JP7055319B2 - Magnetic storage device - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to magnetic storage devices .

磁性を有する金属原子を含む磁性領域と、金属酸化物を含む非磁性領域と、を備えた磁性素子が知られている。この磁性素子では、磁性領域の磁化方向を変化させることで、情報を記憶することができる。磁性領域の磁化方向は、磁性素子に電圧を印加することで制御される。この磁性素子において、より小さな電圧で磁性領域の磁化方向を制御でき、電界効果が大きいことが望ましい。 A magnetic element having a magnetic region containing a magnetic metal atom and a non-magnetic region containing a metal oxide is known. In this magnetic element, information can be stored by changing the magnetization direction of the magnetic region. The magnetization direction of the magnetic region is controlled by applying a voltage to the magnetic element. In this magnetic element, it is desirable that the magnetization direction of the magnetic region can be controlled with a smaller voltage and the electric field effect is large.

特表2004-527099号公報Japanese Patent Publication No. 2004-527099 Kohji Nakamura et al. Physical Review B 81, 220409(R) (2010)Kohji Nakamura et al. Physical Review B 81, 220409 (R) (2010)

本発明が解決しようとする課題は、電界効果を大きくすることが可能な磁気記憶装置を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a magnetic storage device capable of increasing the electric field effect.

実施形態に係る磁気記憶装置は、磁性素子及び制御部を含む。前記磁性素子は、第1領域を含む第1磁性層と、3原子層以下の厚さを有する第2領域を含む酸化物層と、第3領域を含む非磁性層と、第2磁性層と、を有する。前記制御部は、前記第1磁性層及び前記第2磁性層と電気的に接続され、前記磁性素子に単極性の電圧を印加する。前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置するように、前記酸化物層は前記第1磁性層と前記非磁性層との間に設けられる。前記酸化物層及び前記非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含む。前記第2領域は、Co及びNiからなる群から選択された1つの第1原子と、複数の第1酸素原子と、を含む。前記第3領域は、金属原子と、第2酸素原子と、を含む。前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向において、前記第1原子は、前記第2酸素原子と、前記複数の第1酸素原子の1つと、の間にある。前記第1方向と交差する第2方向において、前記第1原子は、前記複数の第1酸素原子の2つの間にある。前記制御部は、前記磁性素子に印加する前記電圧の大きさ及び時間を制御して前記第1磁性層の磁化方向を制御することにより前記磁性素子へ情報を書き込む又は書き込まないを制御する。前記情報として、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の電気抵抗が相対的に小さい状態と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の電気抵抗が相対的に大きい状態と、のいずれかが用いられる。 The magnetic storage device according to the embodiment includes a magnetic element and a control unit. The magnetic element includes a first magnetic layer including a first region, an oxide layer containing a second region having a thickness of 3 atomic layers or less, a non-magnetic layer including a third region, and a second magnetic layer. , Have. The control unit is electrically connected to the first magnetic layer and the second magnetic layer, and applies a unipolar voltage to the magnetic element. The oxide layer is provided between the first magnetic layer and the non-magnetic layer so that the second region is located between the first region and the third region. The oxide layer and the non-magnetic layer are provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer. The first region comprises at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. The second region contains one first atom selected from the group consisting of Co and Ni, and a plurality of first oxygen atoms. The third region contains a metal atom and a second oxygen atom. In the first direction from the second region to the first region, the first atom is between the second oxygen atom and one of the plurality of first oxygen atoms. In the second direction intersecting the first direction, the first atom is between two of the plurality of first oxygen atoms. The control unit controls whether or not information is written to the magnetic element by controlling the magnitude and time of the voltage applied to the magnetic element to control the magnetization direction of the first magnetic layer. As the information, the electric resistance between the first magnetic layer and the second magnetic layer is relatively small, and the electric resistance between the first magnetic layer and the second magnetic layer is relatively small. Either the large state or the large state is used.

本発明の実施形態によれば、電界効果を大きくすることが可能な磁気記憶装置が提供される。 According to an embodiment of the present invention, there is provided a magnetic storage device capable of increasing the electric field effect.

第1実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the magnetic element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る別の磁性素子を例示する模式的断面図である。It is a schematic cross-sectional view which illustrates another magnetic element which concerns on 1st Embodiment. シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the magnetic element used in the simulation. 図4(a)及び図4(b)は、第1実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。4 (a) and 4 (b) are simulation results showing the characteristics of the magnetic element according to the first embodiment. 図5(a)~図5(c)は、第1実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。5 (a) to 5 (c) are simulation results showing the characteristics of the magnetic element according to the first embodiment. 図6(a)~図6(c)は、第1実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。6 (a) to 6 (c) are simulation results showing the characteristics of the magnetic element according to the first embodiment. 第2実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the magnetic element which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態の変形例に係る磁性素子を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows the magnetic element which concerns on the modification of 2nd Embodiment. シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the magnetic element used in the simulation. 図10(a)~図10(c)は、第2実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。10 (a) to 10 (c) are simulation results showing the characteristics of the magnetic element according to the second embodiment. 図11(a)~図11(c)は、第2実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。11 (a) to 11 (c) are simulation results showing the characteristics of the magnetic element according to the second embodiment. 第3実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the magnetic storage device which concerns on 3rd Embodiment. 図13(a)~図13(c)は、第3実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。13 (a) to 13 (c) are schematic views illustrating the operation of the magnetic storage device according to the third embodiment. 第4実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates another magnetic storage device which concerns on 4th Embodiment.

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawing.
Further, in the present specification and each figure, the same elements as those already described are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
図1に表したように、第1実施形態に係る磁性素子100は、第1領域10、第2領域20、及び第3領域30を含む。第2領域20は、第1領域10と第3領域30との間に位置する。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a magnetic element according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the magnetic element 100 according to the first embodiment includes a first region 10, a second region 20, and a third region 30. The second region 20 is located between the first region 10 and the third region 30.

