnetic field to each cell. Conceivable. In other words, simply packing elements in nanotubes cannot be a practical MRAM.

 本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高密度・高集積化を容易に可能とするスピン注入型のメモリ素子およびメモリ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a memory device and a memory device of a spin injection type which can easily realize high density and high integration.

 本発明のメモリ素子は、電子がスピン偏極した状態を保持する保持部と、中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、スピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備え、スピン偏極した電子の注入によって、保持部に電子のスピン偏極した状態として情報が書き込まれるものである。具体的には、スピン偏極した電子の注入によって、少なくとも一方の磁化方向変化が誘起される第1および第2の強磁性層と、第1および第2の強磁性層の積層方向を軸方向として配置される中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に設けられてその磁気的相互作用を遮断すると共にスピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備えたものである。また、本発明のメモリ装置は、本発明のメモリ素子が複数配列されてなるものである。 The memory element of the present invention includes a holding unit that holds a state in which electrons are spin-polarized, and a spin conductive layer including at least a part of a hollow cylindrical molecule and conducting spin-polarized electrons. The information is written into the holding unit as a spin-polarized state of the electrons by the injection of the polarized electrons. Specifically, the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers, in which at least one change in the magnetization direction is induced by the injection of the spin-polarized electrons, and the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers, are set in the axial direction. And is provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer to interrupt the magnetic interaction and to dispose the spin-polarized electrons. And a spin-conducting layer for conduction. Further, a memory device of the present invention has a plurality of the memory elements of the present invention arranged therein.

 本発明のメモリ素子は、スピン注入型のランダム・アクセス・メモリの構成単位であるメモリ素子である。本発明のメモリ装置は、このメモリ素子で構成されるメモリ本体を含む装置である。第1の強磁性層と第2の強磁性層の間には、スピン伝導層として機能する中空の筒状分子の軸方向に電流が流れることによって、スピン偏極した電子が伝導される。このスピン伝導層では、筒状分子またはその中空部に内包された物質のスピンコヒーレンス長に応じ、電子がスピン緩和されずに伝導され、その角運動量が第1の強磁性層および第2の強磁性層に与えられる。 メ モ リ The memory element of the present invention is a memory element which is a structural unit of a spin injection random access memory. The memory device of the present invention is a device including a memory main body composed of the memory element. Spin-polarized electrons are conducted between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer by the flow of current in the axial direction of a hollow cylindrical molecule functioning as a spin conduction layer. In this spin conduction layer, electrons are conducted without spin relaxation according to the spin coherence length of the cylindrical molecule or the substance contained in the hollow part, and the angular momentum of the electrons is changed to the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. Provided to the magnetic layer.

 以上説明したように本発明のメモリ素子によれば、スピン伝導層が中空の筒状分子の少なくとも一部からなくようにしたので、スピン伝導層における偏極電子のスピン緩和がスピンコヒーレンスまたはその中空部に内包される物質のスピンコヒーレンスに応じて防止され、書き込み時の電流消費を抑えることができる。 As described above, according to the memory device of the present invention, the spin conduction layer is made to be at least part of the hollow cylindrical molecule, so that the spin relaxation of the polarized electrons in the spin conduction layer is performed by the spin coherence or the hollow coherence. This is prevented according to the spin coherence of the substance included in the portion, and current consumption during writing can be suppressed.

 特に、筒状分子の軸方向における中央部をスピン伝導層として機能させると共に、この筒状分子の一方の端部に第1の強磁性層を、他方の端部に第2の強磁性層をそれぞれ内包させることにより、素子本体が筒状分子の中空部に収められた構成となる。従って、ナノサイズの筒状分子を選択することにより、従来の微細加工技術によらずにナノサイズのスピン注入型メモリ素子を実現することができる。すなわち、微小であるにもかかわらず、簡便な製造方法で、寸法がよく制御された素子を得ることができる。その場合の第1および第2の強磁性層は、筒状分子の径の大きさから単磁区構造をとると考えられ、また、筒状分子に内包されることで外部からの磁気的擾乱が遮断されるために、磁化配向を常に安定して保つことができる。なお、磁気遮蔽効果のおかげで、微小なサイズであっても現実に集積化が可能となる。 In particular, the central part in the axial direction of the cylindrical molecule functions as a spin conduction layer, and a first ferromagnetic layer is provided at one end of the cylindrical molecule and a second ferromagnetic layer is provided at the other end. By enclosing each, the element body is housed in the hollow portion of the cylindrical molecule. Therefore, by selecting nano-sized cylindrical molecules, a nano-sized spin-injection memory device can be realized without using a conventional fine processing technique. In other words, an element whose dimensions are well controlled can be obtained by a simple manufacturing method despite its small size. In this case, the first and second ferromagnetic layers are considered to have a single magnetic domain structure due to the size of the diameter of the cylindrical molecule, and the inclusion of the cylindrical molecule prevents external magnetic disturbance. Due to the interruption, the magnetization orientation can always be kept stable. In addition, thanks to the magnetic shielding effect, integration can be actually performed even in a small size.

 また、筒状分子をカーボンナノチューブとすることにより、スピン伝導層では、カーボンナノチューブの良好なスピンコヒーレンスにより、スピンをほとんど緩和させずに偏極電子が伝導し、第1の強磁性層または第2の強磁性層へ注入される。よって、ナノサイズで、書き込み効率のよいスピン注入型メモリ素子を実現することができる。 Further, by using the carbon nanotubes as the cylindrical molecules, in the spin conduction layer, the polarized electrons are conducted with little spin relaxation due to the good spin coherence of the carbon nanotubes, and the first ferromagnetic layer or the second To the ferromagnetic layer. Therefore, it is possible to realize a nano-sized spin injection memory element with high writing efficiency.

 更に、本発明のメモリ装置によれば、本発明のメモリ素子を複数配列したものとしたので、効率よく書き込みを行うことができ、低消費電力駆動が可能となる。また、個々のメモリ素子が少なくとも一部に筒状分子を用いて構成されており、従来の薄膜作製技術によって2次元的に形成される素子とは異なり円柱状の立体的な構造をとることから、垂直方向に配向させて集積することができる。さらに、このメモリ素子はスピン注入型であり、他の磁気メモリと比較して近接磁場の影響がほとんどないため、メモリセルのピッチをより狭くすることができる。したがって、高密度集積化が可能となる。 According to the memory device of the present invention, since the plurality of memory elements of the present invention are arranged, writing can be performed efficiently and low power consumption driving is possible. In addition, since each memory element is configured using cylindrical molecules at least in part, unlike a device formed two-dimensionally by a conventional thin film manufacturing technique, it has a columnar three-dimensional structure. , And can be integrated in a vertical orientation. Furthermore, since this memory element is of a spin injection type and is hardly affected by a near magnetic field as compared with other magnetic memories, the pitch of the memory cells can be narrowed. Therefore, high-density integration becomes possible.

