JP6637427B2 - 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、固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置およびデータ通信装置 - Google Patents
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Description
[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.
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]および[数4]は、スキルミオン40の運動を記述する。
(1)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
(2)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
(3)端部領域Aに非磁性体よりなる切欠部13を設置するとW≦λ/4の範囲でもスキルミオンを生成できる。
(5)局所磁場の印加時間幅(パルス幅)Tは3000(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が生成した状態を維持することができ、複数個のスキルミオン40が生成することはない。
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]および[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。図4は、カイラル磁性体の磁気相図を与える。本例では、磁性体11の幅および高さは、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。
2λ>Wm>λ/2
Wmが小さすぎるとスキルミオン40を生成できない。
Wmが大きすぎるとスキルミオンを消去できない。Wmはスキルミオン40の直径λ程度がよい。
2λ>hm>λ/2
磁性体11の高さhmが大きすぎるとスキルミオン40の消去時にスキルミオン40が電流経路12から逃げ出すので消去できない。
(8)端部領域Aの幅Wは(1)に従う。すなわち、λ≧W>λ/4である。
(9)端部領域Aの高さhの条件は(2)に従う。すなわち、2λ>h>λ/2である。ここではλ・3/5の高さに設定した。
(10)消去に必要な端部領域Aの磁場HaはHa≧0.04Jである。
実施例3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。本実施例では、スキルミオン消去パルスHa2により生じる磁場の向きがスキルミオン生成パルスにより生じる磁場の向きと同じ向きである。磁性体11のサイズは幅Wm=hm=60a=λ・6/5とした。コイル領域ACは、磁性体11の端部を含む端部領域Aに設定している。端部領域Aの幅Wは20a=λ・2/5とし、高さhは25a=λ/2とした。スキルミオン40の直径λは、50aである。
(11)スキルミオン40の消去パルスHa2が生成パルスHa1と向きが同じ場合、磁性体11の幅Wmはスキルミオン40の直径λに対して、
2λ>Wm>λ
である。磁性体11の高さhmも同様に、
2λ>hm>λ
である。
実施例4において、端部領域Aが生成用端部領域A1と消去用端部領域A2の二つの領域となる場合のスキルミオン消去のシミュレーション結果を示す。磁性体11のサイズは、幅Wm=hm=50a=λとした。生成用端部領域A1の幅W1は、W1=20a=λ・2/5である。生成用端部領域A1の高さh1は、h1=30a=λ・3/5である。また、消去用端部領域A2の幅W2は、W2=20a=λ・2/5である。消去用端部領域A2の高さh2は、W2に等しい。
(15)生成用端部領域A1と消去用端部領域A2を設けた場合、生成パルスHa1と消去パルスHa2は同じ場合でもスキルミオン40の生成および消去が可能である。
(16)磁性体11の幅Wmはスキルミオン40の直径λに対して以下の範囲にする。
2λ>Wm>λ/2
(17)磁性体11の高さhmはスキルミオン40の直径λに対して以下の範囲にする。
2λ>hm>λ/2
磁性体11の高さhmが大きすぎるとスキルミオン40の消去時にスキルミオン40が電流経路12から逃げ出すので消去できない。
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
である。第1式から2Wm>λ>Wm/2、第2式から2hm>λ>hm/2である。今、Wm=hm=50nmであるから、100nm>λ>25nmの範囲のスキルミオンの直径が選択可能である。スキルミオンの直径λは先行技術文献1に見るようにたとえばFeGeでは70nm、MnSiでは18nmである。したがって、現在の到達の量産技術であるLSI最小加工寸法15nmの場合、スキルミオン直径70nmのFeGeを選択すればよい。将来LSI最小加工寸法10nmが実現できた場合、67nm>λ>17nmの範囲のスキルミオンの直径λが選択可能である。スキルミオン直径18nmのMnSiを選択すればよい。したがって、現量産技術や将来量産技術に対して、すでに適切なスキルミオンの直径λをもった磁性体11が存在している。
[項目1]
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、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
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囲んで設けた電流経路と、
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
を備える磁気素子。
[項目2]
前記磁気素子において、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
となるサイズを備える項目1に記載の磁気素子。
[項目3]
前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをhとすると、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
となる項目2に記載の磁気素子。
[項目4]
前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh、前記電流経路と前記磁性体の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をdとすると、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
0.4λ>d≧0.2λ
となる項目2に記載の磁気素子。
[項目5]
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、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む第1端部領域を囲んで設けた第1電流経路と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む前記第1端部領域内に第2端部領域を囲んで設けた第2電流経路と、
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、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
となるサイズを備え、
前記第1端部領域は、前記第1端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅W1、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh1とすると、
λ≧W1>λ/4
2λ>h1>λ/26
となり、
前記第2端部領域は、前記第2端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅W2、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh2とすると、
W2=W1
h2=W1
となる磁気素子。
[項目6]
項目1から5のいずれか一項に記載の磁気素子であって、
前記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。
[項目7]
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、
項目1から6のいずれか1項に記載の磁気素子。
[項目8]
前記磁性体は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料との積層構造のいずれかからなる、
