JP6436348B2 - Magnetic element, skyrmion memory, skyrmion memory device, data processing device, solid state electronic device equipped with skyrmion memory, data recording device, data processing device and data communication device - Google Patents
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Description
本発明は、スキルミオンを生成、消去及び検知可能な磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリデバイス、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置及びデータ通信装置に関する。 The present invention relates to a magnetic element capable of generating, erasing, and detecting skyrmions, a skyrmion memory, a skyrmion memory device, a solid state electronic device equipped with a skyrmion memory, a data recording device, a data processing device, and a data communication device.
磁性体の磁気モーメントをデジタル情報として利用する磁気素子が知られている。当該磁気素子は、情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリの要素として機能するナノスケールの磁気構造を有する。当該磁気素子は、ナノスケールの磁気構造による超高密度性等の利点から大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとしての重要度が増している。 Magnetic elements that use the magnetic moment of a magnetic material as digital information are known. The magnetic element has a nanoscale magnetic structure that functions as an element of a non-volatile memory that does not require power when holding information. The magnetic element is expected to be applied as a large-capacity information storage medium due to advantages such as ultra-high density due to the nanoscale magnetic structure, and the importance of the electronic device as a memory device is increasing.
次世代型のメモリ磁気デバイスの他の候補としては、米国IBMを中心にマグネチックシフトレジスタが提案されている。マグネチックシフトレジスタは、磁気ドメイン磁壁を駆動してその磁気モーメント配置を電流で転送し、記憶情報を読み出す(特許文献1参照)。 As another candidate of the next generation type memory magnetic device, a magnetic shift register has been proposed mainly in the US IBM. The magnetic shift register drives the magnetic domain domain wall, transfers the magnetic moment arrangement with current, and reads stored information (see Patent Document 1).
図37は、電流による磁気ドメイン磁壁駆動の原理を示す模式図である。互いに磁気モーメントの向きが相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。図37では、マグネチックシフトレジスタ1におけるドメイン磁壁を実線で示している。マグネチックシフトレジスタ1に、矢印の向きの電流を流すことにより磁気ドメイン磁壁が駆動する。ドメイン磁壁が移動することにより、磁気センサ2の上方に位置する磁気モーメントの向きによる磁気が変化する。当該磁気変化を磁気センサ2で検知して磁気情報を引き出す。 FIG. 37 is a schematic diagram showing the principle of magnetic domain domain wall drive by current. A domain domain wall is a boundary between magnetic regions in which the directions of magnetic moments are opposite to each other. In FIG. 37, the domain domain wall in the magnetic shift register 1 is indicated by a solid line. The magnetic domain domain wall is driven by passing a current in the direction of the arrow through the magnetic shift register 1. The movement of the domain domain wall changes the magnetism due to the direction of the magnetic moment located above the magnetic sensor 2. The magnetic change is detected by the magnetic sensor 2 to extract magnetic information.
しかし、こうしたマグネチックシフトレジスタ1は、磁気ドメイン磁壁を動かす際に大きな電流を必要とし、また磁気ドメイン磁壁の転送速度が遅いという欠点を持っている。 However, such a magnetic shift register 1 has the disadvantages that a large current is required to move the magnetic domain domain wall and the transfer speed of the magnetic domain domain wall is slow.
そこで、本願発明者は、磁性体中に発生するスキルミオンを記憶単位として使ったスキルミオン磁気素子を提案した(特許文献2参照)。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]米国特許第6834005号明細書
[特許文献2]特開2014−86470号公報
[非特許文献1]永長 直人、十倉 好紀、"Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions"、Nature Nanotechnology、英国、Nature Publishing Group、2013年12月4日、Vol.8、p899−911.
In view of this, the inventor of the present application has proposed a skirmion magnetic element using skirmions generated in a magnetic material as a storage unit (see Patent Document 2). In this proposal, the inventors have shown that skyrmions can be driven by current.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] US Pat. No. 6,834,005 [Patent Document 2] JP-A-2014-86470
[Non-Patent Document 1] Naoto Naga Nagato, Yoshinori Tokura, “Topological properties and dynamics”, Nature Nanotechnology, United Kingdom, Nature Publishing Group, 12th month, 12th month. 8, p899-911.
スキルミオンは、直径が1nmから500nmと極微小な磁気構造を有し、その構造を長時間保持できることからメモリ素子に応用することへの期待が高まっている。しかし、スキルミオンの生成、消去及び検知の機構の詳細が明らかではなかった。 Skyrmions have a very small magnetic structure with a diameter of 1 nm to 500 nm, and the structure can be held for a long time. Therefore, expectations for application to memory elements are increasing. However, the details of the mechanism of generation, elimination and detection of skyrmions were not clear.
そこで、本願発明者はスキルミオンの生成、消去状態の関係の詳細を明らかにした上で、スキルミオンを電場で生成、消去でき、スキルミオンを検知できる磁気素子及びスキルミオンメモリを発明し、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置及びデータ通信装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present inventor clarified the details of the relationship between the generation and erasure states of skirmions, invented a magnetic element and skirmion memory capable of generating and erasing skirmions with an electric field, and detecting skirmions. An object of the present invention is to provide a solid state electronic device, a data recording device, a data processing device, and a data communication device with a Lumion memory.
本発明の第1の態様においては、スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、薄層状の磁性体と、磁性体の一面において磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電場発生電極と、スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子とを備える磁気素子を提供する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a magnetic element capable of generating and erasing skyrmions, surrounding a thin layered magnetic body and an end region including the end of the magnetic body on one surface of the magnetic body. Provided is a magnetic element comprising an electric field generating electrode provided and a skirmion detection element that detects generation and erasure of skirmions.
本発明の第2の態様においては、第1の態様に係る磁気素子であって、磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する磁気素子を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnetic element according to the first aspect, wherein the magnetic element has a multilayer structure in which the magnetic elements are stacked in the thickness direction.
本発明の第3の態様においては、第1の態様に係る磁気素子と、磁性体の一面に対向して設け、磁性体に第1方向から磁場を印加する磁場発生部と、磁気素子の電場発生電極に電圧を印加することで、端部領域に電場を発生させることが可能な第1電源と、スキルミオン検出素子に接続し、スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、スキルミオンの生成及び消去を測定する測定部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。 In a third aspect of the present invention, a magnetic element according to the first aspect, a magnetic field generating unit that is provided to face one surface of the magnetic body and applies a magnetic field to the magnetic body from the first direction, and an electric field of the magnetic element Connected to the first power source capable of generating an electric field in the end region by applying voltage to the generating electrode and the skirmion detection element, and based on the detection result of the skirmion detection element, generation of skirmion And a skyrmion memory including a measurement unit for measuring erasure.
本発明の第4の態様においては、第3の態様に係るスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した複数のスキルミオンメモリと、複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、スキルミオンの有無を検知するリード線と、スキルミオン生成線、スキルミオン消去線、リード線にはスキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、リード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、スキルミオンの有無を検出する検出回路とを備えるスキルミオンメモリデバイスを提供する。 In the fourth aspect of the present invention, in order to generate a plurality of skillion memories in which the skillion memory according to the third aspect is configured as one storage unit memory and a plurality of skillion memories. Skill Mion generation lines connected to Skill Mion memory, Skill Mion deletion lines connected to multiple Skill Mion memories, and Lead lines that detect presence or absence of Skill Mions to erase Skill Mions in multiple Skill Mion memories And a field effect transistor for selecting a skillmion memory for a skillmion generation line, a skillmion erasing line, and a lead line, and a detection circuit for amplifying a current or voltage flowing in the lead line and detecting the presence or absence of the skillmion. Provide Skyrmion memory device.
本発明の第5の態様においては、基板と、基板上に形成した電界効果トランジスタと、電界効果トランジスタの上方に積層したスキルミオンメモリデバイスとを有し、スキルミオンメモリデバイスは、第3の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置を提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a substrate, a field effect transistor formed on the substrate, and a skyrmion memory device stacked above the field effect transistor, wherein the skyrmion memory device is the third aspect. Provided is a data processing device equipped with a skillmion memory having at least one skillmion memory.
本発明の第6の態様においては、第3の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスと固体電子デバイスを同一チップ内に形成しているスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイスを提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a skillion memory-equipped solid-state electronic device in which a skillion memory device and a solid-state electronic device each having at least one skillion memory according to the third aspect are formed in the same chip. To do.
本発明の第7の態様においては、第3の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置、データ処理装置、及びデータ通信装置を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a data recording device, a data processing device, and a data communication device equipped with a skillion memory device comprising at least one skillion memory according to the third aspect.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
スキルミオンを形成できる磁性体の一例としてカイラル磁性体がある。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメント配置が、磁気モーメントの進行方向に対して螺旋上に回転する磁気秩序相(らせん磁性相)となる磁性体である。外部磁場を印加することにより、らせん磁性相は最密結晶格子に並んだスキルミオンを安定化するスキルミオン結晶相をへて強磁性相となる。 An example of a magnetic material that can form skyrmions is a chiral magnetic material. A chiral magnetic body is a magnetic body in which the magnetic moment arrangement when no external magnetic field is applied becomes a magnetic ordered phase (helical magnetic phase) that rotates on a spiral with respect to the direction of travel of the magnetic moment. By applying an external magnetic field, the helical magnetic phase becomes a ferromagnetic phase through the skirmion crystal phase that stabilizes skirmions arranged in the close-packed crystal lattice.
図1は、磁性体11中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン40の一例を示す模式図である。図1において、各矢印は、スキルミオン40における磁気モーメントの向きを示す。x軸及びy軸は互いに直交する軸であり、z軸はxy平面に直交する軸である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a skyrmion 40 that is a nanoscale magnetic structure in the magnetic body 11. In FIG. 1, each arrow indicates the direction of the magnetic moment in the skyrmion 40. The x axis and the y axis are axes orthogonal to each other, and the z axis is an axis orthogonal to the xy plane.
磁性体11は、xy平面に平行な平面を有する。磁性体11中に配置したあらゆる向きを向く磁気モーメントは、スキルミオン40を構成する。本例では、磁性体11に印加する磁場の向きはプラスz方向である。この場合に、本例のスキルミオン40の最外周の磁気モーメントは、プラスz方向に向く。 The magnetic body 11 has a plane parallel to the xy plane. A magnetic moment directed in every direction arranged in the magnetic body 11 constitutes the skyrmion 40. In this example, the direction of the magnetic field applied to the magnetic body 11 is the plus z direction. In this case, the magnetic moment on the outermost periphery of the skillion 40 of this example is directed in the plus z direction.
スキルミオン40において、磁気モーメントを最外周から内側へ向けて渦巻状に回転していくように配置する。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻き状の回転に伴い渦の中心に向かって徐々にプラスz方向からマイナスz方向へ向きを変える。 In the skyrmion 40, the magnetic moment is arranged so as to rotate in a spiral shape from the outermost circumference toward the inside. Further, the direction of the magnetic moment gradually changes from the plus z direction to the minus z direction toward the center of the vortex with the spiral rotation.
スキルミオン40は中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれる。つまり、スキルミオン40は、磁気モーメントの渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン40が存在する磁性体11が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン40を構成する磁気モーメントをその厚さ方向は同じ向きの磁気モーメントで構成している。すなわち板の深さ方向(z方向)には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントからなる。本例において最外周とは、図1に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。 In the skyrmion 40, the direction of the magnetic moment is continuously twisted between the center and the outermost periphery. That is, the skyrmion 40 is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure of magnetic moment. When the magnetic material 11 in which the skyrmion 40 is present is a thin plate-like solid material, the magnetic moment constituting the skyrmion 40 is constituted by the magnetic moment having the same direction in the thickness direction. That is, the plate has a magnetic moment in the same direction from the front surface to the back surface in the depth direction (z direction). In this example, the outermost periphery refers to the circumference of a magnetic moment that faces the same direction as the external magnetic field shown in FIG.
スキルミオン数Nskは、渦巻構造を有するナノスケール磁気構造体であるスキルミオン40を特徴づける。以下の[数1]及び[数2]は、スキルミオン数Nskを表現する。[数2]において、磁気モーメントとz軸との間の極角Θ(r)は、スキルミオン40の中心からの距離rの連続関数である。極角Θ(r)は、rを0から∞まで変化させたとき、πからゼロまで又はゼロからπまで変化する。 The skyrmion number Nsk characterizes the skyrmion 40, which is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure. The following [Equation 1] and [Equation 2] express the number of skirmions Nsk. In [Expression 2], the polar angle Θ (r) between the magnetic moment and the z-axis is a continuous function of the distance r from the center of the skyrmion 40. The polar angle Θ (r) changes from π to zero or from zero to π when r is changed from 0 to ∞.
[数2]において、mはボルテシテイ、γはヘリシテイである。[数1]及び[数2]から、Θ(r)がrをから∞まで変化させ、πからゼロまで変化するときNsk=−mとなる。 In [Expression 2], m is a voltility, and γ is a helicity. From [Equation 1] and [Equation 2], when Θ (r) changes r from ∞ to ∞ and changes from π to zero, Nsk = −m.
図2は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン40を示す模式図である。特に、スキルミオン数Nsk=−1の場合の一例を図2に示す。 FIG. 2 is a schematic diagram showing skyrmions 40 having different helicities γ. In particular, FIG. 2 shows an example in the case where the number of skirmions Nsk = −1.
図2(E)は、磁気モーメントnの座標のとりかた(右手系)を示す。なお、右手系であるので、nx軸及びny軸に対してnz軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。また、濃淡と磁気モーメントの向きとの関係を、図2(E)に示す。 FIG. 2E shows how to coordinate the magnetic moment n (right-handed system). Since a right-handed, n z axis relative to n x axis and n y axis, taken from the rear of the sheet in front of the orientation. Further, FIG. 2E shows the relationship between the shading and the direction of the magnetic moment.
