JP2009239135A - Magnetic memory cell and magnetic storage device using same, and magnetic storage method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁性層中におけるスピン軌道相互作用の制御を行うことによって、磁性層中の磁壁を低い電流で移動させると共に、ラチェット駆動させることで低消費電力・高記憶密度を実現する磁気メモリセル、及びそのような磁気メモリセルを用いた磁気記憶装置、磁気記憶方法に関する。 The present invention provides a magnetic memory cell that realizes low power consumption and high memory density by moving the domain wall in the magnetic layer with a low current by controlling the spin-orbit interaction in the magnetic layer and driving the ratchet. And a magnetic storage device using such a magnetic memory cell and a magnetic storage method.
コンピュータや電子機器に利用されるメモリ素子においては、激しい技術開発競争が繰り広げられている。日進月歩のスピードで技術が進展し、様々な新しいメモリデバイスが提案されている。近年、非磁性層を強磁性層の間にはさみ込んだ磁気抵抗膜で巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto Registance)が発見され、この現象を利用した磁気センサー、メモリ素子が注目を集めつつある。以下において磁気抵抗膜を利用したメモリ素子の総称をMRAMとする。 In memory elements used for computers and electronic devices, intense technological development competition is taking place. The technology advances at an ever-increasing speed, and various new memory devices have been proposed. In recent years, a giant magnetoresistive effect has been discovered in a magnetoresistive film in which a nonmagnetic layer is sandwiched between ferromagnetic layers, and magnetic sensors and memory elements using this phenomenon are attracting attention. Hereinafter, the memory device using the magnetoresistive film is generically referred to as MRAM.
MRAMでは、二つの強磁性層とその間に挟んだ薄い非磁性層の三層構造が情報を記録する基本構造単位となる。非磁性層をはさみ込んだ、二つの強磁性層の間で、その磁化方向がそろっている場合と反平行な場合とでは、抵抗値が異なる現象を利用して、“0”、“1”の状態を記録する。一方の磁性層における磁化方向を変化させるために所定の誘導磁場が加えられる。 In the MRAM, a three-layer structure of two ferromagnetic layers and a thin nonmagnetic layer sandwiched between them is a basic structural unit for recording information. By utilizing the phenomenon that the resistance values differ between the two ferromagnetic layers sandwiching the non-magnetic layer when the magnetization directions are aligned and antiparallel, “0”, “1” Record the status of. A predetermined induction magnetic field is applied to change the magnetization direction in one of the magnetic layers.
記録されている情報を読み出す際には、書き込みの際より弱い交流磁場を印加して、一方の強磁性層だけ、その磁化方向の向きを変化させ、その際に抵抗値変化を測定して、“0”、“1”の状態を読み出す。MRAMは、情報が磁気的に記録されるため、放射線耐性に優れ、原理的に不揮発であり高速で書き込み回数の制限がない利点がある。既存の半導体技術を流用することで高密度記録が容易に行えるので、将来的にはDRAMの置き換えが期待される。 When reading the recorded information, apply a weaker alternating magnetic field than at the time of writing, change the direction of the magnetization direction of only one ferromagnetic layer, and measure the resistance value change at that time, Read the status of “0” and “1”. The MRAM has an advantage that it is excellent in radiation resistance because information is magnetically recorded, is non-volatile in principle, and has no limitation on the number of times of writing. By using existing semiconductor technology, high-density recording can be easily performed, so replacement of DRAM is expected in the future.
上記のような誘導磁場によらずに磁化反転を実現する技術も提案されている。例えば、積層方向にキャリアスピンを注入することにより磁化反転を行うキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜も提案されている。上記のキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜では、注入層から反転層へスピン偏極したキャリアが電気的に注入されると、キャリアが磁性体の磁化にもたらすトルクによって、ある反転電流以上で磁化反転膜の磁化回転が起こる。このようなキャリアスピン注入磁化反転型MRAMについては、例えば特許文献1に開示されている。
しかしながら、従来のMRAMなどにおける磁気記憶の基本単位となる磁気メモリセルでは、磁性層中の磁壁を移動させるのに必要な電流値が大きく、従来の磁気メモリセルを用いてデバイスを構成すると消費電力が大きくなる、という問題があった。 However, in a magnetic memory cell which is a basic unit of magnetic storage in a conventional MRAM or the like, a large current value is required to move the domain wall in the magnetic layer. If a device is configured using the conventional magnetic memory cell, power consumption is increased. There was a problem that became larger.
