JP2018026481A - Magnetoresistance effect element, thermal history sensor, and spin glass utilization type magnetic memory - Google Patents

Magnetoresistance effect element, thermal history sensor, and spin glass utilization type magnetic memory Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetoresistance effect element capable of new multivalued recording and analog recording.SOLUTION: The magnetoresistance effect element includes: a spin glass layer having a ferrimagnetic material as a host material; a nonmagnetic layer; and a first ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction, in this order. The magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer may be antiparallel.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive element, a thermal history sensor, and a spin glass-based magnetic memory.

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型メモリ例えば、MRAM(Magnetroresistive Random Access Memory)、ReRAM(Resistancne Random Access Memory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)などが注目されている。  As a next-generation non-volatile memory that replaces flash memories and the like that have seen limitations in miniaturization, a resistance change type memory that stores data using a resistance change type element, for example, MRAM (Magnetroresistive Random Access Memory), ReRAM (Resistancne) Random Access Memory) and PCRAM (Phase Change Random Access Memory) are attracting attention.

メモリの高密度化(大容量化)の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法の他に、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法があり、様々な多値化方法が提案されている(例えば、特許文献1〜3)。   As a method for increasing the density (capacity) of the memory, there are various methods in addition to a method of reducing the element itself constituting the memory, and a method of multi-valued recording bits per element constituting the memory. Multi-value conversion methods have been proposed (for example, Patent Documents 1 to 3).

MRAMの一つに、磁壁駆動型あるいは磁壁移動型と呼ばれるものがある(例えば、特許文献4)。磁壁駆動型MRAMは、電流を磁壁駆動層(磁化自由層)の面内方向に流し、スピン偏極電子によるスピントランスファー効果によって磁壁を移動させ、強磁性膜の磁化を書き込み電流の方向に応じた向きに反転させることでデータ書き込みを行うものである。
特許文献4には、磁壁駆動型MRAMについて、多値記録やアナログ記録の方法について記載されている。
MRAMでは、データの異なる書き込み方法が提案されており、磁壁駆動型MRAM以外にも、磁場書き込み型、ヨーク磁場書き込み型、STT(Spin Transfer Torque)型、SOT(Spin Orbit Torque)型MRAMなどが知られている。
One of the MRAMs is called a domain wall drive type or a domain wall displacement type (for example, Patent Document 4). In the domain wall drive type MRAM, current flows in the in-plane direction of the domain wall drive layer (magnetization free layer), the domain wall is moved by the spin transfer effect by spin-polarized electrons, and the magnetization of the ferromagnetic film corresponds to the direction of the write current. Data writing is performed by reversing the direction.
Patent Document 4 describes a multi-value recording and analog recording method for a domain wall drive type MRAM.
In MRAM, different data writing methods have been proposed. In addition to the domain wall drive type MRAM, magnetic field writing type, yoke magnetic field writing type, STT (Spin Transfer Torque) type, SOT (Spin Orbit Torque) type MRAM, etc. are known. It has been.

特開2015−088669号公報JP2015-088669A 国際公開第2009/072213号International Publication No. 2009/072213 特開2016−004924号公報JP, 2006-004924, A 国際公開第2009/101827号International Publication No. 2009/101827 特開平3−273540号公報JP-A-3-273540

しかしながら、従来の磁壁駆動型MRAMでは、読み出し時に磁壁駆動層(磁化自由層)の面内方向に電流を流す必要があるため、読み出し時に流した電流によって磁壁駆動層の磁壁が移動してしまう可能性がある。磁壁駆動層(磁化自由層)と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁が移動してしまうと、磁壁駆動型MRAMにおいて信号が最終的には0か1のデジタルの信号となり、アナログメモリとして使用することは困難であった。逆に、平面視して、磁壁駆動層(磁化自由層)と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化するなどの問題がある。従って、従来の磁壁駆動型MRAMについては、安定的に読み出す手段の開発が望まれる。
一方、これまでにないタイプの多値記録やアナログ記録が可能なMRAMの開発も望まれている。
However, in the conventional domain wall drive type MRAM, it is necessary to pass a current in the in-plane direction of the domain wall drive layer (magnetization free layer) at the time of reading, and therefore the domain wall of the domain wall drive layer may be moved by the current passed at the time of reading. There is sex. If the domain wall moves outside the portion where the domain wall drive layer (magnetization free layer) and the magnetoresistive effect element overlap, the signal finally becomes a digital signal of 0 or 1 in the domain wall drive MRAM, It was difficult to use as a memory. On the other hand, in a plan view, if the domain wall movement is not completed outside the portion where the domain wall drive layer (magnetization free layer) and the magnetoresistive effect element overlap, the domain wall moves during reading and erroneous writing or initial reading There is a problem that the signal of the time changes. Therefore, for the conventional domain wall drive type MRAM, development of a means for stably reading is desired.
On the other hand, development of an MRAM capable of unprecedented types of multi-value recording and analog recording is also desired.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、新規な多値記録やアナログ記録が可能な磁気抵抗効果素子、それを用いた熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a novel magnetoresistive effect element capable of multi-value recording and analog recording, a heat history sensor using the same, and a spin glass-based magnetic memory. Objective.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。   The present invention provides the following means in order to solve the above problems.

(1)本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層と、非磁性層と、磁化方向が固定された第1強磁性層とをこの順に備え、前記スピングラス層の磁化の向きと前記第1強磁性層の磁化の向きとが反平行となり得る。 (1) A magnetoresistive effect element according to an aspect of the present invention includes a spin glass layer using a ferrimagnetic material as a base material, a nonmagnetic layer, and a first ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed in this order. The magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer may be antiparallel.

(2)上記(1)に記載の磁気抵抗効果素子において、前記スピングラス層と前記非磁性層との間に第2強磁性層を備えてもよい。 (2) In the magnetoresistive element described in (1) above, a second ferromagnetic layer may be provided between the spin glass layer and the nonmagnetic layer.

(3)上記(1)又は(2)に記載の磁気抵抗効果素子において、前記スピングラス層の、前記非磁性層を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層を備えてもよい。 (3) In the magnetoresistive element described in (1) or (2) above, a spin orbit torque layer may be provided on the surface of the spin glass layer opposite to the side provided with the nonmagnetic layer.

(4)上記(1)〜(3)のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子において、前記フェリ磁性材料は、AB4−xで表されるスピネル材料、または、BA4−xで表される逆スピネル材料であってもよい。ただし、AはMn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mgの1つ以上の元素、Bは、Fe,Cr,Ti,Mg,Mn,Niの一つ以上の元素である。 (4) In the magnetoresistive effect element according to any one of (1) to (3), the ferrimagnetic material is a spinel material represented by AB 2 O 4-x or BA 2 O 4. The reverse spinel material represented by -x may be sufficient. However, A is one or more elements of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Mg, and B is one or more elements of Fe, Cr, Ti, Mg, Mn, and Ni.

(5)上記(4)に記載の磁気抵抗効果素子において、前記スピングラス層の前記スピネル材料、または、前記逆スピネル材料は酸素欠損していてもよい。 (5) In the magnetoresistive effect element according to (4), the spinel material or the reverse spinel material of the spin glass layer may be oxygen deficient.

(6)本発明の一態様に係る熱履歴センサは、上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子を用いる。 (6) The thermal history sensor according to an aspect of the present invention uses the magnetoresistive element described in any one of (1) to (5) above.

(7)本発明の一態様に係るスピングラス利用型磁気メモリは、上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子に対して積層方向に電流を流す電流源とを備えている。 (7) A spin glass-based magnetic memory according to an aspect of the present invention includes the magnetoresistive element according to any one of (1) to (5) above, and a stacking direction with respect to the magnetoresistive element. And a current source for supplying a current to.