第1領域10は、複数の金属原子11を含む。複数の金属原子11は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含む。 The first region 10 contains a plurality of metal atoms 11. The plurality of metal atoms 11 contains at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.

第2領域20は、第1原子21及び複数の第1酸素原子25を含む。第1原子21は、Co及びNiからなる群より選択された1つである。
第3領域30は、複数の金属原子31及び複数の第2酸素原子35を含む。
The second region 20 includes a first atom 21 and a plurality of first oxygen atoms 25. The first atom 21 is one selected from the group consisting of Co and Ni.
The third region 30 includes a plurality of metal atoms 31 and a plurality of second oxygen atoms 35.

第2領域20から第1領域10に向かう第1方向をz軸方向とする。z軸方向に対して垂直な1つの方向をx軸方向とする。z軸方向及びx軸方向に対して垂直な方向をy軸方向とする。 The first direction from the second region 20 to the first region 10 is defined as the z-axis direction. One direction perpendicular to the z-axis direction is defined as the x-axis direction. The direction perpendicular to the z-axis direction and the x-axis direction is defined as the y-axis direction.

第1原子21は、z軸方向において、複数の第2酸素原子35の1つと、複数の第1酸素原子25の1つと、の間に位置する。第1原子21は、x軸方向において、複数の第1酸素原子25の2つの間に位置する。 The first atom 21 is located between one of the plurality of second oxygen atoms 35 and one of the plurality of first oxygen atoms 25 in the z-axis direction. The first atom 21 is located between two of the plurality of first oxygen atoms 25 in the x-axis direction.

図1に表した例では、第2領域20は、z軸方向に並んだ2つの原子層を含む。すなわち、z軸方向における第2領域20の厚さは、2原子層に対応する厚さである。 In the example shown in FIG. 1, the second region 20 includes two atomic layers arranged in the z-axis direction. That is, the thickness of the second region 20 in the z-axis direction is the thickness corresponding to the diatomic layer.

以下で、磁性素子100の具体的な一例を説明する。
第1領域10の複数の金属原子11は、例えば、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つである。一例として、複数の金属原子11は、Feである。または、複数の金属原子11の一部は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つであり、複数の金属原子11の別の一部は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された別の1つであっても良い。一例として、複数の金属原子11の一部はFeであり、複数の金属原子11の別の一部はCoである。第1領域10は、例えば、体心立方構造を有する。
Hereinafter, a specific example of the magnetic element 100 will be described.
The plurality of metal atoms 11 in the first region 10 is one selected from the group consisting of, for example, Fe, Co, and Ni. As an example, the plurality of metal atoms 11 are Fe. Alternatively, a portion of the plurality of metal atoms 11 is one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni, and another portion of the plurality of metal atoms 11 is composed of Fe, Co, and Ni. It may be another one selected from the group. As an example, a part of the plurality of metal atoms 11 is Fe, and another part of the plurality of metal atoms 11 is Co. The first region 10 has, for example, a body-centered cubic structure.

第2領域20の第1原子21は、例えば、y軸方向において、複数の第1酸素原子25の別の2つの間に位置する。すなわち、第1原子21は、例えば、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向において、酸素原子同士の間に位置する。第2領域20は、例えば、NaCl型の結晶構造を有する。 The first atom 21 of the second region 20 is located, for example, in the y-axis direction between two other first oxygen atoms 25. That is, the first atom 21 is located between the oxygen atoms in, for example, the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction. The second region 20 has, for example, a NaCl-type crystal structure.

第2領域20は、さらに第2原子22を含む。第2原子22は、Fe、Co、及びNiからなる群より選択された1つである。複数の第1酸素原子25の1つは、z軸方向において、複数の金属原子31の1つと、第2原子22と、の間に位置する。第2原子22は、x軸方向において、複数の第1酸素原子25の2つの間に位置する。第2原子22は、例えば、y軸方向において、複数の第1酸素原子25の別の2つの間に位置する。第1原子21のz軸方向における位置は、第2原子22のz軸方向における位置と異なる。第1原子21のx軸方向における位置は、第2原子22のx軸方向における位置と異なる。 The second region 20 further includes a second atom 22. The second atom 22 is one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. One of the plurality of first oxygen atoms 25 is located between one of the plurality of metal atoms 31 and the second atom 22 in the z-axis direction. The second atom 22 is located between two of the plurality of first oxygen atoms 25 in the x-axis direction. The second atom 22 is located, for example, in the y-axis direction between two other first oxygen atoms 25. The position of the first atom 21 in the z-axis direction is different from the position of the second atom 22 in the z-axis direction. The position of the first atom 21 in the x-axis direction is different from the position of the second atom 22 in the x-axis direction.

または、第2原子22は、Co及びNiからなる群より選択された1つであり、第1原子21は、Fe、Co、及びNiからなる群より選択された1つであっても良い。 Alternatively, the second atom 22 may be one selected from the group consisting of Co and Ni, and the first atom 21 may be one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.

第3領域30の複数の金属原子31と複数の第2酸素原子35は、x軸方向及びz軸方向において交互に設けられる。複数の金属原子31と複数の第2酸素原子35は、例えば、さらにy軸方向において交互に設けられる。第3領域30は、例えば、NaCl型の結晶構造を有する。 The plurality of metal atoms 31 and the plurality of second oxygen atoms 35 in the third region 30 are alternately provided in the x-axis direction and the z-axis direction. The plurality of metal atoms 31 and the plurality of second oxygen atoms 35 are further provided alternately in the y-axis direction, for example. The third region 30 has, for example, a NaCl-type crystal structure.

第3領域30の金属原子31の原子番号は、例えば、第1原子21の原子番号よりも小さく、第2原子22の原子番号よりも小さい。金属原子31は、例えば、Mgである。 The atomic number of the metal atom 31 in the third region 30 is, for example, smaller than the atomic number of the first atom 21 and smaller than the atomic number of the second atom 22. The metal atom 31 is, for example, Mg.

