JP6886888B2 - 磁壁移動素子および磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁壁移動素子およびこれをメモリセルに備える磁気メモリに関する。

不揮発性、高速アクセス性、高集積性のすべてを満足するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）として、メモリセルにおける磁気抵抗効果素子の抵抗の高低を２値のデータとする磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（Magnetoresistive Random Access Memory：ＭＲＡＭ）が開発されている。磁気抵抗効果素子の抵抗の高低は磁性膜（自由層）の磁化方向によるものであり、データの書込みとはすなわち自由層の磁化反転である。書込み方式として、配線（導線）からの磁界印加による初期のＭＲＡＭから、高速化およびセルの微細化のため、磁気抵抗効果素子に電流を垂直方向に供給するＳＴＴ（Spin Transfer Torque）−ＭＲＡＭ（以下、単にＭＲＡＭという）、そしてさらなる高速化を可能とする、自由層を両側に延伸した細線状として、自由層に電流を長手方向に供給する磁壁移動方式のＭＲＡＭが開発されている（例えば特許文献１、非特許文献１）。

厚さおよび幅に対して十分に長い細線状に形成された磁性体（以下、磁性細線）は、その長さ方向（細線方向）に２以上の磁区が生成し易く、さらに当該長さ方向に電流を供給されると磁区同士を区切るように生成している磁壁がすべて電流の逆方向に（＋側へ）等距離移動するというシフト移動を行う。磁壁移動方式のＭＲＡＭにおいては、磁性細線の１つの磁壁が細線方向における所定の２点間を移動することによる、２点間の磁化方向の変化を利用する。また、磁壁移動方式は、磁界印加や垂直方向の電流供給による磁化反転よりも自由層の厚膜化が容易であることから、磁気光学材料で自由層を形成した、空間光変調器の光変調素子に好適である（例えば特許文献２）。

特許第５５９８６９７号公報 特許第４９３９４８９号公報

S. Fukami, T. Suzuki, K. Nagahara, N. Ohshima, Y. Ozaki, S. Saito, R. Nebashi, N. Sakimura, H. Honjo, K. Mori, C. Igarashi, S. Miura, N. Ishiwata, T. Sugibayashi, "Low-Current Perpendicular Domain Wall Motion Cell for Scalable High-Speed MRAM", 2009 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 12A-2

磁性細線における磁壁の移動は、供給する電流の電流密度が高いほど高速になる。しかしながら、このような電流密度の高い電流の供給を繰り返され続けると磁性細線が劣化する虞があり、ＭＲＡＭの寿命が短くなる。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、供給する電流の電流密度を高くすることなく、高速な書込みを可能とする磁気メモリおよびその磁壁移動素子を提供することが課題である。

すなわち、本発明に係る磁壁移動素子は、垂直磁気異方性材料を細線状に形成してなる磁性細線を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性細線に生成している磁壁が前記電流と逆向きに移動するものであって、前記磁性細線またはその細線方向延長線を上下から挟むように対向して互いに反発し合う磁界を発生させる２つ１組の磁界印加手段をさらに備え、前記磁界印加手段の組が前記磁界を発生させることによって、前記磁性細線に細線方向の磁界を印加する構造とする。

かかる構成により、磁壁移動素子は、供給する電流の電流密度に対して高速で書込みをすることができる。

本発明に係る磁気メモリは、前記磁壁移動素子をメモリセルに備える。かかる構成により、磁気メモリは、供給する電流の電流密度に対して高速で書込みをすることができる。

本発明に係る磁壁移動素子および磁気メモリによれば、供給する電流の電流密度を高くすることなく高速の書込みが可能となって磁性細線が劣化し難い。

本発明の第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子の構造を説明する模式図である。 図１に示す磁石付き磁壁移動素子の磁壁移動素子の読出しの方法を説明する模式図である。 図１に示す磁石付き磁壁移動素子の磁石による磁界の印加を説明する模式図である。 シミュレーションにおける磁性細線と磁石の配置を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子を模擬したサンプルの飽和磁束密度１Ｔの磁石による、ｘ，ｙ，ｚの成分別の磁界分布図であり、（ａ）は磁石のＮ極同士をｚ方向に２つ対向させたもの、（ｂ）はＳ極同士をｚ方向に２つ対向させた組とＮ極同士をｚ方向に２つ対向させた組を＋ｘ方向に８０ｎｍピッチで配列したもの、（ｃ）は（ｂ）のｘ方向の配列を反転させたものである。 磁性細線における電流供給による磁壁の移動を説明する概念図である。 シミュレーションにおける磁性細線と磁石の配置を説明する模式図である。 シミュレーションによる、図７（ａ）に示す磁石を配置した磁性細線における電流供給時間推移による磁壁の移動距離を表すグラフである。 シミュレーションによる、図７（ｂ）に示す磁石を配置した磁性細線における電流供給時間推移による磁壁の移動距離を表すグラフである。 シミュレーションによる、図７（ａ）に示す磁石を配置した磁性細線における電流供給による磁壁移動速度の、磁石の飽和磁束密度依存性を表すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、図１に示す磁石付き磁壁移動素子の磁壁移動素子の書込みの方法を説明する模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子をメモリセルに備えた磁気メモリの等価回路図である。 本発明の第２実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子の構造と書込みの方法を説明する模式図である。 シミュレーションによる、磁界を印加した磁性細線における電流供給時間推移による磁壁の移動距離を表すグラフである。 シミュレーションによる、磁界を印加した磁性細線における電流供給時間推移による磁壁の移動距離を表すグラフである。

以下、本発明に係る磁壁移動素子および磁気メモリを実現するための形態について、図面を参照して説明する。図面に示す磁壁移動素子および磁気メモリ、ならびにそれらの要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子（磁壁移動素子）１０は、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルの記憶素子であり、図１に示すように、磁壁移動素子１および８つの磁石（磁界印加手段）６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂ，６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂを備える。磁壁移動素子１は、ｘ方向（図の横方向）に長い細線状の磁性細線１１と、磁性細線１１のｘ方向両端における下面に接続する第１磁化固定層２１および第２磁化固定層２２と、磁性細線１１のｘ方向中央における上面に順に積層した障壁層３および副磁化固定層２３と、を備える。また、磁壁移動素子１は、第１磁化固定層２１に第１電極５１が、第２磁化固定層２２に第２電極５２が、副磁化固定層２３に第３電極５３が、それぞれ接続されている。また、磁壁移動素子１の磁性細線１１に沿って＋ｘ方向に順に、磁性細線１１の上側に磁石６１ｂ，６１ｆ，６３ｆ，６３ｂが、下側に磁石６２ｂ，６２ｆ，６４ｆ，６４ｂが、それぞれ配置され、上下各１つの２つずつが磁性細線１１を間に挟んで互いに対向する。

（磁壁移動素子）
磁性細線１１、第１磁化固定層２１、第２磁化固定層２２、および副磁化固定層２３は、垂直磁気異方性材料からなり、ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子であるＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に用いられる公知の磁性材料を適用することができる。垂直磁気異方性材料は、具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ，Ｇｄ−Ｆｅ等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）、Ｌ１₀系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ，ＣｒＰｔ₃等が挙げられる。

磁性細線１１は、磁壁移動素子１の主要部材であり、前記したようにｘ方向に長い細線状に形成され、図２に示すように、細線方向に２つの磁区Ｄ１，Ｄ２に分割されている。磁性細線１１は、磁壁移動素子１の書込みにおいて、後記するように電気的手段によって、磁区Ｄ１，Ｄ２を区切る磁壁ＤＷが細線方向に移動させられ、磁壁ＤＷの移動の始点−終点間における磁化方向が移動の前後で変化する。そのために、磁性細線１１は、前記の磁性材料から、保磁力が比較的大きくないものを適用されることが好ましい。磁性細線１１は、細線方向にのみ磁区が分割され易いように、厚さ７０ｎｍ以下、幅（細線幅、ｙ方向長）３００ｎｍ以下であることが好ましく、厚さおよび幅に対して十分に長い細線状に形成される。また、磁性細線１１は、厚さと幅の積である断面積が小さいほど磁壁ＤＷを移動させるための電流を小さくすることができる。一方、磁化の保持のために、磁性細線１１はある程度の厚さおよび幅にすることが好ましく、具体的には、厚さが５ｎｍ以上、幅が１０ｎｍ以上であることが好ましい。

