JP5092464B2 - 磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子 - Google Patents
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Description
本発明は、磁壁移動検出端子を有する磁気記録媒体に関し、より詳細には、強磁性体の磁化状態を変化させることで情報記録を行う磁壁移動検出端子を有する磁気記録素子に関する。
現在、パソコンやその周辺装置には揮発性メモリと不揮発性メモリが使用されている。ＤＲＡＭ等の揮発性メモリは、電源を切ると保持していたデータが失われてしまうが、書き換え又は読み出し速度や集積度の点で優れている。一方、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリは、書き込み又は読み出し速度は劣るが電源を切ってもデータを保持し続けるという利点がある。
そのため、メモリの１つの理想の形として、揮発性メモリと不揮発性メモリの双方の利点を併せ持ったもの、すなわち、書き込み又は読み出し速度が速く、電源を切ってもデータを保持し続けるものが考えられてきた。そのような次世代メモリとして考案されたもの中で最も有力なものの１つが、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）である。
図５（ａ）、（ｂ）に示す従来技術における磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、強磁性自由層１２／絶縁体層１３／強磁性固定層１４の積層構造を基本構成とする強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子１１を用いるメモリである。ＭＴＪ素子１１は、強磁性自由層１２と強磁性固定層１４の磁化の方向が平行か反平行かで、積層方向に流れるトンネル電流の抵抗値が異なる特性を利用し、２値のデータを作り出す。強磁性体の磁化方向は、電流を切っても保持されるため、ＭＲＡＭは不揮発性メモリである。図中、各層内の矢印は各層の磁化方向を示している。両方向の矢印を付した層は磁化反転を行う層を表している。
図５（ａ）、（ｂ）に示す従来技術における磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、強磁性自由層１２／絶縁体層１３／強磁性固定層１４の積層構造を基本構成とする強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子１１を用いるメモリである。ＭＴＪ素子１１は、強磁性自由層１２と強磁性固定層１４の磁化の方向が平行か反平行かで、積層方向に流れるトンネル電流の抵抗値が異なる特性を利用し、２値のデータを作り出す。強磁性体の磁化方向は、電流を切っても保持されるため、ＭＲＡＭは不揮発性メモリである。図中、各層内の矢印は各層の磁化方向を示している。両方向の矢印を付した層は磁化反転を行う層を表している。
ＭＲＡＭの構成としては、図５（ｂ）に示すように、垂直マトリックス状に配線されたビット線１５とライトワード線１６との交点にＭＴＪ素子１１を配置する構成をとるのが一般的である。各ＭＴＪ素子１１は、セル選択用のスイッチング素子となるＭＯＳトランジスタと共に、１ビットセルを構成する。
書き込みは、ビット線１５とライトワード線１６との双方に電流を流すことによって行われる。ビット線１５とライトワード線１６の双方に電流を流すと、その交点にはそれぞれの導線から誘起された磁場が印加され、強磁性自由層１２の磁化を反転させることができる。ビット線１５又はライトワード線１６単独では、強磁性自由層１２を磁化反転させるのに必要なスイッチング磁場が得られないため、ビット線１５とライトワード線１６の両導線の交点にあるビットセルにのみ書き込みを行うことができる。これにより、任意のビットセルに対して書き込みを行うことができる。
書き込みは、ビット線１５とライトワード線１６との双方に電流を流すことによって行われる。ビット線１５とライトワード線１６の双方に電流を流すと、その交点にはそれぞれの導線から誘起された磁場が印加され、強磁性自由層１２の磁化を反転させることができる。ビット線１５又はライトワード線１６単独では、強磁性自由層１２を磁化反転させるのに必要なスイッチング磁場が得られないため、ビット線１５とライトワード線１６の両導線の交点にあるビットセルにのみ書き込みを行うことができる。これにより、任意のビットセルに対して書き込みを行うことができる。
読み出しは、所望のビット線１５とリードワード線１７とを選択して、ビット線１５とリードワード線１７に接続された読み出し電極１８との間に流れる電流の抵抗値を測定することによって行われる。強磁性自由層１２と強磁性固定層１４との磁化方向の組み合わせに応じてＭＴＪ素子１１の抵抗値が２値を取るため、その中間値を基準電圧として設定することにより測定した抵抗値によって‘１’、‘０’の２値のデータを得ることができる。
さらに近年、ビット線１５及びライトワード線１６に流れる電流による磁場印加に替えて、スピン偏極した電流を流すことによって、強磁性自由層１２の磁化を反転させるスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、及びそれを用いたＭＲＡＭが開発されている。