第3領域30の[001]方向は、z軸方向に沿う。第2領域20の[001]方向は、z軸方向に沿う。これは、第3領域30の[001]方向がz軸方向に沿うことに基づく。第1領域10の[001]方向は、z軸方向に沿う。これは、第2領域20の[001]方向がz軸方向に沿うことに基づく。 The [001] direction of the third region 30 is along the z-axis direction. The [001] direction of the second region 20 is along the z-axis direction. This is based on the fact that the [001] direction of the third region 30 is along the z-axis direction. The [001] direction of the first region 10 is along the z-axis direction. This is based on the fact that the [001] direction of the second region 20 is along the z-axis direction.

第3領域30の[100]方向は、x軸方向に沿う。第2領域20の[100]方向は、x軸方向に沿う。これは、第3領域30の[100]方向がx軸方向に沿うことに基づく。第1領域10の[100]方向は、x軸方向に沿う。これは、第2領域20の[100]方向がx軸方向に沿うことに基づく。 The [100] direction of the third region 30 is along the x-axis direction. The [100] direction of the second region 20 is along the x-axis direction. This is based on the fact that the [100] direction of the third region 30 is along the x-axis direction. The [100] direction of the first region 10 is along the x-axis direction. This is based on the fact that the [100] direction of the second region 20 is along the x-axis direction.

第1領域10、第2領域20、および第3領域30の結晶方位は、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)で確認することができる。第2領域20が1つの原子層または2つの原子層を含む場合、第2領域20の結晶方位は、第3領域30の結晶構造に基づいて定義することができる。例えば、第2領域20に含まれる原子が、第3領域30に含まれる原子とエピタキシャルに配列され、第3領域30の[001]方向がz軸方向に沿う場合、第2領域20の[001]方向はz軸方向に沿っているとみなすことができる。 The crystal orientations of the first region 10, the second region 20, and the third region 30 can be confirmed by, for example, a transmission electron microscope (TEM). When the second region 20 includes one atomic layer or two atomic layers, the crystal orientation of the second region 20 can be defined based on the crystal structure of the third region 30. For example, when the atoms contained in the second region 20 are epitaxially arranged with the atoms contained in the third region 30 and the [001] direction of the third region 30 is along the z-axis direction, the [001] direction of the second region 20 is [001]. ] Direction can be considered to be along the z-axis direction.

図2は、第1実施形態に係る別の磁性素子を例示する模式的断面図である。
磁性素子110は、例えば、図2に表したように、第1磁性層1、酸化物層2、非磁性層3、第2磁性層4、第1導電層5、及び第2導電層6を含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
For example, as shown in FIG. 2, the magnetic element 110 includes a first magnetic layer 1, an oxide layer 2, a non-magnetic layer 3, a second magnetic layer 4, a first conductive layer 5, and a second conductive layer 6. include.

酸化物層2は、z軸方向において、第1磁性層1と非磁性層3との間に設けられる。第1磁性層1は、z軸方向において、酸化物層2と第1導電層5との間に設けられる。非磁性層3は、z軸方向において、酸化物層2と第2磁性層4との間に設けられる。第2磁性層4は、z軸方向において、非磁性層3と第2導電層6との間に設けられる。 The oxide layer 2 is provided between the first magnetic layer 1 and the non-magnetic layer 3 in the z-axis direction. The first magnetic layer 1 is provided between the oxide layer 2 and the first conductive layer 5 in the z-axis direction. The non-magnetic layer 3 is provided between the oxide layer 2 and the second magnetic layer 4 in the z-axis direction. The second magnetic layer 4 is provided between the non-magnetic layer 3 and the second conductive layer 6 in the z-axis direction.

第1磁性層1は、第1領域10を含む。酸化物層2は、第2領域20を含む。非磁性層3は、第3領域30を含む。 The first magnetic layer 1 includes a first region 10. The oxide layer 2 includes the second region 20. The non-magnetic layer 3 includes a third region 30.

第1磁性層1及び第2磁性層4は、強磁性を有する。第1磁性層1の磁化容易軸及び第2磁性層4の磁化容易軸は、例えば、z軸方向に沿う。第1磁性層1の磁化容易軸及び第2磁性層4の磁化容易軸は、x軸方向またはy軸方向に沿っていても良い。第1磁性層1の磁化方向は、第2磁性層4の磁化方向よりも容易に変化する。 The first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 have ferromagnetism. The easy-to-magnetize axis of the first magnetic layer 1 and the easy-to-magnetize axis of the second magnetic layer 4 are, for example, along the z-axis direction. The easy-to-magnetize axis of the first magnetic layer 1 and the easy-to-magnetize axis of the second magnetic layer 4 may be along the x-axis direction or the y-axis direction. The magnetization direction of the first magnetic layer 1 changes more easily than the magnetization direction of the second magnetic layer 4.

非磁性層3は、絶縁性である。非磁性層3は、例えば、トンネルバリアとして機能する。第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、第1磁性層1の磁化方向と第2磁性層4の磁化方向との相対的な関係に基づく。 The non-magnetic layer 3 is insulating. The non-magnetic layer 3 functions as, for example, a tunnel barrier. The electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 is based on the relative relationship between the magnetization direction of the first magnetic layer 1 and the magnetization direction of the second magnetic layer 4.

第1磁性層1の磁化方向と第2磁性層4の磁化方向が同じで、両者の間の角度が相対的に小さい場合、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、相対的に小さい。第1磁性層1の磁化方向と第2磁性層4の磁化方向が逆向きで、両者の間の角度が相対的に大きい場合、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、相対的に大きい。これは、磁気抵抗効果に基づく。 When the magnetization direction of the first magnetic layer 1 and the magnetization direction of the second magnetic layer 4 are the same and the angle between them is relatively small, the electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 Is relatively small. When the magnetization direction of the first magnetic layer 1 and the magnetization direction of the second magnetic layer 4 are opposite to each other and the angle between the two is relatively large, the electricity between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 The resistance is relatively high. This is based on the magnetoresistive effect.

