JP2020120001A

JP2020120001A - 磁気メモリ素子

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Publication number: JP2020120001A
Application number: JP2019010092A
Authority: JP
Inventors: 小晰劉; Xiaoxi Liu
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: JP7300666B2

Abstract

【課題】消費電力が低く、磁性細線において安定して磁壁を移動でき長時間の動作が可能な、高速スピントランジスタ、高速磁気メモリ素子を提供する。【解決手段】一方向に延在するように設けられ内部に磁性細線と、磁性細線に接し磁性細線の延在する方向に沿って離間して設けられた第１電極および第２電極と、第１電極および第２電極との間の磁性細線の一面に対向して設けられた第３電極と、磁性細線と第３電極との間に設けられ磁性細線に接しかつ第３電極に接する絶縁層と、磁性細線に近接して配置された少なくとも１つの磁界センサとを備え、磁性細線が、磁性層と遷移金属層が交互に積層された積層構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、磁壁または磁気スキルミオンの状態に対応してデータを記憶する磁気メモリ素子に関する。

磁性体の磁化方向（スピンの方向）をデジタル情報として利用する磁気メモリは、高速性、不揮発性などの特徴をもつ次世代デバイスとして期待されている。中でも、磁性細線内の磁区と磁区の境界の磁壁を移動させ、磁性細線の磁化状態を制御するスピントランジスタや磁気メモリ素子が注目されている。

従来、磁性細線内の磁壁の移動は、スピントランスファー効果を利用した電流駆動によって行われている（例えば、特許文献１）。磁性細線に注入された電子のスピンは磁区内部の磁気モーメントの方向に揃って流れ、磁壁部分で磁気モーメントの回転方向に沿って電子のスピンも曲げられる。このとき、電子の角運動量を変化させる力の反作用が磁壁部分の磁気モーメントに働き、磁気モーメントはそれまでの回転方向と逆方向に回転させる力を受ける。この効果をスピントランスファー効果（スピン偏極した伝導電子のトルクが磁壁に渡されること）といい、この効果によって磁壁を移動させる。

電流駆動により磁壁を移動させるためには、磁性細線にある一定値以上の電流を流す必要がある。このため、電流駆動方式では、大きな電流が必要で消費電力が大きいという問題があった。

これに対して、電流を通電することに加え、さらに磁性細線に電界を印加して磁壁の移動を容易にする方法が提案されている（例えば、特許文献２）。しかし、この方法では、磁性細線に強い電界を印加するため絶縁層の膜厚を数ｎｍと薄くする必要がある。このため、ピンホール等によって絶縁層内にリーク電流が生じて磁性細線に印加される電界が不均一となり、磁壁移動を安定に制御できないという問題があった。

特開２００８−６６４７９号公報特開２０１４−６３９３６号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力が低く、磁性細線において安定して磁壁を移動でき長時間の動作が可能な、高速スピントランジスタ、高速磁気メモリ素子を提供することを目的とする。

発明者は、鋭意研究の結果、磁性層と遷移金属層を交互に積層した積層膜を磁性細線に用いることによって、小さい電界強度で磁壁移動を高精度に制御でき絶縁層の膜厚も厚くできることを見出した。さらに、この積層構造を持つ磁性細線について、磁壁だけでなく磁気スキルミオン（電子スピンが渦状に並んだナノスケールの磁気構造体）を発生でき電界を印加することにより駆動制御できることを見出した。

本発明は、これらの知見に基づき検討を重ね完成されたものであり、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。

＜１＞第１の発明の磁気メモリ素子は、一方向に延在するように設けられ磁性細線と、磁性細線に接し磁性細線の延在する方向に沿って離間して設けられた第１電極および第２電極と、第１電極および第２電極との間の磁性細線の一面に対向して設けられた第３電極と、磁性細線と第３電極との間に設けられ磁性細線に接しかつ第３電極に接する絶縁層と、磁性細線に近接して配置された少なくとも１つの磁界センサとを備え、磁性細線が、磁性層と遷移金属層が交互に積層された積層構造を有することを特徴とする。磁性細線は、内部に磁壁または磁気スキルミオンを有する。

