JP6965760B2 - Magnetic wall moving type magnetic recording element - Google Patents

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Description

本発明は、磁壁移動型磁気記録素子に関する。 The present invention relates to a magnetic domain wall moving magnetic recording element.

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型の磁気記録装置に注目が集まっている。磁気記録装置の一例としては、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、ReRAM(Resistance Randome Access Memory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)等がある。 As a next-generation non-volatile memory that replaces flash memory and the like whose miniaturization has reached its limit, attention is focused on resistance-changing magnetic recording devices that store data using resistance-changing elements. Examples of the magnetic recording device include MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), ReRAM (Resistance Random Access Memory), PCRAM (Phase Change Random Access Memory), and the like.

メモリの高密度化(大容量化)の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法のほかに、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法がある。 As a method of increasing the density (increasing capacity) of the memory, there is a method of reducing the size of the element itself constituting the memory and a method of increasing the value of the recording bit per element constituting the memory.

特許文献1には、磁気記録層内における磁壁を移動させることで、多値のデータを記録することができる磁壁移動型磁気記録素子が記載されている。特許文献1には、磁気記録層内にトラップサイトを設けることで、多値のデータ記録が安定化することが記載されている。 Patent Document 1 describes a domain wall moving type magnetic recording element capable of recording multi-valued data by moving the domain wall in the magnetic recording layer. Patent Document 1 describes that the provision of a trap site in the magnetic recording layer stabilizes multi-valued data recording.

特許第5441005号公報Japanese Patent No. 5441005

特許文献1に記載の磁壁移動型磁気記録素子は、磁気記録層の側面に凹凸が設けられている。凹凸は磁壁のトラップサイトとして機能し、磁壁の位置を制御する。しかしながら、磁気記録層に物理的な凹凸を設けると凹部に電流集中が生じる場合がある。電流集中は発熱の原因となり、素子の動作を不安定にし、データの信頼性を低下させる。また特許文献1には、磁気記録層の強磁性体の積層面にトラップサイトを設けることも記載されているが、強磁性体の磁化安定性を低下させ、ノイズの原因となる。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element described in Patent Document 1 is provided with irregularities on the side surface of the magnetic recording layer. The unevenness functions as a trap site for the domain wall and controls the position of the domain wall. However, if the magnetic recording layer is provided with physical irregularities, current concentration may occur in the recesses. Current concentration causes heat generation, destabilizes the operation of the element, and reduces the reliability of data. Further, Patent Document 1 also describes that a trap site is provided on the laminated surface of the ferromagnet in the magnetic recording layer, but it lowers the magnetization stability of the ferromagnet and causes noise.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁壁の移動を所定の範囲内で安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a domain wall moving type magnetic recording element capable of stably controlling the movement of a domain wall within a predetermined range.

(1)第1の態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性体を含む第1強磁性層と、前記第1強磁性層の積層方向と交差する第1の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第1強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備える記録部と、前記磁気記録層の前記第1強磁性層と反対側に位置し、前記磁気記録層の磁壁の動きを制御するための複数の磁気トラップ部を有する磁気トラップ層と、前記磁気トラップ層と前記磁気記録層との間に挟まれ、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の面を平坦化する平坦化層と、を備える制御部と、を備える。 (1) The magnetic wall moving type magnetic recording element according to the first aspect extends in a first direction intersecting the first ferromagnetic layer containing a ferromagnetic material and the stacking direction of the first ferromagnetic layer. A recording unit including a magnetic recording layer including a magnetic wall and a non-magnetic layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the magnetic recording layer, which is opposite to the first ferromagnetic layer of the magnetic recording layer. The magnetic trap layer is located on the side and has a plurality of magnetic trap portions for controlling the movement of the magnetic wall of the magnetic recording layer, and is sandwiched between the magnetic trap layer and the magnetic recording layer. A control unit including a flattening layer for flattening the surface on the magnetic recording layer side of the above.

(2)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の表面が凹凸形状であってもよい。 (2) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the surface of the magnetic trap layer on the magnetic recording layer side may have an uneven shape.

(3)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁気トラップ層は、磁気トラップ部と前記磁気トラップ部より磁壁の動きを制御する力の弱い非磁気トラップ部とを、前記第1の方向に交互に有してもよい。 (3) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the magnetic trap layer includes a magnetic trap portion and a non-magnetic trap portion having a weaker force to control the movement of the magnetic wall than the magnetic trap portion. It may be held alternately in the direction.

(4)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記複数の磁気トラップ部が前記第1の方向に周期的に存在してもよい。 (4) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the plurality of magnetic trap portions may periodically exist in the first direction.

(5)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記複数の磁気トラップ部は、磁壁の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する第1磁気トラップ部を有してもよい。 (5) In the magnetic wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the plurality of magnetic trap units may have a first magnetic trap unit that controls the movement of the magnetic wall more strongly than other magnetic trap units.

(6)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第1磁気トラップ部は、前記第1強磁性層より前記第1の方向に平面視内側に位置してもよい。 (6) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the first magnetic trap portion may be located inside the plan view in the first direction from the first ferromagnetic layer.

(7)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第1磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より前記第1の方向に長くてもよい。 (7) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the first magnetic trap portion may be longer in the first direction than the other magnetic trap portions.

(8)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第1磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より積層方向の厚みが厚くてもよい。 (8) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the first magnetic trap portion may be thicker in the stacking direction than the other magnetic trap portions.

(9)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第1磁気トラップ部を構成する材料は、前記他の磁気トラップ部を構成する材料と異なってもよい。 (9) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the material constituting the first magnetic trap portion may be different from the material constituting the other magnetic trap portion.

(10)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気トラップ層が硬磁性体を有し、前記硬磁性体が磁気トラップ部をなしてもよい。 (10) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the magnetic trap layer may have a hard magnetic material, and the hard magnetic material may form a magnetic trap portion.

(11)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気トラップ層が軟磁性体を有し、前記硬磁性体が非磁気トラップ部をなしてもよい。 (11) In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the magnetic trap layer may have a soft magnetic material, and the hard magnetic material may form a non-magnetic trap portion.

(12)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記記録部が複数あり、前記制御部を構成する磁気トラップ層の磁気トラップ部が、複数の前記磁気記録層を横断していてもよい。 (12) The magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect has a plurality of the recording units, and the magnetic trap units of the magnetic trap layers constituting the control unit may traverse the plurality of the magnetic recording layers. ..

(13)上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第2強磁性層を備えてもよい。 (13) The magnetic domain wall moving type magnetic recording element according to the above aspect may include a second ferromagnetic layer that reflects the magnetization state of the magnetic recording layer between the magnetic recording layer and the non-magnetic layer.

上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子によれば、安定的に磁壁の移動範囲を制御できる。 According to the magnetic wall moving type magnetic recording element according to the above aspect, the moving range of the magnetic wall can be controlled stably.

第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which shows typically the magnetic domain wall moving type magnetic recording element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁気トラップ層をz方向から平面視した図である。FIG. 5 is a plan view of the magnetic trap layer of the magnetic domain wall moving magnetic recording element according to the first embodiment from the z direction. 第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の磁気トラップ層をz方向から平面視した図である。It is a figure which looked at the magnetic trap layer of another example of the magnetic domain wall moving type magnetic recording element which concerns on 1st Embodiment in a plan view from the z direction. 第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which shows typically another example of the magnetic domain wall moving type magnetic recording element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which shows typically another example of the magnetic domain wall moving type magnetic recording element which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the magnetic domain wall movable type magnetic recording element which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。It is sectional drawing of another example of the magnetic domain wall movable type magnetic recording element which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。It is sectional drawing of another example of the magnetic domain wall movable type magnetic recording element which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。It is sectional drawing of another example of the magnetic domain wall movable type magnetic recording element which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。It is sectional drawing of another example of the magnetic domain wall movable type magnetic recording element which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the magnetic domain wall movable type magnetic recording element which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of the magnetic domain wall moving type magnetic recording element which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態にかかる磁気アレイの模式図である。It is a schematic diagram of the magnetic array which concerns on 5th Embodiment.

