JP2019004124A - Magnetic element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、磁性素子に関する。 Embodiments described herein relate generally to a magnetic element.
磁性を有する金属原子を含む磁性領域と、金属酸化物を含む非磁性領域と、を備えた磁性素子が知られている。この磁性素子では、磁性領域の磁化方向を変化させることで、情報を記憶することができる。磁性領域の磁化方向は、磁性素子に電圧を印加することで制御される。この磁性素子において、より小さな電圧で磁性領域の磁化方向を制御でき、電界効果が大きいことが望ましい。 2. Description of the Related Art A magnetic element having a magnetic region containing a magnetic metal atom and a nonmagnetic region containing a metal oxide is known. In this magnetic element, information can be stored by changing the magnetization direction of the magnetic region. The magnetization direction of the magnetic region is controlled by applying a voltage to the magnetic element. In this magnetic element, it is desirable that the magnetization direction of the magnetic region can be controlled with a smaller voltage and the electric field effect is large.
本発明が解決しようとする課題は、電界効果を大きくすることが可能な磁性素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic element capable of increasing the electric field effect.
実施形態に係る磁性素子は、第1領域と、3原子層以下の厚さを有する第2領域と、第3領域と、を含む。前記第2領域は、前記第1領域と前記第3領域との間に位置する。前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含む。前記第2領域は、Co及びNiからなる群から選択された1つの第1原子と、複数の第1酸素原子と、を含む。前記第3領域は、金属原子と、第2酸素原子と、を含む。前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向において、前記第1原子は、前記第2酸素原子と、前記複数の第1酸素原子の1つと、の間にある。前記第1方向と交差する第2方向において、前記第1原子は、前記複数の第1酸素原子の2つの間にある。 The magnetic element according to the embodiment includes a first region, a second region having a thickness of three atomic layers or less, and a third region. The second region is located between the first region and the third region. The first region includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. The second region includes one first atom selected from the group consisting of Co and Ni, and a plurality of first oxygen atoms. The third region includes a metal atom and a second oxygen atom. In the first direction from the second region to the first region, the first atom is between the second oxygen atom and one of the plurality of first oxygen atoms. In a second direction intersecting the first direction, the first atom is between two of the plurality of first oxygen atoms.
本発明の実施形態によれば、電界効果を大きくすることが可能な磁性素子が提供される。 According to the embodiment of the present invention, a magnetic element capable of increasing the field effect is provided.
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
In the present specification and each drawing, the same elements as those already described are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
図1に表したように、第1実施形態に係る磁性素子100は、第1領域10、第2領域20、及び第3領域30を含む。第2領域20は、第1領域10と第3領域30との間に位置する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view illustrating a magnetic element according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the
第1領域10は、複数の金属原子11を含む。複数の金属原子11は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含む。
The
第2領域20は、第1原子21及び複数の第1酸素原子25を含む。第1原子21は、Co及びNiからなる群より選択された1つである。
第3領域30は、複数の金属原子31及び複数の第2酸素原子35を含む。
The
The
第2領域20から第1領域10に向かう第1方向をz軸方向とする。z軸方向に対して垂直な1つの方向をx軸方向とする。z軸方向及びx軸方向に対して垂直な方向をy軸方向とする。
The first direction from the
第1原子21は、z軸方向において、複数の第2酸素原子35の1つと、複数の第1酸素原子25の1つと、の間に位置する。第1原子21は、x軸方向において、複数の第1酸素原子25の2つの間に位置する。
The
図1に表した例では、第2領域20は、z軸方向に並んだ2つの原子層を含む。すなわち、z軸方向における第2領域20の厚さは、2原子層に対応する厚さである。
In the example illustrated in FIG. 1, the
以下で、磁性素子100の具体的な一例を説明する。
第1領域10の複数の金属原子11は、例えば、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つである。一例として、複数の金属原子11は、Feである。または、複数の金属原子11の一部は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つであり、複数の金属原子11の別の一部は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された別の1つであっても良い。一例として、複数の金属原子11の一部はFeであり、複数の金属原子11の別の一部はCoである。第1領域10は、例えば、体心立方構造を有する。
Hereinafter, a specific example of the