(8)上記(7)に記載のスピングラス利用型磁気メモリにおいて、該が備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えてもよい。 (8) In the spin glass-based magnetic memory according to (7), a control circuit that controls the flow of a write current that allows the resistance value of the magnetoresistive effect element included in the spin glass to be used in a multivalued or analog manner. A current source may be provided.

(9)本発明の一態様に係る磁気ニューロン素子は、上記(8)に記載のスピングラス利用型磁気メモリを備え、前記制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも3つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できる。 (9) A magnetic neuron element according to an aspect of the present invention includes the spin glass-based magnetic memory according to (8), and the control circuit can read at least according to a difference in resistance value of the magnetoresistive element. Control can be performed so that a write current having the number of pulses corresponding to three resistance ranges flows.

本発明の磁気抵抗効果素子によれば、多値記録やアナログ記録が可能な新規な磁気抵抗効果素子を提供することができる。   According to the magnetoresistive effect element of the present invention, a novel magnetoresistive effect element capable of multi-value recording and analog recording can be provided.

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an example of the magnetoresistive effect element which concerns on one Embodiment of this invention. フェリ磁性およびスピングラス層について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a ferrimagnetism and a spin glass layer. 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an example of the magnetoresistive effect element which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of an example of the magnetoresistive effect element which concerns on other embodiment of this invention. スピンホール効果について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a spin Hall effect. スピングラス層におけるスピングラス領域の割合と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を概念的に示すグラフである。It is a graph which shows notionally the relationship between the ratio of the spin glass area | region in a spin glass layer, and the resistance value of a magnetoresistive effect element. 本発明の一実施形態に係る磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the artificial brain using the magnetic neuron element which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本発明を適用した磁気抵抗効果素子、それを用いた熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリについて、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。   Hereinafter, a configuration of a magnetoresistive effect element to which the present invention is applied, a thermal history sensor using the magnetoresistive effect element, and a spin glass-based magnetic memory will be described with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. . In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the effects of the present invention. . In the element of the present invention, other layers may be provided as long as the effects of the present invention are achieved.

(磁気抵抗効果素子)
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。
図1に示す磁気抵抗効果素子100は、フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層1と、非磁性層2と、磁化方向が固定された第1強磁性層3とをこの順に備え、前記スピングラス層1の磁化の向きM1と前記第1強磁性層の磁化の向きM2とが反平行である。
図1において、各層の積層方向すなわち、各層の主面に直交する方向(面直方向)をZ方向として定義している。各層はZ方向に直交するXY面に平行に形成されている。
なお、「フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層」は、母体材料とするフェリ磁性材料内において、非磁性材料又は磁性材料を母体材料のフェリ磁性を維持できる程度の濃度で含み、その非磁性材料又は磁性材料の局在スピンの周囲にスピングラス領域を有する層である。
また、「磁化方向が固定された」とは、書き込み電流を用いた書き込み前後において磁化方向が変化しない(磁化が固定されている)との意味である。
スピングラス層1及び第1強磁性層3は、磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
(Magnetoresistive element)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention.
A magnetoresistive effect element 100 shown in FIG. 1 includes a spin glass layer 1 using a ferrimagnetic material as a base material, a nonmagnetic layer 2, and a first ferromagnetic layer 3 having a fixed magnetization direction in this order. The magnetization direction M1 of the spin glass layer 1 and the magnetization direction M2 of the first ferromagnetic layer are antiparallel.
In FIG. 1, the stacking direction of each layer, that is, the direction orthogonal to the main surface of each layer (plane normal direction) is defined as the Z direction. Each layer is formed in parallel to the XY plane orthogonal to the Z direction.
The “spin glass layer using a ferrimagnetic material as a base material” includes a nonmagnetic material or a magnetic material at a concentration sufficient to maintain the ferrimagnetism of the base material in the ferrimagnetic material as a base material. The magnetic material or a layer having a spin glass region around the localized spin of the magnetic material.
Further, “the magnetization direction is fixed” means that the magnetization direction does not change (magnetization is fixed) before and after writing using the write current.
The spin glass layer 1 and the first ferromagnetic layer 3 may be either an in-plane magnetization film whose magnetization direction is an in-plane direction parallel to the layer, or a perpendicular magnetization film whose magnetization direction is perpendicular to the layer.

スピングラス層1の母体材料であるフェリ磁性材料とは、反強磁性体のように隣り合う磁気モーメントの向きが逆方向に整列しているが、それらの数(密度)や大きさが異なるために2つの副格子磁化が打ち消しあわず、全体として磁化を示す磁性材料である。なお、副格子とは、磁気モーメントのうち同じ向きのものを取り出した仮想的な格子をいう。   The ferrimagnetic material, which is the base material of the spin glass layer 1, is arranged in the opposite direction of the magnetic moments like the antiferromagnetic material, but their number (density) and size are different. Thus, the two sublattice magnetizations do not cancel each other, and the magnetic material exhibits magnetization as a whole. The sub-lattice is a virtual lattice obtained by taking out magnetic moments in the same direction.

図2は、フェリ磁性およびスピングラス層について説明するための模式図である。
図2において、符号Aで示す磁気秩序領域はフェリ磁性領域(スピングラス領域以外の領域)を模式的に示すものである。図2で示す場合には、m1で示す磁気モーメントとm2で示す磁気モーメントとは数(密度)は同じであるが、その大きさが異なるために、全体としては右向きの磁化M1(図1参照)を示すことを模式的に示している。
一方、図2で示す場合において、符号Bで示す点線で囲まれた領域は、フェリ磁性材料中に非磁性材料の原子(局在スピン)Pがあるためにその周囲の磁気秩序が乱れた領域である。本発明のスピングラス層は、磁気秩序が局所的に乱れた状態で局所的に安定化した領域(スピングラス領域)を有する層をいう。ここで、スピングラスは磁性材料において、局所的な相関が乱れたり、フラストレートを起こした場合に生じる現象である。このようにスピングラスを生じた領域(図2において、符号Bの点線で囲まれた部分)のスピンの向きは乱れているため、スピングラス領域を通過したスピン偏極電流はほとんど磁気抵抗効果による散乱は受けない。逆に、スピングラス領域以外を通過したスピンは一般的な磁気抵抗効果による散乱をうけるため、スピングラス層におけるスピングラス領域Bの割合によって、磁気抵抗効果の抵抗値が変わることとなる。スピングラス転移温度以下ではスピングラスが安定して存在することができるため、スピングラス層は不揮発な情報を保持する層として機能する。第1強磁性層と、非磁性層に接するスピングラス層あるいは第2強磁性層(後述する)の磁化の向きが逆向きであることで、磁気抵抗効果によって抵抗を読み込む際に、スピングラス領域の割合によって、磁気散乱が抑制され、不揮発でアナログ的な抵抗値を得ることができる。
第1強磁性層とスピングラス層との間に強いスピン偏極電流を流すことで、STT効果によってスピングラスを誘起することができ、素子の抵抗を変化させることができる。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the ferrimagnetism and the spin glass layer.
In FIG. 2, the magnetic ordered region indicated by the symbol A schematically shows a ferrimagnetic region (region other than the spin glass region). In the case shown in FIG. 2, the magnetic moment shown by m1 and the magnetic moment shown by m2 have the same number (density), but their magnitudes are different, so that the magnetization M1 facing right as a whole (see FIG. 1). ) Is schematically shown.
On the other hand, in the case shown in FIG. 2, the region surrounded by the dotted line indicated by the symbol B is a region in which the magnetic order around it is disturbed because there are atoms (localized spins) P of the nonmagnetic material in the ferrimagnetic material. It is. The spin glass layer of the present invention refers to a layer having a locally stabilized region (spin glass region) in a state where the magnetic order is locally disturbed. Here, spin glass is a phenomenon that occurs when local correlation is disturbed or frustrated in a magnetic material. Thus, since the spin direction of the region where the spin glass is generated (the portion surrounded by the dotted line B in FIG. 2) is disturbed, the spin-polarized current that has passed through the spin glass region is almost due to the magnetoresistive effect. It is not scattered. On the contrary, since the spin that has passed through the region other than the spin glass region is scattered by a general magnetoresistive effect, the resistance value of the magnetoresistive effect changes depending on the ratio of the spin glass region B in the spin glass layer. Since the spin glass can exist stably below the spin glass transition temperature, the spin glass layer functions as a layer for holding nonvolatile information. When the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer and the spin glass layer or the second ferromagnetic layer (described later) in contact with the nonmagnetic layer is opposite, when reading resistance by the magnetoresistive effect, the spin glass region According to the ratio, magnetic scattering is suppressed, and a nonvolatile and analog resistance value can be obtained.
By flowing a strong spin-polarized current between the first ferromagnetic layer and the spin glass layer, the spin glass can be induced by the STT effect, and the resistance of the element can be changed.