＜２＞第２の発明の磁気メモリ素子は、第１の発明に係る磁気メモリ素子において、遷移金属層の一層が絶縁層に接していることを特徴とする。

＜３＞第３の発明の磁気メモリ素子は、第１または第２の発明に係る磁気メモリ素子において、絶縁層に接する遷移金属層の膜厚が０．２〜２ｎｍであることを特徴とする。

＜４＞第４の発明の磁気メモリは、第１〜第３のいずれか一つの発明に係る磁気メモリ素子において、磁性層がＣｏ、ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種以上の元素を含んだものであり、遷移金属層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、ＷおよびＴｂから選ばれる１種以上の元素であることを特徴とする。

＜５＞第５の発明の磁気メモリは、第１〜第４のいずれか一つの発明に係る磁気メモリ素子において、磁界センサが、磁性細線を挟んで、磁性細線の延在する方向の第３電極の端部に対向する位置に配置されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１電極と第２電極を通じて磁性層と遷移金属層の積層構造を有する磁性細線に駆動電流を流し、さらに第３電極に電圧を印加し磁性細線に電界を印加することによって、少ない電界強度で磁性細線内の磁壁や磁気スキルミオンの移動を制御することができる。これにより、第３電極と磁性細線の間の絶縁層の膜厚を厚くすることができ、絶縁層のピンホール等によるリーク電流の発生を抑制できる。

第２の発明によれば、磁性層と遷移金属層の積層膜において、絶縁層との界面に遷移金属層を配置することで、当該遷移金属層により強い電界を印加できる。これにより磁壁や磁気スキルミオンの移動がさらに容易となる。

第３の発明によれば、磁性層と遷移金属層の積層膜における遷移金属層の膜厚を０．２〜２ｎｍとすることによって、磁性層の磁気異方性をより効率的に制御できる。

第４の発明によれば、遷移金属層として、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、ＷおよびＴｂから選ばれる１種以上の元素を用いることによって、室温で磁性層と遷移金属層の積層膜の膜厚方向に磁気異方性を発生させ、電界によって磁気異方性の制御が容易となる。

第５の発明によれば、磁性細線内の磁壁または磁気スキルミオンは電界が印加されている範囲を移動するので、磁壁または磁気スキルミオンは第３電極の端部まで移動し端部で停止する。よって、漏洩磁界を検出する磁界センサの直下に磁壁または磁気スキルミオンを精度よく移動させることができ、磁壁または磁気スキルミオンの駆動制御が容易となる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す断面図である。電界印加による磁壁または磁気スキルミオンの駆動実験を説明する概略図である。磁性細線に電圧を印加したときの磁性細線の磁気特性の電圧依存を測定した結果である磁性細線に電流のみ通電したときの、磁性細線の磁気特性の場所依存性である。磁性細線に電流を通電しさらに電圧を印加したときの、磁性細線の磁気特性の場所依存性である。電流駆動によって磁気スキルミオンを移動させた場合のカー観察した結果である。磁気スキルミオンの移動速度を測定した結果である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態に係る磁気メモリ素子について説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、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が実際と同じであるとは限らない。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係数が異なって表される場合もある。さらに、図面によって一部の構成要素を省略している場合もある。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気メモリ素子１の構成を磁性細線側からみた斜視図である。磁気メモリ素子１は、基板２と、基板２の一面上に順次形成された第３電極３３および第１絶縁層４１と、第１電極３１、第２電極３２および第２絶縁層４２と、磁性細線５と、磁界センサ６とを備えている。

磁性細線５は、ｘ方向に延在している。第１電極３１および第２電極３２は、磁性細線５の下面において離間して設けられて磁性細線５と電気的に接合されている。第３電極３３は、磁性細線５の下面に対向して設けられているが、第２絶縁層４２を間に挟んで磁性細線５とは絶縁されている。第１電極３１には電流駆動回路１００が接続され、第３電極３３には電圧印加回路１０１が接続されている。第２電極３２はアースに落ちている。なお、ここでは、第１電極３１と第２電極３２は、磁性細線５の下側に接して形成されているが、磁性細線５の上面または側面に電気的に接合し形成されていてもよい。

また、磁界センサ６は、磁性細線５の上面の中央付近において磁性細線５に近接して配置されている。

基板２は、例えばガラス基板、セラミックス基板、サファイア基板、シリコン基板またはプラスチック基板等を用いることができる。第１〜第３電極３１〜３３は、金または銅などの導電性を有する非磁性金属材料や酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などをスパッタや蒸着により成膜しリソグラフィ技術によりパターニングして形成することができる。

