JP2006196708A - Magnetic-information recording element, method for generating magnetic domain wall thereof and magnetic-information recording medium - Google Patents

Magnetic-information recording element, method for generating magnetic domain wall thereof and magnetic-information recording medium Download PDF

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Junya Shibata
絢也 柴田
Yoshichika Ootani
義近 大谷
Hajime Tatara
源 多々良
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable an increase in a capacity and an increase in an integration degree in a high-density magnetic-information recording medium in the next generation. <P>SOLUTION: A magnetic-information recording element 1 is constituted having a constrictor 5 at approximately a central section in the longitudinal direction of a ferromagnetic structure in a nano-scale order. In the recording of a magnetic information, a magnetic domain wall is generated in the constrictor by making a current higher than a specified critical current density j<SB>1</SB>flow through the magnetic-information recording element 1. In the erasing of the magnetic information, the magnetic domain wall is expelled by making the current higher than a magnetic-domain wall moving current density j<SB>2</SB>flow. In the reading of the magnetic information, a reading current density j<SB>3</SB>in the relationship of j<SB>3</SB><j<SB>2</SB><j<SB>1</SB>is made to flow. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電流駆動による磁壁生成機構を利用した磁気情報記録素子、磁気情報記録媒体および磁気情報記録素子の磁壁生成方法に関するものである。   The present invention relates to a magnetic information recording element, a magnetic information recording medium, and a magnetic wall generating method for a magnetic information recording element using a domain wall generation mechanism by current drive.

近時、新たな原理に基づく種々の情報記録素子の開発が進展している。その一つに、格子状配列のメモリセルにトンネル型磁気抵抗素子(Tunnnel Magneto Resistance device:以下「TMR素子」と呼称)を配置したMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)と呼ばれる情報記録素子が注目されている(例えば、非特許文献1参照)。   Recently, various information recording elements based on a new principle have been developed. For example, an information recording element called an MRAM (Magnetic Resistive Random Access Memory) in which a tunnel type magnetoresistive element (hereinafter referred to as “TMR element”) is arranged in a memory cell in a lattice arrangement. (For example, refer nonpatent literature 1).

このMRAMは、情報記録素子にハードディスクと同様な磁性体を用いた不揮発性メモリの一種であり、その構造は、原子数個程度の厚さの絶縁体薄膜を2層の強磁性体薄膜で挟んだ3層構造が採られる。   This MRAM is a kind of non-volatile memory that uses a magnetic material similar to a hard disk as an information recording element, and has a structure in which an insulating thin film having a thickness of several atoms is sandwiched between two ferromagnetic thin films. A three-layer structure is adopted.

MRAMにおける情報の書き込みは、以下のように行われる。MRAMを構成するTMR素子において、一方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きは固定され、他方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きは変えられるようになっている。例えば、両者の電子スピンの向きが平行な場合を“0”に対応させ、一方、両者の電子スピンの向きが反平行な場合を“1”に対応させることで情報の記録を行うようにしている。なお、電子スピンの向きは、外部から引加する磁場によって制御される。   Information writing in the MRAM is performed as follows. In the TMR element constituting the MRAM, the direction of the electron spin in one ferromagnetic thin film is fixed, and the direction of the electron spin in the other ferromagnetic thin film can be changed. For example, the case where both electron spin directions are parallel is made to correspond to “0”, while the case where both electron spin directions are antiparallel is made to correspond to “1” to record information. Yes. The direction of electron spin is controlled by a magnetic field applied from the outside.

また、MRAMにおける情報の読み出しは、電子スピンの向きの違いによってTMR素子の電気抵抗が変化する特性を利用している。TMR素子において、一方および他方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きが平行な場合には電気抵抗値が小さくなり、逆に、両者の電子スピンの向きが反平行な場合には電気抵抗値が大きくなる。したがって、この電気抵抗値の変化を検出することでTMR素子のスピンの状態を知ることができ、TMR素子に蓄えられているビット情報を引き出すことができる。   In addition, the reading of information in the MRAM utilizes the characteristic that the electric resistance of the TMR element changes depending on the direction of the electron spin. In the TMR element, when the directions of the electron spins in one and the other ferromagnetic thin films are parallel, the electric resistance value becomes small. Conversely, when the directions of the electron spins are antiparallel, the electric resistance value is low. Becomes larger. Therefore, by detecting the change in the electric resistance value, the spin state of the TMR element can be known, and the bit information stored in the TMR element can be extracted.

なお、MRAMは、アドレスアクセスタイムが10ns台、サイクルタイムが20ns台とDRAMの5倍程度でSRAM並み高速な読み書きが可能である。また、フラッシュメモリの10分の1程度の低消費電力、高集積性が可能などの長所がある。   The MRAM has an address access time in the 10 ns range and a cycle time in the 20 ns range, which is about five times faster than a DRAM and can be read and written as fast as an SRAM. In addition, the flash memory has an advantage that low power consumption and high integration can be achieved.

さらに、2001年2月のモトローラ社による256kbitの容量を持つMRAMチップの発表を契機として、次世代のメモリ技術としての期待が高まっている。   Furthermore, with the announcement of an MRAM chip having a capacity of 256 kbit by Motorola in February 2001, expectations for the next generation memory technology are increasing.

Roy Scheuerlein et.al.“A 10ns Read and Write Non−Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell”,ISSCC2000 Technical Digest pp.128〜pp.129Roy Scheuerlein et. al. “A 10 ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in search Cell”, ISSCC 2000 Technical Digg. 128-pp. 129

しかしながら、非特許文献1などに示されている従来のMRAMでは、1ビットのデータを2つのMOSトランジスタと2つのTMR素子で記憶する構成であるため大容量化や高集積化が難しいといった問題点があった。   However, the conventional MRAM disclosed in Non-Patent Document 1 and the like has a configuration in which 1-bit data is stored by two MOS transistors and two TMR elements, so that it is difficult to increase the capacity and the integration. was there.

また、従来のMRAMでは、情報の書き込みにおいて、上述のように外部からの引加磁場を用いているので、TMR素子を高密度に配置すると任意の格子点に発生させた書き込み磁場が隣接するTMR素子の磁化状態を乱すような相互干渉を引き起こすという問題点があった。したがって、この書き込み磁場の強さとの関係で、一定の素子間隔を確保する必要があり、この観点においても高集積化が難しいといった問題点があった。   In addition, in the conventional MRAM, an externally applied magnetic field is used as described above in writing information. Therefore, when TMR elements are arranged at a high density, a write magnetic field generated at an arbitrary lattice point is adjacent to the TMR. There has been a problem of causing mutual interference that disturbs the magnetization state of the element. Therefore, there is a problem that it is necessary to ensure a constant element spacing in relation to the strength of the writing magnetic field, and it is difficult to achieve high integration in this respect.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大容量化や高集積化に優れた磁気情報記録素子、磁気情報記録媒体を提供することを目的とする。また、当該磁気情報記録素子の磁壁生成方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a magnetic information recording element and a magnetic information recording medium that are excellent in large capacity and high integration. It is another object of the present invention to provide a domain wall generation method for the magnetic information recording element.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1に記載の磁気情報記録素子は、ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the magnetic information recording element according to claim 1 is characterized by having a constricted portion at a substantially central portion in the longitudinal direction of a ferromagnetic structure of nanoscale order.

また、請求項2に記載の磁気情報記録素子は、前記強磁性構造体が、柱状構造体であることを特徴とする。   The magnetic information recording element according to claim 2 is characterized in that the ferromagnetic structure is a columnar structure.

