JP2015095632A - Magnetic memory - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact and high-speed magnetic memory which allows write and read by current.SOLUTION: A ferromagnetic structure 10 provided with magnetic domain wall-holding parts 14, 15 at two places is used, a current source 20 is connected to both end parts of the ferromagnetic structure 10, and a voltmeter 30 is connected across one end part and a central part 12 of the ferromagnetic structure 10. Information writing is performed by holding a magnetic domain wall in either of the two magnetic domain wall-holding parts according to a direction of a current flowed from the current source 20. Information reading is performed by flowing unidirectional reading current from the current source and detecting the magnetic domain wall-holding part where the magnetic domain wall is held by output of the voltmeter. A current path during information writing is also used as a current path during the information reading, only one switching element is used for current control, thereby the magnetic memory is made compact. Also, by reading information non-destructively, conduction for returning the magnetic domain wall to its original position after reading is unnecessary.

Description

本発明は、電流による書き込み及び読み出しが可能な不揮発性の磁気メモリに関する。   The present invention relates to a nonvolatile magnetic memory capable of writing and reading by current.

電子は、電気伝導を担う電荷に加え、磁性を担うスピンを有する。近年、電子の電荷を活用したエレクトロニクスに加えて、スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス素子の開発に注目が集まっている。例えば、スピン注入を用いたトンネル磁気抵抗素子として、スピン注入素子が提案されている。また、強磁性体中に挿入された磁壁を移動させると、その磁壁部分に起電力が発生することが知られている(非特許文献1)。   Electrons have a spin responsible for magnetism in addition to a charge responsible for electrical conduction. In recent years, attention has been focused on the development of spintronic devices that actively utilize the properties of spin, in addition to electronics that utilize the charge of electrons. For example, a spin injection element has been proposed as a tunnel magnetoresistive element using spin injection. Further, it is known that when a domain wall inserted in a ferromagnetic material is moved, an electromotive force is generated in the domain wall portion (Non-patent Document 1).

特許文献1には、強磁性構造体をメモリセルとし、電流によって磁壁を移動させることにより情報の書き込みと読み出しを行う磁気メモリが記載されている。この磁気メモリは、磁壁保持部が2か所形成された強磁性構造体の両端部に接続された第1及び第2の電極と中央部に接続された中央電極を備える。情報の記録に当たっては、両端の第1及び第2の電極から強磁性構造体に電流を流し、電流の向きによって磁壁を2か所の磁壁保持部のいずれかに保持する。磁壁が2か所の磁壁保持部のどちらに保持されているかを情報の“1”と“0”に対応させる。情報の読み出しに当たっては、第1の電極と中央電極の間に電流を流し、第2の電極と中央電極の間に流れる電流の有無により磁壁が保持されている磁壁保持部を検出して読み出しを行う。   Patent Document 1 describes a magnetic memory in which a ferromagnetic structure is used as a memory cell and information is written and read by moving a domain wall by an electric current. This magnetic memory includes first and second electrodes connected to both ends of a ferromagnetic structure having two domain wall holding portions formed therein, and a central electrode connected to the central portion. In recording information, a current is passed from the first and second electrodes at both ends to the ferromagnetic structure, and the domain wall is held in one of the two domain wall holders depending on the direction of the current. Which of the two domain wall holders holds the domain wall is made to correspond to information “1” and “0”. In reading information, a current is passed between the first electrode and the center electrode, and the domain wall holding portion where the domain wall is held is detected by the presence or absence of the current flowing between the second electrode and the center electrode. Do.

特許第4962889号Japanese Patent No. 4968289

Physical Review B 82, 054410 (2010)Physical Review B 82, 054410 (2010)

特許文献1に記載された磁気メモリは、情報記憶時には強磁性構造体の両端に接続された電極の間に電流を流す。一方、情報読み出し時には、強磁性構造体の一端に接続された電極と中央に接続された電極の間に電流を流す。つまり、情報記憶時と情報読み出し時とで電流経路が異なるため、強磁性構造体に流す電流制御のためのスイッチング素子(トランジスタ)が2個必要であり、磁気メモリのサイズが大きくなる。また、一方の磁壁保持部では読み出し動作によって磁壁が他方の磁壁保持部に移動し、記憶した情報が破壊されてしまうため、読み出し後に磁壁の位置を元の磁壁保持部に戻すための通電が必要になる。   The magnetic memory described in Patent Document 1 passes a current between electrodes connected to both ends of a ferromagnetic structure during information storage. On the other hand, when reading information, a current is passed between the electrode connected to one end of the ferromagnetic structure and the electrode connected to the center. That is, since current paths are different between information storage and information reading, two switching elements (transistors) for controlling the current flowing through the ferromagnetic structure are required, and the size of the magnetic memory increases. Also, in one domain wall holder, the domain wall moves to the other domain wall holder by the reading operation, and the stored information is destroyed. Therefore, energization is required to return the domain wall position to the original domain wall holder after reading. become.

本発明は、電流による書き込み及び読み出しが可能で、サイズが小さな磁気メモリを提供することを目的とする。また、読み出し動作によって情報の破壊が生じることのない磁気メモリを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a magnetic memory that can be written and read by current and has a small size. It is another object of the present invention to provide a magnetic memory in which information is not destroyed by a read operation.

本発明では、2か所の磁壁保持部を備える強磁性構造体を用いる磁気メモリにおいて、情報書き込み時と情報読み出し時の電流経路を同じにして電流制御のためのスイッチング素子(トランジスタ)を1個とすることで磁気メモリのサイズの縮小を図った。   In the present invention, in a magnetic memory using a ferromagnetic structure having two domain wall holders, one switching element (transistor) for current control is made by using the same current path for writing information and reading information. As a result, the size of the magnetic memory was reduced.

