JP2009026354A - 磁化状態制御装置および磁気情報記録装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】強磁性体に対して、外部から弱磁場を印加しつつ、パルス電流を印加することで、強磁性体の磁化状態を制御する。印加磁場の向き・強さとパルス電流の電流強度・パルス幅を制御することで、強磁性体を単一磁化状態と多磁区構造の切り替えが可能である。外部磁場をかけることで、パルス電流通電に対する磁化状態反転の発生確率はヒステリシスを有するようになり、確実に制御可能である。また、印加する磁場の強度は数ガウス程度の弱磁場でよい。また、このような磁気情報記録素子を利用して磁気情報記憶装置(メモリ)に適用することで、高集積化可能な磁気情報記憶装置が得られる。
【選択図】図4
Description
の微細化を行うと磁化反転に要する磁場が大きくなる。また、磁場は遠距離まで到達するという特性がある。したがって、現在のMRAMの大容量化を進めていくにつれ、外部磁場による反転磁化領域の生成は、早晩限界に達すると考えられているからである。
に、MRAMを例に取って説明する。
MRAMを構成するTMR(Tunneling Magneto-Resistance)素子は、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層構造を有する。そして、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外部から印加する磁場によって変えられるようになっている。例えば、両方の電子スピンの向きが平行の場合を「0」に対応させ、一方、電子スピンの向きが互いに反平行の場合を「1」に対応させる。したがって、固定されていない強磁性体薄膜内の電子スピンの向き(磁化状態)を制御することで、情報の記録が行える。
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、両方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きが平行の場合には電気抵抗は小さくなり、逆に両方の電子スピンの向きが反平行の場合には電気抵抗が大きくなる。従って、この電気抵抗値の変化を検出することでTMR素子のスピン状態を知ることができる。
Memory)並みの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、高集積が可能などの長所がある。
しての各素子とその各部分への個別情報記録・消去ではなく、強磁性体中の磁区構造がそのままbitとして利用し得る可能性を持った全く新しい概念に基づくものである。従来の
隣接素子間の距離は、隣り合う磁区構造のサイズとなり究極のスケールダウンが実現され、集積密度の向上とそれに伴う高速演算性能が期待されている。
ある臨界電流量よりも高めている。これによって、電流により自発生成された磁区構造(磁化状態)を利用して情報の記録・消去を行う方法が提案されている。
強磁性体(磁気情報記録素子)の情報記録の原理を説明する。図1に、単一磁化状態(単磁区構造)と、磁化反転を含む状態(多磁区構造)を模式的に示す。図1Aに示す強磁性体101は向き301の単一磁区からなるのに対し、図1Bでは磁壁302で区切られた複数の磁区が形成されている。従来、図1Aに示したような単一磁化状態の強磁性体101に外部より局所的に磁場を印加することによって図1Bに示す反転磁化を作り出している。そして、素子全体の抵抗値の変化から、例えば、図1Aの状態を「0」(消去)、図1Bの状態を「1」(記録)として論理的に定義し、情報を記録している。
図4に本発明の動作原理を示す。単一磁化状態の強磁性体101にその磁化方向301とは逆方向に外部より数Gの磁場303を加える(図4A)。この状態でパルス電流202を通電する(図4B)。図では強磁性体101の単一磁区の磁化の向きにパルス電流を通電しているが、パルス電流を通電する向きはどちら向きであっても構わない。パルス電流202の電流強度、パルス幅が適切であるとき、強磁性体101中に反転磁化の領域が発生する(図4C)。反転磁化領域の生成する位置は、強磁性体101の形状などにより制御可能で、前述(図2)の通りである。
ス電流を印加しても、反転磁化領域は生成しない(図5A,B)。
下でも磁性体の磁化状態の制御が可能である。
本発明による磁化状態制御技術を磁気情報記録装置に適用する場合には、強磁性体を磁気情報記録素子として捉え、この強磁性体に、外部から所定の強度・方向の磁場を印加する磁場印加手段と、所定の電流強度・時間幅のパルス電流を通電できる電流印加手段を有する構成とすればよい。前述したように、磁場は一般的には拡散しながら遠方まで影響を及ぼす物理量であるので、比較的広い範囲に外部磁場を印加しておき、各素子部に対する磁化状態の反転制御は、パルス電流によって行うのが合理的な操作方法である。
図9に本発明を適用した磁気情報記録素子の基本構成を示す。磁化状態を反転させるためのパルス電流202を通電するための1組の通電線205と、抵抗を測定して記録された情報を読み取るための1組の導電線204が、強磁性体101に接続され、1個の磁気情報記録素子105を構成している。外部磁場は、任意の手段でこの磁気情報記録素子に印加される。例えば、磁気情報記録素子付近に配置したコイルに電流を印加して、誘導磁場を発生させることが好適である。このコイルなどの磁場印加手段とパルス電流を通電するための通電線205とが磁気情報記録素子に情報を書き込むための情報書き込み手段に相当し、抵抗値を測定するための導電線204が磁気情報記録素子の情報を読み込むための情報読み込み手段に相当する。