また、請求項3に記載の磁気情報記録素子は、前記強磁性構造体が、概略ひょうたん型の構造体であることを特徴とする。   The magnetic information recording element according to claim 3 is characterized in that the ferromagnetic structure is a substantially gourd-type structure.

また、請求項4に記載の磁気情報記録素子は、前記括れ部の短手方向の長さが均一な長さを有するとともに、短手方向の長さが素子全体で長−短−長となるような3層構造で形成されていることを特徴とする。   Further, in the magnetic information recording element according to claim 4, the length of the constricted portion in the short direction is uniform, and the length in the short direction is long-short-length for the entire element. It is formed by such a three-layer structure.

また、請求項5に記載の磁気情報記録素子は、ナノスケールオーダーの強磁性構造体が3層構造をなし、該3層構造の両端部の磁性体と中央部の磁性体とが異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする。   The magnetic information recording element according to claim 5, wherein the nanoscale-order ferromagnetic structure has a three-layer structure, and the magnetic material at both ends of the three-layer structure is different from the magnetic material at the center. It is characterized by comprising.

また、請求項6に記載の磁気情報記録素子は、前記両端部の磁性体のそれぞれが、異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする。   The magnetic information recording element according to claim 6 is characterized in that each of the magnetic bodies at both ends is made of a different magnetic material.

また、請求項7に記載の磁気情報記録媒体は、MRAMに適用される磁気情報記録素子として、請求項1〜6のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする。   A magnetic information recording medium according to claim 7 uses the magnetic information recording element according to any one of claims 1 to 6 as a magnetic information recording element applied to an MRAM. .

また、請求項8に記載の磁気情報記録媒体は、パターンドメディアに適用される磁気情報記録素子として、請求項1〜6のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする。   The magnetic information recording medium according to claim 8 uses the magnetic information recording element according to any one of claims 1 to 6 as a magnetic information recording element applied to a patterned medium. And

また、請求項9に記載の磁気情報記録素子の磁壁生成方法は、ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有する磁気情報記録素子の磁壁生成方法であって、前記磁気情報記録素子を一様磁化状態にするステップと、前記磁気情報記録素子に所定の臨界電流密度以上の電流を流すステップと、を含むことを特徴とする。   The domain wall generating method for a magnetic information recording element according to claim 9 is a domain wall generating method for a magnetic information recording element having a constricted portion at a substantially central portion in a longitudinal direction of a ferromagnetic structure of a nanoscale order. A step of bringing the magnetic information recording element into a uniform magnetization state, and a step of passing a current equal to or higher than a predetermined critical current density to the magnetic information recording element.

本発明にかかる磁気情報記録素子によれば、ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有するような構造を有しているので、磁壁の生成が容易になるという効果を奏する。   The magnetic information recording element according to the present invention has a structure having a constricted portion at a substantially central portion in the longitudinal direction of a nanoscale-order ferromagnetic structure, so that the domain wall can be easily generated. Play.

また、本発明にかかる磁気情報記録媒体によれば、上述したような本発明にかかる磁気情報記録素子を不連続かつ高密度に配列することができるので、MRAMや、パターンドメディアなどの磁気情報記録媒体に簡易に適用して記録密度を向上させることができるという効果を奏する。   Further, according to the magnetic information recording medium according to the present invention, since the magnetic information recording elements according to the present invention as described above can be arranged discontinuously and with high density, magnetic information such as MRAM and patterned media can be obtained. There is an effect that the recording density can be improved by simply applying to a recording medium.

本発明にかかる磁気情報記録素子の磁壁生成方法によれば、磁場を用いることなく所定の臨界電流密度以上の電流を流すことで磁壁を生成するようにしているので、この磁気情報記録素子を磁気情報記録媒体に用いた場合に、隣接する記録素子の磁化状態(記録状態)を乱すような相互干渉の発生を防止することができ、記録密度を向上させることができるという効果を奏する。   According to the magnetic wall generating method of the magnetic information recording element according to the present invention, the magnetic wall is generated by flowing a current having a predetermined critical current density or higher without using a magnetic field. When used in an information recording medium, it is possible to prevent the occurrence of mutual interference that disturbs the magnetization state (recording state) of adjacent recording elements, and the recording density can be improved.

以下に、本発明の磁気情報記録素子、磁気情報記録媒体および当該磁気情報記録素子の磁壁生成方法にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of a magnetic information recording element, a magnetic information recording medium, and a domain wall generating method of the magnetic information recording element of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.

(磁気情報記録素子の構造)
まず、磁気情報記録素子の構造について説明する。図1は、本発明にかかる磁気情報記録素子の構造を示す模式図である。同図に示す磁気情報記録素子1は、柱状構造の形態を有するナノスケールオーダーの微小強磁性体である。同図に示すように、微小強磁性体である磁気情報記録素子1では、長手方向の略中央部両端に括れ2が形成されている。その結果、磁気情報記録素子1は、自身の短手方向の長さが長手方向の略中央部で短くなるような括れ部5を有する柱状構造体としての形態を有している。また、同図の長手方向には、例えば外部から印加された磁場によって同図の下方から上方に向かう磁化3が生じている。
(Structure of magnetic information recording element)
First, the structure of the magnetic information recording element will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a magnetic information recording element according to the present invention. A magnetic information recording element 1 shown in FIG. 1 is a nanoscale microferromagnetic material having a columnar structure. As shown in the figure, in the magnetic information recording element 1 which is a microferromagnetic material, constrictions 2 are formed at both ends of a substantially central portion in the longitudinal direction. As a result, the magnetic information recording element 1 has a form as a columnar structure having a constricted portion 5 such that the length in the short direction of the magnetic information recording element 1 is shortened at a substantially central portion in the longitudinal direction. Further, in the longitudinal direction of the figure, for example, magnetization 3 is generated from the bottom to the top of the figure by a magnetic field applied from the outside.

(磁気情報記録素子における磁壁生成機構の概念)
つぎに、図1に示した磁気情報記録素子1における磁壁生成機構について図2を用いて説明する。なお、図2は、図1に示した磁気情報記録素子1における磁壁生成機構の概念を説明するための図である。図2において、一様に磁化された磁気情報記録素子1の任意の部分に高密度の電流を流すと、ある臨界電流密度(j1)以上において一様磁化状態は不安定化される。このとき、例えば、同図に示すように括れ部5の下側半分の磁化が反転して互いに反平行の磁化3a,3bが形成されるとともに、括れ部5の部分に磁壁6が生成される。なお、磁壁6の生成過程は、一種の界面エネルギー(単位面積当たりのエネルギー)的な性質を有している。したがって、局所的に界面エネルギーが大きくなる部分を有していれば、磁壁6の生成が容易になると考えられる。図1に示す括れ部5の部分は、このような界面エネルギーが局所的に大きくなる部分として形成された部位である。なお、括れ部5の部分に生成された磁壁6は、後述するような情報の担い手として作用する。
(Concept of domain wall generation mechanism in magnetic information recording element)
Next, the domain wall generation mechanism in the magnetic information recording element 1 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining the concept of the domain wall generation mechanism in the magnetic information recording element 1 shown in FIG. In FIG. 2, when a high-density current is passed through an arbitrary portion of the uniformly magnetized magnetic information recording element 1, the uniform magnetization state is destabilized at a certain critical current density (j 1 ) or more. At this time, for example, as shown in the figure, the magnetization of the lower half of the constricted part 5 is reversed to form antiparallel magnetizations 3a and 3b, and the domain wall 6 is generated in the constricted part 5 part. . The generation process of the domain wall 6 has a kind of interface energy (energy per unit area) property. Therefore, if it has a part where interface energy becomes large locally, it will be thought that generation of domain wall 6 becomes easy. The portion of the constricted portion 5 shown in FIG. 1 is a portion formed as a portion where such interfacial energy is locally increased. The domain wall 6 generated in the portion of the constricted portion 5 acts as a bearer of information as will be described later.