これらの電気抵抗が大きい状態と電気抵抗が小さい状態を、例えば、「0」と「1」に対応させることで、磁性素子110が記憶素子として機能する。第1磁性層1の電気抵抗を検出することで、磁性素子110に記憶された磁化情報を読み取ることができる。第1磁性層1の磁化方向を制御することで、磁性素子110に情報を書き込むことができる。 The magnetic element 110 functions as a storage element by associating the state in which the electric resistance is large and the state in which the electric resistance is small correspond to, for example, "0" and "1". By detecting the electrical resistance of the first magnetic layer 1, the magnetization information stored in the magnetic element 110 can be read. By controlling the magnetization direction of the first magnetic layer 1, information can be written to the magnetic element 110.

第1磁性層1と第2磁性層4との間に電圧を印加することで、第1磁性層1の磁化方向を制御することができる。電圧は、第1導電層5及び第2導電層6を介して第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加される。 By applying a voltage between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4, the magnetization direction of the first magnetic layer 1 can be controlled. The voltage is applied between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 via the first conductive layer 5 and the second conductive layer 6.

第1磁性層1の磁化方向の変化は、例えば、第1磁性層1と非磁性層3との間に発生する電界による、第1磁性層1と酸化物層2を含む領域の結晶磁気異方性エネルギーの変化に基づく。消費電力を低減するためには、同一の電圧に対してより大きな結晶磁気異方性エネルギーの変化が生じ、電界効果が大きいことが望ましい。 The change in the magnetization direction of the first magnetic layer 1 is due to, for example, the crystal magnetic anisotropy of the region including the first magnetic layer 1 and the oxide layer 2 due to the electric field generated between the first magnetic layer 1 and the non-magnetic layer 3. Based on changes in anisotropic energy. In order to reduce power consumption, it is desirable that a larger change in crystalline magnetic anisotropy energy occurs for the same voltage and the electric field effect is large.

本願発明者は、第1原子21及び複数の第1酸素原子25を含む第2領域20が、第1領域10と第3領域30との間に位置することで、電圧印加時の結晶磁気異方性エネルギーの変化が大きくなり、電界効果を大きくできることを発見した。 According to the inventor of the present application, the second region 20 including the first atom 21 and the plurality of first oxygen atoms 25 is located between the first region 10 and the third region 30, so that the crystal magnetic anisotropy when a voltage is applied is obtained. It was discovered that the change in directional energy becomes large and the electric field effect can be made large.

図3は、シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
図4(a)、図4(b)、図5(a)~図5(c)、及び図6(a)~図6(c)は、第1実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of the magnetic element used in the simulation.
4 (a), 4 (b), 5 (a) to 5 (c), and 6 (a) to 6 (c) show the characteristics of the magnetic element according to the first embodiment. It is a simulation result.

シミュレーションは、第1原理計算を用いて行った。シミュレーションには、図3に表したように、3原子層のAu、3原子層のFe、2原子層の金属酸化物、及び6原子層のMgOを含む構造について行った。この構造は、基板が無い、自立したフリースタンディングの状態にある。 The simulation was performed using the first principle calculation. As shown in FIG. 3, the simulation was performed on a structure containing Au in the triatomic layer, Fe in the triatomic layer, metal oxide in the 2-atomic layer, and MgO in the 6-atomic layer. This structure is in a self-supporting free standing state without a substrate.

3原子層のAuは、例えば、図2に表した第1導電層5の少なくとも一部に対応する。3原子層のFeは、第1領域10に対応する。2原子層の酸化物は、第2領域20に対応する。6原子層のMgOは、第3領域30に対応する。 Au of the triatomic layer corresponds to, for example, at least a part of the first conductive layer 5 shown in FIG. Fe in the triatomic layer corresponds to the first region 10. The oxide of the diatomic layer corresponds to the second region 20. The MgO of the 6-atom layer corresponds to the third region 30.

図4(a)及び図4(b)において、横軸は、第2領域20に含まれる酸化物を表す。図4(a)の縦軸は、結晶磁気異方性エネルギーEMCA(mJ/m)を表す。図4(b)の縦軸は、電圧の変化に対する結晶磁気異方性エネルギーの変化(電界効果)ΔEMCA/ΔE(fJ/Vm)を表す。外部電場は、6原子層のMgOからz軸方向の負の方向に無限遠に離れた真空領域の電場の大きさで定義している。このため、MgO層における電界効果の大きさは、グラフ中の値に、MgOの比誘電率(9.8)をかけた値に実質的に対応する。 In FIGS. 4 (a) and 4 (b), the horizontal axis represents the oxide contained in the second region 20. The vertical axis of FIG. 4A represents the crystalline magnetic anisotropy energy EMCA (mJ / m 2 ). The vertical axis of FIG. 4B represents the change in crystal magnetic anisotropy energy (field effect) ΔE MCA / ΔE (fJ / Vm) with respect to the change in voltage. The external electric field is defined by the magnitude of the electric field in the vacuum region separated from MgO of the 6-atom layer at infinity in the negative direction in the z-axis direction. Therefore, the magnitude of the electric field effect in the MgO layer substantially corresponds to the value obtained by multiplying the value in the graph by the relative permittivity (9.8) of MgO.

図4(a)及び図4(b)において、実線は、第2領域20が2つの原子層を含む場合の結果を表す。すなわち、実線は、第2領域20が、第1原子21、第2原子22、及び複数の第1酸素原子25を含む場合の結果を表す。破線は、第2領域20が1つの原子層を含む場合の結果を表す。すなわち、破線は、第2領域20が、第1原子21と複数の第1酸素原子25の一部とを含む場合の結果を表す。 In FIGS. 4 (a) and 4 (b), the solid line represents the result when the second region 20 includes two atomic layers. That is, the solid line represents the result when the second region 20 includes the first atom 21, the second atom 22, and the plurality of first oxygen atoms 25. The dashed line represents the result when the second region 20 contains one atomic layer. That is, the broken line represents the result when the second region 20 includes the first atom 21 and a part of the plurality of first oxygen atoms 25.