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components may differ from the actual ones. be. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.

(磁壁移動型磁気記録素子)
「第1実施形態」
図1は、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子100を模式的に示した断面図である。磁壁移動型磁気記録素子100は、記録部60と制御部90とを備える。記録部60は、第1強磁性層10と磁気記録層20と非磁性層30とを備える。図1に示す磁壁移動型磁気記録素子100は、平面視で第1強磁性層10を挟む位置に、第1電極41と第2電極42とを備える。制御部90は、磁気トラップ層70と平坦化層80とを備える。
(Magnetic wall moving magnetic recording element)
"First embodiment"
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a magnetic domain wall movable magnetic recording element 100 according to the first embodiment. The domain wall moving type magnetic recording element 100 includes a recording unit 60 and a control unit 90. The recording unit 60 includes a first ferromagnetic layer 10, a magnetic recording layer 20, and a non-magnetic layer 30. The magnetic domain wall movable magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 includes a first electrode 41 and a second electrode 42 at positions sandwiching the first ferromagnetic layer 10 in a plan view. The control unit 90 includes a magnetic trap layer 70 and a flattening layer 80.

以下、磁気記録層20が延在する第1の方向をx方向、磁気記録層20が延在する面内でx方向と直交する第2の方向をy方向、x方向及びy方向と直交する方向をz方向とする。図1に示す磁壁移動型磁気記録素子100の積層方向は、z方向と一致している。 Hereinafter, the first direction in which the magnetic recording layer 20 extends is the x direction, and the second direction orthogonal to the x direction in the plane in which the magnetic recording layer 20 extends is orthogonal to the y direction, the x direction, and the y direction. Let the direction be the z direction. The stacking direction of the domain wall movable magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 coincides with the z direction.

「記録部」
<第1強磁性層>
第1強磁性層10は、強磁性体を含む。第1強磁性層10を構成する強磁性材料としては、例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Fe、CoHo、SmFe12等が挙げられる。
"Recording section"
<First ferromagnetic layer>
The first ferromagnetic layer 10 contains a ferromagnet. Examples of the ferromagnetic material constituting the first ferromagnetic layer 10 include a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and these metals and B. , C, and an alloy containing at least one element of N can be used. Specific examples thereof include Co-Fe, Co-Fe-B, Ni-Fe, CoHo 2 , and SmFe 12 .

第1強磁性層10を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、XYZの化学組成をもつ金属間化合物であり、Xは周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、CrあるいはTi族の遷移金属又はXの元素種であり、ZはIII族からV族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、CoFeSi、CoFeGe、CoFeGa、CoMnSi、CoMn1−aFeAlSi1−b、CoFeGe1−cGa等が挙げられる。 The material constituting the first ferromagnetic layer 10 may be a Whistler alloy. The Whisler alloy is a half metal and has a high spin polarizability. The Heusler alloy is an intermetallic compound with a chemical composition of X 2 YZ, where X is a transition metal element or noble metal element of the Co, Fe, Ni or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V, Cr. Alternatively, it is a transition metal of Group Ti or an elemental species of X, and Z is a typical element of Group III to Group V. Examples of the Whisler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , and Co 2 FeGe 1-c Ga c .

第1強磁性層10は、xy面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、z方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。図1では、第1強磁性層10が面内磁化膜であるとした。 The first ferromagnetic layer 10 may be an in-plane magnetization film having an easy magnetization axis in the xy in-plane direction or a perpendicular magnetization film having an easy magnetization axis in the z direction. In FIG. 1, it is assumed that the first ferromagnetic layer 10 is an in-plane magnetizing film.

第1強磁性層10の膜厚は、第1強磁性層10の磁化容易軸をz方向とする(垂直磁化膜にする)場合は、2.5nm以下とすることが好ましく、2.0nm以下とすることがより好ましい。また十分な磁化量を確保するために、第1強磁性層10の膜厚は、1.0nm以上であることが好ましい。第1強磁性層10の膜厚を薄くすると、第1強磁性層10と他の層(非磁性層30)との界面で、第1強磁性層10に垂直磁気異方性(界面垂直磁気異方性)を付加できる。 The film thickness of the first ferromagnetic layer 10 is preferably 2.5 nm or less, preferably 2.0 nm or less, when the easy axis of magnetization of the first ferromagnetic layer 10 is in the z direction (perpendicular magnetization film). Is more preferable. Further, in order to secure a sufficient amount of magnetization, the film thickness of the first ferromagnetic layer 10 is preferably 1.0 nm or more. When the thickness of the first ferromagnetic layer 10 is reduced, the first ferromagnetic layer 10 is perpendicularly magnetic anisotropy (interfacial vertical magnetism) at the interface between the first ferromagnetic layer 10 and another layer (non-magnetic layer 30). Anisotropy) can be added.

<磁気記録層>
磁気記録層20は、x方向に延在している。磁気記録層20は、内部に磁壁21を有する。磁壁21は、互いに反対方向の磁化を有する第1の磁区22と第2の磁区23との境界である。図1に示す磁壁移動型磁気記録素子100は、第1の磁区22が+x方向に配向した磁化を有し、第2の磁区23が−x方向に配向した磁化を有する。
<Magnetic recording layer>
The magnetic recording layer 20 extends in the x direction. The magnetic recording layer 20 has a magnetic domain wall 21 inside. The domain wall 21 is a boundary between a first magnetic domain 22 and a second magnetic domain 23 having magnetizations in opposite directions. In the magnetic domain wall moving type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1, the first magnetic domain 22 has a magnetization oriented in the + x direction, and the second magnetic domain 23 has a magnetization oriented in the −x direction.

磁壁移動型磁気記録素子100は、磁気記録層20の磁壁21の位置によって、データを多値で記録する。磁気記録層20に記録されたデータは、第1強磁性層10及び磁気記録層20の積層方向の抵抗値変化として読み出される。磁壁21が移動すると、磁気記録層20における第1の磁区22と第2の磁区23との比率が変化する。第1強磁性層10の磁化は、第1の磁区22の磁化と同方向(平行)であり、第2の磁区23の磁化と反対方向(反平行)である。磁壁21がx方向に移動し、z方向から見て第1強磁性層10と重畳する部分における第1の磁区22の面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子100の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁21が−x方向に移動し、z方向から見て第1強磁性層10と重畳する部分における第2の磁区23の面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子100の抵抗値は高くなる。磁壁移動型磁気抵抗効果素子100の抵抗値は、第1強磁性層10に電気的に接続された上部電極と、第1電極41又は第2電極42との間で測定される。 The domain wall moving type magnetic recording element 100 records data at multiple values depending on the position of the domain wall 21 of the magnetic domain wall 20. The data recorded on the magnetic recording layer 20 is read out as a change in the resistance value in the stacking direction of the first ferromagnetic layer 10 and the magnetic recording layer 20. When the domain wall 21 moves, the ratio of the first magnetic domain 22 and the second magnetic domain 23 in the magnetic recording layer 20 changes. The magnetization of the first ferromagnetic layer 10 is in the same direction (parallel) as the magnetization of the first magnetic domain 22, and is in the opposite direction (antiparallel) to the magnetization of the second magnetic domain 23. When the domain wall 21 moves in the x direction and the area of the first magnetic domain 22 in the portion overlapping with the first ferromagnetic layer 10 when viewed from the z direction becomes large, the resistance value of the domain wall moving type magnetic recording element 100 becomes low. On the contrary, when the domain wall 21 moves in the −x direction and the area of the second magnetic domain 23 in the portion overlapping with the first ferromagnetic layer 10 when viewed from the z direction becomes large, the resistance value of the domain wall moving magnetic recording element 100 becomes large. Will be higher. The resistance value of the domain wall moving type magnetoresistive sensor 100 is measured between the upper electrode electrically connected to the first ferromagnetic layer 10 and the first electrode 41 or the second electrode 42.