ところで、上述の磁壁生成機構は、従来技術にない全く新しい概念に基づくものである。というのも、従来、このような磁壁を生成する際には、外部からの磁場を用いていた。一方、本発明では、外部からの磁場を用いずに、一定値以上の電流を流すことで実現している。すなわち、本発明は、磁場作用に依らず電流作用のみを利用して磁壁を生成するようにしている点が、従来技術に存在しない新規な部分である。   By the way, the above-mentioned domain wall generation mechanism is based on a completely new concept that does not exist in the prior art. This is because, conventionally, when generating such a domain wall, an external magnetic field is used. On the other hand, in the present invention, this is realized by flowing a current of a certain value or more without using an external magnetic field. That is, the present invention is a novel part that does not exist in the prior art in that the domain wall is generated using only the current action regardless of the magnetic field action.

(磁壁生成機構の基本原理)
つぎに、磁壁生成機構の基本原理について説明する。一般論として、完全な一様磁化状態の強磁性体に電流を流しても、スピン偏極電流によるトルクは働かない。一方、強磁性体中の磁化が空間的に変化しているとき、そこにスピン偏極電流(電流を担う電子のスピン角運動量が断熱的に磁化の向きに揃っている状態時に流れる電流)が流れることによって、磁化にトルクが生じる。このトルクは、磁化と電子スピン角運動量の相互作用により生じる。つまり、スピン偏極電流は磁化に対して、空間的な方向変化を促す。上述のように、完全な一様磁化状態の強磁性体に電流を流しても、スピン偏極電流によるトルクは働かないが、熱揺らぎ、あるいは、その形状によっては、境界表面に表われる磁荷などの影響で、磁化の方向が局所的に変化している。例えば、ポイントコンタクトなどを用いて、局所的に電流密度を増大してやると、そのポイントコンタクトと強磁性体との接点付近では、電流方向に不均一性が生じる。つまり、一様に磁化した強磁性体であっても、電流を流すことによって、磁化は局所的にスピン偏極電流に基づくトルクを受け、その向きを変え、さらに、充分大きな電流を流すと、スピン偏極電流に基づくトルクが増大して一様磁化状態が不安定化する。一様磁化状態が不安定化すれば、その裏返しの結果として多磁区構造が形成され、その境界部に磁壁が生成されることになる。
(Basic principle of domain wall generation mechanism)
Next, the basic principle of the domain wall generation mechanism will be described. In general, even if a current is passed through a perfectly uniform ferromagnetic material, the torque due to the spin-polarized current does not work. On the other hand, when the magnetization in a ferromagnet is spatially changing, there is a spin-polarized current (current that flows when the spin angular momentum of electrons carrying the current is adiabatically aligned with the direction of magnetization). By flowing, torque is generated in the magnetization. This torque is generated by the interaction between magnetization and electron spin angular momentum. That is, the spin-polarized current promotes a spatial direction change with respect to the magnetization. As described above, even if a current is passed through a perfectly uniform ferromagnetic material, torque due to the spin-polarized current does not work, but depending on the thermal fluctuation or its shape, the magnetic charge that appears on the boundary surface As a result, the direction of magnetization changes locally. For example, when the current density is locally increased using a point contact or the like, non-uniformity occurs in the current direction in the vicinity of the contact between the point contact and the ferromagnetic material. In other words, even with a uniformly magnetized ferromagnet, by passing a current, the magnetization is locally subjected to torque based on the spin-polarized current, changing its direction, and further flowing a sufficiently large current. The torque based on the spin-polarized current increases and the uniform magnetization state becomes unstable. If the uniform magnetization state becomes unstable, a multi-domain structure is formed as a result of turning it over, and a domain wall is generated at the boundary.

上述の内容は、磁壁生成機構を現象的な観点から説明したものであるが、この磁壁生成機構をエネルギー的な観点から説明すると、つぎのようになる。   The above description describes the domain wall generation mechanism from a phenomenological point of view. The domain wall generation mechanism is described from the viewpoint of energy as follows.

一様に磁化した強磁性体中に電流を流すと、一様磁化状態におけるスピン波の分散エネルギーがスピン偏極電流により減少し、ある臨界電流以上において分散エネルギーがゼロとなり、一様磁化状態が不安定化する。一方、磁壁が存在する場合には分散エネルギーが臨界電流以上でもゼロにならず、スピン波に対して安定である。また、一様磁化状態と静的な磁壁が一つある場合とでは、臨界電流以上における両者のエネルギーは後者の方が低くなる。したがって、これらの結果を統合すると、臨界電流以上において、一様磁化状態は不安定となり、多磁区構造が形成され、その境界部に磁壁が生成されることを意味している。なお、生成される磁壁の数は一つとは限らず、強磁性体の形状や静磁エネルギー等の兼ね合いで決定される。   When a current is passed through a uniformly magnetized ferromagnet, the dispersion energy of the spin wave in the uniform magnetization state decreases due to the spin-polarized current, the dispersion energy becomes zero above a certain critical current, and the uniform magnetization state becomes It becomes unstable. On the other hand, when a domain wall is present, the dispersion energy does not become zero even when the critical current is exceeded, and is stable against spin waves. Also, in the case of a uniform magnetization state and one static domain wall, the energy of both of them is lower in the latter case above the critical current. Therefore, when these results are integrated, it means that the uniform magnetization state becomes unstable above the critical current, a multi-domain structure is formed, and a domain wall is generated at the boundary. Note that the number of domain walls to be generated is not limited to one, but is determined based on the shape of the ferromagnetic material, the magnetostatic energy, and the like.

つぎに、上述した磁壁生成機構を磁気情報記録素子として用いた場合の基本動作、すなわち(1)情報の記録、(2)情報の消去、(3)情報の読み取りの各動作について説明する。   Next, basic operations when the above-described domain wall generation mechanism is used as a magnetic information recording element, that is, (1) information recording, (2) information erasing, and (3) information reading operations will be described.

(基本動作−磁気情報の記録)
まず、磁気情報記録素子1における磁気情報の記録について図2を用いて説明する。磁気情報の記録にあっては、「ある臨界電流以上の電流を強磁性体に流すと、一様磁化状態が不安定になり、磁壁が生成される」という本発明の基本的原理を利用する。すなわち、同図の左図に示されるような一様磁化された磁気情報記録素子1において、ある臨界電流密度j1以上の電流を流すと、同図の右図に示されるように、括れ部5に磁壁6が生成される。なお、この臨界電流密度j1は、理論的解析から次式で与えられる。
(Basic operation-recording magnetic information)
First, recording of magnetic information in the magnetic information recording element 1 will be described with reference to FIG. In the recording of magnetic information, the basic principle of the present invention is used that "if a current exceeding a certain critical current flows through a ferromagnetic material, the uniform magnetization state becomes unstable and a domain wall is generated". . That is, in the uniformly magnetized magnetic information recording element 1 as shown in the left diagram of FIG. 2, when a current of a certain critical current density j 1 or more is passed, as shown in the right diagram of FIG. A domain wall 6 is generated at 5. The critical current density j 1 is given by the following equation from theoretical analysis.