図６に、特許文献１で提案されている、スピン注入磁化反転技術を利用したＭＲＡＭの構成図を示す。
図６に、特許文献１で提案されている、スピン注入磁化反転技術を利用したＭＲＡＭの構成図を示す。
書き込みは以下のように行う。強磁性固定層１４から強磁性自由層１２に電子が注入されるように電流を流すことを考える。強磁性固定層１４を通る電子のスピンは、強磁性固定層１４の磁化との交換相互作用により、磁化からスピントルクを受け取り、強磁性固定層１４の磁化方向に偏極する。スピン偏極した電子が強磁性自由層１２に入ると、今度は強磁性自由層１２の磁化にスピントルクを与える。このようにして、強磁性自由層１２の磁化は、強磁性固定層１４の磁化と平行に揃う。
一方、強磁性自由層１２から強磁性固定層１４に電子が注入されるように電流を流すと、強磁性固定層１４の磁化と反平行のスピンを有する電子が強磁性固定層１４と絶縁体層１３の界面で反射し、反射した電子が強磁性自由層１２の磁化にスピントルクを与える。この結果、強磁性自由層１２の磁化は、強磁性固定層１４の磁化と反平行になる。
以上の効果により、積層膜に印加される電流の向きを選択することで、強磁性固定層１４と強磁性自由層１２との磁化を、平行又は反平行にすることができる。実際に電流による強磁性自由層１２の磁化を反転させて書き込みを行うには、ある一定量の電流、すなわち臨界電流よりも大きい電流が必要になる。読み出しの際には、臨界電流よりも小さい電流を流して、従来のＭＲＡＭと同様に抵抗値を測定してデータ読み出しを行う。
以上の効果により、積層膜に印加される電流の向きを選択することで、強磁性固定層１４と強磁性自由層１２との磁化を、平行又は反平行にすることができる。実際に電流による強磁性自由層１２の磁化を反転させて書き込みを行うには、ある一定量の電流、すなわち臨界電流よりも大きい電流が必要になる。読み出しの際には、臨界電流よりも小さい電流を流して、従来のＭＲＡＭと同様に抵抗値を測定してデータ読み出しを行う。
スピン注入磁化反転技術を利用したＭＲＡＭは、従来のＭＲＡＭと比較して、書き込み磁場を発生させるためのライトワード線１６が不要になるため、素子構造を簡略化することが出来るという利点がある。
しかし、スピン注入磁化反転技術においては、磁化反転に要する臨界電流密度は、約５×１０７［Ａ／ｃｍ２］であり、電流密度が高いという問題がある。
しかし、スピン注入磁化反転技術においては、磁化反転に要する臨界電流密度は、約５×１０７［Ａ／ｃｍ２］であり、電流密度が高いという問題がある。
そこで、スピン注入磁化反転技術に変わって、電流印加により強磁性体の磁壁を動かす電流駆動磁壁移動技術を用いて、強磁性自由層１２の磁壁を動かす方式のＭＲＡＭが、特許文献２において提案されている。
電流駆動磁壁移動は、印加した電流の電子スピンが強磁性体の磁化に与えるスピントルクによる磁化整列と、磁壁による電子散乱に伴って、電子から磁壁に運動量が移行する２つの効果によって生ずるとされている。
電流駆動磁壁移動は、印加した電流の電子スピンが強磁性体の磁化に与えるスピントルクによる磁化整列と、磁壁による電子散乱に伴って、電子から磁壁に運動量が移行する２つの効果によって生ずるとされている。
以下、特許文献２で提案されている、電流駆動磁壁移動技術を用いたＭＲＡＭについて、図７を用いて説明する。
強磁性自由層１２の上に、絶縁体層１３、強磁性固定層１４が積層され、強磁性固定層１４には、読み出し電極１８を介して、リードワード線（図示せず）が接続されている。一方、強磁性自由層１２の両端には、書き込み電極１９ａ、１９ｂが形成される。
強磁性自由層１２の上に、絶縁体層１３、強磁性固定層１４が積層され、強磁性固定層１４には、読み出し電極１８を介して、リードワード線（図示せず）が接続されている。一方、強磁性自由層１２の両端には、書き込み電極１９ａ、１９ｂが形成される。
図７（ａ）のように、磁壁２０が強磁性固定層１４を含む積層部分より図中左にあり、強磁性自由層１２と強磁性固定層１４との磁化が平行に並んでいるとき、読み出し電極１８から書き込み電極１９ｂに電流を流すと、本素子は低抵抗を示す。
データ記録を行うために、書き込み電極１９ｂから書き込み電極１９ａに電流２１を流す。電流印加により、磁壁２０が図中右側に移動するので、積層部分の強磁性自由層１２の磁化は、強磁性固定層１４の磁化と反平行になる。この状態で読み出し電極１８から書き込み電極１９ｂに電流を流すと、本素子は高抵抗を示すことになる。
データ記録を行うために、書き込み電極１９ｂから書き込み電極１９ａに電流２１を流す。電流印加により、磁壁２０が図中右側に移動するので、積層部分の強磁性自由層１２の磁化は、強磁性固定層１４の磁化と反平行になる。この状態で読み出し電極１８から書き込み電極１９ｂに電流を流すと、本素子は高抵抗を示すことになる。
上記のように、電流駆動磁壁移動技術を利用して、ＭＴＪ素子の強磁性自由層１２の磁化を反転させることが出来、スピン注入磁化反転技術を利用したＭＲＡＭとは異なり、強磁性自由層のみに電流印加するため、消費電力を小さくすることが出来るという利点がある。
特開平１１−１２０７５８号公報
特開２００５−１９１０３２号公報
A. Yamaguchi, "Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires,"Phys. Rev. Lett., 2004 vol. 92, 077205