また、従来の磁気メモリセルでは、磁性層中の磁壁の移動を再現性よく制御することが困難であり、従来の磁気メモリセルを用いたデバイスの記憶密度を向上する障害となる、という問題もあった。 In addition, in the conventional magnetic memory cell, it is difficult to control the movement of the domain wall in the magnetic layer with good reproducibility, which is an obstacle to improving the storage density of the device using the conventional magnetic memory cell. there were.
上記のような課題を解決するために、請求項1に係る発明は、基準層として磁化状態が固定されている第1磁性層と、データ記憶層として磁化状態が変化する第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層と、を有する磁気メモリセルにおいて、前記第2磁性層の磁化状態を変化させるときに前記第2磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載の磁気メモリセルにおいて、前記第2磁性層にはスピン軌道相互作用を制御するための電圧を印加するスピン軌道相互作用制御電極が設けられることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the magnetic memory cell according to the first aspect, the second magnetic layer is provided with a spin orbit interaction control electrode for applying a voltage for controlling the spin orbit interaction. It is characterized by that.
また、請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2に記載の磁気メモリセルをアレイ状に接続したことを特徴とする磁気記憶装置である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory device comprising the magnetic memory cells according to the first or second aspect connected in an array.
また、請求項4に係る発明は、磁性層中の磁化状態を変化させることで情報を記憶する磁気記憶方法であって、前記磁性層の磁化状態を変化させるときに前記磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a magnetic storage method for storing information by changing a magnetization state in a magnetic layer, wherein the spin orbit of the magnetic layer is changed when the magnetization state of the magnetic layer is changed. It is characterized by controlling the action.
本発明の磁気メモリセルによれば、第2磁性層にスピン軌道相互作用を与えるので、従来より低い電流で磁壁を移動することができるようになる。 According to the magnetic memory cell of the present invention, since the spin-orbit interaction is given to the second magnetic layer, the domain wall can be moved with a lower current than in the prior art.
本発明の磁気メモリセルによれば、第2磁性層にスピン軌道相互作用によって、第2磁性層における磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、第2磁性層により高密度に情報を記録することができるようになる。 According to the magnetic memory cell of the present invention, the domain wall in the second magnetic layer can be ratchet-driven by spin orbit interaction in the second magnetic layer. It becomes possible to record.
また、本発明の磁気記憶装置によれば、第2磁性層に与えられるスピン軌道相互作用によって、それぞれの磁気メモリセルが記憶動作を行うときに消費する電流が小さくなるので、消費電力を低減することができる。 In addition, according to the magnetic memory device of the present invention, the current consumed by each magnetic memory cell when the memory operation is performed is reduced by the spin orbit interaction applied to the second magnetic layer, thereby reducing the power consumption. be able to.
また、本発明の磁気記憶装置によれば、スピン軌道相互作用によって、それぞれのメモリセルの第2磁性層における磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、より高密度に情報を記録することができるようになる。 In addition, according to the magnetic memory device of the present invention, the magnetic wall in the second magnetic layer of each memory cell can be ratchet driven by the spin orbit interaction, so that information is recorded at a higher density. Will be able to.
また、本発明の磁気記憶方法によれば、磁性層にスピン軌道相互作用を与えることによって、より低い電流で磁壁を移動させると共に、磁壁をラチェット駆動させることができるようになるので、低消費電力・高記憶密度を実現することが可能となる。 In addition, according to the magnetic storage method of the present invention, the magnetic wall can be moved with a lower current and the magnetic wall can be ratchet driven by applying a spin orbit interaction to the magnetic layer, so that low power consumption・ High memory density can be realized.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す図である。なお、以下、本実施形態においては、当該磁気メモリセルからの情報の読み出しについては、例えば巨大磁気抵抗効果などの周知の方法によることができるので、本発明の特徴点である当該磁気メモリセルに対する情報の書き込みについて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the structure of a magnetic memory cell according to an embodiment of the present invention. In the following, in the present embodiment, information can be read from the magnetic memory cell by a known method such as the giant magnetoresistive effect. Information writing will be described.