障壁層３および副磁化固定層２３は、磁性細線１１と合わせた３層の積層構造からなるＴＭＲ素子を構成して、磁壁移動素子１の読出しとして、磁性細線１１の磁化方向を検出するために設けられる。すなわち、磁性細線１１の、障壁層３および副磁化固定層２３の直下における領域（ＴＭＲ素子部）が、前記ＴＭＲ素子の磁化自由層となる。障壁層３は、公知のＴＭＲ素子の障壁層の絶縁膜であり、ＭｇＯが好ましく、厚さ３ｎｍ未満であることが好ましい。副磁化固定層２３は、磁化方向を一方向に（図２では上向きに）設定、固定される。そのために、副磁化固定層２３は、磁性細線１１よりも保磁力が大きくなるように、前記の磁性材料から保磁力の大きいものを適用されることが好ましく、さらに十分な体積（厚さ、面積）に形成されていることが好ましく、ｙ方向に磁性細線１１の外側へ張り出して大きく形成されていてもよい。このような副磁化固定層２３は、外部磁界を予め印加されることによって、磁化方向を設定される。副磁化固定層２３の磁化方向に対して、磁性細線１１のＴＭＲ素子部における磁化方向が同じ（平行、図２（ａ）参照）か逆向き（反平行、図２（ｂ）参照）かで、第１電極５１または第２電極５２と第３電極５３との間の抵抗の高さが変化する。したがって、磁壁移動素子１において、磁性細線１１は、少なくともＴＭＲ素子領域全体が磁化反転するように、その両外側に磁壁ＤＷの移動の始点、終点となる磁壁静止位置ｐ１，ｐ２を設定する。

第１磁化固定層２１および第２磁化固定層２２は、互いに異なる磁化方向に設定、固定されていて、磁性細線１１の、当該磁化固定層２１，２２上に接続した領域に磁気的に結合して同じ磁化方向に固定するために設けられる。そのために、第１磁化固定層２１および第２磁化固定層２２は、磁性細線１１よりも保磁力が大きくなるように、前記の磁性材料から保磁力の大きいものを適用されることが好ましく、さらに十分な体積（厚さ、面積）に形成されていることが好ましく、ｘ方向やｙ方向に磁性細線１１の外側へ張り出して大きく形成されていてもよい。図２においては、第１磁化固定層２１が下向きの、第２磁化固定層２２が上向きの磁化方向に、それぞれ設定されている。したがって、磁性細線１１は、磁化方向が、第１磁化固定層２１の直上の領域においては下向きに、第２磁化固定層２２の直上の領域においては上向きに、それぞれ固定され、これら２つの領域に挟まれた領域（磁化反転可能領域１_SW）においてのみ磁化方向を電気的手段で変化させられることができる。このような構成により、磁壁移動素子１は、その書込みの際に、磁性細線１１において、磁壁ＤＷが、目標とする静止位置である磁壁静止位置ｐ１または磁壁静止位置ｐ２を通過してさらに過剰に移動しようとしても、磁化反転可能領域１_SW外に到達することがない。したがって、磁性細線１１は、磁壁ＤＷが消失して磁区Ｄ１のみまたは磁区Ｄ２のみの単磁区になることが防止される。なお、図２においては、磁壁静止位置ｐ１，ｐ２が、磁化反転可能領域１_SWの内側に設定されているが、磁壁ＤＷの移動限界位置である磁化反転可能領域１_SWの両端に設定されてもよい。第１磁化固定層２１および第２磁化固定層２２は、副磁化固定層２３と同様、外部磁界を予め印加されることによって、磁化方向を設定され、その際に互いに異なる磁化方向にするために、保磁力に差を設ける等、異なる構造とすることが好ましい。

第１電極５１、第２電極５２、および第３電極５３は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される。電極５１，５２，５３は、図１等では簡略化して線で表されるが、磁性細線１１に供給する電流の大きさに対応した厚さや幅で、さらに磁化固定層２１，２２の下面や副磁化固定層２３の上面に十分な面積で接続するように形成される。

（磁石）
磁石６１ｆと磁石６２ｆ、磁石６１ｂと磁石６２ｂ、磁石６３ｆと磁石６４ｆ、磁石６３ｂと磁石６４ｂは、それぞれ２つで１組として、磁性細線１１を間に挟んで上と下に配置され、磁壁移動素子１の書込み時に、磁性細線１１に細線方向の磁界を印加する磁界印加手段である。そのために、同組の２つの磁石が互いに反発し合う同じ大きさの磁界を発生させる。詳しくは、磁石６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂ，６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂは、それぞれが上向きまたは下向き（＋ｚ方向、−ｚ方向）の所定の一方向の磁界をＯＮ／ＯＦＦ自在に発生させるものであり、同じ構造とすることができるので、特定しない場合には磁石６と総称する。このような磁石６は、例えば、磁気記録ヘッドに適用される薄膜コイルや積層コイルを備える電磁石である（図示省略）。磁石６は、磁性細線１１に対面させた磁極（コア）のｙ方向長が磁性細線１１の細線幅以上であることが好ましい。なお、本明細書において磁石６の配置とは、磁性細線１１に対面させた磁極の配置を指し、また、図面においては簡略化して磁極のみを表す。さらに、ｘ方向に隣り合う磁石６１ｆと磁石６１ｂは、互いに逆向きの磁界を同時に発生させ、一方がＮ極を、他方がＳ極を、それぞれ磁性細線１１に対面させている。したがって、磁石６１ｆ，６１ｂをまとめて、適宜、磁石対６１と称する。磁石６２ｆ，６２ｂ、磁石６３ｆ，６３ｂ、および磁石６４ｆ，６４ｂもそれぞれ同様に、磁石対６２、磁石対６３、磁石対６４と称する。

ここで、磁石６１ｆ，６２ｆ，６１ｂ，６２ｂが磁界を発生させている状態について、図３、図４、および図５を参照して説明する。上下（ｚ方向）に対向する磁石６１ｆ，６２ｆ同士、磁石６１ｂ，６２ｂ同士が、互いに反発し合う磁界＋Ｈ_z，−Ｈ_zを発生させると、図３に磁力線として表すように、前記対向する磁石同士の中間点を含むｘｙ面（ｚ＝０面と称する）に、前記中間点から放射状に広がる磁界が発生する。詳しくは、図４に示すように配置した磁石６１ｆ，６２ｆについて実行したシミュレーションによれば、このｚ＝０面においては、図５（ａ）に示すように、ｚ成分の磁界が０となり、一方、前記中間点の近傍に、±ｘ，±ｙ各成分の磁界が生成される。なお、図５に表示する数値は磁界（単位：Ａ／ｍ）である。さらに、Ｓ極同士を対向させた磁石６１ｂ，６２ｂとＮ極同士を対向させた磁石６１ｆ，６２ｆとがｘ方向に狭い間隙を空けて並んで配置されていることにより、ｚ＝０面における前記間隙に、磁石６１ｆ，６２ｆ、磁石６１ｂ，６２ｂの各１組のみによって生成される±ｘ成分の磁界（図５（ａ）参照）に対して格段に大きな−ｘ方向の磁界−Ｈ_effが発生する。この磁界−Ｈ_effは、図５（ｂ）に示すように、特に、前記間隙の中心で最大となる。なお、シミュレーションにおける磁石６（６１ｆ，６２ｆ，６１ｂ，６２ｂ）は、ｘ方向長Ｌ_Mが２０ｎｍ、ｙ方向長が６０ｎｍ、飽和磁束密度が１Ｔの永久磁石である。そして、磁石６１ｆ−６１ｂ、磁石６２ｆ−６２ｂの間隙Ｌ_gが６０ｎｍ、対向する磁石６１ｆ，６２ｆ、磁石６１ｂ，６２ｂの間隙ｄが５０ｎｍである。磁石６３ｆ，６４ｆ，６３ｂ，６４ｂについても、図５（ｃ）に示すように、同様に大きい＋ｘ方向の磁界＋Ｈ_effがｚ＝０面に発生する。したがって、磁石６１ｆ，６２ｆ，６１ｂ，６２ｂおよび磁石６３ｆ，６４ｆ，６３ｂ，６４ｂのそれぞれ２組は、その磁力に対して格段に大きな−ｘ方向または＋ｘ方向の磁界を、ｚ＝０面に配置された磁壁移動素子１の磁性細線１１に印加する。このように細線方向の磁界を印加することにより、後記するように電流供給による磁性細線１１における磁壁ＤＷの移動が高速になるので、磁壁移動素子１の書込み速度が高速になる。