山ノ内 路彦、他、「強磁性体保磁力パターンニング構造における電流誘起磁壁移動」、日本物理学会、２００５年３月、第６０回年次大会予稿集、２７ａＹＰ−５
しかしながら、従来のＭＲＡＭでは、記録密度向上のための素子の微細化、及びそれを実現するための構造の簡略化と、書き込み電流の低減とを両立することは困難であった。スピン注入磁化反転技術を用いたＭＲＡＭは、書き込み素子を省くことで構造の簡略化を実現している。しかし、スピン注入磁化反転に要する電流密度は、現状では、実用化に至るまで低減されていない。一方、電流駆動磁壁移動技術を用いたＭＲＡＭでは、強磁性自由層の磁壁を移動させる書き込み電流を印加する電極を形成して、書き込みに必要な電流の低減化が図られている。しかし、依然、強磁性固定層１４を含む積層部分を形成する必要があり、その構造は複雑である。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、書き込み電流を低く抑えることができ、素子構造が小型で単純な磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、強磁性体と、前記強磁性体に接合された第１の電極対と、前記強磁性体の、前記第１の電極対が接合されていない面及び／または前記第１の電極対の一部に接合された第２の電極対とを備え、前記第２の電極対は、第１の電極及び第２の電極を含み、前記第１の電極及び第２の電極は、前記第１の電極対間に電流を流した際に、前記第２の電極対間に電位差が生じるように配置され、前記第１の電極および第２の電極の少なくとも一方は、前記第１の電極対との間に磁壁を保持可能な間隔を有するように前記強磁性体に接合されており、前記強磁性体には、少なくとも１つの磁壁が誘起されている磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、
前記強磁性体の保磁力よりも大きい第１の磁場を、前記強磁性体に印加して前記強磁性体を飽和磁化する手段と、前記強磁性体に接合された第１の電極対の一方を加熱することで、前記強磁性体の片端のみを加熱する手段と、前記保磁力よりも小さく、前記強磁性体の加熱部分のみを磁化反転できる程度の大きさを有する、前記第１の磁場とは反平行の第２の磁場を前記強磁性体に印加することで、前記強磁性体の加熱部分のみを磁化反転させて前記磁壁を誘起する手段とを備えることを特徴とする。
前記強磁性体の保磁力よりも大きい第１の磁場を、前記強磁性体に印加して前記強磁性体を飽和磁化する手段と、前記強磁性体に接合された第１の電極対の一方を加熱することで、前記強磁性体の片端のみを加熱する手段と、前記保磁力よりも小さく、前記強磁性体の加熱部分のみを磁化反転できる程度の大きさを有する、前記第１の磁場とは反平行の第２の磁場を前記強磁性体に印加することで、前記強磁性体の加熱部分のみを磁化反転させて前記磁壁を誘起する手段とを備えることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は、同一面上に配置されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに対向する面上に配置されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに対向する面上に配置されていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の前記第１の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに隣り合う面上に配置されていることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記第１の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極対間に第１の電流密度の電流を流すことにより、前記磁壁を前記強磁性体内で移動させる手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記第１の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極対間に第１の電流密度の電流を流すことにより、前記磁壁を前記強磁性体内で移動させる手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記第１の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記第１の電極対間に第２の電流密度の電流を流し、前記第２の電極対間の電圧を測定することによって、前記強磁性体内の、前記第２の電極対との接合位置の間に存在する前記磁壁の数を検出する手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の前記第１の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、前記強磁性体内の、第２の電極対との接合位置の間に存在する前記磁壁の数を、記録するデータに対応させることを特徴とする。
本発明によれば、書き込みに要する電流密度を小さくし、かつ小型で単純な素子構造のＭＲＡＭを実現することが可能となる。