The plurality of
第2領域20の第1原子21は、例えば、y軸方向において、複数の第1酸素原子25の別の2つの間に位置する。すなわち、第1原子21は、例えば、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向において、酸素原子同士の間に位置する。第2領域20は、例えば、NaCl型の結晶構造を有する。
For example, the
第2領域20は、さらに第2原子22を含む。第2原子22は、Fe、Co、及びNiからなる群より選択された1つである。複数の第1酸素原子25の1つは、z軸方向において、複数の金属原子31の1つと、第2原子22と、の間に位置する。第2原子22は、x軸方向において、複数の第1酸素原子25の2つの間に位置する。第2原子22は、例えば、y軸方向において、複数の第1酸素原子25の別の2つの間に位置する。第1原子21のz軸方向における位置は、第2原子22のz軸方向における位置と異なる。第1原子21のx軸方向における位置は、第2原子22のx軸方向における位置と異なる。
The
または、第2原子22は、Co及びNiからなる群より選択された1つであり、第1原子21は、Fe、Co、及びNiからなる群より選択された1つであっても良い。
Alternatively, the
第3領域30の複数の金属原子31と複数の第2酸素原子35は、x軸方向及びz軸方向において交互に設けられる。複数の金属原子31と複数の第2酸素原子35は、例えば、さらにy軸方向において交互に設けられる。第3領域30は、例えば、NaCl型の結晶構造を有する。
The plurality of
第3領域30の金属原子31の原子番号は、例えば、第1原子21の原子番号よりも小さく、第2原子22の原子番号よりも小さい。金属原子31は、例えば、Mgである。
The atomic number of the
第3領域30の[001]方向は、z軸方向に沿う。第2領域20の[001]方向は、z軸方向に沿う。これは、第3領域30の[001]方向がz軸方向に沿うことに基づく。第1領域10の[001]方向は、z軸方向に沿う。これは、第2領域20の[001]方向がz軸方向に沿うことに基づく。
The [001] direction of the
第3領域30の[100]方向は、x軸方向に沿う。第2領域20の[100]方向は、x軸方向に沿う。これは、第3領域30の[100]方向がx軸方向に沿うことに基づく。第1領域10の[100]方向は、x軸方向に沿う。これは、第2領域20の[100]方向がx軸方向に沿うことに基づく。
The [100] direction of the
第1領域10、第2領域20、および第3領域30の結晶方位は、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)で確認することができる。第2領域20が1つの原子層または2つの原子層を含む場合、第2領域20の結晶方位は、第3領域30の結晶構造に基づいて定義することができる。例えば、第2領域20に含まれる原子が、第3領域30に含まれる原子とエピタキシャルに配列され、第3領域30の[001]方向がz軸方向に沿う場合、第2領域20の[001]方向はz軸方向に沿っているとみなすことができる。
The crystal orientations of the
図2は、第1実施形態に係る別の磁性素子を例示する模式的断面図である。
磁性素子110は、例えば、図2に表したように、第1磁性層1、酸化物層2、非磁性層3、第2磁性層4、第1導電層5、及び第2導電層6を含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
For example, as shown in FIG. 2, the
酸化物層2は、z軸方向において、第1磁性層1と非磁性層3との間に設けられる。第1磁性層1は、z軸方向において、酸化物層2と第1導電層5との間に設けられる。非磁性層3は、z軸方向において、酸化物層2と第2磁性層4との間に設けられる。第2磁性層4は、z軸方向において、非磁性層3と第2導電層6との間に設けられる。
The oxide layer 2 is provided between the first
第1磁性層1は、第1領域10を含む。酸化物層2は、第2領域20を含む。非磁性層3は、第3領域30を含む。
The first
第1磁性層1及び第2磁性層4は、強磁性を有する。第1磁性層1の磁化容易軸及び第2磁性層4の磁化容易軸は、例えば、z軸方向に沿う。第1磁性層1の磁化容易軸及び第2磁性層4の磁化容易軸は、x軸方向またはy軸方向に沿っていても良い。第1磁性層1の磁化方向は、第2磁性層4の磁化方向よりも容易に変化する。
The first
非磁性層3は、絶縁性である。非磁性層3は、例えば、トンネルバリアとして機能する。第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、第1磁性層1の磁化方向と第2磁性層4の磁化方向との相対的な関係に基づく。
The nonmagnetic layer 3 is insulative. The nonmagnetic layer 3 functions as a tunnel barrier, for example. The electrical resistance between the first
第1磁性層1の磁化方向と第2磁性層4の磁化方向が同じで、両者の間の角度が相対的に小さい場合、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、相対的に小さい。第1磁性層1の磁化方向と第2磁性層4の磁化方向が逆向きで、両者の間の角度が相対的に大きい場合、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、相対的に大きい。これは、磁気抵抗効果に基づく。
When the magnetization direction of the first
これらの電気抵抗が大きい状態と電気抵抗が小さい状態を、例えば、「0」と「1」に対応させることで、磁性素子110が記憶素子として機能する。第1磁性層1の電気抵抗を検出することで、磁性素子110に記憶された磁化情報を読み取ることができる。第1磁性層1の磁化方向を制御することで、磁性素子110に情報を書き込むことができる。
The
第1磁性層1と第2磁性層4との間に電圧を印加することで、第1磁性層1の磁化方向を制御することができる。電圧は、第1導電層5及び第2導電層6を介して第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加される。
By applying a voltage between the first
第1磁性層1の磁化方向の変化は、例えば、第1磁性層1と非磁性層3との間に発生する電界による、第1磁性層1と酸化物層2を含む領域の結晶磁気異方性エネルギーの変化に基づく。消費電力を低減するためには、同一の電圧に対してより大きな結晶磁気異方性エネルギーの変化が生じ、電界効果が大きいことが望ましい。
The change in the magnetization direction of the first
本願発明者は、第1原子21及び複数の第1酸素原子25を含む第2領域20が、第1領域10と第3領域30との間に位置することで、電圧印加時の結晶磁気異方性エネルギーの変化が大きくなり、電界効果を大きくできることを発見した。
The inventor of the present application locates the
図3は、シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
図4(a)、図4(b)、図5(a)〜図5(c)、及び図6(a)〜図6(c)は、第1実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of the magnetic element used in the simulation.
FIG. 4A, FIG. 4B, FIG. 5A to FIG. 5C, and FIG. 6A to FIG. 6C show the characteristics of the magnetic element according to the first embodiment. It is a simulation result.