図2(A)から図2(D)において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。図2(A)から図2(D)における各矢印は、スキルミオン40の中心から所定の距離だけ離れた磁気モーメントを示す。図2(A)から図2(D)に示す磁気構造体は、スキルミオン40を定義する状態にある。図2(A)から図2(D)の最外周のように、濃淡が最も淡い領域は、紙面の裏面から手前方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを白色で表す。図2(A)から図2(D)の中心のように、濃淡が最も濃い領域は、紙面の手前から裏面方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを黒色で表す。 2A to 2D, the shading indicates the direction of the magnetic moment. Each arrow in FIG. 2 (A) to FIG. 2 (D) indicates a magnetic moment that is separated from the center of the skyrmion 40 by a predetermined distance. The magnetic structure shown in FIG. 2A to FIG. 2D is in a state where the skyrmion 40 is defined. As shown in the outermost periphery of FIGS. 2A to 2D, the lightest shaded area indicates a magnetic moment in the forward direction from the back side of the paper. In the figure, the magnetic moment is shown in white. As shown in the center of FIG. 2A to FIG. 2D, the darkest region shows the magnetic moment in the direction from the front of the paper to the back. In the figure, the magnetic moment is represented in black.
図2(A)(γ=0)の各磁気モーメントに対して、図2(B)(γ=π)の各磁気モーメントの向きは、図2(A)の各磁気モーメントを180°回転した向きである。図2(A)(γ=0)の各磁気モーメントに対して、図2(C)(γ=−π/2)の各磁気モーメントの向きは、図2(A)の各磁気モーメントを−90度(右回りに90度)回転した向きである。 2A (γ = 0) with respect to the magnetic moments in FIG. 2B (γ = π), the magnetic moments in FIG. 2A are rotated by 180 °. The direction. 2A (γ = 0), the direction of each magnetic moment in FIG. 2C (γ = −π / 2) is the same as that in FIG. 2A. The direction is rotated 90 degrees (90 degrees clockwise).
図2(A)(γ=0)の各磁気モーメントに対して、図2(D)(γ=π/2)の各磁気モーメントの向きは、図2(A)の各磁気モーメントを90度(左回りに90度)回転した向きである。なお、図2(D)に示すヘリシテイγ=π/2のスキルミオン40が、図1のスキルミオン40に相当する。 The direction of each magnetic moment in FIG. 2D (γ = π / 2) is 90 degrees with respect to each magnetic moment in FIG. 2A (γ = 0). The direction is rotated 90 degrees counterclockwise. 2 is equivalent to the skillion 40 of FIG. 1. The skillion 40 of the helicity γ = π / 2 shown in FIG.
図2(A)〜(D)に図示した4例の磁気構造は異なるように見えるが、トポロジー的には同一の磁気構造体である。図2(A)〜(D)の構造を有するスキルミオン40は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体11中で情報伝達を担うキャリアとして働く。 The four examples shown in FIGS. 2A to 2D appear to be different in magnetic structure, but are topologically identical. The skyrmions 40 having the structures shown in FIGS. 2A to 2D exist stably once generated, and function as a carrier responsible for information transmission in the magnetic body 11 to which an external magnetic field is applied.
図3は、スキルミオン40の生成、消去及び検知を可能とする磁気素子10の模式図である。スキルミオンメモリ100は、磁性体11に発生したスキルミオン40を用いてビット情報を保存する。例えば、磁性体11におけるスキルミオン40の有無が、1ビットの情報に対応する。本例のスキルミオンメモリ100は、磁気素子10、磁場発生部20、測定部30及び電圧印加用電源50を備える。スキルミオンメモリ100は、磁性体11上に置かれた電場発生電極12と磁場発生部20との間に電場を発生させる。また、磁場発生部20ではなく磁性体11を他方の電極としてもよい。 FIG. 3 is a schematic diagram of the magnetic element 10 that enables generation, erasure, and detection of the skyrmion 40. The skillion memory 100 stores bit information using the skillion 40 generated in the magnetic body 11. For example, the presence / absence of the skillion 40 in the magnetic body 11 corresponds to 1-bit information. The skyrmion memory 100 of this example includes a magnetic element 10, a magnetic field generation unit 20, a measurement unit 30, and a voltage application power source 50. The skyrmion memory 100 generates an electric field between the electric field generating electrode 12 placed on the magnetic body 11 and the magnetic field generating unit 20. Further, the magnetic body 11 instead of the magnetic field generator 20 may be used as the other electrode.
磁気素子10は、スキルミオン40の生成及び消去が可能である。本例の磁気素子10は、厚さを500nm以下の薄層状に形成した素子である。例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy)やスパッター等の技術を用いて形成する。磁気素子10は、磁性体11、電場発生電極12及びスキルミオン検出素子15を有する。 The magnetic element 10 can generate and erase the skyrmion 40. The magnetic element 10 of this example is an element formed in a thin layer having a thickness of 500 nm or less. For example, it is formed using a technique such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or sputtering. The magnetic element 10 includes a magnetic body 11, an electric field generating electrode 12, and a skirmion detection element 15.
磁性体11は、印加する磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相及び強磁性相を発現させる。スキルミオン結晶相は、磁性体11にスキルミオン40が発生しうる材料を指す。例えば、磁性体11は、カイラル磁性体であり、FeGeやMnSi及びCoZnで形成する。また、磁性体11は磁性体と非磁性体の積層構造でもよい。 The magnetic body 11 develops at least a skyrmion crystal phase and a ferromagnetic phase according to an applied magnetic field. The skirmion crystal phase refers to a material that can generate skirmion 40 in the magnetic body 11. For example, the magnetic body 11 is a chiral magnetic body and is formed of FeGe, MnSi, and CoZn. The magnetic body 11 may have a laminated structure of a magnetic body and a non-magnetic body.
なお、磁性体11は、半導体プロセスで一般的に使用する絶縁性材料等により囲んでよい。また、磁性体11は、非磁性体で全方位を囲んでもよい。磁性体11は、隣接する磁気素子10の磁性体11と繋がっていてもよい。また、磁性体11と、隣接する磁気素子10の磁性体11との間に非磁性体層を設けてもよい。磁性体11は薄層状で形成してよい。磁性体11は、例えば、スキルミオン40の直径の10倍以下程度の厚みを有してよい。スキルミオン40の直径とは、スキルミオンの最外周の直径を指す。 The magnetic body 11 may be surrounded by an insulating material or the like generally used in a semiconductor process. Further, the magnetic body 11 may be non-magnetic and surround all directions. The magnetic body 11 may be connected to the magnetic body 11 of the adjacent magnetic element 10. A nonmagnetic layer may be provided between the magnetic body 11 and the magnetic body 11 of the adjacent magnetic element 10. The magnetic body 11 may be formed in a thin layer shape. The magnetic body 11 may have a thickness of about 10 times or less the diameter of the skillion 40, for example. The diameter of the skillion 40 refers to the outermost diameter of the skillion.
電場発生電極12は、磁性体11の一面において磁性体11の端部を含む領域を覆う。例えば、電場発生電極12が磁性体11の端部を覆うとは、少なくとも磁性体11の端部に電場が与えられることを指す。また、電場発生電極12は、絶縁性素材等を用いて磁性体11と電気的に隔離していてもよい。電場発生電極12は、図3に示したように、直角を含んだ四角形状に形成した電極であってよい。本例では、電場発生電極12に対応する他方の電極は、磁場発生部20である。この場合、電圧印加用電源50から電場発生電極12に電圧を印加し、磁場発生部20が基準電圧となる。これにより、スキルミオンメモリ100は、磁性体11に電場を発生させる。電場発生電極12の材料は、磁性体11に電場を発生させることができるものであれば、磁性体金属であっても非磁性体金属であってもよい。例えば、電場発生電極12は、Cu、W、Ti、Al、Pt、Au、TiN、AlSi等の非磁性金属材料により形成する。 The electric field generating electrode 12 covers a region including one end of the magnetic body 11 on one surface of the magnetic body 11. For example, the fact that the electric field generating electrode 12 covers the end of the magnetic body 11 means that an electric field is applied to at least the end of the magnetic body 11. The electric field generating electrode 12 may be electrically isolated from the magnetic body 11 using an insulating material or the like. As shown in FIG. 3, the electric field generating electrode 12 may be an electrode formed in a square shape including a right angle. In this example, the other electrode corresponding to the electric field generating electrode 12 is the magnetic field generating unit 20. In this case, a voltage is applied from the voltage application power source 50 to the electric field generating electrode 12, and the magnetic field generating unit 20 becomes the reference voltage. Thereby, the skyrmion memory 100 generates an electric field in the magnetic body 11. The material of the electric field generating electrode 12 may be a magnetic metal or a nonmagnetic metal as long as it can generate an electric field in the magnetic body 11. For example, the electric field generating electrode 12 is formed of a nonmagnetic metal material such as Cu, W, Ti, Al, Pt, Au, TiN, and AlSi.
なお、本明細書において、電場発生電極12に覆われた、磁性体11の端部を含む領域を端部領域Aと称する。本例の電場発生電極12は、xy平面において、磁性体11の端部を、非磁性体側から磁性体11側に少なくとも1回横切る端部領域Aを有する。即ち、電場発生電極12は、磁性体11の端部を含む領域を覆う。なお、端部領域Aにおける電界強度をEaとする。 In the present specification, a region including the end portion of the magnetic body 11 covered with the electric field generating electrode 12 is referred to as an end region A. The electric field generating electrode 12 of the present example has an end region A that crosses the end of the magnetic body 11 at least once from the non-magnetic body side to the magnetic body 11 side in the xy plane. That is, the electric field generating electrode 12 covers a region including the end of the magnetic body 11. The electric field intensity in the end region A is Ea.
スキルミオン検出素子15は、スキルミオン検知用磁気センサとして機能する。即ち、スキルミオン検出素子15は、スキルミオン40の生成及び消去を検出する。スキルミオン検出素子15は、第1検出電極153及び第2検出電極154を備える。 The skirmion detection element 15 functions as a magnetic sensor for detecting skirmion. That is, the skyrmion detection element 15 detects the generation and deletion of the skyrmion 40. The skyrmion detection element 15 includes a first detection electrode 153 and a second detection electrode 154.
第1検出電極153は、磁性体11の一端において、磁性体11と同一層で接する。磁性体11の一端は、磁性体11の端部であれば上下左右いずれの端部であってもよい。第1検出電極153は、磁性体11の一端の少なくとも一部に接していればよい。 The first detection electrode 153 is in contact with the magnetic body 11 at the same layer at one end of the magnetic body 11. One end of the magnetic body 11 may be either the top, bottom, left or right end as long as it is an end of the magnetic body 11. The first detection electrode 153 may be in contact with at least a part of one end of the magnetic body 11.
第1検出電極153及び第2検出電極154に、測定部30を接続する。測定部30は、第1検出電極153と第2検出電極154との間の磁性体11の抵抗値を測定する。第1検出電極153と第2検出電極154との間の抵抗値は、磁性体11の抵抗値に対応し、スキルミオン40の生成及び消去に応じて変化する。例えば、スキルミオン40が存在しない場合、磁性体11は強磁性体であるから、その磁気モーメントは+z方向に揃っている。この場合、第1検出電極153及び第2検出電極間154に流れる電子スピンの偏極は磁性体11と同じ+z方向である。一方、スキルミオン40が存在する場合、磁性体11はスキルミオンのらせん状の磁気モーメントが存在し、その磁気モーメントはz方向以外の多くの向きの磁気モーメントが存在することとなる。このため、第一電極153及び第2検出電極間154に流れる電子スピンに働くスピン散乱の効果はスキルミオン40が存在しないときと比べて大きい。その結果、第一電極153及び第2検出電極間154に流れる抵抗値はスキルミオン40の有無に応じて変化する。即ち、磁性体11の抵抗値は、スキルミオン40が存在する場合の方が、スキルミオン40が存在しない場合よりも高くなる。測定部30は、磁性体11の抵抗値の変化を測定することにより、スキルミオン40の生成及び消去を検出できる。この場合、磁性体11の両端に電極を設ければよく電極面積を減らせるので集積度を向上できる。 The measurement unit 30 is connected to the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154. The measurement unit 30 measures the resistance value of the magnetic body 11 between the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154. The resistance value between the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154 corresponds to the resistance value of the magnetic body 11 and changes according to the generation and erasure of the skyrmion 40. For example, when the skyrmion 40 does not exist, since the magnetic body 11 is a ferromagnetic body, its magnetic moment is aligned in the + z direction. In this case, the polarization of the electron spin flowing between the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154 is in the same + z direction as that of the magnetic body 11. On the other hand, when the skyrmion 40 is present, the magnetic body 11 has a spiral magnetic moment of the skyrmion, and the magnetic moment has magnetic moments in many directions other than the z direction. For this reason, the effect of spin scattering acting on the electron spin flowing between the first electrode 153 and the second detection electrode 154 is greater than when the skyrmion 40 is not present. As a result, the resistance value flowing between the first electrode 153 and the second detection electrode 154 changes according to the presence or absence of the skyrmion 40. That is, the resistance value of the magnetic body 11 is higher in the case where the skyrmion 40 is present than in the case where the skyrmion 40 is not present. The measuring unit 30 can detect the generation and erasure of the skyrmion 40 by measuring the change in the resistance value of the magnetic body 11. In this case, the electrode area may be reduced by providing electrodes at both ends of the magnetic body 11, so that the degree of integration can be improved.