 図1は、本発明の一実施の形態に係るメモリ素子の構成を示している。この磁気メモリ素子MM1は、偏極スピン電子の注入により磁化反転を引き起こすことで書き込みを行う「スピン注入型」である。その基本構造は、2つの強磁性層、すなわち磁化配向が一定方向に固定されている固定層1と、偏極スピン電子の流入によって磁化配向が変化する自由層2との間に、スピン伝導層3が設けられたものである。 FIG. 1 shows a configuration of a memory element according to an embodiment of the present invention. The magnetic memory element MM1 is a "spin injection type" in which writing is performed by causing magnetization reversal by injecting polarized spin electrons. The basic structure is such that a spin conduction layer is provided between two ferromagnetic layers, that is, a fixed layer 1 in which the magnetization orientation is fixed in a fixed direction and a free layer 2 in which the magnetization orientation changes due to the inflow of polarized spin electrons. 3 is provided.

 これら各層は、1分子のカーボンナノチューブ10の内部に層をなして形成されている。すなわち、カーボンナノチューブ10は、その軸方向における中央部をスピン伝導層3とし、その両端部に固定層1,自由層2を内包してメモリの1構成単位となっている。また、固定層1,自由層2には、それぞれ電極層4A,4Bが付設されている。個々の磁気メモリ素子MM1は、電極層4A,4Bを介して配線層5A,5Bに接続されている。 Each of these layers is formed as a layer inside one molecule of the carbon nanotube 10. In other words, the carbon nanotube 10 has a spin conduction layer 3 at the center in the axial direction, and includes the fixed layer 1 and the free layer 2 at both ends to form one unit of the memory. The fixed layer 1 and the free layer 2 are provided with electrode layers 4A and 4B, respectively. Each magnetic memory element MM1 is connected to the wiring layers 5A and 5B via the electrode layers 4A and 4B.

 スピン伝導層3は、中空のカーボンナノチューブ10の一部からなる。スピン伝導層3は、固定層1と自由層2の間の磁気的相互作用を遮断するために非磁性体で構成される。また、固定層1,自由層2の間で偏極スピン電子を伝導させるために、そのスピンコヒーレンス長が少なくとも自身の層厚よりも長くなければならない。カーボンナノチューブは、そのバリスティック伝導を示唆する数々の報告があり、近年では、そのスピンコヒーレンス長が200nm以上であることも実験的に確認されている(K. Tsukagoshi, B.W.Alphenaar and H. Ago "Spin coherent transport in a ferromagnetically contacted carbon nanotube" Nature 401, 572-574 (1999) )。これに対し、ここでのスピン伝導層3の厚み(カーボンナノチューブの長さ)は、実用的な範囲として、概ね0.5nm〜5μmである。よって、このスピン伝導層3は、上記2つの条件を同時に満足するようになっている。 The spin conduction layer 3 is composed of a part of the hollow carbon nanotube 10. The spin conduction layer 3 is made of a non-magnetic material to block magnetic interaction between the fixed layer 1 and the free layer 2. Further, in order to conduct polarized spin electrons between the fixed layer 1 and the free layer 2, the spin coherence length must be at least longer than its own layer thickness. There have been numerous reports suggesting the ballistic conduction of carbon nanotubes, and in recent years, it has been experimentally confirmed that the spin coherence length is 200 nm or more (K. Tsukagoshi, BW Alphenaar and H. Ago " Spin coherent transport in a ferromagnetically contacted carbon nanotube "Nature 401, 572-574 (1999)). On the other hand, the thickness of the spin conductive layer 3 (the length of the carbon nanotube) is approximately 0.5 nm to 5 μm as a practical range. Therefore, the spin conduction layer 3 satisfies the above two conditions at the same time.

 このように、本実施の形態においては、カーボンナノチューブ10は、一部が(1)スピン伝導層3として利用されると同時に、(2)素子全体の外郭を構成するものとなっている。 As described above, in the present embodiment, a part of the carbon nanotubes 10 is used as (1) the spin conduction layer 3 and (2) constitutes the outer shell of the entire device.

 カーボンナノチューブ10を素子の外郭とすることの最も大きな効果は、そのπ電子雲による磁気遮蔽効果によって内部に近接磁界の影響が及ぶのを防ぐことができることである。本実施の形態の磁気メモリ素子MM1は電流駆動型であるという特徴を有しているが、その大きさ(セルサイズ)がナノオーダーとなると、読み出し電流により発生する漏れ磁場が隣接セルの磁化を乱す可能性がある。しかしながら、カーボンナノチューブ10が素子内部の磁性層を覆い、外部からの磁気的擾乱を遮断するために、固定層1,自由層2の磁化配向は常に安定して保たれる。これにより、磁気メモリ素子MM1は、微小サイズであって、かつ、実際に集積し、駆動することが可能な素子となっている。 The greatest effect of using the carbon nanotubes 10 as the outer shell of the element is that the magnetic shielding effect by the π electron cloud can prevent the influence of the near magnetic field from being applied to the inside. The magnetic memory element MM1 of the present embodiment is characterized in that it is of a current-driven type. However, when the size (cell size) is on the order of nanometers, the leakage magnetic field generated by the read current causes the magnetization of the adjacent cell to change. May disturb. However, since the carbon nanotubes 10 cover the magnetic layer inside the element and block magnetic disturbance from the outside, the magnetization orientation of the fixed layer 1 and the free layer 2 is always kept stable. Thus, the magnetic memory element MM1 is a small-sized element that can be actually integrated and driven.

