JP5340045B2 - 磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動において、駆動エネルギーを減少させる方法に関する。

情報保存装置のうち、電源が遮断されても記録された情報が消えない不揮発性情報保存装置には、ハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）や不揮発性ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ−Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。

ＨＤＤは、回転する部分を有する保存装置であって摩耗する傾向があり、動作時に失敗が発生する可能性が大きいために信頼性が落ちる。

不揮発性ＲＡＭとしては、現在汎用されているフラッシュメモリが代表的であるが、フラッシュメモリは、読み取り／書き込みの動作速度が遅く、かつ寿命が短い上に、ＨＤＤに比べてデータ保存容量が非常に少なく、さらに生産コストが高いという問題がある。

最近では、従来の不揮発性情報保存装置の問題点を克服するためのものとして、磁性物質の磁壁（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）移動原理を利用する新しい情報保存装置についての研究及び開発がなされている。強磁性体で磁気的な微小領域を磁気区域（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ；以下、磁区という）といい、互いに異なる磁化方向を有する磁区の境界部分を磁壁という。かような磁壁は所定の容量を有しており、磁性層に印加される電流によって移動しうる。

磁壁移動を利用した情報保存装置は、磁気ナノワイヤを利用して高容量の情報を保存することができる。しかし、磁区での記録及び読み取りのために、磁壁を移動させ続けなければならないために、磁壁の移動に多くの電力が消費される。

従って、磁壁移動を利用した情報保存装置で、磁壁の移動に消費される電力の減少が重要な課題である。

本発明は、磁壁移動を利用した情報保存装置の電力使用量を減少させる方法を提供することを課題とする。

本発明の模範的実施例による磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法は、複数の磁区と、前記磁区間の境界領域に形成されたピニングサイトとを具備した磁性ナノワイヤでの磁壁移動を利用した情報保存装置において、前記磁性ナノワイヤに第１パルス電流密度を有した第１パルス電流を印加し、前記磁壁を第１ピニングサイトからデピニングする段階と、前記磁性ナノワイヤに第２パルス電流密度を有した第２パルス電流を印加し、前記磁壁を第２ピニングサイトに移動させる段階とを含み、前記第１パルス電流密度は前記第２パルス電流密度より大きい。

本発明によれば、前記第１パルス電流密度は、前記磁壁を前記ピニングサイトから移動させる臨界電流密度より大きい。

前記第１パルス電流密度の継続時間より、前記第２パルス電流密度の継続時間の方がさらに長くありうる。

本発明によれば、前記第１パルス電流密度は、前記デピニング段階で使われる電気的エネルギーが最低である場合のパルス電流密度であり、前記第２パルス電流密度は、前記デピニング段階で使われる電気的エネルギーが最低の状態で、前記移動段階でのエネルギーが最低である場合のパルス電流密度である。

本発明によれば、前記第１パルス電流密度と前記第２パルス電流密度は、前記デピニング段階及び前記移動段階での電気的エネルギーの和が最小になる場合の電流密度でありうる。

本発明によれば、磁壁移動を利用した情報保存装置で、磁壁の移動に消費される電力の減少を実現することが可能である。

本発明による磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法が適用される情報保存装置の一例を示す斜視図である。 従来の方法による駆動方法を示すタイミング図である。 本発明による駆動方法を示すタイミング図である。 電流密度増加によるデピニング現象を図示したグラフである。 電流密度によるデピニング時間及び電気エネルギーの変化を図示したグラフである。 第２パルス電流の電流密度によるプロパゲーション時間を示すグラフである。 第２パルス電流密度によるプロパゲーション時間と、電気的エネルギーの変化とを図示したグラフである。

以下、本発明の実施例による磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法について、添付された図面を参照しつつ詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために多少誇張されて図示されている。詳細な説明全体にわたって同じ参照番号は、同じ構成要素を示す。

図１は、本発明による磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法が適用される情報保存装置１００の一例を示す斜視図である。

図１を参照すれば、マグネチック情報保存装置１００は、情報が保存される磁性ナノワイヤ１０を具備する。磁性ナノワイヤ１０は、複数の磁区（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ）１２を具備する。２つの磁区１２間には、磁壁（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）１４が形成されうる。磁区１２は、データが保存される単位領域である。

図１には、直線で形成された１本の磁性ナノワイヤ１０が図示されているが、これは、説明のための概略的な図面であり、本発明の情報保存装置１００は、これに限定されるものではない。例えば、複数本のナノワイヤ１０から構成されることもあり、そのナノワイヤ１０の形状も多様に形成されることも可能である。