スピングラス層を構成するフェリ磁性材料は、AB4−xで表されるスピネル材料、または、BA4−xで表される逆スピネル材料であってもよい。ここで、AはMn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mgの1つ以上の元素、Bは、Fe,Cr,Ti,Mg,Mn,Niの一つ以上の元素である。
スピネル構造、あるいは、逆スピネル構造の材料はフェリ磁性を示し、高い温度でスピングラスを示すことができる。特許文献5にかかる材料の例が記載されている。
Ferrimagnetic material forming the spin glass layer, the spinel material is represented by AB 2 O 4-x, or may be reversed spinel material represented by BA 2 O 4-x. Here, A is one or more elements of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Mg, and B is one or more elements of Fe, Cr, Ti, Mg, Mn, and Ni.
A material having a spinel structure or an inverse spinel structure exhibits ferrimagnetism, and can exhibit a spin glass at a high temperature. The example of the material concerning patent document 5 is described.

フェリ磁性材料を母体とする材料内において、スピングラス領域の起因となる非磁性材料又は磁性材料のうち、Co,Znなどの非磁性材料は数%程度混ぜるだけでスピングラスになり、例えば、10%程度も混ぜると(添加すると)、母体材料のフェリ磁性を失ってしまう。これに対して、磁性材料を混ぜるときはそれよりも量を多く混ぜることができる。しかしながら、これらの現象は母体材料における磁気相関や置換される材料によって定量的に異なるため、上記の限りではない。   Of the non-magnetic materials or magnetic materials that cause the spin glass region in the material based on the ferrimagnetic material, a non-magnetic material such as Co and Zn becomes spin glass by mixing about several percent. If about% is mixed (added), the ferrimagnetism of the base material is lost. On the other hand, when a magnetic material is mixed, a larger amount can be mixed. However, these phenomena are not limited to the above because they vary quantitatively depending on the magnetic correlation in the base material and the material to be replaced.

スピングラス層がスピネル酸化物の場合、スピネル酸化物の作成時にMgOトンネル層のMgがスピネル酸化物に拡散するため、スピネル酸化物層を作成した後にMgOを形成することが望ましい。また、スピネル酸化物とMgOトンネル層が接した構造でアニールを行うと同様な効果がある。したがって、アニール温度を400℃以下するか、スピネル酸化物とMgOトンネル層の間に第二強磁性層を挿入してにしてMgの拡散を抑制するなどの対応をすることが望ましい。   When the spin glass layer is a spinel oxide, Mg in the MgO tunnel layer diffuses into the spinel oxide when the spinel oxide is formed. Therefore, it is desirable to form MgO after forming the spinel oxide layer. Further, when annealing is performed in a structure in which the spinel oxide and the MgO tunnel layer are in contact with each other, the same effect is obtained. Therefore, it is desirable to take measures such as suppressing the diffusion of Mg by setting the annealing temperature to 400 ° C. or lower, or inserting a second ferromagnetic layer between the spinel oxide and the MgO tunnel layer.

スピネル酸化物は金属ターゲットをアルゴンおよび酸素のプラズマで成膜する反応性スパッタを用い、また、成膜時の基板温度は少なくとも350度以上が好ましく、さらに、400℃以上であることが好ましい。スピネル酸化物は少なくとも350℃以上の反応性スパッタで得ることが可能であり、400℃以上だと安定的にスピネル酸化物を得ることができる。さらに、スピネル酸化物をターゲットとし、アルゴンおよび酸素のプラズマで成膜する方法も可能である。この方法ではスピネル酸化物の酸化度合の調整が困難であるが、350℃でも安定的にスピネル酸化物を得ることができる。   The spinel oxide uses reactive sputtering in which a metal target is formed with argon and oxygen plasma, and the substrate temperature during film formation is preferably at least 350 ° C., more preferably 400 ° C. or more. The spinel oxide can be obtained by reactive sputtering at least 350 ° C. or higher, and if it is 400 ° C. or higher, the spinel oxide can be stably obtained. Furthermore, a method of forming a film with a plasma of argon and oxygen using a spinel oxide as a target is also possible. Although it is difficult to adjust the oxidation degree of the spinel oxide by this method, the spinel oxide can be stably obtained even at 350 ° C.

スピングラス層が磁性スピネル材料の場合には、膜厚は3.5nm以上であることが好ましい。膜厚は3.5nm以上でないと磁気特性が安定しないからである。   When the spin glass layer is a magnetic spinel material, the film thickness is preferably 3.5 nm or more. This is because the magnetic properties are not stable unless the film thickness is 3.5 nm or more.

スピングラス層のスピネル材料、または、逆スピネル材料は酸素欠損していてもよい。
スピングラス層のスピネル材料、または、逆スピネル材料は酸素欠損している構成によって、スピングラス層の抵抗が減少し、磁気抵抗比を大きくすることができる。
例えば、マグネタイト(FeFe)は酸素欠損させることによって、金属の100倍程度の抵抗率まで抵抗が減少する。
The spinel layer spin spin material or reverse spinel material may be oxygen deficient.
The spinel material of spin glass layer or the reverse spinel material has a structure in which oxygen is deficient, so that the resistance of the spin glass layer can be reduced and the magnetoresistance ratio can be increased.
For example, the resistance of magnetite (FeFe 2 O 4 ) decreases to a resistivity about 100 times that of metal by oxygen deficiency.

第1強磁性層3の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co−FeやCo−Fe−Bが挙げられる。   A known material can be used for the material of the first ferromagnetic layer 3. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni and an alloy that includes one or more of these metals and exhibits ferromagnetism can be used. An alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N can also be used. Specifically, Co-Fe and Co-Fe-B are mentioned.

また、より高い出力を得るためにはCoFeSiなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、XYZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属でありXの元素種をとることもでき、Zは、III族からV族の典型元素である。例えば、CoFeSi、CoMnSiやCoMn1−aFeAlSi1−bなどが挙げられる。 In order to obtain a higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V It is a transition metal of Cr, Ti or Ti, and can take the elemental species of X, and Z is a typical element of Group III to Group V. Examples thereof include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .

また、第1強磁性層3の保磁力をより大きくするために、第1強磁性層3と接する材料としてIrMn,PtMnなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第1強磁性層3の漏れ磁場をスピングラス層1に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。   In order to further increase the coercive force of the first ferromagnetic layer 3, an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be used as a material in contact with the first ferromagnetic layer 3. Further, in order to prevent the leakage magnetic field of the first ferromagnetic layer 3 from affecting the spin glass layer 1, a structure of a synthetic ferromagnetic coupling may be used.

さらに第1強磁性層3の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、CoとPtの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、第1強磁性層3は[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)とすることができる。 Furthermore, when the direction of magnetization of the first ferromagnetic layer 3 is perpendicular to the laminated surface, it is preferable to use a laminated film of Co and Pt. Specifically, the first ferromagnetic layer 3 has [Co (0.24 nm) / Pt (0.16 nm)] 6 / Ru (0.9 nm) / [Pt (0.16 nm) / Co (0.16 nm). ] 4 / Ta (0.2 nm) / FeB (1.0 nm).

