JP2018182291A - Domain wall utilization type analog memory element, domain wall utilization type analog memory, nonvolatile logic circuit, and magnetic neuro element - Google Patents

Domain wall utilization type analog memory element, domain wall utilization type analog memory, nonvolatile logic circuit, and magnetic neuro element Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a domain wall utilization type analog memory element capable of recording data with multiple values or analog and stably reading out the data.SOLUTION: A domain wall utilization type analog memory element according to the present invention includes a magnetization fixed layer whose magnetization is oriented in a first direction, a nonmagnetic layer provided on one surface of the magnetization fixed layer, a domain wall driving layer that includes a first region in which magnetization is oriented in the first direction, a second region in which magnetization is oriented in a second direction opposite to the first direction, a domain wall forming an interface between these regions and that is provided to sandwich the nonmagnetic layer with respect to the magnetization fixed layer, and current control means that causes a current to flow between the magnetization fixed layer and the second region at the time of reading.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、磁壁利用型アナログメモリ素子、磁壁利用型アナログメモリ、不揮発性ロジック回路及び磁気ニューロ素子に関する。   The present invention relates to a domain wall based analog memory device, a domain wall based analog memory, a non-volatile logic circuit and a magnetic neuro device.

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録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 replacing flash memory etc. which has seen limits in miniaturization, resistance change type memory which records data using resistance change type elements, for example, MRAM (MagnetroResistive Random Access Memory), ReRAM (Resistance Network) Attention has been focused on Random Access Memory (PC), Phase Change Random Access Memory (PCRAM), and the like.

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 of increasing the density of a memory (increasing the capacity), there is a method of multileveling recording bits per element constituting a memory in addition to a method of reducing an element constituting the memory itself. Methods have been proposed (for example, Patent Documents 1 to 3).

また特許文献4や特許文献5には、磁壁利用型MRAMを用いた多値記録やアナログ記録について記載されている。磁壁利用型MRAMは、電流を磁壁駆動層(磁化自由層)の面内方向に流し、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。磁壁駆動層の磁壁は、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移動する。   Patent Document 4 and Patent Document 5 describe multi-value recording and analog recording using a domain wall utilizing MRAM. In the domain wall utilizing type MRAM, data writing is performed by flowing current in the in-plane direction of the domain wall driving layer (magnetization free layer) and reversing the magnetization of the ferromagnetic film in the direction according to the direction of the write current. The domain wall of the domain wall drive layer moves by the spin transfer effect by spin-polarized electrons.

一方で読出し時には、磁壁利用型MRAMは、磁化固定層の磁化方向と、磁化記録層の中央領域の平均的な磁化方向との相対関係に応じて変化する磁気抵抗効果素子の抵抗値変化をデータとして読み出す。磁化記録層の中央領域の平均的な磁化方向は、磁化記録層の中央領域の磁化状態(磁壁の位置)に応じて変化する。さらに、特許文献5には、磁壁利用型MRAMをメモリアレイの電流読みだし回路に使用する例が記載されている。磁壁駆動層の一端は接地され、他方の固定磁化領域にメモリアレイからの電流が入力される。電流の向きによって磁壁層の磁化方向が、磁化固定層と平行、もしくは反平行状態になることで電流モードコンパレータとして機能する。   On the other hand, at the time of reading, in the domain wall utilizing type MRAM, the resistance value change of the magnetoresistive element, which changes in accordance with the relative relationship between the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the average magnetization direction of the central region of the magnetization recording layer Read as The average magnetization direction of the central region of the magnetization recording layer changes in accordance with the magnetization state (the position of the domain wall) of the central region of the magnetization recording layer. Further, Patent Document 5 describes an example in which a domain wall utilizing type MRAM is used for a current reading circuit of a memory array. One end of the domain wall drive layer is grounded, and the current from the memory array is input to the other fixed magnetization region. The magnetization direction of the domain wall layer becomes parallel or antiparallel to the magnetization fixed layer depending on the direction of the current, thereby functioning as a current mode comparator.

特開2015−88669号公報JP, 2015-88669, A 国際公開第2009/072213号International Publication No. 2009/072213 特開2016−4924号公報JP, 2016-4924, A 国際公開第2009/101827号WO 2009/101827 米国特許第9489618号明細書U.S. Patent No. 9489618

しかしながら、特許文献4には、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化によりデータを読み出すことしか記載されておらず、読出し電流をどのように印加すべきかについては記載されていない。そのため、磁化状態(磁壁の位置)に応じて変化する抵抗値変化が線形にならず、多値的に書き込んだ情報を安定的に読み出すことができない場合があった。特許文献5では、目的が情報の記憶ではなく、ビット線の電流を検出する目的であり、従来型二値メモリの読み出しと同等の機能を提供するのみである。   However, Patent Document 4 only describes reading data by a change in resistance value of the magnetoresistive element, and does not describe how to apply a read current. Therefore, the resistance value change which changes according to the magnetization state (the position of the domain wall) does not become linear, and it may not be possible to stably read the information written in multiple values. In Patent Document 5, the purpose is not to store information, but to detect the current of a bit line, and only provides the same function as reading of a conventional binary memory.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アナログ記録データを安定的に読み出すことができる磁壁利用型アナログメモリ素子、磁壁利用型アナログメモリ、不揮発性ロジック回路及び磁気ニューロ素子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 domain wall utilizing analog memory element, domain wall utilizing analog memory, non-volatile logic circuit and magnetic neuro device capable of stably reading analog recording data. The purpose is

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)第1の態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子は、第1の方向に磁化が配向した磁化固定層と、前記磁化固定層の一面に設けられた非磁性層と、前記第1の方向に磁化が配向した第1領域と、前記第1の方向と反対の第2の方向に磁化が配向した第2領域と、これらの領域の界面をなす磁壁と、を有し、前記磁化固定層に対して前記非磁性層を挟んで設けられた磁壁駆動層と、読み出し時に前記磁化固定層と前記第2領域との間に電流を流す電流制御手段と、を備える。 (1) In the domain wall utilizing type analog memory element according to the first aspect, there is provided a magnetization fixed layer whose magnetization is oriented in a first direction, a nonmagnetic layer provided on one surface of the magnetization fixed layer, and the first magnetic memory. The magnetization fixed, comprising a first region in which magnetization is oriented in one direction, a second region in which the magnetization is oriented in a second direction opposite to the first direction, and a domain wall forming an interface between these regions; And a current control means for causing an electric current to flow between the magnetization fixed layer and the second region at the time of reading.

(2)上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に接し、前記第1の方向又は前記第2の方向に配向した磁化を有する磁化供給層であってもよい。 (2) In the domain wall utilizing type analog memory element according to the above aspect, the first domain wall supplying layer is provided with first magnetization supplying means for supplying the domain oriented magnetization in the first direction and the domain oriented magnetization in the second direction. The device further includes a second magnetization supply unit, and at least one of the first magnetization supply unit and the second magnetization supply unit is in contact with the domain wall driving layer, and is oriented in the first direction or the second direction. The magnetization supply layer may have a different magnetization.

(3)上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層と電気的に絶縁され、前記磁壁駆動層に対して交差する方向に延在する配線であってもよい。 (3) In the domain wall utilizing type analog memory element according to the above aspect, the first domain wall supplying layer is provided with first magnetization supplying means for supplying the domain oriented magnetization in the first direction and the domain oriented magnetization in the second direction. The device further includes second magnetization supply means, and at least one of the first magnetization supply means and the second magnetization supply means is electrically insulated from the domain wall drive layer and intersects the domain wall drive layer. It may be a wire extending in the direction.

(4)上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に接し、前記磁壁駆動層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であってもよい。 (4) In the domain wall utilization type analog memory element according to the above aspect, the first domain wall supplying layer is supplied with first magnetization supplying means for supplying the domain oriented magnetization in the first direction, and the domain magnetization using the second domain. The device further includes a second magnetization supply unit, and at least one of the first magnetization supply unit and the second magnetization supply unit is in contact with the domain wall drive layer and extends in a direction intersecting the domain wall drive layer. The spin track torque wiring may be used.

(5)上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に絶縁層を介して接続された電圧印加手段であってもよい。 (5) In the domain wall utilization type analog memory element according to the above aspect, the first domain wall supplying layer is supplied with first magnetization supplying means for supplying the domain oriented magnetization in the first direction, and the domain is used for supplying the domain oriented magnetization. The voltage application unit may further include a second magnetization supply unit, and at least one of the first magnetization supply unit and the second magnetization supply unit may be a voltage application unit connected to the domain wall driving layer via an insulating layer. Good.

(6)上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子において、前記電流制御手段が、読出し時に前記第2の領域の電位を前記磁化固定層の電位より低く設定する電位制御手段であってもよい。 (6) In the domain wall utilization type analog memory element according to the above aspect, the current control means may be a potential control means for setting the potential of the second region lower than the potential of the magnetization fixed layer at the time of reading.

(7)上記態様にかかる磁壁利用型アログメモリ素子において、前記電流制御手段が、電流の流れ方向を制御する整流素子であってもよい。 (7) In the domain wall utilizing analog memory device according to the above aspect, the current control means may be a rectifying device for controlling the flow direction of the current.

(8)第2の態様にかかる磁壁利用型アナログメモリは、上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える。 (8) The domain wall based analog memory according to the second aspect includes a plurality of domain wall based analog memory elements according to the above aspect.

(9)第3の態様にかかる不揮発性ロジック回路は、上記態様にかかる磁壁利用型アナログメモリがアレイ状に配置され、前記アレイ内あるいは前記アレイ以外のいずれかにSTT−MRAMを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として前記磁壁利用型アナログメモリ及び前記STT−MRAMを備えてなる。 (9) The nonvolatile logic circuit according to the third aspect includes the domain wall based analog memory according to the above aspect arranged in an array, and the STT-MRAM is provided in either the array or the array, and the storage function And a logic function, and includes the domain wall utilizing analog memory and the STT-MRAM as a memory function.

(10)第4の態様にかかる磁気ニューロ素子は、上記態様にかかる磁磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、前記磁壁駆動層は、長手方向に並ぶ第1記憶部と、該第1記憶部を挟む第2記憶部および第3記憶部とを有し、前記第1記憶部、前記第2記憶部および前記第3記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を制御する制御回路を有する電流源を備える。 (10) A magnetic neuro device according to a fourth aspect comprises the domain wall utilizing type analog memory element according to the above aspect, wherein the domain wall drive layer comprises a first storage unit aligned in the longitudinal direction, and the first storage unit. The domain wall is sequentially moved so as to stay at least once in all the storage units of the first storage unit, the second storage unit, and the third storage unit, having a second storage unit and a third storage unit interposed therebetween. And a current source having a control circuit that controls the obtained write current.

本発明の磁壁利用型アナログメモリ素子によれば、データを多値又はアナログで記録でき、かつこれらのデータを安定的に読み出すことができる。   According to the domain wall utilizing analog memory device of the present invention, data can be recorded in multiple values or in an analog manner, and these data can be read stably.

第1実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ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 magnetic wall utilization type analog memory element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の書き込み動作を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a write operation of the domain wall based analog memory element according to the first embodiment. 第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の読み出し動作を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a read operation of the domain wall utilizing type analog memory element according to the first embodiment. データの読み出し時の回路の一部を模式的に示した図であり、(a)は本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子のように磁化固定層の磁化と配向方向が反対の磁化が存在する方向に読み出し電流を流した場合の回路図であり、(b)は磁化固定層の磁化と配向方向が同一の磁化が存在する方向に読み出し電流を流した場合の回路図である。FIG. 7 schematically shows a part of the circuit at the time of data read-out. (A) is a magnetization of the magnetization fixed layer opposite in magnetization direction to the magnetization direction as in the domain wall utilizing type analog memory element according to the present embodiment. It is a circuit diagram at the time of sending a reading current in the existing direction, and (b) is a circuit diagram at the time of sending a reading current in the direction in which the magnetization of the magnetization fixed layer and the orientation direction are the same. 第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の斜視模式図である。FIG. 7 is a schematic perspective view of a domain wall based analog memory element according to a second embodiment; 第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の別の例の斜視模式図である。FIG. 16 is a schematic perspective view of another example of the domain wall based analog memory element according to the second embodiment. 第3実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の斜視模式図である。It is a perspective view schematic diagram of a domain wall utilization type analog memory element concerning a 3rd embodiment. 第4実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の斜視模式図である。It is a perspective view schematic diagram of a domain wall utilization type analog memory element concerning a 4th embodiment. 第4実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子の別の例の斜視模式図である。FIG. 18 is a schematic perspective view of another example of the domain wall based analog memory element according to the fourth embodiment. 本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリの回路構造の一例を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically an example of the circuit structure of the domain wall utilization type | mold analog memory concerning this embodiment. 本実施形態にかかる磁気ニューロ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 magnetic neuro device concerning this embodiment. 本実施形態にかかる磁気ニューロ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 neuro element concerning this embodiment. 本実施形態にかかる磁気ニューロ素子をアレイ配置した積和演算回路である。It is a product-sum operation circuit in which the magnetic neuro elements according to the present embodiment are arranged in an array.

以下、本実施形態について、図面を用いてその構成を説明する。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い。   Hereinafter, the configuration of the present embodiment will be described using the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the features that are the features may be enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratio of each component is not necessarily the same as the actual. Further, the materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited thereto.