磁性ナノワイヤ１０には、磁壁１４が形成される領域で、磁壁１４の容易なピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）のためのピニングサイト（図示せず）が形成される。ピニングサイトは、該当する磁壁１４の磁気異方性ポテンシャルを低くする。ピニングサイトは、磁壁１４の面積を縮めたり、または磁壁１４を磁気異方性ポテンシャルの低い物質を使用したりして形成される。ピニングサイトは、当該磁壁１４を一時的に固定させ、前記磁性ナノワイヤ１０に所定の臨界電流が印加されれば、前記磁壁１４は、前記ピニングサイトを通過する。

前記ピニングサイトは、代表的なものとして、ノッチ（ｎｏｔｃｈ）（図示せず）がある。また、前記ピニングサイトは、磁性ナノワイヤ１０で、磁性ナノワイヤ１０と異なる物質が付加的に形成され、該当領域の磁気異方性ポテンシャルを低くして磁壁をピニングすることもできる。

磁性ナノワイヤ１０の一端Ｅ１及び他端Ｅ２にそれぞれ接触した第１導電線Ｃ１及び第２導電線Ｃ２が備わり、第１導電線Ｃ１及び第２導電線Ｃ２のそれぞれは、第１駆動素子Ｄ１及び第２駆動素子Ｄ２と連結されうる。第１駆動素子Ｄ１及び第２駆動素子Ｄ２はトランジスタであるが、それ以外の素子、例えば、ダイオードでもありうる。第１駆動素子Ｄ１及び第２駆動素子Ｄ２と第１導電線Ｃ１及び第２導電線Ｃ２は、磁性ナノワイヤ１０に、磁壁移動のための電流を印加する電流印加手段を構成できる。

第１駆動素子Ｄ１に電流を印加すれば、磁壁１４は第１方向２１に移動し、第２駆動素子Ｄ２に電流を印加すれば、磁壁１４は第２方向２２に移動しうる。

かような電流印加手段は、図示されたところに限定されずに、多様に変形可能である。例えば、第１導電線Ｃ１及び第２導電線Ｃ２それぞれが、第１駆動素子Ｄ１及び第２駆動素子Ｄ２と連結される代わりに、第１導電線Ｃ１及び第２導電線Ｃ２のうち、いずれか一方のみ該当する駆動素子に連結されることもある。図１の構造では、第１駆動素子Ｄ１及び／または第２駆動素子Ｄ２によって、磁性ナノワイヤ１０に磁壁移動のための電流が印加されるが、前記電流の方向によって、磁壁１４の移動方向が決定される。磁壁１４は、電子の移動方向、すなわち、電流の逆方向に移動する。

磁性ナノワイヤ１０の所定領域上に、データ再生のための読み取り手段３０と、データ記録のための書き込み手段４０とが備わりうる。読み取り手段３０及び書き込み手段４０それぞれは、１つの磁区１２に対応する磁性ナノワイヤ１０上に備わることも可能である。読み取り手段３０及び書き込み手段４０は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用する素子でありうるが、ＴＭＲ及びＧＭＲ効果を利用する素子については周知であるため、それについての詳細な説明は省略する。

読み取り手段３０及び書き込み手段４０の原理及び構造は前記に限定されずに、多様に変形されうる。一例として、書き込み手段４０は、外部磁場を利用してデータを記録する装置でありうる。他の例として、書き込み手段４０は、電子のスピントルク現象を利用した書き込み方法を適用するものでありうる。

前記磁区に記録される電子スピンは垂直磁気であって、また水平磁気でもありうる。かような磁区の電子スピンは、磁気ナノワイヤ１０の物質によって決まりうる。

また、読み取り手段３０と書き込み手段４０とがそれぞれ備わる代わりに、書き込み及び読み取り機能を兼ねる一体型の読み取り／書き込み手段が備わることも可能である。

第１駆動素子Ｄ１及び／または第２駆動素子Ｄ２で、磁性ナノワイヤ１０に所定のパルス電流を印加し、磁壁１４をビット単位で移動させつつ、読み取り手段３０に読み取り電流を印加し、磁性ナノワイヤ１０に記録されたデータを再生したり、書き込み手段４０に書き込み電流を印加し、磁性ナノワイヤ１０にデータを記録できる。

以下では、本発明による磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法について、図１を参照しつつ詳細に説明する。