 さらに、カーボンナノチューブ10の内径は極めて小さく、1〜10nm程度である。すなわち、このような微細な素子を、従来の半導体加工技術によらずに形成できる。同時に、このサイズが通常の磁性体の磁区の大きさよりもかなり小さいことから、カーボンナノチューブ10の内部で磁性体は単磁区構造となっていると考えられる。よって、磁化に対して磁区の移動を伴わないことから、磁性体の保持力が大きくなることが期待される。 Furthermore, the inner diameter of the carbon nanotube 10 is extremely small, about 1 to 10 nm. That is, such a fine element can be formed without using a conventional semiconductor processing technique. At the same time, since this size is considerably smaller than the size of the magnetic domain of a normal magnetic material, it is considered that the magnetic material has a single magnetic domain structure inside the carbon nanotube 10. Therefore, since the magnetic domain does not move with respect to the magnetization, it is expected that the coercive force of the magnetic body is increased.

 固定層1および自由層2に用いられる強磁性材料には、例えば、Fe,Coの単体、およびそれらの2元合金,NiFe合金,MnFeCo,FeCoNi等がある。このうち、電子の高い偏極率を得るのに有効な強磁性体は、Fe含有率の高いFeCo合金である。3d強磁性体の遍歴d電子は、等方的な自由電子状の波数ベクトルをもつので、結晶配向をさほど考慮せずに済む。固定層1はNi,Co等を含む硬磁性体から、自由層2は純鉄、パーマロイ(Ni79Fe21)等の軟磁性体から選ぶとよい。また、最近になって高い保持力をもつことが知られるようになったコバルト・ニッケルを含む酸化鉄主成分のスピネル型フェリ磁性微粒子( 結晶粒径φ〜30nm, 保磁力HcJ 〜6kOe) や、FeO2微粒子 (焼成温度1023K 、結晶粒径φ〜5nm 、HcJ 〜1kOe) などの金属ナノ微粒子材料も用いることができる。 The ferromagnetic materials used for the fixed layer 1 and the free layer 2 include, for example, simple substances of Fe and Co, and their binary alloys, NiFe alloys, MnFeCo, FeCoNi, and the like. Among them, a ferromagnetic material effective for obtaining a high electron polarization rate is an FeCo alloy having a high Fe content. The itinerant d-electron of the 3d ferromagnet has an isotropic free electron-like wave vector, so that it is not necessary to consider the crystal orientation much. The fixed layer 1 may be selected from a hard magnetic material containing Ni, Co, etc., and the free layer 2 may be selected from a soft magnetic material, such as pure iron or permalloy (Ni 79 Fe 21 ). In addition, iron oxide-based spinel-type ferrimagnetic fine particles (crystal grain diameter φ ~ 30 nm, coercive force HcJ ~ 6 kOe), which recently became known to have a high coercive force, Metal nano-particle materials such as FeO 2 fine particles (calcination temperature 1023K, crystal particle diameter φ-5 nm, HcJ-1 kOe) can also be used.

 固定層1には、その磁化配向を一定に保つために、ギルバート減衰係数が自由層2よりも極めて大きな材料を用いたり、組成や層厚(自由層2より厚くする)を調整して自由層2より大きな一軸磁気異方性を付与したりするとよい。あるいは、固定層1に反強磁性層を接触させ、磁化をピン止めするようにしてもよい。なお、反強磁性層が金属である場合には、電極層4Aとしての機能も併せ持つことになる。そのような反強磁性金属材料として、FeMn,IrMn,NiMnおよびRhMn等が挙げられる。 In order to keep the magnetization orientation constant, the fixed layer 1 may be made of a material whose Gilbert damping coefficient is much larger than that of the free layer 2 or by adjusting the composition or the layer thickness (to be larger than the free layer 2). A uniaxial magnetic anisotropy greater than 2 may be provided. Alternatively, an antiferromagnetic layer may be brought into contact with the fixed layer 1 to pin the magnetization. When the antiferromagnetic layer is a metal, it also has a function as the electrode layer 4A. Such antiferromagnetic metal materials include FeMn, IrMn, NiMn and RhMn.

 一方、自由層2には、熱や磁界の影響で磁化方向(メモリ状態)がゆらぐのを防ぐため、組成、厚みや断面積(カーボンナノチューブ10の径)等を最適化して異方性磁界Hu >100Oeの一軸磁気異方性を付与するとよい。なお、自由層2の磁化方向は、面内の2つの方向で変化するようにしてもよく、面内方向と面に垂直方向とで変化するようにしてもよい。後者の場合、十分な垂直磁気異方性を得るために、自由層2の厚さを5原子層以下、およそ1nmとするのが好ましい。 On the other hand, in order to prevent the magnetization direction (memory state) from fluctuating under the influence of heat or a magnetic field, the composition, thickness, cross-sectional area (diameter of the carbon nanotube 10), and the like are optimized in the free layer 2 to make the anisotropic magnetic field Hu A uniaxial magnetic anisotropy of> 100 Oe may be provided. The magnetization direction of the free layer 2 may change in two directions in the plane, or may change in an in-plane direction and a direction perpendicular to the plane. In the latter case, in order to obtain sufficient perpendicular magnetic anisotropy, it is preferable that the thickness of the free layer 2 be 5 atomic layers or less, that is, about 1 nm.

 なお、電極層4A,4Bは、導電性を有する常磁性金属であればどのようなものであってもよい。その厚みや形状も特に限定されない。ところで、この磁気メモリ素子MM1は、カーボンナノチューブのさやに内包された格好となっており、通常のメモリ素子に比べて寸法は小さく、断面より厚みの比率が高い。そのため、電極層4A,4Bおよび配線層5A,5Bは、従来の半導体加工技術を用いて形成するようにしてもよいが、例えばカーボンナノチューブなどの分子ワイヤで構成するようにしてもよい。 The electrode layers 4A and 4B may be made of any conductive paramagnetic metal. The thickness and shape are not particularly limited. By the way, the magnetic memory element MM1 has a shape that is encapsulated in a sheath of carbon nanotubes, has a smaller size than a normal memory element, and has a higher thickness ratio than a cross section. Therefore, the electrode layers 4A and 4B and the wiring layers 5A and 5B may be formed by using a conventional semiconductor processing technique, but may be formed by a molecular wire such as a carbon nanotube.

 この磁気メモリ素子MM1は、後述するように書き込みと読み出しが共に電流を流すことにより行われるため、書き込み用と読み出し用の配線が共用でき、配線層5A,5Bの2本で済む。このように配線構造が簡単であることも利点の一つである。 (4) In the magnetic memory element MM1, writing and reading are performed by passing currents as described later, so that writing and reading wiring can be shared, and only two wiring layers 5A and 5B are required. One of the advantages is that the wiring structure is simple.