非磁性層2には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層2が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al、SiO、Mg、及び、MgAl等を用いることができる。またこれらの他にも、Al,Si,Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層2が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
A known material can be used for the nonmagnetic layer 2.
For example, when the nonmagnetic layer 2 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), as the material, Al 2 O 3 , SiO 2 , Mg, MgAl 2 O 4, or the like can be used. In addition to these, materials in which a part of Al, Si, Mg is substituted with Zn, Be, or the like can also be used. Among these, since MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, spin can be injected efficiently.
When the nonmagnetic layer 2 is made of metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material.

また、スピングラス層1上に非磁性層2を形成することで、スピングラス層1の他の元素が拡散せずに積層膜を形成することが可能である。   Further, by forming the nonmagnetic layer 2 on the spin glass layer 1, it is possible to form a laminated film without diffusing other elements of the spin glass layer 1.

図3に示すように、スピングラス層1と非磁性層2との間に第2強磁性層4を備えてもよい。
磁化固定層である第1強磁性層3に対する磁化自由層としてスピングラス層1の他に第2強磁性層4を備えることで反転可能な磁化をM1及びM3として、大きな磁気抵抗効果を得ることが可能となる。これはコヒーレントトンネル効果を引き起こす為にはトンネルバリア層と強磁性層の組み合わせが必要であり、スピングラス層1と第2強磁性層4の間のスピン伝導ではコヒーレントトンネルではなく、通常のTMR効果が生じる可能性があるからである。スピングラス層1と第2強磁性層4は磁気的に結合しているため、第1強磁性層3と第2強磁性層4との間のスピントランスファートルク(STT)効果によって、スピングラス層のスピングラス領域の大きさを調節することが可能となる。
As shown in FIG. 3, a second ferromagnetic layer 4 may be provided between the spin glass layer 1 and the nonmagnetic layer 2.
By providing the second ferromagnetic layer 4 in addition to the spin glass layer 1 as the magnetization free layer for the first ferromagnetic layer 3 which is a magnetization fixed layer, the reversible magnetization is set to M1 and M3 to obtain a large magnetoresistance effect. Is possible. This requires a combination of a tunnel barrier layer and a ferromagnetic layer in order to cause the coherent tunnel effect, and the spin conduction between the spin glass layer 1 and the second ferromagnetic layer 4 is not a coherent tunnel but a normal TMR effect. This is because there is a possibility of occurrence. Since the spin glass layer 1 and the second ferromagnetic layer 4 are magnetically coupled, the spin glass layer is caused by the spin transfer torque (STT) effect between the first ferromagnetic layer 3 and the second ferromagnetic layer 4. It is possible to adjust the size of the spin glass region.

第2強磁性層4の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feが挙げられる。あるいは、希土類元素を含んだ合金などが好ましい。例えば、Tb−Fe−Coなどの合金は自発的に垂直磁気特性を発現することが可能である。   As the material of the second ferromagnetic layer 4, a ferromagnetic material, particularly a soft magnetic material can be applied. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, an alloy containing one or more of these metals, these metals and at least one element of B, C, and N are included. Alloys that can be used can be used. Specific examples include Co—Fe, Co—Fe—B, and Ni—Fe. Alternatively, an alloy containing a rare earth element is preferable. For example, an alloy such as Tb—Fe—Co can spontaneously develop perpendicular magnetic characteristics.

第2強磁性層4の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、第2強磁性層の厚みを2.5nm以下とすることが好ましい。第2強磁性層4と非磁性層2の界面で、第2強磁性層4に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第2強磁性層4の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第2強磁性層4の膜厚は薄い方が好ましい。また、スピングラス層1と第2強磁性層4の膜厚が薄いことでスピントランスファーの影響が大きくなり、低いスピン偏極電流でも磁化反転が可能となる。   In the case where the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 4 is perpendicular to the laminated surface, the thickness of the second ferromagnetic layer is preferably 2.5 nm or less. Perpendicular magnetic anisotropy can be added to the second ferromagnetic layer 4 at the interface between the second ferromagnetic layer 4 and the nonmagnetic layer 2. In addition, since the effect of perpendicular magnetic anisotropy is attenuated by increasing the thickness of the second ferromagnetic layer 4, it is preferable that the thickness of the second ferromagnetic layer 4 is smaller. In addition, since the spin glass layer 1 and the second ferromagnetic layer 4 are thin, the influence of spin transfer becomes large, and magnetization reversal is possible even with a low spin polarization current.

図4に示すように、図3に示した磁気抵抗効果素子においてさらに、スピングラス層1の、非磁性層2を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層5を備えてもよい。また、図示しないが、図1に示した磁気抵抗効果素子においてさらに、スピングラス層1の、非磁性層2を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層を備えてもよい。
スピン軌道トルク層に電流を流し、純スピン流をスピングラス層1に注入することによって、スピングラス層内にスピングラス領域を誘起することができる。
As shown in FIG. 4, the magnetoresistive effect element shown in FIG. 3 may further include a spin orbit torque layer 5 on the surface of the spin glass layer 1 opposite to the side including the nonmagnetic layer 2. Although not shown, the magnetoresistive effect element shown in FIG. 1 may further include a spin orbit torque layer on the surface of the spin glass layer 1 opposite to the side including the nonmagnetic layer 2.
By passing a current through the spin orbit torque layer and injecting a pure spin current into the spin glass layer 1, a spin glass region can be induced in the spin glass layer.

スピン軌道トルク配線は、磁気抵抗効果素子部(スピングラス層1、非磁性層2、第1強磁性層3及び第2強磁性層4の部分を指す(第2強磁性層4を含まない場合には、スピングラス層1、非磁性層2及び第1強磁性層3の部分))の積層方向に対して交差する方向に延在する。スピン軌道トルク配線は、積層方向に対して直交する方向に延在することが好ましい。スピン軌道トルク配線は、該スピン軌道トルク配線に磁気抵抗効果素子部の積層方向に対して直交する方向に電流を流す電源に電気的に接続され、その電源と共に、磁気抵抗効果素子部に純スピン流を注入するスピン注入手段として機能する。
スピン軌道トルク配線は、スピングラス層1に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
The spin orbit torque wiring indicates the magnetoresistive effect element portion (the portion of the spin glass layer 1, the nonmagnetic layer 2, the first ferromagnetic layer 3, and the second ferromagnetic layer 4 (when the second ferromagnetic layer 4 is not included). Are extending in a direction crossing the stacking direction of the spin glass layer 1, the nonmagnetic layer 2 and the first ferromagnetic layer 3). The spin orbit torque wiring preferably extends in a direction orthogonal to the stacking direction. The spin orbit torque wiring is electrically connected to the spin orbit torque wiring to a power source that passes a current in a direction orthogonal to the stacking direction of the magnetoresistive effect element portion. It functions as a spin injection means for injecting a flow.
The spin orbit torque wiring may be directly connected to the spin glass layer 1 or may be connected via another layer.

スピン軌道トルク配線は、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
The spin orbit torque wiring is made of a material that generates a pure spin current by a spin Hall effect when a current flows. As such a material, a material that generates a pure spin current in the spin orbit torque wiring is sufficient. Therefore, the material is not limited to a material composed of a single element, and may be a material composed of a portion made of a material that generates a pure spin current and a portion made of a material that does not generate a pure spin current.
The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed through the material.

図5は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図5に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。   FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the spin Hall effect. Based on FIG. 5, the mechanism by which a pure spin current is produced by the spin Hall effect will be described.

