JP2010166054A - 磁気抵抗素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気抵抗素子は、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性層と、強磁性領域に容量性結合されたゲートとを含んでいる。磁気抵抗素子を動作させる方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、強磁性領域に電場パルスを印加するステップを含んでいる。
【選択図】図8
Description
磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、フラッシュメモリなどの他の種類の不揮発性メモリと比べて、いくつかの利点を有している。例えば、MRAMは、通常電力消費も少なく、データの読み出し/書き込みもより高速である。また、MRAMは、ダイナミック・ランダムアクセスメモリ(DRAM)など、いくつかの形態の揮発性メモリに対して有望な代替技術を提供するものである。
ここで、γは形状定数であり、
で示され、さらに、BAは強磁性半導体の異方性磁場である。本方法は、0nsと5nsの間の持続時間tを有するパルスを印加するステップを含んでいてもよい。
図1に本発明よる磁気抵抗の強磁性素子1を示す。強磁性素子1は均一に分布した磁化を有しているものと仮定するが、この仮定は必ずしも必須条件ではない。
ここで、
は磁化3に作用する有効磁場6であり、
は異方性磁場であり、
は外部磁場5である(ベクトル表記に基づく)。
磁化3は、有効磁場6の方向(ここでは、正のx方向に平行であるものとして表す)に配向される。いくつかの実施態様において、1つよりも多くの数のゲート(図示せず)を用いることができる。
を起こさせ、磁化3は有効磁場6の軸、すなわち
のまわりで減衰歳差を開始する。
となり、磁化3は有効磁場6の軸、すなわち
のまわりで減衰歳差を継続する。
となる。
図2a及び図2bは、リソグラフィで形成した溝9による歪み緩和を用いて、結晶磁気異方性を調整及び制御した素子8を図示したものである。結晶磁気異方性はスピン軌道結合により与えられる。バルクGaMnAsの磁気異方性と素子8での歪み緩和の効果の両方の評価を援助するため、素子8に隣接したウエハ11にファンデルポー素子10を形成する。
方向に沿って直交した第一及び第二アーム111、112を含むチャネル11を有するホールバー(Hall bar)の形状をしている。アームは1μmの(横)幅と、20μmの(縦)長さlを有している。
上式において、ρLは縦方向の抵抗値、ρTは幅方向の抵抗値、Aは定数(各ホールバーに関するだけではなくファンデルポー素子10にも関する)及びφは磁化と電流との間のなす角である。
であり、ここで、
は、全角度での平均値である。
軸から測定した磁場角θは一定である。
バーにおいて容易軸であり、55°は[110]バーにおいて容易軸である。
異方性を有している。この結果、2つの容易軸は、[100]及び[010]立方辺から
方向に向けて各々15°±の角度だけ傾くことになる。
ここで、αGaAs及びαGaMnAsは各々、立方体の完全に緩和されたGaAs及び(Ga,Mn)Asの格子パラメータである。上記の式(3)とαGaAs及びαGaMnAsのパラメータを用いると、f≒0.2−0.3である。
ここで、±は各々、
バーと[110]バーに対応している。
及び[110]バーでの容易軸の方向を図示したものである。矢印16はパターンニングによる格子緩和の方向と大きさを示している。
バーに対応した(exy>0)典型的な値と、[110]バーに対応した(exy<0)典型的な値まで変化させて、面内磁化角の関数としてグラフに描いたものである。特に、ゼロ剪断歪み(黒線)に対する面内磁化角の関数として、[110]軸に沿った格子伸長に対応したexy=0.004から0.02%まで変化させ、さらに、
軸に沿った格子伸長に対応したexy=−0.004から−0.02%まで変化させてエネルギーをグラフに描いた。容易軸は、exy=0、−0.002%及び−0.02%に存在する。[110]バーの[110]軸に沿って伸長した菱形に似た単位セル(下方の菱形)と、
バーの
軸に沿って伸長した菱形に似た単位セル(右側の菱形)とにより、微視的な結晶磁気エネルギー曲線の
対称性を崩す格子変形を示してある。
方向に移動し、
方向(exy<0)に沿った格子伸長に対しては[110]方向に移動する。2つのバーでの実験での容易軸の回転間の対称性は、その微視的な起源は未知ではあるものの既にバルク材料内に存在している[110]単軸成分に依るものであり、(微視的なパターンニングによっては生じない)固有歪み
によってモデル化することができる。
図7は、8×1020cm−3の第一キャリア濃度pと、6×1020cm−3の第二キャリア濃度での、e0=−0.2%の圧縮歪みの基で、
に沿ったexy=−0.02%の格子歪み(伸長)が与えられた、GaAs[001]上で成長させ横方向歪みが与えられたGa0.96Mn0.04As結晶磁気エネルギーの形状を示したものである。第一及び第二の矢印17、18は、各々第一及び第二のキャリア濃度に対する容易軸の方向を示している。
から[110]の結晶方位に、約90°だけ容易軸が変化する。
本発明による磁気抵抗素子のさらに他の実施例を説明する。
により与えられる。
ここで、γはジャイロ磁気定数、
であり、BAは異方性磁場であり、例えば、試料壁、粒壁、ドメイン壁あるいは他の種類の境界における磁化の発散により生成される反磁場を含んでいてもよく、形状異方性を引き起こすものである。本例では、tprecessは約1nsである。tprecessの値は(100ミリテスラから1ミリテスラのBAに対し)通常、100psから10nsまでの範囲にある。