 また、磁気メモリ素子MM1は、カーボンナノチューブ10を素子の外郭とするため、集積化においても特徴がある。通常、カーボンナノチューブは、容易にバンドルと呼ばれる凝集体を形成する。この磁気メモリ素子MM1は、外郭をカーボンナノチューブ10で構成されているため、凝集により容易に集積化される。例えば、図2に示したように、マトリクス状に配列させると、この規則的な配置が分散力(カーボンナノチューブ10を凝集させる力)によって保たれ、集積化された磁気メモリ素子MM1によって磁気メモリ装置のメモリ本体が構成される。これにより、1つのカーボンナノチューブを単位メモリセルとした、高密度で信頼性の高いメモリ装置を作製することができる。 磁 気 Further, the magnetic memory element MM1 has a feature in integration since the carbon nanotubes 10 are arranged outside the element. Usually, carbon nanotubes easily form aggregates called bundles. Since the outer periphery of the magnetic memory element MM1 is formed of the carbon nanotubes 10, the magnetic memory element MM1 is easily integrated by aggregation. For example, as shown in FIG. 2, when arranged in a matrix, this regular arrangement is maintained by the dispersing force (the force for aggregating the carbon nanotubes 10), and the magnetic memory device MM1 is integrated with the magnetic memory device MM1. Is configured. Thus, a high-density and highly reliable memory device in which one carbon nanotube is used as a unit memory cell can be manufactured.

 このような磁気メモリ素子MM1とその磁気メモリ装置は、例えば、配向カーボンナノチューブ生成法(Jeong et al :Chem.Mater.,Vol14,No.4,pp1859-1862 (2002))を用いて、配向したカーボンナノチューブを生成し、チューブの中空部に磁性金属を詰め、端部にて電気接合させることで製造することができる。この方法の具体的説明は、実施例として後述する。 Such a magnetic memory element MM1 and its magnetic memory device are oriented using, for example, an oriented carbon nanotube generation method (Jeong et al: Chem. Mater., Vol 14, No. 4, pp1859-1862 (2002)). Carbon nanotubes can be produced by producing a carbon nanotube, filling a hollow portion of the tube with a magnetic metal, and electrically joining at the end. A specific description of this method will be described later as an example.

 次に、その動作方法を説明する。この磁気メモリ素子MM1においては、固定層1に対する自由層2の磁化方向が平行磁化整合である状態と、反平行磁化整合である状態を、「0」,「1」などの2値データに対応させることで情報を記録するようになっている。データの書き込みは、層面に垂直方向(CPP:Current Perpendicular to Plane)に流すパルス電流によって自由層2の磁化方向を反転させることで行われる。例えば、固定層1に対する自由層2の磁化を、平行磁化整合から反平行磁化整合へと変化させる場合、固定層1から自由層2に向かって電流密度パルスを流して、スピン偏極した電子を、自由層2から固定層1の向きに注入する。このときの電流の大きさは、自由層2に磁化反転が起きる臨界電流密度値よりも大きくなければならない。このパルス印加中に自由層2の磁化の向きが反転し、自由層2と固定層1が平行磁化整合した状態が、反平行磁化整合状態へと変化する。 Next, the operation method will be described. In the magnetic memory element MM1, the state where the magnetization direction of the free layer 2 with respect to the fixed layer 1 is parallel magnetization matching and the state where antiparallel magnetization matching is performed correspond to binary data such as "0" and "1". By doing so, information is recorded. Data writing is performed by reversing the magnetization direction of the free layer 2 by a pulse current flowing in a direction perpendicular to the layer surface (CPP: Current Perpendicular to Plane). For example, when the magnetization of the free layer 2 with respect to the fixed layer 1 is changed from parallel magnetization matching to antiparallel magnetization matching, a current density pulse is applied from the fixed layer 1 to the free layer 2 so that the spin-polarized electrons are removed. , From the free layer 2 toward the fixed layer 1. The magnitude of the current at this time must be larger than the critical current density value at which the magnetization reversal occurs in the free layer 2. During this pulse application, the direction of magnetization of the free layer 2 is reversed, and the state in which the free layer 2 and the fixed layer 1 are parallel-magnetized changes to the antiparallel magnetization-matched state.

 反対に、反平行磁化整合状態から平行磁化整合へと変化させる場合には、反対向きに電流を流せばよい。すなわち、自由層2から固定層1に向かって電流を流し、スピン偏極した電子を固定層1から自由層2の向きに注入する。 Conversely, when changing from the antiparallel magnetization matching state to the parallel magnetization matching, a current may be passed in the opposite direction. That is, a current flows from the free layer 2 toward the fixed layer 1, and spin-polarized electrons are injected from the fixed layer 1 toward the free layer 2.

 ここでは、スピン伝導層3はカーボンナノチューブからなるために、偏極電子はスピン緩和されることなく層内を伝導する。よって、固定層1,自由層2にはスピン角運動量を保った状態で電子が注入され、効率よく書き込みを行うことができる。 Here, since the spin conduction layer 3 is made of carbon nanotubes, polarized electrons are conducted in the layer without spin relaxation. Therefore, electrons are injected into the fixed layer 1 and the free layer 2 while maintaining the spin angular momentum, and writing can be performed efficiently.

 データの読み出し、つまり上記の2つの磁化状態の識別は、例えば層面に垂直方向の巨大磁気抵抗効果(CPP−GMR:Giant Magneto-Resistive )を用いて行うことができる。また、これ以外に磁気カー効果を用いる方法などがある。 Reading of data, that is, discrimination of the above two magnetization states can be performed by using, for example, a giant magnetoresistive (CPP-GMR) in a direction perpendicular to the layer surface. In addition, there is a method using the magnetic Kerr effect.