1=(2eS2/η)・√(J)・[√(K1+K2)] ・・・(1)
(式中の√(J)は、Jの平方根を表す)
式(1)において、eは素電荷、Sは強磁性磁化のスピンの大きさ、ηはプランク定数、J[J/m]は交換相互作用定数、K1[J/m3]は磁化容易磁区における異方性エネルギー密度、K2[J/m3]は磁化困難軸における異方性エネルギー密度である。
j 1 = ( 2 eS 2 / η) · √ (J) · [√ (K 1 + K 2 )] (1)
(√ (J) in the formula represents the square root of J)
In equation (1), e is elementary charge, S is the magnitude of spin of ferromagnetic magnetization, η is Planck's constant, J [J / m] is exchange interaction constant, and K 1 [J / m 3 ] is easy magnetization Anisotropic energy density in the magnetic domain, K 2 [J / m 3 ] is an anisotropic energy density in the hard axis of magnetization.

括れ部5は、生成された磁壁6を安定的に磁気情報記録素子1内に留めておくための安定化手段であり、いわゆる「ピン止め」と呼ばれるものである。このような磁壁安定化手段(ピン止め)として作用する括れ部5は、その狭隘化された括れ部分において異方性エネルギーが局所的に小さくなる性質を利用している。   The constricted portion 5 is a stabilizing means for stably holding the generated domain wall 6 in the magnetic information recording element 1, and is so-called “pinning”. The constricted portion 5 acting as such a domain wall stabilizing means (pinning) utilizes the property that the anisotropic energy is locally reduced in the narrowed constricted portion.

なお、式(1)中に示されるK1、K2は、用いる物質や形状などに依存するパラメータである。したがって、これらのパラメータを調整することで、臨界電流密度j1の大きさを制御することができる。 Note that K 1 and K 2 shown in Equation (1) are parameters that depend on the substance used, shape, and the like. Therefore, the magnitude of the critical current density j 1 can be controlled by adjusting these parameters.

また、磁気情報記録素子1に磁壁6が一旦生成された後に、この生成された磁壁6を安定化させる必要があるが、この処理は単に印加した臨界電流密度j1を遮断するだけでよい。なぜなら、磁壁6が一旦生成された状態は、エネルギー的に安定化した状態にあり、臨界電流密度j1を遮断することで、このようなエネルギー的に安定した状態が保持されるからである。 Further, after being generated magnetic wall 6 to the magnetic information recording device 1 once, but the domain wall 6 which is the product must be stabilized, it is only necessary to cut off the critical current density j 1 This treatment was simply applied. This is because the domain wall 6 once generated is in an energetically stabilized state, and such an energetically stable state is maintained by cutting off the critical current density j 1 .

(基本動作−磁気情報の消去)
つぎに、磁気情報記録素子1における磁気情報の消去について図2を用いて説明する。磁気情報の消去にあっては、「磁壁状態において、所定の電流密度j2を流すことで、生成された磁壁が電流作用によって追い出される」という原理を利用する。すなわち、同図の右図に示されるような磁壁6が生成された磁気情報記録素子1において、ある電流密度j2(j2<j1)となるような所定の電流を流すと、同図の左図に示される一様磁化の状態に戻る。この動作が、磁気情報の消去に対応する。なお、このときの電流密度を磁壁移動電流密度と定義すると、この磁壁移動電流密度j2は、次式で与えられる。
(Basic operation-Erase magnetic information)
Next, erasing of magnetic information in the magnetic information recording element 1 will be described with reference to FIG. In erasing magnetic information, the principle that “the generated domain wall is driven out by the current action by passing a predetermined current density j 2 in the domain wall state” is used. That is, in the magnetic information recording element 1 in which the domain wall 6 as shown in the right diagram of FIG. 4 is generated, when a predetermined current is applied so as to have a certain current density j 2 (j 2 <j 1 ), It returns to the state of uniform magnetization shown in the left figure. This operation corresponds to erasure of magnetic information. If the current density at this time is defined as the domain wall motion current density, this domain wall motion current density j 2 is given by the following equation.

2=[4e/(a3η)]・(αVλ2/ξ) ・・・(2) j 2 = [4e / (a 3 η)] · (αVλ 2 / ξ) (2)

式(2)において、eは素電荷、aは格子定数、はプランク定数、αはギルバートダンピング定数、Vはピン止めポテンシャルの大きさ、λは磁壁の幅、ξはピン止めポテンシャルが有効な範囲である。   In equation (2), e is an elementary charge, a is a lattice constant, is a Planck constant, α is a Gilbert damping constant, V is a pinning potential magnitude, λ is a domain wall width, and ξ is an effective range of the pinning potential. It is.

なお、式(2)中に示されるa、α、V、ξおよびλは、用いる物質や形状などに依存するパラメータである。したがって、これらのパラメータを調整することで、磁壁移動電流密度j2の大きさをj2<j1となるように制御することができる。 In addition, a, α, V, ξ, and λ shown in the equation (2) are parameters that depend on the substance and shape to be used. Therefore, by adjusting these parameters, the magnitude of the domain wall motion current density j 2 can be controlled to satisfy j 2 <j 1 .

(基本動作−情報の読み取り)
つぎに、磁気情報記録素子1における情報の読み取りについて説明する。一般的な特性として、強磁性体中に電流を流すと、その磁化の空間配位によって電気抵抗が異なる磁気抵抗効果と呼ばれる現象が観測される。本発明にかかる磁気情報記録素子1に記録された磁気情報の読み取りに際し、この磁気抵抗効果を利用することができる。磁気情報記録素子1において、一様磁化状態(磁壁が内包されていない状態)と磁壁状態(磁壁が内包されている状態)とを比較すると、磁壁状態において電気抵抗が低くなる。したがって、磁気情報記録素子1に所定の電流を流し、磁壁の有無によって抵抗が異なることを利用して磁気情報の読み取りに対応させることができる。
(Basic operation-reading information)
Next, reading of information in the magnetic information recording element 1 will be described. As a general characteristic, when a current is passed through a ferromagnetic material, a phenomenon called a magnetoresistance effect is observed in which the electric resistance varies depending on the spatial configuration of the magnetization. This magnetoresistive effect can be used when reading magnetic information recorded on the magnetic information recording element 1 according to the present invention. In the magnetic information recording element 1, when the uniform magnetization state (state in which the domain wall is not included) and the domain wall state (state in which the domain wall is included) are compared, the electric resistance is lowered in the domain wall state. Therefore, it is possible to cope with reading of magnetic information by using a fact that a predetermined current is passed through the magnetic information recording element 1 and the resistance varies depending on the presence or absence of a domain wall.

例えば、一様磁化状態における抵抗値(高抵抗)に“0”を対応させ、磁壁状態における抵抗値(低抵抗)に“1”を対応させることができる。なお、このときの電流密度である読取り電流密度j3は、先のj1,j2との間で、j3<j2<j1の関係にある。このような関係のあるj3を用いれば、一様磁化状態あるいは磁壁状態の状態に影響を与えることなく、すなわち各状態を変化させることなく、磁気情報記録素子1に記録された磁気情報を読みとることができる。 For example, “0” can be associated with the resistance value (high resistance) in the uniform magnetization state, and “1” can be associated with the resistance value (low resistance) in the domain wall state. Note that the read current density j 3 , which is the current density at this time, has a relationship of j 3 <j 2 <j 1 with the previous j 1 and j 2 . If j 3 having such a relationship is used, the magnetic information recorded in the magnetic information recording element 1 is read without affecting the uniform magnetization state or the domain wall state, that is, without changing each state. be able to.

