JP5229869B2 - 不揮発性光メモリ素子及びその動作方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光通信システム又は光応用システムに必須の要素を構成する高速光メモリ素子に関している。
高速不揮発光メモリは、光ネットワークにとって非常に重要な素子である。受信や記録、再送といった高速データ処理は、光ネットワークサーバーの主要機能であるが、これらの機能を果たすためには、高速不揮発光メモリは、必要な構成要素のひとつである。
従来の技術として、一定量の情報を記録ために、ループ構造に光信号を記録する方法が知られている（特許文献１参照）。
また、半導体光増幅器を構成要素とするMach-Zender型干渉計を用いた光メモリ装置も知られている（特許文献２及び３参照）。これらの装置の動作速度に関する主な制約は、半導体内における電子のサブバンド間遷移時間がかなり長いことから生じる。又これらのメモリは、揮発性であるので、データを短時間のみしか記録できない欠点を有している。
高速不揮発性光メモリ素子も知られている（特許文献４及びそのファミリーである特許文献５参照）。このメモリ素子の主な長所は、動作速度が非常に早いことである。
図１に、上記高速不揮発性光メモリ素子の構造を示す。この素子は、２個の主要部分：半導体領域と単一磁区強磁性体層から構成されている。
データは、強磁性体層の磁化方向として記録される。情報データの記録のために、半導体領域を光パルスにより照射する。光パルスは、半導体領域の光電子を励起し、その光電子は、電圧を印加されて強磁性体層に注入される。
光が円偏光又は楕円偏光の場合には、半導体領域で生成される光励起電子は、スピン偏極している。これはアップとダウン方向のスピンの数が等しくはないことを意味している。
スピン偏極電子が強磁性金属に注入されると、強磁性金属層の磁化を反転できる磁化トルクが生じる（非特許文献１，２参照）。このように、偏光状態の違いで表される光情報データは、強磁性金属層の磁化方向として記録される。
又この発明において、高速逆多重化方法も示されている。その方法は、次の通りである。
データ光パルスとクロック光パルスの両方をメモリに照射する。それぞれの光パルスの偏光は直線偏光であり互いに直交している。データ光パルスとクロック光パルスが同時に照射された場合のみ、この合成された光パルスの偏光は円偏光になるため、スピン偏極電子の励起を介して、その情報データがメモリに記録される。
時間軸において一致しない他の光パルスの偏光は、直線偏光であるため、スピン偏極電流が発生せずメモリに記録されない。
記録されたデータを読み出すためには、磁気光学効果が用いられる。メモリに光を照射し、強磁性金属層の磁化に寄るファラディー効果又は非相反損失効果を用いて自由層の磁化情報を読み出す。
現実的な注入電流量で、強磁性金属層の磁化を反転するためには、強磁性金属層の体積は、比較的に小さくなければならない。
10 mA以下の注入電流に対しては、強磁性金属層の膜厚は、2〜5 nm、面積は約 0.02 μm2（非特許文献３参照）以下でなければならない。
しかしそのような小さな体積の材料における磁気光学効果は小さいため、強磁性金属層に記録された情報データを読み出すことは困難である。このような状況においてこのメモリの応用は困難である。
本発明においても同様なメモリ素子の構造を用いるが、本発明においては一層の強磁性金属層の代わりに、磁気トンネル接合が使用されている点が異なっている。
磁気トンネル接合の磁気抵抗は電極の大きさに依存せず大きいため、メモリに記録された磁気情報データを高い信号対雑音比（ＳＮ比）で読み出すことができる。
例えば、Fe-MgO-Fe磁気トンネル接合の磁気抵抗は、約２００％である（非特許文献４参照）。
又本発明においては、磁化反転に、非偏極光電流によるアシストが用いられている。この方法により、書き込みに必要な光データ光パルスのパワーを低減することができる。これはこのメモリ素子を実用化する時、大きな利点である。
米国特許第5,740,117号明細書
米国特許第5,999,284号明細書
米国特許第6,647,163号明細書
日本国特許公開第２００６−０１８９６４号公報
米国特許出願第１１／１７２８６１号
J.C.Slonczewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 159, pp. L1-L7, 1996
J.Z. Sun, Physical Review B, Vol. 62, pp. 570-578, July 2000
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S. Yuasa et al. Nature Materials 3, 868-871, 2004
本願発明の課題は、フェムト秒領域あるいはピコ秒領域で高速にデータを読み書きできるメモリを提供することであり、また、電気パルスあるいは光パルスを用いてデータを読み書きできる不揮発性メモリを提供することである。
半導体ＰＩＮダイオードの上に形成された微小サイズの磁気トンネル接合を用いる。光による情報書き込みは、円偏光あるいは楕円偏光の照射により生成されたスピン偏極電流が、磁気トンネル接合の自由層に注入され、情報に応じて自由層の磁化を反転させることにより行われる。
記録された情報データの読み出しには、磁気トンネル接合を介して直流電圧を半導体ＰＩＮダイオードに印加する。自由層とピン層の磁化方向が平行と逆平行の場合の磁気トンネル接合の抵抗には非常に大きい差があるため、半導体ＰＩＮダイオードを流れる電流も自由層とピン層の磁化方向が平行と逆平行の場合で大きな差を持つ。