図1において、1は磁気メモリセル、10は第1磁性層(基準層)、20はトンネル障壁層、30は第2磁性層(データ記憶層)、51、52はスピン注入磁化反転制御電極、61、62はスピン軌道相互作用制御電極、70はスピン注入磁化反転制御電流源J1、80はスピン軌道相互作用制御電圧源V2、SW1、SW2はスイッチをそれぞれ示して
いる。
In FIG. 1, 1 is a magnetic memory cell, 10 is a first magnetic layer (reference layer), 20 is a tunnel barrier layer, 30 is a second magnetic layer (data storage layer), 51 and 52 are spin injection magnetization reversal control electrodes,
図1に示すように、磁気メモリセル1は、2層の強磁体層である第1磁性層(基準層)10及び第2磁性層(データ記憶層)30の間にトンネル障壁層20を挟んだ構造を有している。
第1磁性層(基準層)10にはスピン注入磁化反転制御電極51が、また、第2磁性層(データ記憶層)30にはスピン注入磁化反転制御電極52が図示するように設けられており、スイッチSW1の開閉によって、スピン注入磁化反転制御電流源70による電流J1を、第1磁性層(基準層)10−トンネル障壁層20−第2磁性層(データ記憶層)30に流すことができるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
The first magnetic layer (reference layer) 10 is provided with a spin injection magnetization
また、図示するようにスピン軌道相互作用制御電極61、62が第2磁性層(データ記憶層)30両端を挟むように設けられており、スイッチSW2の開閉によって、スピン軌道相互作用制御電圧源80による電圧V2を第2磁性層(データ記憶層)30に印加することができるようになっている。
Further, as shown in the figure, spin orbit
第1磁性層(基準層)10は磁化状態を変化させることができない磁化固定層を構成しているのに対して、第2磁性層(データ記憶層)30は、電流J1及電圧V2をスイッチSW1、SW2で制御することによって磁化状態を変化させることができる磁化自由層を構成している。 The first magnetic layer (reference layer) 10 constitutes a fixed magnetization layer whose magnetization state cannot be changed, whereas the second magnetic layer (data storage layer) 30 switches the current J1 and the voltage V2. The magnetization free layer which can change a magnetization state by controlling by SW1 and SW2 is comprised.
磁気メモリセル1は、第1磁性層(基準層)10と第2磁性層(データ記憶層)30の間の磁化状態の関係が、平行磁化状態(低抵抗)又は反平行磁化状態(高抵抗)のいずれであるかに起因する電気抵抗の差を記憶情報として読み出す不揮発性のメモリセルである。
In the
本実施形態の磁気メモリセル1は、第2磁性層(データ記憶層)30は、キャリアスピンを注入することにより磁化反転を行うキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果を有するものとする。また、本実施形態の磁気メモリセル1の第2磁性層(データ記憶層)30に対しては電圧V2の印加によって、スピン軌道相互作用を与えるように制御するものである。
In the
スピン軌道相互作用は、電子が運動するときに、その電子の運動と同時にスピンを変化させる相互作用であり、電子の運動方向に対して垂直に電場などを作用させることによってスピン軌道相互作用を与えることができる。本実施形態では、第2磁性層(データ記憶層)30に、先の電圧V2によって、スピン軌道相互作用を与える。 The spin-orbit interaction is an interaction that changes the spin simultaneously with the movement of the electron, and gives the spin-orbit interaction by acting an electric field perpendicular to the direction of the electron movement. be able to. In the present embodiment, spin orbit interaction is applied to the second magnetic layer (data storage layer) 30 by the previous voltage V2.
所定の材料にスピン軌道相互作用を与えることで、特徴的な磁壁の移動が行われることが発明者らの鋭意研究により明らかになった。本発明は、スピン軌道相互作用下における特徴的な磁壁の移動を用いる。なお、スピン軌道相互作用下における特徴的な磁壁の移動の詳細については、小幡一智「Current−induced magnetization in Rashba spin−oribit system」(首都大学東京修士論文)に詳しいので、本明細書ではこの内容を援用することとする。 It has been clarified by the inventors' earnest study that a characteristic domain wall movement is performed by applying a spin orbit interaction to a predetermined material. The present invention uses the characteristic domain wall motion under spin orbit interaction. Details of the characteristic domain wall movement under spin-orbit interaction are detailed in Kazutoshi Ogura “Current-induced Magnetization in Rashba spin-oribit system” (Tokyo Metropolitan University Master's thesis). The contents will be incorporated.