磁壁21は、磁気記録層20の延在方向に電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第1電極41から第2電極42に電流パルスを印加すると、第1の磁区22は第2の磁区23の方向へ広がり、磁壁21が第2の磁区23の方向へ移動する。つまり、第1電極41及び第2電極42に流す電流の方向、強度を設定することで、磁壁21の位置が制御され、磁壁移動型磁気記録素子100にデータが書き込まれる。 The domain wall 21 moves by passing a current in the extending direction of the magnetic recording layer 20 or applying an external magnetic field. For example, when a current pulse is applied from the first electrode 41 to the second electrode 42, the first magnetic domain 22 expands in the direction of the second magnetic domain 23, and the domain wall 21 moves in the direction of the second magnetic domain 23. That is, the position of the domain wall 21 is controlled by setting the direction and intensity of the current flowing through the first electrode 41 and the second electrode 42, and data is written to the domain wall moving type magnetic recording element 100.

磁気記録層20は、磁性体により構成される。磁気記録層20を構成する磁性体は、第1強磁性層10と同様のものを用いることができる。また磁気記録層20は、Co、Ni、Pt、Pd、Gd、Tb、Mn、Ge、Gaからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。例えば、CoとNiの積層膜、CoとPtの積層膜、CoとPdの積層膜、MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料が挙げられる。MnGa系材料、GdCo系材料、TbCo系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流を下げることができる。またCoとNiの積層膜、CoとPtの積層膜、CoとPdの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁の移動速度を抑えることができる。 The magnetic recording layer 20 is made of a magnetic material. As the magnetic material constituting the magnetic recording layer 20, the same magnetic material as that of the first ferromagnetic layer 10 can be used. Further, the magnetic recording layer 20 preferably has at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Pt, Pd, Gd, Tb, Mn, Ge and Ga. For example, a laminated film of Co and Ni, a laminated film of Co and Pt, a laminated film of Co and Pd, an MnGa-based material, a GdCo-based material, and a TbCo-based material can be mentioned. Ferrimagnetic materials such as MnGa-based materials, GdCo-based materials, and TbCo-based materials have a small saturation magnetization, and can reduce the threshold current required for moving the domain wall. Further, the laminated film of Co and Ni, the laminated film of Co and Pt, and the laminated film of Co and Pd have a large coercive force, and the moving speed of the domain wall can be suppressed.

<非磁性層>
非磁性層30には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層30が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al、SiO、MgO、及び、MgAl等を用いることができる。また、これらの他にも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層30が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。さらに、非磁性層30が半導体からなる場合、その材料としては、Si、Ge、CuInSe、CuGaSe、Cu(In,Ga)Se等を用いることができる。
<Non-magnetic layer>
A known material can be used for the non-magnetic layer 30.
For example, when the non-magnetic layer 30 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer), Al 2 O 3 , SiO 2 , Mg O , Mg Al 2 O 4, and the like can be used as the material thereof. In addition to these, a material in which a part of Al, Si, and Mg is replaced with Zn, Be, and the like can also be used. Among these, MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, so that spin can be efficiently injected. When the non-magnetic layer 30 is made of metal, Cu, Au, Ag or the like can be used as the material. Further, when the non-magnetic layer 30 is made of a semiconductor, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 and the like can be used as the material.

<第1電極、第2電極>
第1電極41と第2電極42とは、z方向から見て第1強磁性層10をx方向に挟む位置に配設されている。図1において第1電極41は磁化がx方向に配向した強磁性体であり、第2電極42は磁化が−x方向に配向した強磁性体である。第1電極41又は第2電極42を通過する際に、電流はスピン偏極する。スピン偏極した電流が磁気記録層20に注入されることで、磁気記録層20の第1の磁区22と第2の磁区23との比率が変化する。
<1st electrode, 2nd electrode>
The first electrode 41 and the second electrode 42 are arranged at positions sandwiching the first ferromagnetic layer 10 in the x direction when viewed from the z direction. In FIG. 1, the first electrode 41 is a ferromagnet whose magnetization is oriented in the x direction, and the second electrode 42 is a ferromagnet whose magnetization is oriented in the −x direction. When passing through the first electrode 41 or the second electrode 42, the current is spin-polarized. By injecting a spin-polarized current into the magnetic recording layer 20, the ratio of the first magnetic domain 22 and the second magnetic domain 23 of the magnetic recording layer 20 changes.

第1電極41及び第2電極42は、スピン軌道トルク配線に置き換えてもよい。例えば、y方向に延在するスピン軌道トルク配線を第1電極41及び第2電極42の位置に配設する。スピン軌道トルク配線に電流を流すと、スピン軌道トルク配線内でスピンホール効果が生じる。スピンホール効果により分極したスピンが、磁気記録層20に流れ込むことで、磁気記録層20の第1の磁区22と第2の磁区23との比率が変化する。第1電極41と第2電極42とは、両方をスピン軌道トルク配線に置き換えてもよいし、いずれか一方のみを置き換えてもよい。両方を同材料のスピン軌道トルク配線に置き換える場合は、それぞれに流す電流の方向は逆方向となる。スピン軌道トルク配線は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。 The first electrode 41 and the second electrode 42 may be replaced with spin-orbit torque wiring. For example, spin-orbit torque wiring extending in the y direction is arranged at the positions of the first electrode 41 and the second electrode 42. When a current is passed through the spin-orbit torque wiring, a spin Hall effect occurs in the spin-orbit torque wiring. The spin polarized by the spin Hall effect flows into the magnetic recording layer 20, so that the ratio of the first magnetic domain 22 and the second magnetic domain 23 of the magnetic recording layer 20 changes. Both the first electrode 41 and the second electrode 42 may be replaced with spin-orbit torque wiring, or only one of them may be replaced. When both are replaced with spin-orbit torque wiring of the same material, the direction of the current flowing through each is opposite. The spin orbit torque wiring is composed of any of metals, alloys, intermetal compounds, metal borides, metal carbides, metal silices, and metal phosphors having the function of generating a spin flow by the spin Hall effect when an electric current flows. Will be done.

また第1電極41及び第2電極42を設置しなくてもよい。この場合、磁気記録層20の磁壁は、外部磁場によって移動させる。 Further, it is not necessary to install the first electrode 41 and the second electrode 42. In this case, the magnetic domain wall of the magnetic recording layer 20 is moved by an external magnetic field.

「制御部」
<磁気トラップ層>
磁気トラップ層70は、磁気記録層20の第1強磁性層10と反対側に位置する。磁気トラップ層70は、磁壁の移動を制御する複数の磁気トラップ部を有する。
"Control unit"
<Magnetic trap layer>
The magnetic trap layer 70 is located on the opposite side of the magnetic recording layer 20 from the first ferromagnetic layer 10. The magnetic trap layer 70 has a plurality of magnetic trap portions that control the movement of the magnetic wall.