磁場発生部20は、磁場Hを発生し、磁性体11の裏面から表面の方向に、磁性体11と垂直に印加する。磁性体11の裏面とは、磁性体11の磁場発生部20側の面を指す。なお、本実施形態においては磁場発生部20を1つのみ用いる。しかしながら、磁場発生部20が、磁性体11に対して垂直に磁場を印加できるものであれば、複数の磁場発生部20を用いてよい。磁場発生部20の数や配置は、これに限定しない。 The magnetic field generator 20 generates a magnetic field H and applies it in the direction from the back surface to the front surface of the magnetic body 11 perpendicular to the magnetic body 11. The back surface of the magnetic body 11 refers to the surface of the magnetic body 11 on the magnetic field generation unit 20 side. In the present embodiment, only one magnetic field generator 20 is used. However, as long as the magnetic field generator 20 can apply a magnetic field perpendicular to the magnetic body 11, a plurality of magnetic field generators 20 may be used. The number and arrangement of the magnetic field generators 20 are not limited to this.
測定部30は、測定用電流源31及び電圧計32を備える。測定用電流源31は、磁性体11とスキルミオン検出素子15との間に設ける。電圧計32は、測定用電流源31から電流を流したときの電圧を計測する。測定部30は、感度の高いスキルミオン検出素子15を用いることにより、少ない電力でスキルミオン40の有無を検出できる。 The measurement unit 30 includes a measurement current source 31 and a voltmeter 32. The measurement current source 31 is provided between the magnetic body 11 and the skyrmion detection element 15. The voltmeter 32 measures a voltage when a current is supplied from the measurement current source 31. The measurement unit 30 can detect the presence or absence of the skirmion 40 with a small amount of power by using the highly sensitive skirmion detection element 15.
電圧印加用電源50は、電場発生電極12と磁場発生部20との間に接続する。スキルミオン40を生成する場合、電圧印加用電源50は、端部領域Aにおいて、磁性体11の裏面から表面に向けて電場を発生させる。一方、スキルミオン40を消去する場合、電圧印加用電源50は、スキルミオン40を生成する場合と逆向きに電圧を印加してよい。なお、電場発生電極12を複数設ける場合、電圧印加用電源50は、電場発生電極12の数に応じて複数設けてよい。 The voltage application power source 50 is connected between the electric field generating electrode 12 and the magnetic field generating unit 20. When generating the skyrmion 40, the voltage application power supply 50 generates an electric field in the end region A from the back surface to the front surface of the magnetic body 11. On the other hand, when erasing the skyrmion 40, the voltage application power supply 50 may apply a voltage in the opposite direction to that when the skyrmion 40 is generated. When a plurality of electric field generating electrodes 12 are provided, a plurality of voltage application power sources 50 may be provided according to the number of electric field generating electrodes 12.
以上の通り、スキルミオンメモリ100は、磁性体11に電場を発生させることにより、スキルミオン40を生成及び消去する。磁性体11に発生した電場は、磁性体11のスピン軌道相互作用に強く働きかけて、ジャロシンスキー・守谷相互作用を強く変調させる。ジャロシンスキー・守谷相互作用が大きくなると、磁性体11の端部における磁気モーメントを強く捩じる力が発生する。磁性体11が非磁性体と接している場合、磁性体11の端部における磁気モーメントは、z軸方向から捩じれた方向に安定である。これにより、磁性体11の端部における磁気モーメントを起点として、スキルミオン40が生成する。したがって、ジャロシンスキー・守谷相互作用を大きくするように磁性体11に電場を発生させれば、磁性体11の端部からスキルミオン40を生成できる。このように、磁性体11の積層数に応じて、電場の大きさを調整してよい。次に、実施例を用いて、カイラル磁性体中でのスキルミオン40の生成及び消去を詳細に説明する。 As described above, the skyrmion memory 100 generates and erases the skyrmion 40 by generating an electric field in the magnetic body 11. The electric field generated in the magnetic body 11 strongly acts on the spin-orbit interaction of the magnetic body 11 and strongly modulates the Jaroshinsky-Moriya interaction. When the Jaroshinsky-Moriya interaction increases, a force that strongly twists the magnetic moment at the end of the magnetic body 11 is generated. When the magnetic body 11 is in contact with the non-magnetic body, the magnetic moment at the end of the magnetic body 11 is stable in the direction twisted from the z-axis direction. As a result, the skyrmion 40 is generated starting from the magnetic moment at the end of the magnetic body 11. Therefore, if an electric field is generated in the magnetic body 11 so as to increase the Jaroshinsky-Moriya interaction, the skyrmion 40 can be generated from the end of the magnetic body 11. Thus, the magnitude of the electric field may be adjusted according to the number of stacked magnetic bodies 11. Next, generation and erasure of skyrmions 40 in the chiral magnetic material will be described in detail using examples.
[実施例1]
実施例1において、スキルミオン40を生成する場合のシミュレーション実験結果を示す。下記の[数3]及び[数4]は、スキルミオン40の運動を記述する。
[Example 1]
In Example 1, the simulation experiment result in the case of generating the skyrmion 40 is shown. [Equation 3] and [Equation 4] below describe the motion of the skillion 40.
ここで、Br eff=−(1/(hΓ))(∂H/∂Mr)により、[数3]と[数4]とを関連付ける。Jは材料固有の定数で交換相互作用エネルギーである。Γ=gμB/h(>0)は磁気回転比である。hはプランク定数である。Mrは大きさMの磁気モーメントを示し、Mr=M・n(r)である。n(r)は[数2]で示した。上記[数3]及び[数4]中、×は外積を示す。 Here, [Equation 3] and [Equation 4] are associated with each other by B r eff = − (1 / (hΓ)) (∂H / M r ). J is a constant specific to the material and is an exchange interaction energy. Γ = gμ B / h (> 0) is the gyromagnetic ratio. h is a Planck's constant. M r indicates a magnetic moment of magnitude M, and M r = M · n (r). n (r) is represented by [Equation 2]. In the above [Equation 3] and [Equation 4], x indicates an outer product.
[数4]で示したハミルトニアンHは、磁性体11がカイラル磁性体の場合のハミルトニアンを示す。磁性体11がダイポール磁性体、フラストレート磁性体及び磁性材料と非磁性材料との積層構造からなる磁性体のいずれかである場合、各磁性体に対応するハミルトニアンHに置換すればよい。ここで、ダイポール磁性体とは、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。また、フラストレート磁性体とは、磁気不整合状態を好む磁気的相互作用の空間構造を含む磁性体である。磁性材料と非磁性材料との積層構造を有する磁性体は、磁性材料の非磁性材料に接する磁気モーメントを非磁性材料のスピン軌道相互作用により変調した磁性体である。 The Hamiltonian H shown in [Equation 4] indicates a Hamiltonian when the magnetic body 11 is a chiral magnetic body. When the magnetic body 11 is any one of a dipole magnetic body, a frustrated magnetic body, and a magnetic body having a laminated structure of a magnetic material and a nonmagnetic material, the magnetic body 11 may be replaced with a Hamiltonian H corresponding to each magnetic body. Here, the dipole magnetic body is a magnetic body in which magnetic dipole interaction is important. The frustrated magnetic body is a magnetic body including a spatial structure of magnetic interaction that favors a magnetic mismatch state. A magnetic body having a laminated structure of a magnetic material and a nonmagnetic material is a magnetic body in which the magnetic moment of the magnetic material in contact with the nonmagnetic material is modulated by the spin-orbit interaction of the nonmagnetic material.
図4は、カイラル磁性体における磁性相の磁場依存性を模式的に示す。カイラル磁性体は、磁場ゼロの基底状態ではらせん磁性相を有する。ここで、磁場強度Hskより大きい磁場をカイラル磁性体に印加した場合、スキルミオン結晶相(SkX)が安定となる。また、さらに強い磁場強度Hf以上の磁場強度をカイラル磁性体に印加した場合、強磁性相が安定となる。 FIG. 4 schematically shows the magnetic field dependence of the magnetic phase in the chiral magnetic material. Chiral magnetic materials have a helical magnetic phase in the ground state with no magnetic field. Here, when a magnetic field greater than the magnetic field strength Hsk is applied to the chiral magnetic material, the skyrmion crystal phase (SkX) becomes stable. Further, when a magnetic field strength higher than the stronger magnetic field strength Hf is applied to the chiral magnetic body, the ferromagnetic phase becomes stable.
次に、カイラル磁性体の磁気交換相互作用の大きさJで規格した値を用いて各種の物理量を記述する。例えば、磁場強度Hskは0.0075Jで、磁場強度Hfは0.0252Jとなる。 Next, various physical quantities are described using values normalized by the magnitude J of the magnetic exchange interaction of the chiral magnetic material. For example, the magnetic field strength Hsk is 0.0075J, and the magnetic field strength Hf is 0.0252J.
なお、スキルミオン40の直径λは、JとD0を用いて以下の[数5]のように表すことができる。
本実施例で用いるカイラル磁性体はD0=0.18J、磁気モーメントM=1、ギルバート緩和係数α=0.04である。本例ではD0=0.18Jであるから、λ=50aとなる。磁性体11の格子定数a=0.5nmの場合、λ=25nmである。 The chiral magnetic material used in this example has D 0 = 0.18 J, magnetic moment M = 1, and Gilbert relaxation coefficient α = 0.04. In this example, since D 0 = 0.18 J, λ = 50a. When the lattice constant a of the magnetic body 11 is 0.5 nm, λ = 25 nm.
図5は、シミュレーション実験での端部領域AにおけるDaの時間変化を示す。端部領域Aの外ではジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさは常にD0で変化しない。図5において、電場発生電極12は、磁性体11に生成パルス及び消去パルスを印加する。スキルミオン40は、磁性体11に対する生成パルスの印加により生成し、磁性体11に対する消去パルスの印加により消滅する。ここで、端部領域Aの電場強度Eaに対するジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさDaの線形応答を次式で示す。
シミュレーション実験は、磁場H0がHfより大きい磁場強度により強磁性相になっている状態から開始する。具体的には、磁場発生部20から発生する磁場を下から上の向きに磁場強度H0=0.03Jの大きさで印加する。この場合、カイラル磁性体はスキルミオン40が存在しない強磁性体相を有する。このように、磁場発生部20は、磁性体11に対して磁場強度H0=0.03Jを常に印加している。 The simulation experiment starts from a state in which the magnetic field H 0 is in a ferromagnetic phase due to a magnetic field strength greater than Hf. Specifically, the magnetic field generated from the magnetic field generation unit 20 is applied from the bottom to the top with a magnetic field strength H 0 = 0.03 J. In this case, the chiral magnetic body has a ferromagnetic phase in which the skyrmion 40 does not exist. Thus, the magnetic field generator 20 always applies the magnetic field strength H 0 = 0.03 J to the magnetic body 11.
次に、時間t=0(1/J)において、電圧印加用電源50から電場発生電極12に電圧を印加し始める。このとき、端部領域Aの電場Eaにより磁性体中のDaは変調する。 Next, at time t = 0 (1 / J), the voltage application power source 50 starts to apply a voltage to the electric field generating electrode 12. In this case, D a in the magnetic material by the electric field Ea in the end region A is modulated.
時間t=1000(1/J)において、電場発生電極12は、端部領域AにおけるDaが0.18Jから0.28Jの大きさになるように磁性体11に電場を印加する。その後、時間t=2000(1/J)まで、D1=0.28Jになるように一定の電圧強度を保持する。例えば、D1=0.28Jは、磁性体11にスキルミオン40を生成できる大きさである。但し、D1=0.28Jは、スキルミオン40を生成できる唯一の値ではなく、D1=0.28J以上であってもスキルミオン40を生成できる。 At time t = 1000 (1 / J) , the electric field generating electrode 12, D a at the end region A apply an electric field to the magnetic body 11 so that the size of 0.28J from 0.18J. Thereafter, until a time t = 2000 (1 / J), a constant voltage intensity is maintained so that D 1 = 0.28J. For example, D 1 = 0.28J is a size that can generate the skyrmion 40 on the magnetic body 11. However, D 1 = 0.28J is not the only value that can generate the skillion 40, and the skillion 40 can be generated even if D 1 = 0.28J or more.
時間t=2000(1/J)において、電圧印加用電源50は、電場発生電極12に印加する電圧を徐々に低下し始める。時間t=3000(1/J)で電圧の印加を停止すると、初期状態に戻り、D0=0.18Jとなる。 At time t = 2000 (1 / J), the voltage application power supply 50 starts to gradually decrease the voltage applied to the electric field generating electrode 12. When the application of voltage is stopped at time t = 3000 (1 / J), the initial state is restored and D 0 = 0.18 J.
時間t=6080(1/J)において、電場発生電極12は、端部領域AにおけるD2が0.08Jの大きさになるように磁性体11に電場を与える。例えば、D2=0.08Jは、磁性体11のスキルミオン40を消去できる大きさである。但し、D2=0.08Jは、スキルミオン40を消去できる唯一の値ではなく、D2=0.08J以下であってもスキルミオン40を消去できる。 At time t = 6080 (1 / J) , the electric field generating electrode 12 provides an electric field to the magnetic body 11 so that D 2 is the magnitude of 0.08J at the end region A. For example, D 2 = 0.08J is a size that can erase the skillion 40 of the magnetic body 11. However, D 2 = 0.08J is not the only value that can erase the skillmion 40, and the skillmion 40 can be erased even if D 2 = 0.08J or less.