第１絶縁層４１および第２絶縁層４２は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの絶縁材料をスパッタ等により成膜しリソグラフィ技術によりパターニングして形成することができる。第２絶縁層４２の膜厚は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍにすることができ、さらに１０ｎｍ〜２００ｎｍにすることができる。第２絶縁層４２の膜厚が１０ｎｍ以上であればピンホール等によるリーク電流の発生を抑制でき、２００ｎｍ以下であれば、電界強度を増加させ容易に磁壁や磁気スキルミオンを移動できる。

磁性細線５は、次のように形成する。すなわち、まず、第１電極３１、第２電極３２および第２絶縁層４２上に、磁性層と遷移金属層を交互に積層したサンドイッチ構造の積層膜を形成する。磁性層と遷移金属層の成膜はスパッタ法や蒸着法により行う。次に、フォトレジストによる露光・現像やイオンミリング等のリソグラフィ技術により積層膜をパターニングして磁性細線５を形成する。ｙｚ平面で切った磁性細線５の断面はほぼ矩形形状である。

第２絶縁層４２と接する積層膜の最下層（ボトム（Ｂｏｔｔｏｍ）層）は、後の磁気メモリの原理・動作で述べるように遷移金属層であることが好ましい。また、最下層（ボトム層）は、その上の磁性層と交互に積層される遷移金属層と同じ元素の材料であることが好ましい。成膜プロセスが容易であるからである。また、積層膜の最上層（トップ（Ｔｏｐ）層）も遷移金属層であることが好ましい。遷移金属層はキャッピング層として耐食性に優れるからである。さらに、積層膜は、下から遷移金属層／磁性層／遷移金属層が順次積層された磁性層が１層である積層構造でもよく、また遷移金属層／磁性層／遷移金属層／磁性層／・・・／磁性層／遷移金属層のように磁性層が２層以上の複数層ある積層構造であってもよい。

磁性層は、軟磁気特性が得られるよう、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）およびＮｉ（ニッケル）から選ばれる１種以上の元素を含んで形成することができる。また磁性層に、Ｂ（ホウ素）やＣｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）などの元素を添加することもできる。遷移金属層は、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）およびＴｂ（テルビウム）から選ばれる１種以上の元素から形成することができる。

したがって、積層膜は、例えば遷移金属層にＰｔを用いる場合、Ｐｔボトム層上に、ＣｏとＰｔを交互に積層したＣｏ／Ｐｔ積層膜、ＣｏＮｉとＰｔを交互に積層したＣｏＮｉ／Ｐｔ積層膜、またＣｏＦｅとＰｔを交互に積層したＣｏＦｅ／Ｐｔ積層膜などの構造であることが好ましい。また、例えばＰｄを用いる場合は、Ｐｄボトム層上に積層した、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜、ＣｏＮｉ／Ｐｄ積層膜、またＣｏＦｅ／Ｐｄ積層膜などの構造であることが好ましい。

磁性層の膜厚は０．２〜２ｎｍ、遷移金属層の膜厚は０．２〜２ｎｍであることができる。さらに、磁性層の膜厚は０．３〜１ｎｍ、ボトム層の遷移金属層の膜厚は０．５〜１．５ｎｍ、そして磁性層に挟まれ積層される遷移金属層の膜厚は０．２〜１ｎｍであることが好ましい。磁性細線５に好適な垂直磁気異方性を生じさせ電界印加によって磁壁や磁気スキルミオンを容易に移動できるからである。

さらに磁界センサ６は、ホール効果を利用したホール素子、または異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果などを利用した磁気抵抗効果素子を用いることができる。磁界センサ６は、ホール素子または磁気抵抗効果素子に通電し、これら素子に印加される磁性細線５からの漏れ磁界を電圧に変換する。

ホール素子の材料としては、例えばＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）、ＩｎＡｓ（インジウム・ヒ素）、ＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）などを用いることができる。異方性磁気抵抗効果素子の材料としては、例えばＮｉとＦｅの合金のＮｉＦｅ（パーマロイ）、巨大磁気抵抗効果素子の材料としては、例えばＣｏ／Ｃｕ（銅）多層膜やＮｉＦｅ／Ｃｕ多層膜、Ｆｅ／Ｃｒ（クロム）多層膜、トンネル磁気抵抗効果素子の材料としては、例えばＣｏ層／ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層／Ｃｏ層／反強磁性層を順次積層した膜やＣｏＦｅ層／ＭｇＯ層／ＣｏＦｅ層／反強磁性層を順次積層した膜を用いることができる。反強磁性層は、例えばＰｔＭｎ（白金マンガン合金）やＩｒＭｎ（イリジウムマンガン合金）などの材料を用いることができる。