図2はスピン軌道相互作用下における磁壁の移動の類型を示す図である。所定の材料に電圧V2を印加したときの磁壁位置Xを示す図である。図2には、λ=0(スピン軌道相互作用なし)のものと、スピン軌道相互作用下での異なる3つの特徴的な磁壁移動パターンを示すものが示されている。これらの特徴的な磁壁移動パターンを示すものを、Bloch(z)、Neel(x)、Bloch(y)として定義する。なお、図2はλ=0のものが磁壁移動を開始する電流を1として規格化したものである。 FIG. 2 is a diagram showing a type of domain wall movement under the spin-orbit interaction. It is a figure which shows the domain wall position X when the voltage V2 is applied to a predetermined material. FIG. 2 shows one having λ = 0 (no spin orbit interaction) and one showing three different domain wall motion patterns under spin orbit interaction. Those showing these characteristic domain wall motion patterns are defined as Bloch (z), Neel (x), and Bloch (y). Note that FIG. 2 is normalized by assuming that the current at which the domain wall motion starts is 1 for λ = 0.
第2磁性層(データ記憶層)30に用いる材料として、Bloch(z)、Neel(
x)、Bloch(y)は、磁気容易軸の方向によって定義することができる。図3は、磁化容易軸と磁化構造との対応を示す図である。また、本明細書においては、それぞれの磁壁の構造を「Bloch(z) wall」、「Neel(x) wall」、「Bloch(y) wall」と称することとする。
As a material used for the second magnetic layer (data storage layer) 30, Bloch (z), Neel (
x) and Bloch (y) can be defined by the direction of the easy magnetic axis. FIG. 3 is a diagram showing the correspondence between the easy magnetization axis and the magnetization structure. In the present specification, the structure of each domain wall is referred to as “Bloch (z) wall”, “Nel (x) wall”, “Bloch (y) wall”.
図2において、λ=0(スピン軌道相互作用なし)の場合、J1=1を基点として図示するように磁壁位置が立ち上がるのに対して、Bloch(z)、Neel(x)は共に、J1=0.8で磁壁位置がステップ的に立ち上がり、しばらく平坦な特性が続き、J1=1.3で再び増加に転ずる。また、Bloch(y)では、磁壁位置はJ1=0から立ち上がり、J1=0.2あたりでピークを示した後、いったん減少しその後J1=0.4あたりから漸増する。 In FIG. 2, when λ = 0 (no spin-orbit interaction), the domain wall position rises as illustrated with J1 = 1 as the base point, whereas Bloch (z) and Neel (x) both have J1 = At 0.8, the domain wall position rises stepwise, and continues to be flat for a while. When J1 = 1.3, it starts increasing again. In Bloch (y), the domain wall position rises from J1 = 0, shows a peak around J1 = 0.2, then decreases once, and then gradually increases around J1 = 0.4.