図4(a)の結果では、第2領域20が2つの原子層を含み、第1原子21及び第2原子22がNiである場合、結晶磁気異方性エネルギーが比較的大きな正の値を示した。すなわち、比較的強い面直方向(z軸方向)の結晶磁気異方性を示している。面直方向の結晶磁気異方性を強めることで、第1領域10の磁化方向が面直方向に向き易くなる。ただし、結晶磁気異方性エネルギーの大きさは、Auの原子層(キャップ層に相当)の原子種を変えることにより調整可能である。キャップ層の原子種を調整することで、CoOを挿入した場合でも、結晶磁気異方性エネルギーを正の値、すなわち垂直方向(z軸方向)の結晶磁気異方性にできる。 In the result of FIG. 4A, when the second region 20 contains two atomic layers and the first atom 21 and the second atom 22 are Ni, the crystal magnetic anisotropy energy has a relatively large positive value. Indicated. That is, it shows a relatively strong crystal magnetic anisotropy in the perpendicular direction (z-axis direction). By strengthening the magnetocrystalline anisotropy in the plane-to-plane direction, the magnetization direction of the first region 10 becomes easy to be oriented in the plane-to-plane direction. However, the magnitude of the crystal magnetic anisotropy energy can be adjusted by changing the atomic type of the atomic layer (corresponding to the cap layer) of Au. By adjusting the atomic species of the cap layer, the crystal magnetic anisotropy energy can be set to a positive value, that is, the crystal magnetic anisotropy in the vertical direction (z-axis direction) even when CoO is inserted.

図4(b)の結果では、第2領域20がCoOを含む場合、第2領域20がFeまたはNiを含む場合に比べて、大きな電界効果を示した。すなわち、第2領域20が、Coである第1原子21または第2原子22を含むことで、電界効果を大きくできることを示している。 In the result of FIG. 4B, when the second region 20 contains CoO, a large electric field effect is shown as compared with the case where the second region 20 contains Fe or Ni. That is, it is shown that the electric field effect can be increased by including the first atom 21 or the second atom 22 which is Co in the second region 20.

図4(b)の結果では、第2領域20が、CoOを含み、2つの原子層を含む場合、より大きな電界効果を示した。すなわち、第2領域20が、Coである第1原子21及び第2原子22を含むことで、電界効果をさらに大きくできることを示している。電界効果が大きいほど、より小さな電圧で第1領域10の磁化方向を変化させることが可能となる。この結果、例えば、第1領域10に情報を記憶する際の消費電力を低減することができる。 In the result of FIG. 4B, when the second region 20 contains CoO and contains two atomic layers, a larger electric field effect is shown. That is, it is shown that the electric field effect can be further increased by including the first atom 21 and the second atom 22 which are Co in the second region 20. The larger the field effect, the smaller the voltage can be used to change the magnetization direction of the first region 10. As a result, for example, it is possible to reduce the power consumption when storing information in the first region 10.

図5(a)~図5(c)は、磁性素子100に外部電場E1(5V/nm)を印加した場合の各原子間の距離、磁性素子100に外部電場E2(-5V/nm)を印加した場合の各原子間の距離、及びこれらの距離の変化を表す。ここでは、第2領域20が2つの原子層を含む場合の結果を表している。各距離の単位は、Å(×10-1nm)である。 5 (a) to 5 (c) show the distance between each atom when an external electric field E1 (5 V / nm) is applied to the magnetic element 100, and the external electric field E2 (-5 V / nm) applied to the magnetic element 100. It represents the distance between each atom when applied, and the change in these distances. Here, the result when the second region 20 includes two atomic layers is shown. The unit of each distance is Å (× 10 -1 nm).

図5(a)は、第1原子21及び第2原子22がCoである場合の結果を表す。図5(b)は、第1原子21及び第2原子22がNiである場合の結果を表す。図5(c)は、第1原子21及び第2原子22がFeである場合の結果を表す。 FIG. 5A shows the result when the first atom 21 and the second atom 22 are Co. FIG. 5B shows the results when the first atom 21 and the second atom 22 are Ni. FIG. 5C shows the results when the first atom 21 and the second atom 22 are Fe.

図5(a)~図5(c)の表において、各原子間の距離d1~d4は、図3に表した距離d1~d4に対応する。距離d1は、z軸方向において最も近接した金属原子11と第1酸素原子25との格子間距離である。距離d2は、z軸方向において最も近接した第1原子21と第1酸素原子25との格子間距離である。距離d3は、z軸方向において最も近接した第2原子22と第1酸素原子25との格子間距離である。距離d4は、z軸方向において最も近接した第1原子21と第2酸素原子35との格子間距離である。 In the tables of FIGS. 5A to 5C, the distances d1 to d4 between the atoms correspond to the distances d1 to d4 shown in FIG. The distance d1 is the interstitial distance between the metal atom 11 and the first oxygen atom 25, which are closest to each other in the z-axis direction. The distance d2 is the interstitial distance between the first atom 21 and the first oxygen atom 25 that are closest to each other in the z-axis direction. The distance d3 is the interstitial distance between the second atom 22 and the first oxygen atom 25, which are closest to each other in the z-axis direction. The distance d4 is the interstitial distance between the first atom 21 and the second oxygen atom 35, which are closest to each other in the z-axis direction.