「第1実施形態」
(磁壁利用型アナログメモリ素子)
図1は、第1実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ素子の一例の断面模式図である。図1に示す磁壁利用型アナログメモリ素子は、磁化固定層1と、非磁性層2と、磁壁駆動層3と、第1磁化供給層4と、第2磁化供給層5と、電流制御手段(図示略)とを備える。
First Embodiment
(A domain wall type analog memory device)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of a domain wall based analog memory device according to the first embodiment. The domain wall utilizing type analog memory element shown in FIG. 1 comprises a magnetization fixed layer 1, a nonmagnetic layer 2, a domain wall drive layer 3, a first magnetization supply layer 4, a second magnetization supply layer 5 and a current control means ( Not shown).

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。   In FIG. 1, the stacking direction of each layer, that is, the direction orthogonal to the main surface of each layer (perpendicular direction) is defined as the Z direction. Each layer is formed in parallel to the XY plane orthogonal to the Z direction.

「磁化固定層」
磁化固定層1は、磁化M1が第1の方向に配向し、固定された層である。ここで、磁化が固定されるとは、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)ことを意味する。
"Magnetic fixed layer"
The magnetization fixed layer 1 is a layer in which the magnetization M1 is oriented and fixed in the first direction. Here, that the magnetization is fixed means that the magnetization direction does not change (the magnetization is fixed) before and after the writing using the write current.

図1に示す例では、磁化固定層1は磁化M1が面内磁気異方性(面内磁化容易軸)を有する面内磁化膜である。磁化固定層1は、面内磁化膜に限られず、垂直磁気異方性(垂直磁化容易軸)を有する垂直磁化膜であってもよい。   In the example shown in FIG. 1, the magnetization fixed layer 1 is an in-plane magnetization film in which the magnetization M1 has in-plane magnetic anisotropy (in-plane magnetization easy axis). The magnetization fixed layer 1 is not limited to the in-plane magnetization film, and may be a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy (perpendicular magnetization easy axis).

磁化固定層1が面内磁化膜であると、高いMR比を有し、読み込み時にスピントランスファートルク(STT)による影響を受けにくく、読み取り電圧を大きくできる。一方、素子を微小化したい場合には磁気異方性が大きく、反磁界が小さい、垂直磁化膜を用いることが好ましい。垂直磁化膜は、熱擾乱に対する耐性が大きいため、データが消去されにくい。   If the magnetization fixed layer 1 is an in-plane magnetization film, it has a high MR ratio, is not easily affected by the spin transfer torque (STT) at the time of reading, and the read voltage can be increased. On the other hand, when it is desired to miniaturize the element, it is preferable to use a perpendicular magnetization film having a large magnetic anisotropy and a small demagnetizing field. The perpendicular magnetization film has high resistance to thermal disturbance, so that data is difficult to erase.

磁化固定層1には、公知の材料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 magnetization fixed layer 1. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and an alloy exhibiting one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Alternatively, an alloy containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N can also be used. Specifically, Co-Fe and Co-Fe-B can be mentioned.

また磁化固定層1には、CoFeSiなどのホイスラー合金を用いることもできる。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。 Further, a Heusler alloy such as Co 2 FeSi can also be used for the magnetization fixed layer 1. The Heusler alloy contains an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, 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 , A transition metal of Cr or Ti group and can also take an element species of X, and Z is a typical element of Group III to V. For example, Co 2 FeSi, etc. Co 2 MnSi and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b can be mentioned.

また磁化固定層1は反強磁性層、強磁性層、非磁性層から成るシンセティック構造であってもよい。シンセティック構造において磁化固定層1の磁化方向は反強磁性層によって強く保持される。そのため、磁化固定層1の磁化が外部からの影響を受けにくくなる。   The magnetization fixed layer 1 may have a synthetic structure including an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer, and a nonmagnetic layer. In the synthetic structure, the magnetization direction of the magnetization fixed layer 1 is strongly held by the antiferromagnetic layer. Therefore, the magnetization of the magnetization fixed layer 1 is less susceptible to the influence of the outside.

磁化固定層1の磁化をXY面内に配向させる(磁化固定層1を面内磁化膜にする)場合は、例えば、NiFeを用いることが好ましい。一方で磁化固定層1の磁化をZ方向に配向させる(磁化固定層1を垂直磁化膜にする)場合は、例えば、Co/Ni積層膜、Co/Pt積層膜等を用いることが好ましい。例えば、磁化固定層1を[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)とすると、垂直磁化膜となる。 In order to orient the magnetization of the magnetization fixed layer 1 in the XY plane (make the magnetization fixed layer 1 an in-plane magnetization film), it is preferable to use, for example, NiFe. On the other hand, in the case of orienting the magnetization of the magnetization fixed layer 1 in the Z direction (making the magnetization fixed layer 1 a perpendicular magnetization film), it is preferable to use, for example, a Co / Ni laminated film or a Co / Pt laminated film. For example, the magnetization fixed layer 1 may be formed of [Co (0.24 nm) / Pt (0.16 nm)] 6 / Ru (0.9 nm) / [Pt (0.16 nm) / Co (0.16 nm)] 4 / Ta If 0.2 nm) / FeB (1.0 nm), then it becomes a perpendicular magnetization film.

「非磁性層」
非磁性層2は、磁化固定層1の一面に設けられている。磁壁利用型アナログメモリ素子100は、非磁性層2を介して磁化固定層1に対する磁壁駆動層3の磁化状態の変化を抵抗値変化として読み出す。すなわち、磁化固定層1、非磁性層2及び磁壁駆動層3は磁気抵抗効果素子として機能し、非磁性層2が絶縁体からなる場合はトンネル磁気抵抗(TMR)素子と似た構成であり、非磁性層2が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR)素子と似た構成である。
"Nonmagnetic layer"
The nonmagnetic layer 2 is provided on one surface of the magnetization fixed layer 1. The domain wall utilizing analog memory element 100 reads out a change in the magnetization state of the domain wall drive layer 3 with respect to the magnetization fixed layer 1 as a change in resistance value via the nonmagnetic layer 2. That is, the magnetization fixed layer 1, the nonmagnetic layer 2 and the domain wall drive layer 3 function as a magnetoresistive effect element, and when the nonmagnetic layer 2 is made of an insulator, it has a configuration similar to a tunnel magnetoresistive (TMR) element When the nonmagnetic layer 2 is made of metal, it has a configuration similar to a giant magnetoresistive (GMR) element.

非磁性層2の材料としては、磁気抵抗効果素子の非磁性層に用いることができる公知の材料を用いることができる。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Al、SiO、MgO、MgAl、ZnAl、MgGa、ZnGa、MgIn、ZnIn、及び、これらの材料の多層膜や混合組成膜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。一方で、非磁性層2が金属からなる場合は、その材料としてCu、Al、Ag等を用いることができる。 As a material of the nonmagnetic layer 2, known materials that can be used for the nonmagnetic layer of the magnetoresistive element can be used. When the nonmagnetic layer 2 is made of an insulator (in the case of a tunnel barrier layer), the material is Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 , ZnAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4 , ZnGa 2 O 4 , MgIn 2 O 4 , ZnIn 2 O 4 , and multilayer films or mixed composition films of these materials can be used. Besides these materials, materials in which a part of Al, Si and Mg is substituted by Zn, Be and the like can also be used. Among these, MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize coherent tunneling, so spins can be injected efficiently. On the other hand, when the nonmagnetic layer 2 is made of metal, Cu, Al, Ag or the like can be used as the material.

「磁壁駆動層3」
磁壁駆動層3は強磁性体材料からなる磁化自由層であり、その内部の磁化の向きは反転可能である。磁壁駆動層3は、磁化M3aが磁化固定層1と同じ第1の方向に配向した第1領域3aと、磁化M3bが第1の方向と反対の第2の方向に配向した第2領域3bと、これらの領域の界面をなす磁壁DWとを有する。磁壁DWを挟んで第1領域3aと第2領域3bの磁化の向きは反対である。磁壁DWは、磁壁駆動層3における第1領域3aと第2領域3bの構成比率が変化することで移動する。
"Domain wall drive layer 3"
The domain wall drive layer 3 is a magnetization free layer made of a ferromagnetic material, and the direction of magnetization in the inside is reversible. The domain wall drive layer 3 has a first region 3a in which the magnetization M3a is oriented in the same first direction as the magnetization fixed layer 1, and a second region 3b in which the magnetization M3b is oriented in a second direction opposite to the first direction. And a domain wall DW forming an interface between these regions. The magnetization directions of the first region 3a and the second region 3b are opposite to each other across the domain wall DW. The domain wall DW moves by changing the composition ratio of the first region 3 a and the second region 3 b in the domain wall drive layer 3.

磁壁駆動層3の材料には、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に用いることができる公知の材料を用いることができ、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、磁壁駆動層3の材料として挙げられる。   The material of the domain wall drive layer 3 may be a known material that can be used for the magnetization free layer of the magnetoresistive element, and in particular, 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, and these metals and at least one or more elements of B, C, and N Alloys can be used. Specifically, Co-Fe, Co-Fe-B, and Ni-Fe can be mentioned as the material of the domain wall drive layer 3.

磁壁駆動層3の材料には、飽和磁化が小さい材料を用いることもできる。例えば、MnGaAsやInFeAsのように飽和磁化が小さい材料を用いると、小さい電流密度で磁壁駆動層3の磁壁DWを駆動させることができる。また、これらの材料を用いると、磁壁DWの駆動速度が遅くなり、アナログメモリとして好適に用いることができる。   A material with small saturation magnetization can also be used as the material of the domain wall drive layer 3. For example, when a material with small saturation magnetization such as MnGaAs or InFeAs is used, the domain wall DW of the domain wall drive layer 3 can be driven with a small current density. Further, when these materials are used, the driving speed of the domain wall DW becomes slow, and can be suitably used as an analog memory.

NiFeのような磁気異方性が弱い材料は、磁壁DWの駆動速度が速く、100m/sec以上の速度で磁壁DWが動作する。つまり、磁壁DWは10nsecのパルスで、1μmの距離を移動する。したがって、磁壁駆動層3を素子内でアナログ的に動かす場合には、高価な半導体回路を用いて微小なパルスを印可するか、集積度を犠牲にして磁壁駆動層を十分長くするなどの対応が必要となる。これに対し、磁壁DWの駆動速度が遅い材料の場合には、十分長いパルス電流を印加する場合や磁壁駆動層3の長さが短い場合でも、アナログメモリを形成することが可能である。   In a material with weak magnetic anisotropy such as NiFe, the driving speed of the domain wall DW is high, and the domain wall DW operates at a speed of 100 m / sec or more. That is, the domain wall DW moves a distance of 1 μm with a pulse of 10 nsec. Therefore, when moving the domain wall drive layer 3 in an analog manner in the device, measures such as applying a minute pulse using an expensive semiconductor circuit or making the domain wall drive layer sufficiently long at the expense of integration degree are required. It will be necessary. On the other hand, in the case of a material with a slow driving speed of the domain wall DW, it is possible to form an analog memory even when applying a sufficiently long pulse current or when the length of the domain wall driving layer 3 is short.

磁壁駆動層3には、MnX(X=Ga,Ge)の垂直磁化膜やCo/Ni,Co/Ptなどの多層膜による垂直磁化膜を用いることが好ましい。これらの材料は磁壁駆動のための電流密度が小さくても磁壁DWを駆動させることが可能である。 It is preferable to use a perpendicular magnetization film made of a perpendicular magnetization film of Mn 3 X (X = Ga, Ge) or a multilayer film of Co / Ni, Co / Pt or the like for the domain wall drive layer 3. These materials can drive the domain wall DW even if the current density for driving the domain wall is small.

磁壁駆動層3がX方向に延在する長さは60nm以上であることが好ましい。60nm未満では単磁区になりやすく、磁壁駆動層3内に磁壁DWが形成されにくい。   The length of the domain wall drive layer 3 extending in the X direction is preferably 60 nm or more. If it is less than 60 nm, it is likely to become a single magnetic domain, and it is difficult to form the domain wall DW in the domain wall driving layer 3.

磁壁駆動層3の厚さは磁壁駆動層として機能する限り、特に制限はないが、例えば、2〜60nmとすることができる。磁壁駆動層3の厚さが60nm以上になると、積層方向に磁壁が形成される可能性が高まる。ただし、積層方向に磁壁が形成されるか否かは、磁壁駆動層3の形状異方性とのバランスによって生じる。磁壁駆動層3の厚さが60nm未満であれば、磁壁DWができることは考えにくい。   The thickness of the domain wall drive layer 3 is not particularly limited as long as it functions as a domain wall drive layer, but can be, for example, 2 to 60 nm. When the thickness of the domain wall drive layer 3 is 60 nm or more, the possibility of forming a domain wall in the stacking direction increases. However, whether or not the domain wall is formed in the stacking direction depends on the balance with the shape anisotropy of the domain wall drive layer 3. If the thickness of the domain wall drive layer 3 is less than 60 nm, it is unlikely that the domain wall DW can be produced.

磁壁駆動層3は、層の側面に磁壁DWの移動を止める磁壁ピン止め部を有してもよい。例えば、磁壁駆動層3の磁壁DWの移動を止めたい位置に、凹凸、溝、膨らみ、くびれ、切り欠きなどを設けると、磁壁の移動を止める(ピンする)ことができる。磁壁ピン止め部を有すると、閾値以上の電流を流さないとそれ以上磁壁が移動しない構成とすることができ、出力信号をアナログ的ではなく、多値化し易くなる。   The domain wall drive layer 3 may have a domain wall pinning portion for stopping the movement of the domain wall DW on the side surface of the layer. For example, when the unevenness, groove, swelling, constriction, notch or the like is provided at the position where the movement of the domain wall DW of the domain wall driving layer 3 is to be stopped, the movement of the domain wall can be stopped (pinned). If the domain wall pinning portion is provided, the domain wall can not be moved further if a current equal to or higher than the threshold is supplied, and the output signal is not analog but is easily converted into multiple values.