図5に示すように、スピン軌道トルク配線5の延在方向に電流Iを流すと、上向きスピンSと下向きスピンSはそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動(移動)する電荷(電子)が運動(移動)方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体(強磁性体ではない材料)では上向きスピンSの電子数と下向きスピンSの電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう上向きスピンSの電子数と下方向に向かう下向きスピンSの電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
これに対して、強磁性体中に電流を流した場合にも上向きスピン電子と下向きスピン電子が互いに反対方向に曲げられる点は同じであるが、強磁性体中では上向きスピン電子と下向きスピン電子のいずれかが多い状態であるため、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう(電圧が発生してしまう)点で異なる。従って、スピン軌道トルク配線の材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
As shown in FIG. 5, when the current I is passed in the extending direction of the spin-orbit torque line 5, the up spin S + and down spin S - is bent in a direction perpendicular to the current, respectively. The normal Hall effect and the spin Hall effect are common in that the moving (moving) charge (electrons) can bend in the moving (moving) direction, but the normal Hall effect is that the charged particles moving in the magnetic field exert Lorentz force. In contrast to this, the direction of motion is bent, but the spin Hall effect is greatly different in that the direction of movement is bent only by the movement of electrons (only the current flows) even though there is no magnetic field.
Magnetic body and the number of electrons spin-up S + in (ferromagnetic material not) spin-down S - since the number of electrons is equal to the up spin S + number of electrons and downward toward upward in the drawing It equals the number of electrons - down spin S toward. Therefore, the current as a net flow of charge is zero. This spin current without current is particularly called a pure spin current.
In contrast, when current is passed through a ferromagnet, upward spin electrons and downward spin electrons are bent in opposite directions, but in ferromagnets, upward spin electrons and downward spin electrons are the same. As a result, there is a difference in that a net flow of charges occurs (voltage is generated) as a result. Therefore, the material of the spin orbit torque wiring does not include a material made only of a ferromagnetic material.

ここで、上向きスピンSの電子の流れをJ、下向きスピンSの電子の流れをJ、スピン流をJと表すと、J=J−Jで定義される。図5においては、純スピン流としてJが図中の上方向に流れる。ここで、Jは分極率が100%の電子の流れである。
図5において、スピン軌道トルク配線5の上面に強磁性体を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込むことになる。
この実施形態では、このようにスピン軌道トルク配線に電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流がスピン軌道トルク配線に接するスピングラス層に拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク(SOT)効果でスピングラス層内にスピングラス領域を誘起するものである。
Here, the electron flow of the upward spin S + is defined as J , the electron flow of the downward spin S as J , and the spin current as J S , and J S = J −J . In FIG. 5, JS flows upward in the figure as a pure spin current. Here, J S is an electron flow having a polarizability of 100%.
In FIG. 5, when a ferromagnetic material is brought into contact with the upper surface of the spin orbit torque wiring 5, the pure spin current is diffused into the ferromagnetic material.
In this embodiment, a current is caused to flow through the spin orbit torque wiring to generate a pure spin current, and the pure spin current is diffused in the spin glass layer in contact with the spin orbit torque wiring. The spin glass region is induced in the spin glass layer by the spin orbit torque (SOT) effect caused by the flow.

(熱履歴センサ)
本発明の一実施形態に係る熱履歴センサは、本発明の磁気抵抗効果素子を用いたものである。
フェリ磁性材料を用いたスピングラス層にスピングラス領域を誘起した後で冷却をすると、温度を上昇させた時に、スピングラス領域を誘起した温度でスピングラス領域が減少するか、あるいは、消失する。この現象はスピングラス領域が誘起された温度で、温度による揺らぎとスピングラス状態が平衡状態となり、安定化するために生じる。したがって、スピングラス領域が誘起された温度になると、平衡状態が非平衡状態に変化してスピングラス領域が減少することとなる。本発明の熱履歴センサは、この熱履歴に起因したスピングラス領域の現象に伴う磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を検知するものである。
(Heat history sensor)
A thermal history sensor according to an embodiment of the present invention uses the magnetoresistive effect element of the present invention.
If the spin glass region is induced in the spin glass layer using the ferrimagnetic material and then cooled, when the temperature is raised, the spin glass region decreases or disappears at the temperature at which the spin glass region is induced. This phenomenon occurs because the fluctuation due to temperature and the spin glass state are in an equilibrium state and stabilized at the temperature at which the spin glass region is induced. Therefore, when the temperature at which the spin glass region is induced is reached, the equilibrium state changes to a non-equilibrium state and the spin glass region decreases. The thermal history sensor of the present invention detects a change in the resistance value of the magnetoresistive effect element due to the phenomenon of the spin glass region due to the thermal history.

(スピングラス利用型磁気メモリ)
本発明の一実施形態に係るスピングラス利用型磁気メモリは、本発明の一つ又は複数の磁気抵抗効果素子と、各磁気抵抗効果素子に対して磁気抵抗効果素子を構成する層の積層方向に電流を流すための電流源とを備え、前記スピングラス層と前記第1強磁性層との間に、少なくとも前記スピングラス層(第2強磁性層を備える場合には、スピングラス層及び第2強磁性層)のスピン注入磁化反転の臨界電流よりも大きな電流を印可することによって前記磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させる。
磁気抵抗効果素子に流れる電流の向きを変えることによって、スピングラス層の割合を増減することが可能である。スピングラス層1から第1強磁性層3に電流を印可すると、スピン偏極した電子は第1強磁性層3からスピングラス層1に流れる。したがって、スピン偏極した電子はスピングラス層1の磁化の向きを第1強磁性層の磁化の向きと同じ方向に変化させるように働く。この時、スピングラスを誘起しやすい場所は、スピングラス層1全体が磁化反転するために必要なスピン流入磁化反転の臨界電流値よりも小さい電流値で磁化方向が変化し、スピングラスを誘起することが可能である。逆に、第1強磁性層3からスピングラス層1に電流を流すと、スピン偏極した電子はスピングラス層1から第1強磁性層3に流れる。したがって、スピン偏極した電子はスピングラス層1の磁化の向きを第1強磁性層の磁化の向きと逆の方向に変化させるように働く。この効果によってスピングラスが誘起された部分はスピングラスが誘起されていない部分と同じ方向に磁化することとなり、スピングラス領域が消失させることが可能である。
(Magnetic memory using spin glass)
A spin glass-based magnetic memory according to an embodiment of the present invention includes one or a plurality of magnetoresistive elements of the present invention and a stacking direction of layers constituting the magnetoresistive element with respect to each magnetoresistive element A current source for supplying a current, and at least the spin glass layer (in the case where the second ferromagnetic layer is provided) between the spin glass layer and the first ferromagnetic layer. The resistance of the magnetoresistive element is changed by applying a current larger than the critical current of spin injection magnetization reversal of the ferromagnetic layer.
The ratio of the spin glass layer can be increased or decreased by changing the direction of the current flowing through the magnetoresistive element. When a current is applied from the spin glass layer 1 to the first ferromagnetic layer 3, spin-polarized electrons flow from the first ferromagnetic layer 3 to the spin glass layer 1. Therefore, the spin-polarized electrons act to change the magnetization direction of the spin glass layer 1 in the same direction as the magnetization direction of the first ferromagnetic layer. At this time, the place where the spin glass is easily induced is that the magnetization direction changes with a current value smaller than the critical current value of the spin inflow magnetization reversal necessary for the entire spin glass layer 1 to reverse the magnetization, thereby inducing the spin glass. It is possible. Conversely, when a current is passed from the first ferromagnetic layer 3 to the spin glass layer 1, spin-polarized electrons flow from the spin glass layer 1 to the first ferromagnetic layer 3. Therefore, the spin-polarized electrons act to change the magnetization direction of the spin glass layer 1 in the direction opposite to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer. By this effect, the portion where the spin glass is induced is magnetized in the same direction as the portion where the spin glass is not induced, and the spin glass region can be lost.