（実施形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１に、本発明の実施形態１に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子の構成を断面構成図として示す。本素子は、Ｓｉ基板１０上に成膜された強磁性細線１と、強磁性細線１の両端に接触して形成された電流電極２ａ、２ｂと、基板１０に埋め込まれ、強磁性細線１に接合した電圧電極４ａ、４ｂとを備える。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１に、本発明の実施形態１に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子の構成を断面構成図として示す。本素子は、Ｓｉ基板１０上に成膜された強磁性細線１と、強磁性細線１の両端に接触して形成された電流電極２ａ、２ｂと、基板１０に埋め込まれ、強磁性細線１に接合した電圧電極４ａ、４ｂとを備える。
本実施形態では、電圧電極４ａが強磁性細線１のほぼ中央に位置し、電圧電極４ｂが電流電極２ｂ近傍に配置されているが、この配置に限定されない。電圧電極４ａ、４ｂは、後述のように、データを読み出す際に用いる電極であり、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の電圧によってデータが“０”であるか“１”であるかを判断する。このデータは、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間に磁壁があるか否かによって変化するので、強磁性細線における、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間には、磁壁が留まれる領域が必要である。そして、上記データは、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の電圧に対応しているので、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとは所定の間隔で離間させる必要がある。また、強磁性細線における、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間では、磁壁がある場合と無い場合とが必要であるので、強磁性細線において、電圧電極４ａと４ｂとの間の領域（本明細書では、第１の領域ともいう）と、そうでは無い領域（本明細書では、第２の領域ともいう）とが形成されている必要がある。すなわち、第１の領域および第２の領域のそれぞれに磁壁を保持できるような配置であれば、電圧電極４ａ、４ｂの配置はいずれの配置であっても良い。
なお、第２の領域は、強磁性細線における、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の領域ではないので、図１（ａ）〜（ｃ）の場合は、電流電極２ａと電圧電極４ａとの間の領域となる。また、電流電極２ｂと電圧電極４ｂとの間の領域であっても良い。
電圧電極４ａ、４ｂは、電流電極２ａと電流電極２ｂとの間を流れる電流の電圧を測ることができるように配置され、本実施形態では、電圧電極４ａ、４ｂは基板１０に埋め込まれているがこれに限定されず、基板１０上、または強磁性細線１の基板１０と対向する面に形成されていても良い。さらに、本実施形態では、電圧電極４ａ、４ｂは共に同一面上に形成されているが、これに限定されず、電圧電極４ａ、４ｂは、強磁性細線１の互いに対向する面または隣り合った面などの互いに異なる面にそれぞれ形成されていても良い。つまり、電圧電極４ａ、４ｂは後述のように、電流電極２ａ、２ｂに電流を流したときに、電流電極２ａ、２ｂと協働して強磁性細線１の一部分の電圧を測定できるように強磁性細線１および電流電極２ａ、２ｂに接合されていればよい。すなわち、電圧電極４ａ、４ｂは、電流電極２ａ、２ｂに電流を流したときに、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間に電位差が生じ、電圧が測定可能であればよい。
電圧電極４ａ、４ｂは、電流電極２ａと電流電極２ｂとの間を流れる電流の電圧を測ることができるように配置され、本実施形態では、電圧電極４ａ、４ｂは基板１０に埋め込まれているがこれに限定されず、基板１０上、または強磁性細線１の基板１０と対向する面に形成されていても良い。さらに、本実施形態では、電圧電極４ａ、４ｂは共に同一面上に形成されているが、これに限定されず、電圧電極４ａ、４ｂは、強磁性細線１の互いに対向する面または隣り合った面などの互いに異なる面にそれぞれ形成されていても良い。つまり、電圧電極４ａ、４ｂは後述のように、電流電極２ａ、２ｂに電流を流したときに、電流電極２ａ、２ｂと協働して強磁性細線１の一部分の電圧を測定できるように強磁性細線１および電流電極２ａ、２ｂに接合されていればよい。すなわち、電圧電極４ａ、４ｂは、電流電極２ａ、２ｂに電流を流したときに、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間に電位差が生じ、電圧が測定可能であればよい。
実施形態１では、強磁性細線１にはパーマロイＮｉ８０Ｆｅ２０を用い、長さ２００ｎｍ、幅１０ｎｍ、高さ１０ｎｍとする。ここで、長さとは、電流電極２ａ、２ｂ間方向の距離であり、幅とは、基板の面内における、長さ方向と直交する方向の距離であり、高さとは、基板に対して垂直方向の距離である。また、実施形態１においては、基板面と平行に磁化が向くように、強磁性細線１の磁化容易軸を配置している。