磁気トラップ層70は、磁性体を含む。磁気トラップ層70は、磁気記録層20のx方向に磁気的なポテンシャルの分布を生み出すことができれば特に問わない。磁気的なポテンシャルの分布は、磁壁21の移動しやすさを変え、磁壁21の移動範囲を制御する。以下、磁気トラップ層70の具体例を例示して説明する。 The magnetic trap layer 70 contains a magnetic material. The magnetic trap layer 70 is not particularly limited as long as it can generate a magnetic potential distribution in the x direction of the magnetic recording layer 20. The distribution of the magnetic potential changes the ease of movement of the domain wall 21 and controls the range of movement of the domain wall 21. Hereinafter, a specific example of the magnetic trap layer 70 will be described as an example.

図2は、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁気トラップ層をz方向から平面視した図である。図2に示す磁気トラップ層70Aは、y方向に凸部71と凹部72とを有する。x方向に凸部71が設けられた部分は、凹部72となる部分より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きい。つまり、凸部71は磁気トラップ部として機能し、凹部72は非磁気トラップ部として機能する。非磁気トラップ部は、磁気トラップ部より磁壁の動きを制御する力の弱い部分を意味する。 FIG. 2 is a plan view of the magnetic trap layer of the magnetic domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment in the z direction. The magnetic trap layer 70A shown in FIG. 2 has a convex portion 71 and a concave portion 72 in the y direction. The portion provided with the convex portion 71 in the x direction has a larger volume than the portion serving as the concave portion 72, and the generated magnetic field strength is larger. That is, the convex portion 71 functions as a magnetic trap portion, and the concave portion 72 functions as a non-magnetic trap portion. The non-magnetic trap portion means a portion having a weaker force to control the movement of the domain wall than the magnetic trap portion.

図3は、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の磁気トラップ層をz方向から平面視した図である。図3に示す磁気トラップ層70Aは、第1領域73と第2領域74とを備える。第1領域73と第2領域74とは、異なる材料からなる。第1領域73が生み出す磁場強度が、第2領域74が生み出す磁場強度より大きい場合は、第1領域73が磁気トラップ部として機能し、第2領域74が非磁気トラップ部として機能する。 FIG. 3 is a plan view of the magnetic trap layer of another example of the magnetic domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment in the z direction. The magnetic trap layer 70A shown in FIG. 3 includes a first region 73 and a second region 74. The first region 73 and the second region 74 are made of different materials. When the magnetic field strength generated by the first region 73 is larger than the magnetic field strength generated by the second region 74, the first region 73 functions as a magnetic trap portion and the second region 74 functions as a non-magnetic trap portion.

例えば、第1領域73を硬磁性体とし、第2領域74を非磁性体とする。第1領域73を構成する硬磁性体と磁気記録層20の磁化とが磁気結合することで、磁壁21がトラップされる。すなわちこの場合、第1領域73を構成する硬磁性体が磁気トラップ部として機能し、第2領域74を構成する非磁性体が非磁気トラップ部として機能する。 For example, the first region 73 is a hard magnetic material, and the second region 74 is a non-magnetic material. The magnetic domain wall 21 is trapped by the magnetic coupling between the hard magnetic material forming the first region 73 and the magnetization of the magnetic recording layer 20. That is, in this case, the hard magnetic material forming the first region 73 functions as a magnetic trap portion, and the non-magnetic material forming the second region 74 functions as a non-magnetic trap portion.

また例えば、第1領域73を軟磁性体とし、第2領域74を非磁性体とする。軟磁性体は、磁気記録層20の磁化を吸収し、第1領域73近傍において磁壁21は移動しやすくなる。すなわちこの場合、第1領域73を構成する軟磁性体が非磁気トラップ部として機能し、第2領域74を構成する非磁性体が磁気トラップ部として機能する。 Further, for example, the first region 73 is a soft magnetic material, and the second region 74 is a non-magnetic material. The soft magnetic material absorbs the magnetization of the magnetic recording layer 20, and the domain wall 21 easily moves in the vicinity of the first region 73. That is, in this case, the soft magnetic material forming the first region 73 functions as a non-magnetic trap portion, and the non-magnetic material forming the second region 74 functions as a magnetic trap portion.

図4は、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。図4に示す磁壁移動型磁気記録素子101は、磁気トラップ層70Cの磁気記録層20側の表面が凹凸形状である点が、図1に示す磁壁移動型磁気記録素子100と異なる。図4に示す磁気トラップ層70Cは、z方向に凸部75と凹部76とを有する。x方向に凸部75が設けられた部分は、凹部76となる部分より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きい。つまり、凸部75は磁気トラップ部として機能し、凹部76は非磁気トラップ部として機能する。 FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing another example of the domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment. The magnetic domain wall movable magnetic recording element 101 shown in FIG. 4 is different from the domain wall movable magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 in that the surface of the magnetic trap layer 70C on the magnetic recording layer 20 side has an uneven shape. The magnetic trap layer 70C shown in FIG. 4 has a convex portion 75 and a concave portion 76 in the z direction. The portion provided with the convex portion 75 in the x direction has a larger volume than the portion serving as the concave portion 76, and produces a larger magnetic field strength. That is, the convex portion 75 functions as a magnetic trap portion, and the concave portion 76 functions as a non-magnetic trap portion.

図5は、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。図5に示す磁壁移動型磁気記録素子102は、磁気トラップ層70Dにおいて所定の材料からなる第1領域77が第2領域74中に点在している点が、図1に示す磁壁移動型磁気記録素子100と異なる。例えば、第1領域77が強磁性体であり、第2領域78が非磁性体である場合、第2領域は磁場を発生せず、第1領域77の方が強い磁場強度を発生する。つまり第1領域77は磁気トラップ部として機能し、第2領域78は非磁気トラップ部として機能する。なお、第1領域77が軟磁性体の場合は、第1領域77は非磁気トラップ部として機能する。 FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another example of the domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment. In the magnetic domain wall moving magnetic recording element 102 shown in FIG. 5, the point that the first region 77 made of a predetermined material is scattered in the second region 74 in the magnetic trap layer 70D is the domain wall moving magnetic recording element shown in FIG. It is different from the recording element 100. For example, when the first region 77 is a ferromagnetic material and the second region 78 is a non-magnetic material, the second region does not generate a magnetic field, and the first region 77 generates a stronger magnetic field strength. That is, the first region 77 functions as a magnetic trap unit, and the second region 78 functions as a non-magnetic trap unit. When the first region 77 is a soft magnetic material, the first region 77 functions as a non-magnetic trap portion.

磁気トラップ部と非磁気トラップ部とは、x方向に交互に存在することが好ましい。x方向に磁気トラップ部と非磁気トラップ部とを交互に設けることで、磁壁21が段階的に止まりやすくなり、磁壁移動型磁気記録素子がデータを多値で記録しやすくなる。また磁気トラップ部は、x方向に周期的に存在することが好ましい。磁気記録層20内で磁壁21が止まりやすい部分が周期的になることで、データを多値記録する際の抵抗変化量を一定にすることができ、安定的にデータを多値で記録できる。 The magnetic trap portion and the non-magnetic trap portion preferably exist alternately in the x direction. By alternately providing the magnetic trap portion and the non-magnetic trap portion in the x direction, the magnetic wall 21 is likely to be stopped stepwise, and the magnetic wall moving type magnetic recording element is easy to record data at multiple values. Further, the magnetic trap portion preferably exists periodically in the x direction. Since the portion of the magnetic recording layer 20 where the domain wall 21 tends to stop becomes periodic, the amount of resistance change when recording data at multiple values can be made constant, and data can be stably recorded at multiple values.