例えば、磁壁ピン止め部を所定の距離ごとに形成することにより、磁壁DWをより安定的に保持することができ、安定的な多値記録を可能にし、より安定的に多値化された出力信号を読み出すことを可能にする。   For example, the domain wall DW can be held more stably by forming the domain wall pinning portions at predetermined distances, enabling stable multi-level recording, and more stable multi-leveled output Allows to read out the signal.

「第1磁化供給層、第2磁化供給層」
第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5は、磁壁駆動層3に磁化を供給する磁化供給手段の一態様である。磁化固定層1と第1磁化供給層4または第2磁化供給層5との間に書込み電流が流れることで、第1磁化供給層4または第2磁化供給層5から磁壁駆動層3に磁化が供給される。
"First magnetization supply layer, second magnetization supply layer"
The first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 are an aspect of the magnetization supply means for supplying the magnetization to the domain wall drive layer 3. When a write current flows between the magnetization fixed layer 1 and the first magnetization supply layer 4 or the second magnetization supply layer 5, magnetization is generated from the first magnetization supply layer 4 or the second magnetization supply layer 5 to the domain wall drive layer 3. Supplied.

第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5は、いずれも磁化が固定された強磁性体材料からなる層(強磁性層)である。第1磁化供給層4の磁化M4は、第1磁化供給層4が接する磁壁駆動層3の第1領域3aの磁化M3aと同一方向に配向している。すなわち、第1磁化供給層4の磁化M4は、磁化固定層1の磁化M1と同一方向に配向している。これに対し、第2磁化供給層5の磁化M5は、第2磁化供給層5が接する磁壁駆動層3の第2領域3bの磁化M3bと同一方向に配向している。すなわち、第2磁化供給層5の磁化M5は、磁化固定層1の磁化M1と反対方向に配向している。   Each of the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 is a layer (ferromagnetic layer) made of a ferromagnetic material in which the magnetization is fixed. The magnetization M4 of the first magnetization supply layer 4 is oriented in the same direction as the magnetization M3a of the first region 3a of the domain wall drive layer 3 in contact with the first magnetization supply layer 4. That is, the magnetization M4 of the first magnetization supply layer 4 is oriented in the same direction as the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1. On the other hand, the magnetization M5 of the second magnetization supply layer 5 is oriented in the same direction as the magnetization M3b of the second region 3b of the domain wall drive layer 3 in contact with the second magnetization supply layer 5. That is, the magnetization M5 of the second magnetization supply layer 5 is oriented in the opposite direction to the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1.

図1において第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5は、磁壁駆動層3を基準に磁化固定層1と反対側に配設されている。第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5は、磁壁駆動層3を基準に磁化固定層1と同一面側に配設されていてもよい。   In FIG. 1, the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 are disposed on the opposite side of the magnetization fixed layer 1 with respect to the domain wall drive layer 3. The first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 may be disposed on the same plane as the magnetization fixed layer 1 with reference to the domain wall drive layer 3.

第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5が磁壁駆動層3を基準に磁化固定層1と反対側に配設されている場合は、磁化固定層1の磁化M1が第1磁化供給層4の磁化M4及び第2磁化供給層5の磁化M5により受ける影響を少なくできる。これに対し、第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5が磁壁駆動層3を基準に磁化固定層1と同一面側に配設されている場合は、第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5の磁壁駆動層3が形成される面の高さを一致させる必要が無く、磁壁利用型アナログメモリ素子100の製造が容易になる。   When the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 are disposed on the opposite side of the magnetization fixed layer 1 with respect to the domain wall drive layer 3, the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 is the first magnetization supply layer. The influence of the magnetization M4 of 4 and the magnetization M5 of the second magnetization supply layer 5 can be reduced. On the other hand, when the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 are disposed on the same plane side as the magnetization fixed layer 1 with reference to the domain wall drive layer 3, the first magnetization supply layer 4 and the There is no need to make the heights of the surfaces of the two magnetization supply layers 5 on which the domain wall drive layer 3 is formed the same, and the fabrication of the domain wall utilizing analog memory element 100 becomes easy.

また磁壁駆動層3の第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5と接している部分の磁化の向きは、原則書き換わらない。第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5と磁壁駆動層3が磁気的に結合し、安定化するためである。そのため、第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5を磁化供給手段として用いると、磁壁DWを移動させても、磁壁DWは第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5と接する部分より外側(X方向)に移動することは、原則ない。磁壁DWの移動可能範囲が制限されることで、動作中に磁壁DWが無くなり単磁区化することを抑制できる。   The direction of the magnetization of the portion in contact with the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 of the domain wall drive layer 3 is not rewritten in principle. This is because the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 and the domain wall drive layer 3 are magnetically coupled and stabilized. Therefore, when the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 are used as the magnetization supply means, even if the domain wall DW is moved, the domain wall DW is in contact with the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5 There is no principle to move to the outside (X direction). By restricting the movable range of the domain wall DW, it is possible to suppress the domain wall DW from being lost during operation and to form a single magnetic domain.

第1磁化供給層4及び第2磁化供給層5には、磁化固定層1と同様の材料を用いることができる。第1磁化供給層4の磁化M4及び第2磁化供給層5の磁化M5の配向方向は、外部磁場等により事前に設定する。   The same material as the magnetization fixed layer 1 can be used for the first magnetization supply layer 4 and the second magnetization supply layer 5. Orientation directions of the magnetization M4 of the first magnetization supply layer 4 and the magnetization M5 of the second magnetization supply layer 5 are set in advance by an external magnetic field or the like.

「電流制御手段」
電流制御手段は、読出し時に磁化固定層1から磁壁駆動層3の第2領域3b側に電流が流れるように制御する制御手段である。
"Current control means"
The current control means is a control means that controls so that a current flows from the magnetization fixed layer 1 to the second region 3b side of the domain wall drive layer 3 at the time of reading.

電流制御手段の一つとして、読出し時に磁化固定層1、第1領域3a及び第2領域3bの電位を調整する電位制御手段がある。例えば、磁化固定層1と第1領域3aとを等電位とし、第2領域3bの電位を磁化固定層1の電位より低く設定する。このように設定すると、読出し時には磁化固定層1から第2領域3bに向かって電流が流れる。   One of the current control means is a potential control means for adjusting the potentials of the magnetization fixed layer 1, the first region 3a and the second region 3b at the time of reading. For example, the magnetization fixed layer 1 and the first region 3 a are set to the same potential, and the potential of the second region 3 b is set lower than the potential of the magnetization fixed layer 1. With this setting, a current flows from the magnetization fixed layer 1 to the second region 3b at the time of reading.

またこの他に、電流制御手段としてダイオード等の整流素子を用いてもよい。ダイオード等を用いて、読出し時には磁化固定層1から第2領域3bに向かって電流が流れるように制御してもよい。   In addition to this, a rectifying element such as a diode may be used as the current control means. At the time of reading, control may be performed so that current flows from the magnetization fixed layer 1 to the second region 3b by using a diode or the like.

(磁壁利用型アナログメモリ素子の動作)
次いで、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子のデータの書き込み、及び読出しの動作原理を説明する。
(Operation of domain wall type analog memory device)
Next, the operation principle of data writing and reading of the domain wall based analog memory device according to the present embodiment will be described.

「書き込み動作」
まず書き込み動作について説明する。磁壁利用型アナログメモリ素子では、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して書き込みを行う。磁気抵抗効果は、例えば、非磁性層を介して積層された2層の強磁性層の磁化の向きが平行又は反平行であることにより生じる抵抗値状態を“0”又は“1”として対応付けることで記録する。磁化の向きは外力を加えないと変動しないため、データは不揮発的に記録される。
"Write operation"
First, the write operation will be described. In the domain wall type analog memory element, writing is performed using a magnetoresistive effect such as a GMR (Giant Magneto Resistance) effect or a TMR (Tunnel Magneto Resistance) effect. In the magnetoresistive effect, for example, the resistance value state caused by the parallel or antiparallel magnetization directions of the two ferromagnetic layers stacked via the nonmagnetic layer is associated as “0” or “1”. Record with Since the direction of magnetization does not change without applying external force, data is recorded in a non-volatile manner.

書込み時には、磁化固定層1の磁化M1に対する磁壁駆動層3の磁化M3a、M3bの配向方向を変えることでデータを記録する。そのため書込み時には磁壁駆動層3の磁化の状態を書き換える。磁壁駆動層3も磁化の状態は、書き込み電流を磁壁駆動層3の一端から他端に向けて流すことで書き換わる。磁壁DWを貫通する方向(X方向)に閾値以上の電流を流すと、磁壁駆動層3のドメイン(磁区)中にスピン偏極電流が生成され、磁壁駆動層3内の磁壁DWは伝導電子が流れる方向に移動する。   At the time of writing, data is recorded by changing the orientation direction of the magnetizations M3a and M3b of the domain wall drive layer 3 with respect to the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1. Therefore, the state of magnetization of the domain wall driving layer 3 is rewritten at the time of writing. The state of magnetization of the domain wall drive layer 3 is also rewritten by supplying a write current from one end of the domain wall drive layer 3 to the other end. When a current equal to or greater than the threshold value flows in the direction (X direction) penetrating the domain wall DW, a spin polarization current is generated in the domain (domain) of the domain wall drive layer 3 and conduction electrons are generated in the domain wall DW in the domain wall drive layer 3. Move in the flowing direction.

図2は、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100の書き込み動作を示す図である。
例えば、図2(a)の点線で示す向きに、第1磁化供給層4から磁壁駆動層3を介して第2磁化供給層5へと電流IW1を流すと、伝導電子eは電流IW1の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第2磁化供給層5から伝導電子eが磁壁駆動層3へ入ると、伝導電子eは第2磁化供給層5及び磁壁駆動層3の第2磁化供給層5と磁気結合したドメインの磁化M3bの向きに対応したスピン偏極電子となる。このスピン偏極電子が磁壁DWに到達すると、磁壁DWにおいてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁DWに対してスピントランスファーを起こし、磁壁DWは伝導電子eの流れる向きと同じ向きに移動する。すなわち、磁壁DWは、図2(a)における左から右へ向かって移動する。
FIG. 2 is a diagram showing a write operation of the domain wall based analog memory device 100 according to the present embodiment.
For example, when the current I W1 flows from the first magnetization supply layer 4 through the domain wall drive layer 3 to the second magnetization supply layer 5 in the direction shown by the dotted line in FIG. 2A, the conduction electron e 1 is a current I Contrary to the direction of W1 , it flows in the direction shown by the solid line. When conduction electrons e 1 from the second magnetization supply layer 5 enters the wall driving layer 3, the conduction electrons e 1 is the magnetization of the second magnetic supply layer 5 and the second magnetization supply layer 5 and the magnetic coupling domains of wall driving layer 3 It becomes spin-polarized electrons corresponding to the direction of M3b. When this spin-polarized electrons reach the domain wall DW, spin with spin-polarized electrons in a magnetic domain wall DW undergoes a spin-transfer against the domain wall DW, the domain wall DW is moved in the same direction as the flow of conduction electrons e 1. That is, the domain wall DW moves from left to right in FIG.

同様に、図2(b)の点線で示す向きに、第2磁化供給層5から磁壁駆動層3を介して第1磁化供給層4へと電流IW2を流すと、伝導電子eは電流IW2の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第1磁化供給層4から伝導電子eが磁壁駆動層3へ入ると、伝導電子eは第1磁化供給層4及び磁壁駆動層3の第1磁化供給層4と磁気結合したドメインの磁化M3aの向きに対応したスピン偏極電流となる。このスピン偏極電子が磁壁DWに到達すると、磁壁DWにおいてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁DWに対してスピントランスファーを起こし、磁壁DWは伝導電子eの流れる向きと同じ向きに移動する。すなわち、磁壁DWは、図2(b)における右から左へ向かって移動する。 Similarly, when the current I W2 flows from the second magnetization supply layer 5 to the first magnetization supply layer 4 via the domain wall drive layer 3 in the direction indicated by the dotted line in FIG. 2B, the conduction electron e 2 is a current Contrary to the direction of I W2 , it flows in the direction shown by the solid line. When the conduction electron e 2 enters the domain wall drive layer 3 from the first magnetization supply layer 4, the conduction electron e 2 is magnetized in the domain magnetically coupled to the first magnetization supply layer 4 of the first magnetization supply layer 4 and the domain wall drive layer 3. It becomes a spin polarization current corresponding to the direction of M3a. When the spin-polarized electrons reach the domain wall DW, the spins possessed by the spin-polarized electrons in the domain wall DW cause spin transfer to the domain wall DW, and the domain wall DW moves in the same direction as the conduction electrons e 2 flow. That is, the domain wall DW moves from the right to the left in FIG.