(磁気情報記録素子の構造−変形例1)
図3は、磁気情報記録素子の他の構造(変形例1)を示す図である。上述したように、本発明の要点は、印加電流によって一様磁化状態を不安定化させることにあり、そのためには、電流密度が局所的に増大するような括れ部位を備えていればよい。したがって、同図に示す磁気情報記録素子8のような、長手方向の略中央部付近に括れ部を有するひょうたん型(あるいはアレー型)の構造を有するものであってもよい。
(Structure of Magnetic Information Recording Element—Modification 1)
FIG. 3 is a diagram showing another structure (modification 1) of the magnetic information recording element. As described above, the main point of the present invention is to destabilize the uniform magnetization state by the applied current, and for that purpose, it is only necessary to provide a constricted portion where the current density increases locally. Therefore, it may have a gourd type (or array type) structure having a constricted portion in the vicinity of the substantially central portion in the longitudinal direction, like the magnetic information recording element 8 shown in FIG.

(磁気情報記録素子の構造−変形例2)
図4は、磁気情報記録素子の他の構造(変形例2)を示す図である。同図に示す磁気情報記録素子10では、強磁性体に作成した括れを図1に示した磁気情報記録素子1よりも急峻な構造とし、強磁性体内に微小な接点部を有するようにしている。このような構成を採ることによって、弾道性磁気抵抗効果(Ballistic Magneto−Resistance effect:以下「BMR効果」と呼称)が期待される。このBMR効果は、一般的な磁気抵抗効果である異方性磁気抵抗効果(Anisotropy Magneto−Resistance effect:以下「AMR効果」と呼称)よりも、さらに高い抵抗比が得られるので、磁気情報の読取りに好適である。なお、これらのAMR効果およびBMR効果による効果の差異については後述する。
(Structure of Magnetic Information Recording Element—Modification 2)
FIG. 4 is a diagram showing another structure (modification 2) of the magnetic information recording element. In the magnetic information recording element 10 shown in the figure, the constriction created in the ferromagnetic material has a steeper structure than the magnetic information recording element 1 shown in FIG. 1, and has a small contact portion in the ferromagnetic material. . By adopting such a configuration, a ballistic magnetoresistive effect (hereinafter referred to as “BMR effect”) is expected. This BMR effect can provide a higher resistance ratio than the anisotropic magnetoresistive effect (hereinafter referred to as “AMR effect”), which is a general magnetoresistive effect. It is suitable for. The difference between the effects of the AMR effect and the BMR effect will be described later.

(磁気情報記録素子の構造−変形例3)
図5は、磁気情報記録素子の他の構造(変形例3)のを示す図である。これまで、図1、図3および図4において、長手方向の略中央部付近に括れ部を有する磁気情報記録素子の構造を例示してきたが、これらの括れ部のように、必ずしも括れ部の短手方向の長さが連続的に減少するような構造である必要はない。例えば、図5に示す磁気情報記録素子20のように、括れ部の短手方向が均一な長さを有するとともに、短手方向の長さが磁気情報記録素子20全体で長−短−長となるような3層構造の強磁性体で形成された構造を採ることもできる。なお、磁気情報の読み取り手法につては、他の構造のものと同一手法を用いることができる。
(Structure of Magnetic Information Recording Element—Modification 3)
FIG. 5 is a diagram showing another structure (Modification 3) of the magnetic information recording element. 1, 3, and 4 exemplify the structure of a magnetic information recording element having a constricted portion in the vicinity of the substantially central portion in the longitudinal direction. However, like these constricted portions, the constricted portion is not necessarily short. It is not necessary to have a structure in which the length in the hand direction continuously decreases. For example, as in the magnetic information recording element 20 shown in FIG. 5, the short direction of the constricted portion has a uniform length, and the length in the short direction is long-short-long in the entire magnetic information recording element 20. It is also possible to adopt a structure formed of a ferromagnetic material having a three-layer structure. As the magnetic information reading method, the same method as that of other structures can be used.

(磁気情報記録素子の構造−変形例4,5)
また、図6は、磁気情報記録素子の他の構造(変形例4)を示す図であり、図7は、磁気情報記録素子の他の構造(変形例5)を示す図である。図5と図6との相違は、短手方向の長さが同一となるような構造を採る代わりに、3層構造における両端部の磁性体(F1)と中央部の磁性体(F2)とで異なる材料を用いるようにしている点にある。図6のように、中央部の磁性体が両端部の磁性体と異なる場合には、両者のスピントルクのバランスの崩れが大きくなり、磁化の反転が容易となる。したがって、中央部の磁性体や、両端部の磁性体の材料として好適な材料を選択することにより、中央部の磁性体付近に所定の磁壁を生成することができる。なお、図6では、その両端部に位置する強磁性体として同一な材料を使用するものとして示しているが、同一な材料に限定されるものではなく、図7に示すような異なる材料(上部側:材料F1,下部側:材料F3)を用いることができる。
(Structure of Magnetic Information Recording Element—Modifications 4 and 5)
FIG. 6 is a diagram showing another structure (Modification 4) of the magnetic information recording element, and FIG. 7 is a diagram showing another structure (Modification 5) of the magnetic information recording element. The difference between FIG. 5 and FIG. 6 is that instead of adopting a structure in which the length in the short direction is the same, the magnetic body (F 1 ) at both ends and the magnetic body (F 2 ) at the center in the three-layer structure. ) And different materials are used. As shown in FIG. 6, when the magnetic body at the center is different from the magnetic bodies at both ends, the balance of the spin torque between the two becomes large, and the magnetization reversal becomes easy. Therefore, a predetermined domain wall can be generated in the vicinity of the magnetic body in the central portion by selecting a material suitable for the magnetic body in the central portion and the magnetic body at both ends. In FIG. 6, the same material is used as the ferromagnetic material located at both ends, but the material is not limited to the same material, and different materials (upper part) as shown in FIG. Side: material F 1 , lower side: material F 3 ) can be used.

以上説明したように、この実施の形態によれば、磁気情報記録素子に生成する磁壁を、磁場作用に依らず電流作用のみを利用して生成するようにしているので、磁気情報記録素子の磁化状態を乱すような相互干渉を引き起こすことがないので、磁気情報記録素子を近接して配列することができ、磁気情報記録媒体の大容量化や高集積化を容易に実現することができる。   As described above, according to this embodiment, the domain wall generated in the magnetic information recording element is generated using only the current action regardless of the magnetic field action. Since mutual interference that disturbs the state is not caused, the magnetic information recording elements can be arranged close to each other, and the capacity and integration of the magnetic information recording medium can be easily realized.

また、この実施の形態の磁気情報記録素子によれば、書き込み線(消去線を含む)と読み取り線とを共用化することができるので、磁気情報記録媒体の構成を簡易かつ安価に実現することができる。   In addition, according to the magnetic information recording element of this embodiment, since the write line (including the erase line) and the read line can be shared, the configuration of the magnetic information recording medium can be realized easily and inexpensively. Can do.