以上の通り、磁性体11の材料に固有のジャロシンスキー・守谷相互作用D0に応じて、D1及びD2を変化させることにより、スキルミオン40を生成し、又は、消去できる。D1及びD2をどのような値にするかは磁性体11の材料に応じて適宜変更してよい。また、磁性体11の積層の有無に応じて変更してもよい。 As described above, the skyrmion 40 can be generated or deleted by changing D 1 and D 2 in accordance with the Jaroshinsky-Moriya interaction D 0 inherent to the material of the magnetic body 11. The values of D 1 and D 2 may be appropriately changed according to the material of the magnetic body 11. Moreover, you may change according to the presence or absence of lamination | stacking of the magnetic body 11. FIG.
図5から図14は、スキルミオン40を生成する場合のスキルミオン生成の電圧印加の時間依存性を示すミュレーション結果である。本例では、磁性体11の幅Wm及び高さhmは、Wm=hm=50a=λの正方形とした。端部領域Aの幅Wは、W=20a=λ・2/5とし、高さhは、h=30a=λ・3/5とした。図6は電場発生電極12に電場を印加していない時間t=0(1/J)におけるシミュレーション結果を示す。 FIG. 5 to FIG. 14 are simulation results showing the time dependency of the voltage application of the skillmion generation when the skillmion 40 is generated. In this example, the width Wm and the height hm of the magnetic body 11 are squares with Wm = hm = 50a = λ. The width W of the end region A is W = 20a = λ · 2/5, and the height h is h = 30a = λ · 3/5. FIG. 6 shows a simulation result at time t = 0 (1 / J) when no electric field is applied to the electric field generating electrode 12.
図7は、時間t=660(1/J)におけるシミュレーション結果を示す。時間t=660(1/J)では、スキルミオン40を磁性体11の端部から生成しようとしている。磁性体11の端部の磁気モーメントは、磁性体11に垂直な方向に対して傾きを有する。よって、磁性体11の端部は、スキルミオン40の生成の起点となる。 FIG. 7 shows the simulation result at time t = 660 (1 / J). At time t = 660 (1 / J), the skyrmion 40 is to be generated from the end of the magnetic body 11. The magnetic moment at the end of the magnetic body 11 has an inclination with respect to the direction perpendicular to the magnetic body 11. Therefore, the end of the magnetic body 11 is a starting point for generating the skyrmion 40.
図8は、時間t=1100(1/J)におけるシミュレーション結果を示す。時間t=1100(1/J)では、磁性体11の端部と電場発生電極12との交差部位付近からスキルミオン40が生成する。本例では、スキルミオン40は電場発生電極12の下部位から生成する。これは、スキルミオン40は、生成方向(右側から左側)に対して下方向にマグナス力を受けることによる。この結果、電場発生電極12の下端部側からスキルミオン40が生成する。 FIG. 8 shows the simulation result at time t = 1100 (1 / J). At time t = 1100 (1 / J), skyrmion 40 is generated from the vicinity of the intersection of the end of magnetic body 11 and electric field generating electrode 12. In this example, the skyrmion 40 is generated from the lower part of the electric field generating electrode 12. This is because the skyrmion 40 receives the Magnus force downward with respect to the generation direction (from the right side to the left side). As a result, skyrmions 40 are generated from the lower end side of the electric field generating electrode 12.
図9は、時間t=1380(1/J)におけるシミュレーション結果を示す。時間t=1380(1/J)では、スキルミオン40が磁性体11の中心部へ流れるように動く。 FIG. 9 shows the simulation result at time t = 1380 (1 / J). At time t = 1380 (1 / J), the skyrmion 40 moves so as to flow to the center of the magnetic body 11.
図10は、時間t=3380(1/J)におけるシミュレーション結果を示す。時間t=3380(1/J)では、スキルミオン40が磁性体11の中心部において、安定化しようとする。本例において、スキルミオン40が安定化しようとする場合の形状は楕円である。楕円とは、略楕円の形状であってよく、スキルミオン40が安定化するまでの過渡的な形状の一例である。 FIG. 10 shows the simulation result at time t = 3380 (1 / J). At time t = 3380 (1 / J), skyrmion 40 tries to stabilize at the center of magnetic body 11. In this example, the shape when the skyrmion 40 is to be stabilized is an ellipse. The ellipse may be an approximately ellipse shape and is an example of a transitional shape until the skyrmion 40 is stabilized.
図11は、時間t=4740(1/J)におけるシミュレーション結果を示す。時間t=4740(1/J)において、スキルミオン40が磁性体11の中心部において、安定化している。 FIG. 11 shows the simulation result at time t = 4740 (1 / J). At time t = 4740 (1 / J), the skyrmion 40 is stabilized in the central portion of the magnetic body 11.
実施例1のシミュレーション実験から以下のことが判明した。
(項目1)電場発生電極12が磁性体11の端部を覆う場合に単一のスキルミオン40を生成できる。
(項目2)局所電場の印加時間幅(パルス幅)Tが1000(1/J)以上あればスキルミオン40を形成できる。それより長い時間でも単一のスキルミオン40の生成した状態を維持でき、複数個のスキルミオン40が生成することはない。
次に単一のスキルミオン40を生成するために必要な端部領域Aの最適サイズを検討する。例えば、電場を印加する代わりに磁場を印加してもスキルミオン40を生成できる。この時、磁場発生部20からの磁場を弱くする方向に磁場を印加すればよい。磁場を印加する場合に最適な磁場領域の範囲は、電場を印加する場合に最適な端部領域Aと同じになる。これにより、
(項目3)端部領域Aの左右の幅Wは下記の範囲が最適である。
λ≧W>λ/4
(項目4)端部領域Aの高さhは下記の範囲が最適である。
2λ>h>λ/2
を追加してよい。以上、電場による単一のスキルミオン40を生成する場合の電極配置方法を示した。
From the simulation experiment of Example 1, the following was found.
(Item 1) When the electric field generating electrode 12 covers the end of the magnetic body 11, a single skyrmion 40 can be generated.
(Item 2) Skyrmion 40 can be formed if the application time width (pulse width) T of the local electric field is 1000 (1 / J) or more. The state where the single skill mion 40 is generated can be maintained for a longer time, and a plurality of skill mions 40 are not generated.
Next, the optimum size of the end region A necessary for generating a single skyrmion 40 is examined. For example, the skyrmion 40 can be generated by applying a magnetic field instead of applying an electric field. At this time, the magnetic field may be applied in the direction of weakening the magnetic field from the magnetic field generator 20. The range of the optimum magnetic field region when the magnetic field is applied is the same as the optimum end region A when the electric field is applied. This
(Item 3) The right and left width W of the end region A is optimal in the following range.
λ ≧ W> λ / 4
(Item 4) The following range is optimal for the height h of the end region A.
2λ>h> λ / 2
May be added. The electrode placement method in the case of generating a single skyrmion 40 using an electric field has been described above.
[実施例2]
実施例2において、スキルミオン40を消去する場合のシミュレーション結果を示す。スキルミオン40の消去は、基本的にスキルミオン40の生成の場合と同様の考え方で理解できる。例えば、スキルミオン40を消去する場合の運動は、[数3]及び[数4]に示した方程式で、スキルミオン40の生成の場合と同様に記述できる。本実施例の磁性体11は、実施例1と同じカイラル磁性体である。本例では、磁性体11の幅及び高さは、Wm=hm=50a=λの正方形とした。端部領域Aの幅Wは、W=20a=λ・2/5とし、高さhは、h=30a=λ・3/5とした。本実施形態では、図5の時間t=5000(1/J)以降を参照して、スキルミオン40を消去する場合の端部領域AのDaを示す。
[Example 2]
In Example 2, the simulation result in the case of deleting the skillion 40 is shown. The deletion of the skillion 40 can be basically understood in the same way as in the generation of the skillion 40. For example, the motion when erasing the skyrmion 40 can be described by the equations shown in [Equation 3] and [Equation 4] as in the case of the generation of the skyrmion 40. The magnetic body 11 of the present embodiment is the same chiral magnetic body as that of the first embodiment. In this example, the width and height of the magnetic body 11 is a square of Wm = hm = 50a = λ. The width W of the end region A is W = 20a = λ · 2/5, and the height h is h = 30a = λ · 3/5. In the present embodiment, the Da of the end region A in the case of erasing the skillion 40 is shown with reference to the time t = 5000 (1 / J) and thereafter in FIG.
図12から図14は、磁性体11に生成したスキルミオン40を消去するシミュレーション結果を示す。図12は、スキルミオン40を消去開始状態の時間t=5680(1/J)でのシミュレーション結果である。本例では、図11に示したスキルミオン40と比較して、スキルミオン40のサイズが小さくなっている。 12 to 14 show simulation results for erasing the skyrmion 40 generated in the magnetic body 11. FIG. 12 shows a simulation result at time t = 5680 (1 / J) when the skillion 40 is in the erase start state. In this example, the size of the skillion 40 is smaller than that of the skillion 40 shown in FIG.
図13は、時間t=5820(1/J)でのシミュレーション結果である。本例のスキルミオン40は、図23に示した状態から、さらに消滅しかかっている状態にある。 FIG. 13 shows the simulation result at time t = 5820 (1 / J). The skillion 40 in this example is in a state of disappearing further from the state shown in FIG.
図14は、時間t=6080(1/J)でのシミュレーション結果である。本例では、消去パルスが予め定められた時間与えられることにより、スキルミオン40が完全に消滅している。 FIG. 14 shows a simulation result at time t = 6080 (1 / J). In this example, the skyrmion 40 is completely extinguished by applying the erase pulse for a predetermined time.
時間t=5000(1/J)から時間t=8000までの消去パルスにより端部領域AのDaは、スキルミオン40を消去する。磁性体11に電場を与えることによるスキルミオン40の消滅は、磁性体11に磁場を印加することによるスキルミオン40の消滅と振る舞いが大きく異なる。 Da in the edge region A erases the skillion 40 by an erase pulse from time t = 5000 (1 / J) to time t = 8000. The disappearance of skirmions 40 by applying an electric field to magnetic body 11 is greatly different from the disappearance of skirmions 40 by applying a magnetic field to magnetic body 11.
例えば、磁場によってスキルミオン40を消去する場合、スキルミオン40は、消去パルスによって磁性体11の端部に引き寄せられる。そして、磁性体11の端部に引き寄せられたスキルミオン40は消滅する。つまり、磁場によってスキルミオン40を消去する場合、磁性体11の端部を設けるために、磁性体11の全方位を非磁性体で囲む必要がある。 For example, when the skyrmion 40 is erased by a magnetic field, the skyrmion 40 is attracted to the end of the magnetic body 11 by the erase pulse. And the skyrmion 40 drawn to the end of the magnetic body 11 disappears. That is, when the skyrmion 40 is erased by a magnetic field, it is necessary to surround the entire direction of the magnetic body 11 with a non-magnetic body in order to provide the end of the magnetic body 11.
一方、電場によってスキルミオン40を消去する場合、スキルミオン40は、消去パルスによって移動しない。消去時のスキルミオン40は、端部領域A内に留まり、消滅する。つまり、電場によってスキルミオン40を消去する場合、磁性体11の端部を意図的に設ける必要がないので、磁性体11の全方位を非磁性体で囲む必要がない。よって、磁性体11は、隣接する磁気素子10の磁性体11と繋がっていてもよい。この結果、電場での生成、消去法は磁性体11のサイズの大きさの限定を必要としない。 On the other hand, when the skyrmion 40 is erased by an electric field, the skyrmion 40 is not moved by the erase pulse. The eraser 40 at the time of erasure remains in the end region A and disappears. In other words, when the skyrmion 40 is erased by an electric field, it is not necessary to intentionally provide the end of the magnetic body 11, so that it is not necessary to surround all directions of the magnetic body 11 with a non-magnetic body. Therefore, the magnetic body 11 may be connected to the magnetic body 11 of the adjacent magnetic element 10. As a result, the generation and erasing methods using an electric field do not require the size of the magnetic body 11 to be limited.
以上の通り、スキルミオン40を消去する場合、磁性体11に印加する電圧の向きは、スキルミオン40を生成する場合と逆向きになる。
(項目5)局所電場の印加時間幅(パルス幅)Tは1000(1/J)以上あればスキルミオン40を消去できる。それより長い時間でも単一のスキルミオン40の消去状態を維持することができる。即ち、消去パルスを長時間与えることにより、スキルミオン40が再び生成することはない。
As described above, when the skyrmion 40 is erased, the direction of the voltage applied to the magnetic body 11 is opposite to that when the skyrmion 40 is generated.
(Item 5) Skyrmion 40 can be erased if the application time width (pulse width) T of the local electric field is 1000 (1 / J) or more. The erased state of the single skyrmion 40 can be maintained for a longer time. That is, when the erase pulse is applied for a long time, the skyrmion 40 is not generated again.
上述した実施例1、2において、電圧印加によるスキルミオン40の生成及び消滅のためのシミュレーション実験を示した。そして、スキルミオン40の生成及び消滅のための設計ルールを(項目1)から(項目5)の5項目で明らかにした。 In Examples 1 and 2 described above, simulation experiments for generating and annihilating skyrmions 40 by applying a voltage are shown. Then, the design rules for generating and annihilating the skyrmion 40 are clarified in (Item 1) to (Item 5).