磁壁DWの位置が変動すると、磁壁駆動層3の磁化固定層1と接触する部分の磁化状態が変化する。例えば、図2(a)に示すように磁壁駆動層3の磁化固定層1と接触する部分の磁化状態が、磁化固定層1の磁化M1と反平行の場合を“0”、図2(a)に示すように磁壁駆動層3の磁化固定層1と接触する部分の磁化状態が、磁化固定層1の磁化M1と平行の場合を“1”とすることでデータを2値で記録できる。また磁壁駆動層3の磁化固定層1と接触する部分に磁壁DWがある場合において、磁壁駆動層3における磁化M3aと磁化M3bの構成比率が変化することで変動する抵抗値に複数の閾値を設けることで、データを多値で記録できる。   When the position of the domain wall DW changes, the magnetization state of the portion of the domain wall drive layer 3 in contact with the magnetization fixed layer 1 changes. For example, as shown in FIG. 2A, when the magnetization state of the portion in contact with the magnetization fixed layer 1 of the domain wall drive layer 3 is antiparallel to the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1, “0” is shown in FIG. The data can be recorded in binary values by setting the magnetization state of the portion of the domain wall drive layer 3 in contact with the magnetization fixed layer 1 parallel to the magnetization M 1 of the magnetization fixed layer 1 as “1” as shown in FIG. Further, in the case where the domain wall DW is in a portion in contact with the magnetization fixed layer 1 of the domain wall drive layer 3, a plurality of threshold values are provided for the resistance value which varies by changing the ratio of magnetization M3a and magnetization M3b in the domain wall drive layer 3. Data can be recorded in multiple values.

また、磁壁DWの移動量(移動距離)は、書き込み電流の大きさ、時間を調整することによって可変に制御することができる。書き込み電流の大きさ、時間は例えば、パルス数あるいはパルス幅によって磁壁DWの移動量(移動距離)を設定してもよい。   Further, the moving amount (moving distance) of the domain wall DW can be variably controlled by adjusting the magnitude and time of the write current. For example, the amount of movement of the domain wall DW (the movement distance) may be set according to the number of pulses or the pulse width.

「読み出し動作」
次いで、データの読み出し動作について説明する。図3は、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100の読み出し動作を示す図である。
"Read operation"
Next, the data read operation will be described. FIG. 3 is a diagram showing the read operation of the domain wall based analog memory device 100 according to the present embodiment.

図3に示すように、データの読み出し時には、磁化固定層1と磁壁駆動層3の第2領域3bとの間に電流Iを流す。電流Iの流れ方向は、電流制御手段によって制御する。磁化固定層1の磁化M1と配向方向が反対の磁化M3bが存在する方向に電流Iを流すことで、磁壁利用型アナログメモリ素子100の抵抗値変化が線形になり、データをより正確に多値で読み出すことができる。 As shown in FIG. 3, when data is read, the electric current I R between the second region 3b of the magnetization fixed layer 1 and the wall driving layer 3. The flow direction of the current I R is controlled by current control means. Magnetization M1 and the alignment direction opposite magnetization M3b of the magnetization fixed layer 1 by flowing a current I R in the direction in which the presence, the resistance value change of the magnetic wall-using the analog memory device 100 is a linear, data more precisely multi It can be read by value.

磁壁駆動層3の第1領域3aの磁化M3aは、磁化固定層1の磁化M1と平行に配向している。これに対し、磁壁駆動層3の第2領域3bの磁化M3bは、磁化固定層1の磁化M1と反平行に配向している。すなわち、磁化固定層1と第1領域3aの界面は低抵抗であり、磁化固定層1と第2領域3bの界面は高抵抗である。   The magnetization M 3 a of the first region 3 a of the domain wall drive layer 3 is oriented parallel to the magnetization M 1 of the magnetization fixed layer 1. On the other hand, the magnetization M 3 b of the second region 3 b of the domain wall drive layer 3 is oriented antiparallel to the magnetization M 1 of the magnetization fixed layer 1. That is, the interface between the magnetization fixed layer 1 and the first region 3a has a low resistance, and the interface between the magnetization fixed layer 1 and the second region 3b has a high resistance.

図4は、データの読み出し時の回路の一部を模式的に示した図であり、(a)は本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子のように磁化固定層1の磁化M1と配向方向が反対の磁化M3bが存在する方向に読み出し電流Iを流した場合の回路図であり、(b)は磁化固定層1の磁化M1と配向方向が同一の磁化M3aが存在する方向に読み出し電流Iを流した場合の回路図である。 FIG. 4 is a view schematically showing a part of the circuit at the time of data reading, where (a) shows the magnetization M1 and orientation of the magnetization fixed layer 1 as in the domain wall utilizing type analog memory element according to the present embodiment. a circuit diagram of a case where the direction is flowing read current I R in the direction in which there is an opposite magnetization M 3 b, read in the direction in which there is (b) the magnetization of the magnetization fixed layer 1 is M1 and the alignment is the same magnetization M3a it is a circuit diagram when a current flows I R.

磁化固定層1の磁化M1と配向方向が反対の磁化M3bが存在する第2領域3b側に読み出し電流Iを流す場合、図4(a)に示すように、磁化固定層1と第1領域3aとの界面における抵抗R3aを有する電流経路I3aと、磁化固定層1と第2領域3bの界面における抵抗R3bを有する電流経路I3bと、を有する並列回路が形成される。磁化固定層1と第1領域3aとの界面における抵抗R3a及び磁化固定層1と第2領域3bの界面における抵抗R3bは、磁化固定層1と接する磁壁駆動層3における磁壁DWの位置により変化する可変抵抗とみなせる。 If the orientation direction as the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 shed the read current I R in the second area 3b side there are opposite magnetization M 3 b, as shown in FIG. 4 (a), the magnetization fixed layer 1 and the first region a current path I 3a having a resistance R 3a at the interface between 3a, a current path I 3b having magnetization fixed layer 1 and a resistor R 3b at the interface of the second region 3b, the parallel circuit having a are formed. Magnetization pinned layer 1 and the resistor R 3a and magnetization fixed layer 1 at the interface between the first region 3a resistor R 3b at the interface of the second region 3b is the position of the domain wall DW in the magnetic wall driving layer 3 in contact with magnetization fixed layer 1 It can be regarded as a changing variable resistance.

また読み出し電流Iは最終的に第2領域3b側に流れるため、磁化固定層1と第1領域3aとの界面に流れる電流は、第1領域3aと第2領域3bの間の磁壁DWを通過する。すなわち、電流経路I3aには磁壁DW界面における抵抗RDWが重畳される。磁壁DWは位置が変動するだけで抵抗状態は大きく変動しないため、抵抗RDWは固定抵抗とみなせる。 Further, since the read current I R finally flows to the second region 3b side, the current flowing to the interface between the magnetization fixed layer 1 and the first region 3a is the domain wall DW between the first region 3a and the second region 3b. pass. That is, the current path I 3a resistor R DW in the domain wall DW interface is superimposed. The resistance RD can be regarded as a fixed resistance because the domain wall DW only changes in position but does not greatly change the resistance state.

これに対し、磁化固定層1の磁化M1と配向方向が同一の磁化M3aが存在する第1領域3a側に読み出し電流Iを流す場合も、図4(b)に示すように、磁化固定層1と第1領域3aとの界面における抵抗R3aを有する電流経路I3aと、磁化固定層1と第2領域3bの界面における抵抗R3bを有する電流経路I3bと、を有する並列回路が形成される。一方で、最終的に読み出し電流Iは第1領域3a側に流れるため、磁化固定層1と第2領域3bとの界面に流れた電流は、第1領域3aと第2領域3bの間の磁壁DWを通過する必要がある。すなわち、電流経路I3bに磁壁DW界面における抵抗RDWが重畳される。 In contrast, even if flowing a read current I R in the first region 3a side magnetization M1 and the alignment of the magnetization fixed layer 1 at which the identical magnetization M3a, as shown in FIG. 4 (b), the magnetization fixed layer 1 a parallel circuit having a current path I 3a having a resistance R 3a at the interface between the first region 3a, and a current path I 3b having magnetization fixed layer 1 and a resistor R 3b at the interface of the second region 3b is formed Be done. On the other hand, since the read current I R finally flows to the first region 3a side, the current flowing to the interface between the magnetization fixed layer 1 and the second region 3b is the current between the first region 3a and the second region 3b. It is necessary to pass through the domain wall DW. That is, the resistance R DW is superimposed in the domain wall DW interface in the current path I 3b.

ここで上述のように、磁化固定層1と第1領域3aの界面の抵抗R3aは、磁化固定層1と第2領域3bの界面の抵抗R3bより低抵抗である。図4(b)に示すように、磁壁DWの界面における抵抗RDWが高抵抗な抵抗R3bが存在する電流経路I3bに存在すると、電流経路I3bの総抵抗が大きくなり、読み出し電流の多くは電流経路I3aを流れる。そのため、磁化固定層1の磁化M1と配向方向が同一の磁化M3aが存在する第1領域3a側に読み出し電流Iを流す場合、磁壁利用型アナログメモリ素子100の抵抗値変化として主として読み出されるのは、磁化固定層1と第1領域3aの界面の抵抗R3aの抵抗値変化であり、磁化固定層1と第2領域3bの界面の抵抗R3bの抵抗値変化は大きな寄与を与えない。 Here, as described above, the magnetization fixed layer 1 and the surface of the resistance R 3a of the first region 3a is a low-resistance than the resistance R 3b the interface of the magnetization fixed layer 1 and the second region 3b. As shown in FIG. 4 (b), when present in the current path I 3b resistance R DW at the interface of the domain wall DW is present a high resistance resistor R 3b, the total resistance of the current path I 3b is increased, the read current Many flow through the current path I 3a . Therefore, when passing a read current I R in the first region 3a side orientation direction as the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 at which the identical magnetization M3a, primarily from being read as a change in resistance of the magnetic wall-using the analog memory device 100 is the resistance value variation of the resistance R 3a at the interface of the magnetization fixed layer 1 and the first region 3a, the resistance value variation of the resistance R 3b of the magnetization fixed layer 1 and the interface of the second region 3b are not significantly contribute.

これに対し、図4(a)に示すように、磁壁DWの界面における抵抗RDWが低抵抗な抵抗R3aが存在する電流経路I3aに存在すると、電流経路I3aの総抵抗が大きくなり、電流経路I3aに流れる読み出し電流と電流経路I3bに流れる読み出し電流の分配比率は平均化される。そのため、磁化固定層1の磁化M1と配向方向が反対の磁化M3bが存在する第2領域3b側に読み出し電流Iを流す場合、読み出し電流は電流経路I3a及び電流経路I3bのいずれにも流れ、磁化固定層1と第1領域3aの間の抵抗R3aの抵抗値変化と、磁化固定層1と第2領域3bの間の抵抗R3bの抵抗値変化とを重畳したものが磁壁利用型アナログメモリ素子100の抵抗値変化として読み出される。 In contrast, as shown in FIG. 4 (a), when the resistance R DW at the interface of the domain wall DW is present in a current path I 3a to low-resistance resistor R 3a is present, total resistance of the current path I 3a increases , the distribution ratio of the read current flowing through the read current and the current path I 3b flowing through the current path I 3a are averaged. Therefore, when passing a read current I R in the second area 3b side orientation direction as the magnetization M1 of the magnetization fixed layer 1 is present opposite magnetization M 3 b, the read current in any of the current paths I 3a and the current path I 3b Flow, the combination of the change in resistance of the resistance R 3a between the magnetization fixed layer 1 and the first region 3a and the change in resistance of the resistance R 3b between the magnetization fixed layer 1 and the second region 3b It is read as a change in resistance value of the analog memory element 100.

このように読み出し時の電流Iの流れ方向を電流制御手段によって制御することで、回路上二つの抵抗R3a、R3b(可変抵抗)の抵抗値変化を磁壁利用型アナログメモリ素子100の抵抗値変化として読み出すことができ、データの読み出しをより精密に行うことができる。 As described above, by controlling the flow direction of the current I R at the time of reading by the current control means, the resistance value change of the two resistors R 3a and R 3b (variable resistors) on the circuit is controlled by the resistance of the domain wall utilizing analog memory element 100. It can be read out as a value change, and data can be read out more precisely.

データの読み出し時において電流の空間的な分布を考える必要がある。図3において、磁化固定層1と磁壁駆動層3の間の抵抗は磁化固定層1と磁壁駆動層3の磁化方向によって異なる。図3において、第1領域3aと磁化固定層1の向きは平行であり、抵抗が低い。第2領域3bと磁化固定層1の向きは反平行であり、抵抗が高い。すなわち、電流は第1領域3aに流れ込みやすくなる。第1領域3aに流れた電流は、第2領域3bを経て、第2磁化供給層5に流れる。しかしながら、電流が磁化固定層1から第1磁化供給層4に流れる場合、第1領域3aに流れた電流はそのまま第1磁化供給層4に流れてしまうため、高抵抗である磁化固定層1から第2磁化供給層5を流れる電流が減少して高抵抗の領域を経路の抵抗として十分活用できない。したがって、磁化固定層1から第1磁化供給層4に電流が流れるよりも、磁化固定層1から第2磁化供給層5に電流が流れる場合の方が磁壁の動きに対しての読み込み抵抗の線形性が良くなる。   At the time of data reading, it is necessary to consider the spatial distribution of the current. In FIG. 3, the resistance between the magnetization fixed layer 1 and the domain wall drive layer 3 differs depending on the magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the domain wall drive layer 3. In FIG. 3, the orientations of the first region 3a and the magnetization fixed layer 1 are parallel, and the resistance is low. The directions of the second region 3b and the magnetization fixed layer 1 are antiparallel, and the resistance is high. That is, the current easily flows into the first region 3a. The current that has flowed to the first region 3a flows to the second magnetization supply layer 5 through the second region 3b. However, when the current flows from the magnetization fixed layer 1 to the first magnetization supply layer 4, the current flowing to the first region 3 a flows directly to the first magnetization supply layer 4. The current flowing through the second magnetization supply layer 5 is reduced, and the high resistance region can not be sufficiently utilized as the resistance of the path. Therefore, rather than the current flowing from the magnetization fixed layer 1 to the first magnetization supply layer 4, the linearity of the read resistance against the movement of the domain wall in the case where the current flows from the magnetization fixed layer 1 to the second magnetization supply layer 5 Sex improves.