なお、この実施の形態では、磁壁生成機構を利用する磁気情報記録素子として、図1および図3〜図7にその構成例を示したが、これらの構成例は、あくまでも一例に過ぎず、本発明の基本的原理である「ある臨界電流以上の電流を強磁性体に流すと、一様磁化状態が不安定になり、磁壁が生成される」という概念を利用するものであれば、本発明の技術的範囲に含まれるものである。   In this embodiment, the configuration example is shown in FIGS. 1 and 3 to 7 as the magnetic information recording element using the domain wall generation mechanism. However, these configuration examples are merely examples, If the basic principle of the present invention is used, the present invention is applicable if the concept of “when a current exceeding a certain critical current is passed through a ferromagnetic material, the uniform magnetization state becomes unstable and a domain wall is generated” is used. It is included in the technical scope of

(実施例の説明)
実施例1の構成等を説明する前に、現在の、高密度磁気記録媒体が抱える問題点や、次世代の高密度磁気記録媒体について説明する。現在、高密度磁気記録媒体として代表的なものがハードディスクである。一般的なハードディスクでは、連続磁気記録媒体として強磁性薄膜が用いられている。ところが、強磁性薄膜による連続磁気記録媒体では、高密度化に伴う結晶粒の微細化のために記録磁化が熱的に不安定となる。このため、近年の情報量の増大に伴うさらなる情報記録の大容量化の要求に対応することができず、磁気情報高密度集積化には限界があるとされている。
(Description of Examples)
Prior to describing the configuration and the like of the first embodiment, the problems of the current high-density magnetic recording medium and the next-generation high-density magnetic recording medium will be described. At present, a typical high-density magnetic recording medium is a hard disk. In a general hard disk, a ferromagnetic thin film is used as a continuous magnetic recording medium. However, in a continuous magnetic recording medium using a ferromagnetic thin film, the recording magnetization becomes thermally unstable due to the refinement of crystal grains accompanying the increase in density. For this reason, it is not possible to meet the demand for further increasing the capacity of information recording with the increase in the amount of information in recent years, and it is said that there is a limit to the high density integration of magnetic information.

この限界を解決するための新しい磁気情報記録媒体の一つとして、パターンドメディアと呼ばれている磁気情報記録媒体が注目されている。パターンドメディアは、微細な強磁性体を記録ビット単位とし、それらが不連続かつ高密度に配列されたものである。したがって、連続媒体でノイズの原因にもなっていたビット間の磁化遷移領域がなくなるとともに、熱揺らぎの問題も回避できるので、記録密度の大幅な向上が見込まれる。   As one of new magnetic information recording media for solving this limitation, a magnetic information recording medium called a patterned media has attracted attention. The patterned media is a recording medium in which fine ferromagnets are used as recording bit units, and they are discontinuously and densely arranged. Therefore, the magnetization transition region between bits that has also caused noise in the continuous medium is eliminated, and the problem of thermal fluctuation can be avoided, so that the recording density can be greatly improved.

このように、パターンドメディアは次世代高密度磁気記録媒体の有力な候補となり得るものである。一方、本発明にかかる磁気情報記録素子は、パターンドメディアの磁気情報記録素子として適用することができる。そこで、本発明にかかる磁気情報記録素子をパターンドメディアに適用した具体例について説明する。   Thus, patterned media can be a strong candidate for next-generation high-density magnetic recording media. On the other hand, the magnetic information recording element according to the present invention can be applied as a magnetic information recording element for patterned media. A specific example in which the magnetic information recording element according to the present invention is applied to a patterned medium will be described.

(実施例1)
図8は、図1に示した磁気情報記録素子1を用いて構成したパターンドメディアの構成を示す図である。図8に示すパターンドメディアでは、非磁性体の基板上に、図1に示した磁気情報記録素子1がマトリックス上に多数配列されている。なお、磁気情報記録素子1を形成する物質として、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびこれらの合金ならびにパーマロイ(Fe20Ni30)などを用いることができる。また、個々のビット情報の担い手である磁気情報記録素子1は、磁場などの外因的要素が無くても一様磁化状態が出現容易なように、長方形や、長楕円形などの構造が好適である。
(Example 1)
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a patterned medium configured using the magnetic information recording element 1 shown in FIG. In the patterned medium shown in FIG. 8, a large number of magnetic information recording elements 1 shown in FIG. 1 are arranged on a matrix on a non-magnetic substrate. As a material forming the magnetic information recording element 1, for example, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), an alloy thereof, permalloy (Fe 20 Ni 30 ), or the like can be used. In addition, the magnetic information recording element 1 which is a bearer of individual bit information preferably has a rectangular or oblong structure so that a uniform magnetization state can easily appear without an external element such as a magnetic field. is there.

図8において、磁気情報記録素子1が占める面積を2×104(nm2)程度とすると、記録密度は、おおよそ30Gbit/in2となり、超高密度の磁気情報記録媒体を実現することができる。 In FIG. 8, when the area occupied by the magnetic information recording element 1 is about 2 × 10 4 (nm 2 ), the recording density is approximately 30 Gbit / in 2 , and an ultra-high density magnetic information recording medium can be realized. .

つぎに、図8に示したパターンドメディアにおける磁気情報の記録、消去および読み出し要領について説明する。なお、図9は、その概略について説明するための図である。同図の下段部に示すように、例えばポイントコンタクト18を用いて、磁気情報記録素子1に所定の電流を流し、一様磁化状態を不安定化させて磁壁を生成する。なお、磁壁を有効に生成するためには、例えば上記で示した臨界電流密度j1以上の電流密度が生ずるような電流を流す必要がある。 Next, magnetic information recording, erasing and reading procedures in the patterned medium shown in FIG. 8 will be described. In addition, FIG. 9 is a figure for demonstrating the outline. As shown in the lower part of the figure, for example, using a point contact 18, a predetermined current is passed through the magnetic information recording element 1 to destabilize the uniform magnetization state and generate a domain wall. In order to effectively generate the domain wall, for example, it is necessary to flow a current that generates a current density equal to or higher than the critical current density j 1 described above.

磁気情報記録素子1の材質が例えばCoの場合、式(1)に基づいて算出される臨界電流密度は、おおよそ、j1≒1013(A/m2)と見積もられる。なお、ポイントコンタクト18は、銅などの非磁性金属で作成され、先端で電流密度が高くなるように針状の構造になっている。また、ポイントコンタクト先端の半径を直接測定することは困難であるが、抵抗測定を行うとともに、Sharvinの公式を用いることにより、ポイントコンタクトの先端半径は、数nm〜数10nmと見積もられる。そこで、ポイントコンタクトに流れる電流値を2.5μA、先端半径を5nmとすれば、ポイントコンタクト付近の電流密度は、おおよそ、1014(A/m2)となり、要求される臨界電流密度を満足させることができる。 When the material of the magnetic information recording element 1 is, for example, Co, the critical current density calculated based on the equation (1) is estimated to be approximately j 1 ≈10 13 (A / m 2 ). The point contact 18 is made of a non-magnetic metal such as copper and has a needle-like structure so that the current density is increased at the tip. Although it is difficult to directly measure the radius of the tip of the point contact, the tip radius of the point contact is estimated to be several nm to several tens of nm by performing resistance measurement and using the Sharvin formula. Therefore, if the current value flowing through the point contact is 2.5 μA and the tip radius is 5 nm, the current density near the point contact is approximately 10 14 (A / m 2 ), which satisfies the required critical current density. be able to.

また、図9の下段部に示すように、生成された磁壁は、式(2)などに示した磁壁移動電流密度j2を満足するような所定の電流を流すことで、生成され保持されていた磁壁が磁気情報記録素子1から押し出され、一様磁化状態に戻る。 Further, as shown in the lower part of FIG. 9, the generated domain wall is generated and held by passing a predetermined current that satisfies the domain wall moving current density j 2 shown in equation (2) or the like. The magnetic domain wall is pushed out of the magnetic information recording element 1 to return to a uniform magnetization state.