スキルミオン40の生成及び消滅のための5項目の基準は、スキルミオンメモリ素子を設計するための基本ルールを定めたものであり、極めて重要である。この設計ルールは、磁性体11の磁性を特徴付ける磁気交換相互作用Jと、生成するスキルミオン40の直径λの二つの量で規格化した量として表現している。[数5]は、スキルミオン40の直径λとジャロシンスキー・守谷相互作用D0とを関係づける。したがって、この基本ルールは各種のカイラル磁性体に適用可能な設計ルールとして表現しており、適用範囲は広い。 The criteria for the five items for generating and annihilating the skyrmion 40 define basic rules for designing the skyrmion memory element and are extremely important. This design rule is expressed as a quantity normalized by two quantities of a magnetic exchange interaction J characterizing the magnetism of the magnetic body 11 and a diameter λ of the generated skyrmion 40. [Number 5], relating the diameter λ and Jalo Shin ski-Moriya interactions D 0 of skills Mion 40. Therefore, this basic rule is expressed as a design rule applicable to various chiral magnetic materials and has a wide range of application.
図15から図20に、電場発生電極12の形状例を示す。図15は、図3等に示した例と同一である。図16に示すように、電場発生電極12は、三角形の端部領域Aを囲んでよい。図17に示すように、電場発生電極12は、楕円、円又は長円の一部である端部領域Aを囲んでよい。図18に示すように、電場発生電極12は、平行四辺形の端部領域Aを囲んでよい。図19に示すように、電場発生電極12は、台形の端部領域Aを囲んでよい。図20に示すように、円、四角形、三角形その他の図形を組み合わせた形状の端部領域Aを囲んでよい。 15 to 20 show examples of the shape of the electric field generating electrode 12. FIG. 15 is the same as the example shown in FIG. As shown in FIG. 16, the electric field generating electrode 12 may surround a triangular end region A. As shown in FIG. 17, the electric field generating electrode 12 may surround an end region A that is a part of an ellipse, a circle, or an ellipse. As shown in FIG. 18, the electric field generating electrode 12 may surround the parallelogram end region A. As shown in FIG. 19, the electric field generating electrode 12 may surround a trapezoidal end region A. As shown in FIG. 20, an end region A having a shape formed by combining circles, squares, triangles, or other figures may be enclosed.
本実施形態における電場発生電極12の形状は、これらの形状に限定するものではなく、類似の他の電場発生電極12の形状を採用することができる。なお、ここに述べたカイラル磁性体での実施例での結論は定性的には磁性体積層構造でも変更をきたさない。 The shape of the electric field generating electrode 12 in the present embodiment is not limited to these shapes, and other similar shapes of the electric field generating electrode 12 can be adopted. It should be noted that the conclusion in the examples of the chiral magnetic material described here does not change qualitatively even in the magnetic layered structure.
スキルミオン40は、直径が1〜500nmとナノスケールのサイズを有する極微細構造であり、膨大なビット情報を極細密化できる大容量記憶磁気素子として応用することができる。スキルミオンメモリ100は電気的に書き込みと消去を行うことができる。書き込みと消去に要する時間は、ともに3000(1/J)である。この所要時間は磁性材料特有のJの大きさで決まる。カイラル磁性体の場合数ミリeVである。この場合3000(1/J)は1ナノ秒程度に相当する。1ナノ秒程度の極短パルスで書き込み、消去ができ、なお且、不揮発メモリであることは驚愕すべき特徴である。この交換相互作用エネルギーJが大きくなればスキルミオンの生成、消去時間はさらに高速化できる。 The skyrmion 40 has an ultrafine structure with a diameter of 1 to 500 nm and a nanoscale size, and can be applied as a large-capacity storage magnetic element capable of extremely densifying enormous bit information. The skyrmion memory 100 can be electrically written and erased. The time required for writing and erasing is 3000 (1 / J). This required time is determined by the size of J specific to the magnetic material. In the case of a chiral magnetic material, it is several millieV. In this case, 3000 (1 / J) corresponds to about 1 nanosecond. It is a surprising feature that data can be written and erased with an ultrashort pulse of about 1 nanosecond, and is a non-volatile memory. If this exchange interaction energy J increases, the generation and erasure times of skyrmions can be further increased.
スキルミオンメモリ100は、電気による書き込み、消去を採用しているフラッシュメモリに対しても多くの優位な点を有する。フラッシュメモリの生成時間は数msecであり、消去時間は20μsecと長い。これに対してスキルミオンメモリ100は、生成時間及び消去時間が1nsecで、フラッシュメモリに対して6桁から3桁以上も高速である。その速さは10nsec程度の電荷の生成時間及び消去時間が必要なDRAMメモリをも凌駕し、SRAM並の速さを実現する。スキルミオンメモリ100は不揮発性メモリであることから、まさに究極のメモリとしての性能を有することとなる。 The skyrmion memory 100 has many advantages over a flash memory that employs electric writing and erasing. The generation time of the flash memory is several milliseconds, and the erase time is as long as 20 μsec. On the other hand, the skyrmion memory 100 has a generation time and an erasure time of 1 nsec, and is 6 to 3 digits faster than the flash memory. The speed surpasses that of a DRAM memory that requires a charge generation time and an erasure time of about 10 nsec, and realizes a speed comparable to that of an SRAM. Since the skyrmion memory 100 is a non-volatile memory, it has a performance as an ultimate memory.
スキルミオンメモリ100は書き込み、消去を何度でも行うことが可能である。すなわち、書き込み、消去の回数の制限はなく、エンデユランス(耐久性)は無限大である。また、スキルミオン40を、磁性体11の表面だけではなく裏面まで同じ渦構造をもつ磁気モーメントとして生成する。これによりスキルミオン40は、簡単には壊れない(消去しない)構造として安定に、尚且つ位置を移動することなく静止して存在することができる。スキルミオン40は、人間生活での弱磁場環境では簡単に移動、及び消去しない。このようにスキルミオン40は安定して存在するため、スキルミオンメモリ100はデータリテンション(保持)性能を大幅に向上することができる。 The skyrmion memory 100 can be written and erased any number of times. That is, there is no limit on the number of times of writing and erasing, and endurance (endurance) is infinite. Further, the skyrmion 40 is generated as a magnetic moment having the same vortex structure not only on the surface of the magnetic body 11 but also on the back surface. As a result, the skyrmion 40 can exist stably as a structure that is not easily broken (not erased) and still without moving its position. The skillion 40 does not move or erase easily in a weak magnetic field environment in human life. As described above, since the skyrmion 40 exists stably, the skyrmion memory 100 can greatly improve the data retention (holding) performance.
図21は、スキルミオンメモリ100の実施形態の一例を示す。本例のスキルミオンメモリ100は、スキルミオン検出素子15を除き、図3の実施形態に係るスキルミオンメモリ100と同様の構成を有する。本例のスキルミオン検出素子15は、第3検出電極155及び第4検出電極156をさらに備える。第3検出電極155及び第4検出電極156は、非磁性金属材料で形成する。 FIG. 21 shows an example of an embodiment of the skyrmion memory 100. The skirmion memory 100 of this example has the same configuration as the skirmion memory 100 according to the embodiment of FIG. The skyrmion detection element 15 of this example further includes a third detection electrode 155 and a fourth detection electrode 156. The third detection electrode 155 and the fourth detection electrode 156 are formed of a nonmagnetic metal material.
第3検出電極155は、第1検出電極153と第2検出電極154とがなす配列に対して垂直の配置で、磁性体11の端部に接する第3非磁性金属からなる。第3検出電極155は、磁性体11の一端において、磁性体11と同一層で接する。第3検出電極155は、磁性体11の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、第1検出電極153及び第2検出電極154を磁性体11の左右に配置した場合に、磁性体11の下側に第3検出電極155を配置する。 The third detection electrode 155 is made of a third nonmagnetic metal that is in contact with the end portion of the magnetic body 11 in an arrangement perpendicular to the arrangement formed by the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154. The third detection electrode 155 is in contact with the magnetic body 11 in the same layer at one end of the magnetic body 11. The third detection electrode 155 only needs to be in contact with at least a part of one end of the magnetic body 11. For example, when the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154 are disposed on the left and right of the magnetic body 11, the third detection electrode 155 is disposed on the lower side of the magnetic body 11.
第4検出電極156は、第3検出電極155とは離間して対向する磁性体11の端部に接する第4非磁性金属からなる。第4検出電極156は、磁性体11の一端において、磁性体11と同一層で接する。第4検出電極156は、磁性体11の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、第1検出電極153及び第2検出電極154を磁性体11の左右に配置した場合に、磁性体11の上側に第4検出電極156を配置する。 The fourth detection electrode 156 is made of a fourth nonmagnetic metal that is in contact with the end portion of the magnetic body 11 that faces the third detection electrode 155 at a distance. The fourth detection electrode 156 is in contact with the magnetic body 11 in the same layer at one end of the magnetic body 11. The fourth detection electrode 156 may be in contact with at least a part of one end of the magnetic body 11. For example, when the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154 are arranged on the left and right of the magnetic body 11, the fourth detection electrode 156 is arranged on the upper side of the magnetic body 11.
以上の通り、第3検出電極155及び第4検出電極156を、第1検出電極153及び第2検出電極154により磁性体11に流れる電流に対して垂直な方向の電圧値を計測するように配置する。第3検出電極155及び第4検出電極156を、第1検出電極153及び第2検出電極154と同様の工程で形成すれば、製造コストを低減できる。 As described above, the third detection electrode 155 and the fourth detection electrode 156 are arranged so as to measure the voltage value in the direction perpendicular to the current flowing through the magnetic body 11 by the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154. To do. If the third detection electrode 155 and the fourth detection electrode 156 are formed in the same process as the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154, the manufacturing cost can be reduced.
測定部30は、第3検出電極155及び第4検出電極156に接続した電圧計32を備える。スキルミオン40が存在する場合、第1検出電極153と第2検出電極154との間に電流を流すと、電流の流れと垂直方向にホール電圧が発生する。スキルミオンの生成によるホール電圧はトポロジカルホール電圧と呼ばれる(非特許文献1)。本例のスキルミオン検出素子15は、スキルミオン40の存在によるトポロジカルホール電圧素子(THV素子)である。測定部30は、「1」、「0」信号の読み取りをスキルミオン40の有無をホール電圧の差分として検出する。比較電圧はゼロであるので、読み取る電圧を増幅しスキルミオン40を検知することは容易である。感度が高い検知器として動作する。 The measurement unit 30 includes a voltmeter 32 connected to the third detection electrode 155 and the fourth detection electrode 156. When the skyrmion 40 is present, if a current is passed between the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154, a Hall voltage is generated in a direction perpendicular to the current flow. The Hall voltage due to the generation of skyrmions is called a topological Hall voltage (Non-Patent Document 1). The skyrmion detection element 15 of this example is a topological Hall voltage element (THV element) due to the presence of the skyrmion 40. The measuring unit 30 detects the presence or absence of the skyrmion 40 as a difference in Hall voltage when reading the “1” and “0” signals. Since the comparison voltage is zero, it is easy to amplify the read voltage and detect the skyrmion 40. Operates as a highly sensitive detector.
図22は、スキルミオンメモリ100の実施形態の一例を示す。本例のスキルミオンメモリ100は、基本的に、図3の実施形態に係るスキルミオンメモリ100と同様の構成を有する。但し、本例の電場発生電極12は、磁性体11と電気的に接続される点で図3に係る実施形態と異なる。このように、電場発生電極12の接続先は、磁性体11の端部領域Aに電場が印加される構成であれば本実施形態に限られない。 FIG. 22 shows an example of an embodiment of the skyrmion memory 100. The skirmion memory 100 of this example basically has the same configuration as the skirmion memory 100 according to the embodiment of FIG. However, the electric field generating electrode 12 of this example is different from the embodiment according to FIG. 3 in that it is electrically connected to the magnetic body 11. Thus, the connection destination of the electric field generating electrode 12 is not limited to the present embodiment as long as the electric field is applied to the end region A of the magnetic body 11.
図23は、スキルミオンメモリ100の実施形態の一例を示す。本例の電場発生電極12は磁性金属である。この場合、スキルミオン検出素子15は、トンネル磁気抵抗素子(TMR素子)である。 FIG. 23 shows an example of an embodiment of the skillion memory 100. The electric field generating electrode 12 of this example is a magnetic metal. In this case, the skyrmion detection element 15 is a tunnel magnetoresistive element (TMR element).
スキルミオン検出素子15は、スキルミオン40の有無に応じて、抵抗値が変化する。スキルミオン検出素子15は、磁性体11の一面において磁性体11の表面に接する非磁性体薄膜16と電場発生電極12とで形成したTMR積層構造を有する。本例のスキルミオン検出素子15は、感度が高いので、少ない電力でスキルミオン40の有無を検出できる。 The skill value of the skillion detection element 15 changes depending on the presence or absence of the skillion 40. The skyrmion detection element 15 has a TMR laminated structure formed by a nonmagnetic thin film 16 in contact with the surface of the magnetic body 11 and the electric field generating electrode 12 on one surface of the magnetic body 11. Since the skillmion detection element 15 of this example has high sensitivity, the presence or absence of the skillmion 40 can be detected with a small amount of power.
電場発生電極12は磁性体であるから、磁性体11からの上向きの磁場により上向きの磁気モーメントをもつ強磁性相となる。磁性体11と、電場発生電極12の磁性体11側と逆側の端部との間に、測定部30を接続する。これにより、スキルミオン検出素子15の抵抗値を検知できる。スキルミオン検出素子15は、磁性体11内にスキルミオン40が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン40が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子15の抵抗値は、非磁性体薄膜16の電子のトンネル電流の確率が磁性体11と強磁性相となった電場発生電極12との磁気モーメントの向きに依存することにより決まる。スキルミオン検出素子15の高抵抗(H)と低抵抗(L)は、スキルミオン40の有り無しに対応し、情報のメモリセル中に記憶する情報の「1」と「0」に対応する。 Since the electric field generating electrode 12 is a magnetic material, the upward magnetic field from the magnetic material 11 becomes a ferromagnetic phase having an upward magnetic moment. The measurement unit 30 is connected between the magnetic body 11 and the end of the electric field generating electrode 12 opposite to the magnetic body 11 side. Thereby, the resistance value of the skyrmion detection element 15 can be detected. In the skirmion detection element 15, the resistance value when the skillmion 40 does not exist in the magnetic body 11 indicates the minimum value, and when the skillmion 40 exists, the resistance value increases. The resistance value of the skyrmion detection element 15 is determined by the probability of the electron tunneling current of the nonmagnetic thin film 16 depending on the direction of the magnetic moment between the magnetic body 11 and the electric field generating electrode 12 in the ferromagnetic phase. The high resistance (H) and low resistance (L) of the skyrmion detection element 15 correspond to the presence or absence of the skyrmion 40 and correspond to information “1” and “0” stored in the information memory cell.