項目7に記載の磁気素子。
[項目9]
前記スキルミオン検出素子は、
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た磁性体金属との積層構造を有し、
前記積層構造は、前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、抵抗値が変化する項目1から8のいずれか一項に記載の磁気素子。
[項目10]
前記スキルミオン検出素子は、
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電極と、
前記第1電極とは離間して、前記第1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電極と前記第2電極との間における前記磁性体の抵抗値が変化する項目1から8のいずれか一項に記載の磁気素子。
[項目11]
前記スキルミオン検出素子は、
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電極と、
前記第1電極とは離間して、前記第1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電極と、
第1電極と第2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電極と、
第3電極とは離間して、前記第3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電極と前記第4電極との間における前記磁性体の電圧値が変化する項目1から8のいずれか一項に記載の磁気素子。
[項目12]
項目1に記載の磁気素子と、
前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第1方向から第1磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記端部領域に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
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
を備えるスキルミオンメモリ。
[項目13]
前記第1電源は、前記端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である項目12に記載のスキルミオンメモリ。
[項目14]
前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが異なる項目13に記載のスキルミオンメモリ。
[項目15]
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、前記生成パルスにより、0.015Jより小さくなり、前記消去パルスにより、0.04Jより大きくなる項目13または14に記載のスキルミオンメモリ。
[項目16]
項目4に記載の磁気素子と、
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磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記電流経路に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
を備えるスキルミオンメモリ。
[項目17]
前記第1電源は、前記端部領域に対し、スキルミオンを生成する生成パルスと、スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である項目16に記載のスキルミオンメモリ。
[項目18]
前記生成パルスの電流方向と前記消去パルスの方向が同一の方向である項目17に記載のスキルミオンメモリ。
[項目19]
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、前記生成パルスにより、0.015Jより小さくなり、前記消去パルスにより、0.015Jより大きくなる項目17または18に記載のスキルミオンメモリ。
[項目20]
項目5に記載の磁気素子と、
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磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第1電流経路に電流を印加することで、前記第1端部領域に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
前記磁気素子の前記第2電流経路に電流を印加することで、前記第2端部領域に第3磁場を発生させることが可能な第2電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、抵抗値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
[項目21]
項目5に記載の磁気素子と、
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磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第1電流経路に電流を印加することで、前記第1端部領域に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
前記磁気素子の前記第2電流経路に電流を印加することで、前記第2端部領域に第3磁場を発生させることが可能な第2電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、電圧値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
[項目22]
前記第1電源は、前記第1端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスを発生させ、
前記第2電源は、前記第2端部領域に対し、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である項目20または21に記載のスキルミオンメモリ。
[項目23]
前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが、同一の方向である項目22に記載のスキルミオンメモリ。
[項目24]
前記第2磁場の磁場強度と前記第3磁場の磁場強度が同じである項目23に記載のスキルミオンメモリ。
[項目25]
前記第2磁場の磁場強度と前記第3磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、0.015Jより小さい項目23または24に記載のスキルミオンメモリ。
[項目26]
前記第2磁場の磁場強度より前記第3磁場の磁場強度が大きい項目23に記載のスキルミオンメモリ。
[項目27]
前記第2磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、0.015Jより小さくなり、
前記第3磁場の磁場強度は、0.02Jよりも小さくなる項目26に記載のスキルミオンメモリ。
[項目28]
項目12から27のいずれか一項に記載の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、
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ワード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記ワ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、
前記ワ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。
[項目29]
基板と、
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、項目12から27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。
[項目30]
前記スキルミオンメモリデバイスを、前記電界効果トランジスタの上方に積層する項目29に記載のデータ処理装置。
[項目31]
項目12から27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。
[項目32]
項目12から27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。
[項目33]
項目12から27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備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ処理装置。