なお、読み出し時の電流Iの一部は、磁壁DWを貫通する方向(X方向)に流れる。この際に磁壁DWが移動し、読み出し時に書込み状態が変わることも想定されるが、読み出し時に印加する電流Iは、書き込み時に印加する電流IW1、IW2より小さい。そのため、読み出し時に印加する電流Iを調整することで、磁壁DWの移動は抑制できる。 Note that part of the current I R at the time of reading flows in the direction (X direction) which penetrates the domain wall DW. At this time, it is assumed that the domain wall DW moves and the write state changes at the time of reading, but the current I R applied at the time of reading is smaller than the currents I W1 and I W2 applied at the time of writing. Therefore, the movement of the domain wall DW can be suppressed by adjusting the current I R applied at the time of reading.

上述のように、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100は、書き込み時に磁壁駆動層3の磁化固定層1と接触する部分における第1領域3aと第2領域3bの構成比率を調整し、磁壁DWを移動させることで、データを多値で記録できる。また読み出し時の電流Iの流れ方向を電流制御手段によって制御することで、磁壁利用型アナログメモリ素子100の抵抗値変化が磁壁駆動により線形に変化し、アナログ値をより正確に測定できる。 As described above, the domain wall utilizing analog memory element 100 according to the first embodiment adjusts the composition ratio of the first region 3a and the second region 3b in the portion of the domain wall driving layer 3 in contact with the magnetization fixed layer 1 at the time of writing. By moving the domain wall DW, data can be recorded in multiple values. Further, by controlling the flow direction of the current I R at the time of reading by the current control means, the resistance value change of the domain wall utilizing type analog memory device 100 changes linearly due to domain wall driving, and the analog value can be measured more accurately.

(その他の構成)
磁壁駆動層3と非磁性層2の間に磁気結合層を設置してもよい。磁気結合層とは、磁壁駆動層3の磁化状態を転写する層である。磁壁駆動層3の主たる機能は磁壁を駆動させるための層であり、磁化固定層1と非磁性層2を介して生じる磁気抵抗効果に適した材料を選択できるとは限らない。一般的に、非磁性層2を用いたコヒーレントトンネル効果を生じさせるためには、磁化固定層1や磁気結合層はBCC構造の強磁性材料が良いことが知られている。特に、磁化固定層1や磁気結合層の材料として、Co−Fe−Bの組成の材料がスパッタによって作成した際に大きな出力が得られることが知られている。
(Other configuration)
A magnetic coupling layer may be provided between the domain wall drive layer 3 and the nonmagnetic layer 2. The magnetic coupling layer is a layer to which the magnetization state of the domain wall drive layer 3 is transferred. The main function of the domain wall drive layer 3 is to drive the domain wall, and it is not always possible to select a material suitable for the magnetoresistive effect generated through the magnetization fixed layer 1 and the nonmagnetic layer 2. In general, in order to cause a coherent tunneling effect using the nonmagnetic layer 2, it is known that the magnetization fixed layer 1 or the magnetic coupling layer is preferably a ferromagnetic material having a BCC structure. In particular, it is known that a large output can be obtained when a material having a composition of Co—Fe—B is prepared by sputtering as the material of the magnetization fixed layer 1 and the magnetic coupling layer.

また磁壁駆動層3のうち平面視して磁化固定層1と重なる部分の厚さは他の部分よりも厚くても良い。磁壁DWが非磁性層2の下部を移動する際、磁壁DWの断面積が増大することで電流密度が減少し、磁壁DWの移動速度が遅くなる。磁壁DWの移動速度が遅くなると、磁壁駆動層3の磁化固定層1と接する部分における第1領域3aと第2領域3bの構成比率を制御しやすく、出力データをアナログ値として読み出しやすくなる。   The thickness of the portion of the domain wall drive layer 3 overlapping the magnetization fixed layer 1 in plan view may be thicker than that of the other portions. When the domain wall DW moves in the lower part of the nonmagnetic layer 2, the cross-sectional area of the domain wall DW increases, so that the current density decreases and the moving speed of the domain wall DW becomes slow. When the moving speed of the domain wall DW becomes slow, it becomes easy to control the composition ratio of the first region 3a and the second region 3b in the portion in contact with the magnetization fixed layer 1 of the domain wall drive layer 3, and it becomes easy to read output data as an analog value.

このような構造は、磁壁駆動層3、非磁性層2及び磁化固定層1を連続成膜で成膜し、余計な部分を削り取ることによって作製できる。連続成膜を実施した場合には接合する層の間の結合が強くなり、より効率の高い磁気結合や出力が得られる。   Such a structure can be manufactured by forming the magnetic domain drive layer 3, the nonmagnetic layer 2, and the magnetization fixed layer 1 by continuous film formation and scraping off unnecessary portions. When continuous film formation is performed, the coupling between the layers to be joined becomes strong, and more efficient magnetic coupling and output can be obtained.

またこの他、磁気抵抗効果素子に用いられる構成と同等の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、磁化固定層1の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。   In addition to this, a configuration equivalent to the configuration used for the magnetoresistive effect element can be used. For example, each layer may be composed of a plurality of layers, or may be provided with another layer such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the magnetization fixed layer 1.

「第2実施形態」
図5は、第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子101の斜視模式図である。第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子101は、磁化供給手段が異なる点が第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と異なる。その他の構成は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
"2nd Embodiment"
FIG. 5 is a schematic perspective view of a domain wall based analog memory device 101 according to the second embodiment. The domain wall based analog memory element 101 according to the second embodiment differs from the domain wall based analog memory element 100 according to the first embodiment in that the magnetization supply means is different. The other configuration is the same as that of the domain wall based analog memory device 100 according to the first embodiment, and the same configuration is denoted by the same reference numeral.

第2実施形態かかる磁壁利用型アナログメモリ素子101において磁化供給手段は、磁壁駆動層3と電気的に絶縁され、磁壁駆動層3に対して交差する方向に延在する第1配線14と第2配線15である。   In the domain wall utilizing type analog memory element 101 according to the second embodiment, the magnetization supplying means is electrically insulated from the domain wall driving layer 3 and extends in the direction intersecting with the domain wall driving layer 3. Wiring 15 is shown.

第2実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子101は磁化供給手段が異なるため、書き込み時の動作が異なる。磁壁利用型アナログメモリ素子101を書き込む際には、第1配線14と第2配線15の少なくとも一方に電流I14、15を流す。第1配線14及び第2配線15は、電流I14、15が流れるとアンペールの法則から磁場M14、M15が発生する。 The domain wall based analog memory device 101 according to the second embodiment differs in magnetization supply means, so the operation at the time of writing is different. When writing magnetic domain wall-using the analog memory device 101, electric current I 14, I 15 and first wiring 14 on at least one of the second wiring 15. The first wiring 14 and second wiring 15, the current I 14, when I 15 flows a magnetic field from Ampere's law M 14, M 15 is generated.

第1配線14に流す電流I14と第2配線15に流す電流I15との向きは反対とする。電流の向きを反対にすることで、それぞれの配線の周囲に生じる磁場M14、M15の向きが反対となる。第1配線14が生み出す磁場M14は磁壁駆動層3に+Xの磁場M14を与え、第2配線15が生み出す磁場M15は、磁壁駆動層3に−Xの磁場M15を与える。すなわち、第1配線14及び第2配線15に流すことで、磁壁駆動層3の第1領域3aと第2領域3bの構成比率を変更し、磁壁DWの位置が移動を動かすことができ、データを多値で記録できる。 The directions of the current I 14 flowing through the first wiring 14 and the current I 15 flowing through the second wiring 15 are opposite to each other. By reversing the direction of the current, the directions of the magnetic fields M 14 and M 15 generated around the respective wires become opposite. Magnetic field M 14 of the first wiring 14 produces gives a magnetic field M 14 of + X in wall driving layer 3, a magnetic field M 15 of the second wiring 15 produces gives a magnetic field M 15 of -X to wall driving layer 3. That is, by flowing the first wiring 14 and the second wiring 15, the composition ratio of the first region 3a and the second region 3b of the domain wall driving layer 3 can be changed, and the position of the domain wall DW can move the movement. Can be recorded in multiple values.

データの読み出し時は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同様に、電流の流れ方向を磁化固定層1と磁壁駆動層3の第2領域3bとの間に制御することで、データを正確に読み出すことができる。   At the time of data reading, the flow direction of the current is controlled between the magnetization fixed layer 1 and the second region 3 b of the domain wall drive layer 3 as in the domain wall based analog memory device 100 according to the first embodiment. , Data can be read correctly.

第1配線14及び第2配線15に用いられる材料は導電性に優れるものであれば特に問わない。例えば、金、銀、銅、アルミニウム等を用いることができる。   The material used for the first wiring 14 and the second wiring 15 is not particularly limited as long as it has excellent conductivity. For example, gold, silver, copper, aluminum or the like can be used.

また図6に示す磁壁利用型アナログメモリ素子102のように、磁化固定層1及び磁壁駆動層3の磁化の向きがZ方向に配向している場合は、第1配線14及び第2配線15の位置関係及び電流I14、15を流す方向を調整することで、磁壁DWの位置を移動させることができる。 When the magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the domain wall driving layer 3 are oriented in the Z direction as in the domain wall utilizing type analog memory element 102 shown in FIG. 6, the first wiring 14 and the second wiring 15 are The position of the domain wall DW can be moved by adjusting the positional relationship and the direction in which the currents I 14 and I 15 flow.

「第3実施形態」
図7は、第3実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子103の斜視模式図である。第3実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子103は、磁化供給手段が異なる点が第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と異なる。その他の構成は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
"3rd Embodiment"
FIG. 7 is a schematic perspective view of a domain wall based analog memory device 103 according to the third embodiment. The domain wall based analog memory device 103 according to the third embodiment differs from the domain wall based analog memory device 100 according to the first embodiment in that the magnetization supply means is different. The other configuration is the same as that of the domain wall based analog memory device 100 according to the first embodiment, and the same configuration is denoted by the same reference numeral.

第3実施形態かかる磁壁利用型アナログメモリ素子103において磁化供給手段は、磁壁駆動層3に接し、磁壁駆動層3に対して交差する方向に延在する第1スピン軌道トルク配線24と第2スピン軌道トルク配線25である。以下、第1スピン軌道トルク配線24及び第2スピン軌道トルク配線25をまとめてスピン軌道トルクと言う場合がある。   In the domain wall utilizing type analog memory element 103 according to the third embodiment, the magnetization supplying means is in contact with the domain wall driving layer 3 and extends in a direction intersecting the domain wall driving layer 3 with the first spin track torque wiring 24 and the second spin. Orbital torque wiring 25. Hereinafter, the first spin orbit torque wiring 24 and the second spin orbit torque wiring 25 may be collectively referred to as a spin orbit torque.

第3実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子103は磁化供給手段が異なるため、書き込み時の動作が異なる。磁壁利用型アナログメモリ素子103を書き込む際には、第1スピン軌道トルク配線24と第2スピン軌道トルク配線25の少なくとも一方に電流I24、25を流す。 The domain wall based analog memory device 103 according to the third embodiment differs in magnetization supply means, so the operation at the time of writing is different. When writing magnetic domain wall-using the analog memory device 103, electric current I 24, I 25 and the first spin-orbit torque wire 24 on at least one of the second spin-orbit torque wire 25.

第1スピン軌道トルク配線24及び第2スピン軌道トルク配線25に電流I24、25が流れると、スピン軌道相互作用に由来するスピンが磁壁駆動層3へ供給される。スピン軌道相互作用に由来するスピンは、スピン軌道トルク配線に電流が流れることによって生じるスピンホール効果及び異種元素界面間での界面ラシュバ効果によって発生する。 When currents I 24 and I 25 flow through the first spin orbit torque wiring 24 and the second spin orbit torque wiring 25, spin derived from the spin orbit interaction is supplied to the domain wall driving layer 3. The spin derived from the spin-orbit interaction is generated by the spin Hall effect generated by current flow in the spin-orbit torque wiring and the interface Rashba effect between different element interfaces.

スピンホール効果は、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、電流の向きと直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。スピン軌道トルク配線の延在方向に電流を流すと、一方向に配向した第1スピンと反対方向に配向した第2スピンとが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。   The spin Hall effect is a phenomenon in which a pure spin current is induced in a direction perpendicular to the current direction based on spin-orbit interaction when a current flows in a material. When current flows in the extending direction of the spin orbit torque wiring, the first spins oriented in one direction and the second spins oriented in the opposite direction are bent in the direction orthogonal to the current, respectively. The ordinary Hall effect and the spin Hall effect are common in that moving (moving) charges (electrons) can bend the direction of movement (moving), but the ordinary Hall effect causes charged particles moving in a magnetic field to move the Lorentz force. In contrast to being able to receive and bend the direction of movement, the spin Hall effect is largely different in that the direction of movement is bent only by electron movement (only current flow) even though there is no magnetic field.