よってそれに対応する光利得量も大きく異なる。このことにより、メモリ素子を通る光パルスの強度の大きさの違いによって、記録された情報データが読み出される。
本発明によれば以下のような効果を得ることができる。
１．本発明は、超高速で情報データを書き込み及び読み出すことができる。
２．本発明は、光通信リンクで不揮発性メモリを使えるようにすることができる。
１．本発明は、超高速で情報データを書き込み及び読み出すことができる。
２．本発明は、光通信リンクで不揮発性メモリを使えるようにすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、従来技術を示している。この概略図は、光メモリ素子の動作原理を示しており、特許文献４及び特許文献５に述べられている。このメモリ素子は、強磁性金属電極の付いた半導体光ダイオードから構成されている。
情報データは、強磁性金属電極の磁化方向を利用して記録され、円偏光された光で書き込まれる。光ダイオードには逆極性の電圧が印加され、円偏光が光ダイオード中にスピン偏極電流を励起する。スピン偏光電流は、強磁性金属電極に注入され、磁化を反転する。
図２は、本発明の光メモリ素子の概略図を示している。
この光メモリ素子は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）電極の付いたＰＩＮダイオードにより構成されている。ＰＩＮダイオードは、Ｐ型半導体領域、Ｎ型半導体領域、ドーピングされていない領域から成り立っている。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、２層の強磁性金属領域が絶縁性トンネル領域で分けられた形状である。Ｎ型半導体領域に接触している強磁性金属領域は、自由層と呼ばれ、その磁化がとりえる二つの方向で情報を記憶する。もう一方の強磁性金属領域は、ピン層と呼ばれる。自由層の磁化を反転するのに必要な磁場は、ピン層における必要な磁場より小さいものとする。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の抵抗は、自由層とピン層の磁化の相互方向に依存している。又Ｎ型半導体領域に接触している脇電極と名付けた非磁性電極とＰ型半導体領域に接触している非磁性電極がある。
図３は、本発明のメモリ素子に情報を書き込む方法の概略図を示している。
円偏光した光パルスの照射により自由層の磁化方向が反転することを利用する。電圧Ｖ２は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のピン層と脇電極間に印加される。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を通過する電流Ｉ２は、ある臨界値を超えると、自由層の磁化を反転できる。しかし電圧Ｖ２は、電流Ｉ２が磁化反転を起させる臨界値よりも低くなるように調整される。電圧Ｖ１は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）電極経由でＰＩＮダイオードに印加される。
光が照明されない時は、小さな“暗”電流のみがＰＩＮダイオード経由で流れる。ＰＩＮダイオードに光を照射すると、光は半導体中に光電子を励起する。電圧Ｖ１が印加されているので、これらの光電子は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の自由層に注入される。
光が円編光されている時は、光誘起電子は、スピン偏極している。これはアップとダウンのスピンの数が等しくないことを意味している。電流誘起磁化反転機構の性質から、注入された電流のスピンが偏極している時、磁化反転のための臨界電流は小さい。
光の強度は、光が円偏光されている時、自由層に注入された電流が磁化反転を起こすに十分なように調整され、もし光が直線偏光している時は自由層に注入された電流が磁化反転を起こすのに十分でないように調整される。
これらの理由で、円偏光された光のみが自由層の磁化を反転でき、情報データが記録される。分極されていない電流Ｉ２は、磁化を反転するたに必要な光パルスの強度を低減するのに有効である。
図４は、本発明の高速逆多重送信方法を示している。
メモリ素子を、一連の情報データ光パルスと一個のクロック光パルスにより照射する。一連のデータ光パルスと一個のクロック光パルスの偏光は、直線で相互に直交している。一連のデータ光パルスとクロック光パルスの位相差は、９０度である。
この１個のクロック光パルスは、一連のデータ光パルス中の目的とする１個のデータ光パルスとのみ同時にメモリ素子を照射するように時間遅延されているため、この１個のデータ光パルスのみが、クロック光パルスと結合する。
よって、この１個のデータ光パルスのみの偏光が、円偏光または楕円偏光となる。他の一連のデータ光パルスは、直線偏光のままである。メモリ素子の書き込み動作は、円偏光または楕円偏光のみで可能なため、この１個のデータ光パルスの情報のみメモリ素子に記録される。
図６は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）電極の抵抗値を測定することにより、メモリ素子から情報を読み取る本発明の方法の概略図を示している。
電圧は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のピン層と脇電極間に印加される。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の抵抗値は自由層の２つの状態を取りえる磁化方向によって異なるため、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を流れる電流値を読む事で、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）に記録された情報データを読み出す事が出来る。