図10に最近発表されたレーストラック型磁気情報記録装置(非特許文献3)の情報書き込み手段として、本発明を適用した場合を説明する。
図12を用いて、従来のMRAM型磁気情報記録素子に本発明を適用した場合の実施例を説明する。従来のMRAMは、TMR素子などの磁気抵抗素子105と、磁化状態を変
化させるために磁場を印加する磁場印加手段(不図示)と、磁気抵抗素子105の抵抗値を測定して記録されている磁気情報を読み込む導電線204とを備える。
磁気情報記録素子を構成する強磁性体の形状・構造は種々の形状・構造を採用可能である。特に、磁区構造が明確になるように、形状等の変化を付けることが好適である。
本実施例は、複数の磁気情報記録素子を集積化した磁気情報記録装置である。図17,18に本実施例による磁気情報記録装置の基本構成を示す。本実施例による磁気情報記録装置では、強磁性体素子105が1つの平面内に格子状に配置され、素子の集積度が高められている。
れた平面内にある場合の一例を示す。この構成の場合には、外部磁場印加のためのコイル106は、該素子面の左右に配されることになる。
本発明による磁気情報記録装置の基本構成は前述の通りであるが、各素子部への磁場の印加方法に関しては、いろいろな方法が実施可能である。とりわけ磁場の方向、強度を局所的かつ短時間で切り替えることは、各素子へのアクセスの自由度を高め、装置の利便性の向上、情報の記録・消去など動作速度の向上という観点から重要である。
実施例6では導電線108が素子ごとに設けられていたが、本実施例では1つの導電線108が複数の素子に対して磁場を印加する。図20に本実施例にかかる磁気情報記録装置の構成を示す。図に示すように、導電線108は素子が複数配置される面と平行に直線状に配置されており、その下に存在する複数の素子に同時に外部磁場を作用させることが可能である。すなわち、複数素子に印加する磁場の制御が同時に行える。さらに、図20には直線状の幅広の導電線を1本描いているが、これは導電線の幅の広さを利用して、複数列の素子にも外部磁場を同時に印加することを模式的に示したものである。その他、素子が配列された平面の左右の1対のコイル106の用い方などは実施例6と同様である。
本実施例では、一部の強磁性体素子に磁場を印加する導電線108が、強磁性体素子の配された平面(素子面)に垂直である。図21に本実施例による磁気情報記録装置の構成を示す。図21では該導電線を幅広とし、前述と同様に複数の素子に同時に磁場を印加できる例も描いている。その他の素子の動作原理、外部磁場印加コイルの利用方法などは前述の実施例6,7(図19,20)の場合と同じである。
本実施例では、強磁性体素子の配列面を複数備える。図22、23に本実施例による磁気情報記録装置の構成を示す。図22は該素子面が縦に積まれる構造をとった場合、図23は該素子面が水平方向に並列構造の場合である。
導電線によって制御する例である。本実施例では外部磁場は1軸方向のみとは限らず、複数の軸方向で可能であることを示している。この場合に外部磁場を印加するための手段も図21の様に複数用意する方が機構的に簡単である。
102 種類の異なる磁性材料
103 括れ部
104 強磁性体素子の長軸方向と外部印加磁場の成す角度
105 強磁性体素子
106 外部磁場印加コイル
107 素子の配列した平面(素子面)
108 外部磁場制御用導電線
109 屈曲部
201 電気抵抗値
202 パルス電流
203 パルス電流の方向
204 素子への抵抗測定など情報処理のための通電線
205 パルス電流通電のための導電線
207 スピン偏極電流のための導電線
208 スピン偏極電流
209 外部磁場制御電流
301 磁化の方向
302 磁壁
303 外部印加磁場
304 誘導磁場(エルステッドフィールド)
305 反転磁化構造の生成領域
401 磁化方向を示す磁性薄膜端部に現れる黒線
Claims (5)
- 磁性体の磁化状態を制御する磁化状態制御装置であって、
前記磁性体に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記磁性体にパルス電流を印加する電流印加手段と、を有し、
前記磁性体に磁場を印加しつつパルス電流を印加することによって、前記磁性体の磁気状態を制御する
ことを特徴とする磁化状態制御装置。 - 前記磁場印加手段が印加する磁場の大きさは、装置内に恒常的に存在する磁場よりも大きく、前記磁性体の磁化状態を磁場だけで変化させるために必要な磁場よりも小さい
ことを特徴とする請求項1に記載の磁化状態制御装置。 - 複数の磁性体の磁化状態を制御する磁化状態制御装置であって、
前記磁場印加手段は、複数の磁性体全体に対して磁場を印加するものであり、
前記電流印加手段は、各磁性体に対して電流を印加するものである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の磁化状態制御装置。 - 前記磁場印加手段は、複数の磁性体全体に対して磁場を印加する第1の磁場印加手段と、それぞれが対応する一部の磁性体に対して磁場を印加する複数の第2の磁場印加手段と、から構成される
ことを特徴とする請求項3記載の磁化状態制御装置。 - 磁気情報記録素子と、
前記磁気情報記録素子に磁場を印加する磁場印加手段と、前記磁気情報記録素子にパルス電流を印加する電流印加手段とから構成され、前記磁気情報記録素子に磁場を印加しつつパルス電流を印加することで磁気情報を書き込む情報書き込み手段と、
前記磁気情報記録素子に記録された情報を読み込む情報読み込み手段と、
を備える磁気情報記録装置。
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