非磁性体(強磁性体ではない材料)では第1スピンの電子数と第2スピンの電子数とが等しい。そのため、例えば図中で上方向に向かう第1スピンの電子数と下方向に向かう第2スピンの電子数は等しい。第1スピンの電子の流れをJ、第2スピンの電子の流れをJ、スピン流をJと表すと、J=J−Jで定義される。Jは分極率が100%の電子の流れである。すなわち、スピン軌道トルク配線内において、電荷の正味の流れとしての電流はゼロであり、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。 In nonmagnetic materials (materials that are not ferromagnetic materials), the number of electrons in the first spin and the number of electrons in the second spin are equal. Therefore, for example, the number of electrons of the first spin directed upward in the drawing is equal to the number of electrons of the second spin directed downward. The flow of the first spin electronic J ↑, the flow of the second spin electrons J ↓, to represent the spin current and J S, is defined by J S = J -J ↓. J S is a current of electrons having a polarizability of 100%. That is, in the spin-orbit torque wiring, the current as the net flow of charge is zero, and the spin current without this current is particularly called pure spin current.

純スピン流が生じているスピン軌道トルク配線を磁壁駆動層3に接合すると、所定の方向に配向したスピンが磁壁駆動層3に拡散して流れ込む。   When a spin orbit torque wiring in which a pure spin current is generated is joined to the domain wall drive layer 3, spins oriented in a predetermined direction are diffused and flow into the domain wall drive layer 3.

界面ラシュバ効果は、異種元素間の界面の影響を受けて、スピンが所定の方向に配向しやすくなり、所定の方向に配向したスピンが界面近傍に蓄積する現象をいう。   The interface Rashba effect is a phenomenon in which spins are easily oriented in a predetermined direction under the influence of an interface between different elements, and spins oriented in a predetermined direction are accumulated in the vicinity of the interface.

例えば、図7においてスピン軌道トルク配線と磁壁駆動層3の界面は異種元素間の界面に対応する。そのため、スピン軌道トルク配線の磁壁駆動層3側の面には所定の方向に配向したスピンが蓄積する。蓄積したスピンは、エネルギー的な安定を得るために、磁壁駆動層3に拡散し流れ込む。   For example, in FIG. 7, the interface between the spin orbit torque wiring and the domain wall drive layer 3 corresponds to the interface between different elements. Therefore, the spins oriented in a predetermined direction are accumulated in the surface on the domain wall driving layer 3 side of the spin orbit torque wiring. The accumulated spins diffuse and flow into the domain wall drive layer 3 in order to obtain energetic stability.

磁壁駆動層3に拡散し流れ込むスピンの向きは、第1スピン軌道トルク配線24及び第2スピン軌道トルク配線25に流す電流の向きで変更できる。磁壁駆動層3の第1領域3aには磁化M3aと同一方向のスピンが、磁壁駆動層3の第2領域3bには磁化M3bと同一方向のスピンが、供給されるようにする。 The direction of the spins diffused and flowing into the domain wall driving layer 3 can be changed by the direction of the current flowing through the first spin orbit torque wire 24 and the second spin orbit torque wire 25. The first region 3a spin magnetization M 3a in the same direction to the wall driving layer 3, the second region 3b of the wall driving layer 3 is spin magnetization M 3b in the same direction, to be supplied.

このように、第1スピン軌道トルク配線24と第2スピン軌道トルク配線25の少なくとも一方に電流I24、25を流すことで、磁壁駆動層3に所定の方向のスピンを供給することができる。その結果、磁壁駆動層3の第1領域3aと第2領域3bの構成比率が変更され、磁壁DWの位置が移動することで、データを多値で記録できる。 As described above, by causing the current I 24 and I 25 to flow in at least one of the first spin orbit torque wiring 24 and the second spin orbit torque wiring 25, spins in a predetermined direction can be supplied to the domain wall drive layer 3. . As a result, the composition ratio of the first region 3a and the second region 3b of the domain wall drive layer 3 is changed, and the position of the domain wall DW moves, whereby data can be recorded in multiple values.

データの読み出し時は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同様に、電流の流れ方向を磁化固定層1と磁壁駆動層3の第2領域3bとの間に制御することで、データを正確に読み出すことができる。   At the time of data reading, the flow direction of the current is controlled between the magnetization fixed layer 1 and the second region 3 b of the domain wall drive layer 3 as in the domain wall based analog memory device 100 according to the first embodiment. , Data can be read correctly.

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。スピン軌道トルク配線を構成する材料は、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。   The spin orbit torque wiring is made of a material in which a pure spin current is generated by the spin Hall effect when current flows. The material constituting the spin orbit torque wiring is not limited to the material consisting of a single element, and is composed of a part composed of a material in which a pure spin current is generated and a part composed of a material in which a pure spin current is not generated Or the like.

スピン軌道トルク配線は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線は、非磁性の重金属だけからなってもよい。   The spin track torque wiring may include nonmagnetic heavy metals. Here, heavy metal is used in the meaning of the metal which has specific gravity more than yttrium. The spin orbit torque wiring may be made of only nonmagnetic heavy metals.

この場合、非磁性の重金属は最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線は、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号39以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。   In this case, the nonmagnetic heavy metal is preferably a nonmagnetic metal having an atomic number of 39 or more, which has d electrons or f electrons in the outermost shell. Such nonmagnetic metals have a large spin-orbit interaction that causes the spin Hall effect. The spin orbit torque wiring may be made of only a nonmagnetic metal having a large atomic number of 39 or more, which has d electrons or f electrons in the outermost shell.

通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にd電子又はf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流が発生しやすい。また、スピン軌道トルク配線は金属の合金であることが好ましい。合金は異なる金属元素が一つの構造内に存在するため、結晶構造の対称性が低下し、純スピン流が発生しやすくなる。また合金を構成する金属元素の原子番号は、十分異なることがさらに好ましい。この場合、電子が感じる金属元素の軌道が大きく変化するため、より純スピン流が発生しやすくなる。   Normally, when current flows in metal, all electrons move in the direction opposite to the current regardless of the direction of spin, while nonmagnetic metal with large atomic number having d electrons or f electrons in the outermost shell Since the spin-orbit interaction is large, the direction of electron movement depends on the direction of electron spin by the spin Hall effect, and a pure spin current is likely to occur. The spin track torque wiring is preferably a metal alloy. Since different metallic elements are present in one structure of the alloy, the symmetry of the crystal structure is reduced and pure spin current is likely to occur. It is further preferable that the atomic numbers of the metal elements constituting the alloy be sufficiently different. In this case, since the orbit of the metal element felt by the electrons is largely changed, a pure spin current is more easily generated.

また、スピン軌道トルク配線は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線は、反強磁性金属だけからなってもよい。   In addition, the spin track torque wiring may include magnetic metal. Magnetic metal refers to ferromagnetic metal or antiferromagnetic metal. If the nonmagnetic metal contains a trace amount of magnetic metal, the spin-orbit interaction is enhanced, and the spin current generation efficiency with respect to the current flowing through the spin-orbit torque wiring can be increased. The spin orbit torque wiring may be made of only antiferromagnetic metal.

スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じるため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は3%以下であることが好ましい。   Since the spin-orbit interaction is caused by the intrinsic internal field of the material of the spin-orbit torque wiring material, a pure spin current is also generated in the nonmagnetic material. When a small amount of magnetic metal is added to the spin orbit torque wiring material, the spin current generation efficiency is improved because the magnetic metal itself scatters the electron spins flowing therethrough. However, if the addition amount of the magnetic metal is excessively increased, the generated pure spin current is scattered by the added magnetic metal, and as a result, the spin current decreases. Therefore, it is preferable that the molar ratio of the magnetic metal to be added be sufficiently smaller than the molar ratio of the main component of the spin track torque wiring. As a rule, the molar ratio of the magnetic metal added is preferably 3% or less.

また、スピン軌道トルク配線は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成することができる。   The spin track torque wiring may also include topological insulators. The spin track torque wiring may consist only of topological insulators. The topological insulator is a substance in which the inside of the substance is an insulator or a high resistance, but a spin-polarized metal state is generated on the surface thereof. There is something like an internal magnetic field called spin-orbit interaction in matter. Therefore, even if there is no external magnetic field, a new topological phase appears due to the effect of spin-orbit interaction. This is a topological insulator, and strong spin-orbit interaction and inversion symmetry breaking at the edge can generate pure spin current with high efficiency.

トポロジカル絶縁体としては例えば、SnTe,Bi1.5Sb0.5Te1.7Se1.3,TlBiSe,BiTe,(Bi1−xSbTeなどが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。 The topological insulators example, SnTe, Bi 1.5 Sb 0.5 Te 1.7 Se 1.3, TlBiSe 2, Bi 2 Te 3, preferably such as (Bi 1-x Sb x) 2 Te 3. These topological insulators can generate spin current with high efficiency.

「第4実施形態」
図8は、第4実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子104の斜視模式図である。第4実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子104は、磁化供給手段が異なる点が第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と異なる。その他の構成は、第1実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子100と同一であり、同一の構成には同一の符号を付している。
"4th Embodiment"
FIG. 8 is a schematic perspective view of a domain wall based analog memory element 104 according to the fourth embodiment. The domain wall based analog memory element 104 according to the fourth embodiment differs from the domain wall based analog memory element 100 according to the first embodiment in that the magnetization supply means is different. The other configuration is the same as that of the domain wall based analog memory device 100 according to the first embodiment, and the same configuration is denoted by the same reference numeral.

第4実施形態かかる磁壁利用型アナログメモリ素子104において磁化供給手段は、磁壁駆動層3に絶縁層36、37を介して接続された第1電圧印加端子34と第2電圧印加端子35である。以下、第1電圧印加端子34と第2電圧印加端子35をまとめて電圧印加端子と言う場合がある。   In the domain wall utilizing type analog memory element 104 according to the fourth embodiment, the magnetization supplying means is the first voltage applying terminal 34 and the second voltage applying terminal 35 connected to the domain wall driving layer 3 via the insulating layers 36 and 37. Hereinafter, the first voltage application terminal 34 and the second voltage application terminal 35 may be collectively referred to as a voltage application terminal.

第4実施形態かかる磁壁利用型アナログメモリ素子104は磁化供給手段が異なるため、書き込み時の動作が異なる。磁壁利用型アナログメモリ素子104を書き込む際には、磁化固定層1と第1電圧印加端子34又は第2電圧印加端子35の間に電圧を印加する。   Since the magnetic wall utilizing analog memory element 104 according to the fourth embodiment differs in magnetization supply means, the operation at the time of writing is different. When writing the domain wall based analog memory element 104, a voltage is applied between the magnetization fixed layer 1 and the first voltage application terminal 34 or the second voltage application terminal 35.

例えば、磁化固定層1と第1電圧印加端子34の間に電圧を印加すると、第1領域3aの磁化M3aの一部が電圧の影響を受ける。電圧をパルスで印加すると磁化M3aの一部は、電圧印加時にはZ方向に配向し、電圧印加が止まったタイミングで磁化容易方向+X方向又は−X方向に配向する。このZ方向に配向した磁化が+X方向又は−X方向に倒れるかは等確率であり、パルス電圧を印加するタイミング、回数、周期を調整することで、磁化M3aの一部を+X方向から−X方向に配向させることができる。 For example, when a voltage is applied between the magnetization fixed layer 1 and the first voltage application terminal 34, a part of the magnetization M 3a of the first region 3a is affected by the voltage. When a voltage is applied as a pulse, part of the magnetization M 3a is oriented in the Z direction when the voltage is applied, and is oriented in the easy magnetization direction + X or −X direction at the timing when the voltage application is stopped. It is equally probability that the magnetization oriented in the Z direction falls in the + X direction or the −X direction, and part of the magnetization M 3a can be viewed from the + X direction by adjusting the timing, number, and period of applying the pulse voltage. It can be oriented in the X direction.

このように、磁壁駆動層3に電圧をパルスで印加することで、磁壁駆動層3に所定の方向のスピンを供給することができる。その結果、磁壁駆動層3の第1領域3aと第2領域3bの構成比率が変更され、磁壁DWの位置が移動することで、データを多値で記録できる。   As described above, by applying a voltage to the domain wall drive layer 3 as a pulse, it is possible to supply the domain wall drive layer 3 with spin in a predetermined direction. As a result, the composition ratio of the first region 3a and the second region 3b of the domain wall drive layer 3 is changed, and the position of the domain wall DW moves, whereby data can be recorded in multiple values.

一方で、絶縁層36、37は読み込み時の電流の流れを阻害する。そのため、絶縁層36、37の存在は、磁壁利用型アナログメモリ素子104の出力特性を小さくするおそれがある。この場合は、図9に示す磁壁利用型アナログメモリ素子104のように、読み出し電流が流れる読み出し用配線38を設けてもよい。   On the other hand, the insulating layers 36 and 37 inhibit the flow of current at the time of reading. Therefore, the presence of the insulating layers 36 and 37 may reduce the output characteristics of the domain wall utilizing analog memory device 104. In this case, as in the domain wall utilizing type analog memory device 104 shown in FIG. 9, a reading wire 38 through which a reading current flows may be provided.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。   The embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, but the respective configurations and the combinations thereof and the like in the respective embodiments are merely examples, and additions and omissions of configurations are possible within the scope of the present invention. , Permutations, and other modifications are possible.