図７は、ＰＩＮダイオードを通過する光パルスの強度を測定することにより、メモリ素子に記録されている情報を読み取る本発明の方法の概略図を示している。
負電圧が磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のピン層に印加され、正電圧がＰＩＮダイオードのＰ型領域に印加される。Ｎ型領域からの電子とＰ型領域からの空孔はＰＩＮダイオードのＩ型領域に注入され、そこで結合するため、ＰＩＮダイオードは光利得を発生する。光利得の値は、Ｉ型領域に注入されたキャリアの量に比例する。
自由層とピン層の磁化が反対方向で磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の抵抗値が高い時と、自由層とピン層の磁化が平行で磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の抵抗値が低い時とで光利得の大きさが異なるため、ＰＩＮダイオードを通る光の強度は、メモリ素子に記録された情報に応じて異なる。
Claims (5)
- 不揮発性光メモリ素子であって、該メモリ素子は、
ドーピングによりＮ型になったＮ型半導体領域、
ドーピングによりＰ型になったＰ型半導体領域
上記の２領域の間に挟まれた半導体光検出領域、
脇電極というＮ型半導体領域に接触している金属領域、
自由層というＮ型半導体領域に接触している強磁性金属領域、
ピン層という該自由層の上方に形成される強磁性金属領域及び
自由層とピン層との間に挟まれた絶縁体トンネル障壁領域を具備しており、
上記半導体光検出領域の大きさと材料は、この領域の光照射に基づき電子励起により自由電子と光キャリアと呼ばれる正孔を生成する際に、照射光が直線偏光でない偏光の場合には、互いに反対向きのスピンを持つ正孔の量が等しくならないように調整されており、
上記自由層とピン層の大きさ、形状及び構造は、ピン層の磁化方向を変えるための磁場が自由層の磁化方向を変えるための磁場より大きくなるように調整されており、
上記トンネル障壁領域の厚さと材料は、電子がピン層から自由層に透過又は自由層からピン層に透過することができるように調整されており、
データは、自由層の磁化が２つの相異なる方向を取ることを利用して、メモリに記録され、
上記自由層の大きさと形状は、該自由層を介して上記Ｎ型半導体領域と上記ピン層との間を通る電流によって該自由層の磁化の方向を反転することができるように調整されていることを特徴とする不揮発性光メモリ素子。 - 請求項１に記載の不揮発性光メモリ素子に情報を記録する方法であって、
円偏光又は楕円偏光の光を照射することによる自由層の磁化反転を利用して情報を記録させる方法であり、
自由層を通る電流が自由層の磁化方向を反転するための臨界電流よりは小さくなるように脇電極とピン層の間に電圧を印加し、
電源の陽極をピン層に、陰極をＰ型半導体領域の接続することにより、逆バイアスを半導体光検出領域に印加することになるように、Ｐ型半導体領域とピン層の間に電圧を印加し、
光の強度を、スピン偏極した正孔が自由層に注入された時のみ自由層の磁化が反転されるように調整して、該光を半導体光検出領域に照射することにより、円偏光されたパルスの情報データのみがメモリ素子に記録されることを特徴とする情報を記録する方法。 - 請求項１に記載の不揮発性光メモリ素子に情報を記録する方法であって、
一連のデータ光パルスから一個の光パルスの情報データを取出し、該データを該メモリ素子に書き込む方法であり、
直線偏光のデータ光パルスをメモリ素子に照射し、
偏光方向がデータパルスの偏光方向に垂直である直線偏光のクロック光パルスをメモリ素子に照射することにより、該クロック光パルスと該データ光パルスの位相差は９０度に調整され、
該クロック光パルスの時間遅延は、クロック光パルスがー連のデータ光パルスより取り出した１個のデータ光パルスのみと結合して円偏光パルスを生成するように調整され、
該円偏光された光パルスのみが、上記メモリ素子に記録され、残りの他のー連のデータ光パルスは直線偏光の状態で維持するので、該メモリ素子に記録されないことを特徴とする情報を記録する方法。 - 請求項２又は請求項３に記載された方法を用いる請求項１に記載された不揮発性光メモリ素子において、
上記ピン層と上記自由層の間のトンネル抵抗の値が、これらの２層における磁化の方向が平行である時と反対方向である時において異なり、
上記半導体光検出領域は、正電圧がＰ型半導体領域に印加され、負電圧がＮ型半導体領域に印加された時に光利得を与えるものであることを特徴とする不揮発性光メモリ素子。 - 請求項４に記載の不揮発性光メモリ素子から情報データを光学的に読み出す方法であって、
正電圧を上記Ｐ型半導体領域に印加し、
負電圧を上記ピン層に印加し、
上記ピン層と上記自由層間の磁化の方向が平行である時と反対方向である時において、上記半導体光検出領域に注入された電流が異なり、よって該半導体光検出領域で発生する光学利得が大きく異なるようにその時の電圧値が調整され、
光パルスを該半導体光検出領域に照射し、
該光パルスがメモリ素子を通過した後、出力パルスの強度は、該ピン層と該自由層間の磁化の方向が反対方向である時は小さく、該ピン層と該自由層間の磁化の方向が平行である時、十分に大きくなることにより、該自由層に記録された情報は該光パルスの出力強度の大きさの違いによって読み出されることを特徴とする情報データを光学的に読み出す方法。
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