磁気トラップ層70と磁気記録層20との距離は近接しているほど好ましい。磁気トラップ層70と磁気記録層20との距離とは、磁気トラップ層70と磁気記録層20との最距離を意味し、図4に示すように磁気トラップ層70Cが凹凸を有する場合は凸部75の頂面と磁気記録層20との距離を意味する。磁気トラップ層70と磁気記録層20との距離は、20nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましく、5nm以下であることがさらに好ましい。磁気トラップ層70と磁気記録層20との距離は、後述する平坦化層80の厚みで容易に制御できる。 The closer the magnetic trap layer 70 and the magnetic recording layer 20 are, the more preferable. The distance between the magnetic trap layer 70 and the magnetic recording layer 20 means the maximum distance between the magnetic trap layer 70 and the magnetic recording layer 20, and as shown in FIG. 4, when the magnetic trap layer 70C has irregularities, a convex portion is provided. It means the distance between the top surface of 75 and the magnetic recording layer 20. The distance between the magnetic trap layer 70 and the magnetic recording layer 20 is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less, and further preferably 5 nm or less. The distance between the magnetic trap layer 70 and the magnetic recording layer 20 can be easily controlled by the thickness of the flattening layer 80 described later.

<平坦化層>
平坦化層80は、磁気記録層20と磁気トラップ層70との間に配設される。平坦化層80は、磁気トラップ層70の磁気記録層20側の面及び磁気記録層20の磁気トラップ層70側の面を平坦化する。
<Flat layer>
The flattening layer 80 is arranged between the magnetic recording layer 20 and the magnetic trap layer 70. The flattening layer 80 flattens the surface of the magnetic trap layer 70 on the magnetic recording layer 20 side and the surface of the magnetic recording layer 20 on the magnetic trap layer 70 side.

平坦化層80により磁気記録層20の形状変化を抑制できる。磁気記録層20の形状が一定になると、磁気記録層20内を流れる電流の電流密度がx方向で一定になる。磁気記録層20内で局所的に磁壁21の移動が素早くなることや、電流集中により磁気記録層20が発熱しデータの信頼性が低下することを抑制できる。つまり、磁壁移動型磁気記録素子のノイズが低減され、データを多値で安定的に記録しやすくなる。 The flattening layer 80 can suppress the shape change of the magnetic recording layer 20. When the shape of the magnetic recording layer 20 becomes constant, the current density of the current flowing in the magnetic recording layer 20 becomes constant in the x direction. It is possible to prevent the magnetic domain wall 21 from moving quickly locally in the magnetic recording layer 20 and to prevent the magnetic recording layer 20 from generating heat due to current concentration and reducing the reliability of data. That is, the noise of the domain wall moving type magnetic recording element is reduced, and it becomes easy to stably record data with multiple values.

平坦化層80は、絶縁性を有する材料からなることが好ましい。第1電極41及び第2電極42間を流れる電流が、磁気記録層20以外の部分を流れることを避けるためである。平坦化層80の抵抗が磁気記録層20の抵抗より充分大きい場合は、平坦化層80に導体、半導体等を用いてもよい。 The flattening layer 80 is preferably made of an insulating material. This is to prevent the current flowing between the first electrode 41 and the second electrode 42 from flowing through a portion other than the magnetic recording layer 20. When the resistance of the flattening layer 80 is sufficiently larger than the resistance of the magnetic recording layer 20, a conductor, a semiconductor, or the like may be used for the flattening layer 80.

平坦化層80の厚みは、20nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましく、5nm以下であることがさらに好ましい。また平坦化層80の厚みは、2nm以上であることが好ましい。平坦化層80の厚みが当該範囲であれば、磁気トラップ層70の磁気記録層20側の面及び磁気記録層20の磁気トラップ層70側の面を充分平坦化することができ、磁気トラップ層70と磁気記録層20との距離を充分近接させることができる。 The thickness of the flattening layer 80 is preferably 20 nm or less, more preferably 10 nm or less, and even more preferably 5 nm or less. The thickness of the flattening layer 80 is preferably 2 nm or more. When the thickness of the flattening layer 80 is within the above range, the surface of the magnetic trap layer 70 on the magnetic recording layer 20 side and the surface of the magnetic recording layer 20 on the magnetic trap layer 70 side can be sufficiently flattened, and the magnetic trap layer can be sufficiently flattened. The distance between the 70 and the magnetic recording layer 20 can be made sufficiently close.

上述のように、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子100、101、102は、磁気トラップ層70により磁気記録層20の磁壁21の移動を制御することができる。また平坦化層80を設けることで、記録層60の形状を一定にし、磁壁移動型磁気記録素子100、101、102にノイズが発生することを低減できる。また平坦化層80を介して積層方向に磁気トラップ層70を設けることで、磁気トラップ層70と磁気記録層20とを容易に近接させることができる。 As described above, the domain wall moving type magnetic recording elements 100, 101, and 102 according to the first embodiment can control the movement of the domain wall 21 of the magnetic domain wall 20 by the magnetic trap layer 70. Further, by providing the flattening layer 80, the shape of the recording layer 60 can be made constant, and noise can be reduced from being generated in the magnetic domain wall moving type magnetic recording elements 100, 101, and 102. Further, by providing the magnetic trap layer 70 in the stacking direction via the flattening layer 80, the magnetic trap layer 70 and the magnetic recording layer 20 can be easily brought close to each other.

「第2実施形態」
図6は、第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図6に示す磁壁移動型磁気記録素子103は、磁気トラップ層が第1磁気トラップ部を有する点が、図4に示す磁壁移動型磁気記録素子101と異なる。第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
"Second embodiment"
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the domain wall movable magnetic recording element according to the second embodiment. The domain wall moving type magnetic recording element 103 shown in FIG. 6 is different from the domain wall moving type magnetic recording element 101 shown in FIG. 4 in that the magnetic trap layer has a first magnetic trap portion. The same components as those of the domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

第1磁気トラップ部は、磁気記録層20の磁壁21の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する部分である。当該条件を満たせば特に限定されるものではないが、磁気トラップ層の具体例を例示して説明する。 The first magnetic trap portion is a portion that controls the movement of the magnetic wall 21 of the magnetic recording layer 20 more strongly than the other magnetic trap portions. Although the condition is not particularly limited as long as the conditions are satisfied, a specific example of the magnetic trap layer will be described as an example.

図6に示す磁気トラップ層70Eは、凸部75と凹部76とを有する。凸部75の中には、x方向の幅が他の凸部75より広い第1凸部75aがある。第1凸部75aは他の凸部75より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きく、他の凸部75より強く磁壁21の動きを制御する。従って、第1凸部75aは第1磁気トラップ部となり、凸部75が他の磁気トラップ部となる。 The magnetic trap layer 70E shown in FIG. 6 has a convex portion 75 and a concave portion 76. Among the convex portions 75, there is a first convex portion 75a whose width in the x direction is wider than that of the other convex portions 75. The first convex portion 75a has a larger volume than the other convex portions 75, produces a larger magnetic field strength, and controls the movement of the domain wall 21 more strongly than the other convex portions 75. Therefore, the first convex portion 75a becomes the first magnetic trap portion, and the convex portion 75 becomes another magnetic trap portion.

図7は、第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図7に示す磁気トラップ層70Fは、凸部75と凹部76とを有する。凸部75の中には、z方向の厚みが他の凸部75より厚い第2凸部75bがある。第2凸部75bも第1凸部75aと同様に、他の凸部75より体積が大きく、他の凸部75より強く磁壁21の動きを制御する。従って、第2凸部75bは第1磁気トラップ部となり、凸部75が他の磁気トラップ部となる。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of another example of the domain wall movable magnetic recording element according to the second embodiment. The magnetic trap layer 70F shown in FIG. 7 has a convex portion 75 and a concave portion 76. Among the convex portions 75, there is a second convex portion 75b whose thickness in the z direction is thicker than that of the other convex portions 75. Like the first convex portion 75a, the second convex portion 75b also has a larger volume than the other convex portion 75 and controls the movement of the domain wall 21 more strongly than the other convex portion 75. Therefore, the second convex portion 75b becomes the first magnetic trap portion, and the convex portion 75 becomes another magnetic trap portion.