このようにスピン軌道相互作用がない場合に比べて、スピン軌道相互作用を与えると、より少ない電流によって、磁壁を移動することが可能となる。これは、Bloch(z)、Neel(x)、Bloch(y)のいずれのものの場合でも当てはまるが、特に図示するようにBloch(y)で顕著である。本発明においては、この現象を磁気メモリセル1の低消費電力化に利用する。
As described above, when the spin orbit interaction is applied, it is possible to move the domain wall with a smaller amount of current than when there is no spin orbit interaction. This is true for any of Bloch (z), Neel (x), and Bloch (y), but is particularly noticeable with Bloch (y) as shown in the figure. In the present invention, this phenomenon is used to reduce the power consumption of the
また、Bloch(z)、Neel(x)のものでは、J1=0.8〜.1.3の電流
範囲では磁壁位置は一定で止まる。本発明では、この現象を磁気メモリセル1の磁壁制御に利用するものである。
In the case of Bloch (z) and Neel (x), the domain wall position remains constant in the current range of J1 = 0.8 to .1.3. In the present invention, this phenomenon is used for the domain wall control of the
図4は本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル1における第2磁性層(データ記憶層)30を抜き出して示す図である。ここでは、低電流で磁壁移動を可能とするBloch(y)の物質を図示するような座標系で配置し、スピン注入磁化反転制御電流J1及びスピン軌道相互作用制御電圧V2によって磁壁を上下に移動させ、第2磁性層(データ記憶層)30中の磁化状態を、第1磁性層(基準層)10と平行磁化状態又は反平行磁化状態のいずれかにする。図4は磁壁の移動中の様子を示している。また、第2磁性層(データ記憶層)30の中に示された矢印は磁化の方向を示している。
FIG. 4 is a diagram showing an extracted second magnetic layer (data storage layer) 30 in the
このような本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル1によれば、第2磁性層(データ記憶層)30にスピン軌道相互作用を与えるので、従来より低い電流で磁壁を移動することができるようになる。
According to the
図5はこのような磁気メモリセル1、1’、1’’をアレイ状にした磁気記憶装置2を示す図である。本実施形態に係る磁気記憶装置2では、磁気メモリセル1に共通するようにして設けられているスピン注入磁化反転制御電極51と、磁気メモリセル1それぞれに独立して設けられているスピン注入磁化反転制御電極52とによって、記憶させるメモリセルに対して、選択的にスピン注入磁化反転制御電流J1を印加し、かつその際にスピン軌道相互作用制御電圧V2を印加することによって磁壁を上下に移動させ、第2磁性層(データ記憶層)30、30’、30’’中の磁化状態を変化させるようにする。
FIG. 5 is a diagram showing a
以上のような本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置2によれば、高密度化した場合においても、それぞれの磁気メモリセルが記憶動作を行うときに消費する電流は小さくなるので、消費電力を低減することができる。
According to the
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図6は本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセルの構造を示す図である。図1に示す実施形態においては、第2磁性層(データ記憶層)30の磁化状態が平行磁化状態又は反平行磁化状態のいずれであったのに対して、図6に示す実施形態の第2磁性層(データ記憶層)40の磁化状態は、2つ以上の
状態をとることができるように構成されている。
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a diagram showing the structure of a magnetic memory cell according to another embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 1, the magnetization state of the second magnetic layer (data storage layer) 30 was either the parallel magnetization state or the anti-parallel magnetization state, while the second embodiment of the embodiment shown in FIG. The magnetization state of the magnetic layer (data storage layer) 40 is configured to be able to take two or more states.
図7は本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセル3における第2磁性層(データ記憶層)30を抜き出して示す図であり、図8は本発明の他の実施の形態に係る磁気メモリセル3における第2磁性層(データ記憶層)30の磁化パターンを示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a second magnetic layer (data storage layer) 30 extracted from a
本実施形態の磁気メモリセル3には、磁壁移動の制御を行いやすいBloch(z)の物質を図示するような座標系で配置し、スピン注入磁化反転制御電流J1及びスピン軌道相互作用制御電圧V2を印加することによって磁壁を間隔dの単位で上下に移動させ、第2磁性層(データ記憶層)30中の磁化状態を、図8に示す(A)乃至(E)の5パターンとり得るようにして、磁気メモリセル3ひとつに対して1ビットより多くの情報を記憶させるものである。なお、図7及び図8に示す例では、磁化状態を5パターンとしたが、本発明はこのパターン数に限定されるものではない。
In the
本実施形態においては、第2磁性層(データ記憶層)40として、例えばBloch(z)の物質を用いることで、図2のFで示される領域を利用することで、磁壁をd間隔でステップ的に移動させる(磁壁をラチェット駆動させる)ようにするものである。なお、本実施形態においては、第2磁性層(データ記憶層)40として、例えばBloch(z)の物質を用いる場合について説明するが、Neel(x)を用いることも可能である。 In the present embodiment, for example, a Bloch (z) material is used as the second magnetic layer (data storage layer) 40, and the domain indicated by F in FIG. (Ie, the domain wall is ratchet driven). In the present embodiment, for example, a Bloch (z) material is used as the second magnetic layer (data storage layer) 40, but Neel (x) can also be used.