本実施形態では、素子作製時に、強磁性細線１内に磁壁３を１つ誘起する。実施形態１においては、強磁性細線１全面に対し、その保磁力よりも十分に大きな磁場６を印加することにより、強磁性細線１全面を飽和磁化する（図１（ａ））。この強磁性細線１全面を飽和磁化する方法として、例えば、ＮｄＣｏ系（ＮｄＣｏＢ）、ＳｍＣｏ系（ＳｍＣｏ）などの強力な永久磁石のＳ極とＮ極の間に作られる磁界を印加することによって磁化する方法がある。またこれとは別に、超伝導コイルによって作られる強力な磁界中に素子を置くことによって印加する方法もある。これらの方法によって作られる磁界の大きさとしては、８０００エルステッド〜１５０００エルステッドが望ましい。
次に、レーザ照射等により電流電極２ａを加熱して、強磁性細線１の電流電極２ａに接触している部分が温度上昇するようにする（図１（ｂ））。又は、電流電極２ａに電流を流して、電流電極２ａ自体を発熱させ、強磁性細線１の一部を温度上昇させてもよい。
その上で、初期印加磁場と向きが反対で、強磁性細線１の保磁力よりも小さい磁場６を印加する（図１（ｃ））。強磁性細線１の温度上昇している部分は、保磁力が小さくなっているために、本来の保磁力よりも小さい磁場でも磁化反転を起こす。強磁性細線１の温度分布は加熱された電流電極２ａから離れるに従って、単調に減少するため、磁化反転に伴って新たに発生する磁区は１個のみであり、従って磁壁３も１個のみ発生する。また、このとき発生する磁壁は、強磁性細線１が基板面に対して平行に広がった薄膜であるため、基板面に対して垂直になる。強磁性細線１の保磁力よりも小さい磁場６を印加する方法としては、例えば、ＮｄＣｏ系（ＮｄＣｏＢ）、ＳｍＣｏ系（ＳｍＣｏ）などの強力な永久磁石のＳ極とＮ極の間に作られる磁界を印加することによって磁化する方法がある。その際、Ｓ極とＮ極の間隔を、強磁性細線１全面を飽和磁化したときに用いた永久磁石のＳ極とＮ極の間隔よりも大きくすることによって生じる磁界の強さを調整する。またこれとは別に、超伝導コイルによって作られる強力な磁界を印加することによって磁化することもできる。その際、超伝導コイルの巻き数、又は電流量を減ずることで生じる磁界の強さを調整する。これらの方法で作られる磁界の大きさは、強磁性細線１の保磁力よりも小さい、例えば数十から数百エルステッド程度が考えられる。
その上で、初期印加磁場と向きが反対で、強磁性細線１の保磁力よりも小さい磁場６を印加する（図１（ｃ））。強磁性細線１の温度上昇している部分は、保磁力が小さくなっているために、本来の保磁力よりも小さい磁場でも磁化反転を起こす。強磁性細線１の温度分布は加熱された電流電極２ａから離れるに従って、単調に減少するため、磁化反転に伴って新たに発生する磁区は１個のみであり、従って磁壁３も１個のみ発生する。また、このとき発生する磁壁は、強磁性細線１が基板面に対して平行に広がった薄膜であるため、基板面に対して垂直になる。強磁性細線１の保磁力よりも小さい磁場６を印加する方法としては、例えば、ＮｄＣｏ系（ＮｄＣｏＢ）、ＳｍＣｏ系（ＳｍＣｏ）などの強力な永久磁石のＳ極とＮ極の間に作られる磁界を印加することによって磁化する方法がある。その際、Ｓ極とＮ極の間隔を、強磁性細線１全面を飽和磁化したときに用いた永久磁石のＳ極とＮ極の間隔よりも大きくすることによって生じる磁界の強さを調整する。またこれとは別に、超伝導コイルによって作られる強力な磁界を印加することによって磁化することもできる。その際、超伝導コイルの巻き数、又は電流量を減ずることで生じる磁界の強さを調整する。これらの方法で作られる磁界の大きさは、強磁性細線１の保磁力よりも小さい、例えば数十から数百エルステッド程度が考えられる。
このように、図１（ａ）における磁場印加は、強磁性細線１の全面をある方向に飽和磁化するために行われ、図１（ｃ）における磁場印加は、ある方向に飽和磁化された強磁性細線１において磁壁を誘起するために行われる。よって、本実施形態では、各磁場の方向は図１（ａ）、（ｃ）に限らず、強磁性細線１の全面を飽和磁化させるための磁場の方向と、磁壁を誘起させるための磁場の方向とが反対方向であればいずれの方向であっても良い。
この他に磁壁導入の方法としては、強磁性細線１の磁化の一部を固定してから、強磁性細線１全面に磁場を印加することにより、固定されていない磁化を反対向きにして磁壁を誘導する方法もある。磁化を固定する方法としては、強磁性細線１上の電流電極２ａ付近にＩｒＭｎなどの反強磁性膜を磁場中成膜し、強磁性細線１の磁化と交換結合させる方法がある。或いは、Ｒｕ及び強磁性固定層を強磁性細線１上の電流電極２ａ付近に成膜して、強磁性固定層の磁化と強磁性細線１の磁化とを反強磁性結合させることにより、反強磁性膜の下にある強磁性細線１の磁化を固定する方法もある。実施形態１では、素子構造が複雑になるため採用しなかったが、これらの方法には加熱をしなくてよいという利点がある。ここで本願明細書において強磁性細線１の上とは、強磁性細線１の基板と接する面と対向する面側を指すものとする。
強磁性細線１の上の面の、電圧電極４ａと４ｂとの間に、イオンビームエッチング等の手段を用いて、窪み（欠陥）５を形成する。この窪み５は、強磁性細線１内を移動する磁壁３をピン止めする効果を有する。すなわち、磁壁３を窪み５の位置まで正確に移動させることができる。