磁化供給手段は、第1領域3aに磁化を供給する手段と、第2領域3bに磁化を供給する手段とが異なっていてもよい。例えば、第1領域3aに磁化を供給する手段が第1磁化供給層4であり、第2領域3bに磁化を供給する手段が第2配線15でもよい。このように、第1実施形態から第4実施形態にかかる磁化供給手段をそれぞれ組み合わせて配置してもよい。また磁化供給手段として、磁壁駆動層3に流す書き込み電流そのものをスピン偏極電流としてもよい。   The magnetization supply means may be different from the means for supplying the magnetization to the first region 3a and the means for supplying the magnetization to the second region 3b. For example, the means for supplying the magnetization to the first region 3 a may be the first magnetization supply layer 4, and the means for supplying the magnetization to the second region 3 b may be the second wiring 15. Thus, the magnetization supply means according to the first to fourth embodiments may be combined and arranged. Further, as the magnetization supply means, the write current itself flowing through the domain wall drive layer 3 may be used as the spin polarization current.

(磁壁利用型アナログメモリ)
本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリは、上述の実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備える。
(A domain wall type analog memory)
The domain wall based analog memory according to the present embodiment includes a plurality of domain wall based analog memory elements according to the above-described embodiment.

図10に、本実施形態に係る磁壁利用型アナログメモリ200の回路構造の一例を模式的に示した図である。磁壁利用型アナログメモリ200は、複数の磁壁利用型アナログメモリ素子100と、第1配線201と、第1制御素子202と、第2配線203と、第2制御素子204と、第3配線205と、セル選択制御素子206と、を有する。   FIG. 10 is a view schematically showing an example of a circuit structure of a domain wall based analog memory 200 according to the present embodiment. The domain wall utilization type analog memory 200 includes a plurality of domain wall utilization type analog memory elements 100, a first wiring 201, a first control element 202, a second wiring 203, a second control element 204, and a third wiring 205. , Cell selection control element 206.

第1配線201は、それぞれの磁壁利用型アナログメモリ素子100の磁化固定層1に接続され、それぞれの磁化固定層1と第1制御素子202とを繋ぐ。第2配線203は、それぞれの磁壁利用型アナログメモリ素子100の第1磁化供給層4に接続され、それぞれの第1磁化供給層4と第2制御素子204とを繋ぐ。第3配線205は、それぞれの磁壁利用型アナログメモリ素子100の第2磁化供給層5に接続され、それぞれの第1磁化供給層4とセル選択制御素子206とを繋ぐ。   The first wiring 201 is connected to the magnetization fixed layer 1 of each domain wall utilizing analog memory element 100, and connects the magnetization fixed layer 1 and the first control element 202. The second wiring 203 is connected to the first magnetization supply layer 4 of each domain wall utilizing analog memory element 100, and connects the first magnetization supply layer 4 and the second control element 204. The third wiring 205 is connected to the second magnetization supply layer 5 of each domain wall utilizing analog memory element 100, and connects the first magnetization supply layer 4 and the cell selection control element 206 to each other.

第1配線201、第2配線203及び第3配線205は、通常の配線の材料として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。   For the first wiring 201, the second wiring 203, and the third wiring 205, a material used as a material of a normal wiring can be used. For example, aluminum, silver, copper, gold or the like can be used.

第1制御素子202は、第1配線201に流れる電流を制御する。第2制御素子204は、第2配線203に流れる電流を制御する。セル選択制御素子206は、書き込み及び読み出し時にいずれの磁壁利用型アナログメモリ素子100に電流を流すかを制御する。   The first control element 202 controls the current flowing to the first wiring 201. The second control element 204 controls the current flowing through the second wiring 203. The cell selection control element 206 controls which domain wall utilizing analog memory element 100 a current flows at the time of writing and reading.

第1制御素子202、第2制御素子204及びセル選択制御素子206は、公知のスイッチング素子を用いることができる。例えば、電界効果トランジスタ等に代表されるトランジスタ素子等を用いることができる。   As the first control element 202, the second control element 204, and the cell selection control element 206, known switching elements can be used. For example, a transistor element represented by a field effect transistor or the like can be used.

磁壁利用型アナログメモリ200にデータを書き込む際は、第2制御素子204とデータを書き込みたい磁壁利用型アナログメモリ素子100に接続されたセル選択制御素子206を開放する。これにより所定の磁壁利用型アナログメモリ素子100の磁壁駆動層3の磁壁DWが移動し、データが書き込まれる。   When writing data in the domain wall based analog memory 200, the cell selection control element 206 connected to the second control element 204 and the domain wall based analog memory element 100 to which data is to be written is released. Thereby, the domain wall DW of the domain wall drive layer 3 of the predetermined domain wall based analog memory element 100 is moved, and data is written.

磁壁利用型アナログメモリ200からデータを読み出す際は、第1制御素子202とデータを書き込みたい磁壁利用型アナログメモリ素子100に接続されたセル選択制御素子206を開放する。これにより所定の磁壁利用型アナログメモリ素子100のデータが読み出される。   When reading data from the domain wall based analog memory 200, the cell selection control element 206 connected to the first control element 202 and the domain wall based analog memory element 100 to which data is to be written is opened. Thereby, data of a predetermined domain wall utilizing analog memory element 100 is read out.

(不揮発性ロジック回路)
本実施形態にかかる不揮発性ロジック回路は、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子がアレイ状に配置され、アレイ内あるいはアレイ以外のいずれかにSTT−MRAMを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として磁壁利用型アナログメモリ素子及びSTT−MRAMを備えてなる。
磁壁利用型アナログメモリ素子とSTT−MRAMは同一の工程で作製することが可能であるため、コストの削減が可能である。また、デジタル的であるSTT−MRAMがアレイ状に配置された磁壁利用型アナログメモリ素子と同一回路に設置されることで、入出力をデジタル化し、内部ではアナログで処理することが可能なロジックを形成することができる。
(Nonvolatile logic circuit)
In the nonvolatile logic circuit according to the present embodiment, the domain wall based analog memory elements according to the present embodiment are arranged in an array, STT-MRAM is provided in any of the arrays or other than the array, and the storage function and the logic function are provided. It has a domain wall based analog memory element and STT-MRAM as a storage function.
Since the domain wall based analog memory element and the STT-MRAM can be manufactured in the same process, cost can be reduced. In addition, by installing STT-MRAM, which is digital, in the same circuit as a domain-wall-based analog memory element arranged in an array, input / output can be digitized and logic that can be internally processed in analog It can be formed.

(磁気ニューロ素子)
図11は、本実施形態に係る磁気ニューロ素子の一例の断面模式図である。本実施形態にかかる磁気ニューロ素子300は、上述の磁壁利用型アナログメモリ素子と、制御回路を有する電流源(図示略)とを備える。磁壁利用型アナログメモリ素子の磁壁駆動層3の長手方向には、第1記憶部301と該第1記憶部301を挟む第2記憶部302および第3記憶部303とがある。制御回路は、第1記憶部301、第2記憶部302および第3記憶部303のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流す。
(Magnetic neuro device)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an example of the magnetic neuro device according to the present embodiment. The magnetic neuro device 300 according to the present embodiment includes the above-described domain wall utilizing analog memory device and a current source (not shown) having a control circuit. A first storage unit 301 and a second storage unit 302 and a third storage unit 303 sandwiching the first storage unit 301 are provided in the longitudinal direction of the domain wall driving layer 3 of the domain wall utilizing analog memory element. The control circuit supplies a write current that can sequentially move the domain wall so as to stay at least once in all of the first storage unit 301, the second storage unit 302, and the third storage unit 303.

第1記憶部301は、磁壁駆動層3の平面視して磁化固定層1と重なる部分である。第2記憶部302は、平面視して磁化固定層1及び第2磁化供給層5と重なる部分の間の部分で(磁化固定層1及び第2磁化供給層5のいずれとも重ならない部分)ある。また、第3記憶部303は、平面視して磁化固定層1と第1磁化供給層4との間の部分(磁化固定層1及び第1磁化供給層4のいずれとも重ならない部分)である。   The first storage unit 301 is a portion overlapping the magnetization fixed layer 1 in a plan view of the domain wall drive layer 3. The second storage unit 302 is located in a portion between the portion overlapping with the magnetization fixed layer 1 and the second magnetization supply layer 5 in plan view (a portion not overlapping with any of the magnetization fixed layer 1 and the second magnetization supply layer 5). . In addition, the third storage unit 303 is a portion between the magnetization fixed layer 1 and the first magnetization supply layer 4 in a plan view (a portion not overlapping with any of the magnetization fixed layer 1 and the first magnetization supply layer 4). .

磁気ニューロ素子はシナプスの動作を模擬する素子であり、本実施形態にかかる磁壁利用型アナログメモリ素子に制御回路を設けることで磁気ニューロ素子として利用できる。   The magnetic neuro element is an element that simulates synapse operation, and can be used as a magnetic neuro element by providing a control circuit in the domain wall based analog memory element according to the present embodiment.

シナプスは、外部からの刺激に対して線形な出力を持ち、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、可逆的に出力する。磁壁DWの駆動(移動)によって磁化固定層1と磁壁駆動層3のそれぞれの磁化方向が平行な部分の面積が連続的に変化すると、磁化固定層1と磁壁駆動層3のそれぞれの磁化方向が平行な部分に形成される電流経路と反平行な部分に形成される電流経路とによる並列回路が形成される。   The synapse has a linear output with respect to an external stimulus, and outputs reversibly without hysteresis when reverse load is given. When the area of the portion in which the magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the domain wall drive layer 3 are parallel is continuously changed by the driving (movement) of the domain wall DW, the magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the domain wall drive layer 3 become the same. A parallel circuit is formed by the current path formed in the parallel portion and the current path formed in the antiparallel portion.

磁壁駆動層3の磁壁DWが移動すると、磁化方向が平行な部分の面積率と磁化方向が反平行な部分の面積率との比が変化し、比較的線形な抵抗変化が得られる。また磁壁DWの移動は電流の大きさと印可される電流パルスの時間に依存する。その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。   When the domain wall DW of the domain wall drive layer 3 moves, the ratio of the area ratio of the portion in which the magnetization directions are parallel to the area ratio of the portion in which the magnetization directions are antiparallel changes, and a relatively linear resistance change is obtained. Also, the movement of the domain wall DW depends on the magnitude of the current and the time of the applied current pulse. As a result, the magnitude and direction of the current, and the time of the applied current pulse can be regarded as an external load.

(記憶の初期段階)
例えば、磁壁駆動層3の磁壁が−X方向に最大に移動した場合、磁壁DWは第2磁化供給層5の磁化固定層1側の端部302aで安定化する。電流を第1磁化供給層4から第2磁化供給層5に流すと、電子が第2磁化供給層5から第1磁化供給層4に流れ、第2磁化供給層5及び磁壁駆動層3の内部でスピン偏極した電子がスピントランスファーを起こし、磁壁DWが+X方向に移動する。磁壁DWが磁化固定層1の第2磁化供給層5側の端部302bに達するまでは磁壁DWが移動しても、読み出しの抵抗は変化しない。この状態(第2記憶部302内に磁壁DWが配置する場合)を記憶の初期段階と呼ぶ。記憶の初期段階ではデータとしての記録はされていないが、データを記録するための準備が整えられている状態である。
(Early stage of memory)
For example, when the domain wall of the domain wall drive layer 3 moves to the maximum in the −X direction, the domain wall DW is stabilized at the end 302 a of the second magnetization supply layer 5 on the magnetization fixed layer 1 side. When current flows from the first magnetization supply layer 4 to the second magnetization supply layer 5, electrons flow from the second magnetization supply layer 5 to the first magnetization supply layer 4, and the inside of the second magnetization supply layer 5 and the domain wall drive layer 3 The spin-polarized electrons cause spin transfer, and the domain wall DW moves in the + X direction. Even if the domain wall DW moves until the domain wall DW reaches the end 302b of the magnetization fixed layer 1 on the second magnetization supply layer 5 side, the read resistance does not change. This state (when the domain wall DW is disposed in the second storage unit 302) is referred to as an initial stage of storage. Although the data is not recorded at the initial stage of storage, it is in a state of being ready for recording data.

(主記憶段階)
磁壁DWが磁化固定層1の下部(平面視して重なる部分、第1記憶部301)を通過している間は、読み出し時の抵抗が変化する。電流を第1磁化供給層4から第2磁化供給層5に流すことを外部からの負荷とし、負荷にある程度比例した線形の抵抗値変化を読み出すことができる。これが主記憶段階である。すなわち、第1記憶部301内に磁壁DWが配置する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶ。磁壁DWが磁化固定層1の一方のX方向の端部より外側にいる状態を記憶、あるいは、無記憶と定義し、磁壁DWが磁化固定層1の他方の端部より外側にいる状態を無記憶、あるいは、記憶と定義する。磁壁駆動層3に流れる電流の向きを逆にすると、逆の作用となる。
(Main memory stage)
While the domain wall DW passes through the lower portion of the magnetization fixed layer 1 (the overlapping portion in the plan view, the first storage unit 301), the resistance at the time of reading changes. The flow of current from the first magnetization supply layer 4 to the second magnetization supply layer 5 can be used as an external load, and a linear change in resistance value proportional to the load can be read out. This is the main memory stage. That is, the case where the domain wall DW is disposed in the first storage unit 301 is referred to as a main storage stage of storage. A state in which the domain wall DW is outside the one end in the X direction of the magnetization fixed layer 1 is stored or defined as no memory, and a state in which the domain wall DW is outside the other end of the magnetization fixed layer 1 is not It defines as memory or memory. When the direction of the current flowing in the domain wall drive layer 3 is reversed, the reverse action is obtained.