まず、第１磁区Ｍ１に、書き込み手段４０を使用して情報を記録する。書き込み手段４０を介して書き込み電流を印加し、第１磁区Ｍ１での磁気異方性方向を設定する。次に、第２駆動素子Ｄ２に移動パルス電流を印加すれば、磁区１２は、第２方向２２に１つの磁区領域を移動し、次の磁区領域で停止する。次に、前記書き込み手段４０で第２磁区Ｍ２の磁気異方性方向を設定する。前記書き込み電流の方向によって、第２磁区Ｍ２の磁気異方性方向が決定されうる。

次に、情報の読み取り過程について説明する。まず、読み取り手段３０で読み取り電流を印加し、当該磁区Ｍ３を通過する電流を測定することによって、前記磁区Ｍ３に記録された情報を読み取ることができる。次に、駆動素子Ｄ１，Ｄ２に移動パルス電流を印加すれば、磁区Ｍ３は一方向に移動し、従って、続けて他の磁区の情報を読み取ることができる。

前記情報の記録及び読み取り方法から分かるように、磁壁移動を利用した情報保存装置１００は、複数の磁区に情報の記録及び読み取りのために磁壁を移動せねばならない。

図２は、従来の方法による駆動方法を示すタイミング図である。

図２を参照すれば、磁壁移動のために印加されるパルス電流は、磁壁１４をピニングサイトから抜け出させるために、臨界電流以上のパルス電流Ｊａを使用する。また、１つの磁壁１４のみの移動のために、所定の継続時間（デュレーション）ｔａを有するパルス電流を使用する。

図３は、本発明による駆動方法を示すタイミング図である。

図３を参照すれば、磁壁移動のために印加される移動電流は、ピニングサイトから抜け出させるための第１パルス電流Ｊｄと、磁区の移動のための第２パルス電流Ｊｐとを有する。第１パルス電流Ｊｄは、図２のパルス電流Ｊａのように、磁壁１４をピニングサイトから抜け出させるための臨界電流以上の電流を使用する。

第２パルス電流Ｊｐは、第１パルス電流Ｊｄより低い値の電流である。第２パルス電流Ｊｐと第１パルス電流Ｊｄは、磁性ナノワイヤの材質及び太さによって変わりうる。第１パルス電流Ｊｄの第１継続時間ｔｄより、第２パルス電流Ｊｐの第２継続時間ｔｐの方が長いことが望ましい。このように、第２パルス電流Ｊｐの第２継続時間ｔｐを相対的に長くするのは、第２パルス電流Ｊｐの使用エネルギーが第１パルス電流のＪｄ使用エネルギーより低いためであり、従って、情報保存装置１００の所要電力を低くするためのものである。前記第１パルス電流Ｊｄと第２パルス電流Ｊｐは、それぞれデピニング（ｄｅｐｉｎｎｉｎｇ）段階とプロパゲーション（ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）段階とでの最小エネルギー使用観点から決まることが望ましい。

次に、本発明の方法による磁壁移動電流のエネルギーをシミュレーションした結果について説明する。

シミュレーションに使用した磁性ナノワイヤはＣｏ／Ｐｔ層であって、垂直磁気方向性を有し、幅が６０ｎｍ、高さが５ｎｍであり、磁区の長さは１６０ｎｍであった。磁性ナノワイヤのダンピング定数は０．１、スピン偏極（Ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）は０．７、磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）は１０^６ｅｒｇ／ｃｃ、飽和磁化（Ｍｓ）は２００ｅｍｕ／ｃｃ、交換定数（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）（Ａ^＊）は１ｘ１０^−６ｅｒｇ／ｃｃであり、非断熱項β（ｎｏｎ−ａｄｉａｂａｔｉｃｉｔｙ ｂｅｔａ）は０．０１であった。ピニングサイトはノッチであった。

図４及び図５は、磁壁をピニングサイトから初期移動させるデピニング過程でのエネルギーを摸写したものである。

図４は、電流密度増加によるデピニング現象を図示したグラフである。図４を参照すれば、９ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２以下の電流密度では、デピニングは発生せず、１０ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２ほど以上の電流密度で磁壁が移動した。すなわち、磁壁がデピニングされるための臨界電流密度が１０ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２であることが分かった。このとき、電流密度増加により、デピニングされる時間が短くなり、プロパゲーションされる時間も短くなることが分かる。