また、情報の読み出しを非破壊的に行うことで、読み出し後に磁壁の位置を元に戻すための通電を不要にした。   In addition, non-destructive reading of information eliminates the need for energization to restore the domain wall position after reading.

また、磁壁保持部に情報を保持する磁気メモリのサイズを小さくするためには、磁壁幅が小さな強磁性構造体を用いることが好ましい。そのための材料選択を行った。   In order to reduce the size of the magnetic memory that holds information in the domain wall holder, it is preferable to use a ferromagnetic structure having a small domain wall width. The material selection for that was performed.

本発明による磁気メモリは、磁壁を安定に保持できる第1の磁壁保持部及び第2の磁壁保持部を備える強磁性構造体と、強磁性構造体の両端部に接続された第1の電極及び第2の電極と、強磁性構造体の第1の磁壁保持部と第2の磁壁保持部の間の位置に接続された第3の電極と、第1の電極と前記第2の電極に接続された電流源と、第1の電極と第3の電極の間に接続された電圧計と、を備え、電流源から第1の電極及び第2の電極を介して強磁性構造体に流す電流の向きに応じて強磁性構造体の磁壁を第1の磁壁保持部と第2の磁壁保持部のいずれかに保持させることにより情報の記録を行い、電流源から第1の電極及び第2の電極を介して強磁性構造体に一定方向の読み出し電流を流し、電圧計の出力により磁壁が保持されている磁壁保持部を特定することで情報読み出しを行う。   A magnetic memory according to the present invention includes a ferromagnetic structure including a first domain wall holding unit and a second domain wall holding unit that can stably hold a domain wall, a first electrode connected to both ends of the ferromagnetic structure, and A second electrode; a third electrode connected to a position between the first domain wall holder and the second domain wall holder of the ferromagnetic structure; and the first electrode and the second electrode. And a voltmeter connected between the first electrode and the third electrode, the current flowing from the current source to the ferromagnetic structure through the first electrode and the second electrode Information is recorded by holding the domain wall of the ferromagnetic structure in either the first domain wall holding unit or the second domain wall holding unit according to the orientation of the first and second electrodes from the current source. A domain wall in which a reading current in a certain direction is passed through the ferromagnetic structure through the electrode and the domain wall is held by the output of the voltmeter Performing information read by identifying the lifting unit.

一方の磁壁保持部に保持されている磁壁は読み出し電流により他方の磁壁保持部に移動しない。換言すると、読み出し電流の大きさは、読み出し電流により記憶している情報が破壊されることがない大きさとした。   The domain wall held by one of the domain wall holders does not move to the other domain wall holder by the read current. In other words, the magnitude of the read current is such that information stored by the read current is not destroyed.

強磁性構造体は電流が流れる方向に垂直な方向の断面積が第1の磁壁保持部及び第2の磁壁保持部で極小となる形状とすることができる。   The ferromagnetic structure may have a shape in which a cross-sectional area in a direction perpendicular to a direction in which a current flows becomes a minimum at the first domain wall holder and the second domain wall holder.

また、強磁性構造体は、第1の磁壁保持部及び第2の磁壁保持部を挟む両端部に互いに磁化が逆方向を向いた磁化固定膜が積層されていてもよい。これにより、強磁性構造体には1つの磁壁が挿入されることが確実になる。
強磁性構造体の材料としては、Co,Co/Ni多層膜,FePtが好ましい。
Further, the ferromagnetic structure may be formed by laminating magnetization fixed films having magnetizations in opposite directions at both ends sandwiching the first domain wall holding unit and the second domain wall holding unit. This ensures that one domain wall is inserted into the ferromagnetic structure.
As the material of the ferromagnetic structure, Co, Co / Ni multilayer film, and FePt are preferable.

また、本発明による磁気ランダムアクセスメモリは、磁壁を安定に保持できる第1の磁壁保持部及び第2の磁壁保持部を備える強磁性構造体と、強磁性構造体の両端部に接続された第1の電極及び第2の電極と、強磁性構造体の第1の磁壁保持部と第2の磁壁保持部の間の位置に接続された第3の電極と、強磁性構造体に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを各々備える磁気メモリセルが2次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、選択手段によって選択された磁気メモリセルの第1の電極及び第2の電極を介して強磁性構造体に流す電流の向きに応じて強磁性構造体の磁壁を前記第1の磁壁保持部と第2の磁壁保持部のいずれかに保持させることにより情報の記録を行い、選択手段によって選択された磁気メモリセルの第1の電極及び第2の電極を介して強磁性構造体に一定方向、かつ一方の磁壁保持部に保持されている磁壁が他方の磁壁保持部に移動しない大きさの読み出し電流を流し、第1の電極と第3の電極の間に発生する電圧により磁壁が保持されている磁壁保持部を特定することで情報読み出しを行うものである。   The magnetic random access memory according to the present invention includes a ferromagnetic structure including a first domain wall holding unit and a second domain wall holding unit that can stably hold a domain wall, and a first structure connected to both ends of the ferromagnetic structure. A first electrode, a second electrode, a third electrode connected to a position between the first domain wall holder and the second domain wall holder of the ferromagnetic structure, and a current flowing through the ferromagnetic structure. A memory cell group in which magnetic memory cells each having a switching element for on / off control are arranged in a two-dimensional array, a selection means for selecting a desired magnetic memory cell in the memory cell group, and a selection by the selection means The magnetic domain wall of the ferromagnetic structure is held by the first domain wall holding portion and the second domain wall holding according to the direction of the current flowing through the ferromagnetic structure through the first electrode and the second electrode of the magnetic memory cell formed. By holding any of the parts The domain wall held in one domain wall holder is fixed to the ferromagnetic structure through the first electrode and the second electrode of the magnetic memory cell selected by the selection means. To read information by supplying a read current that does not move to the magnetic domain wall holding part and specifying the magnetic domain wall holding part that holds the magnetic domain wall by the voltage generated between the first electrode and the third electrode It is.

