JP2010161272A - Memory element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電性と反強磁性を合わせもつマルチフェロイック固体材料に係り、反復的な電界の反転により分極の強度や方向と同時に磁化の強度もしくは磁化の方向をかえることにより、制御された磁場を発生することが可能なナノメートルサイズの新機能メモリ素子に関するものである。 The present invention relates to a multiferroic solid material having both ferroelectricity and antiferromagnetism, and is controlled by changing the intensity or direction of magnetization simultaneously with the intensity and direction of polarization by reversing the electric field repeatedly. The present invention relates to a new nanometer-sized memory device capable of generating a magnetic field.
Ｂａ2 Ｍｇ2 Ｆｅ12Ｏ22などのＹ型フェライト材料は電場印加のもとで、電流や分極の強度や方向を制御できる。したがって、Ｙ型フェライト材料はマルチフェロイック材料として電極間に記憶された情報を電荷情報として蓄積・消去できる従来タイプの超高密度メモリ素子として応用可能である。 Y-type ferrite materials such as Ba 2 Mg 2 Fe 12 O 22 can control the intensity and direction of current and polarization under the application of an electric field. Therefore, the Y-type ferrite material can be applied as a conventional ultra-high density memory device capable of storing and erasing information stored between the electrodes as charge information as a multiferroic material.
本願発明者らは、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック固体材料で、Ｙ型フェライト化合物において外部磁場により電気分極を発生することを用いたメモリ素子を既に提案している（下記特許文献１，非特許文献１参照）。 The inventors of the present application have already proposed a memory element using a multiferroic solid material having both ferroelectricity and ferromagnetism and generating electric polarization by an external magnetic field in a Y-type ferrite compound (the following patents) Reference 1, Non-Patent Document 1).
ここでは、従来のメモリ機能に加えて、メモリ素子自身が磁界発生装置としての機能を有する従来にないメモリ素子を提供する。すなわち、これはメモリ素子に情報を蓄積・消去できるだけでなく、セルが制御可能な磁化を保有することから、その磁化により発生する磁界を制御することが可能となる。このことを利用すれば、従来タイプのメモリ機能に加えて、その蓄積した情報を電線なしに磁界を用いて、一定の空間を伝達し得る新しいタイプのアクティブ型メモリ素子を提供することができる。 Here, in addition to the conventional memory function, an unconventional memory element in which the memory element itself has a function as a magnetic field generator is provided. In other words, this not only stores and erases information in the memory element, but also allows the cell to have controllable magnetization, so that the magnetic field generated by the magnetization can be controlled. If this is utilized, in addition to the conventional type memory function, a new type active memory device capable of transmitting the accumulated information using a magnetic field without wires can be provided.
本発明は、上記状況に鑑みて、新しいタイプのマルチフェロイック材料ＡＦｅＯ3 （Ａ＝ランタノイド元素；Ｌａ，Ｃｅ，，，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，，，）固体材料を用いて、制御された磁場を発生し得るメモリ素子を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention provides a new type of multiferroic material AFeO 3 (A = lanthanoid element; La, Ce,..., Gd, Tb, Dy,...) Controlled magnetic field. An object of the present invention is to provide a memory element capable of generating the above.
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕メモリ素子において、ＡＦｅＯ3 型オルソフェライトからなる強誘電性と反強磁性を併せ持つマルチフェロイック固体材料を用いて、外部電場により磁化を誘起させることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] A memory element is characterized in that magnetization is induced by an external electric field using a multiferroic solid material having both ferroelectricity and antiferromagnetism made of AFeO 3 type orthoferrite.
〔２〕上記〔１〕記載のメモリ素子において、前記マルチフェロイック固体材料の上下に配置された金属電極に印加する電圧による外部電界によって分極を発生させ、この時に分極と同時に磁化を発生させ、この磁化により前記マルチフェロイック固体材料からなるメモリセルの外部に磁界が発生するようにしたことを特徴とする。 [2] In the memory device according to [1], polarization is generated by an external electric field generated by a voltage applied to metal electrodes disposed above and below the multiferroic solid material, and magnetization is generated simultaneously with the polarization, A magnetic field is generated outside the memory cell made of the multiferroic solid material by this magnetization.