シミュレーションは、第1原理計算を用いて行った。シミュレーションには、図3に表したように、3原子層のAu、3原子層のFe、2原子層の金属酸化物、及び6原子層のMgOを含む構造について行った。この構造は、基板が無い、自立したフリースタンディングの状態にある。 The simulation was performed using the first principle calculation. As shown in FIG. 3, the simulation was performed on a structure including a 3-atomic layer Au, a 3-atomic layer Fe, a 2-atomic layer metal oxide, and a 6-atomic layer MgO. This structure is in a free standing state without a substrate.
3原子層のAuは、例えば、図2に表した第1導電層5の少なくとも一部に対応する。3原子層のFeは、第1領域10に対応する。2原子層の酸化物は、第2領域20に対応する。6原子層のMgOは、第3領域30に対応する。
The triatomic layer Au corresponds to, for example, at least a part of the first
図4(a)及び図4(b)において、横軸は、第2領域20に含まれる酸化物を表す。図4(a)の縦軸は、結晶磁気異方性エネルギーEMCA(mJ/m2)を表す。図4(b)の縦軸は、電圧の変化に対する結晶磁気異方性エネルギーの変化(電界効果)ΔEMCA/ΔE(fJ/Vm)を表す。外部電場は、6原子層のMgOからz軸方向の負の方向に無限遠に離れた真空領域の電場の大きさで定義している。このため、MgO層における電界効果の大きさは、グラフ中の値に、MgOの比誘電率(9.8)をかけた値に実質的に対応する。
4A and 4B, the horizontal axis represents the oxide included in the
図4(a)及び図4(b)において、実線は、第2領域20が2つの原子層を含む場合の結果を表す。すなわち、実線は、第2領域20が、第1原子21、第2原子22、及び複数の第1酸素原子25を含む場合の結果を表す。破線は、第2領域20が1つの原子層を含む場合の結果を表す。すなわち、破線は、第2領域20が、第1原子21と複数の第1酸素原子25の一部とを含む場合の結果を表す。
In FIG. 4A and FIG. 4B, the solid line represents the result when the
図4(a)の結果では、第2領域20が2つの原子層を含み、第1原子21及び第2原子22がNiである場合、結晶磁気異方性エネルギーが比較的大きな正の値を示した。すなわち、比較的強い面直方向(z軸方向)の結晶磁気異方性を示している。面直方向の結晶磁気異方性を強めることで、第1領域10の磁化方向が面直方向に向き易くなる。ただし、結晶磁気異方性エネルギーの大きさは、Auの原子層(キャップ層に相当)の原子種を変えることにより調整可能である。キャップ層の原子種を調整することで、CoOを挿入した場合でも、結晶磁気異方性エネルギーを正の値、すなわち垂直方向(z軸方向)の結晶磁気異方性にできる。
In the result of FIG. 4A, when the
図4(b)の結果では、第2領域20がCoOを含む場合、第2領域20がFeまたはNiを含む場合に比べて、大きな電界効果を示した。すなわち、第2領域20が、Coである第1原子21または第2原子22を含むことで、電界効果を大きくできることを示している。
In the result of FIG. 4B, when the
図4(b)の結果では、第2領域20が、CoOを含み、2つの原子層を含む場合、より大きな電界効果を示した。すなわち、第2領域20が、Coである第1原子21及び第2原子22を含むことで、電界効果をさらに大きくできることを示している。電界効果が大きいほど、より小さな電圧で第1領域10の磁化方向を変化させることが可能となる。この結果、例えば、第1領域10に情報を記憶する際の消費電力を低減することができる。
In the result of FIG. 4B, when the
図5(a)〜図5(c)は、磁性素子100に外部電場E1(5V/nm)を印加した場合の各原子間の距離、磁性素子100に外部電場E2(−5V/nm)を印加した場合の各原子間の距離、及びこれらの距離の変化を表す。ここでは、第2領域20が2つの原子層を含む場合の結果を表している。各距離の単位は、Å(×10−1nm)である。
5A to 5C show the distance between atoms when the external electric field E1 (5 V / nm) is applied to the
図5(a)は、第1原子21及び第2原子22がCoである場合の結果を表す。図5(b)は、第1原子21及び第2原子22がNiである場合の結果を表す。図5(c)は、第1原子21及び第2原子22がFeである場合の結果を表す。
FIG. 5A shows the result when the
図5(a)〜図5(c)の表において、各原子間の距離d1〜d4は、図3に表した距離d1〜d4に対応する。距離d1は、z軸方向において最も近接した金属原子11と第1酸素原子25との格子間距離である。距離d2は、z軸方向において最も近接した第1原子21と第1酸素原子25との格子間距離である。距離d3は、z軸方向において最も近接した第2原子22と第1酸素原子25との格子間距離である。距離d4は、z軸方向において最も近接した第1原子21と第2酸素原子35との格子間距離である。
In the tables of FIGS. 5A to 5C, the distances d1 to d4 between the atoms correspond to the distances d1 to d4 shown in FIG. The distance d1 is the interstitial distance between the
図5(a)及び図5(b)の結果は、第1原子21及び第2原子22がCoまたはNiである場合、外部電場の極性の切替により、距離d4が0.04Å変化することを表している。図5(c)の結果は、第1原子21及び第2原子22がFeである場合、外部電場の極性の切替により、距離d4が0.02Å変化することを表している。すなわち、第1原子21及び第2原子22がCoまたはNiである場合、第1原子21及び第2原子22がFeである場合に比べて、距離d4の変化が2倍であった。
The results of FIGS. 5A and 5B show that when the
図6(a)〜図6(c)は、図3に表した構造における第1原子21のd軌道のバンド構造を表す。図6(a)〜図6(c)において、縦軸はエネルギーを表し、横軸は波数ベクトルを表す。図6(a)は、第1原子21がCoである場合の結果を表す。図6(b)は、第1原子21がNiである場合の結果を表す。図6(c)は、第1原子21がFeである場合の結果を表す。
図6(a)〜図6(c)において、実線は磁気量子数m=±1におけるバンド構造を表し、破線は磁気量子数m=±2におけるバンド構造を表す。
6A to 6C show the band structure of the d orbital of the
6A to 6C, the solid line represents the band structure at the magnetic quantum number m = ± 1, and the broken line represents the band structure at the magnetic quantum number m = ± 2.