切替スイッチ33は、電場発生電極12を電圧印加用電源50に接続するか、測定部30に接続するかを切り替える。切替スイッチ33は、スキルミオン検出素子15と磁性体11との間に接続される。切替スイッチ33が電圧印加用電源50に接続された場合、電場発生電極12は、磁性体11におけるスキルミオン40の生成及び消去を行う。一方、切替スイッチ33が測定部30に接続された場合、電場発生電極12は非磁性体薄膜16との積層構造によりスキルミオン検出素子15として機能して、磁性体11中のスキルミオン40の有無を検出する。 The change-over switch 33 switches whether the electric field generating electrode 12 is connected to the voltage application power source 50 or the measurement unit 30. The changeover switch 33 is connected between the skyrmion detection element 15 and the magnetic body 11. When the changeover switch 33 is connected to the voltage application power source 50, the electric field generating electrode 12 generates and erases the skyrmion 40 in the magnetic body 11. On the other hand, when the changeover switch 33 is connected to the measuring unit 30, the electric field generating electrode 12 functions as a skillion detection element 15 by the laminated structure with the nonmagnetic thin film 16, and the presence or absence of the skillion 40 in the magnetic body 11. Is detected.
図24は、スキルミオンメモリ100の実施形態の一例を示す。本例の電場発生電極12は磁性金属である。この場合、スキルミオン検出素子15は、トンネル磁気抵抗素子(TMR素子)である。本例のスキルミオンメモリ100は、基本的に、図23の実施形態に係るスキルミオンメモリ100と同様の構成を有する。電場によりスキルミオン40を生成及び消去する場合、磁性体11の左右のサイズは限定されない。本例のスキルミオンメモリ100は、一体の磁性体11の左右に複数の電場発生電極12及び複数のスキルミオン検出素子15を配置できる。また、複数の磁場発生部20を磁性体11に対応して設けてもよい。これにより、電極間の間隙を小さくして、集積度を上げることができる。なお、測定部30及び電圧印加用電源50は、複数の電場発生電極12及び複数のスキルミオン検出素子15に対して共通であってもよいし、それぞれに対応して複数個設けてもよい。 FIG. 24 shows an example of an embodiment of the skyrmion memory 100. The electric field generating electrode 12 of this example is a magnetic metal. In this case, the skyrmion detection element 15 is a tunnel magnetoresistive element (TMR element). The skirmion memory 100 of this example basically has the same configuration as the skirmion memory 100 according to the embodiment of FIG. When the skyrmion 40 is generated and erased by an electric field, the left and right sizes of the magnetic body 11 are not limited. In the skillmion memory 100 of this example, a plurality of electric field generating electrodes 12 and a plurality of skillion detection elements 15 can be arranged on the left and right of the integral magnetic body 11. In addition, a plurality of magnetic field generation units 20 may be provided corresponding to the magnetic body 11. As a result, the gap between the electrodes can be reduced and the degree of integration can be increased. Note that the measurement unit 30 and the voltage application power source 50 may be common to the plurality of electric field generating electrodes 12 and the plurality of skyrmion detection elements 15, or a plurality thereof may be provided corresponding to each.
以上の通り、本例のスキルミオンメモリ100は、電場発生電極12をスキルミオン40の検出に利用するので、新たにスキルミオン検出素子15を設ける必要がない。また、本例のスキルミオン検出素子15は、TMR素子を構成するのでスキルミオン40の検出感度が高い。したがって、本実施形態に係るスキルミオンメモリ100は、感度が高く、且つ、構造が簡潔である。 As described above, the skyrmion memory 100 of the present example uses the electric field generating electrode 12 for the detection of the skyrmion 40, so that it is not necessary to newly provide the skyrmion detection element 15. Further, since the skyrmion detection element 15 of this example constitutes a TMR element, the detection sensitivity of the skyrmion 40 is high. Therefore, the skyrmion memory 100 according to this embodiment has high sensitivity and a simple structure.
図25は、スキルミオンメモリデバイス110の断面構造を示す。スキルミオンメモリデバイス110は、スキルミオンメモリ100を少なくとも一つ備えるデバイスである。スキルミオンメモリデバイス110は、強磁性体層である磁場発生部20及び磁場発生部20の上方に形成した磁気素子10を備える。また、スキルミオンメモリデバイス110は、磁気素子10と磁場発生部20との間に非磁性体層25を備える。 FIG. 25 shows a cross-sectional structure of the skyrmion memory device 110. The skyrmion memory device 110 is a device that includes at least one skyrmion memory 100. The skyrmion memory device 110 includes a magnetic field generation unit 20 that is a ferromagnetic layer and a magnetic element 10 formed above the magnetic field generation unit 20. Further, the skyrmion memory device 110 includes a nonmagnetic material layer 25 between the magnetic element 10 and the magnetic field generator 20.
本例の磁気素子10は、図22に示した磁気素子10に対応し、第1検出電極153、第2検出電極154を有する。又は図21に示した磁気素子10に対応し、第1検出電極153、第2検出電極154、第3検出電極155及び第4検出電極156を有する。測定部30の断面図は図示していない。磁気素子10は、磁性体層60、磁性体保護層65、第1配線層70及び第2配線層75の順に積層した積層構造を有する。 The magnetic element 10 of this example corresponds to the magnetic element 10 shown in FIG. 22 and includes a first detection electrode 153 and a second detection electrode 154. Alternatively, the first detection electrode 153, the second detection electrode 154, the third detection electrode 155, and the fourth detection electrode 156 correspond to the magnetic element 10 shown in FIG. A cross-sectional view of the measurement unit 30 is not shown. The magnetic element 10 has a stacked structure in which a magnetic layer 60, a magnetic protective layer 65, a first wiring layer 70, and a second wiring layer 75 are stacked in this order.
磁性体層60は、磁性体11、絶縁体61、第1検出電極153及び第2検出電極154を有する。磁性体11において、スキルミオン40を生成及び消去する。絶縁体61は、磁性体11、第1検出電極153及び第2検出電極154を囲む。第1検出電極153及び第2検出電極154を、非磁性体金属で形成してもよい。磁性体11、第1検出電極153及び第2検出電極154は、スキルミオン磁気媒体の基本構造である非磁性体金属(Nonmagnetic Metal)、磁性体(Magnetic Material)及び非磁性体金属(Nonmagnetic Metal)を連結した構造を有する。当該構造を、略してNMN構造と称する。磁性体層60は、同一層内に複数のNMN構造を備えてよい。 The magnetic layer 60 includes the magnetic body 11, the insulator 61, the first detection electrode 153, and the second detection electrode 154. In the magnetic body 11, the skyrmion 40 is generated and erased. The insulator 61 surrounds the magnetic body 11, the first detection electrode 153, and the second detection electrode 154. The first detection electrode 153 and the second detection electrode 154 may be formed of a nonmagnetic metal. The magnetic body 11, the first detection electrode 153, and the second detection electrode 154 include a nonmagnetic metal, a magnetic material, and a nonmagnetic metal, which are basic structures of a skyrmion magnetic medium. It has the structure which connected. This structure is abbreviated as an NMN structure. The magnetic layer 60 may have a plurality of NMN structures in the same layer.
磁性体保護層65は、磁性体保護膜66及び第1ビア67を有する。磁性体保護膜66は、磁性体層60を保護する。第1ビア67は、第1検出電極153及び第2検出電極154に、スキルミオン検出用の電流を供給する。 The magnetic protection layer 65 includes a magnetic protection film 66 and a first via 67. The magnetic protective film 66 protects the magnetic layer 60. The first via 67 supplies current for detecting skyrmion to the first detection electrode 153 and the second detection electrode 154.
第1配線層70は、第1配線71、第1配線保護膜72及び第2ビア73を有する。第1配線71は、磁場発生用及びスキルミオン検出用の電極を形成する。第1配線保護膜72は、第1配線71及び第2ビア73を形成するための層間絶縁膜として機能する。磁場生成用とスキルミオン検出用の2種類の電極を同一層内で、互いが交差せずに引き回すのは困難である。そのため、第1配線層70上に第2配線層75を形成してもよい。 The first wiring layer 70 includes a first wiring 71, a first wiring protective film 72, and a second via 73. The first wiring 71 forms electrodes for generating a magnetic field and detecting skyrmions. The first wiring protective film 72 functions as an interlayer insulating film for forming the first wiring 71 and the second via 73. It is difficult to route two types of electrodes for generating a magnetic field and detecting skyrmions without crossing each other in the same layer. Therefore, the second wiring layer 75 may be formed on the first wiring layer 70.
第2配線層75は、第2配線76及び第2配線保護膜77を有する。第2配線76を第2ビア73と接続する。第2配線保護膜77は、第2配線76を絶縁するための層間絶縁膜として機能する。例えば、第2ビア73は、磁場生成用とスキルミオン検出用の2種類の電極のうち少なくとも一方に接続する。 The second wiring layer 75 has a second wiring 76 and a second wiring protective film 77. The second wiring 76 is connected to the second via 73. The second wiring protective film 77 functions as an interlayer insulating film for insulating the second wiring 76. For example, the second via 73 is connected to at least one of two types of electrodes for magnetic field generation and skyrmion detection.
磁性体11中に、黒丸でスキルミオン40を図示した。第1配線71に接続した電場発生電極12により発生した電場により磁性体11中にスキルミオン40を生成できる。 The skyrmion 40 is illustrated in the magnetic body 11 with black circles. Skyrmions 40 can be generated in the magnetic body 11 by the electric field generated by the electric field generating electrode 12 connected to the first wiring 71.
図26は、スキルミオンメモリデバイス110の断面図を示す。スキルミオンメモリデバイス110は、スキルミオンメモリ100及びFET(Field Effect Transistor、電界効果トランジスタ)99を備える。FET99が存在しないシリコン基板上にスキルミオンメモリ100を形成する。 FIG. 26 shows a cross-sectional view of the skyrmion memory device 110. The skirmion memory device 110 includes a skirmion memory 100 and an FET (Field Effect Transistor) 99. The skyrmion memory 100 is formed on a silicon substrate where the FET 99 does not exist.
FET99は、一般的なシリコンプロセスにより形成する一般的なFETである。本例のFET99は、2層のCu配線層を有する。また、FET99は、P型基板上に形成されたPMOS−FET91及びNMOS−FET92を有してよい。 The FET 99 is a general FET formed by a general silicon process. The FET 99 of this example has two Cu wiring layers. The FET 99 may include a PMOS-FET 91 and an NMOS-FET 92 formed on a P-type substrate.
図27は、磁気素子10をn層積層したスキルミオンメモリデバイス110を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス110は、n=12の場合である。磁場発生部20は、3000Åの膜厚を有する。磁気素子10は、磁気素子10−1から磁気素子10−nまで積層した構造を有する。本例の磁気素子10は、合計35000Åの膜厚を有する。 FIG. 27 shows a skyrmion memory device 110 in which n layers of magnetic elements 10 are stacked. The skyrmion memory device 110 of this example is a case where n = 12. The magnetic field generator 20 has a thickness of 3000 mm. The magnetic element 10 has a structure in which magnetic elements 10-1 to 10-n are stacked. The magnetic element 10 of this example has a total film thickness of 35000 mm.
図28は、複数の磁場発生部20を有するスキルミオンメモリデバイス110を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス110は、磁気素子10−1から磁気素子10−8までの合計8層の磁気素子10を有する。スキルミオンメモリデバイス110は、磁場発生部20−1上に、4層の磁気素子10を有する。スキルミオンメモリデバイス110は、磁気素子10−4と磁気素子10−5との間に磁場発生部20−2をさらに有する。これにより、磁気素子10は、磁場発生部20から受ける磁場の強度を一定に保つことができる。磁場発生部20は、磁気素子10の材料等に応じて適当な間隔で配置してよい。 FIG. 28 shows a skyrmion memory device 110 having a plurality of magnetic field generators 20. The skyrmion memory device 110 of this example has a total of eight layers of magnetic elements 10 from the magnetic element 10-1 to the magnetic element 10-8. The skyrmion memory device 110 has four layers of magnetic elements 10 on the magnetic field generator 20-1. The skyrmion memory device 110 further includes a magnetic field generator 20-2 between the magnetic element 10-4 and the magnetic element 10-5. Thereby, the magnetic element 10 can keep the intensity of the magnetic field received from the magnetic field generator 20 constant. The magnetic field generator 20 may be arranged at an appropriate interval according to the material of the magnetic element 10 or the like.