ここまで磁気トラップ層70E、70Fが凹凸を有する場合について説明したが、図5に示すように、磁気トラップ層が材料の異なる第1領域77及び第2領域78からなる場合においても同様である。 The case where the magnetic trap layers 70E and 70F have irregularities has been described so far, but the same applies to the case where the magnetic trap layer is composed of the first region 77 and the second region 78 made of different materials, as shown in FIG.

図8は、第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図8に示す磁気トラップ層70Gは、第1領域77と第2領域78とを有する。第1領域77の中には、x方向の幅が他の第1領域77より広い特定領域77aがある。特定領域77aは他の第1領域77より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きく、他の第1領域77より強く磁壁21の動きを制御する。従って、特定領域77aは第1磁気トラップ部となり、他の第1領域77が他の磁気トラップ部となる。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of another example of the domain wall movable magnetic recording element according to the second embodiment. The magnetic trap layer 70G shown in FIG. 8 has a first region 77 and a second region 78. In the first region 77, there is a specific region 77a whose width in the x direction is wider than that of the other first region 77. The specific region 77a has a larger volume than the other first region 77, produces a larger magnetic field strength, and controls the movement of the domain wall 21 more strongly than the other first region 77. Therefore, the specific region 77a becomes the first magnetic trap portion, and the other first region 77 becomes another magnetic trap portion.

図9は、第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図9に示す磁気トラップ層70Hは、第1領域77と第2領域78とを有する。第1領域77の中には、z方向の厚みが他の第1領域77より広い第2特定領域77bがある。第2特定領域77bは他の第1領域77より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きく、他の第1領域77より強く磁壁21の動きを制御する。従って、第2特定領域77bは第1磁気トラップ部となり、他の第1領域77が他の磁気トラップ部となる。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of another example of the domain wall movable magnetic recording element according to the second embodiment. The magnetic trap layer 70H shown in FIG. 9 has a first region 77 and a second region 78. In the first region 77, there is a second specific region 77b whose thickness in the z direction is wider than that of the other first region 77. The second specific region 77b has a larger volume than the other first region 77, produces a larger magnetic field strength, and controls the movement of the domain wall 21 more strongly than the other first region 77. Therefore, the second specific region 77b becomes the first magnetic trap portion, and the other first region 77 becomes another magnetic trap portion.

ここまで磁壁移動型磁気記録素子の断面形状において確認できる第1磁気トラップ部について説明したが、例えば図2に示す平面視形状において凸部71の形状を変化させてもよい。また形状以外の方法で、第1磁気トラップ部を設けてもよい。 Although the first magnetic trap portion that can be confirmed in the cross-sectional shape of the domain wall moving type magnetic recording element has been described so far, for example, the shape of the convex portion 71 may be changed in the plan view shape shown in FIG. Further, the first magnetic trap portion may be provided by a method other than the shape.

図10は、第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図10に示す磁気トラップ層70Iは、第1領域77と第2領域78とを有する。第1領域77の中には、構成する材料の異なる別材料領域77cがある。別材料領域77cを構成する材料が、他の第1領域77を構成する材料より磁化強度が強い場合、磁壁21は別材料領域77c近傍で強くトラップされる。つまり、別材料領域77cは第1磁気トラップ部となり、他の第1領域77が他の磁気トラップ部となる。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of another example of the domain wall movable magnetic recording element according to the second embodiment. The magnetic trap layer 70I shown in FIG. 10 has a first region 77 and a second region 78. In the first region 77, there is another material region 77c having a different constituent material. When the material constituting the separate material region 77c has a stronger magnetization strength than the material constituting the other first region 77, the domain wall 21 is strongly trapped in the vicinity of the separate material region 77c. That is, the separate material region 77c becomes the first magnetic trap portion, and the other first region 77 becomes the other magnetic trap portion.

磁気トラップ層が磁壁の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する第1磁気トラップ部を有すると、磁壁21の移動速度がその近傍で大きく変化する。そのため、磁壁移動型磁気記録素子のデータの変化点として利用できる。また第1磁気トラップ部は、平面視で第1強磁性層10よりx方向の内側に位置することが好ましく、第1強磁性層10のx方向の両端と重なる位置に配設されていることがより好ましい。磁壁移動型磁気記録素子の抵抗値変化は、磁壁21が第1強磁性層10と平面視重なる位置に存在する場合に生じる。第1強磁性層10のx方向の両端と重なる位置に第1磁気トラップ部を設けることで、抵抗値変化の最大値と最小値の決定が容易になる。すなわち、多値記録の開始点と終了点を明確にすることができ、磁壁移動型磁気記録素子のデータの信頼性を高めることができる。 When the magnetic trap layer has a first magnetic trap portion that controls the movement of the magnetic wall more strongly than other magnetic trap portions, the moving speed of the magnetic wall 21 changes significantly in the vicinity thereof. Therefore, it can be used as a change point of data of the domain wall moving type magnetic recording element. Further, the first magnetic trap portion is preferably located inside the first ferromagnetic layer 10 in the x direction in a plan view, and is arranged at a position overlapping both ends of the first ferromagnetic layer 10 in the x direction. Is more preferable. The change in the resistance value of the domain wall moving type magnetic recording element occurs when the domain wall 21 exists at a position where it overlaps with the first ferromagnetic layer 10 in a plan view. By providing the first magnetic trap portion at a position overlapping both ends of the first ferromagnetic layer 10 in the x direction, it becomes easy to determine the maximum value and the minimum value of the resistance value change. That is, the start point and the end point of the multi-valued recording can be clarified, and the reliability of the data of the domain wall moving type magnetic recording element can be improved.

「第3実施形態」
図11は、第3実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図11に示す磁壁移動型磁気記録素子108は、磁気記録層20と非磁性層30との間に、磁気記録層20の磁化状態を反映する第2強磁性層50を備える点が、図1に示す磁壁移動型磁気記録素子100と異なる。第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。なお、第3実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、第1実施形態及び第2実施形態のいずれの素子に対しても適用できる。
"Third embodiment"
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the domain wall movable magnetic recording element according to the third embodiment. FIG. 1 shows that the domain wall movable magnetic recording element 108 shown in FIG. 11 is provided with a second ferromagnetic layer 50 that reflects the magnetization state of the magnetic recording layer 20 between the magnetic recording layer 20 and the non-magnetic layer 30. It is different from the magnetic domain wall moving type magnetic recording element 100 shown in 1. The same components as those of the domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. The domain wall movable magnetic recording element according to the third embodiment can be applied to any of the elements of the first embodiment and the second embodiment.

第2強磁性層50は、磁性体を含む。第2強磁性層50を構成する磁性体は、第1強磁性層10と同様のものを用いることができる。 The second ferromagnetic layer 50 contains a magnetic material. As the magnetic material constituting the second ferromagnetic layer 50, the same magnetic material as that of the first ferromagnetic layer 10 can be used.