図6(a)〜図6(c)から、第1原子21がCoである場合、第1原子21がNiまたはFeである場合に比べて、局在したマイノリティスピンd軌道がフェルミ準位近傍に位置していることが分かる。
From FIG. 6A to FIG. 6C, when the
図5に示された外部電場による原子の変位及び図6に示されたマイノリティスピンd軌道のエネルギー準位により、第2領域20がCoを含む場合に、大きな電界効果が表れたと考えられる。
It is considered that a large electric field effect appears when the
以上で説明した通り、第2領域20が第1領域10と第3領域30との間に位置することで、磁性素子100の結晶磁気異方性エネルギー及び電界効果の少なくともいずれかを大きくすることが可能である。しかし、第2領域20が厚いと、第1領域10に記憶された磁化情報を読み出す際に、トンネル抵抗の変化率(MR比)が小さくなる。従って、第2領域20のz軸方向における厚さは、3原子層に対応する厚さ以下であることが望ましい。第2領域20のz軸方向における厚さが、4原子層に対応する厚さ以上になると、MR比が大きく低下する可能性がある。
As described above, the
第2領域20を含む酸化物層2には、第2領域20以外の部分が含まれていても良い。例えば、酸化物層2は、第2領域20よりも厚い領域を含んでいても良い。酸化物層2のx−y面に沿った面積に対して、第2領域20のx−y面に沿った面積が10%以上存在すれば、電界効果をより大きくできる。素子の断面積(有効素子面積)は限定されるものではないが、記録密度を上げるために極微化の方向であり、10×10〜100×100nmの素子の開発報告がされている。
A portion other than the
上記はシミュレーション用のモデルであって、Au、Fe、MgOのそれぞれに含まれる原子層の数は上記に限定されない。Au、Fe、MgOのそれぞれは、より多くの原子層を含んでいても良い。また、Auに代えて、他の非磁性体の導電性を有する金属が用いられても良い。 The above is a model for simulation, and the number of atomic layers included in each of Au, Fe, and MgO is not limited to the above. Each of Au, Fe, and MgO may include more atomic layers. Further, instead of Au, another non-magnetic conductive metal may be used.
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
第2実施形態に係る磁性素子120は、例えば、第2領域20の構造について、第1実施形態に係る磁性素子100と差異を有する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a schematic view illustrating a magnetic element according to the second embodiment.
The
磁性素子120では、第2領域20は、例えば、1つの原子層を含む。第2領域20は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtから選択された1つである第1原子21を含む。第1原子21は、x軸方向において、複数の第1酸素原子25の2つの間に設けられる。第1原子21は、例えば、y軸方向において、複数の第1酸素原子25の別の2つの間に設けられる。
In the
第1原子21は、z軸方向において、第2酸素原子35と金属原子11との間に位置する。第1原子21と金属原子11との間のz軸方向における距離は、例えば、第1酸素原子25と金属原子11との間のz軸方向における距離よりも長い。
The
Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtのスピン軌道相互作用力は、Fe、Co、及びNiのスピン軌道相互作用力よりも大きい。さらに、第2領域20がこれらの酸化物を含むことで、外部電場を印加した際に、金属原子と酸素原子との相対的な位置の変位により、さらに大きな電界効果が期待できる。
The spin orbit interaction force of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt is larger than the spin orbit interaction force of Fe, Co, and Ni. Further, since the
図8は、第2実施形態の変形例に係る磁性素子を表す模式図である。
図8に表した磁性素子121のように、第2領域20が2つの原子層を含んでいても良い。すなわち、第2領域20は、第1原子21及び第2原子22を含む。第1原子21は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtから選択された1つである。第2原子22は、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群より選択された1つである。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a magnetic element according to a modification of the second embodiment.
Like the
または、第1原子21は、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群より選択された1つであり、第2原子22は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtから選択された1つであっても良い。
い。
Alternatively, the
Yes.
第2領域20のz軸方向における厚さは、3原子層に対応する厚さであっても良い。MR比の低下を抑制するためには、第2領域20のz軸方向における厚さは、3原子層に対応する厚さ以下であることが望ましい。
The thickness of the
図9は、シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
図10及び図11は、第2実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of the magnetic element used in the simulation.
10 and 11 are simulation results representing the characteristics of the magnetic element according to the second embodiment.