図5(a)及び図5(b)の結果は、第1原子21及び第2原子22がCoまたはNiである場合、外部電場の極性の切替により、距離d4が0.04Å変化することを表している。図5(c)の結果は、第1原子21及び第2原子22がFeである場合、外部電場の極性の切替により、距離d4が0.02Å変化することを表している。すなわち、第1原子21及び第2原子22がCoまたはNiである場合、第1原子21及び第2原子22がFeである場合に比べて、距離d4の変化が2倍であった。 The results of FIGS. 5 (a) and 5 (b) show that when the first atom 21 and the second atom 22 are Co or Ni, the distance d4 changes by 0.04 Å due to the switching of the polarity of the external electric field. Represents. The result of FIG. 5C shows that when the first atom 21 and the second atom 22 are Fe, the distance d4 changes by 0.02 Å due to the switching of the polarity of the external electric field. That is, when the first atom 21 and the second atom 22 were Co or Ni, the change in the distance d4 was doubled as compared with the case where the first atom 21 and the second atom 22 were Fe.

図6(a)~図6(c)は、図3に表した構造における第1原子21のd軌道のバンド構造を表す。図6(a)~図6(c)において、縦軸はエネルギーを表し、横軸は波数ベクトルを表す。図6(a)は、第1原子21がCoである場合の結果を表す。図6(b)は、第1原子21がNiである場合の結果を表す。図6(c)は、第1原子21がFeである場合の結果を表す。
図6(a)~図6(c)において、実線は磁気量子数m=±1におけるバンド構造を表し、破線は磁気量子数m=±2におけるバンド構造を表す。
6 (a) to 6 (c) show the band structure of the d-orbital of the first atom 21 in the structure shown in FIG. In FIGS. 6 (a) to 6 (c), the vertical axis represents energy and the horizontal axis represents a wave vector. FIG. 6A shows the result when the first atom 21 is Co. FIG. 6B shows the result when the first atom 21 is Ni. FIG. 6C shows the result when the first atom 21 is Fe.
In FIGS. 6A to 6C, the solid line represents the band structure at the magnetic quantum number m = ± 1, and the broken line represents the band structure at the magnetic quantum number m = ± 2.

図6(a)~図6(c)から、第1原子21がCoである場合、第1原子21がNiまたはFeである場合に比べて、局在したマイノリティスピンd軌道がフェルミ準位近傍に位置していることが分かる。 From FIGS. 6 (a) to 6 (c), when the first atom 21 is Co, the localized minority spin d orbital is near the Fermi level as compared with the case where the first atom 21 is Ni or Fe. It can be seen that it is located in.

図5に示された外部電場による原子の変位及び図6に示されたマイノリティスピンd軌道のエネルギー準位により、第2領域20がCoを含む場合に、大きな電界効果が表れたと考えられる。 It is considered that a large field effect was exhibited when the second region 20 contained Co due to the displacement of the atom by the external electric field shown in FIG. 5 and the energy level of the minority spin d-orbital shown in FIG.

以上で説明した通り、第2領域20が第1領域10と第3領域30との間に位置することで、磁性素子100の結晶磁気異方性エネルギー及び電界効果の少なくともいずれかを大きくすることが可能である。しかし、第2領域20が厚いと、第1領域10に記憶された磁化情報を読み出す際に、トンネル抵抗の変化率(MR比)が小さくなる。従って、第2領域20のz軸方向における厚さは、3原子層に対応する厚さ以下であることが望ましい。第2領域20のz軸方向における厚さが、4原子層に対応する厚さ以上になると、MR比が大きく低下する可能性がある。 As described above, by locating the second region 20 between the first region 10 and the third region 30, at least one of the crystal magnetic anisotropy energy and the electric field effect of the magnetic element 100 is increased. Is possible. However, if the second region 20 is thick, the rate of change (MR ratio) of the tunnel resistance becomes small when the magnetization information stored in the first region 10 is read out. Therefore, it is desirable that the thickness of the second region 20 in the z-axis direction is not more than the thickness corresponding to the three atomic layers. If the thickness of the second region 20 in the z-axis direction is equal to or greater than the thickness corresponding to the 4-atomic layer, the MR ratio may be significantly reduced.

第2領域20を含む酸化物層2には、第2領域20以外の部分が含まれていても良い。例えば、酸化物層2は、第2領域20よりも厚い領域を含んでいても良い。酸化物層2のx-y面に沿った面積に対して、第2領域20のx-y面に沿った面積が10%以上存在すれば、電界効果をより大きくできる。素子の断面積(有効素子面積)は限定されるものではないが、記録密度を上げるために極微化の方向であり、10×10~100×100nmの素子の開発報告がされている。 The oxide layer 2 including the second region 20 may include a portion other than the second region 20. For example, the oxide layer 2 may include a region thicker than the second region 20. If the area along the xy plane of the second region 20 is 10% or more with respect to the area along the xy plane of the oxide layer 2, the electric field effect can be further increased. The cross-sectional area (effective element area) of the element is not limited, but it is in the direction of miniaturization in order to increase the recording density, and the development of an element of 10 × 10 to 100 × 100 nm has been reported.

上記はシミュレーション用のモデルであって、Au、Fe、MgOのそれぞれに含まれる原子層の数は上記に限定されない。Au、Fe、MgOのそれぞれは、より多くの原子層を含んでいても良い。また、Auに代えて、他の非磁性体の導電性を有する金属が用いられても良い。 The above is a model for simulation, and the number of atomic layers contained in each of Au, Fe, and MgO is not limited to the above. Each of Au, Fe, and MgO may contain more atomic layers. Further, instead of Au, a metal having conductivity of another non-magnetic material may be used.

(第2実施形態)
図7は、第2実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
第2実施形態に係る磁性素子120は、例えば、第2領域20の構造について、第1実施形態に係る磁性素子100と差異を有する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the magnetic element according to the second embodiment.
The magnetic element 120 according to the second embodiment has a difference from the magnetic element 100 according to the first embodiment in the structure of the second region 20, for example.