磁石６のそれぞれが発生させる磁界＋Ｈ_z，−Ｈ_z（適宜、まとめて磁界Ｈ_zと表す）が大きい、すなわち磁石６の磁力が強いほど、ｘ方向の磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_eff（適宜、まとめて磁界Ｈ_effと表す）が大きい。また、磁石対６１の磁石６１ｆ−６１ｂ（適宜、２極と称する）間の距離（＝間隙Ｌ_g）は、は、０超であれば特に最小値は規定されないが、磁壁ＤＷの厚み（ｘ方向長）以上であることが好ましい。また、ｘ方向の大きな磁界Ｈ_effは、間隙Ｌ_gが過剰に長いと得られず、間隙Ｌ_gが短いほどより大きくなるが、一方で、この磁界Ｈ_effが発生する領域の長さ（＝間隙Ｌ_g）が短いので、磁性細線１１で磁壁ＤＷが移動している時に磁界Ｈ_effを印加される期間が短くなって、その分、効果が低くなる。したがって、間隙Ｌ_gは、磁石６の磁力と併せて、磁壁移動素子１の寸法に応じて設計されることが好ましい。磁石対６２，６３，６４の２極間も同様である。磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effが大きいほど、磁性細線１１における磁壁ＤＷの移動が高速になるが、一方で逆向きの磁界も大きくなるので、後記するように、磁壁静止位置ｐ１−ｐ２間の距離を長くする必要があり、書込みにおける磁壁ＤＷの移動距離が増大して、その分書込時間が長くなる。さらに、磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effが過剰に大きいと、磁壁ＤＷの電流供給による移動を阻害する。

細線方向の磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effは、磁壁移動素子１の書込み時すなわち磁性細線１１において磁壁ＤＷを移動させている時に磁壁ＤＷに印加され、少なくとも磁壁ＤＷが移動を開始した時に印加されていることが好ましい。詳しくは、磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effは、少なくとも、磁性細線１１に磁壁ＤＷを移動させるための電流の供給を開始した時から、この電流によって磁壁ＤＷが電流と逆方向の移動を開始した時までの期間に印加されていることが好ましく、さらにその後、継続して印加されることがより好ましい。そのため、磁石６１ｆ，６１ｂ、磁石６２ｆ，６２ｂはそれぞれ、ｘ方向において、その２極間の距離Ｌ_g（図１１（ａ）に示す領域Ｆ１）に、磁性細線１１における磁壁ＤＷの一方の静止位置を内包するように配置されることが好ましい。具体的には、磁石対６１，６２はその２極の間隙に、少なくとも目標とする静止位置である磁壁静止位置ｐ１を内包することが好ましく、さらに静止位置の誤差を含めた範囲を内包することがより好ましい。本実施形態においては、磁界−Ｈ_effが最大となる２極の中間が磁壁静止位置ｐ１となるように、磁石対６１，６２が配置されている。また、磁石６１ｆ，６２ｆが磁壁ＤＷの移動先である磁壁静止位置ｐ２から適度に距離を空けるように配置されることが好ましい。磁石６１ｆ，６２ｆが磁壁静止位置ｐ２に近過ぎると、磁石６１ｆ，６２ｆから外側に向けたすなわち＋ｘ方向の磁界が電流供給による移動終了後の磁壁ＤＷに作用して、磁壁ＤＷを磁壁静止位置ｐ２から不要に移動させる場合がある。一方で、磁石６１ｆ，６２ｆと磁壁静止位置ｐ２の距離を過剰に空けると、磁壁静止位置ｐ１−ｐ２間の距離が長くなるので、その分書込時間が長くなる。磁石対６１，６２と同様に、磁石対６３，６４は、ｘ方向において、その２極の中間が磁壁静止位置ｐ２となるように配置され、また、磁石６３ｆ，６４ｆが磁壁静止位置ｐ１から適度に距離を空けるように配置されることが好ましい。

（磁性細線における電流供給による磁壁移動）
磁性細線における電流供給による磁壁移動について、図６を参照して説明する。図６では、磁性細線１１（磁化反転可能領域１_SW（図２参照））の磁壁ＤＷを含む部分を細線方向（ｘ方向）に拡大して表す。強磁性体からなる磁性細線１１の磁区Ｄ１，Ｄ２間では、磁化方向が下向きから上向きに急激に切り換わらず、隣り合う磁気モーメントｍ，ｍを同じ向きに揃えようとする交換相互作用が働くため、磁壁ＤＷに配列した磁気モーメントｍが磁区Ｄ１側から磁区Ｄ２側へ少しずつ傾斜している。通常、垂直磁気異方性材料からなる厚さや幅の小さい磁性細線１１は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、磁壁ＤＷにおける磁気モーメントｍが、磁区Ｄ１における下向きから、磁壁面（ｙｚ面）に垂直な細線方向（ｘ方向）に向けて傾斜して磁区Ｄ２において上向きとなるように、ｘｚ面内で１８０°回転する。さらにその際、磁気モーメントｍが磁区Ｄ２側（右）に向く回転（図６（ａ）参照）と磁区Ｄ１側（左）に向く逆回りの回転（図６（ｂ）参照）とが存在する。

このような磁壁ＤＷが生成している磁性細線１１に、磁区Ｄ２の側から−ｘ方向に電流を供給すると、磁区Ｄ１の側から、磁区Ｄ１の下向きの磁気モーメントｍにより同じ下向きのスピンを持つ電子ｅ^-が弁別されて偏って注入される。電子ｅ^-は、白抜き矢印で示すように電流の向きとは逆の＋ｘ方向に、磁区Ｄ１から磁壁ＤＷを経由して磁区Ｄ２へ移動する。すると、電子ｅ^-は、磁壁ＤＷにおいて、磁気モーメントｍによって同じ向きに回転させられ、また、その際に角運動量が変化する。すなわち、図６（ａ）においては、電子ｅ^-は、磁壁ＤＷを磁区Ｄ１側から磁区Ｄ２側へ、ｘｚ面内で反時計回りに１８０°回転しながら移動する。そして、磁気モーメントｍに、角運動量保存則により電子ｅ^-から角運動量を受け渡されて、電子ｅ^-の回転と逆向きに回転する力が働き（スピントルクトランスファー効果）、磁性細線１１に供給された電流の電流密度が閾値以上である場合には、磁気モーメントｍが時計回りに回転する。その結果、見かけ上、磁壁ＤＷが電子ｅ^-と同じ＋ｘ方向に移動して、後側の磁区Ｄ１が伸長し、前側の磁区Ｄ２が短縮する。図６（ｂ）に示す磁壁ＤＷにおいては、電子ｅ^-がｘｚ面内で時計回りに回転しながら＋ｘ方向に移動し、その際に、磁気モーメントｍが反時計回りに回転するので、同様に、見かけ上、磁壁ＤＷが＋ｘ方向に移動する。また、注入される電子ｅ^-の数が多いほど、磁気モーメントｍの回転角が大きくなるので、磁壁ＤＷの移動距離が大きくなる。したがって、供給される電流の電流密度が高いほど、磁壁ＤＷの移動が高速になる。そして、磁性細線１１への電流供給のみによって磁壁ＤＷを移動させる場合、電流の電流密度と供給時間によって、磁壁ＤＷの移動距離が決定される。