本発明によると、高集積化が可能で高速動作する不揮発性メモリを提供することができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to provide a nonvolatile memory capable of high integration and operating at high speed.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

本発明の磁気メモリの構成例を示す模式図。The schematic diagram which shows the structural example of the magnetic memory of this invention. 強磁性構造体に存在する磁壁の位置と磁壁エネルギーの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the position of the domain wall which exists in a ferromagnetic structure, and domain wall energy. 磁気メモリの書き込み動作を説明する模式図。The schematic diagram explaining the write-in operation | movement of a magnetic memory. 磁気メモリの書き込み動作を説明する模式図。The schematic diagram explaining the write-in operation | movement of a magnetic memory. 磁気メモリの読み出し動作を説明する模式図。The schematic diagram explaining the read-out operation | movement of a magnetic memory. 読み出し電流の波形と電圧計の出力波形の例を示す模式図。The schematic diagram which shows the example of the waveform of read-out current, and the output waveform of a voltmeter. 磁気メモリの読み出し動作を説明する模式図。The schematic diagram explaining the read-out operation | movement of a magnetic memory. 読み出し電流の波形と電圧計の出力波形の例を示す模式図。The schematic diagram which shows the example of the waveform of read-out current, and the output waveform of a voltmeter. 本発明の磁気メモリセルの構成例を示す概略図。Schematic which shows the structural example of the magnetic memory cell of this invention. 磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a magnetic random access memory.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の磁気メモリの構成例を示す模式図である。
本実施例の磁気メモリは、強磁性構造体10、磁気メモリに対して情報の書き込み及び読み出しを行うための電流を流す電流源20、及び情報の読み出しに用いられる電圧計30を備える。強磁性構造体10は板状、棒状あるいは柱状などの形状を有し、第1の端部11、中央部12及び第2の端部13の3つの部分からなる。第1の端部11と中央部12の間には断面積が小さくなったくびれ領域が設けられ、このくびれ領域は磁壁を安定に保持できる第1の磁壁保持部14として機能する。また、第2の端部13と中央部12の間にも断面積が小さくなったくびれ領域が設けられ、このくびれ領域は磁壁を安定に保持できる第2の磁壁保持部15として機能する。電流源20は強磁性構造体10の第1の端部11と第2の端部13に接続されていて、強磁性構造体10に書き込み電流あるいは読み出し電流を流す。電圧計30は強磁性構造体10の第1の端部11と中央部12に接続されていて、電流源20から強磁性構造体10に読み出し電流を印加した時の電圧計30の出力に基づいて情報の読み出しを行う。なお、電圧計30は、強磁性構造体10の第2の端部13と中央部12の間に接続してもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a magnetic memory according to the present invention.
The magnetic memory of the present embodiment includes a ferromagnetic structure 10, a current source 20 for supplying a current for writing and reading information to and from the magnetic memory, and a voltmeter 30 used for reading information. The ferromagnetic structure 10 has a shape such as a plate shape, a rod shape, or a column shape, and includes three portions: a first end portion 11, a central portion 12, and a second end portion 13. A constricted region having a reduced cross-sectional area is provided between the first end portion 11 and the central portion 12, and this constricted region functions as the first domain wall holding portion 14 that can stably retain the domain wall. Further, a constricted region having a reduced cross-sectional area is also provided between the second end portion 13 and the central portion 12, and this constricted region functions as a second domain wall holding portion 15 that can stably maintain the domain wall. The current source 20 is connected to the first end 11 and the second end 13 of the ferromagnetic structure 10, and allows a write current or a read current to flow through the ferromagnetic structure 10. The voltmeter 30 is connected to the first end portion 11 and the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10, and is based on the output of the voltmeter 30 when a read current is applied from the current source 20 to the ferromagnetic structure 10. To read the information. The voltmeter 30 may be connected between the second end portion 13 and the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10.

強磁性構造体10の材料としては、形成される磁壁幅が小さく、かつ移動が容易な特性をもつ材料が好ましく、例えばCo,Co/Ni多層膜,FePtなどを用いることができる。本実施例では、強磁性構造体10としてCo/Ni多層膜を用いた。また、本実施例では強磁性構造体の形状を板状とし、大きさは幅20nm,長さ120nm,厚さ2nmで2個所のくびれの位置は板の両端より内部に40nmの位置とし、くびれ幅4nmとした。   The material of the ferromagnetic structure 10 is preferably a material having a narrow domain wall width and easy movement characteristics. For example, a Co, Co / Ni multilayer film, FePt, or the like can be used. In this example, a Co / Ni multilayer film was used as the ferromagnetic structure 10. In this embodiment, the ferromagnetic structure is shaped like a plate, the size is 20 nm in width, 120 nm in length, and 2 nm in thickness. The two constrictions are located at 40 nm inside from both ends of the plate. The width was 4 nm.