磁性素子120では、第2領域20は、例えば、1つの原子層を含む。第2領域20は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtから選択された1つである第1原子21を含む。第1原子21は、x軸方向において、複数の第1酸素原子25の2つの間に設けられる。第1原子21は、例えば、y軸方向において、複数の第1酸素原子25の別の2つの間に設けられる。 In the magnetic element 120, the second region 20 includes, for example, one atomic layer. The second region 20 contains the first atom 21, which is one selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. The first atom 21 is provided between two of the plurality of first oxygen atoms 25 in the x-axis direction. The first atom 21 is provided, for example, in the y-axis direction between two other first oxygen atoms 25.

第1原子21は、z軸方向において、第2酸素原子35と金属原子11との間に位置する。第1原子21と金属原子11との間のz軸方向における距離は、例えば、第1酸素原子25と金属原子11との間のz軸方向における距離よりも長い。 The first atom 21 is located between the second oxygen atom 35 and the metal atom 11 in the z-axis direction. The distance in the z-axis direction between the first atom 21 and the metal atom 11 is longer than, for example, the distance in the z-axis direction between the first oxygen atom 25 and the metal atom 11.

Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtのスピン軌道相互作用力は、Fe、Co、及びNiのスピン軌道相互作用力よりも大きい。さらに、第2領域20がこれらの酸化物を含むことで、外部電場を印加した際に、金属原子と酸素原子との相対的な位置の変位により、さらに大きな電界効果が期待できる。 The spin-orbit interaction force of Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt is larger than the spin-orbit interaction force of Fe, Co, and Ni. Further, since the second region 20 contains these oxides, a larger electric field effect can be expected due to the displacement of the relative positions of the metal atom and the oxygen atom when an external electric field is applied.

図8は、第2実施形態の変形例に係る磁性素子を表す模式図である。
図8に表した磁性素子121のように、第2領域20が2つの原子層を含んでいても良い。すなわち、第2領域20は、第1原子21及び第2原子22を含む。第1原子21は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtから選択された1つである。第2原子22は、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群より選択された1つである。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a magnetic element according to a modified example of the second embodiment.
As in the magnetic element 121 shown in FIG. 8, the second region 20 may include two atomic layers. That is, the second region 20 includes the first atom 21 and the second atom 22. The first atom 21 is one selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. The second atom 22 is one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt.

または、第1原子21は、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群より選択された1つであり、第2原子22は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtから選択された1つであっても良い。
い。
Alternatively, the first atom 21 is one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt, and the second atom 22 is Ru, Rh, Pd, It may be one selected from Os, Ir, and Pt.
stomach.

第2領域20のz軸方向における厚さは、3原子層に対応する厚さであっても良い。MR比の低下を抑制するためには、第2領域20のz軸方向における厚さは、3原子層に対応する厚さ以下であることが望ましい。 The thickness of the second region 20 in the z-axis direction may be a thickness corresponding to the triatomic layer. In order to suppress the decrease in the MR ratio, it is desirable that the thickness of the second region 20 in the z-axis direction is not more than the thickness corresponding to the triatomic layer.

図9は、シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
図10及び図11は、第2実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of the magnetic element used in the simulation.
10 and 11 are simulation results showing the characteristics of the magnetic element according to the second embodiment.

シミュレーションは、図9に表したように、3原子層のAu、3原子層のFe、1原子層の金属酸化物MO、及び6原子層のMgOを含む構造について行った。これらの原子層は、基板が無い、自立したフリースタンディングの状態にある。2原子層の酸化物は、図7に表した第2領域20に対応する。 As shown in FIG. 9, the simulation was performed on a structure containing Au in the 3-atom layer, Fe in the 3-atom layer, metal oxide MO in the 1-atom layer, and MgO in the 6-atom layer. These atomic layers are in a self-sustaining free standing state without a substrate. The oxide of the diatomic layer corresponds to the second region 20 shown in FIG.

図10(a)~図10(c)及び図11(a)~図11(c)において、横軸はスピン軌道相互作用の強さを表す。図10(a)~図10(c)において、縦軸は結晶磁気異方性エネルギーを表す。図11(a)~図11(c)において、縦軸は電界効果を表す。外部電場は、6原子層のMgOからz軸方向の負の方向に無限遠に離れた真空領域の電場の大きさで定義している。このため、MgO層における電界効果の大きさは、グラフ中の値に、MgOの比誘電率(9.8)をかけた値に実質的に対応する。 In FIGS. 10 (a) to 10 (c) and FIGS. 11 (a) to 11 (c), the horizontal axis represents the strength of the spin-orbit interaction. In FIGS. 10 (a) to 10 (c), the vertical axis represents the crystal magnetic anisotropy energy. In FIGS. 11 (a) to 11 (c), the vertical axis represents the electric field effect. The external electric field is defined by the magnitude of the electric field in the vacuum region separated from MgO in the 6-atom layer at infinity in the negative direction in the z-axis direction. Therefore, the magnitude of the electric field effect in the MgO layer substantially corresponds to the value obtained by multiplying the value in the graph by the relative permittivity (9.8) of MgO.

図10(a)及び図11(a)は、第1原子21が、Fe、Ru、またはOsである場合のシミュレーション結果を表す。図10(b)及び図11(b)は、第1原子21が、Co、Rh、またはIrである場合のシミュレーション結果を表す。図10(c)及び図11(c)は、第1原子21が、Ni、Pd、またはPtである場合のシミュレーション結果を表す。 10 (a) and 11 (a) show simulation results when the first atom 21 is Fe, Ru, or Os. 10 (b) and 11 (b) show simulation results when the first atom 21 is Co, Rh, or Ir. 10 (c) and 11 (c) show simulation results when the first atom 21 is Ni, Pd, or Pt.