Bloch(z)、Neel(x)のタイプの磁壁では、磁壁が一定の距離を動いてとどまる挙動を示すが、これをポテンシャル図に基づいて説明する。図9はスピン軌道相互作用による磁壁のポテンシャルの変化を示す図である。図9(A)はスピン軌道相互作用がない場合の磁壁のポテンシャルを示し、図9(B)はスピン軌道相互作用がある場合の磁壁のポテンシャルを示している。また、図9において、横軸のφは磁壁の立ち上がり角、縦軸のV(φ)は立ち上がり角φに対するポテンシャルを示している。また、いずれの図9のいずれの図も、J1=1.2であるときの磁壁のポテンシャルを示している。 The domain walls of Bloch (z) and Neel (x) exhibit a behavior in which the domain wall stays moving a certain distance. This will be described based on the potential diagram. FIG. 9 is a diagram showing changes in the domain wall potential due to the spin-orbit interaction. FIG. 9A shows the domain wall potential when there is no spin-orbit interaction, and FIG. 9B shows the domain wall potential when there is a spin-orbit interaction. In FIG. 9, φ on the horizontal axis indicates the rising angle of the domain wall, and V (φ) on the vertical axis indicates the potential with respect to the rising angle φ. Also, any figure in any of FIGS. 9A and 9B shows the domain wall potential when J1 = 1.2.
図9(A)はスピン軌道相互作用がない場合の磁壁のポテンシャルで、これに対してスピン軌道相互作用がかけられると、図9(B)に示すように図示a近傍が押し下げられ、図示b近傍が押し上げられるようにカーブが変移し、図示d近傍にポテンシャルV(φ)のくぼみ部分が形成される。このくぼみ部分で、磁壁がトラップされるような形となるために、磁壁をラチェット駆動させることができるようになる。 FIG. 9A shows the domain wall potential when there is no spin orbit interaction. When the spin orbit interaction is applied to this, the vicinity of the figure a is pushed down as shown in FIG. The curve changes so that the vicinity is pushed up, and a recessed portion of the potential V (φ) is formed in the vicinity of d in the figure. Since the domain wall is trapped in the recessed portion, the domain wall can be ratchet-driven.
図9(C)は、図9(B)に示す状態にさらにスピン軌道相互作用制御電圧に負の電圧を印加つつ、スピン注入磁化反転制御電流J1を流したときの磁壁のポテンシャルを示している。このとき、図示d近傍が押し下げられ、図示e近傍が押し上げられるようにカーブが変移し、図示f近傍にポテンシャルV(φ)のくぼみ部分が形成される。すなわち、磁壁は当該くぼみ部分に移動するようなイメージとなる。このようなスピン軌道相互作用制御電圧により、第2磁性層(データ記憶層)40の磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、磁気メモリセル3の第2磁性層(データ記憶層)40ひとつにより多くの情報量を書き込めるようになる。また、他の実施の形態に係る磁気メモリセル3によれば、低い電流で磁壁を移動することができるようになるというメリットもある。
FIG. 9C shows the potential of the domain wall when the spin injection magnetization reversal control current J1 is applied while further applying a negative voltage to the spin orbit interaction control voltage in the state shown in FIG. 9B. . At this time, the vicinity of d shown in the figure is pushed down, the curve changes so that the vicinity of e shown in the figure is pushed up, and a recessed portion of potential V (φ) is formed in the vicinity of f shown in the figure. That is, the domain wall has an image that moves to the indented portion. Since the domain wall of the second magnetic layer (data storage layer) 40 can be ratchet-driven by such a spin orbit interaction control voltage, the second magnetic layer (data storage layer) of the
図10は、J1=1.2としてスピン軌道相互作用制御電圧を印加して磁壁位置を制御したときの様子を示す図であり、図10(A)は300nsのパルス電圧を1回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図であり、図10(B)は300nsのパルス電圧を2回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図であり、図10(C)は300nsのパルス電圧を3回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図であり、図10(D)は300nsのパルス電圧を4回印加したきの磁壁位置の移動の様子を示す図である。図10のい
ずれの図においても、横軸は時間、縦軸は磁壁位置を表している。
FIG. 10 is a diagram showing a state in which the domain wall position is controlled by applying a spin orbit interaction control voltage with J1 = 1.2. FIG. 10A shows a case where a pulse voltage of 300 ns is applied once. FIG. 10B is a diagram illustrating the movement of the domain wall position when a pulse voltage of 300 ns is applied twice, and FIG. 10C is the diagram illustrating the movement of the domain wall position of FIG. FIG. 10D is a diagram showing the movement of the domain wall position when the pulse voltage is applied three times, and FIG. 10D is a diagram showing the movement of the domain wall position when the pulse voltage of 300 ns is applied four times. In any figure of FIG. 10, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the domain wall position.