シミュレーションは、図9に表したように、3原子層のAu、3原子層のFe、1原子層の金属酸化物MO、及び6原子層のMgOを含む構造について行った。これらの原子層は、基板が無い、自立したフリースタンディングの状態にある。2原子層の酸化物は、図7に表した第2領域20に対応する。
As shown in FIG. 9, the simulation was performed on a structure including Au of 3 atomic layers, Fe of 3 atomic layers, metal oxide MO of 1 atomic layer, and MgO of 6 atomic layers. These atomic layers are self-supporting and free-standing without a substrate. The diatomic layer oxide corresponds to the
図10(a)〜図10(c)及び図11(a)〜図11(c)において、横軸はスピン軌道相互作用の強さを表す。図10(a)〜図10(c)において、縦軸は結晶磁気異方性エネルギーを表す。図11(a)〜図11(c)において、縦軸は電界効果を表す。外部電場は、6原子層のMgOからz軸方向の負の方向に無限遠に離れた真空領域の電場の大きさで定義している。このため、MgO層における電界効果の大きさは、グラフ中の値に、MgOの比誘電率(9.8)をかけた値に実質的に対応する。 10 (a) to 10 (c) and FIGS. 11 (a) to 11 (c), the horizontal axis represents the strength of the spin-orbit interaction. 10A to 10C, the vertical axis represents the magnetocrystalline anisotropy energy. 11A to 11C, the vertical axis represents the field effect. The external electric field is defined by the magnitude of the electric field in the vacuum region separated from the hexaatomic layer of MgO at infinity in the negative z-axis direction. For this reason, the magnitude of the field effect in the MgO layer substantially corresponds to a value obtained by multiplying the value in the graph by the relative dielectric constant (9.8) of MgO.
図10(a)及び図11(a)は、第1原子21が、Fe、Ru、またはOsである場合のシミュレーション結果を表す。図10(b)及び図11(b)は、第1原子21が、Co、Rh、またはIrである場合のシミュレーション結果を表す。図10(c)及び図11(c)は、第1原子21が、Ni、Pd、またはPtである場合のシミュレーション結果を表す。
FIG. 10A and FIG. 11A show simulation results when the
図10(a)〜図10(c)の結果では、第1原子21がOsまたはIrである場合に、結晶磁気異方性エネルギーが大きな正の値を示した。図11(a)〜図11(c)の結果では、第1原子21がOsまたはIrである場合に、大きな電界効果を示した。これらのシミュレーション結果は、第1原子21がOsまたはIrである場合に、より望ましい特性が得られることを示している。
In the results of FIGS. 10A to 10C, when the
上記はシミュレーション用のモデルであって、Au、Fe、MgOのそれぞれに含まれる原子層の数は上記に限定されない。Au、Fe、MgOのそれぞれは、より多くの原子層を含んでいてもよい。また、Auに代えて、他の非磁性体の導電性を有する金属が用いられても良い。 The above is a model for simulation, and the number of atomic layers included in each of Au, Fe, and MgO is not limited to the above. Each of Au, Fe, and MgO may include more atomic layers. Further, instead of Au, another non-magnetic conductive metal may be used.
(第3実施形態)
図12は、第3実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
図12に表したように、磁気記憶装置210は、磁性素子110、制御部70、第1配線70a、及び第2配線70bを含む。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a schematic view illustrating a magnetic memory device according to the third embodiment.
As illustrated in FIG. 12, the magnetic storage device 210 includes a
第1配線70aは、第1導電層5と電気的に接続される。第2配線70bは、第2導電層6と電気的に接続される。第2配線70bは、例えば、スイッチ70sを含む。スイッチ70sは、例えば選択トランジスタである。このように、電流経路上にスイッチなどが設けられている状態も、電気的に接続される状態に含まれる。
The first wiring 70 a is electrically connected to the first
制御部70は、第1配線70aと第2配線70bとの間に電圧を印加し、スイッチ70sをオンさせることで、磁性素子110に電圧を印加する。磁性素子110に電圧を印加すると、第1磁性層1の磁化方向がx軸方向またはy軸方向を中心に歳差運動し、磁化方向のz軸方向成分が正負に交互に反転する。磁性素子110への電圧の印加時間を適切に制御することで、第1磁性層1の磁化方向を所望の方向に制御することができる。すなわち、磁気記憶装置210では、磁性素子110に単極性の電圧を印加することにより、第1磁性層1の磁化方向を所望の方向に制御することができる。
The
(動作例)
第3実施形態に係る磁気記憶装置の動作例について説明する。
図13(a)〜図13(c)は、第3実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図の横軸は、時間tiを表す。これらの図の縦軸は、第1配線70aと第2配線70bとの間に加わる信号S1の電位を表す。信号S1は、第1磁性層1と第2磁性層4との間に加わる信号に実質的に対応する。
(Operation example)
An operation example of the magnetic memory device according to the third embodiment will be described.
FIG. 13A to FIG. 13C are schematic views illustrating the operation of the magnetic memory device according to the third embodiment.