図５は、電流密度によるデピニング時間及び電気エネルギーの変化を図示したグラフである。図５を参照すれば、デピニングのための第１パルス電流密度を増加させれば、デピニング時間が短縮されるが、デピニング時間短縮率がだんだんと低くなることが分かる。デピニングエネルギーは、最小点が存在することが分かった。本シミュレーションでは、電流密度が１６ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２でデピニングエネルギーが最小であることが分かり、このときのデピニング時間は１ｎｓｅｃほどであった。

図６及び図７は、磁壁を移動させるプロパゲーション過程でのエネルギーを摸写したものである。

図６は、第２パルス電流の電流密度によるプロパゲーション時間を示すグラフである。

図６を参照すれば、第１パルス電流で、１６ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２電流密度を１ｎｓｅｃ印加した後、第２パルス電流による使用エネルギーをシミュレーションした。第２パルス電流が増加するにつれ、磁壁移動時間が短縮することが分かった。

図７は、第２パルス電流密度によるプロパゲーション時間と、電気的エネルギーの変化とを図示したグラフである。図７を見れば、第２パルス電流密度増加で磁区移動時間が短縮することが分かる。しかし、磁区移動に使われるエネルギーは、電流密度が１０ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２で最も少なく使われることが分かる。

従って、従来のように、デピニングとプロパゲーションとのために、同じパルス電流を印加するよりは、本発明のように、デピニングとプロパゲーションとの過程を分離し、デピニング過程及びプロパゲーション過程でのそれぞれ最低エネルギー使用パルス電流密度を印加することによって、磁壁移動に使われるエネルギーを低くすることができる。従来の方法では、磁壁の移動のために１６ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２電流密度を４．６０４ｎｓ間印加し、消耗エネルギーは１１．５９Ｊ／ｃｍ^３であった。本発明による磁壁移動では、第１パルス電流として１６ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２電流密度を１ｎｓ使用し、第２パルス電流として１０ｘ１０^６Ａ／ｃｍ^２電流を６．４５２ｎｓ使用し、このときの使用エネルギーは８．８７Ｊ／ｃｍ^３であった。従って、本発明による磁壁移動は、従来の方法よりほぼ２４％電力使用が減少した。

本発明は、図面を参照しつつ実施例を参考にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な実施例が可能であるという点を理解することができるであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲に限って決まるものである。

本発明の磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法は、例えば、情報保存関連の技術分野に効果的に適用可能である。

１０ ナノワイヤ
１２ 磁区
１４ 磁壁
２１ 第１方向
２２ 第２方向
３０ 読み取り手段
４０ 書き込み手段
１００ 情報保存装置
Ｃ１ 第１導電線
Ｃ２ 第２導電線
Ｄ１ 第１駆動素子
Ｄ２ 第２駆動素子
Ｅ１ ナノワイヤの一端
Ｅ２ ナノワイヤの他端
Ｍ１ 第１磁区
Ｍ２ 第２磁区
Ｊａ 臨界電流以上のパルス電流
Ｊｄ 第１パルス電流
Ｊｐ 第２パルス電流
ｔａ 所定の継続時間
ｔｄ 第１継続時間
ｔｐ 第２継続時間

Claims (6)

1. 複数の磁区と、前記磁区間の境界領域に形成されたピニングサイトとを具備した磁性ナノワイヤでの磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法において、
   前記磁性ナノワイヤに第１パルス電流密度を有した第１パルス電流を印加し、前記磁壁を第１ピニングサイトからデピニングする段階と、
   前記磁性ナノワイヤに第２パルス電流密度を有した第２パルス電流を印加し、前記磁壁を第２ピニングサイトに移動させる段階と、
   を含み、
   前記第１パルス電流密度が前記第２パルス電流密度より大きいことを特徴とする、磁壁移動を利用した情報保存装置の駆動方法。
2. 前記第１パルス電流密度は、前記磁壁を前記第１ピニングサイトから移動させる臨界電流密度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置の駆動方法。
3. 前記第１パルス電流密度の継続時間より、前記第２パルス電流密度の継続時間の方がさらに長いことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置の駆動方法。
4. 前記第１パルス電流密度は、前記デピニング段階で使われる電気的エネルギーが最低である場合のパルス電流密度であることを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置の駆動方法。
5. 前記第２パルス電流密度は、前記デピニング段階で使われる電気的エネルギーが最低の状態で、前記移動段階でのエネルギーが最低である場合のパルス電流密度であることを特徴とする請求項４に記載の情報保存装置の駆動方法。
6. 前記第１パルス電流密度と前記第２パルス電流密度は、前記デピニング段階及び前記移動段階での電気的エネルギーの和が最小になる場合の電流密度であることを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置の駆動方法。

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