図2は、強磁性構造体に存在する磁壁の位置と磁壁エネルギーの関係を示す図である。磁壁に蓄えられるエネルギーは、強磁性構造体の磁壁位置の断面積に比例するため、第1の磁壁保持部14及び第2の磁壁保持部15で極小値をとり、第1の磁壁保持部14と第2の磁壁保持部15の間の中央部12の個所で極大値を取る。すなわち、磁壁は第1の磁壁保持部14あるいは第2の磁壁保持部15においてエネルギー的に安定となり、この2つの磁壁保持部のいずれかに保持される。また、2つの磁壁保持部14,15の間にはエネルギー障壁Ebが存在し、一方の磁壁保持部に保持されている磁壁にこのエネルギー障壁Ebを超えるエネルギーを与えて駆動すると磁壁を他方の磁壁保持部に移動させることができる。本実施例の強磁性構造体の場合、エネルギー障壁Ebは、磁気異方性定数Ku=4×105J/m3,交換スティフネスAex=10-11J/m,断面積Scross=10nm2なので、Eb=(Kuex1/2cross=7.2×10-20Jと見積もられる。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the position of the domain wall existing in the ferromagnetic structure and the domain wall energy. Since the energy stored in the domain wall is proportional to the cross-sectional area of the domain wall position of the ferromagnetic structure, the first domain wall holding unit 14 and the second domain wall holding unit 15 take a minimum value, and the first domain wall holding unit 14 A maximum value is taken at the central portion 12 between the first and second domain wall holders 15. That is, the domain wall becomes energetically stable in the first domain wall holder 14 or the second domain wall holder 15 and is held by one of the two domain wall holders. Further, an energy barrier Eb exists between the two domain wall holders 14 and 15, and when the domain wall held by one domain wall holder is supplied with energy exceeding the energy barrier Eb , the domain wall is moved to the other. It can be moved to the domain wall holding part. In the case of the ferromagnetic structure of the present embodiment, the energy barrier E b has the magnetic anisotropy constant K u = 4 × 10 5 J / m 3 , the exchange stiffness A ex = 10 −11 J / m, and the cross-sectional area S cross. Since = 10 nm 2 , it is estimated that E b = (K u A ex ) 1/2 S cross = 7.2 × 10 −20 J.

図3及び図4は、本実施例の磁気メモリの書き込み動作を説明する模式図である。図3は、第1の磁壁保持部14に保持されている磁壁16を第2の磁壁保持部15に移動する書き込み動作の説明図である。磁壁は強磁性構造体10に電流を流すことによって移動させることができる。第1の磁壁保持部14に保持されている磁壁16を第2の磁壁保持部15に移動する場合には、図3に示すように、電流源20から強磁性構造体に対して第2の端部13から第1の端部11の方向に書き込み電流IWを流す。書き込み電流IWをパルス電流とする場合、前述のエネルギー障壁Eb(7.2×10-20J)を超えるには、例えば大きさ100μAの電流をパルス幅1nsで与えればよい。 3 and 4 are schematic diagrams for explaining the write operation of the magnetic memory of this embodiment. FIG. 3 is an explanatory diagram of a write operation for moving the domain wall 16 held by the first domain wall holder 14 to the second domain wall holder 15. The domain wall can be moved by passing a current through the ferromagnetic structure 10. When the domain wall 16 held by the first domain wall holding unit 14 is moved to the second domain wall holding unit 15, as shown in FIG. A write current I W is caused to flow from the end 13 toward the first end 11. When the write current I W is a pulse current, in order to exceed the energy barrier E b (7.2 × 10 −20 J), for example, a current having a magnitude of 100 μA may be given with a pulse width of 1 ns.

図4は、第2の磁壁保持部15に保持されている磁壁16を第1の磁壁保持部14に移動する書き込み動作の説明図である。この場合には、電流源20から強磁性構造体10に対して第1の端部11から第2の端部13の方向に書き込み電流IWを流す。書き込み電流は、例えば大きさ−100μAの電流をパルス幅1nsで与えればよい。 FIG. 4 is an explanatory diagram of a write operation for moving the domain wall 16 held by the second domain wall holding unit 15 to the first domain wall holding unit 14. In this case, the write current I W is supplied from the current source 20 to the ferromagnetic structure 10 in the direction from the first end 11 to the second end 13. For the write current, for example, a current of −100 μA may be applied with a pulse width of 1 ns.

例えば、第1の磁壁保持部14に磁壁が存在する状態を“1”、第2の磁壁保持部15に磁壁が存在する状態を“0”と定義すれば、磁壁の存在する場所により2値のデジタル磁気記録を行なうことができる。磁壁16は、第1の磁壁保持部14あるいは第2の磁壁保持部15に保持された後は、書き込み電流を遮断してもその磁壁保持部に永久的に保持される。従って、本実施例の磁気メモリは不揮発メモリとなる。   For example, if the state in which the domain wall exists in the first domain wall holder 14 is defined as “1” and the state in which the domain wall exists in the second domain wall holder 15 is defined as “0”, a binary value is obtained depending on the location where the domain wall exists. Digital magnetic recording can be performed. After the domain wall 16 is held by the first domain wall holder 14 or the second domain wall holder 15, the domain wall 16 is permanently held by the domain wall holder even if the write current is interrupted. Therefore, the magnetic memory of this embodiment is a non-volatile memory.

なお、本実施例では、強磁性構造体10の第1の端部11と第2の端部13の上に、磁化が互いに逆方向を向いた磁化固定層41,42を積層している。磁化固定層41,42を積層することで、それと強磁性結合する第1の端部11の磁化と第2の端部13の磁化は互いに逆向きに固定される。この構造により、強磁性構造体10の第1の端部11と第2の端部13の間には必ず1個の磁壁が挿入されること、換言すると安定状態では第1の磁壁保持部14あるいは第2の磁壁保持部15のいずれかに必ず磁壁が保持されることが保証される。磁化固定層41,42としては、Co,Co/Ni多層膜,FePtなどを用いることができる。図では、磁性膜を垂直磁化膜として示しているが、磁性膜が面内磁化膜であっても同様である。   In this embodiment, the magnetization fixed layers 41 and 42 whose magnetizations are opposite to each other are laminated on the first end portion 11 and the second end portion 13 of the ferromagnetic structure 10. By laminating the magnetization fixed layers 41 and 42, the magnetization of the first end portion 11 and the magnetization of the second end portion 13 which are ferromagnetically coupled thereto are fixed in opposite directions. With this structure, one domain wall is always inserted between the first end portion 11 and the second end portion 13 of the ferromagnetic structure 10, in other words, the first domain wall holding portion 14 in a stable state. Alternatively, it is guaranteed that the domain wall is always held in any of the second domain wall holding portions 15. As the magnetization fixed layers 41 and 42, a Co, Co / Ni multilayer film, FePt, or the like can be used. In the figure, the magnetic film is shown as a perpendicular magnetization film, but the same applies even if the magnetic film is an in-plane magnetization film.