次に、磁気メモリの原理・動作を説明する。

図２は、図１に示す磁気メモリ素子１について、磁性細線５の幅方向（ｙ方向）の中央部分においてｘｚ平面で切った（磁性細線５のｘ方向の中心線を含むｘｚ平面で切った）断面図である。磁性細線５の内部に磁区および磁壁を有する。

磁性細線５は膜厚方向（ｚ方向）に垂直磁気異方性を有する。磁性細線５の膜厚方向（ｚ方向）に適当な磁界を印加することによって、磁性細線５内に磁化方向が互いに異なる磁区７１と磁区７２、およびその境界に磁壁７３を生成することができる。図２の例では、磁界センサ６に対して右側に磁壁７３が生成されている。磁界センサ６直下の磁区７２の磁化方向は下向き（マイナスｚ方向）である。

さらに、上記の膜厚方向の磁界印加に加え、磁性細線５と第３電極３３の間に適当な電圧を印加すると、第３電極３３の端部に対向する磁性細線５の位置（磁性細線５において第３電極３３に対向している部分と第１絶縁層４１に対向している部分の境界付近）に磁壁７３を生成することができる。したがって、磁性細線５に磁界と電圧を印加することより磁壁７３の発生位置を制御することが可能である。

次に、電流駆動回路１００によって第１電極３１から第２電極３２の方向へ（プラスｘ方向へ）磁性細線５に電流を流す。ただし、通電する電流は電流駆動による磁壁７３の移動に必要な値より小さく設定する。そして、電圧印加回路１０１を通じて第３電極３３と磁性細線５の間に電圧を印加する。印加する電圧の極性は、磁性細線５に対して第３電極３３側が正または負の何れであってもよい。

第３電極３３と磁性細線５の間に電圧を印加すると、第２絶縁層４２の内部だけでなく、第２絶縁層４２に接する磁性細線５の第２絶縁層４２との界面の近傍にも電界が生じる。そして、界面近傍に遷移金属がある場合、遷移金属は電子数が多いため電界によりその電子状態が変化し、さらに、この電子状態の変化は近接する磁性層の電子軌道にも影響を与え、磁性層の磁気異方性も変化すると考えられる。

これにより、磁気異方性エネルギーが小さくなり磁壁移動に必要なエネルギーが低減される。したがって、遷移金属層を有しない磁性膜のみの場合に比べて、遷移金属層と磁性層が交互に積層された積層膜では、少ない電流で磁壁をマイナスｘ方向に移動させることができる。

上記の効果は、特に遷移金属層が第２絶縁層４２に接する場合、すなわち積層膜のボトム層が遷移金属層である場合、より大きいと考えられる。第２絶縁層４２に接するボトム層には強い電界が印加されるからである。したがって、積層膜のボトム層は遷移金属層であることが好適である。ボトム層が遷移金属層でない場合に比べ、磁性層の磁気異方性エネルギーをより小さくでき、さらに少ない電流で磁壁を移動させることができるからである。

磁壁７３の移動速度・移動距離は、電流の大きさや通電時間、電圧の大きさや印加時間によって調整可能である。また磁壁７３の移動方向は、電流の通電方向によって定めることができる。移動方向は電流方向と逆である。

そこで、所定の電流パルスをプラスｘ方向に流しかつ一定の電圧パルスを加えれば、磁壁７３をマイナスｘ方向に移動させ磁界センサ６の左側に移動させることができる。このとき、磁界センサ６直下の磁区は磁区７２から磁区７１へと変化し、その磁化方向は上向き（プラスz方向）となる。これにより、磁界センサ６に流入する直下の磁区からの漏れ磁界の方向は電流パルスと電圧パルスを印加する前に比べ反転し、磁界センサ６の出力電圧が変化する。

このように、磁性細線５に通電しかつ電圧を印加することによって磁壁７３を駆動でき、磁界センサ６に対して右側または左側に磁壁７３を移動させ情報を書き込むことができる。書き込んだ情報を磁界センサ６によって出力電圧に変換し読み取ることができる。

さらに、電流駆動回路１００によって磁性細線５を流れる電流の方向をマイナスｘ方向に反転させ、所定の電流パルスを通電する。そして、電圧印加回路１０１によって一定のパルス電圧を第３電極３３と磁性細線５に加える。