 このように本実施の形態のスピン注入型磁気メモリ素子MM1では、1分子のカーボンナノチューブ10の両端それぞれに2つの強磁性層、固定層1,自由層2が充填され、中央の中空部分それ自体がスピン伝導層3となっている。そのため、スピン伝導層3は、カーボンナノチューブの良好なスピンコヒーレンスをもち、偏極電子がスピン緩和されることなく固定層1,自由層2に注入される。よって、効率よく書き込みを行うことができ、低消費電力駆動が可能となる。 As described above, in the spin injection magnetic memory element MM1 of the present embodiment, the two ferromagnetic layers, the fixed layer 1, and the free layer 2 are filled at both ends of one molecule of the carbon nanotube 10, and the central hollow portion itself is used. Is the spin conduction layer 3. Therefore, the spin conduction layer 3 has good spin coherence of the carbon nanotube, and polarized electrons are injected into the fixed layer 1 and the free layer 2 without spin relaxation. Therefore, writing can be performed efficiently and low power consumption driving can be performed.

 また、メモリ素子の本体部が、カーボンナノチューブ10のさやの内部に収められた構成となっているので、従来の微細加工技術によらずにナノサイズの素子が実現される。よって、この磁気メモリ素子MM1を用いて非常に高密度のメモリ装置を得ることができる。この場合、固定層1,自由層2は単磁区構造となると考えられ、安定した磁化配向を保つことができる。また、カーボンナノチューブ10のπ電子雲が固定層1,自由層2を覆い、外部からの磁気的擾乱を遮断することによっても、磁化配向は常に安定して保たれる。さらに、カーボンナノチューブ10は一次元形状をしており、チューブとチューブの間には分散力が働くため、軸方向に配向して凝集する。よって、磁気メモリ素子MM1は、安定的かつ容易に高配向させることができ、高集積化した磁気メモリ装置を得ることができる。 Further, since the main body of the memory element is configured to be housed inside the sheath of the carbon nanotube 10, a nano-sized element can be realized without using the conventional fine processing technology. Therefore, a very high-density memory device can be obtained using the magnetic memory element MM1. In this case, the fixed layer 1 and the free layer 2 are considered to have a single magnetic domain structure, and can maintain a stable magnetization orientation. Also, the magnetization orientation is always kept stable even when the π electron cloud of the carbon nanotube 10 covers the fixed layer 1 and the free layer 2 to block external magnetic disturbance. Further, the carbon nanotubes 10 have a one-dimensional shape, and a dispersing force acts between the tubes, so that the carbon nanotubes 10 are aligned in the axial direction and aggregate. Therefore, the magnetic memory element MM1 can be stably and easily oriented with high orientation, and a highly integrated magnetic memory device can be obtained.

 また、上記スピン伝導層3に加えて、図3に示したように、希薄磁性合金を内包したスピン配列化層11を設けるようにしてもよい。希薄磁性合金は、半導体に磁性体金属をドープさせたもので、半導体の特性を保ちながら磁気秩序を持つ。希薄磁性体と強磁性金属の接合界面においては、磁化が非平衡となり、スピン偏極電子を生じることができる(出典R. FIEDERLING, M. KEIM, G. REUSCHER, W. OSSAU, G. SCHMIDT, A. WAAG & L. W. MOLENKAMP Nature 402, 787 - 790 (1999)"Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode") 。従って、この希薄磁性合金をスピン伝導層を兼ねたスピン配列化層11として利用することにより、より高いスピン偏極度を得ることができる。 In addition, as shown in FIG. 3, a spin array layer 11 containing a dilute magnetic alloy may be provided in addition to the spin conductive layer 3. The diluted magnetic alloy is obtained by doping a semiconductor with a magnetic metal and has a magnetic order while maintaining the characteristics of the semiconductor. At the junction interface between a diluted magnetic material and a ferromagnetic metal, the magnetization becomes non-equilibrium and spin-polarized electrons can be generated (Source: R. FIEDERLING, M. KEIM, G. REUSCHER, W. OSSAU, G. SCHMIDT, A. WAAG & LW MOLENKAMP Nature 402, 787-790 (1999) "Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode"). Therefore, a higher spin polarization can be obtained by using the diluted magnetic alloy as the spin alignment layer 11 also serving as the spin conduction layer.

 希薄磁性体合金としては、例えば、(In,Mn)As,(Ga,Mn)As,(Cd,Mn)Te,(Zn,Mn)Te, (Zn,Cr)Teが挙げられる。 Examples of the diluted magnetic material alloy include (In, Mn) As, (Ga, Mn) As, (Cd, Mn) Te, (Zn, Mn) Te, and (Zn, Cr) Te.

 希薄磁性合金を内包したスピン配列化層52の位置は、2つの強磁性層(固定層1および自由層2)の間であればよいが、より好ましくは基準となる固定層1とスピン伝導層(常磁性層)3との間であり、これにより、スピン注入における伝導スピンの偏極度を高めることができる。 The position of the spin alignment layer 52 containing the diluted magnetic alloy may be between the two ferromagnetic layers (the fixed layer 1 and the free layer 2), and more preferably, the reference fixed layer 1 and the reference spin transfer layer (Paramagnetic layer) 3, whereby the degree of polarization of conduction spin in spin injection can be increased.

 更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Furthermore, specific examples of the present invention will be described in detail.

 (実施例1)
 まず、高純度アルミニウムシート(99.999 %) をアセトンで脱脂し、エタノール溶液で洗浄した。これを過塩素酸とエタノールの混合液中で電解研磨した。続いて、15℃,0.3Mのシュウ酸中で12時間、40Vの電圧で陽極酸化させた。これにより、細孔のある陽極酸化アルミナ基板が得られた。この細孔は、ナノオーダーの規則ポーラス構造として自己組織化され、長距離にわたって規則的配列をとるものである。実際に得られた細孔は、アルミナ基板を貫通し(すなわち細孔は両端が開口した状態)、径が80nm,密度が1.0×1010 pores/cm2であった。
(Example 1)
First, a high-purity aluminum sheet (99.999%) was degreased with acetone and washed with an ethanol solution. This was electropolished in a mixed solution of perchloric acid and ethanol. Subsequently, it was anodized in a 0.3 M oxalic acid at 15 ° C. for 12 hours at a voltage of 40 V. Thus, an anodized alumina substrate having pores was obtained. These pores are self-organized as a nano-order regular porous structure, and have a regular arrangement over a long distance. The pores actually obtained penetrated the alumina substrate (that is, the pores were open at both ends), had a diameter of 80 nm, and a density of 1.0 × 10 10 pores / cm 2 .

