JP5634422B2 - 電流によって誘起されたスピンモーメント移行をベースとした高速かつ低電力の磁気デバイス - Google Patents
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Description
基本的な概念を図示するため、図1は、多層構成とされた柱形状をなす磁気デバイスを示している。この磁気デバイスは、磁化方向が固定されているピン止めされた磁化層FM1と、磁化方向が自由なものとされている自由磁化層FM2と、を備えている。ベクトルm1→ (本来であれば、m1 の上に→を表記すべきところを、簡便的に、m1 の右横に→を表記する。以下同様。)は、ピン止めされた磁化層FM1の磁化ベクトルであり、また、ベクトルm2→ は、自由磁化層FM2の磁化ベクトルである。ピン止めされた磁化層FM1は、スピン角運動量の発生源として機能する。
柱形状の磁気デバイスに対して、電流Iが供給される。これにより、この電流Iは、ピン止めされた磁化層FM1から、第1非磁性層N1を通して、自由磁化層FM2にまで、デバイスをなす様々な層を通して流れることができる。供給された電流Iにより、ピン止めされた磁化層FM1から、自由磁化層FM2へと、角運動量が移送される。上述したように、ある磁気領域から他の磁気領域への角運動量の移送は、トルクを生成することができる。
上述した磁気デバイスは、磁気メモリを構築し得るよう、複数のメモリセルからなるアレイを構成するために、メモリセル内へと組み込むことができる。図4に示すような1つの実施形態においては、本発明による磁気デバイスは、メモリセルとして具現されたときには、多層の柱状デバイスとされ、このデバイスは、固定磁化方向を有したピン止め磁化層FM1と、自由な磁化方向を有した自由磁化層FM2と、固定磁化方向を有した読出磁化層FM3と、を具備している。m1→ は、ピン止めされた磁化層FM1の磁化ベクトルであり、m2→ は、自由磁化層FM2の磁化ベクトルであり、m3→ は、読出磁化層FM3の磁化ベクトルである。
情報をメモリセル内に書き込む際には、磁気スイッチングプロセスが使用される。メモリセル内に情報の論理的ビットを格納するには、メモリセルの内部における磁化ベクトルの磁化方向を、“0”および“1”という論理値を符号化し得る可能な2つの向きのうちの一方にセットする。この磁気デバイスは、メモリセルとして具現されたときには、上述した磁気的スイッチング方法を使用することによって、情報のビットを格納することができる。電流パルスを印加することによって、磁気デバイス内の論理値を変更することができる。上述したようなかつ図4に図示したような磁気メモリデバイスは、1ビットという情報を格納する。その理由は、自由磁化層FM2が、安定した2つの磁性状態が可能とされた単一の磁化ベクトルm2→ を有しているからである。
読出磁化層FM3は、磁気メモリデバイスの最も単純な具現化において、必要とされる。読出磁化層FM3は、固定磁化方向を有した磁化ベクトルm3→ を有している。読出磁化層FM3の磁化ベクトルm3→ は、多くの方法で固定することができる。例えば、読出磁化層FM3は、より厚いものとして形成することができる、あるいは、より大きな異方性を有した磁性材料から形成することできる、あるいは、交換バイアス現象を使用し得るよう反強磁性層に対して隣接配置することができる。交換バイアス現象においては、反強磁性層と強磁性層との間の結合のために、および、反強磁性層の大きな磁気的異方性のために、強磁性層が硬化する。このため、磁化方向を変更するに際しては、より大きな磁界およびより大きな電流が必要とされる。
上述したようなかつ図4に図示されたような磁気メモリデバイスは、安定した2つの磁性状態を有しており、1ビットからなる情報を格納することができる。本発明の他の実施形態においては、磁気メモリデバイスは、複数ビットからなる情報を格納し得るよう構成することができる。図7は、安定した4つの磁性状態を有しているような自由磁化層FM2の一例を示している。安定した4つの磁性状態を有した自由磁化層FM2を備えている磁気メモリデバイスは、2ビットからなる情報を格納することができる。この実施形態においては、電流パルスを印加することにより、磁化方向を、180°ではなく90°だけ変更することができる。これは、様々な形態をなす電流パルスによって、達成することができる。例えば、電流パルスは、振幅をより小さくしたもの、および/または、持続時間がより短いもの、とすることができる。その場合、読出層(FM3)は、4つの磁化状態の各々が互いに異なる抵抗値を有しているようにして、位置合わせされる。この目的のためには、読出層の磁化方向が4つの状態のすべてに対して平行ではなくかつそれら4つの状態に対して45°でもないような平面内成分を有していることが、必要とされる。
磁気デバイスの動作を、スピン移送トルクを含有している Landau-Lifzshitz Gilbert 式を使用することによって、シミュレートした。
高速かつ低消費電力である本発明による磁気デバイスは、読出および書込操作に際して、すなわち、論理的操作に際して、少ないエネルギーしか使用しない。励起されていない時には、情報は、大きな損失をもたらすことなく、格納されている。したがって、本発明による磁気デバイスは、メモリセルとして具現された時には、不揮発性メモリとして使用することができる。
NOT操作は単にデバイスの状態をスイッチングすることを必要とする。NAND機能を形成することができる。NAND機能は、万能のデジタル論理ゲートである(すなわち、すべてのデジタル論理機能を、NANDゲートから構成することができる)。
FM2 自由磁化層
FM3 読出磁化層
N1 第1非磁性層
N2 第2非磁性層
Claims (28)
- 磁気デバイスであって、
固定磁化方向を有した磁化ベクトルを備えたピン止めされた磁化層と;
変更可能な磁化方向を有した少なくとも1つの磁化ベクトルを備えた自由磁化層と;