これにより、磁壁７３をプラスｘ方向に移動させ、磁界センサ６の直下の磁区を磁区７１から磁区７２に戻すことができる。そして、磁界センサ６に流入する磁性細線５からの漏洩磁界の反転を磁界センサ６の出力電圧の変化として検出し、磁性細線５に書き込んだ情報を読み取ることができる。

上記の例では、磁界センサは１つであったが、複数個の磁界センサを一定の間隔で磁性細線５上に並んで設けてもよい。この場合は、それぞれの磁界センサの間に磁壁を移動させて１および０の情報として記憶させることによって、より多くの情報を書き込み読み出すことができる。

以上、磁性細線５に通電する電流パルスと、第３電極３３を介して磁性細線５に印加する電圧パルスを制御することよって磁壁７３を磁性細線内で移動させ、情報を記憶することを述べた。これは、（１）一定の電流を流した状態で所定の電圧値・時間幅の電圧パルスを印加することによって行ってもよい。また、（２）一定の電圧を印加した状態で所定の電流値・時間幅の電流パルスを通電して行ってもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子１として、磁性細線５の内部に磁気スキルミオンを有する場合についてメモリの動作を説明する。磁気スキルミオンは、電子スピンが渦状に並んだナノスケールの磁気構造体である。

図３は、第２の実施形態に係る磁気メモリ素子１について、図２と同様に、磁性細線５の幅方向（ｙ方向）の中央部分においてｘｚ平面で切った（磁性細線５のｘ方向の中心線を含むｘｚ平面で切った）断面図である。磁性細線５の内部に磁気スキルミオンを有する。

本実施形態に係る磁気メモリ素子の斜視図については、特に示さないが、図１と基本的に同じである。第１電極３１には電流駆動回路１００が接続され、第３電極３３には電圧印加回路１０１が接続されており、第２電極３２はアースに落ちている。ただし、２つの磁界センサ（第１磁界センサ６１と第２磁界センサ６２）が磁性細線５上に一定の距離離れ、磁性細線５と第２絶縁層を介して第３電極３３に対向して設けられており、この点が磁界センサを１つしか有していない図１の第１の実施形態とは異なる。

磁気スキルミオン８２は、磁性細線５と第３電極３３の間に適当な電界を印加することによって、磁性細線５の内部に生成することができる。このとき、磁性細線５が延在する方向の第３電極３３の端部に対応して磁性細線５内に磁気スキルミオンが生成される。例えば、第３電極３３に正の電圧を印加した場合、第３電極３３の２つの端部の第２電極３２側の端部に対応した位置に磁性細線５内に磁気スキルミオンを生成することができる。

図３の例は、後述する方法で（磁性細線５に電流パルスと電圧パルスを印加して）第１磁界センサ６１の直下に磁気スキルミオンを移動させた場合である。第１磁界センサ６１直下の磁気スキルミオン８２の磁化方向は周りの磁区８１の磁化方向と逆向きのプラスｚ方向である。

磁気スキルミオン８２を移動させる方法は、磁壁を移動させる方法と同じである。すなわち、前述したように、磁性細線５に電流駆動回路１００によって第１電極３１から第２電極３２の方向に（プラスｘ方向に）電流を流す。ただし、通電する電流は従来の電流駆動による磁気スキルミオン８２の移動に必要な値より小さく設定する。そして、電圧印加回路を通じて第３電極３３と磁性細線５に電圧を印加し第２絶縁層４２に電界を印加する。印加する電圧の極性は、第３電極３３側が正でも負でもよい。これにより、磁性層に発生する磁気異方性を減少させ、磁気スキルミオンをマイナスｘ方向に移動させることができる。

磁気スキルミオン８の移動速度・移動距離は、磁壁の場合と同様に、電流の大きさおよび通電時間、電圧の大きさおよび印加時間によって調整可能である。また磁気スキルミオン８の移動方向は、電流の通電方向によって定めることができる。移動方向は電流方向と逆である。

そこで、所定の電流パルスをプラスｘ方向に流しかつ一定の電圧パルスを加えて、磁気スキルミオン８２をマイナスｘ方向に移動させ第２磁界センサ６２の直下に移動させることができる。これにより、磁気スキルミオン８２からの漏れ磁界が第２磁界センサ６２に流入し、電流パルスと電圧パルスを印加する前に比べ第２磁界センサ６２の出力電圧が変化する。

以上により、磁性細線５に対し通電・電圧印加によって磁気スキルミオン８２を駆動し磁性細線５に情報を書き込み、そして第２磁界センサ６２によってその情報を読み取ることができる。