[項目34]
項目12から27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備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ通信装置。
Claims (16)
- 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、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む端部領域を部分的に囲んで設けた電流経路と、
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、
前記磁性体は印加する磁場の大きさに応じてスキルミオン結晶相および強磁性相を発現し、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
を満たし、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをhとすると、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
を満たし、
前記磁場が印加されている前記磁性体に対して前記電流経路に電流を流すことで発生する磁場の大きさおよび向きに応じて前記スキルミオンを生成および消去する、
磁気素子。 - 前記磁気素子において、前記端部領域は、切欠部を備える
請求項1に記載の磁気素子。 - 前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh、前記電流経路と前記磁性体の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をdとすると、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
0.4λ>d≧0.2λ
となる請求項1または2に記載の磁気素子。 - 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、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む第1端部領域を部分的に囲んで設けた第1電流経路と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む前記第1端部領域内に第2端部領域を部分的に囲んで設けた第2電流経路と、
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、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
となるサイズを備え、
前記第1端部領域は、前記第1端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅W1、前記第1端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh1とすると、
λ≧W1>λ/4
2λ>h1>λ/2
となり、
前記第2端部領域は、前記第2端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅W2、前記第2端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh2とすると、
W2=W1
h2=W1
となる磁気素子。 - 前記磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する、又は
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、又は
前記磁性体は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料との積層構造のいずれかからなる、
請求項1から4のいずれか一項に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子は、
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た磁性体金属との積層構造を有し、
前記積層構造は、前記スキルミオンの有り無しに応じて、抵抗値が変化する請求項1から5のいずれか一項に記載の磁気素子。 - 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、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に設けられ、前記磁性体の端部を含む端部領域を部分的に囲んで設けた電流経路と、
前記端部領域における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、
前記磁性体は印加する磁場の大きさに応じてスキルミオン結晶相および強磁性相を発現し、
前記磁場が印加されている前記磁性体に対して前記電流経路に電流を流すことで発生する磁場の大きさおよび向きに応じて前記スキルミオンを生成および消去し、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをhとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
を満たし、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
を満たし、
前記電流経路は、前記端部領域を部分的に囲む実質的にU字状または実質的にV字状を形成し、前記U字状または前記V字状は、全体が前記磁性体の一方の側にのみ設けられ、前記磁性体が延伸する平面に平行である磁気素子。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気素子と、
前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第1方向から第1磁場を印加する磁場発生部と、
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有無を検出する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。 - 前記電流経路は、前記端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを流すことが可能である請求項8に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが異なる、又は
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、前記生成パルスにより、0.015Jより小さくなり、前記消去パルスにより、0.04Jより大きくなる請求項9に記載のスキルミオンメモリ。 - 前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記電流経路に第2磁場を発生させることが可能な第1電源を備える請求項8から10のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリ。
- 請求項8から11のいずれか一項に記載の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、
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ワード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記ワ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、
前記ワ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。 - 請求項12に記載の前記スキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ処理装置。
- 請求項12に記載の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たスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス。
- 請求項12に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ記録装置。
- 請求項12に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ通信装置。
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