さらに、磁性細線１１に、細線方向（＋ｘ方向、−ｘ方向）の磁界を印加しながら、電流を−ｘ方向に供給したときの磁壁ＤＷの移動を、スピントランスファートルク項を有するＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式を用いたシミュレーションにより観察する。磁性細線１１はここでは、厚さ２０ｎｍ、幅６０ｎｍ、長さ（ｘ方向長）１５００ｎｍとし、磁気特性を、飽和磁化：０．２５Ｔ、一軸異方性Ｈ_k：７．０６×１０⁵Ａ／ｍ、交換スティフネス：１．２×１０^-11Ｊ／ｍ、ギルバート減衰定数：０．０２に設定した。シミュレーションのセルサイズは４×４×４ｎｍ³とした。また、磁界の影響をわかり易くするために、１６すなわち８組の磁石６を、図７に示すように、ｘ方向に等間隔に並べて配置し、１組ずつ交互に極性を入れ替えた。なお、図７では、図中左（磁壁ＤＷの進行方向後方）から１、２組目の磁石６は省略する。磁石６のそれぞれは、図４および図５に示したシミュレーションと同様、ｘ方向長Ｌ_Mが２０ｎｍ、ｙ方向長が６０ｎｍの永久磁石である。そして、ｘ方向に並んだ磁石６−６の間隙Ｌ_gが６０ｎｍ、対向する磁石６，６の間隙ｄが５０ｎｍである。磁性細線１１には１つの磁壁ＤＷがｘ方向略中心に生成し、サンプルＡとして、図７（ａ）に示すように、磁壁ＤＷが初期状態で、Ｓ極同士、Ｎ極同士が対向した２組の磁石６が後ろから前へ順に並んだ間隙の中心に配置されるように設定した。また、サンプルＢとして、図７（ｂ）に示すように、磁壁ＤＷが、Ｎ極同士、Ｓ極同士が対向した２組の磁石６が後ろから前へ順に並んだ間隙におけるＳ極同士が対向した組の磁石６の後端に配置されるように設定した。サンプルＡについては、磁石６の飽和磁束密度を、０．５Ｔ，１Ｔ，２Ｔの３通りに、サンプルＢについては、磁石６の飽和磁束密度を１Ｔに、それぞれ設定した。また、比較例として、磁性細線１１のみで磁石のない（飽和磁束密度０Ｔの）サンプル（ｒｅｆ．）を設定した。

各サンプルの磁性細線１１に、その一端から−ｘ方向に９．１×１０⁷Ａ／ｃｍ²の電流を、パルス幅０．８ｎｓのパルス電流として１パルス供給して停止し、すなわち０．８ｎｓ供給した。シミュレーションにより、磁性細線１１全体の磁化の平均値を０．０１ｎｓ毎に算出し、電流の供給開始時を０とした時間の経過に伴う磁性細線１１の磁化の変化を表すグラフを図８（サンプルＡ）、図９（サンプルＢ）に示す。また、磁壁ＤＷの＋ｘ方向の移動に伴い、下向きの磁化方向の磁区Ｄ１がｘ方向に拡張することから、磁性細線１１の平均磁化から磁壁ＤＷの移動距離を算出して、図８、図９にそれぞれ併記する。

図８に示すように、磁石６を設けない（飽和磁束密度０Ｔの）サンプルｒｅｆ．は、電流を供給されている０．８ｎｓの間、磁壁ＤＷが、＋ｘ方向に一定の速度（電流供給時移動速度）で移動した。これに対して、飽和磁束密度０．５Ｔ，１Ｔの磁石６により、電流の供給開始時に磁壁ＤＷに−ｘ方向の磁界が印加されるサンプルＡは、電流の供給を開始されると、磁壁ＤＷが、初めに、電流供給時移動速度よりも高速で移動し、その後、電流供給時移動速度よりも低速での移動に切り替わり、さらに再び高速での移動、と電流を供給されている間、移動速度を交互に切り替えながら＋ｘ方向に移動した。詳しくは、磁壁ＤＷが、−ｘ方向の磁界が印加されている期間は高速で、＋ｘ方向の特に大きな磁界が印加されている期間は低速で、それぞれ移動した。高速の移動速度が電流供給時移動速度に対して大幅に高速であるため、０．８ｎｓ経過時点の移動距離は、サンプルｒｅｆ．よりも長かった。また、これらのサンプルＡは、電流の供給を停止した後も磁壁ＤＷが移動し、電流の供給停止時の位置近傍で前進と後退を交互に繰り返しながらその移動距離（振幅）が漸減し、最終的には、高速で移動した領域における中心辺りに静止した。これは、磁壁ＤＷが、磁気モーメントｍ（図６参照）に振動が残存した状態で、その近傍の磁石６から磁界を印加されたことで、磁気モーメントｍが回転したことによると推測される。一方、飽和磁束密度２Ｔの磁石６を設けたサンプルＡは、磁壁ＤＷが、開始位置からその近傍で前進と後退を交互に繰り返しながらその移動距離（振幅）が漸減し、最終的に開始位置から移動しなかった。

図８に示すグラフから、磁壁ＤＷの移動速度を近似的に求め、電流供給時移動速度を１とした、磁石の飽和磁束密度依存性のグラフを図１０に示す。磁石の飽和磁束密度０．５Ｔ，１ＴのサンプルＡについては、磁性細線平均磁化が約−０．０３〜−０．０４の範囲から高速の移動速度ｖ_Hを、約−０．０４７近傍から低速の移動速度ｖ_Lを得た。また、磁性細線平均磁化が−０．０１７（０ｎｓ）〜−０．０５７の範囲を移動するのに要した時間から、平均移動速度ｖ_AVEを算出した。磁石の飽和磁束密度２ＴのサンプルＡについては、時間０〜０．０２ｎｓの範囲から高速の移動速度ｖ_Hを得た。図１０に示すように、磁石の飽和磁束密度が高い、すなわち印加磁界が大きいほど、磁壁ＤＷの高速での移動速度がより高速になった。一方、印加磁界が大きいほど、磁壁ＤＷの低速での移動速度がわずかに低速になる傾向が観察されたが、高速での移動速度の差に対して極めて小さかった。したがって、電流を供給した０．８ｎｓの期間における磁壁ＤＷの移動距離は、磁石の飽和磁束密度１Ｔ以下において、磁界が大きいほど長く、効果が高かった。

一方、図９に示すように、電流の供給開始時に磁壁ＤＷに＋ｘ方向の磁界が印加されるサンプルＢは、磁壁ＤＷが、電流の供給開始直後に−ｘ方向へ後退し、その後、＋ｘ方向に高速で移動し、以降は、サンプルＡと同様に、電流を供給されている間、移動速度を交互に切り替えながら＋ｘ方向に移動した。詳しくは、磁壁ＤＷが、＋ｘ方向の磁界が印加されている期間は高速で、−ｘ方向の特に大きな磁界が印加されている期間は低速で、それぞれ移動した。

図８および図９から、磁性細線１１に生成している磁壁ＤＷは、磁性細線１１の磁化容易軸（ｚ方向）に直交する、細線方向の磁界を印加されることにより、電流の供給による移動速度が高速になって、移動距離を長くすることができる。さらに、電流の供給開始時に磁壁ＤＷに印加されている方向と同じ方向の磁界によって、移動速度が高速になり、この磁界は、細線方向であれば、＋ｘ方向、−ｘ方向のいずれでも効果がある。ただし、図９に示すように、電流の供給開始時に、磁壁ＤＷを移動させようとする方向、すなわち電子ｅ^-の移動方向と同じ方向の磁界を印加されると、供給開始直後に磁壁ＤＷが後退してから前進を開始する。したがって、磁壁ＤＷを移動させる方向と逆向きの磁界を移動開始時の磁壁ＤＷに印加するように、磁石６を配置することが好ましい。