本発明の一実施形態に係るスピングラス利用型磁気メモリは、磁化自由層としてスピングラス層を備える磁気抵抗効果素子を備えるので、磁気抵抗効果素子の抵抗値としてアナログ的な抵抗値を出力できる。この原理について以下に説明する。   The spin glass-based magnetic memory according to an embodiment of the present invention includes a magnetoresistive effect element including a spin glass layer as a magnetization free layer, and thus can output an analog resistance value as the resistance value of the magnetoresistive effect element. This principle will be described below.

図6は、スピングラス層におけるスピングラス領域の割合と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を概念的に示すグラフである。
スピングラス層にスピングラス領域が発生していない時すなわち、スピングラス層におけるスピングラス領域の割合がゼロのときには、スピングラス層の磁化の向きと第1強磁性層の磁化の向きとが反平行であり、磁気抵抗効果素子部の抵抗値は最大となる。
一方、スピングラス層にスピン偏極電流(書き込み電流)を流して、スピングラス層内にスピングラス領域を発生させると、スピングラス層におけるスピングラス領域の割合が増加する。グラフの横軸(スピングラス領域の割合)は、スピン偏極電流(書き込み電流)をパルスで流す場合には、パルスの回数に相当する。スピングラス領域は磁気秩序が乱れているためにスピングラス層の磁化には寄与しない。従って、スピングラス領域の割合が増加すれば、磁化に寄与する領域が減少し、スピングラス層の磁化は小さくなり、磁気抵抗が低下していく。この磁気抵抗の低下はアナログ的であり、スピングラス領域はスピングラス転移温度以下である限りは安定的に存在する。従って、本発明の磁気抵抗効果素子を備えたスピングラス利用型磁気メモリでは、スピン偏極電流(書き込み電流)の大きさによって、データをアナログ的に書き込むことが可能となる。
FIG. 6 is a graph conceptually showing the relationship between the ratio of the spin glass region in the spin glass layer and the resistance value of the magnetoresistive effect element.
When the spin glass region is not generated in the spin glass layer, that is, when the ratio of the spin glass region in the spin glass layer is zero, the magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer are antiparallel. And the resistance value of the magnetoresistive element portion is maximized.
On the other hand, when a spin polarization region (write current) is passed through the spin glass layer to generate a spin glass region in the spin glass layer, the proportion of the spin glass region in the spin glass layer increases. The horizontal axis (ratio of the spin glass region) of the graph corresponds to the number of pulses when a spin-polarized current (write current) is flowed in pulses. The spin glass region does not contribute to the magnetization of the spin glass layer because the magnetic order is disturbed. Therefore, if the proportion of the spin glass region increases, the region contributing to magnetization decreases, the magnetization of the spin glass layer decreases, and the magnetoresistance decreases. This decrease in magnetoresistance is analog, and the spin glass region exists stably as long as it is below the spin glass transition temperature. Therefore, in the spin glass-based magnetic memory including the magnetoresistive effect element of the present invention, data can be written in an analog manner depending on the magnitude of the spin polarization current (write current).

本発明の磁気抵抗効果素子においては、母体のフェリ磁性の磁気秩序が層全体で維持された状態であることが前提になるので、スピングラス領域の起点となる非母体材料の濃度は母体のフェリ磁性の磁気秩序が維持可能な量になる。そのため、スピングラス領域の割合が増加による、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の低下の大きさも、その非母体材料の濃度で決まることになる。   In the magnetoresistive effect element of the present invention, it is assumed that the parent ferrimagnetic magnetic order is maintained in the entire layer. Therefore, the concentration of the non-matrix material that is the starting point of the spin glass region is The amount of magnetic ordering can be maintained. Therefore, the magnitude of the decrease in magnetoresistance of the magnetoresistive element due to the increase in the proportion of the spin glass region is also determined by the concentration of the non-matrix material.

スピングラス領域の発生についてミクロにみると、スピン偏極した電子がスピングラス層に注入されることで、スピングラス層を構成するフェリ磁性材料及び非母体材料の局在スピンはスピン偏極した電子からスピン角運動量を受け取り、スピングラス現象の起点となる非母体材料の局在スピンの周囲ではフェリ磁性材料の局在スピンがフェリ磁性としての磁気秩序を失った状態で固定されて、スピングラス領域が生成されることになる(図2参照)。
スピングラス層の磁化の反転については、臨界電流密度を超える電流密度でかつ十分な時間のスピン偏極電流が流された場合には、この磁化反転トルクによってスピングラス層の磁化は反転する。一方、磁化反転に至らない程度のスピン偏極電流の場合には、スピングラス層の磁化の向きは元のままとなるが、その大きさは、スピングラス領域が発生した分だけ低下する。スピン角運動量の移行(スピントランスファー)は確率的なものなので、スピン偏極電流の電流密度が高いほど、あるいは流される時間の長さ(電流パルスの場合には、パルスの長さ)が長いほど、スピングラス領域の割合は大きくなる。
Looking at the generation of the spin glass region at a microscopic level, spin-polarized electrons are injected into the spin glass layer, so that the localized spins of the ferrimagnetic material and non-matrix material constituting the spin glass layer are spin-polarized electrons. Around the localized spin of the non-matrix material that receives the spin angular momentum from the spin glass phenomenon, and the spin of the ferrimagnetic material is fixed in a state of losing the magnetic order as ferrimagnetism, and the spin glass region Is generated (see FIG. 2).
Regarding the reversal of the magnetization of the spin glass layer, when a spin polarization current having a current density exceeding the critical current density and for a sufficient time is applied, the magnetization of the spin glass layer is reversed by this magnetization reversal torque. On the other hand, in the case of a spin-polarized current that does not lead to magnetization reversal, the magnetization direction of the spin glass layer remains the same, but the magnitude is reduced by the amount of generation of the spin glass region. Since the transfer of spin angular momentum (spin transfer) is probabilistic, the higher the current density of the spin-polarized current, or the longer the flow time (in the case of current pulses, the pulse length) The proportion of the spin glass region increases.

図1で示した磁気抵抗効果素子を備えたスピングラス利用型磁気メモリについて、書き込み及び読み出しについて以下に説明する。   Writing and reading of the spin glass-based magnetic memory including the magnetoresistive effect element shown in FIG. 1 will be described below.

まず、従来のMRAMについて説明する。
MRAMは、GMR(Giant Magneto Resistance)効果やTMR(Tunnel Magneto Resistance)効果などの磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える。磁気抵抗効果素子は例えば、非磁性層を介して2層の強磁性層が積層された積層構造を有するものである。2層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層(ピン層)と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層(フリー層)である。磁気抵抗効果素子の電気抵抗の値は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが反平行であるときの方がそれらが平行であるときよりも大きい。MRAMのメモリセルである磁気抵抗効果素子では、この抵抗値の大きさの差を利用して磁化が平行の状態をデータ“0”に、反平行の状態をデータ“1”に対応づけることにより、データを不揮発的に記憶される。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子を貫通するように(積層構造を貫くように)読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、スピン偏極電流を流して磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
First, a conventional MRAM will be described.
The MRAM includes a magnetoresistive element using a magnetoresistive effect such as a GMR (Giant Magneto Resistance) effect and a TMR (Tunnel Magneto Resistance) effect as a memory cell. The magnetoresistive element has, for example, a laminated structure in which two ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer. The two ferromagnetic layers are a magnetization fixed layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed. The value of the electric resistance of the magnetoresistive element is larger when the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are antiparallel than when they are parallel. In the magnetoresistive effect element which is an MRAM memory cell, by utilizing the difference in resistance value, the magnetization parallel state is associated with data “0” and the antiparallel state is associated with data “1”. The data is stored in a nonvolatile manner. Data is read by passing a read current so as to penetrate the magnetoresistive element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive element. On the other hand, data is written by passing a spin-polarized current and reversing the magnetization direction of the magnetization free layer.