 次に、このアルミナ基板をCoSO4 ・7H2 O溶液中に沈殿させ、18Vの交流電圧を1分間加えた。これにより、基板の細孔の底部に、Co触媒を電気化学的に沈殿させた。表面のCo粒子は、基板をH2 10%,Ar90%の混合ガスに500℃で1時間さらすことにより還元しておいた。なお、このCo触媒は、カーボンナノチューブ生成用の触媒であると同時に、磁気メモリ素子の磁性層(固定層)となる。 Then, precipitated alumina substrate CoSO 4 · 7H 2 O solution was added an AC voltage of 18V 1 minute. Thus, the Co catalyst was electrochemically precipitated on the bottom of the pores of the substrate. The Co particles on the surface were reduced by exposing the substrate to a mixed gas of 10% H 2 and 90% Ar at 500 ° C. for 1 hour. The Co catalyst is a catalyst for generating carbon nanotubes and, at the same time, serves as a magnetic layer (fixed layer) of a magnetic memory element.

 次に、C2 2 10%,H220%をArキャリアガスに含有させて供給し、基板の細孔内に、熱分解法によりカーボンナノチューブを成長させた。 Next, an Ar carrier gas containing 10% of C 2 H 2 and 20% of H 2 was supplied, and carbon nanotubes were grown in the pores of the substrate by a thermal decomposition method.

 余分に成長したカーボンナノチューブは、基板ごとアセトン溶液中で40kHzの超音波処理を行うことにより裁断した。これにより、長さが一様に揃った、軸方向に配向したナノチューブが得られた。 カ ー ボ ン Excessively grown carbon nanotubes were cut together with the substrate by ultrasonic treatment at 40 kHz in an acetone solution. Thus, axially oriented nanotubes having uniform lengths were obtained.

 次に、鉄イオン及び還元剤として次亜リン酸塩を含んだ酸浴槽にカーボンナノチューブを基板ごと浸し、無電解メッキ法を用いて、金属色が表れるまで純鉄をカーボンナノチューブ内に詰めていった。これにより、個々のカーボンナノチューブが、スピン注入型磁気メモリ素子の基本構造をもったことになる。すなわち、固定層として硬磁性体であるCo層、スピン伝導層3として中空のナノチューブ、自由層としてFe層が形成されている。 Next, the carbon nanotubes were immersed together with the substrate in an acid bath containing iron ions and hypophosphite as a reducing agent, and pure iron was packed into the carbon nanotubes using an electroless plating method until a metallic color appeared. Was. As a result, each carbon nanotube has the basic structure of the spin injection magnetic memory element. That is, a Co layer, which is a hard magnetic material, is formed as the fixed layer, a hollow nanotube is formed as the spin conductive layer 3, and an Fe layer is formed as the free layer.

 この磁性体内包ナノチューブの両端に、電極および引出し用配線として、より径の細いナノチューブをアトムマニピュレーション法により接合させた。 (4) A thinner nanotube was bonded to both ends of the magnetic substance-encapsulated nanotube as an electrode and a lead-out wiring by an atom manipulation method.

 さらに、このナノチューブをアルミナ基板ごと、SiO2 からなる絶縁性基板の上に載置し、0.1MのNaOHに70℃で3時間浸すことにより、アルミナ基板を分解除去した。このとき、磁性体内包ナノチューブ、および電極や配線となるチューブの束構造が、絶縁性基板の上に残存した。 Further, the nanotubes were placed together with the alumina substrate on an insulating substrate made of SiO 2 and immersed in 0.1 M NaOH at 70 ° C. for 3 hours to decompose and remove the alumina substrate. At this time, the bundle structure of the magnetic substance-containing nanotubes and the tubes serving as electrodes and wirings remained on the insulating substrate.

 次いで、引出し配線に、信号配線をボンディングし、これを2次元格子状配線としてアドレスをとった。最後に、絶縁性基板をCuヒートシンクに固着させ、磁気メモリ装置を完成した。 (4) Next, a signal wiring was bonded to the lead wiring, and this was used as a two-dimensional grid wiring to take an address. Finally, the insulating substrate was fixed to a Cu heat sink to complete the magnetic memory device.

 また、作製した磁気メモリ装置の特性を測定した。結果を以下に示す。
<演算された値>
  偏極効率            :  〜50%
  自由層に対する面内有効異方性磁場:   Hu =+2Ku/Ms 〜100 Oe
スピン数密度          :  〜5.0×1015cm2
  ギルバート減衰係数       :   0.01
  臨界値Jt           :  〜8×103 A/cm2
  電気抵抗            :  16mΩ
  ノイズ電圧(10Hz BW, 77k )  :  0.2nV
<測定値>
  実験によるスイッチング電流密度 : 〜1×104 A/cm2
  スイッチング時間θ(0 ̄π) : 〜0.05μsec
  読み取り中のピーク消費電力   :  〜0.1pW
  読み取り電流密度    : 〜3×103 A/cm2
  読み取り電流パルス : 〜6.4μA,1Hz
  CPP−GMR 4 % ΔR/R : 〜(800μΩ/16mΩ)
  平均読み取り電圧  : 〜5nV
  磁気記録密度          :  〜65Gbit/inch2
Further, characteristics of the manufactured magnetic memory device were measured. The results are shown below.
<Calculated value>
Polarization efficiency: ~ 50%
Effective in-plane anisotropic magnetic field for the free layer: Hu = + 2 Ku / Ms 100100 Oe
Spin number density: ~ 5.0 × 10 15 cm 2
Gilbert damping coefficient: 0.01
Critical value Jt: 88 × 10 3 A / cm 2
Electric resistance: 16mΩ
Noise voltage (10Hz BW, 77k): 0.2nV
<Measured value>
Experimental switching current density: 11 × 10 4 A / cm 2
Switching time θ (0 ̄π): ~ 0.05μsec
Peak power consumption during reading: ~ 0.1 pW
Reading current density: ~ 3 × 10 3 A / cm 2
Read current pulse: ~ 6.4μA, 1Hz
CPP-GMR 4% ΔR / R: ~ (800μΩ / 16mΩ)
Average reading voltage: ~ 5nV
Magnetic recording density: ~ 65Gbit / inch 2

 測定された記録密度は、陽極酸化アルミナ基板の細孔径を制御し、ナノチューブ径すなわち磁気メモリ素子径を最適化することによって向上させることが可能である。電界研磨されたアルミニウム基板に対するAr、Ga等のイオンスパッタリングといった方法によって細孔成長の開始点を制御してやると、細孔径を数10〜数100nmの範囲で制御することが可能である。 記録 The measured recording density can be improved by controlling the pore diameter of the anodized alumina substrate and optimizing the nanotube diameter, that is, the diameter of the magnetic memory element. When the starting point of pore growth is controlled by a method such as ion sputtering of Ar, Ga or the like on the electropolished aluminum substrate, the pore diameter can be controlled in the range of several tens to several hundreds of nm.