The horizontal axis of these figures represents time ti. The vertical axis in these figures represents the potential of the signal S1 applied between the first wiring 70a and the second wiring 70b. The signal S1 substantially corresponds to a signal applied between the first
図13(a)に表したように、制御部70は、第1配線70aと第2配線70bとの間に、第1パルスP1(例えば書き変えパルス)を印加する第1動作OP1を実施する。第1動作OP1において、第1磁性層1と第2磁性層4との間に、第1パルスP1が供給される。例えば、第1パルスP1により、記憶された情報が書き換えられる。これにより、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗が変化する。
As illustrated in FIG. 13A, the
例えば、第1動作OP1の後における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗は、第1動作OP1の前における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第1電気抵抗とは、異なる。
For example, the second electrical resistance between the first
この電気抵抗の変化は、例えば、第1パルスP1(書き変えパルス)による第1磁性層1の磁化方向の変化に基づく。第1磁性層1と第2磁性層4との間において、磁化方向の相対関係が、第1パルスP1(書き変えパルス)により変化する。電気抵抗が異なる複数の状態は、それぞれ、記憶される情報に対応する。
This change in electrical resistance is based on, for example, a change in the magnetization direction of the first
図13(a)に示すように、制御部70は、第2動作OP2をさらに実施しても良い。第2動作OP2において、制御部70は、第1動作OP1の前に第1磁性層1と第2磁性層4との間(第1配線70aと第2配線70bとの間)に、第2パルスP2(読み出しパルス)を印加する。読み出しパルスにより得られた第1磁性層1と第2磁性層4との間の第3電気抵抗は、第1動作の後の第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗とは異なる。第3電気抵抗は、書き換え前の電気抵抗である。第2電気抵抗は、書き換え後の電気抵抗である。第3電気抵抗は、例えば、第1電気抵抗と同じである。
As illustrated in FIG. 13A, the
例えば、第2パルスP2(読み出しパルス)の極性は、第1パルスP1(書き変えパルス)の極性に対して逆である。このような逆極性の第2パルスP2(読み出しパルス)を用いる場合、第2パルスP2の第2パルス高さH2の絶対値は、第1パルスP1(書き変えパルス)の第1パルス高さH1の絶対値よりも小さくても良く、同じでも良く、大きくても良い。磁性層の結晶磁気異方性が電圧により制御される場合は、逆極性の読み出しパルスを用いることで、読み出し時に磁性層の磁化方向が変化することを抑制できる。 For example, the polarity of the second pulse P2 (read pulse) is opposite to the polarity of the first pulse P1 (rewrite pulse). When the second pulse P2 (reading pulse) having such a reverse polarity is used, the absolute value of the second pulse height H2 of the second pulse P2 is the first pulse height H1 of the first pulse P1 (rewriting pulse). The absolute value may be smaller, the same or larger. When the magnetocrystalline anisotropy of the magnetic layer is controlled by a voltage, it is possible to suppress a change in the magnetization direction of the magnetic layer at the time of reading by using a reading pulse having a reverse polarity.
磁気記憶装置210が上記特性を有する場合には、以下のようになる。
制御部70は、第1動作OP1において、第1磁性層1と第2磁性層4との間に、第1パルスP1を印加する。第1動作OP1の後における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗は、第1動作OP1の前における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第1電気抵抗とは、異なる。第1パルスP1は、第1極性と、第1パルス幅T1と、第1パルス高さH1と、を有する。
When the magnetic storage device 210 has the above characteristics, the following occurs.
The
このとき、第1極性とは逆の第2極性と、第1パルス幅T1と、第1パルス高さH1と同じ絶対値のパルス高さと、を有する別のパルスを印加した場合に、以下となる。
この別のパルスを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加した後の第1磁性層1と第2磁性層4との間の第3電気抵抗と、この別のパルスを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加する前の第4電気抵抗と、の差の絶対値は、第2電気抵抗と第1電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、第1パルスP1の印加により情報の書き換えが実行され、別のパルスの印加によっては情報の書き換えが生じない。
At this time, when another pulse having a second polarity opposite to the first polarity, a first pulse width T1, and a pulse height having the same absolute value as the first pulse height H1, is applied as follows: Become.
The third electric resistance between the first
第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、第1磁性層1と電気的に接続されている第1配線70aと、第2磁性層4と電気的に接続されている第2配線70bと、の間の電気抵抗に対応する。
The electrical resistance between the first
記憶されている情報を書き換えないときには、図13(b)に示すように、制御部70は、第2動作OP2の後に第3動作OP3を実施する。第3動作OP3においては、上記の第1パルスP1が印加されない。このときには、書き換えが生じない。
When the stored information is not rewritten, as shown in FIG. 13B, the
適切な第1パルスP1が印加されたときに、情報の書き換えが可能になる。適切な第1パルスP1が印加されると、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、高抵抗状態から低抵抗状態に、又は、低抵抗状態から高抵抗状態に、変化する。一方、適切ではないパルスが印加された場合は、高抵抗状態は、所望の低抵抗状態にならない。適切ではないパルスが印加された場合は、低抵抗状態は、所望の高抵抗状態にならない。
Information can be rewritten when the appropriate first pulse P1 is applied. When an appropriate first pulse P1 is applied, the electrical resistance between the first
適切ではないパルスのパルス幅は、例えば、適切な第1パルス幅T1の約2倍である。適切ではないパルスが第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加された場合には、抵抗の変化が生じる確率が低い。
The pulse width of the unsuitable pulse is, for example, about twice the appropriate first pulse width T1. When an inappropriate pulse is applied between the first
例えば、制御部70は、第1動作OP1において、第1磁性層1と第2磁性層4との間に上記の第1パルスP1を印加する。第1パルスP1は、第1パルス幅T1と、第1パルス高さH1と、を有する。この第1パルスP1により、書き換えが適切に行われる。すなわち、第1動作OP1の後における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗は、第1動作OP1の前における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第1電気抵抗とは、異なる。このとき、図13(c)に示すような別のパルスP1xが印加される場合には、電気抵抗の変化が実質的に生じない。別のパルスP1xは、第1パルス幅T1の2倍のパルス幅と、第1パルス高さH1と、を有する。
For example, the
このような別のパルスP1xを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加した後の第1磁性層1と第2磁性層4との間の第3電気抵抗と、別のパルスP1xを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加する前の第4電気抵抗と、の差の絶対値は、第2電気抵抗と第1電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、別のパルスP1xを印加したときには、電気抵抗は実質的に変化しない。または、別のパルスP1xを印加したときの電気抵抗の変化は、第1パルスP1を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。
The third electrical resistance between the first
複数回の動作における平均値を用いることで、上記の電気抵抗の変化を、より確実に比較できる。例えば、上記の第1パルスP1を印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。一方、上記の別のパルスP1xを印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。上記の2つの平均値を比較することで、別のパルスP1xを印加したときの電気抵抗の変化が第1パルスP1を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さいことが、より確実に分かる。 By using the average value in a plurality of operations, the change in the electrical resistance can be more reliably compared. For example, the process of applying the first pulse P1 and detecting the change in electrical resistance before and after the first pulse P1 is performed a plurality of times. The average value of the absolute value of the change in electrical resistance at this time is obtained. On the other hand, the process of applying the other pulse P1x and detecting the change in electric resistance before and after the pulse P1x is performed a plurality of times. The average value of the absolute value of the change in electrical resistance at this time is obtained. By comparing the above two average values, it can be more reliably understood that the change in electrical resistance when another pulse P1x is applied is smaller than the change in electrical resistance when the first pulse P1 is applied.