さらに、前述した磁壁移動の場合と同様、電流駆動回路１００によって磁性細線５を流れる電流の方向をマイナスｘ方向に反転させ、所定の電流パルスを通電する。そして、電圧印加回路１０１によって一定のパルス電圧を第３電極３３と磁性細線５に加える。

これによって、磁気スキルミオン８２をプラスｘ方向に移動させ、第２磁界センサ６２の直下から第１磁界センサ６１の直下に磁気スキルミオン８２を移動させる。そして、第１磁界センサ６１に流入する磁性細線５から漏洩磁界の変化を第１磁界センサ６１の出力電圧の変化として検出し、磁性細線５に書き込んだ情報を読み取ることができる。

以上、磁性細線５に通電する電流パルスと第３電極３３と磁性細線５に印加する電圧パルスを制御することよって磁気スキルミオン８２を磁性細線５内で移動させ、１および０の情報として記憶できることを述べた。この方法は、前述した磁壁の場合と同様に、（１）一定の電流を流した上で所定の電圧値・時間幅の電圧パルスを印加することによって行ってもよいし、または（２）一定の電圧を印加した状態で所定の電流値・時間幅の電流パルスを通電して行ってもよい。

＜第３の実施形態＞
さらに、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子１について、磁性細線内部に磁気スキルミオンを有する場合を例に説明する。

図４は、磁性細線内部に磁気スキルミオンを有する場合の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子１の断面図である。図２と同様に、磁性細線５の幅方向（ｙ方向）の中央部分においてｘｚ平面で切ったものである。図３との違いは、第１磁界センサ６１および第２磁界センサ６２が、磁性細線５を挟んで磁性細線５が延在する方向の第３電極の両端部ＰとＱに対向する位置に設けられている点である。なお、第１磁界センサ６１と第２磁界センサ６２の少なくとも１つが第３電極の端部ＰまたはＱに対向する位置に配置されていてもよい。

本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子１では、第２の実施形態と同様に、所定の電流パルス（電流駆動による磁気スキルミオンの移動に必要な電流値未満の電流）を通電し一定の電圧パルスを印加して磁気スキルミオン８２を移動させるが、磁気スキルミオン８２が第３電極３３の端部ＰとＱの位置に来るとその移動は止まる。第３電極３３に対向する磁性細線５の部分を超えると磁性細線５の第２絶縁層４２との界面に電界が印加されないからである。すなわち、磁気スキルミオン８２は、第３電極３３に対向する磁性細線５のＰ〜Ｑに対応する範囲で移動が可能である。

したがって、第３電極３３の端部ＰとＱの直上にそれぞれ第１磁界センサ６１および第２磁界センサ６２を配置すれば、第１磁界センサ６１、第２磁界センサ６２の直下で磁気スキルミオン８２の移動が終わる。よって、磁気スキルミオン８２からの漏れ磁界を効率よく磁界センサに流入させることができ、高精度に情報を書き込み・読み出しすることが可能となる。

以下、実施例により本発明の効果、特に電界印加による磁壁および磁気スキルミオンの駆動制御をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

図５は、電界印加による磁壁や磁気スキルミオンの駆動実験を説明する概略図である。実験用サンプルは、ＳｉＯ_２が被覆されたＳｉ基板２上に、透明電極である酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる電極３３、ＳｉＯ_２からなる第１絶縁層４１および第２絶縁層４２、磁性細線５を形成し、磁性細線５の両端上にＡｕ（金）からなる電極３１と３２形成して作製した。

第２絶縁層４２の膜厚は１００ｎｍである。第２絶縁層４２はピンホールがほとんど無く電流リークの問題は生じない。磁性細線５は、第２絶縁層４２上に下からＰｔボトム層（１ｎｍ）／Ｃｏ_５０Ｎｉ_５０（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）／Ｃｏ_５０Ｎｉ_５０（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）を順次積層した積層構造を持つＣｏ_５０Ｎｉ_５０／Ｐｔ積層膜がリソグラフィ技術によってパターニングされ形成されている。ＣｏＮｉ合金の組成は、Ｃｏ：５０ａｔ％、Ｎｉ：５０ａｔ％である。磁性細線５のｘ方向の長さは２５μｍ、ｙ方向の幅は５μｍである。電極３１には電流駆動回路１００、電極３３には電圧を印加するための電圧印加回路１０１が接続されている。電極３２はアースに落ちている。