〔３〕上記〔２〕記載のメモリ素子において、前記外部電界の方向は前記ＡＦｅＯ3 型オルソフェライトのオルソロンビック構造の結晶軸であるｃ軸［００１］方向であり、この時に発生する分極と磁化の方向もｃ軸［００１］方向であることを特徴とする。 [3] In the memory device according to [2], the direction of the external electric field is a c-axis [001] direction which is a crystal axis of the orthorhombic structure of the AFeO 3 type orthoferrite, and polarization and magnetization generated at this time Is also the c-axis [001] direction.
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のメモリ素子において、前記マルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅＯ3 型オルソフェライトであり、Ａは希土類元素もしくは二種類の希土類元素の混合物からなることを特徴とする。 [4] In the memory device according to [1], [2] or [3], the multiferroic solid material is AFeO 3 type orthoferrite, and A is a rare earth element or a mixture of two kinds of rare earth elements. It is characterized by becoming.
〔５〕上記〔４〕記載のメモリ素子において、前記希土類元素はランタノイド元素であることを特徴とする。 [5] The memory element according to [4], wherein the rare earth element is a lanthanoid element.
〔６〕上記〔５〕記載のメモリ素子において、前記ランタノイド元素がＥｕ，Ｇｄ，Ｔｂ又はＤｙであることを特徴とする。 [6] The memory element according to [5], wherein the lanthanoid element is Eu, Gd, Tb, or Dy.
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。 According to the present invention, the following effects can be achieved.
電場（電界）で誘起された電荷（分極）はヒステリシスを有することから、メモリ効果を持ち不揮発性メモリ素子となる。素子構造も簡単であることからナノ領域まで微小なサイズのメモリを構成することができる。したがって、超高密度メモリ素子構造の製造が可能となる。ＤＲＡＭメモリデバイスのようにキャパシター構造を伴う必要がないことから、セルサイズを小さくできる。また、素子の構造が少ない層により製造できることから、その製造プロセスのコストを飛躍的に低減する。また、本発明のメモリ素子は、電流誘起磁界による磁気メモリ素子（ＭＲＡＭ）のように電流消費が大きい場合と異なり電界誘起メモリ素子構造なので、電力消費を大幅に抑えることが可能となる。このように低消費電力、超高集積、低製造コストの新しいマルチフェロイック不揮発性メモリ素子（ＭＦＭ素子）を提供することができる。 Since the electric charge (polarization) induced by the electric field (electric field) has hysteresis, it has a memory effect and becomes a nonvolatile memory element. Since the element structure is also simple, a memory having a very small size can be configured up to the nano region. Therefore, an ultra-high density memory device structure can be manufactured. Since there is no need for a capacitor structure as in a DRAM memory device, the cell size can be reduced. Further, since the device can be manufactured with a layer having a small structure, the cost of the manufacturing process is drastically reduced. In addition, the memory element of the present invention has an electric field induced memory element structure unlike a case where a current consumption is large like a magnetic memory element (MRAM) by a current induced magnetic field, so that power consumption can be significantly suppressed. Thus, a new multiferroic nonvolatile memory element (MFM element) with low power consumption, ultra-high integration, and low manufacturing cost can be provided.
さらに、本発明のメモリ素子は、電場（電界）で磁化を誘起できる。誘起された磁化は磁界を発生させる。このことから従来タイプのメモリ素子機能に磁界を発生する新機能が付与されたアクティブ型メモリ素子を提供することができる。この新機能を用いれば、蓄えられた情報を磁界の形で外部空間に放出可能となり、伝達することが可能となる。 Furthermore, the memory element of the present invention can induce magnetization by an electric field (electric field). The induced magnetization generates a magnetic field. Therefore, it is possible to provide an active memory device in which a new function for generating a magnetic field is added to a conventional memory device function. If this new function is used, the stored information can be released and transmitted to the external space in the form of a magnetic field.