（磁石付き磁壁移動素子の書込方法）
本実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子の書込方法について、図１１、および適宜図２を参照して説明する。なお、図１１においては、磁壁移動素子１の障壁層３および副磁化固定層２３を省略する。まず、図２（ａ）に示す、磁壁ＤＷが磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１に静止している状態から、図２（ｂ）に示すように磁壁静止位置ｐ２に静止した状態に遷移させる。磁石６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂのコイルに所定の大きさの電流を供給して磁界を発生させて、図１１（ａ）に示すように、−ｘ方向の磁界−Ｈ_effを磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１近傍領域に印加する。なお、このとき、磁石６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂは、コイルに電流を供給されておらず、磁界を発生させていないことから破線で表す。そして、第１電極５１を「−」、第２電極５２を「＋」として、磁化固定層２１，２２を経由して磁性細線１１に電流Ｉ_wを−ｘ方向に供給する。これにより、下向きのスピンを持つ電子ｅ^-が磁性細線１１の磁区Ｄ１に注入されて＋ｘ方向に移動する。図６を参照して説明したように、磁性細線１１における電子ｅ^-の移動に伴い磁壁ＤＷが＋ｘ方向に移動するが、磁界−Ｈ_effが印加されている領域Ｆ１を移動する期間は、電流Ｉ_wの供給のみによる磁壁ＤＷの移動速度（以下、電流供給時移動速度と称する）よりも高速で移動する。

磁壁ＤＷは、領域Ｆ１を通過して、さらに磁石６１ｆ，６２ｆ間を通過すると、磁石６１ｆ，６２ｆにより＋ｘ方向の磁界＋Ｈ_eff´を印加されることにより、電流供給時移動速度よりも低速に移動速度が変化する。磁壁ＤＷは、この磁界＋Ｈ_eff´を印加される領域Ｆ２を通過すると、電流供給時移動速度で、または電流供給時移動速度よりも高速で移動する。このとき、磁壁ＤＷは、磁界が＋ｘ方向、−ｘ方向共に印加されていないが、領域Ｆ１を移動した時に印加された磁界−Ｈ_effが十分に大きい場合、磁気モーメントの残存している振動が電子ｅ^-のスピントルクによる回転を回復させて、領域Ｆ１を移動していた時の状態にある程度近付くと推測される。その後は、磁壁ＤＷの移動と共に時間が経過して磁気モーメントの回転の振動が減衰して、次第に減速して電流供給時移動速度に近付き、最終的には電流供給時移動速度で移動する。そして、磁壁ＤＷが磁壁静止位置ｐ２に到達する時点に合わせて電流Ｉ_wの供給を停止すると、磁壁ＤＷが、移動を停止して磁壁静止位置ｐ２で静止する。さらに、磁石６のコイルへの電流の供給を停止して、磁界の印加を停止する。

本実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子１０においては、磁壁ＤＷの移動が一時的に減速するが、その原因である＋ｘ方向の磁界＋Ｈ_eff´が磁界−Ｈ_effよりも小さいため、磁壁静止位置ｐ１−ｐ２間全体の移動は電流供給時移動速度での移動よりも短時間で完了する。なお、電流Ｉ_wの供給を停止した時点で磁壁ＤＷが領域Ｆ２から退出していないと、電流Ｉ_wの供給を停止した瞬間に、磁気モーメントが、電子ｅ^-のスピントルクを受けなくなったことで、残留する振動と磁界＋Ｈ_eff´によって逆向きに回転して−ｘ方向に後退する等、振動が消失するまで静止しない場合がある。その結果、磁壁ＤＷの静止位置を電流Ｉ_wの供給時間で正確に制御することが困難になる。

図２（ｂ）に示す、磁壁ＤＷが磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ２に静止している状態から、図２（ａ）に示すように磁壁静止位置ｐ１に静止した状態に遷移させるためには、磁石６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂのコイルに電流を供給して、図１１（ｂ）に示すように、＋ｘ方向の磁界＋Ｈ_effを磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ２近傍領域に印加する。このとき、磁石６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂは、磁界を発生させていないことから破線で表す。そして、第１電極５１を「＋」、第２電極５２を「−」として、磁化固定層２１，２２を経由して磁性細線１１に電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給する。これにより、上向きのスピンを持つ電子ｅ^-が磁性細線１１の磁区Ｄ２に注入されて−ｘ方向に移動する。すると、磁壁ＤＷが図１１（ａ）に示す＋ｘ方向の移動とは、移動方向が−ｘ方向に反転する以外は同様の挙動で移動する。すなわち、磁壁ＤＷに磁界＋Ｈ_effが印加されている領域Ｆ３を移動する期間は、電流供給時移動速度よりも高速で移動し、−ｘ方向の磁界−Ｈ_eff´が印加されている領域Ｆ４を移動する期間は、電流供給時移動速度よりも低速で移動し、さらに領域Ｆ４を通過した後は再び高速で移動して、その後次第に減速して電流供給時移動速度に近付く。そして、磁壁ＤＷが磁壁静止位置ｐ１に到達する時点に合わせて電流Ｉ_wの供給を停止すると、磁壁ＤＷが磁壁静止位置ｐ１で静止し、さらに磁石６のコイルへの電流の供給を停止する。

このように、磁性細線１１に供給する電流Ｉ_wの向きに合わせて、磁石６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂまたは磁石６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂに磁界を発生させることにより、磁壁ＤＷを高速で移動させて書込時間を短縮することができる。なお、磁性細線１１は、電流Ｉ_wを供給されている時には常に磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effの所定の一方を印加されているようにする。すなわち、所定の４つの磁石６は、電流Ｉ_wの供給開始と同時にまたはその前にコイルへの電流の供給を開始され、電流Ｉ_wの供給終了と同時にまたはその後にコイルへの電流の供給を停止される。また、書込みにおける磁壁ＤＷの移動距離（磁壁静止位置ｐ１−ｐ２間距離）が数十ｎｍ〜１μｍ程度であれば、電流密度等にもよるが、電流Ｉ_wの供給時間は０．１ｎｓ〜１００ｎｓ程度であり、このような極めて短時間の直流電流を供給するために、パルス電流が好ましい。

（磁気メモリ）
磁石付き磁壁移動素子１０は、図１２（ａ）に示す磁気メモリ９０に配列されたメモリセル９の磁気抵抗効果素子として搭載される。なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）においては、簡潔に説明するために、２列×２行の４つのメモリセル９（９Ａ）を示し
、また、磁壁移動素子１を、抵抗器と可変抵抗器の図記号を組み合わせて表す。また、磁石対６１，６２，６３，６４をそれぞれ１つの電磁石の図記号で表す。メモリセル９は、磁石付き磁壁移動素子１０と共に、磁壁移動素子１の第１電極５１に接続するトランジスタ７１と、第２電極５２に接続するトランジスタ７２と、を備える。磁気メモリ９０においては、トランジスタ７１を経由して第１電極５１に接続するビット線ＢＬＴと、トランジスタ７２を経由して第２電極５２に接続するビット線ＢＬＢと、を行方向に延設し、同じメモリセル９のトランジスタ７１，７２の各ゲートに共通して入力するワード線ＷＬを列方向に延設する。また、第３電極５３は、ＧＮＤ（０Ｖ）に接続される。さらに磁気メモリ９０は、磁石対６１，６２に共通して接続する配線ＭＬ１Ｐ，ＭＬ１Ｎ、磁石対６３，６４に共通して接続する配線ＭＬ２Ｐ，ＭＬ２Ｎを備える。なお、磁気メモリ９０におけるメモリセル９の配列方向（行方向、列方向）と磁石付き磁壁移動素子１０のｘ，ｙ方向とは一致していなくてよく、例えば、ｘ方向（磁性細線１１の細線方向）がメモリセル９の配列方向に対して４５°傾斜していてもよい。また、磁石付き磁壁移動素子１０は、磁壁移動素子１（磁性細線１１）に電流が供給されていなければ磁壁ＤＷが移動せず書込みがされないので、非選択のメモリセル９で磁石対６１，６２や磁石対６３，６４がＯＮ状態であっても誤書込み等がない。したがって、磁気メモリ９０は、配線ＭＬ１Ｐ，ＭＬ１Ｎ，ＭＬ２Ｐ，ＭＬ２Ｎを列方向（または行方向）に延設して、書込みを選択したメモリセル９と同列の磁石対６１，６２または磁石対６３，６４を同時にＯＮ状態とする。あるいは磁気メモリ９０は、選択したメモリセル９に限定して所定の４つの磁石６をＯＮ状態とするように、配線ＭＬ１Ｐ，ＭＬ１Ｎ，ＭＬ２Ｐ，ＭＬ２Ｎとの接続／切断を切り換えるためのトランジスタまたはダイオードをメモリセル９に備えてもよい（図示せず）。