第2強磁性層50は、磁気記録層20と隣接している。第2強磁性層50の磁化は、磁気記録層20の磁化と磁気結合している。そのため、第2強磁性層50は、磁気記録層20の磁気状態を反映する。第2強磁性層50と磁気記録層20とが強磁性カップリングする場合は第2強磁性層50の磁気状態は磁気記録層20の磁気状態と同一になり、第2強磁性層50と磁気記録層20とが反強磁性カップリングする場合は第2強磁性層50の磁気状態は磁気記録層20の磁気状態と反対になる。 The second ferromagnetic layer 50 is adjacent to the magnetic recording layer 20. The magnetization of the second ferromagnetic layer 50 is magnetically coupled with the magnetization of the magnetic recording layer 20. Therefore, the second ferromagnetic layer 50 reflects the magnetic state of the magnetic recording layer 20. When the second ferromagnetic layer 50 and the magnetic recording layer 20 are ferromagnetically coupled, the magnetic state of the second ferromagnetic layer 50 becomes the same as the magnetic state of the magnetic recording layer 20, and the second ferromagnetic layer 50 and the magnetism When the recording layer 20 is anti-conductive coupled, the magnetic state of the second ferromagnetic layer 50 is opposite to the magnetic state of the magnetic recording layer 20.

磁気記録層20と非磁性層30との間に第2強磁性層50を挿入すると、磁壁移動型磁気記録素子108内における第2強磁性層50と磁気記録層20との機能を分けることができる。磁壁移動型磁気記録素子108のMR比は、非磁性層30を挟む2つの磁性体(第1強磁性層10と第2強磁性層50)の磁化状態の変化により生じる。そのため、第2強磁性層50にMR比の向上する機能を主として担わせ、磁気記録層20に磁壁21を移動させる機能を主として担わせることができる。 When the second ferromagnetic layer 50 is inserted between the magnetic recording layer 20 and the non-magnetic layer 30, the functions of the second ferromagnetic layer 50 and the magnetic recording layer 20 in the domain wall moving magnetic recording element 108 can be separated. can. The MR ratio of the domain wall moving magnetic recording element 108 is caused by a change in the magnetization state of two magnetic materials (first ferromagnetic layer 10 and second ferromagnetic layer 50) sandwiching the non-magnetic layer 30. Therefore, the second ferromagnetic layer 50 can mainly have a function of improving the MR ratio, and the magnetic recording layer 20 can mainly have a function of moving the domain wall 21.

第2強磁性層50と磁気記録層20の機能を分けると、それぞれを構成する磁性体の自由度が高まる。第2強磁性層50に第1強磁性層10とのコヒーレントトンネル効果を得られる材料を選択することができ、磁気記録層20に磁壁の移動速度が遅くなる材料を選択することができる。 When the functions of the second ferromagnetic layer 50 and the magnetic recording layer 20 are separated, the degree of freedom of the magnetic material constituting each of them is increased. A material that can obtain a coherent tunneling effect with the first ferromagnetic layer 10 can be selected for the second ferromagnetic layer 50, and a material that slows down the moving speed of the domain wall can be selected for the magnetic recording layer 20.

上述のように、第3実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子108においても、第1実施形態及び第2実施形態と同様の効果を得ることができる。また第2強磁性層50を挿入することで、これらの層に用いる材料選択の自由度を高めることができる。また材料選択の自由度が高まることで、磁壁移動型磁気記録素子108のMR比をより高めることができる。 As described above, the same effect as that of the first embodiment and the second embodiment can be obtained in the magnetic domain wall moving type magnetic recording element 108 according to the third embodiment. Further, by inserting the second ferromagnetic layer 50, the degree of freedom in selecting the material used for these layers can be increased. Further, by increasing the degree of freedom in material selection, the MR ratio of the domain wall movable magnetic recording element 108 can be further increased.

「第4実施形態」
図12は、第4実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子109の平面模式図である。図12に示す磁壁移動型磁気記録素子109は、記録部60が複数ある点が、図5に示す磁壁移動型磁気記録素子102と異なる。第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。なお、第4実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、第1実施形態、第2実施形態及び第3実施形態のいずれの素子に対しても適用できる。
"Fourth embodiment"
FIG. 12 is a schematic plan view of the domain wall movable magnetic recording element 109 according to the fourth embodiment. The domain wall movable magnetic recording element 109 shown in FIG. 12 is different from the domain wall movable magnetic recording element 102 shown in FIG. 5 in that a plurality of recording units 60 are provided. The same components as those of the domain wall movable magnetic recording element according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. The domain wall movable magnetic recording element according to the fourth embodiment can be applied to any of the elements of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment.

図12に示す磁壁移動型磁気記録素子109は、記録部60が複数ある。複数の記録部60は、xy面内に広がる制御部90にそれぞれ配設されている。制御部90を構成する磁気トラップ層の磁気トラップ部は、複数の磁気記録層20を横断している。図12は、磁気トラップ部として機能する第1領域77が、y方向に延在する複数の記録部60を横断している。磁気トラップ部と記録部60との位置関係は、平面視直交に限られず、交差していてもよい。 The domain wall movable magnetic recording element 109 shown in FIG. 12 has a plurality of recording units 60. The plurality of recording units 60 are respectively arranged in the control unit 90 extending in the xy plane. The magnetic trap unit of the magnetic trap layer constituting the control unit 90 crosses a plurality of magnetic recording layers 20. In FIG. 12, a first region 77 that functions as a magnetic trap unit crosses a plurality of recording units 60 extending in the y direction. The positional relationship between the magnetic trap unit and the recording unit 60 is not limited to orthogonal to the plan view, and may intersect.

磁気トラップ部が複数の記録部60に渡って存在することで、それぞれの記録部60で同じように多値記録を行うことができる。つまり、多値化信号を均等に変化させることができる。それぞれの記録部60でデータを記録する閾値が一定となることで、それぞれの記録部60間の差が小さくなる。その結果、磁壁移動型磁気記録素子109全体としてのノイズが少なくなり、データを安定的に多値記録することができる。 Since the magnetic trap unit exists over the plurality of recording units 60, the respective recording units 60 can perform multi-value recording in the same manner. That is, the multi-valued signal can be changed evenly. Since the threshold value for recording data in each recording unit 60 becomes constant, the difference between the respective recording units 60 becomes small. As a result, the noise of the domain wall moving type magnetic recording element 109 as a whole is reduced, and data can be stably recorded in multiple values.

以上、本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to the present embodiment has been described in detail with reference to the drawings. However, each configuration and a combination thereof in each embodiment are examples, and are within a range that does not deviate from the gist of the present invention. , Configuration can be added, omitted, replaced, and other changes are possible.

「第5実施形態」
図13は、第5実施形態にかかる磁気記録アレイ200の平面図である。図13に示す磁気記録アレイ200は、磁壁移動型磁気記録素子の記録部60が3×3のマトリックス配置をしている。図13は、磁気記録アレイの一例であり、記録部60の種類、数及び配置は任意である。また制御部は、全ての記録部60に渡って存在してもよいし、記録部60毎に設けてもよい。
"Fifth embodiment"
FIG. 13 is a plan view of the magnetic recording array 200 according to the fifth embodiment. In the magnetic recording array 200 shown in FIG. 13, the recording unit 60 of the magnetic domain wall moving magnetic recording element has a 3 × 3 matrix arrangement. FIG. 13 is an example of a magnetic recording array, and the type, number, and arrangement of the recording units 60 are arbitrary. Further, the control unit may exist over all the recording units 60, or may be provided for each recording unit 60.

磁壁移動型磁気記録素子100には、それぞれ1本のワードラインWL1〜3と、それぞれ1本のビットラインBL1〜3、それぞれ1本のリードラインRL1〜3が接続されている。 One word line WL1 to 3, one bit line BL1 to 3, and one lead line RL1 to 3, respectively, are connected to each of the domain wall moving type magnetic recording elements 100.