 (実施例2)
 強磁性金属を包含したカーボンナノチューブは、アーク放電法等による合成時に用いる黒鉛電極に、強磁性金属を含有させることによって得ることができる。本実施例では、このようにして得られるカーボンナノチューブから磁気メモリ装置を組み立てた。
(Example 2)
A carbon nanotube containing a ferromagnetic metal can be obtained by adding a ferromagnetic metal to a graphite electrode used for synthesis by an arc discharge method or the like. In this example, a magnetic memory device was assembled from the carbon nanotubes obtained in this manner.

 まず、グラファイト粉末に、Ni,Y,パーマロイ(NiFe合金)粉末を各重量比で4 %,1 %,4 %加えた混合物を作製し、さらにカーボンピッチを加えて、真空中900℃で6時間焼成した。これをカソード電極として、He雰囲気中,200Torrの圧力下において、接触アーク法によるアーク放電を行った。 First, a mixture was prepared by adding Ni, Y, and Permalloy (NiFe alloy) powder to graphite powder at a weight ratio of 4%, 1%, and 4%, and carbon pitch was further added thereto. Fired. Using this as a cathode electrode, arc discharge was performed by a contact arc method in a He atmosphere under a pressure of 200 Torr.

 得られた炭素すすを磁場中で分散させることにより、磁性体内包ナノチューブを選択的に取り出した。Niはカーボンナノチューブ生成の触媒として働くため、ほぼすべてのチューブの一端に内包されている。そこで、他端にパーマロイの詰まったチューブを選択的に取り出す必要がある。次に、得られた磁性ナノチューブのうち、一端に強磁性Niが、他端にパーマロイが内包されたチューブのみを走査型電子顕微鏡で視認しながら集めた。 炭素 By dispersing the obtained carbon soot in a magnetic field, magnetically encapsulated nanotubes were selectively taken out. Since Ni functions as a catalyst for forming carbon nanotubes, it is included in one end of almost all tubes. Therefore, it is necessary to selectively take out a tube filled with permalloy at the other end. Next, of the obtained magnetic nanotubes, only a tube containing ferromagnetic Ni at one end and permalloy at the other end was collected while visually recognizing with a scanning electron microscope.

 こうして集められたカーボンナノチューブの1つ1つは、スピン注入型磁気メモリ素子としての基本構造を有している。すなわち、固定層として硬磁性体であるNi層が、スピン伝導層として中空のナノチューブ、自由層としてパーマロイ層が形成されている。これらのカーボンナノチューブは、ファン・デル・ワールス力で約0.3nmの間隔をおいて互いに凝集する。 カ ー ボ ン Each of the collected carbon nanotubes has a basic structure as a spin injection magnetic memory element. That is, a Ni layer which is a hard magnetic material is formed as a fixed layer, a hollow nanotube is formed as a spin conduction layer, and a permalloy layer is formed as a free layer. These carbon nanotubes aggregate with each other at a distance of about 0.3 nm by Van der Waals force.

 この磁性体内包ナノチューブの両端に、電極および引出し用配線として、より径の細いナノチューブをアトムマニピュレーション法により接合させた。以下は、実施例1と同様にして磁気メモリ装置を完成した。 (4) A thinner nanotube was bonded to both ends of the magnetic substance-encapsulated nanotube as an electrode and a lead-out wiring by an atom manipulation method. Thereafter, a magnetic memory device was completed in the same manner as in Example 1.

 なお、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、カーボンナノチューブ10のスピン伝導層3の部分は中空のまま用いることにしたが、同じくスピンコヒーレンス長の長い導電性の常磁性材料を内包させてもよい。その候補としては、フラーレンなどの炭素材料、Ag,Auなどの反強磁性で6い3d金属,4d金属が挙げられる。 The present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the portion of the spin conductive layer 3 of the carbon nanotube 10 is used in a hollow state, but a conductive paramagnetic material having a long spin coherence length may be included. Examples of the candidate include a carbon material such as fullerene and an antiferromagnetic 3d metal and 4d metal such as Ag and Au.

 また、上記実施の形態では、主要部がカーボンナノチューブ10の内に形成される磁気メモリ素子について説明したが、カーボンナノチューブ10をそのほかの筒状分子、例えばボロンナイトライド(BN)チューブや、ペプチドナノチューブ等に代えても構わない。その場合、スピン伝導層3に相当する部分に、上記のような炭素材料や金属を充填させ、特性の改善を図るようにしてもよい。 Further, in the above-described embodiment, the magnetic memory element whose main part is formed inside the carbon nanotube 10 has been described. However, the carbon nanotube 10 may be replaced with other tubular molecules, for example, a boron nitride (BN) tube, a peptide nanotube, or the like. Etc. may be substituted. In this case, the portion corresponding to the spin conductive layer 3 may be filled with the above-described carbon material or metal to improve the characteristics.

 さらに、上記実施の形態では、カーボンナノチューブ10が固定層1,自由層2を内包するようにしたが、さらにボンディング性をよくするために電極層4A,4Bの一部を内包させてもよい。本発明の磁気メモリ素子は、少なくとも固定層,自由層の間に設けられるスピン伝導層がカーボンナノチューブに代表される筒状分子で構成されていればよく、その他の素子構成要素を内包させるか否かは任意である。ただし、前述のように、導電性の筒状分子には磁気遮蔽効果が期待できるので、必要に応じて内包する構造をとることが好ましい。 Further, in the above-described embodiment, the carbon nanotubes 10 include the fixed layer 1 and the free layer 2, but a part of the electrode layers 4A and 4B may be included to further improve the bonding property. In the magnetic memory device of the present invention, it is sufficient that at least the spin conductive layer provided between the fixed layer and the free layer is composed of cylindrical molecules represented by carbon nanotubes. Is optional. However, as described above, since a conductive cylindrical molecule can be expected to have a magnetic shielding effect, it is preferable to adopt a structure in which the molecule is included as necessary.