図5は、本実施例の磁気メモリの読み出し動作を説明する模式図である。図5は、磁気メモリを構成する強磁性構造体10の第1の磁壁保持部14に磁壁16が保持されている場合、すなわち情報“1”を読み出す場合の動作を示している。図6は、そのときの読み出し電流の波形と電圧計の出力波形の例を示す模式図である。   FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the read operation of the magnetic memory of this embodiment. FIG. 5 shows an operation when the domain wall 16 is held by the first domain wall holder 14 of the ferromagnetic structure 10 constituting the magnetic memory, that is, when information “1” is read. FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the waveform of the read current and the output waveform of the voltmeter at that time.

電流源20から強磁性構造体10に読み出し電流パルスを印加する。図示した例では、強磁性構造体10に第2の端部13から第1の端部11に向かう方向の読み出し電流IRを印加している。この読み出し電流IRによって、第1の磁壁保持部14に保持されている磁壁16は第2の磁壁保持部15の方向に移動する。但し、このとき読み出し電流IRによって磁壁に与えられるエネルギーは、磁壁が図2に示したエネルギー障壁Ebを超えることができないエネルギーとなるように調整されている。本実施例の場合、エネルギー障壁Ebは 7.2×10-20Jであるので、例えば読み出し電流IRとして大きさ50μAの電流をパルス幅1nsで与えればよい。 A read current pulse is applied from the current source 20 to the ferromagnetic structure 10. In the illustrated example, a read current I R is applied to the ferromagnetic structure 10 in the direction from the second end portion 13 toward the first end portion 11. By this read current I R , the domain wall 16 held by the first domain wall holder 14 moves in the direction of the second domain wall holder 15. However, at this time, the energy given to the domain wall by the read current I R is adjusted so that the domain wall can not exceed the energy barrier E b shown in FIG. In the present embodiment, the energy barrier E b is 7.2 × 10 −20 J. Therefore, for example, a read current I R may be given a current of 50 μA with a pulse width of 1 ns.

このとき、第1の磁壁保持部14に保持されている磁壁16は読み出し電流パルスの印加によって第2の磁壁保持部15の方向に移動し、第1の磁壁保持部14と中央部12の幅広部の間の位置17まで達するがエネルギー障壁のため中央部12の幅広部を超えることができない。そして、読み出し電流パルスの印加が止まると、第1の磁壁保持部14と中央部12の幅広部の間の位置17にあった磁壁は、磁壁エネルギーが低い第1の磁壁保持部14の方に戻り、第1の磁壁保持部14に達してそこに安定的に保持される。このとき強磁性構造体10の中央部12には磁壁移動により起電力が発生する。起電力の方向は磁壁移動の方向に依存するので、強磁性構造体10の第1の端部11と中央部12に接続された電圧計30には図6に示したような出力波形が得られる。   At this time, the domain wall 16 held by the first domain wall holder 14 moves in the direction of the second domain wall holder 15 by the application of the read current pulse, and the first domain wall holder 14 and the central portion 12 are wide. It reaches the position 17 between the parts but cannot exceed the wide part of the central part 12 due to the energy barrier. When the application of the read current pulse is stopped, the domain wall located at the position 17 between the first domain wall holding unit 14 and the wide part of the central portion 12 moves toward the first domain wall holding unit 14 having a low domain wall energy. Returning, it reaches the first domain wall holder 14 and is stably held there. At this time, an electromotive force is generated in the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10 due to the domain wall movement. Since the direction of the electromotive force depends on the direction of domain wall motion, the voltmeter 30 connected to the first end portion 11 and the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10 has an output waveform as shown in FIG. It is done.

図7は、本実施例の磁気メモリの読み出し動作を説明する別の模式図である。図7は、磁気メモリを構成する強磁性構造体10の第2の磁壁保持部15に磁壁16が存在する場合、すなわち情報“0”を読み出す場合の動作を示している。図8は、そのときの読み出し電流の波形と電圧計の出力波形の例を示す模式図である。   FIG. 7 is another schematic diagram for explaining the read operation of the magnetic memory of this embodiment. FIG. 7 shows an operation when the domain wall 16 is present in the second domain wall holder 15 of the ferromagnetic structure 10 constituting the magnetic memory, that is, when information “0” is read. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of the waveform of the read current and the output waveform of the voltmeter at that time.

電流源20から強磁性構造体10に、図5の場合と同様に第2の端部13から第1の端部11に向かう方向の読み出し電流IRを流す。読み出し電流IRは、情報“1”の読み出しの時と同じであり、例えば大きさ50μAの電流をパルス幅1nsで与える。この読み出し電流によって、強磁性構造体10第2の磁壁保持部15に保持されている磁壁は第2の端部13の方向に移動する。但し、このとき読み出し電流が磁壁に与えるエネルギーは、磁壁16が図2に示したエネルギー障壁Ebを超えることがない大きさのエネルギーであり、第2の端部13の幅広部に達するのに必要なエネルギーより小さいので、磁壁16は強磁性構造体10の第2の端部13の幅広部に達することができない。 Similar to the case of FIG. 5, the read current I R in the direction from the second end portion 13 toward the first end portion 11 is passed from the current source 20 to the ferromagnetic structure 10. The read current I R is the same as that at the time of reading the information “1”. Due to this read current, the domain wall held in the second domain wall holder 15 of the ferromagnetic structure 10 moves in the direction of the second end 13. However, the energy given to the domain wall by the read current at this time is such an energy that the domain wall 16 does not exceed the energy barrier E b shown in FIG. 2 and reaches the wide part of the second end part 13. Since it is smaller than the required energy, the domain wall 16 cannot reach the wide portion of the second end 13 of the ferromagnetic structure 10.