以上で説明した例では、ゲートを利用するか、あるいは圧電効果を利用して磁気異方性を電気的に変化させていた。しかし、以下詳細に説明するように、磁気異方性は光学的に制御することができる。
前述したように、強磁性素子内の磁気異方性はゲートを用いて制御することができる。強磁性素子を半導体材料で形成すると、キャリア濃度を制御することにより磁気異方性を変化させることができる。しかし、強磁性素子を金属材料で形成した場合でも、以下で詳細に説明するように、ゲートを用いて磁気異方性を電気的に変化させることができる。
前述したように、磁気異方性を変化させることにより磁化の再配向を引き起こし、例えば、ゲートを用いて再配向を電気的に制御することができる。しかし、交換結合により磁化の再配向を引き起こし、例えば、ゲートを用いて再配向を電気的に制御することもできる。これについて以下詳細に説明する。
22 強磁性領域
23 ゲート
24 ソース
25 ドレイン
26 トンネル障壁
27 トンネル障壁
28 パルス発生器
29 電圧パルス
30 電圧源
31 電流検出器
Claims (15)
- メモリセルのアレイであって、各メモリセルは、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を含み、
前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、メモリセル内の前記磁気抵抗素子の前記強磁性領域に電場パルスを印加する回路を含む、メモリ素子。 - メモリセルのアレイであって、各メモリセルは、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、
電気的入力に応じて前記強磁性領域に応力を加える手段とを含み、
前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、対応する強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、メモリセル内の前記応力印加手段に入力パルスを印加する手段を含む、メモリ素子。 - 請求項2記載の素子において、前記入力パルス印加手段は電気入力パルスを印加する回路を含み、前記強磁性領域は圧電性を有し、前記応力印加手段は前記強磁性領域に電場を印加するように構成された少なくとも一つの電極を含む、メモリ素子。
- 請求項2記載の素子において、前記入力パルス印加手段は電気入力パルスを印加する回路を含み、前記応力印加手段は前記強磁性領域に結合した圧電領域と、該圧電領域に電場を印加するように構成された少なくとも一つのゲート電極とを含む、メモリ素子。
- 請求項2記載の素子において、前記入力パルス印加手段は光入力パルスを印加する手段を含み、前記応力印加手段は光パルスを吸収しフォノンパルスを生成する手段を含む、メモリ素子。
- 磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域と、
該強磁性領域に結合された応力印加手段を含み、
該応力印加手段は光を吸収するように構成されさらに前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、光パルスの受信に応答して応力パルスを生成するように構成されている、磁気抵抗素子。 - 請求項6記載の素子において、前記応力印加手段は量子井戸を含む、磁気抵抗素子。
- 磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法であって、
前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、光パルスを印加するステップを含む、磁気抵抗素子を動作させる方法。 - 請求項8記載の方法において、前記磁気抵抗素子は前記強磁性領域に結合された光子吸収領域を含む、磁気抵抗素子を動作させる方法。
- 第一及び第二の電極と強磁性領域とトンネル障壁とを含み、前記強磁性領域とトンネル障壁とを介して前記第一及び第二の電極間の電荷移動が生じるように、前記第一及び第二の電極と前記強磁性領域と前記トンネル障壁とが配置された磁気抵抗素子であって、
さらに第三の電極と該第三の電極と前記トンネル障壁との間に置かれた誘電体領域とを含み、前記第三の電極と前記誘電体領域は前記強磁性領域に電場を印加するように配置され、前記強磁性領域への電場パルスの印加により、前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させる、磁気抵抗素子。 - 請求項10記載の素子において、前記トンネル障壁は第一及び第二の面を有する層として配置され、前記第二の電極と前記ゲート誘電体はこれらの面の一つの面上に隣接して配置されている、磁気抵抗素子。
- 請求項10又は11記載の素子において、前記強磁性領域は平面状の層として配置され、前記強磁性領域の異方性磁場が平面内と垂直の間で反転可能となるように構成されている、磁気抵抗素子。
- 固定化された磁化方向に対応する第一方向に磁気異方性を示す第一の強磁性領域と、
第二の異なる方向に磁気異方性を示す第二の強磁性領域と、
前記第一及び第二の強磁性領域の間に配置され、少なくとも一つの量子化エネルギー状態を示すように構成された量子井戸構造を含む磁気抵抗素子であって、
前記第一及び第二の強磁性領域間の交換結合が前記少なくとも一つの量子化エネルギー状態により制御可能である、磁気抵抗素子。 - 請求項13記載の素子は、さらに、
第三の強磁性領域と、
前記第二及び第三の強磁性領域を分離するトンネル障壁を含む、磁気抵抗素子。 - 請求項14記載の素子は、さらに、
前記第一及び第二の強磁性領域の間に電圧バイアスを印加する手段を含む、磁気抵抗素子。
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