第3実施形態に係る磁気記憶装置210においては、例えば、上記の別のパルスP1xを印加したときの電気抵抗の変化が、上記の第1パルスP1を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。 In the magnetic memory device 210 according to the third embodiment, for example, the change in electrical resistance when the other pulse P1x is applied is smaller than the change in electrical resistance when the first pulse P1 is applied. .
(第4実施形態)
図14は、第4実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。
図14に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置220は、複数の記憶部MEと、複数の配線(複数の第1ビット線BL1、複数の第2ビット線BL2、及び複数のワード線WL)と、制御部70と、含む。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a schematic view illustrating another magnetic memory device according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 14, the
この例では、複数のビット線BL1及びBL2は、y軸方向に延びる。複数のビット線BL1及びBL2は、x軸方向に並ぶ。複数のワード線WLは、x軸方向に延びる。複数のワード線WLは、y軸方向に並ぶ。 In this example, the plurality of bit lines BL1 and BL2 extend in the y-axis direction. The plurality of bit lines BL1 and BL2 are arranged in the x-axis direction. The plurality of word lines WL extend in the x-axis direction. The plurality of word lines WL are arranged in the y-axis direction.
複数の記憶部MEの1つは、磁性素子110と、スイッチ70s(例えばトランジスタ)と、を含む。スイッチ70sは、磁性素子110と直列に接続される。磁性素子110の一端が、スイッチ70sの一端と接続される。磁性素子110は、1つのメモリセルMCに対応する。
One of the plurality of storage units ME includes a
複数の第1ビット線BL1の1つに、複数の記憶部MEの1つに含まれる磁性素子110の他端が電気的に接続される。複数の第2ビット線BL2の1つに、複数の記憶部MEの1つに含まれるスイッチ70sの他端が電気的に接続される。
The other end of the
複数のワード線WLの1つに、複数の記憶部MEの1つに含まれるスイッチ70sの制御端子(例えばゲート)が電気的に接続される。スイッチ70sの第3端子が電気的に接続される。
A control terminal (for example, a gate) of the
複数の第1ビット線BL1及び複数の第2ビット線BL2は、第1回路71及び第2回路72の少なくともいずれかに電気的に接続される。複数のワード線WLは、第3回路73に電気的に接続される。これらの回路は、選択スイッチ(例えば選択トランジスタなど)を含んでいる。これらの回路は、複数の配線を選択して所定の電圧を印加する。これらの回路及びスイッチ70sにより、複数の磁性素子110の1つに所定の電圧パルスが印加される。これにより、磁性素子110における抵抗が変化する。高抵抗状態または低抵抗状態が、記憶される情報の「0」または「1」に対応する。これらの回路は、例えば、検出回路(センスアンプなど)を含む。検出回路は、例えば、磁性素子110の抵抗状態に対応した値(電圧、電流及び抵抗など)を検出する。これにより、記憶した情報が読み出される。これらの回路は、制御部70に含まれる。
The plurality of first bit lines BL1 and the plurality of second bit lines BL2 are electrically connected to at least one of the
以上で説明した各実施形態によれば、第1磁性層1と非磁性層3の間に、特定原子で1〜3原子数の厚さを持つ酸化物層2が設けられることにより、結晶磁気異方性エネルギー及び電界効果の少なくともいずれかを大きくすることができる。そのため、例えば、書き換えの電流を抑制することができ、従来の磁気抵抗を利用したデバイスよりも磁化反転に要する電流を1/10以下にすることが可能となる。
According to each embodiment described above, by providing the oxide layer 2 having a specific atom thickness of 1 to 3 atoms between the first
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。実施形態に係る磁性素子や磁気記憶装置に含まれる各要素の具体的な構成に関しては、適宜変更することができる。実施形態に係る磁性素子や磁気記憶装置に当業者が適宜設計変更を加えたものであっても、上述した特徴を含む場合は本発明の範囲に包含される。また、上述した実施形態に含まれる各要素は、技術的に可能な限りにおいて適宜組み合わせることができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. The specific configuration of each element included in the magnetic element and the magnetic storage device according to the embodiment can be changed as appropriate. Even if a person skilled in the art appropriately changes the design of the magnetic element and the magnetic storage device according to the embodiment, the case where the above-described features are included is included in the scope of the present invention. Further, the elements included in the above-described embodiments can be appropriately combined as long as technically possible.