そして、読み出し電流パルスの印加が止まると、第2の磁壁保持部15と第2の端部13の幅広部の間に位置していた磁壁は、磁壁エネルギーが低い第2の磁壁保持部15の方に戻り、第2の磁壁保持部15に達してそこに安定的に保持される。このとき強磁性構造体10の第2の端部13の部分には磁壁移動により起電力が発生する。しかし、電圧計30は強磁性構造体10の第1の端部11と中央部12に接続されているため、電圧計30はこの磁壁移動による起電力を検出することができず、結果として電圧計30の出力には変化が生じない。   When the application of the read current pulse is stopped, the domain wall located between the second domain wall holding unit 15 and the wide end portion of the second end 13 has the domain wall energy of the second domain wall holding unit 15 having a low domain wall energy. Returning to the direction, the second domain wall holder 15 is reached and stably held there. At this time, an electromotive force is generated in the portion of the second end portion 13 of the ferromagnetic structure 10 due to the domain wall movement. However, since the voltmeter 30 is connected to the first end portion 11 and the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10, the voltmeter 30 cannot detect an electromotive force due to this domain wall movement, resulting in a voltage There is no change in the output of the total 30.

こうして、強磁性構造体に同じ読み出し電流を流して電圧計の出力を観察することにより、磁気メモリを構成する強磁性構造体の2つの磁壁保持部のどちらに磁壁が保持されているかを特定することができる。つまり、強磁性構造体10に同じ読み出し電流を流したとき、磁気メモリに記憶されている情報が“1”であるか“0”であるかによって電圧計30の出力が異なるので、電圧計の出力に基づいて情報を読み出すことができる。   Thus, by observing the output of the voltmeter by applying the same read current to the ferromagnetic structure, it is specified which of the two domain wall holders of the ferromagnetic structure constituting the magnetic memory holds the domain wall. be able to. That is, when the same read current is passed through the ferromagnetic structure 10, the output of the voltmeter 30 differs depending on whether the information stored in the magnetic memory is “1” or “0”. Information can be read based on the output.

なお、ここでは読み出し電流を強磁性構造体10の第2の端部13から第1の端部11の方向に流したが、逆に第1の端部11から第2の端部13に向かって読み出し電流を流しても構わない。また、電圧計30を接続する個所も、強磁性構造体10の第1の端部11と中央部12ではなく、第2の端部13と中央部12に接続するようにしてもよい。   Here, the read current is passed from the second end 13 to the first end 11 of the ferromagnetic structure 10, but conversely, from the first end 11 toward the second end 13. The read current may be supplied. Further, the voltmeter 30 may be connected to the second end 13 and the central portion 12 instead of the first end 11 and the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10.

本実施例によると、一方の磁壁保持部に保持されている磁壁は読み出し電流により他方の磁壁保持部に移動しない。すなわち、本実施例の読み出し方法は、磁気メモリに記憶されている情報を破壊することのない非破壊読み出しであるので、破壊読み出しの場合に必要であった情報読み出しの後に破壊された情報を復元するための動作が不要である。従って、本実施例によると、破壊読み出しの場合に比べて高速に情報を読み出すことができる。   According to the present embodiment, the domain wall held by one of the domain wall holders does not move to the other domain wall holder by the read current. That is, since the reading method of the present embodiment is non-destructive reading that does not destroy information stored in the magnetic memory, the information destroyed after the information reading required in the case of destructive reading is restored. No operation is required to Therefore, according to the present embodiment, information can be read at a higher speed than in the case of destructive reading.

図9は、本発明の磁気メモリセルの構成例を示す概略図である。
MOSトランジスタ50は、2つのn型半導体51,52と一つのp型半導体53からなる。n型半導体52に接続されたドレイン電極54は、電極55を介して接地されている。n型半導体51にはソース電極56が接続されている。ゲート電極57のON/OFFにより、ソース電極56とドレイン電極54の間に流れる電流のON/OFFが制御される。ソース電極56は、その上に積層された何層かの電極を介して強磁性構造体10の第2の端部13に接続されている。ビット線58は強磁性構造体10の第1の端部11に接続されている。本実施例の磁気メモリセルは、更に強磁性構造体10の中央部12に接続された出力線59を有する。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration example of the magnetic memory cell of the present invention.
The MOS transistor 50 includes two n-type semiconductors 51 and 52 and one p-type semiconductor 53. The drain electrode 54 connected to the n-type semiconductor 52 is grounded via the electrode 55. A source electrode 56 is connected to the n-type semiconductor 51. The ON / OFF of the current flowing between the source electrode 56 and the drain electrode 54 is controlled by ON / OFF of the gate electrode 57. The source electrode 56 is connected to the second end 13 of the ferromagnetic structure 10 through several layers of electrodes stacked thereon. The bit line 58 is connected to the first end 11 of the ferromagnetic structure 10. The magnetic memory cell of this embodiment further has an output line 59 connected to the central portion 12 of the ferromagnetic structure 10.