本発明のメモリ素子は、マルチフェロイック固体材料からなる。特定の選択されたビット線とワード線との間に電圧を印加することにより、この選択された線に挟まれた単一メモリ素子に特定方向に磁化を誘起させる。誘起された磁化は磁界を発生し、アクティブ型メモリ機能を有する。メモリ素子間は非導電材料および非磁性体固体材料が埋め込まれた構造とする。メモリセルからのデータの読み出しは、特定の選択されたビット線とワード線間に発生した電気分極に起因する電圧強度で０もしくは１を判定すればよい。 The memory element of the present invention is made of a multiferroic solid material. By applying a voltage between a specific selected bit line and a word line, magnetization is induced in a specific direction in a single memory element sandwiched between the selected lines. The induced magnetization generates a magnetic field and has an active memory function. The memory element has a structure in which a non-conductive material and a non-magnetic solid material are embedded. Reading data from the memory cell may be performed by determining 0 or 1 based on the voltage intensity caused by the electric polarization generated between a specific selected bit line and word line.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
新機能メモリ素子は、マルチフェロイック固体材料からなる。特定の選択されたビット線とワード線との間に電源から配線を介して電圧を印加することにより、マルチフェロイック固体材料に分極を発生させる。電流を流す必要はない。発生した分極はヒステリシス特性を持つことから、メモリ機能を有する。印加した電界は同時に磁化を発生させる。磁化はメモリセル外に分極情報に対応した磁界を発生させることから、電線によらない情報発信源として機能する。すなわち今までにないアクティブ型メモリ素子として機能する。マルチフェロイック材料は、発生した分極に相応する電荷を有するので、その電荷を両端の電極で読み出せばよい。印加する電場強度の符号を反転することにより、保持されていた電荷の強度は変化もしくは反転する。このことにより、データの消去が可能となる。メモリセル間は電気的絶縁材料および非磁性材料が埋め込まれた構造とすればよい。 The new functional memory element is made of a multiferroic solid material. Polarization is generated in the multiferroic solid material by applying a voltage from a power supply via a wiring between a specific selected bit line and word line. There is no need to pass current. Since the generated polarization has a hysteresis characteristic, it has a memory function. The applied electric field simultaneously generates magnetization. Since magnetization generates a magnetic field corresponding to polarization information outside the memory cell, it functions as an information transmission source that does not rely on electric wires. That is, it functions as an unprecedented active memory element. Since the multiferroic material has a charge corresponding to the generated polarization, the charge may be read by the electrodes on both ends. By reversing the sign of the applied electric field strength, the strength of the held charge is changed or reversed. This makes it possible to erase data. A structure in which an electrically insulating material and a nonmagnetic material are embedded between the memory cells may be used.
図１は本発明にかかるメモリ素子の基本構成を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a memory element according to the present invention.
この図において、１はマルチフェロイック固体材料、２，２′はマルチフェロイック固体材料１の上下の金属電極、３はメモリセル、４はビット線、５はワード線である。 In this figure, 1 is a multiferroic solid material, 2 and 2 'are upper and lower metal electrodes of the multiferroic solid material 1, 3 is a memory cell, 4 is a bit line, and 5 is a word line.
メモリ素子におけるデータの書き込みは、特定の選択されたビット線４とワード線５の間に印加する電圧による電界で分極を発生させることにより実現する。発生した電荷は電圧がゼロであってもそのヒステリシス特性から保持される。データの読み出しは、選択されたビット線４とワード線５に挟まれメモリセル３に保持されている電気分極に起因する電圧強度で０もしくは１を判定すればよい。また、データの消去は、そのメモリセル３へ印加する電圧の符号を先に印加した電圧と反転させ、一定の強度を与えればよい。 Data writing in the memory element is realized by generating polarization by an electric field generated by a voltage applied between a specific selected bit line 4 and word line 5. The generated charge is retained from its hysteresis characteristics even when the voltage is zero. Data can be read by determining 0 or 1 based on the voltage intensity caused by the electric polarization held between the selected bit line 4 and word line 5 and held in the memory cell 3. Data can be erased by inverting the sign of the voltage applied to the memory cell 3 with the previously applied voltage to give a certain strength.
一方、分極発生すると同時に磁化６が発生する。この磁化６は磁界７をメモリセル３の外部に及ぼす。このことからメモリセル３の情報に相応した磁界を発生し得るアクティブ型メモリ素子を提供することができる。 On the other hand, magnetization 6 is generated simultaneously with the occurrence of polarization. This magnetization 6 exerts a magnetic field 7 outside the memory cell 3. Thus, an active memory element capable of generating a magnetic field corresponding to information in the memory cell 3 can be provided.