さらに、この実験システムにおいて、磁性細線５の表面に波長：５３２ｎｍ、ビームスポット径：４００ｎｍのレーザ光が照射される。そして、特に図示していないが受光回路によってポーラー・カー効果による直線偏光面のカー回転角に応じた信号（カー信号）を観測できるようになっている。

また、特に図示していないがヘルムホルツコイルによって磁性細線５の膜厚方向（ｚ方向）に外部磁界を印加でき、またレーザ光の照射位置もｘｙ平面内で可変できるようになっている。これにより、磁性細線５の表面での位置情報とカー回転角から磁性細線の磁気特性の場所による変化や局所的な磁区構造、磁壁および磁気スキルミオンの様子・状態を画像処理して観測することができる。

図６は、図５のサンプルについて、電圧印加回路によって電極３３が正極となるように電極３３と磁性細線５の間に電圧Ｖ_Ｇを印加したとき、磁性細線５の表面の「Ｂ」の位置における磁気特性の電圧依存性を測定した結果である。「Ｂ」の位置は、電極３３に対向し電圧・電界が印加される磁性細線５のほぼ中央部分に相当する。（ａ）はカー信号（ＫｅｒｒＳｉｇｎａｌ）対磁界Ｈのヒステリシス曲線（Ｍ−Ｈ曲線に対応）、（ｂ）は、保磁力Ｈｃの電圧Ｖ_Ｇ依存性のグラフである。磁性細線５には、電極３１から電極３２の方向に電流０．１ｍＡを通電している。電圧は０〜８．５Ｖの範囲で変化させている。

図６から、電圧Ｖ_Ｇの増加に伴いヒステリシス曲線における保磁力Ｈｃは減少し、また磁界Ｈ＝０Ｏｅのときのヒステリシス曲線のｙ切片（残留磁化に対応）も小さくなっている。磁性細線５に電圧Ｖ_Ｇを印加すると垂直磁気異方性が変化し垂直磁気異方性のエネルギーが小さくなっていることが分かる。

図７は、磁性細線５に電圧Ｖ_Ｇを印加しないで、電流のみ０．１ｍＡ通電したときの、図５の磁性細線５の表面の「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」の位置にレーザ光を照射して測定したカー信号対磁界Ｈのヒステリシス曲線である。（ａ）が「Ａ」の位置、（ｂ）が「Ｂ」の位置、（ｃ）が「Ｃ」の位置のヒステリシス曲線である。

「Ａ」および「Ｃ」の位置は、電圧Ｖ_Ｇを印加したとき電界が印加される磁性細線５の領域の両端部分である。図から、磁性細線５の保磁力Ｈｃは、「Ａ」の位置で１１．１Ｏｅ、「Ｂ」の位置で７．８Ｏｅ、「Ｃ」の位置で７Ｏｅとなっている。

図８は、さらに電圧Ｖ_Ｇを２．５Ｖ印加したときの「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」の位置でのヒステリシス曲線である。（ａ）が「Ａ」の位置、（ｂ）が「Ｂ」の位置、（ｃ）が「Ｃ」の位置に対応する。電圧Ｖ_Ｇ以外の測定条件は図７の場合と同じである。

図８から、「Ａ」の位置では保磁力Ｈｃは５．９Ｏｅである。「Ｂ」「Ｃ」の位置ではほぼ０Ｏｅとなっている。すなわち、電圧Ｖ_Ｇを印加すると、「Ａ」〜「Ｃ」の何れの位置でも垂直磁気異方性エネルギーが低くなっているのが分かる。

この結果から、磁性細線５内において、垂直磁気異方性エネルギーが減少し、より小さい電流で磁壁や磁気スキルミオンを駆動できるようになると考えられる。

図９は、磁性細線５内に磁気スキルミオンを発生させ、電流駆動によって磁気スキルミオンを移動させた場合のカー観察した結果である。（ａ）が磁性細線５と電極３３を模式的に示したものである。電極３１と３２の間の部分の磁性細線５を図示しているが、電極３１と３２は特に図示していない。磁性細線５は、中央の直線部分だけでなく、左右の三角形のウイング部分も有している。

図９の（ｂ）は、（ａ）に対応するカー観察したサンプルの写真である。電流パルスを印加する前のものである。磁性細線５は、直線部分だけでなく三角形のウイング部分も含むが、その積層膜の構造は、下からＰｔボトム層（１ｎｍ）／Ｃｏ_５０Ｎｉ_５０（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）／Ｃｏ_５０Ｎｉ_５０（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．５ｎｍ）が順次積層されたものである。この成膜された積層膜がパターニングされている。