1 第1磁性層、 2 酸化物層、 3 非磁性層、 4 第2磁性層、 5 第1導電層、 6 第2導電層、 10 第1領域、 11 金属原子、 20 第2領域、 21 第1原子、 22 第2原子、 25 第1酸素原子、 30 第3領域、 31 金属原子、 35 第2酸素原子、 70 制御部、 70a 第1配線、 70b 第2配線、 70s スイッチ、 71 第1回路、 72 第2回路、 73 第3回路、 100〜121 磁性素子、 210、220 磁気記憶装置、 BL1 第1ビット線、 BL2 第2ビット線、 H1 第1パルス高さ、 H2 第2パルス高さ、 MC メモリセル、 ME 記憶部、 MO 金属酸化物、 OP1 第1動作、 OP2 第2動作、 OP3 第3動作、 P1 第1パルス、 P1x パルス、 P2 第2パルス、 S1 信号、 T1 パルス幅、 WL ワード線、 d1〜d4 距離
DESCRIPTION OF
Claims (10)
3原子層以下の厚さを有する第2領域と、
第3領域と、
を備え、
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置し、
前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含み、
前記第2領域は、Co及びNiからなる群から選択された1つの第1原子と、複数の第1酸素原子と、を含み、
前記第3領域は、金属原子と、第2酸素原子と、を含み、
前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向において、前記第1原子は、前記第2酸素原子と、前記複数の第1酸素原子の1つと、の間にあり、
前記第1方向と交差する第2方向において、前記第1原子は、前記複数の第1酸素原子の2つの間にある磁性素子。 A first region;
A second region having a thickness of 3 atomic layers or less;
A third region;
With
The second region is located between the first region and the third region;
The first region includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni;
The second region includes one first atom selected from the group consisting of Co and Ni, and a plurality of first oxygen atoms,
The third region includes a metal atom and a second oxygen atom,
In the first direction from the second region to the first region, the first atom is between the second oxygen atom and one of the plurality of first oxygen atoms;
The magnetic element in which the first atom is between two of the plurality of first oxygen atoms in a second direction intersecting the first direction.
前記第2原子は、前記第1方向と交差する第2方向において、前記複数の第1酸素原子の2つの間に位置し、
前記複数の第1酸素原子の別の1つは、前記第1方向において、前記第2原子と前記金属原子との間にある、請求項1記載の磁性素子。 The second region further includes one second atom selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni,
The second atom is located between two of the plurality of first oxygen atoms in a second direction intersecting the first direction;
2. The magnetic element according to claim 1, wherein another one of the plurality of first oxygen atoms is between the second atom and the metal atom in the first direction.
3原子層以下の厚さを有する第2領域と、
第3領域と、
を備え、
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置し、
前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含み、
前記第2領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つの第1原子と、Co及びNiからなる群から選択された1つの第2原子と、複数の第1酸素原子と、を含み、
前記第3領域は、金属原子と、第2酸素原子と、を含み、
前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向において、前記第1原子は、前記第2酸素原子と、前記複数の第1酸素原子の1つと、の間にあり、
前記複数の第1酸素原子の別の1つは、前記第1方向において、前記第2原子と前記金属原子との間にあり、
前記第1方向と交差する第2方向における前記第1原子の位置は、前記第2方向における前記第2原子の位置と異なる磁性素子。 A first region;
A second region having a thickness of 3 atomic layers or less;
A third region;
With
The second region is located between the first region and the third region;
The first region includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni;
The second region includes one first atom selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni, one second atom selected from the group consisting of Co and Ni, and a plurality of first oxygen atoms. Including,
The third region includes a metal atom and a second oxygen atom,
In the first direction from the second region to the first region, the first atom is between the second oxygen atom and one of the plurality of first oxygen atoms;
Another one of the plurality of first oxygen atoms is between the second atom and the metal atom in the first direction;
A magnetic element in which a position of the first atom in a second direction intersecting the first direction is different from a position of the second atom in the second direction.
3原子層以下の厚さを有する第2領域と、
第3領域と、
を備え、
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置し、
前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含み、
前記第2領域は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir及びPtから選択された1つの第1原子と、複数の第1酸素原子と、を含み、
前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向と交差する第2方向において、前記第1原子は、前記複数の第1酸素原子の2つの間に位置する磁性素子。 A first region;
A second region having a thickness of 3 atomic layers or less;
A third region;
With
The second region is located between the first region and the third region;
The first region includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni;
The second region includes one first atom selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt, and a plurality of first oxygen atoms,
In the second direction intersecting with the first direction from the second region toward the first region, the first atom is located between two of the plurality of first oxygen atoms.
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置し、
前記第1方向において、前記第1原子は、前記第1領域のFe、Co、及びNiからなる群から選択された前記少なくとも1つと、前記金属原子と、の間にある、請求項6記載の磁性素子。 A third region including a metal atom and a second oxygen atom;
The second region is located between the first region and the third region;
7. The first direction according to claim 6, wherein the first atom is between the metal atom and the at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni in the first region. Magnetic element.
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HYUNSOO YANG ET AL.: "Negative Tunneling Magnetoresistance by Canted - Magnetization in MgO/NiO Tunnel Barriers", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol. 106, JPN6021012178, 2011, pages 1 - 167201, ISSN: 0004614595 * |
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