図２は本発明にかかるメモリ素子の電場誘起分極および磁化発生の確認実験を行うための実験配置図、図３はそのメモリセルのマルチフェロイック固体材料としてＧｄＦｅＯ3 を用いた場合の結晶方位を示す図、図４はそのＧｄＦｅＯ3 結晶構造を示す図である。 FIG. 2 is an experimental layout for conducting an experiment for confirming electric field induced polarization and magnetization generation of a memory element according to the present invention, and FIG. 3 shows a crystal orientation when GdFeO 3 is used as a multiferroic solid material of the memory cell. FIG. 4 shows the GdFeO 3 crystal structure.
これらの図において、８はメモリ素子へ電圧を印加するための電源、９は印加した電界により発生した分極による電界、１０は発生した磁化である。 In these figures, 8 is a power source for applying a voltage to the memory element, 9 is an electric field due to polarization generated by the applied electric field, and 10 is a generated magnetization.
上下の金属電極２，２′間に印加した電界は分極を発生させる。その分極により電界９が発生する。また、発生した電界９は磁化１０を誘起し、メモリセル３の外に磁界７を発生する。発生した分極は上下の金属電極２，２′間に流れる電流量として測定し、同時に発生した磁界７はマルチフェロイック固体材料の近くに置かれたＳＱＵＩＤ素子（図示なし）で測定した。電極材料としては銀ペーストを用いたが、その他アルミニウム、金、白金などの金属を用いても問題はない。 The electric field applied between the upper and lower metal electrodes 2 and 2 'generates polarization. The electric field 9 is generated by the polarization. Further, the generated electric field 9 induces magnetization 10 and generates a magnetic field 7 outside the memory cell 3. The generated polarization was measured as the amount of current flowing between the upper and lower metal electrodes 2, 2 ′, and the simultaneously generated magnetic field 7 was measured with a SQUID element (not shown) placed near the multiferroic solid material. Although silver paste was used as the electrode material, there is no problem even if other metals such as aluminum, gold, and platinum are used.
マルチフェロイック固体材料としてオルソロンビック構造を持つ化合物のうち、ＧｄＦｅＯ3 結晶を用いる。その結晶構造を図４に示す。この材料の磁気特性は温度６６１Ｋに転移温度を示し、弱強磁性特性を持つ反強磁性材料である（非特許文献２）。このＧｄＦｅＯ3 を用いた場合の結晶方位を図３に示す。外部電界の方向はＧｄＦｅＯ3 のオルソロンビック構造の結晶軸であるｃ軸［００１］方向である。この時に発生する分極と磁化１０の方向は同様にｃ軸［００１］方向である。 Among the compounds having an ortholonevic structure as a multiferroic solid material, GdFeO 3 crystal is used. The crystal structure is shown in FIG. The magnetic characteristics of this material is an antiferromagnetic material having a transition temperature at a temperature of 661 K and having weak ferromagnetic characteristics (Non-patent Document 2). The crystal orientation when this GdFeO 3 is used is shown in FIG. The direction of the external electric field is the c-axis [001] direction, which is the crystal axis of the orthodonic structure of GdFeO 3 . The direction of polarization and magnetization 10 generated at this time is also the c-axis [001] direction.
ここでは、マルチフェロイック固体材料としてＧｄＦｅＯ3 を用いたが、本発明に用いるマルチフェロイック固体材料は、ＡＦｅＯ3 型オルソフェライトであり、Ａは希土類元素もしくは二種類の希土類元素の混合物からなる。この希土類元素は、ランタノイド元素（原子番号５７から７１）であり、そのランタノイド元素の中でも特に、Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ又はＤｙが望ましい。 Here, although GdFeO 3 is used as the multiferroic solid material, the multiferroic solid material used in the present invention is AFeO 3 type orthoferrite, and A is composed of a rare earth element or a mixture of two kinds of rare earth elements. This rare earth element is a lanthanoid element (atomic number 57 to 71), and Eu, Gd, Tb or Dy is particularly desirable among the lanthanoid elements.
図５は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＧｄＦｅＯ3 において電場を印加した場合に発生する電気分極を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing electric polarization generated when an electric field is applied to GdFeO 3 which is a multiferroic solid material according to the present invention.