ところで、電流駆動による磁壁の移動速度は、電流密度が約1012(A/m2)のときに、約3(m/s)という報告がある。したがって、数百nmの距離(例えば300nm)を磁壁が移動し、一様磁化状態に変化するためには、約数百ns(300nmの距離で10-7s)の時間を要する。一方、臨界電流密度j1によって、一様磁化状態から磁壁状態へと変化させるための時間所要を求めるのは重要である。なぜなら、生成された磁壁が、流し続けている電流によって移動してしまう可能性があるからである。現在のところ、その生成時間を正確に求めるのは困難である。しかしながら、このサイズの強磁性体において、典型的な強さの磁場による磁化反転時間が数nsのオーダーであり、電流駆動による磁壁生成もこの程度の時間と仮定することができる。したがって、臨界電流密度j1を満たす所定の電流を磁気情報記録素子1に数nsの間流すことで、磁壁を生成させつつ、生成された磁壁をピン止めに留めておくことができる。これらの結果をまとめると、1ビットあたりの情報記録時間および消去時間は、少なく見積もって、それぞれ数ns、数百nsと考えることができる。 By the way, it has been reported that the domain wall moving speed by current driving is about 3 (m / s) when the current density is about 10 12 (A / m 2 ). Accordingly, it takes about several hundred ns (10 −7 s at a distance of 300 nm) for the domain wall to move a distance of several hundred nm (for example, 300 nm) and change to a uniform magnetization state. On the other hand, it is important to obtain the time required for changing from the uniform magnetization state to the domain wall state by the critical current density j 1 . This is because the generated domain wall may move due to the current that continues to flow. At present, it is difficult to accurately determine the generation time. However, in a ferromagnetic material of this size, the magnetization reversal time due to a magnetic field having a typical strength is on the order of a few ns, and it can be assumed that the domain wall generation by current driving is also this time. Therefore, by generating a domain wall by passing a predetermined current satisfying the critical current density j 1 through the magnetic information recording element 1 for several ns, the generated domain wall can be pinned. To summarize these results, the information recording time and the erasing time per bit can be estimated to be several ns and several hundred ns, respectively.

一方、磁気情報記録素子1に記録されている磁気情報の読み取りも、磁気情報の記録、消去と同様にポイントコンタクト18を用いることができる。具体的には、ポイントコンタクト18と磁気情報記録素子1を接触させて通電し、磁壁の有無による電気抵抗の差異を利用して、磁気情報の“1”,“0”を判読すればよい。なお、このとき用いられる電気抵抗の差異は、AMR効果のことを意味している。また、AMR効果に基づく電気抵抗比は1%未満であり検出された値が小さいので、オペアンプなどを用いて検出信号を増幅すればよい。また、図4に示したような微小な接点を有する磁気情報記録素子10を用いれば、前述のBMR効果を利用することができ、より高い電気抵抗比が得られるので、オペアンプなどを用いずに高精度な磁気情報の読み取りを行うことができる。   On the other hand, reading of magnetic information recorded on the magnetic information recording element 1 can also use the point contact 18 in the same manner as recording and erasing of magnetic information. Specifically, the point contact 18 and the magnetic information recording element 1 are brought into contact with each other and energized, and “1” and “0” of the magnetic information may be read using the difference in electric resistance depending on the presence or absence of the domain wall. Note that the difference in electric resistance used at this time means the AMR effect. Further, since the electrical resistance ratio based on the AMR effect is less than 1% and the detected value is small, the detection signal may be amplified using an operational amplifier or the like. Further, if the magnetic information recording element 10 having a minute contact as shown in FIG. 4 is used, the above-described BMR effect can be used and a higher electric resistance ratio can be obtained. High-precision magnetic information can be read.

(実施例2)
図12は、図5に示した磁気情報記録素子20を用いて構成したMRAM30の構成を示す図である。図12に示すMRAM30では、非磁性体の基板上に、図5に示した磁気情報記録素子20がマトリックス上に多数配列されている。なお、本発明にかかるMRAM30との比較の観点で、従来技術にかかるMRAM100の構成を図10に示すとともに、図11には、図10のMRAMに用いられるTMR素子102の構造を示している。
(Example 2)
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of the MRAM 30 configured using the magnetic information recording element 20 shown in FIG. In the MRAM 30 shown in FIG. 12, a large number of magnetic information recording elements 20 shown in FIG. 5 are arranged on a matrix on a non-magnetic substrate. From the viewpoint of comparison with the MRAM 30 according to the present invention, the configuration of the MRAM 100 according to the prior art is shown in FIG. 10, and FIG. 11 shows the structure of the TMR element 102 used in the MRAM in FIG.

MRAMとは、一般的に図10に示すような、縦横に走る書き込み線あるいは読み取り線(101)の格子点に双方の線に挟まれたナノスケールオーダーの微小磁気抵抗素子であるTMR素子102を格子配列したものである。現在、実用化を目前にした構成では、図11に示すような、強磁性体/絶縁体/強磁性体の3層構造のTMR素子が使用されている。本発明との決定的な違いは、TMR素子への情報の書込み手法として、電磁気学的な電流によって誘導される磁場を用いている点にある。このため、TMR素子を高密度に配列すると任意の格子点に発生させた書込み磁場が隣接する素子の磁化状態(記録状態)を乱すような相互干渉が生ずる。さらに、磁化状態の変化に伴う抵抗の変化が十分高くない場合には、格子点を含む回路の持つ全抵抗に比べ変化が微小となり情報の読取りが困難となる。   As shown in FIG. 10, the MRAM generally includes a TMR element 102 which is a nano-scale order micro magnetoresistive element sandwiched between lattice lines of a writing line or a reading line (101) that runs vertically and horizontally, and both lines. It is a lattice arrangement. Currently, in a configuration that is about to be put into practical use, a TMR element having a three-layer structure of ferromagnetic material / insulator / ferromagnetic material as shown in FIG. 11 is used. The decisive difference from the present invention is that a magnetic field induced by an electromagnetic current is used as a method of writing information to the TMR element. For this reason, when TMR elements are arranged at high density, mutual interference occurs such that a write magnetic field generated at an arbitrary lattice point disturbs the magnetization state (recording state) of adjacent elements. Furthermore, when the change in resistance due to the change in the magnetization state is not sufficiently high, the change is minute compared to the total resistance of the circuit including the lattice points, making it difficult to read information.

一方、本発明では、上述の格子点の磁気抵抗素子を図1や、図3〜図7に示すような本発明にかかる磁気情報記録素子を用いることができる。図12に示す例では、図5に示した磁気情報記録素子20を配列したMRAM30の構成を示している。本発明の磁気情報記録素子を用いることにより、上述の2つの問題を一挙に解決することが可能となる。なお、磁気情報記録素子1を形成する物質として、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびこれらの合金ならびにパーマロイ(Fe20Ni30)などを用いることができる。 On the other hand, in the present invention, the magnetic information recording element according to the present invention as shown in FIG. 1 or FIGS. The example shown in FIG. 12 shows the configuration of the MRAM 30 in which the magnetic information recording elements 20 shown in FIG. 5 are arranged. By using the magnetic information recording element of the present invention, the above two problems can be solved at once. As a material forming the magnetic information recording element 1, for example, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), an alloy thereof, permalloy (Fe 20 Ni 30 ), or the like can be used.