(記憶の深層化段階)
磁壁DWが磁化固定層1の第1磁化供給層4側の端部303bに達して、磁化固定層1から離れる方向に磁壁DWが移動する際には、読み込みの出力は変化しない。しかしながら、磁壁DWが磁化固定層1から十分離れた後は、逆向きの負荷が印可されても、磁壁DWが磁化固定層1の端部303bに達するまでは読み込み時の出力は変化しない。すなわち、第3記憶部303に磁壁DWがいる際は、外部からの負荷が与えられても記憶を失わず、記憶が深層化されている。すなわち、第3記憶部303内に磁壁DWが配置する場合を記憶の深層化段階と呼ぶ。
(The deepening stage of memory)
When the domain wall DW reaches the end portion 303 b on the first magnetization supply layer 4 side of the magnetization fixed layer 1 and the domain wall DW moves in the direction away from the magnetization fixed layer 1, the read output does not change. However, after the domain wall DW is sufficiently separated from the magnetization fixed layer 1, the output at the time of reading does not change until the domain wall DW reaches the end portion 303 b of the magnetization fixed layer 1 even if a reverse load is applied. That is, when the domain wall DW is in the third storage unit 303, the storage is deepened without losing the storage even if an external load is applied. That is, the case where the domain wall DW is disposed in the third storage unit 303 is referred to as the deeping stage of storage.

なお、磁壁駆動層3に流れる電流の向きを逆向きにすると、記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階と各記憶部との対応は逆となる。   When the direction of the current flowing through the domain wall drive layer 3 is reversed, the correspondence between the initial stage of storage, the main storage stage and the deep storage stage of storage and each storage unit is reversed.

このように磁壁利用型アナログメモリをシナプスの動作を模擬する磁気ニューロ素子として用いるためには、磁壁DWの移動を記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階を順に経る必要がある。磁壁DWの移動は、書き込み電流を流す電流源によって制御される。すなわち磁壁利用型アナログメモリは、少なくとも第1記憶部、第2記憶部および第3記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動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(図示略)を備えることで、磁気ニューロ素子として機能する。第1記憶部301、第2記憶部302および第3記憶部303のそれぞれを何回の移動で磁壁が通過し切るかは、書き込み電流の条件によって決める。   As described above, in order to use the domain wall based analog memory as a magnetic neuro element that simulates synapse operation, it is necessary to move the domain wall DW sequentially through the initial stage of storage, the main storage stage, and the deep storage stage of storage. The movement of the domain wall DW is controlled by a current source that passes a write current. That is, the domain wall utilizing type analog memory is controlled to flow a write current capable of moving the domain wall sequentially so as to stay at least once in all the storage units of at least the first storage unit, the second storage unit and the third storage unit. By providing a current source (not shown) having a control circuit, it functions as a magnetic neuro device. The number of movements of each of the first storage unit 301, the second storage unit 302, and the third storage unit 303 determines how many times the domain wall passes through depending on the conditions of the write current.

(記憶の忘却段階)
無記憶状態に磁壁駆動層3の磁壁を移動させることによって、記憶を忘却することができる。また、外部磁場、熱、及び物理的な歪みを与えることによっても、磁壁の駆動や消失を生じさせることができる。磁壁利用型アナログメモリは、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る。また、磁壁駆動層3に電流を流す以外の方法で磁壁を移動や消失させる場合にはランダムとなるため、複数の磁壁利用型アナログ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。
(Memory oblivion phase)
Memory can be forgotten by moving the domain wall of the domain wall drive layer 3 in a non-memory state. In addition, the domain wall can also be driven or dissipated by applying an external magnetic field, heat, and physical distortion. In the domain wall based analog memory, storage and no storage are determined by definition because the output shows constant low resistance and high resistance values. In addition, since the domain wall is made to move or disappear by a method other than supplying current to the domain wall driving layer 3, the correlation of the information among the plurality of domain wall utilizing analog memories is lost. These are called the oblivion phase of memory.

(磁気ニューロ素子を用いた人工的な脳)
本実施形態にかかる磁気ニューロ素子はシナプスの動きを模擬し、記憶の初期段階、主記憶段階、そして、記憶の深層化段階を経ることができるメモリである。すなわち、磁壁利用型アナログメモリを複数回路上に設置することで、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。
(Artificial brain using magnetic neuro elements)
The magnetic neuro device according to the present embodiment is a memory that simulates synapse movement and can go through the initial stage of memory, the main memory stage, and the depth stage of memory. That is, it is possible to simulate a brain by installing domain wall utilizing analog memories on a plurality of circuits. It is possible to form a brain with a high degree of integration in an arrangement in which the vertical and horizontal arrays are uniformly arrayed as in a general memory.

図12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素子を一つの塊として、これらをアレイ配置することで、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。図13は、磁気ニューロ素子をアレイ配置した積和演算回路である。図13では、図視左方向からそれぞれの配線に同時にデータが入力される。入力されたデータは、磁気ニューロ素子が記録している重み(記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階)に基づいてデータを出力する。それぞれの磁気ニューロ素子から出力された各データは、列方向に束ねられて出力される。図13に示す積和演算回路を備えるニューロモロフィックコンピュータは、脳のように例えば、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、磁壁駆動層3の材料を変化させると、負荷に対する磁壁の駆動速度や磁壁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。   As shown in FIG. 12, by arranging a plurality of magnetic neuroelements having specific circuits as one mass and arranging them in an array, it is possible to form a brain having a different degree of recognition from an external load. FIG. 13 shows a product-sum operation circuit in which magnetic neuro elements are arrayed. In FIG. 13, data is simultaneously input to the respective wirings from the left direction in the drawing. The input data is output based on the weight (the initial stage of storage, the main storage stage, and the depthing stage of storage) recorded by the magnetic neuro element. Each data output from each magnetic neuro element is bundled in the column direction and output. The neuromorphic computer having the product-sum operation circuit shown in FIG. 13 can produce individualities such as a brain sensitive to color and a brain having a high level of language understanding like a brain. In other words, the information obtained from an external sensor is processed in the five sense areas optimized for vision, taste, touch, smell, and auditory recognition, and further, by judgment in the logical thinking area, It is possible to form a process of determining behavior. Furthermore, when the material of the domain wall driving layer 3 is changed, the driving speed of the domain wall to the load and the method of forming the domain wall are changed, so that it is possible to form an artificial brain having the change as individuality.

1…磁化固定層、2…非磁性層、3…磁壁駆動層、3a…第1領域、3b…第2領域、4…第1磁化供給層、5…第2磁化供給層、14…第1配線、15…第2配線、24…第1スピン軌道トルク配線、25…第2スピン軌道トルク配線、34…第1電圧印加端子、35…第2電圧印加端子、36,37…絶縁層、38…読み出し用配線、100,101,102…磁壁利用型アナログメモリ素子、200…磁壁利用型アナログメモリ、201…第1配線、202…第1制御素子、203…第2配線、204…第2制御素子、205…第3配線、206…セル選択制御素子、300…磁気ニューロ素子、301…第1記憶部、302…第2記憶部、303…第3記憶部、M1,M3a,M3b,M4,M5…磁化、IW1,IW2,I,I14,I15,I24,I25…電流、e,e…伝導電子、R3a,R3b,RDW…抵抗、DW…磁壁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... magnetization fixed layer, 2 ... nonmagnetic layer, 3 ... domain wall drive layer, 3a ... 1st area, 3b ... 2nd area, 4 ... 1st magnetization supply layer, 5 ... 2nd magnetization supply layer, 14 ... 1st Wiring 15 15 second wiring 24 first spin orbit torque wiring 25 second spin orbit torque wiring 34 first voltage application terminal 35 second voltage application terminal 36, 37 insulation layer 38 ... Readout wiring, 100, 101, 102 ... Domain wall utilization type analog memory device, 200 ... Domain wall utilization type analog memory, 201 ... First wiring, 202 ... First control element, 203 ... Second wiring, 204 ... Second control Element 205: Third wiring 206: Cell selection control element 300: Magnetic neuro element 301: First storage unit 302: Second storage unit 303: Third storage unit M1, M3a, M3b, M4, M5 ... magnetization, I W1, I W2, I R I 14, I 15, I 24 , I 25 ... current, e 1, e 2 ... conduction electrons, R 3a, R 3b, R DW ... resistance, DW ... magnetic wall

Claims (10)

第1の方向に磁化が配向した磁化固定層と、
前記磁化固定層の一面に設けられた非磁性層と、
前記第1の方向に磁化が配向した第1領域と、前記第1の方向と反対の第2の方向に磁化が配向した第2領域と、これらの領域の界面をなす磁壁と、を有し、前記磁化固定層に対して前記非磁性層を挟んで設けられた磁壁駆動層と、
読み出し時に前記磁化固定層と前記第2領域との間に電流を流す電流制御手段と、を備える磁壁利用型アナログメモリ素子。
A fixed magnetization layer whose magnetization is oriented in a first direction,
A nonmagnetic layer provided on one side of the magnetization fixed layer;
It has a first region in which the magnetization is oriented in the first direction, a second region in which the magnetization is oriented in a second direction opposite to the first direction, and a domain wall forming an interface between these regions. A domain wall drive layer provided on both sides of the nonmagnetic layer with respect to the magnetization fixed layer;
And a current control unit for causing a current to flow between the magnetization fixed layer and the second region at the time of reading.
前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に接し、前記第1の方向又は前記第2の方向に配向した磁化を有する磁化供給層である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
The device further comprises a first magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the first direction to the domain wall driving layer, and a second magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the second direction,
At least one of the first magnetization supply unit and the second magnetization supply unit is a magnetization supply layer in contact with the domain wall drive layer and having magnetization oriented in the first direction or the second direction. A domain wall utilizing type analog memory device according to claim 1.
前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層と電気的に絶縁され、前記磁壁駆動層に対して交差する方向に延在する配線である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
The device further comprises a first magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the first direction to the domain wall driving layer, and a second magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the second direction,
At least one of the first magnetization supply means and the second magnetization supply means is a wire which is electrically insulated from the domain wall drive layer and extends in a direction intersecting the domain wall drive layer. The domain wall utilization type analog memory element of claim 1.
前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に接し、前記磁壁駆動層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である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
The device further comprises a first magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the first direction to the domain wall driving layer, and a second magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the second direction,
At least one of the first magnetization supply unit and the second magnetization supply unit is a spin track torque wiring which contacts the domain wall drive layer and extends in a direction intersecting the domain wall drive layer. The domain wall utilization type analog memory element of 1.
前記磁壁駆動層に前記第1の方向に配向した磁化を供給する第1磁化供給手段及び前記第2の方向に配向した磁化を供給する第2磁化供給手段をさらに有し、
前記第1磁化供給手段と前記第2磁化供給手段とのうち少なくとも一方は、前記磁壁駆動層に絶縁層を介して接続された電圧印加手段である、請求項1に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。
The device further comprises a first magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the first direction to the domain wall driving layer, and a second magnetization supply means for supplying magnetization oriented in the second direction,
The domain wall utilizing type analog memory according to claim 1, wherein at least one of the first magnetization supplying means and the second magnetization supplying means is a voltage applying means connected to the domain wall driving layer via an insulating layer. element.
前記電流制御手段が、読出し時に前記第2領域の電位を前記磁化固定層の電位より低く設定する電位制御手段である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。   The domain wall utilizing analog memory device according to any one of claims 1 to 5, wherein the current control means is a potential control means for setting the potential of the second region lower than the potential of the magnetization fixed layer at the time of reading. . 前記電流制御手段が、電流の流れ方向を制御する整流素子である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子。   The domain wall utilization type analog memory device according to any one of claims 1 to 5, wherein the current control means is a rectifying device for controlling the flow direction of current. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子を複数備えた磁壁利用型アナログメモリ。   A domain wall utilizing analog memory comprising a plurality of domain wall utilizing analog memory elements according to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子がアレイ状に配置され、
前記アレイ内あるいは前記アレイ以外のいずれかにSTT−MRAMを備え、
記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として前記磁壁利用型アナログメモリ素子及び前記STT−MRAMを備えてなる不揮発性ロジック回路。
The domain wall based analog memory element according to any one of claims 1 to 7 is arranged in an array.
An STT-MRAM is provided either in the array or other than the array,
A non-volatile logic circuit having a storage function and a logic function and including the domain wall utilizing analog memory element and the STT-MRAM as a storage function.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の磁壁利用型アナログメモリ素子を備え、
前記磁壁駆動層は、長手方向に並ぶ第1記憶部と、該第1記憶部を挟む第2記憶部および第3記憶部とを有し、
前記第1記憶部、前記第2記憶部および前記第3記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を制御する制御回路を有する電流源を備えた磁気ニューロ素子。
A domain wall utilizing type analog memory device according to any one of claims 1 to 7, comprising:
The domain wall drive layer includes a first storage unit aligned in the longitudinal direction, and a second storage unit and a third storage unit sandwiching the first storage unit.
A current source having a control circuit for controlling a write current which can sequentially move the domain wall so as to stay at least once in all the storage units of the first storage unit, the second storage unit, and the third storage unit Magnetic neuro device.
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