続いて、図２に、本発明の一実施形態に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子のデータ書き込み方法を説明する図を示し、図２を用いてデータ書き込みの手順を説明する。磁壁を最初に生成した段階（図１（ｃ））では、磁壁３は電流電極２ａの近傍、すなわち電圧電極４ａよりも図中左側（第２の領域）に位置する。この状態、すなわち、磁壁３が第２領域にある状態をデータ“０”とする（図２（ａ））。
続いて、図２に、本発明の一実施形態に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子のデータ書き込み方法を説明する図を示し、図２を用いてデータ書き込みの手順を説明する。磁壁を最初に生成した段階（図１（ｃ））では、磁壁３は電流電極２ａの近傍、すなわち電圧電極４ａよりも図中左側（第２の領域）に位置する。この状態、すなわち、磁壁３が第２領域にある状態をデータ“０”とする（図２（ａ））。
電流電極２ｂから電流電極２ａに電流（書き込み電流７）を流すと、磁壁３は電流電極２ａ近傍（図中左）から電流電極２ｂ側（図中右）に移動する。磁壁３が電圧電極４ａと電圧電極４ｂの間（第１の領域）に入り、窪み５の位置で止まるように、所定の時間だけ電流を印加する。この状態、すなわち、磁壁３が第１の領域にある状態をデータ“１”とする（図２（ｂ））。ここで、上記電流を印加する所定の時間は、予め測定しておいた磁壁３が強磁性細線１中を移動する速度と電流電極２ａ近傍から第１の領域までの距離との値から導出することができる。
データ“１”の状態からデータ“０”の状態に戻すには、書き込み電流７を電流電極２ａから電流電極２ｂに流し、磁壁３を窪み５の位置から電圧電極４ａよりも図中左側の電流電極２ａ近傍（第２の領域）に移動させればよい（図２（ｃ））。なお、電流電極２ａと電圧電極４ａの間に他の窪みを形成して、磁壁３が第２の領域でもピン止めしやすくしても良い。
非特許文献２によれば、パーマロイＮｉ８０Ｆｅ２０細線内の磁壁移動に最適な電流密度は、およそ８×１０４Ａ／ｃｍ２であり、これは実施形態１においては約１０ｐＡの電流を流すことに相当する。また、非特許文献１によれば、磁壁の移動速度は、およそ３m
／ｓであるので、実施形態１では記録の際の磁壁移動距離を１５０ｎｍ程度としていることから、電流印加時間を５０ｎｓ程度にすれば、上述の電流電極２ａ近傍と窪み５との間の磁壁移動がなされる。すなわち、非特許文献１の条件下では、本素子のスイッチング時間は５０ｎｓとなり、現在のフラッシュメモリと同程度のスイッチング速度を実現できる。一方で、電流駆動磁壁移動の速度は、理論的には数１０ｍ／ｓと予想されているので、最終的には、スイッチング時間を数ｎｓまで改善できると考えられる。
／ｓであるので、実施形態１では記録の際の磁壁移動距離を１５０ｎｍ程度としていることから、電流印加時間を５０ｎｓ程度にすれば、上述の電流電極２ａ近傍と窪み５との間の磁壁移動がなされる。すなわち、非特許文献１の条件下では、本素子のスイッチング時間は５０ｎｓとなり、現在のフラッシュメモリと同程度のスイッチング速度を実現できる。一方で、電流駆動磁壁移動の速度は、理論的には数１０ｍ／ｓと予想されているので、最終的には、スイッチング時間を数ｎｓまで改善できると考えられる。
図３に、本発明の実施形態１に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子のデータ読み出し方法を説明する図を示す。データ読み出しは、図３に示すように、電流電極２ａから電流電極２ｂに電流、すなわち読み出し電流８を流し、強磁性細線１の電気抵抗値を測定することにより行われる。読み出し電流８の大きさは、磁壁移動を誘起しない大きさとする必要があり、実施形態１においては５ｎＡとする。強磁性細線１では、磁壁３が存在するか否かによって、電気抵抗値の変化を観測することができるので、その電気抵抗値の値によって記録データの識別、すなわちデータの読み出しを行う。実施形態１においては、読み出し電流８を印加した際、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の電圧を測定して、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間に磁壁３が存在するか否かを調べることにより、記録データを識別することが可能になる。
本実施形態では、第１および第２の領域を形成するように配置された、電圧電極４ａ、４ｂは、磁壁が存在する数に応じた電圧変化（本実施形態では、磁壁が０個か１個かに応じた電圧、実施形態２では、磁壁が０個か１個か２個かに応じた電圧）を測定することができ、測定された電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の電圧がデータに対応しているので、データを読み取るための手段として機能する。
本実施形態では、磁壁移動型磁気記録素子において、データの書き込み、読み出しを、従来のように強磁性固定層と強磁性自由層とを設け、それぞれの層の磁化が平行になるか反平行になるかによって行うものではなく、強磁性層のデータを読み取るための領域、すなわち、電圧電極間に磁壁があるか否かによって行っている。よって、従来のように、強磁性固定層を設ける必要が無いので、素子構造の単純化、小型化を実現できる。
（実施形態２）