図29は、スキルミオンメモリ100をCMOS−FET90の上層に搭載したスキルミオンメモリデバイス110の断面図を示す。スキルミオンメモリデバイス110は、スキルミオンメモリ100及びCPU機能を構成するCMOS‐FET90を備える。CMOS‐FET90上にスキルミオンメモリ100を形成する。本例のCMOS‐FET90は、P型基板上に形成されたPMOS−FET91及びNMOS−FET92を有する。 FIG. 29 is a cross-sectional view of a skyrmion memory device 110 in which the skyrmion memory 100 is mounted on the upper layer of the CMOS-FET 90. The skyrmion memory device 110 includes the skyrmion memory 100 and a CMOS-FET 90 that constitutes a CPU function. A skyrmion memory 100 is formed on the CMOS-FET 90. The CMOS-FET 90 of this example has a PMOS-FET 91 and an NMOS-FET 92 formed on a P-type substrate.
スキルミオンメモリデバイス110は、CPU機能を構成するCMOS‐FET90と、積層した大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ100を同一のチップ内に有することができる。この結果、CPUの処理時間の短縮化、高速化が実現し、CPUの消費電力を大幅に低減できる。すなわち、PC起動時の基本OSなどのHDからの呼び出し、外付けSRAMやDRAMなどへの書き込み、読み出しなどの処理時間を大幅に短縮可能となり、CPUタイムの削減(大幅高速化)に貢献する。この結果、大幅に消費電力が低いCPUを実現できる。さらに大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ100はメモリ保持のための電力消費がゼロである。スキルミオンの磁気モーメントの向きはトポロジカル安定性を有するために外部からの一切の電力供給を必要としない。DRAMメモリはデータリフレッシュが必要であり、SRAMも揮発性であるので常時電力投入が必要である。フラッシュメモリはデータアクセスタイムが長いのでCPUと直接データのやり取りはできない。 The skyrmion memory device 110 can have the CMOS-FET 90 constituting the CPU function and the skyrmion memory 100, which is a stacked large-scale nonvolatile memory, in the same chip. As a result, the processing time and speed of the CPU can be shortened and the power consumption of the CPU can be greatly reduced. In other words, it is possible to greatly shorten the processing time for calling from the HD such as the basic OS at the time of starting the PC, writing to the external SRAM or DRAM, reading, etc., and contributes to the reduction of CPU time (significant speedup). As a result, a CPU with significantly low power consumption can be realized. Furthermore, the skyrmion memory 100, which is a large-scale non-volatile memory, consumes no power for memory retention. The direction of the magnetic moment of skyrmion does not require any external power supply in order to have topological stability. DRAM memory requires data refresh, and SRAM is also volatile, so it is necessary to always turn on the power. Since the flash memory has a long data access time, it cannot exchange data directly with the CPU.
図30は、スキルミオンメモリデバイス110の書き込み回路の一例を示す。スキルミオンメモリ100にデータを書き込む場合とは、スキルミオンメモリ100にスキルミオン40を生成する場合を指す。本例のスキルミオン検出素子15は、第1検出電極153及び第2検出電極154の2つの電極を有する。なお、スキルミオン検出素子15は、第3検出電極155及び第4検出電極156をさらに備えてもよい。 FIG. 30 shows an example of a write circuit of the skyrmion memory device 110. The case of writing data to the skillion memory 100 refers to the case of generating the skillion 40 in the skillion memory 100. The skyrmion detection element 15 of this example has two electrodes, a first detection electrode 153 and a second detection electrode 154. The skyrmion detection element 15 may further include a third detection electrode 155 and a fourth detection electrode 156.
複数のスキルミオンメモリ100を、スキルミオン選択線95及びビット線96に接続する。例えば、スキルミオン選択線95(n)を、n行のスキルミオンメモリ100にそれぞれ接続し、ビット線96(n)を、n列のスキルミオンメモリ100にそれぞれ接続する。スキルミオンメモリ100に接続した各線にはFET99を接続する。FET99は、ゲートに電圧を印加することにより、個々のスキルミオンメモリ100を選択する電気的スイッチとして働く。本例の電圧印加用電源50は、電場発生電極12に正の電場を印加する。 A plurality of skyrmion memories 100 are connected to the skyrmion selection line 95 and the bit line 96. For example, the skyrmion selection line 95 (n) is connected to the nth row of skillion memory 100, and the bit line 96 (n) is connected to the nth column of skyrmion memory 100, respectively. An FET 99 is connected to each line connected to the skyrmion memory 100. The FET 99 acts as an electrical switch that selects individual skyrmion memories 100 by applying a voltage to the gate. The voltage application power source 50 of this example applies a positive electric field to the electric field generating electrode 12.
例えば、スキルミオンメモリ100(n、n)においてスキルミオン40を生成する場合、スキルミオン選択線95(n)及びビット線96(n)に接続したFET99をオンする。スキルミオンメモリ100(n、n)は、磁性体11に電場を印加することにより、スキルミオン40を生成する。 For example, when the skillion 40 is generated in the skillion memory 100 (n, n), the FET 99 connected to the skillion selection line 95 (n) and the bit line 96 (n) is turned on. The skyrmion memory 100 (n, n) generates the skyrmion 40 by applying an electric field to the magnetic body 11.
図31は、スキルミオンメモリデバイス110の消去回路の一例を示す。スキルミオンメモリ100にデータを消去する場合とは、スキルミオンメモリ100のスキルミオン40を消去する場合を指す。本例では、図30の例と同様の配線で、スキルミオンメモリ100に、スキルミオン選択線95及びビット線96を接続する。スキルミオン40を生成する場合と同様に、FET99のスイッチングにより、スキルミオンメモリ100を選択する。但し、本例の電圧印加用電源50は、電場発生電極12に負の電場を印加する。 FIG. 31 shows an example of the erase circuit of the skyrmion memory device 110. The case of erasing data in the skillion memory 100 refers to the case of erasing the skillion 40 in the skillion memory 100. In this example, the skyrmion selection line 95 and the bit line 96 are connected to the skyrmion memory 100 with the same wiring as in the example of FIG. As in the case of generating the skyrmion 40, the skyrmion memory 100 is selected by switching the FET 99. However, the voltage application power source 50 of this example applies a negative electric field to the electric field generating electrode 12.
例えば、スキルミオンメモリ100(n、n)においてスキルミオン40を消去する場合、スキルミオン選択線95(n)及びビット線96(n)に接続したFET99をオンする。スキルミオンメモリ100(n、n)は、磁性体11に生成の場合と逆向きの電場を印加することにより、スキルミオン40を消去する。 For example, when erasing the skillion 40 in the skillion memory 100 (n, n), the FET 99 connected to the skillion selection line 95 (n) and the bit line 96 (n) is turned on. The skyrmion memory 100 (n, n) erases the skyrmion 40 by applying an electric field in the opposite direction to the case of generation to the magnetic body 11.
図32は、スキルミオンメモリデバイス110の読み出し回路の一例を示す。スキルミオンメモリ100のデータを読み出す場合とは、スキルミオンメモリ100のスキルミオン40を検出する場合を指す。スキルミオン40を検出する場合、スキルミオン選択線95及びビット線96に加えて、リード線97を用いる。 FIG. 32 shows an example of a read circuit of the skyrmion memory device 110. The case of reading the data of the skillion memory 100 refers to the case of detecting the skillion 40 of the skillion memory 100. When detecting the skyrmion 40, the lead wire 97 is used in addition to the skyrmion selection line 95 and the bit line 96.
ビット線96は、スキルミオン検出素子15に接続する。ビット線96は、スキルミオン検出素子15にスキルミオン検出用の電流を流す。 The bit line 96 is connected to the skyrmion detection element 15. The bit line 96 supplies a current for detecting the skyrmion to the skyrmion detection element 15.
リード線97は、第1検出電極153に接続する。リード線97は、第2検出電極154及び磁性体11を介して、ビット線96に接続する。スキルミオン40は、ビット線96からリード線97に電流を流すことにより検出する。複数のスキルミオンメモリ100にリード線97を接続してよい。例えば、リード線97(n)は、n行のスキルミオンメモリ100にそれぞれ接続する。さらに、リード線97は検出回路98に接続する。ビット線96及びリード線97に接続したFET99をスイッチングすることにより、スキルミオンメモリ100を選択する。スキルミオン40を検出する場合、スキルミオン選択線95に接続したFET99をオフする。 The lead wire 97 is connected to the first detection electrode 153. The lead wire 97 is connected to the bit line 96 via the second detection electrode 154 and the magnetic body 11. The skyrmion 40 is detected by passing a current from the bit line 96 to the lead wire 97. Lead wires 97 may be connected to a plurality of skyrmion memories 100. For example, the lead wire 97 (n) is connected to the n-row skyrmion memory 100, respectively. Further, the lead wire 97 is connected to the detection circuit 98. By switching the FET 99 connected to the bit line 96 and the lead line 97, the skyrmion memory 100 is selected. When detecting the skyrmion 40, the FET 99 connected to the skyrmion selection line 95 is turned off.
検出回路98は、リード線97に流れる電流もしくは電圧を増幅して、スキルミオン40の有無を検出する。検出回路98は、入力抵抗Rin、帰還抵抗Rf、増幅回路C1及び電圧比較回路C2を備える。リード線97から検出回路98に入力した電流を、入力抵抗Rinを介して、増幅回路C1に入力する。帰還抵抗Rfを、増幅回路C1と並列に設ける。増幅回路C1は、リード線97からの電流を電圧変換して増幅する。電圧比較回路C2には、増幅回路C1の出力電圧及び参照電圧Vrefを入力する。電圧比較回路C2は、増幅回路C1の出力電圧が参照電圧Vrefよりも大きい場合は「1」を出力する。一方、電圧比較回路C2は、増幅回路C1の出力電圧が参照電圧Vrefよりも小さい場合は「0」を出力する。 The detection circuit 98 amplifies the current or voltage flowing through the lead wire 97 and detects the presence or absence of the skyrmion 40. The detection circuit 98 includes an input resistor Rin, a feedback resistor Rf, an amplifier circuit C1, and a voltage comparison circuit C2. The current input from the lead wire 97 to the detection circuit 98 is input to the amplifier circuit C1 via the input resistor Rin. A feedback resistor Rf is provided in parallel with the amplifier circuit C1. The amplifier circuit C1 converts the current from the lead wire 97 into a voltage and amplifies it. The voltage comparison circuit C2 receives the output voltage of the amplifier circuit C1 and the reference voltage Vref. The voltage comparison circuit C2 outputs “1” when the output voltage of the amplification circuit C1 is larger than the reference voltage Vref. On the other hand, the voltage comparison circuit C2 outputs “0” when the output voltage of the amplifier circuit C1 is smaller than the reference voltage Vref.
例えば、スキルミオンメモリ100(n、n)におけるスキルミオン40の有無を検出する場合、ビット線96(n)及びリード線97(n)に接続したFET99をオンする。その後、ビット線96(n)に電流を流すと、スキルミオン40の有無に応じた抵抗により電圧値が変化する。また、スキルミオンメモリ100(n−1、n+1)においてスキルミオン40の有無を検出する場合、ビット線96(n+1)及びリード線97(n−1)に接続したFET99をオンする。その後、ビット線96(n+1)に電流を流すと、スキルミオンメモリ100(n−1、n+1)において検出用の電流が流れる。リード線97(n−1)に接続した検出回路98において、当該電流を検出する。これにより、スキルミオン40の存在に応じて、「1」又は「0」のデータを得ることができる。即ち、スキルミオンメモリ100は、スキルミオン40の存在の有無に応じて、データの読み出しができる。 For example, when detecting the presence or absence of the skirmion 40 in the skirmion memory 100 (n, n), the FET 99 connected to the bit line 96 (n) and the lead wire 97 (n) is turned on. Thereafter, when a current is passed through the bit line 96 (n), the voltage value changes due to the resistance corresponding to the presence or absence of the skyrmion 40. When detecting the presence or absence of the skillion 40 in the skillion memory 100 (n−1, n + 1), the FET 99 connected to the bit line 96 (n + 1) and the lead line 97 (n−1) is turned on. Thereafter, when a current is passed through the bit line 96 (n + 1), a detection current flows in the skyrmion memory 100 (n−1, n + 1). The detection circuit 98 connected to the lead wire 97 (n-1) detects the current. Thereby, “1” or “0” data can be obtained according to the presence of the skillion 40. That is, the skyrmion memory 100 can read data depending on whether or not the skyrmion 40 exists.
以上、図30から図32の通り、スキルミオンメモリデバイス110は、任意のスキルミオンメモリ100を選択し、スキルミオン40の生成、消去及び読み出しができる。スキルミオンメモリ100の周辺に配置したFET99、検出回路98の増幅回路C1及び電圧比較回路C2は、CMOSデバイスで構成する。複数のスキルミオンメモリ100を平面状に配列する。また、平面状に配列したスキルミオンメモリ100を積層してよい。 As described above, as shown in FIG. 30 to FIG. 32, the skillmion memory device 110 can select an arbitrary skillmion memory 100 and generate, delete, and read the skillmion 40. The FET 99 arranged in the periphery of the skyrmion memory 100, the amplifier circuit C1 of the detection circuit 98, and the voltage comparison circuit C2 are composed of CMOS devices. A plurality of skyrmion memories 100 are arranged in a planar shape. Further, the skyrmion memories 100 arranged in a planar shape may be stacked.
図33は、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス200の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス200は、スキルミオンメモリデバイス110と、固体電子デバイス210とを備える。スキルミオンメモリデバイス110は、図21から図29において説明したスキルミオンメモリデバイス110である。固体電子デバイス210は、例えばCMOS−LSIデバイスである。固体電子デバイス210は、スキルミオンメモリデバイス110へのデータの書き込み、及び、スキルミオンメモリデバイス110からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。 FIG. 33 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a solid electronic device 200 with a skyrmion memory. The skyrmion memory-equipped solid-state electronic device 200 includes a skyrmion memory device 110 and a solid-state electronic device 210. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The solid-state electronic device 210 is, for example, a CMOS-LSI device. The solid-state electronic device 210 has at least one function of writing data to the skyrmion memory device 110 and reading data from the skyrmion memory device 110.