電流を印加するワードラインWL1〜3及びビットラインBL1〜3を選択することで、任意の記録部60の磁気記録層20にパルス電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインRL1〜3及びビットラインBL1〜3を選択することで、任意の記録部60の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインWL1〜3、ビットラインBL1〜3、及びリードラインRL1〜3はトランジスタ等により選択できる。それぞれの記録部60が多値で情報を記録することで、磁気記録アレイの高容量化を実現できる。 By selecting the word lines WL1 to 3 and the bit lines BL1 to 3 to which the current is applied, a pulse current is passed through the magnetic recording layer 20 of the arbitrary recording unit 60 to perform a writing operation. Further, by selecting the lead lines RL1 to 3 and the bit lines BL1 to 3 to which the current is applied, the current is passed in the stacking direction of the arbitrary recording unit 60 to perform the reading operation. The word lines WL1 to 3, the bit lines BL1 to 3 and the lead lines RL1 to 3 to which the current is applied can be selected by a transistor or the like. Since each recording unit 60 records information at multiple values, it is possible to increase the capacity of the magnetic recording array.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and varies within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be transformed / changed.

10 第1強磁性層
20 磁気記録層
21 磁壁
22 第1の磁区
23 第2の磁区
30 非磁性層
41 第1電極
42 第2電極
50 第2強磁性層
60 記録部
70、70A、70B、70C、70D、70E、70F、70G、70H、70I 磁気トラップ層
71、75 凸部
72、76 凹部
73、77 第1領域
74、78 第2領域
75a 第1凸部
75b 第2凸部
77a 特定領域
77b 第2特定領域
77c 別材料領域
80 平坦化層
90 制御部
100 磁壁移動型磁気記録素子
200 磁気記録アレイ
10 First ferromagnetic layer 20 Magnetic recording layer 21 Domain wall 22 First magnetic domain 23 Second magnetic domain 30 Non-magnetic layer 41 First electrode 42 Second electrode 50 Second ferromagnetic layer 60 Recording units 70, 70A, 70B, 70C , 70D, 70E, 70F, 70G, 70H, 70I Magnetic trap layers 71, 75 Convex 72, 76 Concave 73, 77 First region 74, 78 Second region 75a First convex 75b Second convex 77a Specific region 77b 2nd specific area 77c Separate material area 80 Flattening layer 90 Control unit 100 Magnetic wall moving type magnetic recording element 200 Magnetic recording array

Claims (15)

強磁性体を含む第1強磁性層と、
前記第1強磁性層の積層方向と交差する第1の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第1強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備える記録部と、
前記磁気記録層の前記第1強磁性層と反対側に位置し、前記磁気記録層の磁壁の動きを制御するための複数の磁気トラップ部を有する磁気トラップ層と、
前記磁気トラップ層と前記磁気記録層との間に挟まれ、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の面を平坦化する平坦化層と、を備える制御部と、
を備え
前記第1強磁性層は、前記積層方向から見て、前記複数の磁気トラップ部と重なる位置にある、磁壁移動型磁気記録素子。
The first ferromagnet containing a ferromagnet and
A magnetic recording layer extending in the first direction intersecting the stacking direction of the first ferromagnetic layer and including a domain wall,
A recording unit including a non-magnetic layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the magnetic recording layer.
A magnetic trap layer located on the opposite side of the magnetic recording layer to the first ferromagnetic layer and having a plurality of magnetic trap portions for controlling the movement of the domain wall of the magnetic recording layer.
A control unit including a flattening layer sandwiched between the magnetic trap layer and the magnetic recording layer and flattening a surface of the magnetic trap layer on the magnetic recording layer side.
Equipped with a,
The first ferromagnetic layer is a magnetic domain wall moving magnetic recording element located at a position overlapping the plurality of magnetic trap portions when viewed from the stacking direction.
前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の表面が凹凸形状である、請求項1に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to claim 1, wherein the surface of the magnetic trap layer on the magnetic recording layer side has an uneven shape. 前記磁気トラップ層は、磁気トラップ部と前記磁気トラップ部より磁壁の動きを制御する力の弱い非磁気トラップ部とを、前記第1の方向に交互に有する、請求項1又は2に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic wall according to claim 1 or 2, wherein the magnetic trap layer alternately has a magnetic trap portion and a non-magnetic trap portion having a weaker force for controlling the movement of the magnetic wall than the magnetic trap portion in the first direction. Mobile magnetic recording element. 前記複数の磁気トラップ部が前記第1の方向に周期的に存在する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of magnetic trap portions are periodically present in the first direction. 前記複数の磁気トラップ部は、磁壁の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する第1磁気トラップ部を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic wall moving type magnetic recording element according to any one of claims 1 to 4, wherein the plurality of magnetic trap units have a first magnetic trap unit that controls the movement of the magnetic wall more strongly than other magnetic trap units. 前記第1磁気トラップ部は、前記第1強磁性層より前記第1の方向に平面視内側に位置する、請求項5に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic wall moving type magnetic recording element according to claim 5, wherein the first magnetic trap portion is located inside the first ferromagnetic layer in a plan view. 前記第1磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より前記第1の方向に長い、請求項5又は6に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to claim 5 or 6, wherein the first magnetic trap unit is longer than the other magnetic trap unit in the first direction. 前記第1磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より積層方向の厚みが厚い、請求項5〜7のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 5 to 7, wherein the first magnetic trap portion is thicker in the stacking direction than the other magnetic trap portions. 前記第1磁気トラップ部を構成する材料は、前記他の磁気トラップ部を構成する材料と異なる、請求項5〜8のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 5 to 8, wherein the material constituting the first magnetic trap portion is different from the material constituting the other magnetic trap portion. 前記磁気トラップ層が硬磁性体を有し、前記硬磁性体が磁気トラップ部をなす、請求項1〜9のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 1 to 9, wherein the magnetic trap layer has a hard magnetic material, and the hard magnetic material forms a magnetic trap portion. 前記磁気トラップ層が軟磁性体を有し、前記軟磁性体が非磁気トラップ部をなす、請求項1〜9のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 1 to 9, wherein the magnetic trap layer has a soft magnetic material, and the soft magnetic material forms a non-magnetic trap portion. 前記記録部が複数あり、
前記制御部を構成する磁気トラップ層の磁気トラップ部が、複数の前記磁気記録層を横断している、請求項1〜11のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
There are multiple recording units
The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 1 to 11, wherein the magnetic trap unit of the magnetic trap layer constituting the control unit crosses the plurality of the magnetic recording layers.
前記磁気記録層に接続される第1電極と第2電極とをさらに備え、A first electrode and a second electrode connected to the magnetic recording layer are further provided.
前記第1電極と前記第2電極とは、前記積層方向から見て、前記第1強磁性層を前記第1の方向に挟む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。The magnetic domain wall moving type according to any one of claims 1 to 12, wherein the first electrode and the second electrode sandwich the first ferromagnetic layer in the first direction when viewed from the stacking direction. Magnetic recording element.
前記磁気トラップ層は、凸部と凹部とが前記第1の方向に交互に並ぶ凹凸形状を有し、The magnetic trap layer has an uneven shape in which convex portions and concave portions are alternately arranged in the first direction.
前記凸部の前記積層方向の厚みは、前記凹部の前記積層方向の厚みより厚い、請求項1〜13のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。 The magnetic domain wall movable magnetic recording element according to any one of claims 1 to 13, wherein the thickness of the convex portion in the stacking direction is thicker than the thickness of the concave portion in the stacking direction.
前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第2強磁性層を備える、請求項1〜14のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
アレイ。
The magnetic domain wall moving magnetic recording according to any one of claims 1 to 14 , further comprising a second ferromagnetic layer reflecting the magnetization state of the magnetic recording layer between the magnetic recording layer and the non-magnetic layer. element.
array.
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