（ｂ）において、磁性細線５の中央の直線部分の表面に黒い斑点が見られる。この斑点が磁気スキルミオンのカー効果による像である。磁気スキルミオンの磁化方向がまわりの灰色の磁区と逆方向であることが分かる。なお、電極３３と磁性細線５の間には電圧は印加していない（電圧Ｖ_Ｇ＝０Ｖである）。

直線部分において電流密度６．８×１０^１１Ａ／ｍ^２の電流パルスを５００ｎｓ通電すると、磁気スキルミオンは、図中の「電流パルス印加前の位置」から「電流パルス印加後の位置」まで移動した。この移動距離と電流パルスの時間から磁気スキルミオンの移動速度を測定することができる。またこの結果から、電流パルスの時間を変化させることで磁気スキルミオンの移動距離を制御できることも分かる。

図１０は、図９のサンプルについて、磁気スキルミオンの移動速度を測定した結果である。電極３３と磁性細線５の間に電圧Ｖ_Ｇを８．５Ｖ印加した場合（電極３３が正極で、Ｖ_Ｇ＝８．５Ｖの場合）と印加しない場合（Ｖ_Ｇ＝０Ｖの場合）の２つについて、磁性細線５に電流パルスを通電したときの直線部分の電流密度を横軸に取り、そのときの磁気スキルミオンの移動距離と電流パルスの時間から磁気スキルミオンの移動速度を求めてプロットしたものである。

図１０から、Ｖ_Ｇ＝０Ｖのとき、すなわち電流駆動のみの場合、磁気スキルミオンを移動させるのに電流密度が５．８×１０^１１Ａ／ｍ^２以上必要であるが、電圧Ｖ_Ｇを電極３３と磁性細線５の間に８．５Ｖ印加すると電流密度５．０×１０^１１Ａ／ｍ^２以上で磁気スキルミオンが移動開始するのが分かる。

したがって、例えば、直線部分の電流密度が５．０×１０^１１〜５．８×１０^１１Ａ／ｍ^２の範囲で、電圧Ｖ_ＧをＯＮ／ＯＦＦ（ＯＮ：８．５Ｖ／ＯＦＦ：０Ｖを印加）することによって、磁気スキルミオンの移動を制御できる。またこの結果から、例えば、電極３３と磁性細線５の間に８．５Ｖを印加した状態で、電流密度が５．０×１０^１１Ａ／ｍ^２と５．８×１０^１１Ａ／ｍ^２の間の例えば５．４×１０^１１Ａ／ｍ^２の電流をＯＮ／ＯＦＦすることで、磁気スキルミオンの移動を制御できることが分かる。

１・・・・磁気メモリ素子
２・・・・基板
３１・・・第１電極
３２・・・第２電極
３３・・・第３電極
４１・・・第１絶縁層
４２・・・第２絶縁層
５・・・・磁性細線
６・・・・磁界センサ
６１・・・第１磁界センサ
６２・・・第２磁界センサ
７１・・・磁区
７２・・・磁区
７３・・・磁壁
８１・・・磁区
８２・・・磁気スキルミオン
９・・・・レーザ光
１００・・電流駆動回路
１０１・・電圧印加回路

Claims

一方向に延在するように設けられ磁性細線と、
前記磁性細線に接し前記磁性細線の延在する方向に沿って離間して設けられた第１電極および第２電極と、
前記第１電極および第２電極との間の前記磁性細線の一面に対向して設けられた第３電極と、
前記磁性細線と前記第３電極との間に設けられ前記磁性細線に接しかつ前記第３電極に接する絶縁層と、
前記磁性細線に近接して配置された少なくとも１つの磁界センサとを備え、
前記磁性細線が、磁性層と遷移金属層が交互に積層された積層構造を有する
ことを特徴とする磁気メモリ素子。
前記遷移金属層の一層が前記絶縁層に接している
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
前記絶縁層に接する前記遷移金属層の膜厚が０．２〜２ｎｍである
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
前記磁性層はＣｏ、ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種以上の元素を含んだものであり、前記遷移金属層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、ＷおよびＴｂから選ばれる１種以上の元素である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
前記磁界センサが、前記磁性細線を挟んで、前記磁性細線の延在する方向の前記第３電極の端部に対向する位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。