トランジスタ７１，７２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、Ｓｉ基板の表層に形成される。したがって、Ｓｉ基板を土台として、メモリセル９を配列することができる。ビット線ＢＬＴ，ＢＬＢ、ワード線ＷＬ、および配線ＭＬ１Ｐ，ＭＬ１Ｎ，ＭＬ２Ｐ，ＭＬ２Ｎは、電極５１，５２，５３と同様に金属電極材料で形成される。また、これらの配線間や隣り合うメモリセル９，９のそれぞれの磁性細線１１同士等の間隙には、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の、半導体素子に設けられる公知の無機絶縁材料が充填される。

磁気メモリ９０の書込みは、ビット線ＢＬＴ，ＢＬＢで直流パルス電流を供給し、前記パルス電流の向きに応じて、配線ＭＬ１Ｐ，ＭＬ１Ｎまたは配線ＭＬ２Ｐ，ＭＬ２Ｎで、磁石対６１，６２または磁石対６３，６４のコイルに所定の大きさの磁界Ｈ_zを発生させる電流を供給し、さらにワード線ＷＬでゲート電圧を印加する。なお、ビット線ＢＬＴ，ＢＬＢでは連続電流を供給し、ワード線ＷＬでゲート電圧をパルス入力してもよい。また、磁気メモリ９０の読出しは、書込みと同様にワード線ＷＬでゲート電圧を印加する一方、負極をＧＮＤに接続した定電流源の正極にビット線ＢＬＴ，ＢＬＢを共に接続することで、磁壁移動素子１の電極５１，５２から第３電極５３へ定電流を供給する。

あるいは、磁石付き磁壁移動素子１０は、図１２（ｂ）に示す磁気メモリ９０Ａのメモリセル９Ａに搭載されてもよい。メモリセル９Ａは、磁石付き磁壁移動素子１０と共に、磁壁移動素子１の第１電極５１に接続するトランジスタ７１と、第３電極５３に接続するダイオード７３と、を備える。磁気メモリ９０Ａにおいては、第２電極５２が直接にビット線ＢＬＢに接続し、ダイオード７３を経由して第３電極５３に接続する読出ビット線ＲＢＬを列方向に延設する。このような構造の磁気メモリ９０Ａは、磁気メモリ９０と同様に書込みをすることができる。一方、磁気メモリ９０Ａの読出しは、ゲート電圧を印加せず、ビット線ＢＬＢと読出ビット線ＲＢＬに定電流源（図示省略）を接続して、磁壁移動素子１の第２電極５２から第３電極５３へ定電流を供給する。

（変形例）
磁石付き磁壁移動素子１０の磁壁移動素子１は、磁化固定層２１，２２の下面や副磁化固定層２３の上面等の、最下面および最上面に、必要に応じて、非磁性金属からなる厚さ１〜１０ｎｍ程度の下地膜や保護膜を備えてもよい。また、磁壁移動素子１は、磁性細線１１と磁化固定層２１，２２との界面に、Ｒｕ，Ｔａ等の非磁性金属からなる厚さ１〜１０ｎｍ程度の磁気結合膜を設けてもよい。また、磁壁移動素子１は、障壁層３および副磁化固定層２３が、磁化固定層２１，２２と同じく磁性細線１１の下側に積層されていてもよく、また、第１磁化固定層２１と第２磁化固定層２２が磁性細線１１の上面と下面に接続されていてもよい。また、磁壁移動素子１は、磁性細線１１が磁壁静止位置ｐ１，ｐ２からそれぞれの端まで十分な長さを有する等、書込みにおいて磁壁ＤＷが過剰に移動して消失する虞がなければ、磁化固定層２１，２２を設けなくてよく、この場合、磁性細線１１がその両端近傍に第１電極５１と第２電極５２を直接に接続される。また、磁性細線１１の細線の形状は、直線に限られず、磁壁ＤＷの移動を妨げないような緩やかな曲線を含む形状であってもよい。この場合には、磁壁静止位置ｐ１，ｐ２において細線方向の磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effが印加されるように、磁石６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂ、および磁石６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂをそれぞれ配置する（以上、図示せず）。

上下に対向して組をなす磁石６，６同士は、磁性細線１１から等距離に離間していなくてもよく、距離の離れている方が大きい磁界を発生させて、磁性細線１１においてｚ成分の磁界が０になって、ｘｙ面内方向の磁界が生成されるように設計されればよい。また、磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effが磁壁静止位置ｐ１，ｐ２に印加されればよいので、例えば、磁壁移動素子１の寸法が磁石６に対して小さい場合、両端の磁石６１ｂ，６２ｂおよび磁石６３ｂ，６４ｂは、磁性細線１１に対面せず、磁性細線１１の細線方向延長線沿いに配置されていてもよい。さらに、磁気メモリ９０（９０Ａ）がｘ，ｙ方向にメモリセル９（９Ａ）を配列している場合に、ｘ方向に隣り合う２つのメモリセル９，９の磁石付き磁壁移動素子１０，１０の一方の端の磁石６１ｂ，６２ｂと他方の端の磁石６３ｂ，６４ｂとが共有されていてもよい。また、磁石６が、それぞれの磁極をｙ方向に長く（幅広に）形成して、ｙ方向に隣り合う２以上のメモリセル９のそれぞれの磁石付き磁壁移動素子１０で共有されていてもよい。

また、磁石付き磁壁移動素子１０は、８つの磁石６のそれぞれの一方の極のみを磁性細線１１に対面させる構成としているが、４つの磁石を備えて、それぞれの２極を共に磁性細線１１に対面させる構成としてもよい。すなわち、磁石付き磁壁移動素子１０は、磁石対６１，６２，６３，６４がそれぞれ１つの電磁石で構成され、それぞれの２極が共に磁性細線１１に等距離を空けて対面するように、両端を前記２極とするコアをＵ字型等に形成される。このような構造の電磁石によれば、内部で閉磁路を形成するので、２極間の外側へは磁界が漏れ難い。したがって、磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effがいっそう大きくなり、さらに逆向きの磁界（＋Ｈ_eff´，−Ｈ_eff´）が抑制される。

また、磁石付き磁壁移動素子１０は、磁石６１ｆ，６１ｂ，６２ｆ，６２ｂまたは磁石６３ｆ，６３ｂ，６４ｆ，６４ｂのいずれかのみの４つを備えてもよい。このような磁石付き磁壁移動素子１０は、磁壁ＤＷの高速移動が一方向のみとなる一方、簡易な構造となる。例えば、磁気メモリ９０（９０Ａ）において、すべてのメモリセル９における磁壁移動素子１を同時に同じ方向に磁壁ＤＷを電流供給時移動速度で移動させて、その後、メモリセル９を１列ずつ書き換える際に、磁壁ＤＷを高速で移動させる。このような書込方法によれば、磁石付き磁壁移動素子１０が８つの磁石６を備える場合に対して、磁気メモリ９０全体の書込時間はほとんど変化しない。

〔光変調素子、空間光変調器〕
磁石付き磁壁移動素子１０は、磁壁移動素子１の磁性細線１１にＧｄ−Ｆｅ等の磁気光学材料を適用して、光変調素子とすることができる。この場合には、磁壁移動素子１の障壁層３および副磁化固定層２３は不要である。あるいは、障壁層３および副磁化固定層２３が、磁化固定層２１，２２と同じ磁性細線１１の下側に積層されて、磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１−ｐ２間に光が入射するようにする。さらに、磁石６１ｆ，６２ｆと磁石６３ｆ，６４ｆとの間を十分に空けて開口領域とする。また、磁性細線１１の幅および開口領域のｘ方向長は、入射光の波長にもよるが、２００〜３００ｎｍ程度以上であることが好ましい。さらに、磁性細線１１の厚さが大きいほど光変調度が高くなる。このような磁石付き磁壁移動素子１０を配列して空間光変調器を構成する場合には、図１２（ｂ）に示す磁気メモリ９０Ａからダイオード７３と読出ビット線ＲＢＬを削除すればよい。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子によれば、電流を大きくせずに書込みが高速化されるので、磁性細線が劣化し難く長期の使用が可能となる。さらに、磁性細線の１つの磁壁静止位置を細線方向に挟んだ２箇所のそれぞれに上下１組の磁石を配置した構造として、大きな磁界を発生させるため、磁石の磁力を大きく設計しなくてよい。