本発明の一実施の形態に係る磁気メモリ素子の構成を表す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic memory element according to an embodiment of the present invention. 図1に示した磁気メモリ素子を集積してなるメモリ装置の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a memory device in which the magnetic memory elements shown in FIG. 1 are integrated. 本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリ素子の構成を表す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic memory element according to another embodiment of the present invention. 従来のスピン注入型磁気メモリ素子の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional spin injection magnetic memory element.

符号の説明Explanation of reference numerals

 MM1…磁気メモリ素子、1…固定層、2…自由層、3…スピン伝導層、4A,4B…電極層、5A,5B…配線層、10…カーボンナノチューブ,11・・・ スピン配列化層。
MM1: magnetic memory element, 1: fixed layer, 2: free layer, 3: spin conductive layer, 4A, 4B: electrode layer, 5A, 5B: wiring layer, 10: carbon nanotube, 11: spin array layer.

Claims (14)

 電子がスピン偏極した状態を保持する保持部と、
 中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、スピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備え、
 スピン偏極した電子の注入によって、前記保持部に電子のスピン偏極した状態として情報が書き込まれる
 ことを特徴とするメモリ素子。
A holding unit that holds a state in which electrons are spin-polarized,
A spin-conducting layer comprising at least a portion of a hollow cylindrical molecule and conducting spin-polarized electrons,
A memory element, wherein information is written into the holding unit as spin-polarized state of electrons by injection of spin-polarized electrons.
 スピン偏極した電子の注入によって、少なくとも一方の磁化方向変化が誘起される第1および第2の強磁性層と、
 前記第1および第2の強磁性層の積層方向を軸方向として配置される中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、前記第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に設けられてその磁気的相互作用を遮断すると共にスピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層と
 を備えたことを特徴とするメモリ素子。
First and second ferromagnetic layers in which at least one change in magnetization direction is induced by injection of spin-polarized electrons;
It is formed of at least a part of hollow cylindrical molecules arranged with the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers as an axial direction, and is provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. And a spin conductive layer for blocking magnetic interaction and conducting spin-polarized electrons.
 前記筒状分子は、軸方向における中央部が前記スピン伝導層として機能すると共に、一方の端部に第1の強磁性層を、他方の端部に第2の強磁性層をそれぞれ内包している
 ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。
In the cylindrical molecule, a central portion in the axial direction functions as the spin conduction layer, and includes a first ferromagnetic layer at one end and a second ferromagnetic layer at the other end. The memory device according to claim 2, wherein:
 前記筒状分子の1分子が、素子の一構成単位となっている
 ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。
The memory device according to claim 2, wherein one of the cylindrical molecules is a constituent unit of the device.
 前記筒状分子からなるスピン伝導層は、その軸方向の長さが動作温度における自身のスピンコヒーレンス長よりも短い
 ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。
The memory device according to claim 2, wherein the spin conductive layer made of the cylindrical molecule has an axial length shorter than its own spin coherence length at an operating temperature.
 前記筒状分子からなるスピン伝導層は、中空部分に他の分子または原子を内包している
 ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。
The memory device according to claim 2, wherein the spin conductive layer formed of the cylindrical molecule includes another molecule or atom in a hollow portion.
 前記第1の強磁性層と第2の強磁性層との間にスピン配列化層を備えた
 ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。
The memory device according to claim 2, further comprising a spin alignment layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.
 前記スピン配列化層は、希薄磁性体を内包している
 ことを特徴とする請求項7記載のメモリ素子。
The memory element according to claim 7, wherein the spin array layer includes a diluted magnetic material.
 前記希薄磁性体は、(In,Mn)As,(Ga,Mn)As,(Cd,Mn)Te,(Zn,Mn)Te,および (Zn,Cr)Teのうちの少なくとも一種からなる
 ことを特徴とする請求項8記載のメモリ素子。
The diluted magnetic material comprises at least one of (In, Mn) As, (Ga, Mn) As, (Cd, Mn) Te, (Zn, Mn) Te, and (Zn, Cr) Te. The memory device according to claim 8, wherein
 前記中空部分に内包される分子または原子の動作温度におけるスピンコヒーレンス長は、前記スピン伝導層における筒状分子の軸方向の長さよりも長い
 ことを特徴とする請求項6記載のメモリ素子。
The memory element according to claim 6, wherein a spin coherence length of the molecule or atom included in the hollow portion at an operating temperature is longer than an axial length of the cylindrical molecule in the spin conductive layer.
 前記筒状分子はカーボンナノチューブである
 ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。
The memory element according to claim 2, wherein the cylindrical molecule is a carbon nanotube.
 メモリ素子が複数配列されてなるメモリ装置であって、
 前記メモリ素子は、電子がスピン偏極した状態を保持する保持部と、中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、スピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備え、スピン偏極した電子の注入により、前記保持部に電子のスピン偏極した状態として情報が書き込まれ、及び/又は前記保持部から前記情報が読み出されるように構成されている
 ことを特徴とするメモリ装置。
A memory device in which a plurality of memory elements are arranged,
The memory element includes a holding unit that holds a state in which electrons are spin-polarized, and a spin conductive layer that is formed of at least a part of a hollow cylindrical molecule and that conducts spin-polarized electrons, and is spin-polarized. A memory device, wherein information is written into the holding unit by spin injection of electrons by injection of electrons, and / or the information is read from the holding unit.
 メモリ素子が複数配列されてなるメモリ装置であって、
 前記メモリ素子は、スピン偏極した電子の注入によって、少なくとも一方の磁化方向変化が誘起される第1および第2の強磁性層と、前記第1および第2の強磁性層の積層方向を軸方向として配置される中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、前記第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に設けられてその磁気的相互作用を遮断すると共にスピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備えている
 ことを特徴とするメモリ装置。
A memory device in which a plurality of memory elements are arranged,
The memory element may include a first and a second ferromagnetic layer in which at least one change in magnetization direction is induced by injection of spin-polarized electrons, and a stacking direction of the first and the second ferromagnetic layers. The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer to interrupt the magnetic interaction and to be spin-polarized. A memory device, comprising: a spin conduction layer that conducts electrons.
 前記メモリ素子は、前記筒状分子の軸方向を揃えて配列することによって集積化されている
 ことを特徴とする請求項13記載のメモリ装置。
14. The memory device according to claim 13, wherein the memory elements are integrated by arranging the cylindrical molecules in the same axial direction.
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