現在主流のデータの書き込み方式として、スピントランスファートルク(Spin Transfer Torque)を利用した「STT方式」が知られている。STT方式では、磁化自由層にスピン偏極電流が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと磁化自由層の磁気モーメントとの間の相互作用によって、磁化自由層にトルクが発生し、トルクが十分大きい場合に磁化が反転する。この磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。STT方式として、磁気抵抗効果素子を貫通するように書き込み電流を流す方式(例えば、特許文献1)や、磁気抵抗効果素子を貫通させず、磁化自由層の面内方向に書き込み電流を流す方式(例えば、特許文献4)が知られている。
データの読み出しは、磁気抵抗効果素子を貫通するように(積層構造を貫くように)読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行なわれる。すなわち、非磁性層を介した磁化固定層と磁化自由層との間で電流を流し、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角に応じた抵抗の変化を検出することで行う。
As the current mainstream data writing method, the “STT method” using spin transfer torque is known. In the STT method, a spin-polarized current is injected into the magnetization free layer, and a torque is generated in the magnetization free layer due to the interaction between the spin of conduction electrons carrying the current and the magnetic moment of the magnetization free layer. When it is sufficiently large, the magnetization is reversed. Since this magnetization reversal is more likely to occur as the current density increases, the write current can be reduced as the memory cell size is reduced. As the STT method, a method of flowing a write current so as to penetrate the magnetoresistive effect element (for example, Patent Document 1), or a method of flowing a write current in the in-plane direction of the magnetization free layer without penetrating the magnetoresistive effect element ( For example, Patent Document 4) is known.
Data is read by passing a read current so as to penetrate the magnetoresistive element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive element. That is, it is performed by passing a current between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer via the nonmagnetic layer and detecting a change in resistance according to the relative angle between the magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization of the magnetization free layer. .

これに対して、本発明のスピングラス利用型磁気メモリは、デジタル的にデータを記憶できる点は、上述の従来のMRAMと同様であるが、それに加えて、アナログ的にもデータを記憶できる点が従来のMRAMと異なる。
すなわち、磁気抵抗効果素子を貫通するように、磁化自由層であるスピングラス層(第2強磁性層を備える場合には、スピングラス層及び第2強磁性層)のスピン注入磁化反転の臨界電流よりも大きな書き込み電流を印可して磁化自由層の磁化を反転させることにより、第1強磁性層の磁化と、スピングラス層(あるいは、スピングラス層及び第2強磁性層)の磁化との間の平行又は反平行の状態を作る、換言すると、データ“0”又はデータ“1”を記憶させることができる点は、従来のMRAMと同様である。
これに加えて、反平行の状態において、磁化自由層を反転しない程度に書き込み電流を流すことでスピングラス層内にスピングラス領域を発生させることで、反平行時の磁気抵抗値よりは低い磁気抵抗値を記憶させることができる。この磁気抵抗値が離散的になるように書き込み電流を制御すると、多値的な記憶が可能となるし、磁気抵抗値が実質的に連続的になるように書き込み電流を制御すると、アナログ的な記憶が可能となる。これは、本発明のスピングラス利用型磁気メモリが、スピングラス利用型磁気メモリが備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えることによって可能となる。
On the other hand, the spin glass-based magnetic memory of the present invention is similar to the conventional MRAM described above in that data can be stored digitally, but in addition, data can be stored in an analog manner. Is different from the conventional MRAM.
That is, the critical current of the spin injection magnetization reversal of the spin glass layer (in the case of including the second ferromagnetic layer, the spin glass layer and the second ferromagnetic layer) that is a magnetization free layer so as to penetrate the magnetoresistive effect element By applying a larger write current and reversing the magnetization of the magnetization free layer, it is between the magnetization of the first ferromagnetic layer and the magnetization of the spin glass layer (or the spin glass layer and the second ferromagnetic layer). This is the same as the conventional MRAM in that data “0” or data “1” can be stored.
In addition, in the antiparallel state, a spin glass region is generated in the spin glass layer by flowing a write current to such an extent that the magnetization free layer is not reversed, so that the magnetic resistance value is lower than the magnetoresistance value in the antiparallel state. The resistance value can be stored. If the write current is controlled so that the magnetoresistive value is discrete, multi-level storage is possible, and if the write current is controlled so that the magnetoresistive value is substantially continuous, it is analog. Memory becomes possible. This is a control circuit that controls the spin glass-based magnetic memory of the present invention to flow a write current that allows the resistance value of the magnetoresistive effect element included in the spin glass-based magnetic memory to be used in a multivalued or analog manner. This is possible by providing a current source having

発生したスピングラス領域を消失させるためには、スピングラス領域を発生させた方向と逆向きに磁気抵抗効果素子を貫通する電流を流せばよい。
すなわち、第1強磁性層3からスピングラス層1に電流を流すと、スピン偏極した電子はスピングラス層1から第1強磁性層3に流れる。したがって、スピン偏極した電子はスピングラス層1の磁化の向きを第1強磁性層の磁化の向きと逆の方向に変化させるように働く。この効果によってスピングラスが誘起された部分はスピングラスが誘起されていない部分と同じ方向に磁化することとなり、スピングラス領域が消失させることが可能である。
In order to eliminate the generated spin glass region, a current passing through the magnetoresistive effect element may be passed in a direction opposite to the direction in which the spin glass region is generated.
That is, when a current is passed from the first ferromagnetic layer 3 to the spin glass layer 1, spin-polarized electrons flow from the spin glass layer 1 to the first ferromagnetic layer 3. Therefore, the spin-polarized electrons act to change the magnetization direction of the spin glass layer 1 in the direction opposite to the magnetization direction of the first ferromagnetic layer. By this effect, the portion where the spin glass is induced is magnetized in the same direction as the portion where the spin glass is not induced, and the spin glass region can be lost.

他の方法としては、磁気抵抗効果素子がスピングラス転移温度を超える温度となるようにすればよい。例えば、磁気抵抗効果素子を貫通する電流によるジュール熱によって、磁気抵抗効果素子を、スピングラス転移温度を超える温度にすることで発生したスピングラス領域を消失させることができる。   As another method, the magnetoresistive element may be set to a temperature exceeding the spin glass transition temperature. For example, the spin glass region generated by bringing the magnetoresistive element to a temperature exceeding the spin glass transition temperature by Joule heat due to the current passing through the magnetoresistive element can be eliminated.

データの読み出しは上述の従来のMRAMと同様に、磁気抵抗効果素子を貫通するように(積層構造を貫くように)読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行うことができる。   Similar to the above-described conventional MRAM, data is read by passing a read current so as to penetrate the magnetoresistive element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive element. it can.

(磁気ニューロン素子)
本発明の磁気ニューロン素子は、本発明のスピングラス利用型磁気メモリを備え、そのスピングラス利用型磁気メモリが備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備え、その制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも3つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できるものである。
(Magnetic neuron element)
The magnetic neuron device of the present invention includes the spin glass-based magnetic memory of the present invention, and a write current that can use the resistance value of the magnetoresistive effect element included in the spin glass-based magnetic memory in a multivalued or analog manner. A current source having a control circuit that controls to flow, and the control circuit can control to flow a write current having a pulse number that makes at least three resistance ranges that can be read by the difference in resistance value of the magnetoresistive effect element Is.