〔第２実施形態〕
磁石付き磁壁移動素子の、磁性細線を挟んで対向する上下１組の磁石は、この１組でｘｙ面内に放射状の磁界を発生させ、すなわち＋ｘ方向、−ｘ方向の磁界が含まれる。以下、磁壁静止位置毎に１組の電磁石を設けた本発明の第２実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子について、図１３を参照して説明する。第１実施形態（図１〜１２参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

図１３に示すように、本発明の第２実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子１０Ａは、磁壁移動素子１および４つの磁石（磁界印加手段）６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ，６４Ａを備える。磁壁移動素子１は、第１実施形態にて図２を参照して説明した通りであり、図１３においては、磁壁移動素子１の障壁層３および副磁化固定層２３を省略する。

磁石６１Ａと磁石６２Ａ、磁石６３Ａと磁石６４Ａの組はそれぞれ、磁性細線１１を間に挟んで上と下に配置され、磁壁移動素子１の書込み時にいずれか一組が同時に磁界を発生させる。磁石６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、いずれもＳ極を磁性細線１１に対面させ、したがって、それぞれ第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子１０の磁石６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６４ｂに相当する。このような構成により、図３に示す磁石６１ｂ，６２ｂのように、対向する磁石６１Ａ，６２Ａ（６３Ａ，６４Ａ）同士の中間点を含むｘｙ面（ｚ＝０面）に、前記中間点に放射状に集中する磁界が発生する。この磁界は、前記中間点から遠ざかるにしたがい小さくなり、平面（ｘｙ面）視で磁石６１Ａ，６２ＡのＳ極の外縁において最大となる。したがって、磁石付き磁壁移動素子１０Ａは、平面視で、磁石６１Ａ，６２Ａを、磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１の外側（−ｘ方向側）の磁化反転可能領域１_SW（図２参照）外に、かつ磁石６１Ａ，６２Ａの外縁が磁壁静止位置ｐ１近傍となる位置に配置することが好ましい。このように配置された磁石６１Ａ，６２Ａによって、磁壁静止位置ｐ１に静止している磁壁ＤＷに−ｘ方向の比較的大きな磁界−Ｈ_effが印加される。同様に、磁石６３Ａ，６４Ａを、磁壁移動素子１の磁壁静止位置ｐ２の外側（＋ｘ方向側）の磁化反転可能領域１_SW外に配置することが好ましい。なお、本実施形態において、磁石６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、発生させる磁界Ｈ_zの大きさ（磁力）に対して、磁性細線１１に印加される磁界−Ｈ_eff，＋Ｈ_effが第１実施形態と比較して大きくないので、十分に強い磁力を発生させるように設計される。

（磁石付き磁壁移動素子の書込方法）
本実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子の書込方法について、図１３、および適宜図２を参照して説明する。まず、図２（ａ）に示す、磁壁ＤＷが磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１に静止している状態から、図２（ｂ）に示すように磁壁静止位置ｐ２に静止した状態に遷移させる。磁石６１Ａと磁石６２Ａのコイルに電流を供給して磁界を発生させて、図１３（ａ）に示すように、−ｘ方向の磁界−Ｈ_effを磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１近傍領域に印加する。このとき、磁石６３Ａ，６４Ａは、磁界を発生させていないことから破線で表す。そして、第１実施形態（図１１（ａ）参照）と同様に、第１電極５１を「−」、第２電極５２を「＋」として、磁性細線１１に電流Ｉ_wを−ｘ方向に供給することにより、電子ｅ^-を磁性細線１１の磁区Ｄ１に注入して＋ｘ方向に移動させると、磁壁ＤＷが＋ｘ方向に移動する。磁壁ＤＷは、磁界−Ｈ_effが印加されている領域を移動する期間は、電流供給時移動速度よりも高速で移動し、この領域を通過した後は、次第に減速して電流供給時移動速度に近付く。そして、磁壁ＤＷが磁壁静止位置ｐ２に到達する時点に合わせて電流Ｉ_wの供給を停止すると、磁壁ＤＷが、移動を停止して磁壁静止位置ｐ２で静止する。さらに、磁石６１Ａ，６２Ａのコイルへの電流の供給を停止して、磁界の印加を停止する。

本実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子１０Ａにおいては、磁壁ＤＷは、＋ｘ方向への移動中に移動を阻害する＋ｘ方向の磁界を印加されることがないため、磁石６１Ａ，６２Ａと磁壁静止位置ｐ２との距離を大きく空けなくても、第１実施形態のように、電流Ｉ_wの供給停止直後に磁壁ＤＷが後退する虞がない。ただし、磁界−Ｈ_effが印加されている領域を磁壁ＤＷが移動している時に電流Ｉ_wの供給を停止すると、停止後にさらに＋ｘ方向へ前進する場合がある。したがって、磁壁静止位置ｐ１−ｐ２間距離が短い場合には、磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ１，ｐ２から端までにおける磁化方向を固定するために、磁壁移動素子１が第１磁化固定層２１および第２磁化固定層２２を備えることが好ましい。

図２（ｂ）に示す、磁壁ＤＷが磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ２に静止している状態から、図２（ａ）に示すように磁壁静止位置ｐ１に静止した状態に遷移させるためには、磁石６３Ａと磁石６４Ａのコイルに電流を供給して、図１３（ｂ）に示すように、＋ｘ方向の磁界＋Ｈ_effを磁性細線１１の磁壁静止位置ｐ２近傍領域に印加する。このとき、磁石６１Ａ，６２Ａは、磁界を発生させていないことから破線で表す。そして、第１実施形態（図１１（ｂ）参照）と同様に、第１電極５１を「＋」、第２電極５２を「−」として、磁性細線１１に電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給することにより、電子ｅ^-を磁性細線１１の磁区Ｄ２に注入して−ｘ方向に移動させる。すると、磁壁ＤＷが図１３（ａ）に示す＋ｘ方向の移動とは、移動方向が−ｘ方向に反転する以外は同様の挙動で移動する。すなわち、磁壁ＤＷに磁界＋Ｈ_effが印加されている領域を移動する期間は、電流供給時移動速度よりも高速で移動し、この領域を通過した後は、次第に減速して電流供給時移動速度に近付く。そして、磁壁ＤＷが磁壁静止位置ｐ１に到達する時点に合わせて電流Ｉ_wの供給を停止すると、磁壁ＤＷが磁壁静止位置ｐ１で静止し、さらに磁石６３Ａ，６４Ａのコイルへの電流の供給を停止する。このように、第１実施形態と同様に、磁性細線１１に供給する電流Ｉ_wの向きに合わせて、磁石６１Ａ，６２Ａまたは磁石６３Ａ，６４Ａに磁界を発生させることにより、磁壁ＤＷを高速で移動させて書込時間を短縮することができる。

（磁気メモリ、光変調素子および空間光変調器）
磁石付き磁壁移動素子１０Ａは、磁石付き磁壁移動素子１０と同様に、図１２（ａ）、（ｂ）に示す磁気メモリ９０，９０Ａに配列されたメモリセル９，９Ａの磁気抵抗効果素子として搭載される。また、磁石付き磁壁移動素子１０Ａは、光変調素子として、配列して空間光変調器を構成することができる。なお、磁気メモリ９０（９０Ａ）がｘ，ｙ方向にメモリセル９（９Ａ）を配列している場合に、ｘ方向に隣り合う２つのメモリセル９，９の磁石付き磁壁移動素子１０Ａ，１０Ａの一方の磁石６１Ａ，６２Ａと他方の端の磁石６３Ａ，６４Ａとが共有されていてもよい。また、第１実施形態と同様、６１Ａ，６２Ａ，６３Ａ，６４Ａが、それぞれの磁極をｙ方向に長く（幅広に）形成して、ｙ方向に隣り合う２以上のメモリセル９のそれぞれの磁石付き磁壁移動素子１０Ａで共有されていてもよい。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子によれば、第１実施形態と同様に書込みが高速化され、かつ長期間の使用が可能となり、さらにサイズを縮小し易い。