実施形態１においては、磁壁の数を１つに限定したが、導入する磁壁の数を増やすことにより、多値記録を実現することも可能である。
図４に、本発明の実施形態２に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子のデータ書き込み及び読み出し方法を説明する図を示す。実施形態２においては、磁壁を２つ導入したことによって、３値記録を行うことができる。
実施形態１においては、磁壁の数を１つに限定したが、導入する磁壁の数を増やすことにより、多値記録を実現することも可能である。
図４に、本発明の実施形態２に係る磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子のデータ書き込み及び読み出し方法を説明する図を示す。実施形態２においては、磁壁を２つ導入したことによって、３値記録を行うことができる。
実施形態２の素子構成は、強磁性細線１、電流電極２ａ、２ｂ、電圧電極４ａ,４ｂに
ついては実施形態１と同じである。相違点は、磁壁をピン止めするための窪み５を、実施形態１では１つ作成したのに対して、実施形態２では２つ作成し、素子作成時に強磁性細線１内に磁壁を２つ誘起したことである。
２つの磁壁の誘起は、以下のようにして行う。まず、実施形態１と同様に、強磁性細線１にその保磁力よりも十分に大きな磁場を印加して、全面を飽和磁化する。レーザ照射などにより電流電極２ａを加熱して、強磁性細線１の電流電極２ａに接触している部分が温度上昇するようにする。その上で、初期印加磁場と向きが反対で強磁性細線１の保磁力よりも小さい磁場を印加することにより、第１の磁壁３ａを発生させる。
ついては実施形態１と同じである。相違点は、磁壁をピン止めするための窪み５を、実施形態１では１つ作成したのに対して、実施形態２では２つ作成し、素子作成時に強磁性細線１内に磁壁を２つ誘起したことである。
２つの磁壁の誘起は、以下のようにして行う。まず、実施形態１と同様に、強磁性細線１にその保磁力よりも十分に大きな磁場を印加して、全面を飽和磁化する。レーザ照射などにより電流電極２ａを加熱して、強磁性細線１の電流電極２ａに接触している部分が温度上昇するようにする。その上で、初期印加磁場と向きが反対で強磁性細線１の保磁力よりも小さい磁場を印加することにより、第１の磁壁３ａを発生させる。
磁壁３ａが発生したら、電流電極２ｂから電流電極２ａに電流を流し、磁壁３ａを電流電極２ａ近傍（図中左）から電流電極２ｂ側（図中右）に移動させ、磁壁３ａが図中左側の窪み５ａの位置に来たところで電流を止める。この状態で、再び電流電極２ａを加熱し、磁壁３ａを誘起した際と逆向きの磁場を印加すると、電流電極２ａ近傍に第２の磁壁３ｂが誘起される。このようにして強磁性細線１内に、２つの磁壁、すなわち磁壁３ａ、３ｂを誘起することができる。最後に、電流電極２ａから電流電極２ｂに電流を流し、２つの磁壁を電流電極２ａ近傍に集めておく。
記録の手順は以下のようになる。磁壁２つが電流電極２ａの近傍、すなわち電圧電極４ａよりも図中左側に位置する状態を、データ“０”とする。
電流電極２ｂから電流電極２ａに書き込み電流７を流すと、磁壁は電流電極２ａ近傍（図中左）から電流電極２ｂ側（図中右）に移動する。図中右側の磁壁が電圧電極４ａと電圧電極４ｂの間に入り、最初の窪み５ａの位置に止まるように、所定の時間だけ電流を印加する。この状態をデータ“１”とする。
電流電極２ｂから電流電極２ａに書き込み電流７を流すと、磁壁は電流電極２ａ近傍（図中左）から電流電極２ｂ側（図中右）に移動する。図中右側の磁壁が電圧電極４ａと電圧電極４ｂの間に入り、最初の窪み５ａの位置に止まるように、所定の時間だけ電流を印加する。この状態をデータ“１”とする。
更に、電流電極２ｂから電流電極２ａに書き込み電流７を流し、磁壁３ａ、３ｂが２つとも電圧電極４ａと電圧電極４ｂの間に入り、それぞれ窪み５ａ、５ｂの位置に来るように所定の時間だけ書き込み電流７を印加する。この状態をデータ“２”とする。
データ“０”、データ“１”、データ“２”間の移動、すなわち磁壁３ａ、３ｂそれぞれの各状態に対応した所定の位置への移動は、電流印加方向及び印加時間を適当に与えることで制御することができる。
データ“０”、データ“１”、データ“２”間の移動、すなわち磁壁３ａ、３ｂそれぞれの各状態に対応した所定の位置への移動は、電流印加方向及び印加時間を適当に与えることで制御することができる。
データ読み出しは、実施形態１と同様に電流電極２ａから電流電極２ｂに読み出し電流８を流し、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の電圧を測定することによって行う。電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の電圧の大きさは、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の磁壁の数に比例するので、電圧の大きさにより、電圧電極４ａと電圧電極４ｂとの間の磁壁の数を調べることができ、記録データの識別が可能になる。
（実施形態３）