図10から、第2磁性層(データ記憶層)40においては、パルス電圧を印加する回数に応じて、磁壁位置がラチェット駆動されることがわかる。また、図10からは、パルス電圧を印加し終わった後に、電流J1をとめた場合でも磁壁位置がとどまることもわかる。このように、本実施形態にかかる磁気メモリセル2によれば、スピン軌道相互作用制御電圧により、第2磁性層(データ記憶層)40の磁壁をラチェット駆動させることができるようになる。このために、磁気メモリセル3の第2磁性層(データ記憶層)40に1ビットより多くの情報を書き込むこと可能となり、記録密度の向上を果たすことができる。
From FIG. 10, it can be seen that in the second magnetic layer (data storage layer) 40, the domain wall position is ratchet-driven in accordance with the number of times the pulse voltage is applied. FIG. 10 also shows that the domain wall position remains even when the current J1 is stopped after the application of the pulse voltage. Thus, according to the
図11は上記のような磁気メモリセル3、3’、3’’をアレイ状にした磁気記憶装置4を示す図である。本実施形態に係る磁気記憶装置4では、磁気メモリセル3に共通するようにして設けられているスピン注入磁化反転制御電極51と、磁気メモリセル3それぞれに独立して設けられているスピン注入磁化反転制御電極52とによって、記憶させるメモリセルに対して、選択的にスピン注入磁化反転制御電流J1を印加し、かつその際にスピン軌道相互作用制御電圧V2を印加することによって磁壁を上下に移動させ、第2磁性層(データ記憶層)40、40’40’’中の磁化状態を変化させるようにする。そして、このような磁化状態の変化はステップ的となるために、それぞれの第2磁性層(データ記憶層)中に1ビットより多い情報を記憶させることが可能となる。
FIG. 11 is a diagram showing a
以上のような本発明の他の実施の形態に係る磁気記憶装置4によれば、それぞれのメモリセルの第2磁性層(データ記憶層)における磁壁をラチェット駆動させることができるようになるために、より高密度に情報を記録することができるようになる。
According to the
また、スピン軌道相互作用を制御することで、高密度化した場合においても、それぞれの磁気メモリセルが記憶動作を行うときに消費する電流は小さくなるので、消費電力を低減することができる。 Further, by controlling the spin-orbit interaction, even when the density is increased, the current consumed when each magnetic memory cell performs the storage operation is reduced, so that the power consumption can be reduced.
1、3・・・磁気メモリセル
2、4・・・磁気記憶装置
10・・・第1磁性層(基準層)
20・・・トンネル障壁層
30、40・・・第2磁性層(データ記憶層)
51、52・・・スピン注入磁化反転制御電極
61、62・・・スピン軌道相互作用制御電極
70・・・スピン注入磁化反転制御電流源J1
80・・・スピン軌道相互作用制御電圧源V2
SW1、SW2・・・スイッチ
DESCRIPTION OF
20 ...
51, 52 ... Spin injection magnetization
80 ... Spin orbit interaction control voltage source V2
SW1, SW2 ... switch
Claims (4)
データ記憶層として磁化状態が変化する第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層と、を有する磁気メモリセルにおいて、
前記第2磁性層の磁化状態を変化させるときに前記第2磁性層のスピン軌道相互作用を制御することを特徴とする磁気メモリセル。 A first magnetic layer whose magnetization state is fixed as a reference layer;
A second magnetic layer whose magnetization state changes as a data storage layer;
In a magnetic memory cell having a tunnel barrier layer sandwiched between the first magnetic layer and the second magnetic layer,
A magnetic memory cell that controls spin-orbit interaction of the second magnetic layer when changing the magnetization state of the second magnetic layer.
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