本発明の効果を確認するために、本発明の第１実施形態に係る磁石付き磁壁移動素子を模擬したサンプルによる、スピントランスファートルク項を有するＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式を用いたシミュレーションを実行した。磁壁移動素子に代えて、厚さ２０ｎｍ、幅６０ｎｍ、長さ（ｘ方向長）１５００ｎｍの磁性細線のみのサンプルとし、磁性細線の磁気特性は、飽和磁化：０．２５Ｔ、一軸異方性Ｈ_k：７．０６×１０⁵Ａ／ｍ、交換スティフネス：１．２×１０^-11Ｊ／ｍ、ギルバート減衰定数：０．０２に設定した。また、シミュレーションのセルサイズは４×４×４ｎｍ³とした。そして、図４に示すように、磁性細線１１を間に挟んでｚ方向に２つの永久磁石（磁石６）のＳ極同士を対向させた組（６１ｂ，６２ｂ）を磁壁ＤＷの−ｘ方向側に、Ｎ極同士を対向させた組（６１ｆ，６２ｆ）を磁壁ＤＷの＋ｘ方向側に、計２組４つ配置した。磁石は、ｙ方向長が磁性細線１１と同じ６０ｎｍ、ｘ方向長Ｌ_Mが２０ｎｍであり、対向する磁石同士（Ｎ極同士、Ｓ極同士）の間隙ｄが５０ｎｍ、２組の磁石の間隙Ｌ_gが６０ｎｍである。また、磁性細線１１に生成された１つの磁壁ＤＷが、初期状態で２組の磁石の間隙の中心に配置されているように設定した。磁石の飽和磁束密度が０．５Ｔ，１Ｔ，２Ｔの３通りのサンプル（Ｎｏ．１〜３）を設定し、また、比較例として、磁石のない（飽和磁束密度０Ｔの）サンプル（Ｎｏ．５）を設定した。

各サンプルの磁性細線に、その一端から−ｘ方向に９．１×１０⁷Ａ／ｃｍ²の電流を、パルス幅０．８ｎｓのパルス電流として１パルス供給して停止し、すなわち０．８ｎｓ供給した。また、磁石の飽和磁束密度１Ｔのサンプルで電流を供給しない場合（Ｎｏ．４）についてもシミュレーションを実行した。シミュレーションにより、磁性細線全体の磁化の平均値を０．０１ｎｓ毎に算出し、電流の供給開始時を０とした時間の経過に伴う磁性細線の磁化の変化を表すグラフを図１４に示す。また、磁壁の＋ｘ方向の移動に伴い、下向きの磁化方向の磁区がｘ方向に拡張することから、磁性細線の磁化から磁壁の移動距離を算出して、図１４に併記する。

また、飽和磁束密度１Ｔの磁石の間隙Ｌ_gを２０ｎｍ、８０ｎｍに変化させたサンプル（Ｎｏ．６，７）についても、同様にパルス電流を供給したシミュレーションを実行した。これらのサンプルも、磁壁ＤＷが、初期状態で２組の磁石の間隙の中心に配置されているように設定した。間隙Ｌ_gが６０ｎｍのサンプル（Ｎｏ．２）、および磁石のないサンプル（Ｎｏ．５）と共に、磁性細線の磁化の変化を表すグラフを図１５に示す。

図１４に示すように、飽和磁束密度０．５Ｔ，１Ｔの磁石を設けて電流を供給すると、磁壁ＤＷが、移動開始位置（２組の磁石の間隙の中心）から＋ｘ方向側の１組の磁石の近傍まで、磁石のない比較例（Ｎｏ．５）よりも高速で移動し、一旦、低速になってから再び高速で移動して、その後、次第に減速して比較例の移動速度に近付き、電流を供給している間、＋ｘ方向に移動することが観察された。また、高速での移動速度は、磁石の飽和磁束密度が高いほど、すなわち磁界が大きいほど高速であった。ただし、飽和磁束密度２Ｔの磁石を設けたサンプル（Ｎｏ．３）は、磁壁ＤＷが、開始位置からその近傍で前進と後退を交互に繰り返しながらその移動距離（振幅）が漸減し、最終的に開始位置から移動しなかった。なお、磁石の飽和磁束密度０．５Ｔのサンプル（Ｎｏ．１）は、電流の供給停止後に磁壁ＤＷが後退して、再び前進した。これは、電流の供給を停止した時点で、磁壁ＤＷが＋ｘ方向側の１組の磁石に近いために磁界の影響を受けたことに起因すると推測される。また、磁石を設けても電流を供給しなければ（Ｎｏ．４）磁壁ＤＷが移動しないことが観察され、磁石による外部磁界自体は磁壁ＤＷを移動させるものではない。このように、磁性細線１１の磁壁ＤＷが生成している領域に局所的に細線方向の磁界を印加することにより、電流供給による磁壁ＤＷの移動速度が高速になり、また、磁壁ＤＷが磁界を印加される領域から退出した後もある程度の期間、その効果が持続することが確認された。

また、図１５に示すように、２組の磁石の間隙Ｌ_gが２０〜８０ｎｍの範囲においては間隙が長いほど、磁壁ＤＷが高速で移動する領域が長くなるので、電流を供給していた０．８ｎｓで移動した距離が長くなる。ただし、２組の磁石の間隙Ｌ_gが８０ｎｍ（Ｎｏ．７）の場合には、電流の供給停止後に磁壁ＤＷが後退して、開始位置近傍で前進と後退を交互に繰り返した。これは、電流の供給を停止した時点で、磁壁ＤＷが＋ｘ方向側の１組の磁石に近いために磁界の影響を受けたことに起因すると推測され、電流の供給時間を２．０ｎｓに延長して（Ｎｏ．８）磁壁ＤＷの電流による移動距離を長くすると、磁壁ＤＷが電流の供給停止時からほぼ移動しないことが観察された。

以上、本発明に係る磁壁移動素子および磁気メモリを実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１０，１０Ａ 磁石付き磁壁移動素子（磁壁移動素子）
１ 磁壁移動素子
１１ 磁性細線
６１ｆ，６１ｂ，６１Ａ 磁石（磁界印加手段）
６２ｆ，６２ｂ，６２Ａ 磁石（磁界印加手段）
６３ｆ，６３ｂ，６３Ａ 磁石（磁界印加手段）
６４ｆ，６４ｂ，６４Ａ 磁石（磁界印加手段）
９０，９０Ａ 磁気メモリ
９，９Ａ メモリセル

Claims (5)

1. 垂直磁気異方性材料を細線状に形成してなる磁性細線を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性細線に生成している磁壁が前記電流と逆向きに移動する磁壁移動素子であって、
   前記磁性細線またはその細線方向延長線を上下から挟むように対向して互いに反発し合う磁界を発生させる２つ１組の磁界印加手段をさらに備え、前記磁界印加手段の組が前記磁界を発生させることによって、前記磁性細線に細線方向の磁界を印加することを特徴とする磁壁移動素子。
2. 前記磁界印加手段の組を、前記磁性細線の細線方向に２以上備え、
   前記磁界印加手段の２つの組は、同時に互いに逆向きの磁界を発生させることを特徴とする請求項１に記載の磁壁移動素子。
3. 前記磁界印加手段の組は、前記細線方向の磁界を、少なくとも、前記磁性細線に予め設定された磁壁の静止位置に印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁壁移動素子。
4. 前記垂直磁気異方性材料が磁気光学材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子をメモリセルに備える磁気メモリ。

Images