つぎに、本発明の磁気情報記録素子を用いたMRAMの動作原理について図5および図12を用いて説明する。まず情報を記録する格子点を選び2つの書き込み線32を選択する(図12)。つぎに、臨界電流密度j1の電流を通電すると、磁気情報記録素子20の内部に磁壁が生成される(図5の左図→右図)。このとき、生成された磁壁は安定位置となるくびれ部分に捕捉される(図5の右図)。さらに、磁壁移動電流密度j2の電流を印加すると磁壁は、素子内部から掃き出される(図5の右図→左図)。また、情報の読み取りにおいては、読取り電流密度j3の電流を用いて磁壁を内包する低抵抗状態と磁壁を内包しない高抵抗状態との間の電気抵抗の違いを利用してビット情報の判別を行う(図5)。 Next, the operation principle of the MRAM using the magnetic information recording element of the present invention will be described with reference to FIGS. First, a lattice point for recording information is selected and two write lines 32 are selected (FIG. 12). Next, when a current having a critical current density j 1 is applied, a domain wall is generated inside the magnetic information recording element 20 (left diagram → right diagram in FIG. 5). At this time, the generated domain wall is captured by a constricted portion that is a stable position (the right diagram in FIG. 5). Further, when a current having a domain wall moving current density j 2 is applied, the domain wall is swept out from the inside of the element (the right diagram → the left diagram in FIG. 5). In the reading of the information, the determination of the bit information by utilizing a difference in electrical resistance between the high resistance state of not containing the low-resistance state and the magnetic domain wall enclosing the domain walls by using a current read current density j 3 Perform (FIG. 5).

なお、MRAMの場合においても、パターンドメディアと同様にBMR効果を利用することにより高精度な磁気情報の読み取りが可能となる。例えば、BMR効果を利用することにより、10000%に達する電気抵抗変化が期待され、現行手法のTMR素子に比べ100倍以上の改善効果を得ることができる。   Even in the case of MRAM, magnetic information can be read with high accuracy by using the BMR effect as in the case of patterned media. For example, by using the BMR effect, an electric resistance change reaching 10,000% is expected, and an improvement effect of 100 times or more can be obtained as compared with the TMR element of the current method.

以上のように、本発明にかかる磁気情報記録素子は、超高密度の磁気情報記録媒体に適用可能な磁気情報記録素子として有用であり、特に、パターンドメディアやMRAMなどの磁気情報記録媒体の問題点を改善し、記録容量を向上させることができる磁気情報記録素子として好適である。   As described above, the magnetic information recording element according to the present invention is useful as a magnetic information recording element applicable to an ultra-high density magnetic information recording medium, and in particular, a magnetic information recording medium such as a patterned medium or an MRAM. It is suitable as a magnetic information recording element capable of improving the problem and improving the recording capacity.

本発明にかかる磁気情報記録素子の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the magnetic information recording element concerning this invention. 図1に示した本発明の磁気情報記録素子における磁壁生成機構の概念を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the concept of the domain wall production | generation mechanism in the magnetic information recording element of this invention shown in FIG. 本発明にかかる磁気情報記録素子の構造(変形例1)を示す図である。It is a figure which shows the structure (modification 1) of the magnetic information recording element concerning this invention. 本発明にかかる磁気情報記録素子の構造(変形例2)を示す図である。It is a figure which shows the structure (modification 2) of the magnetic information recording element concerning this invention. 本発明にかかる磁気情報記録素子の構造(変形例3)を示す図である。It is a figure which shows the structure (modification 3) of the magnetic information recording element concerning this invention. 本発明にかかる磁気情報記録素子の構造(変形例4)を示す図である。It is a figure which shows the structure (modification 4) of the magnetic information recording element concerning this invention. 本発明にかかる磁気情報記録素子の構造(変形例5)を示す図である。It is a figure which shows the structure (modification 5) of the magnetic information recording element concerning this invention. 図1に示した本発明の磁気情報記録素子を用いて構成したパターンドメディアの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the patterned media comprised using the magnetic information recording element of this invention shown in FIG. 図8に示した本発明のパターンドメディアにおける磁気情報の記録、消去および読み出し要領を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the recording, erasure | elimination, and read-out point of the magnetic information in the patterned medium of this invention shown in FIG. 従来技術にかかるMRAMの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of MRAM concerning a prior art. 図10に示した従来技術の磁気情報記録素子を用いて構成したMRAMの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of MRAM comprised using the magnetic information recording element of the prior art shown in FIG. 図5に示した本発明の磁気情報記録素子を用いて構成したMRAMの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of MRAM comprised using the magnetic information recording element of this invention shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,8,10,20 磁気情報記録素子
3,3a,3b 磁化
6 磁壁
18 ポイントコンタクト
30 MRAM
32 書込み線
1, 8, 10, 20 Magnetic information recording element 3, 3a, 3b Magnetization 6 Domain wall 18 Point contact 30 MRAM
32 writing lines

Claims (9)

ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有することを特徴とする磁気情報記録素子。   A magnetic information recording element comprising a constricted portion at a substantially central portion in the longitudinal direction of a nanoscale-order ferromagnetic structure. 前記強磁性構造体が、柱状構造体であることを特徴とする請求項1に記載の磁気情報記録素子。   The magnetic information recording element according to claim 1, wherein the ferromagnetic structure is a columnar structure. 前記強磁性構造体が、概略ひょうたん型の構造体であることを特徴とする請求項1に記載の磁気情報記録素子。   The magnetic information recording element according to claim 1, wherein the ferromagnetic structure is a substantially gourd-type structure. 前記括れ部の短手方向の長さが均一な長さを有するとともに、短手方向の長さが素子全体で長−短−長となるような3層構造で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気情報記録素子。   The constricted portion has a uniform length in the short direction, and is formed in a three-layer structure in which the length in the short direction is long-short-length throughout the device. The magnetic information recording element according to claim 1. ナノスケールオーダーの強磁性構造体が3層構造をなし、該3層構造の両端部の磁性体と中央部の磁性体とが異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする磁気情報記録素子。   A magnetic information recording element comprising a nanoscale-order ferromagnetic structure having a three-layer structure, wherein the magnetic material at both ends of the three-layer structure and the magnetic material at the center are made of different magnetic materials. . 前記両端部の磁性体のそれぞれが、異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の磁気情報記録素子。   6. The magnetic information recording element according to claim 5, wherein each of the magnetic bodies at both ends is made of a different magnetic material. MRAMに適用される磁気情報記録素子として、請求項1〜6のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする磁気情報記録媒体。   7. A magnetic information recording medium using the magnetic information recording element according to claim 1 as a magnetic information recording element applied to an MRAM. パターンドメディアに適用される磁気情報記録素子として、請求項1〜6のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする磁気情報記録媒体。   7. A magnetic information recording medium using the magnetic information recording element according to claim 1 as a magnetic information recording element applied to a patterned medium. ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有する磁気情報記録素子の磁壁生成方法であって、
前記磁気情報記録素子を一様磁化状態にするステップと、
前記磁気情報記録素子に所定の臨界電流密度以上の電流を流すステップと、
を含むことを特徴とする磁気情報記録素子の磁壁生成方法。
A magnetic domain generating method for a magnetic information recording element having a constricted portion at a substantially central portion in the longitudinal direction of a nanoscale-order ferromagnetic structure,
Bringing the magnetic information recording element into a uniform magnetization state;
Passing a current equal to or higher than a predetermined critical current density to the magnetic information recording element;
A domain wall generating method for a magnetic information recording element, comprising:
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