本発明のスピングラス利用型磁気メモリはシナプスの動作を模擬する素子である磁気ニューロン素子として利用することができる。シナプスでは外部からの刺激に対して線形な出力を持つことが好ましい。また、逆向きの負荷が与えられた際にはヒステリシスがなく、可逆することが好ましい。図6に示したように、本発明の磁気抵抗効果素子では、スピングラス領域の割合が連続的に変化する。図6の横軸は書き込み電流のパルス数と見なすことができ、比較的線形な抵抗変化を示すことができる。また、抵抗変化は電流の大きさと印可される電流パルスの時間に依存して変化させることができるため、電流の大きさと向き、さらに、印可される電流パルスの時間を外部からの負荷として見なすことができる。   The spin glass-based magnetic memory of the present invention can be used as a magnetic neuron element that is an element that simulates synaptic operation. At the synapse, it is preferable to have a linear output with respect to external stimuli. In addition, when a reverse load is applied, it is preferable that there is no hysteresis and that the load is reversible. As shown in FIG. 6, in the magnetoresistive effect element of the present invention, the proportion of the spin glass region changes continuously. The horizontal axis in FIG. 6 can be regarded as the number of pulses of the write current, and can show a relatively linear resistance change. In addition, the resistance change can be changed depending on the magnitude of the current and the time of the applied current pulse, so that the magnitude and direction of the current and the time of the applied current pulse are regarded as an external load. Can do.

(主記憶段階)
読出しの抵抗が変化し始めると、電流をさらに流すことで外部からの負荷とし、負荷にある程度比例した読出し時の抵抗変化となる。これが主記憶段階である。すなわち、読出しの抵抗が変化する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶことができる。読出しの抵抗が変化し始める直前の段階を記憶、あるいは、無記憶と定義し、読出しの抵抗の変化が止まる段階を無記憶、あるいは、記憶と定義することができる。当然、書き込み電流を逆向きにすると、逆の作用となる。
(Main memory stage)
When the reading resistance starts to change, an additional load is applied to the external load, resulting in a resistance change during reading that is proportional to the load to some extent. This is the main memory stage. That is, the case where the reading resistance changes can be called a main memory stage of memory. The stage immediately before the reading resistance starts to change can be defined as memory or no memory, and the stage at which the reading resistance stops changing can be defined as no memory or memory. Naturally, if the write current is reversed, the reverse effect is obtained.

(記憶の忘却段階)
スピングラス領域を消失させることによって、記憶を忘却することができる。本発明のスピングラス利用型磁気メモリでは出力が一定の低抵抗と高抵抗の値を示すため、記憶と無記憶は定義によって決定されなければならない。また、スピングラス領域の生成や消失させる場合にはランダムとなるため、複数のスピングラス利用型磁気メモリ間での情報の相関が失われる。これらを記憶の忘却段階と呼ぶことができる。
(Forgetting memory stage)
By erasing the spin glass region, the memory can be forgotten. In the spin glass-based magnetic memory according to the present invention, since the output exhibits constant low resistance and high resistance values, memory and non-memory must be determined by definition. In addition, since the spin glass region is randomized when generated or lost, the information correlation between the plurality of spin glass-based magnetic memories is lost. These can be called the memory forgetting stage.

(磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳)
本発明の磁気ニューロン素子はシナプスの動きを模擬し、主記憶段階を経ることができるメモリである。本発明のスピングラス利用型磁気メモリを複数回路上に設置し、脳の模擬をすることが可能である。一般的なメモリのように縦横に均等にアレイさせた配置では集積度が高い脳を形成することが可能である。
また、図7に示したように特定の回路を持った複数の磁気ニューロン素子を一つの塊として、アレイさせた配置では、外部負荷からの認識度が異なる脳を形成することが可能である。例えば、色について感度の良い脳や言語の理解度が高い脳などの個性を生むことができる。つまり、外部のセンサから入手された情報を、視覚、味覚、触覚、嗅覚及び聴覚認識に最適化された五感領域で認識の処理を行い、さらに、論理的思考領域で判断することによって、次の行動を決定するというプロセスを形成させることが可能である。さらに、スピングラス層の材料を変化させると、負荷に対するスピングラス領域の発生速度やスピングラス領域の形成方法が変化するため、その変化を個性とした人工的な脳を形成することが可能となる。
(Artificial brain using magnetic neuron elements)
The magnetic neuron device of the present invention is a memory that simulates synaptic movement and can undergo a main memory stage. The spin glass-based magnetic memory of the present invention can be installed on a plurality of circuits to simulate the brain. A brain with a high degree of integration can be formed with an arrangement in which the arrays are arranged vertically and horizontally like a general memory.
Further, as shown in FIG. 7, in the arrangement in which a plurality of magnetic neuron elements having specific circuits are arrayed as one lump, it is possible to form brains having different degrees of recognition from external loads. For example, it is possible to produce individuality such as a brain that is sensitive to color and a brain that has a high level of language understanding. In other words, information obtained from an external sensor is recognized in the five sense areas optimized for vision, taste, touch, smell, and auditory recognition, and further judged by the logical thinking area, It is possible to form a process of determining actions. Furthermore, if the material of the spin glass layer is changed, the generation rate of the spin glass region with respect to the load and the formation method of the spin glass region change, so that it becomes possible to form an artificial brain with such changes as individuality. .

1 スピングラス層
2 非磁性層
3 第1強磁性層
4 第2強磁性層
5 スピン軌道トルク層
100 磁気抵抗効果素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spin glass layer 2 Nonmagnetic layer 3 1st ferromagnetic layer 4 2nd ferromagnetic layer 5 Spin orbit torque layer 100 Magnetoresistive effect element

Claims (9)

フェリ磁性材料を母体材料とするスピングラス層と、非磁性層と、磁化方向が固定された第1強磁性層とをこの順に備え、
前記スピングラス層の磁化の向きと前記第1強磁性層の磁化の向きとが反平行となり得る磁気抵抗効果素子。
A spin glass layer whose base material is a ferrimagnetic material, a nonmagnetic layer, and a first ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed are provided in this order,
A magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of the spin glass layer and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer can be antiparallel.
前記スピングラス層と前記非磁性層との間に第2強磁性層を備える請求項1に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive element according to claim 1, further comprising a second ferromagnetic layer between the spin glass layer and the nonmagnetic layer. 前記スピングラス層の、前記非磁性層を備える側の反対側の面にスピン軌道トルク層を備える請求項1又は2のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。   3. The magnetoresistive element according to claim 1, further comprising a spin orbit torque layer on a surface of the spin glass layer opposite to the side including the nonmagnetic layer. 前記フェリ磁性材料は、AB4−xで表されるスピネル材料、または、BA4−xで表される逆スピネル材料である請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子;ここで、AはMn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Mgの1つ以上の元素、Bは、Fe,Cr,Ti,Mg,Mn,Niの一つ以上の元素である。 The ferrimagnetic material, AB 2 O spinel materials represented by 4-x or magnetic according to any one of claims 1 to 3 is an inverse spinel material represented by BA 2 O 4-x, Here, A is one or more elements of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, and Mg, and B is one or more elements of Fe, Cr, Ti, Mg, Mn, and Ni. is there. 前記スピングラス層の前記スピネル材料、または、前記逆スピネル材料は酸素欠損している請求項4に記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive element according to claim 4, wherein the spinel material or the reverse spinel material of the spin glass layer is deficient in oxygen. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を用いた熱履歴センサ。   The thermal history sensor using the magnetoresistive effect element as described in any one of Claims 1-5. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子と、該磁気抵抗効果素子に対して積層方向に電流を流す電流源とを備えたスピングラス利用型磁気メモリ。   A spin glass-based magnetic memory comprising: the magnetoresistive effect element according to any one of claims 1 to 5; and a current source for causing a current to flow in the stacking direction with respect to the magnetoresistive effect element. 請求項7に記載のスピングラス利用型磁気メモリが備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えたスピングラス利用型磁気メモリ。   A spin comprising a current source having a control circuit for controlling a write current that allows a multi-value or analog use of a resistance value of a magnetoresistive effect element included in the spin glass-based magnetic memory according to claim 7 Glass-based magnetic memory. 請求項8に記載のスピングラス利用型磁気メモリを備え、
前記制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも3つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できる磁気ニューロン素子。
A spin glass-based magnetic memory according to claim 8,
A magnetic neuron element that can be controlled so that the control circuit passes a write current having a pulse number in at least three resistance ranges that can be read depending on a difference in resistance value of the magnetoresistive element.
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