図34は、データ記録装置300の構成例を示す模式図である。データ記録装置300は、スキルミオンメモリデバイス110と、入出力装置310とを備える。データ記録装置300は、例えばハードディスク、又は、USBメモリ等のメモリデバイスである。スキルミオンメモリデバイス110は、図21から図29において説明したスキルミオンメモリデバイス110である。入出力装置310は、外部からスキルミオンメモリデバイス110へのデータの書き込み機能、及び、スキルミオンメモリデバイス110からデータを読み出して外部に出力する機能の少なくとも一方を有する。 FIG. 34 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the data recording device 300. The data recording device 300 includes a skyrmion memory device 110 and an input / output device 310. The data recording device 300 is a memory device such as a hard disk or a USB memory. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The input / output device 310 has at least one of a function of writing data to the skyrmion memory device 110 from the outside and a function of reading data from the skyrmion memory device 110 and outputting the data to the outside.
図35は、データ処理装置400の構成例を示す模式図である。データ処理装置400は、スキルミオンメモリデバイス110と、プロセッサ410とを備える。スキルミオンメモリデバイス110は、図21から図29において説明したスキルミオンメモリデバイス110である。プロセッサ410は、例えばデジタル信号を処理するデジタル回路を有する。プロセッサ410は、スキルミオンメモリデバイス110へのデータの書き込み、及び、スキルミオンメモリデバイス110からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。 FIG. 35 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the data processing device 400. The data processing device 400 includes a skyrmion memory device 110 and a processor 410. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The processor 410 includes a digital circuit that processes a digital signal, for example. The processor 410 has at least one function of writing data to the skyrmion memory device 110 and reading data from the skyrmion memory device 110.
図36は、通信装置500の構成例を示す模式図である。通信装置500は、例えば携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等の、外部との通信機能を有する装置全般を指す。通信装置500は携帯型であってよく、非携帯型であってもよい。通信装置500は、スキルミオンメモリデバイス110と、通信部510とを備える。スキルミオンメモリデバイス110は、図21から図29において説明したスキルミオンメモリデバイス110である。通信部510は、通信装置500の外部との通信機能を有する。通信部510は、無線通信機能を有してよく、有線通信機能を有してよく、無線通信及び有線通信の双方の機能を有していてもよい。通信部510は、外部から受信したデータをスキルミオンメモリデバイス110に書き込む機能、スキルミオンメモリデバイス110から読み出したデータを外部に送信する機能、及び、スキルミオンメモリデバイス110が記憶した制御情報に基づいて動作する機能の少なくとも一つを有する。 FIG. 36 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the communication device 500. The communication device 500 refers to all devices having a communication function with the outside, such as a mobile phone, a smartphone, and a tablet terminal. Communication device 500 may be portable or non-portable. The communication device 500 includes a skyrmion memory device 110 and a communication unit 510. The skyrmion memory device 110 is the skyrmion memory device 110 described with reference to FIGS. The communication unit 510 has a communication function with the outside of the communication device 500. The communication unit 510 may have a wireless communication function, may have a wired communication function, and may have both wireless communication and wired communication functions. The communication unit 510 is based on a function of writing data received from the outside to the skyrmion memory device 110, a function of transmitting data read from the skyrmion memory device 110 to the outside, and control information stored in the skyrmion memory device 110. Have at least one of the functions to operate.
以上の通り、高速、且つ、低消費電力でスキルミオン40を生成、消去、検知できる磁気素子及びこの磁気素子を応用した不揮発性スキルミオンメモリ100、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス200、データ記録装置300、データ処理装置400及び通信装置を提供することができる。 As described above, a magnetic element capable of generating, erasing, and detecting skyrmion 40 at high speed and low power consumption, a nonvolatile skyrmion memory 100 to which the magnetic element is applied, a solid state electronic device 200 equipped with skyrmion memory, and a data recording apparatus 300, a data processing device 400, and a communication device can be provided.
1・・・マグネチックシフトレジスタ、2・・・磁気センサ、10・・・磁気素子、11・・・磁性体、12・・・電場発生電極、15・・・スキルミオン検出素子、16・・・非磁性体薄膜、20・・・磁場発生部、30・・・測定部、31・・・測定用電流源、32・・・電圧計、33・・・切替スイッチ、40・・・スキルミオン、50・・・電圧印加用電源、60・・・磁性体層、61・・・絶縁体、65・・・磁性体保護層、66・・・磁性体保護膜、67・・・第1ビア、70・・・第1配線層、71・・・第1配線、72・・・第1配線保護膜、73・・・第2ビア、75・・・第2配線層、76・・・第2配線、77・・・第2配線保護膜、90・・・CMOS‐FET、91・・・PMOS‐FET、92・・・NMOS‐FET、95・・・スキルミオン選択線、96・・・ビット線、97・・・リード線、98・・・検出回路、99・・・FET、100・・・スキルミオンメモリ、153・・・第1検出電極、154・・・第2検出電極、155・・・第3検出電極、156・・・第4検出電極、200・・・スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、210・・・固体電子デバイス、300・・・データ記録装置、310・・・入出力装置、400・・・データ処理装置、410・・・プロセッサ、500・・・通信装置、510・・・通信部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic shift register, 2 ... Magnetic sensor, 10 ... Magnetic element, 11 ... Magnetic body, 12 ... Electric field generating electrode, 15 ... Skyrmion detection element, 16 ...・ Non-magnetic thin film, 20 ... magnetic field generator, 30 ... measuring unit, 31 ... current source for measurement, 32 ... voltmeter, 33 ... switch, 40 ... skirmion 50 ... Power supply for voltage application, 60 ... Magnetic layer, 61 ... Insulator, 65 ... Magnetic protective layer, 66 ... Magnetic protective layer, 67 ... First via , 70 ... 1st wiring layer, 71 ... 1st wiring, 72 ... 1st wiring protective film, 73 ... 2nd via, 75 ... 2nd wiring layer, 76 ... 1st 2 wirings, 77 ... second wiring protective film, 90 ... CMOS-FET, 91 ... PMOS-FET, 92 ... NMOS FET, 95 ... skyrmion selection line, 96 ... bit line, 97 ... lead wire, 98 ... detection circuit, 99 ... FET, 100 ... skyrmion memory, 153 ... 1st detection electrode, 154... 2nd detection electrode, 155... 3rd detection electrode, 156... 4th detection electrode, 200. Device 300... Data recording device 310 310 input / output device 400 data processing device 410 processor 500 communication device 510 communication unit
Claims (21)
前記磁気素子は、
薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む端部領域を覆って設けた電場発生電極と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備え、
前記磁場発生部は、前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第1方向から磁場を印加し、
前記磁性体は、印加する磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現するスキルミオンメモリ。 Skyrmion memory comprising a magnetic element capable of generating and erasing skyrmions and a magnetic field generator ,
The magnetic element is
A thin layer of magnetic material,
An electric field generating electrode provided on one surface of the magnetic body so as to cover an end region including the end of the magnetic body;
A skirmion detection element for detecting generation and erasure of the skirmion ,
The magnetic field generation unit is provided to face one surface of the magnetic body, applies a magnetic field from the first direction to the magnetic body,
The magnetic material in accordance with the applied magnetic field, skyrmion memory skyrmion crystalline phase the skyrmion occurs between a ferromagnetic phase you least expression.
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
となる請求項1に記載のスキルミオンメモリ。 The width of the end region parallel to the magnetic body is W, and the height of the end region perpendicular to the end of the magnetic body is h,
λ ≧ W> λ / 4
2λ>h> λ / 2
The skyrmion memory according to claim 1.
前記磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有するスキルミオンメモリ。 The skyrmion memory according to claim 1 or 2,
A skyrmion memory having a multilayer structure in which the magnetic elements are stacked in the thickness direction.
請求項1から3のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリ。 The magnetic body is composed of either a chiral magnetic body or a laminated structure of a magnetic material and a nonmagnetic material.
The skyrmion memory according to any one of claims 1 to 3 .
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第1非磁性金属からなる第1検出電極と、
前記第1検出電極とは離間して、前記第1検出電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第2非磁性金属からなる第2検出電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第1検出電極と前記第2検出電極との間における前記磁性体の抵抗値が変化する請求項1から4のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリ。 The skyrmion detection element is
A first detection electrode made of a first nonmagnetic metal in contact with the magnetic body in the same layer at an end of the magnetic body;
A second detection electrode made of a second nonmagnetic metal that is in contact with the magnetic body in the same layer at the end of the magnetic body facing the first detection electrode apart from the first detection electrode;
The skyrmion according to any one of claims 1 to 4 , wherein a resistance value of the magnetic body between the first detection electrode and the second detection electrode changes according to generation and erasure of the skyrmion. Memory .
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第1非磁性金属からなる第1検出電極と、
前記第1検出電極とは離間して、前記第1検出電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第2非磁性金属からなる第2検出電極と、
第1検出電極と第2検出電極とがなす配列に対して垂直の配置で、前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第3非磁性金属からなる第3検出電極と、
第3検出電極とは離間して、前記第3検出電極と対向する前記磁性体の端部に接して第4非磁性金属からなる第4検出電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第3検出電極と前記第4検出電極との間における前記磁性体の電圧値が変化する請求項1から4のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリ。 The skyrmion detection element is
A first detection electrode made of a first nonmagnetic metal in contact with the magnetic body in the same layer at an end of the magnetic body;
A second detection electrode made of a second non-magnetic metal that is in contact with the magnetic body in the same layer at an end portion of the magnetic body facing the first detection electrode apart from the first detection electrode;
A third detection electrode made of a third non-magnetic metal in an arrangement perpendicular to the arrangement formed by the first detection electrode and the second detection electrode and in contact with the magnetic body at the same layer at the end of the magnetic body;
A fourth detection electrode made of a fourth nonmagnetic metal in contact with an end of the magnetic body facing the third detection electrode, spaced apart from the third detection electrode;
The skyrmion according to any one of claims 1 to 4 , wherein a voltage value of the magnetic body changes between the third detection electrode and the fourth detection electrode in accordance with generation and erasure of the skyrmion. Memory .
前記磁性体の一面において前記磁性体の表面に接する非磁性絶縁体薄膜と、前記非磁性絶縁体薄膜上に設け、且つ、磁性体金属により形成した前記電場発生電極とのTMR積層構造を有し、
前記TMR積層構造は、前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、抵抗値が変化する請求項1から4のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリ。 The skyrmion detection element is
It has a TMR laminated structure of a nonmagnetic insulator thin film in contact with the surface of the magnetic body on one surface of the magnetic body and the electric field generating electrode formed on the nonmagnetic insulator thin film and formed of a magnetic metal. ,
The TMR laminated structure, depending on the generation and erasure of the skyrmion, skyrmion memory according to claim 1, any one of 4 whose resistance value changes.
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、前記スキルミオンの生成及び消去を測定する測定部と
を備える請求項1から7のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリ。 By applying a voltage to the electric field generating electrode prior Symbol magnetic element, a first power supply capable of generating an electric field in the end region,
8. A skid according to claim 1 , further comprising a measuring unit connected to the skirmion detection element and measuring generation and erasure of the skirmion based on a detection result of the skirmion detection element. Lumion memory.
前記磁気素子は、
薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む端部領域を覆って設けた電場発生電極と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備え、
前記磁場発生部は、前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第1方向から第1磁場を印加し、
前記第1電源は、前記磁気素子の前記電場発生電極に電圧を印加することで、前記磁性体に電場を発生させることが可能であり、
前記磁性体は、印加する磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現するスキルミオンメモリ。 A skillmion memory comprising a magnetic element capable of generating and erasing skyrmions, a magnetic field generator, and a first power source,
The magnetic element is
A thin layer of magnetic material,
An electric field generating electrode provided on one surface of the magnetic body so as to cover an end region including the end of the magnetic body;
A skillion detection element for detecting generation and erasure of the skillion; and
With
The magnetic field generation unit is provided to face one surface of the magnetic element, applies a first magnetic field from a first direction to the magnetic element,
It said first power supply, by applying a voltage to the electric field generating electrode of the magnetic element, it is possible to generate an electric field to the magnetic body,
The magnetic material in accordance with the applied magnetic field, skyrmion memory skyrmion crystalline phase the skyrmion occurs between a ferromagnetic phase you least expression.
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、
スキルミオンの有無を検知するリード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記リード線には前記スキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、
前記リード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、前記スキルミオンの有無を検出する検出回路と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。 A plurality of skillion memories configured as one storage unit memory, the skillion memory according to any one of claims 1 to 14 ,
A skillion generation line connected to the plurality of skillion memories to generate the skillion of the plurality of skillion memories;
In order to erase the skill meons of the plurality of skill meon memories, a skill meon erase line connected to the plurality of skill meon memories;
A lead wire that detects the presence or absence of skyrmion,
A field effect transistor that selects the skyrmion memory for the skyrmion generation line, the skyrmion erase line, and the lead wire;
A skyrmion memory device comprising: a detection circuit that amplifies a current or voltage flowing in the lead wire and detects the presence or absence of the skyrmion.
前記基板上に形成した電界効果トランジスタと、
前記基板の上方に形成したスキルミオンメモリデバイスと
を有し、
前記スキルミオンメモリデバイスは、請求項1から14のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置。 A substrate,
A field effect transistor formed on the substrate;
A skyrmion memory device formed above the substrate,
15. A data processing apparatus equipped with a skirmion memory, wherein the skirmion memory device has at least one skirmion memory according to any one of claims 1 to 14 .
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