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層とを空間的に分離する第1非磁性層であるとともに、この分離によって、前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層との間の磁気的相互作用を最小化させるような、第1非磁性層と;
固定磁化方向を有した磁化ベクトルを備えた読出磁化層と;
前記自由磁化層と前記読出磁化層とを空間的に分離する第2非磁性層であるとともに、この分離によって、前記自由磁化層と前記読出磁化層との間の磁気的相互作用を最小化させるような、第2非磁性層と;
電流源であるとともに、前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層との間に接続され、第1の向きに流れて前記自由磁化層の磁化ベクトルを前記自由磁化層がなす平面から離れるように回転させる第1電流パルスと、前記第1の向きとは逆向きの第2の向きに流れて前記自由磁化層内における前記自由磁化層の磁化ベクトルの回転を停止させる第2電流パルスと、を供給し得るよう構成された電流源と;
を具備していることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記ピン止めされた磁化層の前記磁化方向と前記自由磁化層の前記磁化方向と前記読出磁化層の前記磁化方向との中の少なくとも1つが、これら3つの磁化方向の中の他の少なくとも1つが延在している軸線とは異なる軸線に沿って延在していることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記ピン止めされた磁化層の前記固定磁化方向が、前記自由磁化層がなす平面に対して垂直なものとされ、
前記自由磁化層の前記変更可能な磁化方向が、前記磁気デバイスの長手方向をなす軸線に対して垂直なものとされていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記自由磁化層の前記変更可能な磁化方向と前記読出磁化層の前記磁化方向とが、逆平行な位置関係と、平行な位置関係と、の間にわたってスイッチングされることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記自由磁化層が、変更可能な磁化方向を有した単一の磁化ベクトルを備えていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記自由磁化層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向が、1ビットからなる情報を表すことを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記磁気デバイスが、柱状形状とされ、
前記ピン止めされた磁化層と前記第1非磁性層と前記自由磁化層と前記第2非磁性層と前記読出磁化層とが、横方向のサイズが200nmよりも小さく、かつ、1nm〜50nmという厚さを有していることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層とが、Coと、Niと、Feと、CoとNiとからなる合金と、CoとFeとからなる合金と、NiとFeとからなる合金と、CoとNiとFeとからなる合金と、鉄ニッケル合金(Ni1−xFex)と、からなるグループの中から選択された材料から形成されていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層とが、
非磁性金属と;
CoとNiとからなる合金と、CoとFeとからなる合金と、NiとFeとからなる合金と、CoとNiとFeとからなる合金と、からなるグループの中から選択された材料と;
から形成され、
前記非磁性金属と前記材料とが、室温において強磁性を示すものとされていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項9記載の磁気デバイスにおいて、
前記非磁性金属が、Cuと、Pdと、Ptと、からなるグループの中から選択された材料とされていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層とが、NiMnSbと、導電性磁性酸化物と、からなるグループの中から選択された材料から形成されていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項11記載の磁気デバイスにおいて、
前記導電性磁性酸化物が、CrO2 およびFe3O4のいずれかとされていることを特徴とする磁気デバイス。 - 請求項1記載の磁気デバイスにおいて、
前記非磁性層が、Cuと、Crと、Auと、Agと、Alと、からなるグループの中から選択された少なくとも1つの材料から形成されていることを特徴とする磁気デバイス。 - メモリシステムであって、
メモリセルを具備し、
このメモリセルが、
固定磁化方向を有した磁化ベクトルを備えたピン止めされた磁化層と;
変更可能な磁化方向を有した少なくとも1つの磁化ベクトルを備えた自由磁化層と;
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層とを空間的に分離する第1非磁性層であるとともに、この分離によって、前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層との間の磁気的相互作用を最小化させるような、第1非磁性層と;
固定磁化方向を有した磁化ベクトルを備えた読出磁化層と;
前記自由磁化層と前記読出磁化層とを空間的に分離する第2非磁性層であるとともに、この分離によって、前記自由磁化層と前記読出磁化層との間の磁気的相互作用を最小化させるような、第2非磁性層と;
を備えたものとされ、
さらに、前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層との間に接続されていて前記メモリセルを通して電流を流し得るものとされた電流源を具備し、