本実施例の磁気メモリセルは1個のスイッチング素子50により、書き込み及び読み出しを行うことができる。図9からわかるように、この磁気メモリセルの占める面積は、2F×4F=8F2と高集積である。なお、磁気メモリセルの寸法を縮小して高集積化を図るためには強磁性構造体10の寸法を小さく抑えることが必要であり、そのためには磁壁幅を小さくできる強磁性材料を選択する必要がある。強磁性材料であっても、例えばパーマロイは磁壁幅が100nm程度になるため、強磁性構造体の寸法が大きくなって磁気メモリセルの大きさを小さくすることができない。この磁壁幅が小さいという観点からすると、強磁性体構造体の材料としてはCo,Co/Ni多層膜,FePtなどが好ましい。磁壁幅dwはdw=(Aex/Ku-1/2と表わされるので、Coで5.8nm、Co/Ni多層膜で5nm、FePtで14nmと見積もられる。 The magnetic memory cell of this embodiment can be written and read by one switching element 50. As can be seen from FIG. 9, the area occupied by this magnetic memory cell is as high as 2F × 4F = 8F 2 . In order to reduce the size of the magnetic memory cell and achieve high integration, it is necessary to keep the size of the ferromagnetic structure 10 small. To that end, it is necessary to select a ferromagnetic material that can reduce the domain wall width. There is. Even if it is a ferromagnetic material, for example, since permalloy has a domain wall width of about 100 nm, the size of the ferromagnetic structure cannot be increased and the size of the magnetic memory cell cannot be reduced. From the viewpoint of the small domain wall width, the material of the ferromagnetic structure is preferably Co, Co / Ni multilayer film, FePt or the like. Since the domain wall width dw is expressed as dw = (A ex / K u ) −1/2 , it is estimated that Co is 5.8 nm, Co / Ni multilayer film is 5 nm, and FePt is 14 nm.

図10は、図9に示した磁気メモリセルを複数個アレイ状に配置して構成した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極57とビット線58及び出力線59が磁気メモリセルに電気的に接続されている。ビット線58を制御するドライバとしてビット線ドライバ61が設置され、ゲート電極57を制御するドライバとしてゲートドライバ62が設置されている。また、出力線59の信号は読み出し回路63に供給され、信号の読み出しが行われる。ビット線ドライバ61とゲート線ドライバ62により、情報の書き込みあるいは読み出しを行う磁気メモリセルが選択される。磁気ランダムアクセスメモリへの情報の書き込みは、選択された磁気メモリセルに正方向あるいは負方向の書き込み電流パルスを印加することで行われる。また、磁気ランダムアクセスメモリからの情報読み出しは、選択された磁気メモリセルに例えば正方向の読み出し電流パルスを印加し、その時の出力線の電圧を検知することで行われる。   FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory configured by arranging a plurality of magnetic memory cells shown in FIG. 9 in an array. The gate electrode 57, the bit line 58, and the output line 59 are electrically connected to the magnetic memory cell. A bit line driver 61 is installed as a driver for controlling the bit line 58, and a gate driver 62 is installed as a driver for controlling the gate electrode 57. Further, the signal of the output line 59 is supplied to the readout circuit 63, and the signal is read out. The bit line driver 61 and the gate line driver 62 select a magnetic memory cell on which information is written or read. Information is written to the magnetic random access memory by applying a positive or negative write current pulse to the selected magnetic memory cell. In addition, information is read from the magnetic random access memory by applying, for example, a read current pulse in the positive direction to the selected magnetic memory cell and detecting the voltage of the output line at that time.

本実施例の磁気メモリの情報書き込み時間及び読み出し時間は、(磁壁の走る距離)/(磁壁の移動速度)により決まる。本実施例の場合、(磁壁の走る距離)は30nm程度、磁壁の移動速度は15m/s程度であるため、書き込み時間及び読み出し時間は10n秒程度である。従って、GHz帯域で動作する高速な磁気メモリを実現できる。   The information writing time and reading time of the magnetic memory of this embodiment are determined by (the distance traveled by the domain wall) / (moving speed of the domain wall). In the case of the present embodiment, (the distance traveled by the domain wall) is about 30 nm, and the moving speed of the domain wall is about 15 m / s, so the writing time and the reading time are about 10 nsec. Therefore, a high-speed magnetic memory that operates in the GHz band can be realized.

また、磁気メモリセルの占める面積は8F2と高集積であってDRAMと同等の集積化が可能であり、高集積化SRAMとしての利用が期待できる。 Further, the area occupied by the magnetic memory cell is as high as 8F 2 and can be integrated as much as a DRAM, and can be expected to be used as a highly integrated SRAM.

磁気メモリとして磁性トンネル接合を利用したMRAMも開発が進められている。しかし、磁性トンネル接合にはMgO等の酸化膜が使用され、酸化膜は電流による劣化があるため書き換え耐性の点で難点がある。この点、本発明の磁気メモリは酸化膜を使用しないため電流による劣化の心配がなく、書き換え耐性に優れるという利点もある。   An MRAM using a magnetic tunnel junction is also being developed as a magnetic memory. However, an oxide film such as MgO is used for the magnetic tunnel junction, and the oxide film has a problem in terms of rewrite resistance because of deterioration due to current. In this respect, since the magnetic memory of the present invention does not use an oxide film, there is no fear of deterioration due to current, and there is an advantage that it has excellent rewrite durability.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。   In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

10 強磁性構造体
11 第1の端部
12 中央部
13 第2の端部
14 第1の磁壁保持部
15 第2の磁壁保持部
16 磁壁
20 電流源
30 電圧計
41 磁化固定層
42 磁化固定層
50 MOSトランジスタ
54 ドレイン電極
56 ソース電極
57 ゲート電極
58 ビット線
59 出力線
61 ビット線ドライバ
62 ゲートドライバ
63 読み出し回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ferromagnetic structure 11 1st edge part 12 Center part 13 2nd edge part 14 1st domain wall holding part 15 2nd domain wall holding part 16 Domain wall 20 Current source 30 Voltmeter 41 Magnetization fixed layer 42 Magnetization fixed layer 50 MOS transistor 54 Drain electrode 56 Source electrode 57 Gate electrode 58 Bit line 59 Output line 61 Bit line driver 62 Gate driver 63 Read circuit

Claims (7)