実施形態１においては、電流電極２ａ、２ｂと、電圧電極４ａ、４ｂは、すべて離間している。実施形態１では、電流電極２ａと２ｂとの間において、電圧電極対の間では無い領域（第２の領域）として、電流電極２ａと電圧電極４ａ、または、電流電極２ｂと電圧電極４ｂとの間の領域のいずれか一方を用いている。本発明においては、電流電極２ａと２ｂとの間に、第２の領域が少なくともひとつ形成されていればよい。そこで、本実施形態３においては、電流電極の一方を、電圧電極の一方として利用する。図８に、本発明の実施形態３に係る磁壁移動検出素子を有する磁壁移動型磁気記録素子の構成を断面構成図として示す。データ読み出しは、読み出し電流８を電極２ａから電極２ｂに流し、電極４と電極２ｂとの問の電圧を測定することにより行われる。電極４と電極２ｂとの問に磁壁が存在するか否かによって、電極４と電極２ｂとの問の電気抵抗値が変化するため、記録データを識別することが可能になる。
（実施形態３）
実施形態１においては、電流電極２ａ、２ｂと、電圧電極４ａ、４ｂは、すべて離間している。実施形態１では、電流電極２ａと２ｂとの間において、電圧電極対の間では無い領域（第２の領域）として、電流電極２ａと電圧電極４ａ、または、電流電極２ｂと電圧電極４ｂとの間の領域のいずれか一方を用いている。本発明においては、電流電極２ａと２ｂとの間に、第２の領域が少なくともひとつ形成されていればよい。そこで、本実施形態３においては、電流電極の一方を、電圧電極の一方として利用する。図８に、本発明の実施形態３に係る磁壁移動検出素子を有する磁壁移動型磁気記録素子の構成を断面構成図として示す。データ読み出しは、読み出し電流８を電極２ａから電極２ｂに流し、電極４と電極２ｂとの問の電圧を測定することにより行われる。電極４と電極２ｂとの問に磁壁が存在するか否かによって、電極４と電極２ｂとの問の電気抵抗値が変化するため、記録データを識別することが可能になる。
１ 強磁性細線
２ａ、２ｂ 電流印加電極
３、３ａ、３ｂ 磁壁
４、４ａ、４ｂ 電圧測定電極
５、５ａ、５ｂ 磁壁ピン止め用の窪み
６ 磁場
７ 書き込み電流
８ 読み出し電流
１１ 強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子
１２ 強磁性自由層
１３ 絶縁体層
１４ 強磁性固定層
１５ ビット線
１６ ライトワード線
１７ リードワード線
１８ 読み出し電極
２ａ、２ｂ 電流印加電極
３、３ａ、３ｂ 磁壁
４、４ａ、４ｂ 電圧測定電極
５、５ａ、５ｂ 磁壁ピン止め用の窪み
６ 磁場
７ 書き込み電流
８ 読み出し電流
１１ 強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子
１２ 強磁性自由層
１３ 絶縁体層
１４ 強磁性固定層
１５ ビット線
１６ ライトワード線
１７ リードワード線
１８ 読み出し電極
Claims (7)
- 強磁性体と、
前記強磁性体に接合された第１の電極対と、
前記強磁性体の、前記第１の電極対が接合されていない面及び／または前記第１の電極対の一部に接合された第２の電極対とを備え、
前記第２の電極対は、第１の電極及び第２の電極を含み、
前記第１の電極及び第２の電極は、前記第１の電極対間に電流を流した際に、前記第２の電極対間に電位差が生じるように配置され、
前記第１の電極および第２の電極の少なくとも一方は、前記第１の電極対との間に磁壁を保持可能な間隔を有するように前記強磁性体に接合されており、
前記強磁性体には、少なくとも１つの磁壁が誘起されている磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子であって、
前記強磁性体の保磁力よりも大きい第１の磁場を、前記強磁性体に印加して前記強磁性体を飽和磁化する手段と、
前記強磁性体に接合された第１の電極対の一方を加熱することで、前記強磁性体の片端のみを加熱する手段と、
前記保磁力よりも小さく、前記強磁性体の加熱部分のみを磁化反転できる程度の大きさを有する、前記第１の磁場とは反平行の第２の磁場を前記強磁性体に印加することで、前記強磁性体の加熱部分のみを磁化反転させて前記磁壁を誘起する手段と
を備えることを特徴とする磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。 - 前記第１の電極及び前記第２の電極は、同一面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに対向する面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記第１の電極及び前記第２の電極は、互いに隣り合う面上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記第１の電極対間に第１の電流密度の電流を流すことにより、前記磁壁を前記強磁性体内で移動させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記第１の電極対間に第２の電流密度の電流を流し、前記第２の電極対間の電圧を測定することによって、前記強磁性体内の、前記第２の電極対との接合位置の間に存在する前記磁壁の数を検出する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記強磁性体内の、第２の電極対との接合位置の間に存在する前記磁壁の数を、記録するデータに対応させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁壁移動検出端子を有する磁壁移動型磁気記録素子。
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