誘起された分極強度は±０．１５μＣ／ｃｍ2 程度であった。電場を印加することにより分極が発生する。この分極はヒステリシス特性を持つことから強誘電特性を有していることがわかる。一方この材料はこの温度範囲において弱強磁性を持つ反強磁性体であることからマルチフェロイック材料である。ヒステリシス特性を持つ分極特性を利用してメモリ素子機能を持たせることができる。両電極の電圧をゼロにしても電荷を保持することから情報を保持することが可能となる。また、両電極に発生した電位を読み出せば情報を読むことができる。逆電圧を印加すれば、電荷をマイナスにすることが可能であることからデータを消去できる。 The induced polarization intensity was about ± 0.15 μC / cm 2 . Polarization occurs when an electric field is applied. Since this polarization has hysteresis characteristics, it can be seen that it has ferroelectric characteristics. On the other hand, since this material is an antiferromagnetic material having weak ferromagnetism in this temperature range, it is a multiferroic material. A memory element function can be provided by utilizing polarization characteristics having hysteresis characteristics. Information can be retained because charges are retained even when the voltages of both electrodes are zero. In addition, information can be read by reading the potential generated at both electrodes. If a reverse voltage is applied, data can be erased because the charge can be negative.
図６は本発明にかかるマルチフェロイック固体材料であるＧｄＦｅＯ3 において電場を印加した場合に発生する磁化強度を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the magnetization intensity generated when an electric field is applied to GdFeO 3 which is a multiferroic solid material according to the present invention.
誘起される磁化強度は±０．２ｍμB ／ｆ．ｕ. 程度であった。電場を印加することにより分極を発生させると同時に磁化を誘起できることが示されている。その磁化強度を変化させることができ、正負を反転することも可能である。ここで示した場合は、誘起された磁化を電場の反転に伴いその符号を反転させることに成功させている。ここでは、印加する電場の符号をプラスからマイナスに変化させたが、プラスからゼロの変化で発生した磁化が変化せずにデータが保持されるのは、誘起された分極がデータを保持するのと同様である。ここに従来型のメモリ機能が実現できると同時に、蓄えられた情報に相応した磁界をメモリセル外部に発生させることが可能となる新機能のアクティブ型メモリセルを提供できることを示した。 The induced magnetization intensity is ± 0.2 mμ B / f. u. It has been shown that by applying an electric field, polarization can be generated and magnetization can be induced simultaneously. The magnetization intensity can be changed, and the polarity can be reversed. In the case shown here, the induced magnetization is succeeded in reversing its sign as the electric field is reversed. Here, the sign of the applied electric field was changed from plus to minus, but the magnetization is not changed by the change from plus to zero, but the data is retained because the induced polarization retains the data. It is the same. Here, it has been shown that a conventional type memory function can be realized, and at the same time, a new function active type memory cell that can generate a magnetic field corresponding to the stored information outside the memory cell can be provided.
以上、述べてきたように強誘電性と反強磁性を併せ持つマルチフェロイック固体材料ＧｄＦｅＯ3 は、印加した電場により分極強度やその正負を制御できると同時に磁化強度の変化や正負を制御できる新機能のアクティブ型メモリ素子として機能する。 As described above, the multiferroic solid material GdFeO 3 having both ferroelectricity and antiferromagnetism is capable of controlling the polarization strength and its positive / negative by the applied electric field, and at the same time, the new function that can control the change and positive / negative of the magnetization strength. It functions as an active memory element.
従来にない新機能としてメモリセルの磁化を制御することが可能になったことから、メモリセル内に蓄積された情報に相応した磁界をセル外部に伝播させることを可能とする。この磁界を使って物理的に離れた磁気センサー素子等に情報を伝達することができ、非接触型のセンサーで情報を読み取ることが可能となる。 Since it has become possible to control the magnetization of the memory cell as a new function that has not existed before, a magnetic field corresponding to the information stored in the memory cell can be propagated outside the cell. Information can be transmitted to a physically separated magnetic sensor element or the like using this magnetic field, and information can be read by a non-contact type sensor.
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.
本発明のメモリ素子は、低コストのメモリ素子を提供するだけでなく、メモリ情報に相応した磁界を発生させることができるアクティブ型メモリ素子として利用可能である。 The memory device of the present invention can be used not only as a low-cost memory device but also as an active memory device that can generate a magnetic field corresponding to memory information.
１ マルチフェロイック固体材料
２，２′ 上下の金属電極
３ メモリセル
４ ビット線
５ ワード線
６，１０ 磁化
７ 磁界
８ 電源
９ 電界
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multiferroic solid material 2,2 'Upper and lower metal electrode 3 Memory cell 4 Bit line 5 Word line 6,10 Magnetization 7 Magnetic field 8 Power supply 9 Electric field
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