磁壁を安定に保持できる第1の磁壁保持部及び第2の磁壁保持部を備える強磁性構造体と、
前記強磁性構造体の両端部に接続された第1の電極及び第2の電極と、
前記強磁性構造体の前記第1の磁壁保持部と前記第2の磁壁保持部の間の位置に接続された第3の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極に接続された電流源と、
前記第1の電極と前記第3の電極の間に接続された電圧計と、を備え、
前記電流源から前記第1の電極及び第2の電極を介して前記強磁性構造体に流す電流の向きに応じて前記強磁性構造体の磁壁を前記第1の磁壁保持部と前記第2の磁壁保持部のいずれかに保持させることにより情報の記録を行い、
前記電流源から前記第1の電極及び前記第2の電極を介して前記強磁性構造体に一定方向の読み出し電流を流し、前記電圧計の出力により前記磁壁が保持されている磁壁保持部を特定することで情報読み出しを行うことを特徴とする磁気メモリ。
A ferromagnetic structure comprising a first domain wall holder and a second domain wall holder capable of stably holding a domain wall;
A first electrode and a second electrode connected to both ends of the ferromagnetic structure;
A third electrode connected to a position between the first domain wall holder and the second domain wall holder of the ferromagnetic structure;
A current source connected to the first electrode and the second electrode;
A voltmeter connected between the first electrode and the third electrode,
The magnetic domain wall of the ferromagnetic structure is moved from the current source through the first electrode and the second electrode to the ferromagnetic structure in accordance with the direction of the current, Record information by holding it in one of the domain wall holders,
A reading current in a certain direction is passed from the current source to the ferromagnetic structure through the first electrode and the second electrode, and the domain wall holding unit that holds the domain wall is specified by the output of the voltmeter. Thus, a magnetic memory is characterized in that information is read out.
請求項1記載の磁気メモリにおいて、一方の磁壁保持部に保持されている磁壁は前記読み出し電流により他方の磁壁保持部に移動しないことを特徴とする磁気メモリ。   2. The magnetic memory according to claim 1, wherein the domain wall held by one of the domain wall holders does not move to the other domain wall holder by the read current. 請求項1記載の磁気メモリにおいて、前記強磁性構造体は電流が流れる方向に垂直な方向の断面積が前記第1の磁壁保持部及び前記第2の磁壁保持部で極小となる形状をしていることを特徴とする磁気メモリ。   2. The magnetic memory according to claim 1, wherein the ferromagnetic structure has a shape in which a cross-sectional area in a direction perpendicular to a direction in which a current flows is minimized in the first domain wall holding unit and the second domain wall holding unit. A magnetic memory. 請求項3記載の磁気メモリにおいて、前記強磁性構造体は、前記第1の磁壁保持部及び前記第2の磁壁保持部を挟む両端部に互いに磁化が逆方向を向いた磁化固定膜が積層されていることを特徴とする磁気メモリ。   4. The magnetic memory according to claim 3, wherein the ferromagnetic structure is formed by stacking magnetization fixed films having magnetizations opposite to each other at both ends sandwiching the first domain wall holding unit and the second domain wall holding unit. Magnetic memory characterized by that. 請求項1記載の磁気メモリにおいて、前記強磁性構造体はCo,Co/Ni多層膜,FePtからなることを特徴とする磁気メモリ。   2. The magnetic memory according to claim 1, wherein the ferromagnetic structure is made of a Co, Co / Ni multilayer film and FePt. 磁壁を安定に保持できる第1の磁壁保持部及び第2の磁壁保持部を備える強磁性構造体と、前記強磁性構造体の両端部に接続された第1の電極及び第2の電極と、前記強磁性構造体の前記第1の磁壁保持部と前記第2の磁壁保持部の間の位置に接続された第3の電極と、前記強磁性構造体に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを各々備える磁気メモリセルが2次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
前記メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段と、
前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記第1の電極及び第2の電極を介して前記強磁性構造体に流す電流の向きに応じて前記強磁性構造体の磁壁を前記第1の磁壁保持部と前記第2の磁壁保持部のいずれかに保持させることにより情報の記録を行い、
前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記第1の電極及び前記第2の電極を介して前記強磁性構造体に一定方向、かつ一方の磁壁保持部に保持されている磁壁が他方の磁壁保持部に移動しない大きさの読み出し電流を流し、前記第1の電極と前記第3の電極の間に発生する電圧により前記磁壁が保持されている磁壁保持部を特定することで情報読み出しを行うことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
A ferromagnetic structure including a first domain wall holder and a second domain wall holder capable of stably holding a domain wall; a first electrode and a second electrode connected to both ends of the ferromagnetic structure; A third electrode connected to a position between the first domain wall holder and the second domain wall holder of the ferromagnetic structure, and switching for controlling on / off of a current flowing through the ferromagnetic structure A memory cell group in which magnetic memory cells each including an element are arranged in a two-dimensional array;
Selecting means for selecting a desired magnetic memory cell in the memory cell group;
The domain wall of the ferromagnetic structure is changed to the first domain wall according to the direction of the current flowing through the ferromagnetic structure via the first electrode and the second electrode of the magnetic memory cell selected by the selection means. Recording information by holding either the holding unit or the second domain wall holding unit,
A domain wall held in one domain wall holding portion in a certain direction and the other domain wall by the ferromagnetic structure through the first electrode and the second electrode of the magnetic memory cell selected by the selection means A read current of a magnitude that does not move to the holding unit is passed, and information is read by specifying the domain wall holding unit that holds the domain wall based on the voltage generated between the first electrode and the third electrode. Magnetic random access memory characterized by that.
請求項6記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、一方の磁壁保持部に保持されている磁壁は前記読み出し電流により他方の磁壁保持部に移動しないことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。   7. The magnetic random access memory according to claim 6, wherein the domain wall held in one of the domain wall holders does not move to the other domain wall holder by the read current.
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