前記電流源からの第1電流パルスが、第1の向きに流れて、前記自由磁化層の磁化ベクトルを前記自由磁化層がなす平面から離れるように回転させ、
前記電流源からの第2電流パルスが、前記第1の向きとは逆向きの第2の向きに流れて前記自由磁化層内における前記自由磁化層の磁化ベクトルの回転を停止させる、
ことを特徴とするメモリシステム。 - 請求項14記載のメモリシステムにおいて、
前記ピン止めされた磁化層の前記磁化方向と前記自由磁化層の前記磁化方向と前記読出磁化層の前記磁化方向との中の少なくとも1つが、これら3つの磁化方向の中の他の少なくとも1つが延在している軸線とは異なる軸線に沿って延在していることを特徴とするメモリシステム。 - 請求項14記載のメモリシステムにおいて、
さらに、前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層との間の抵抗値を測定するための抵抗値測定手段を具備していることを特徴とするメモリシステム。 - 請求項16記載のメモリシステムにおいて、
前記抵抗値測定手段が、前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層とに対して接続された電圧計を備えていることを特徴とするメモリシステム。 - 請求項14記載のメモリシステムにおいて、
前記電流が、サブナノセカンドという持続時間にわたって印加されることを特徴とするメモリシステム。 - メモリセルの形成方法であって、
固定磁化方向を有した磁化ベクトルを備えたピン止めされた磁化層の上に、第1非磁性層を形成し;
この第1非磁性層の上に、変更可能な磁化方向を有した少なくとも1つの磁化ベクトルを備えた自由磁化層を形成し;
この自由磁化層の上に、第2非磁性層を形成し;
この第2非磁性層の上に、固定磁化方向を有した磁化ベクトルを備えた読出磁化層を形成する;
という方法において、
前記第1および第2非磁性層によって、前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層との間の磁気的相互作用を最小化し、
前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層との間に電流源を接続し、
前記電流源からの第1電流パルスが、第1の向きに流れて、前記自由磁化層の磁化ベクトルを前記自由磁化層がなす平面から離れるように回転させ、
前記電流源からの第2電流パルスが、前記第1の向きとは逆向きの第2の向きに流れて前記自由磁化層内における前記自由磁化層の磁化ベクトルの回転を停止させる、
ことを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項19記載のメモリセル形成方法において、
前記ピン止めされた磁化層の前記磁化方向と前記自由磁化層の前記磁化方向と前記読出磁化層の前記磁化方向との中の少なくとも1つを、これら3つの磁化方向の中の他の少なくとも1つが延在している軸線とは異なる軸線に沿って延在するものとすることを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項19記載のメモリセル形成方法において、
さらに、前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層との間の抵抗値を測定することを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項21記載のメモリセル形成方法において、
前記抵抗値の測定に際しては、前記ピン止めされた磁化層と前記読出磁化層とに対して電圧計を接続することを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項19記載のメモリセル形成方法において、
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層とを、Coと、Niと、Feと、CoとNiとからなる合金と、CoとFeとからなる合金と、NiとFeとからなる合金と、CoとNiとFeとからなる合金と、鉄ニッケル合金(Ni1−xFex)と、からなるグループの中から選択された材料から形成することを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項19記載のメモリセル形成方法において、
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層とを、
非磁性金属と;
CoとNiとからなる合金と、CoとFeとからなる合金と、NiとFeとからなる合金と、CoとNiとFeとからなる合金と、からなるグループの中から選択された材料と;
から形成し、
前記非磁性金属と前記材料とを、室温において強磁性を示すものとすることを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項24記載のメモリセル形成方法において、
前記非磁性金属を、Cuと、Pdと、Ptと、からなるグループの中から選択された材料とすることを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項19記載のメモリセル形成方法において、
前記ピン止めされた磁化層と前記自由磁化層と前記読出磁化層とを、NiMnSbと、導電性磁性酸化物と、からなるグループの中から選択された材料から形成することを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項26記載のメモリセル形成方法において、
前記導電性磁性酸化物を、CrO2 およびFe3O4のいずれかとすることを特徴とするメモリセル形成方法。 - 請求項19記載のメモリセル形成方法において、
前記非磁性層を、Cuと、Crと、Auと、Agと、Alと、からなるグループの中から選択された少なくとも1つの材料から形成することを特徴とするメモリセル形成方法。
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