図10(a)~図10(c)の結果では、第1原子21がOsまたはIrである場合に、結晶磁気異方性エネルギーが大きな正の値を示した。図11(a)~図11(c)の結果では、第1原子21がOsまたはIrである場合に、大きな電界効果を示した。これらのシミュレーション結果は、第1原子21がOsまたはIrである場合に、より望ましい特性が得られることを示している。 In the results of FIGS. 10 (a) to 10 (c), the crystal magnetic anisotropy energy showed a large positive value when the first atom 21 was Os or Ir. In the results of FIGS. 11 (a) to 11 (c), a large electric field effect was shown when the first atom 21 was Os or Ir. These simulation results show that more desirable properties are obtained when the first atom 21 is Os or Ir.

上記はシミュレーション用のモデルであって、Au、Fe、MgOのそれぞれに含まれる原子層の数は上記に限定されない。Au、Fe、MgOのそれぞれは、より多くの原子層を含んでいてもよい。また、Auに代えて、他の非磁性体の導電性を有する金属が用いられても良い。 The above is a model for simulation, and the number of atomic layers contained in each of Au, Fe, and MgO is not limited to the above. Each of Au, Fe, and MgO may contain more atomic layers. Further, instead of Au, a metal having conductivity of another non-magnetic material may be used.

(第3実施形態)
図12は、第3実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
図12に表したように、磁気記憶装置210は、磁性素子110、制御部70、第1配線70a、及び第2配線70bを含む。
(Third Embodiment)
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the magnetic storage device according to the third embodiment.
As shown in FIG. 12, the magnetic storage device 210 includes a magnetic element 110, a control unit 70, a first wiring 70a, and a second wiring 70b.

第1配線70aは、第1導電層5と電気的に接続される。第2配線70bは、第2導電層6と電気的に接続される。第2配線70bは、例えば、スイッチ70sを含む。スイッチ70sは、例えば選択トランジスタである。このように、電流経路上にスイッチなどが設けられている状態も、電気的に接続される状態に含まれる。 The first wiring 70a is electrically connected to the first conductive layer 5. The second wiring 70b is electrically connected to the second conductive layer 6. The second wiring 70b includes, for example, a switch 70s. The switch 70s is, for example, a selection transistor. As described above, the state in which a switch or the like is provided on the current path is also included in the state of being electrically connected.

制御部70は、第1配線70aと第2配線70bとの間に電圧を印加し、スイッチ70sをオンさせることで、磁性素子110に電圧を印加する。磁性素子110に電圧を印加すると、第1磁性層1の磁化方向がx軸方向またはy軸方向を中心に歳差運動し、磁化方向のz軸方向成分が正負に交互に反転する。磁性素子110への電圧の印加時間を適切に制御することで、第1磁性層1の磁化方向を所望の方向に制御することができる。すなわち、磁気記憶装置210では、磁性素子110に単極性の電圧を印加することにより、第1磁性層1の磁化方向を所望の方向に制御することができる。 The control unit 70 applies a voltage between the first wiring 70a and the second wiring 70b, and by turning on the switch 70s, the voltage is applied to the magnetic element 110. When a voltage is applied to the magnetic element 110, the magnetization direction of the first magnetic layer 1 undergoes an aging motion about the x-axis direction or the y-axis direction, and the z-axis direction components of the magnetization direction are alternately inverted positively and negatively. By appropriately controlling the application time of the voltage to the magnetic element 110, the magnetization direction of the first magnetic layer 1 can be controlled in a desired direction. That is, in the magnetic storage device 210, the magnetization direction of the first magnetic layer 1 can be controlled in a desired direction by applying a unipolar voltage to the magnetic element 110.

(動作例)
第3実施形態に係る磁気記憶装置の動作例について説明する。
図13(a)~図13(c)は、第3実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図の横軸は、時間tiを表す。これらの図の縦軸は、第1配線70aと第2配線70bとの間に加わる信号S1の電位を表す。信号S1は、第1磁性層1と第2磁性層4との間に加わる信号に実質的に対応する。
(Operation example)
An operation example of the magnetic storage device according to the third embodiment will be described.
13 (a) to 13 (c) are schematic views illustrating the operation of the magnetic storage device according to the third embodiment.
The horizontal axis of these figures represents time ti. The vertical axis of these figures represents the potential of the signal S1 applied between the first wiring 70a and the second wiring 70b. The signal S1 substantially corresponds to a signal applied between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4.

図13(a)に表したように、制御部70は、第1配線70aと第2配線70bとの間に、第1パルスP1(例えば書き変えパルス)を印加する第1動作OP1を実施する。第1動作OP1において、第1磁性層1と第2磁性層4との間に、第1パルスP1が供給される。例えば、第1パルスP1により、記憶された情報が書き換えられる。これにより、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗が変化する。 As shown in FIG. 13A, the control unit 70 carries out the first operation OP1 in which the first pulse P1 (for example, a rewrite pulse) is applied between the first wiring 70a and the second wiring 70b. .. In the first operation OP1, the first pulse P1 is supplied between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4. For example, the stored information is rewritten by the first pulse P1. As a result, the electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 changes.

例えば、第1動作OP1の後における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗は、第1動作OP1の前における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第1電気抵抗とは、異なる。 For example, the second electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 after the first operation OP1 is the same as that of the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 before the first operation OP1. It is different from the first electrical resistance between.

この電気抵抗の変化は、例えば、第1パルスP1(書き変えパルス)による第1磁性層1の磁化方向の変化に基づく。第1磁性層1と第2磁性層4との間において、磁化方向の相対関係が、第1パルスP1(書き変えパルス)により変化する。電気抵抗が異なる複数の状態は、それぞれ、記憶される情報に対応する。 This change in electrical resistance is based on, for example, a change in the magnetization direction of the first magnetic layer 1 due to the first pulse P1 (rewrite pulse). The relative relationship in the magnetization direction between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 is changed by the first pulse P1 (rewrite pulse). Multiple states with different electrical resistances correspond to the stored information.

図13(a)に示すように、制御部70は、第2動作OP2をさらに実施しても良い。第2動作OP2において、制御部70は、第1動作OP1の前に第1磁性層1と第2磁性層4との間(第1配線70aと第2配線70bとの間)に、第2パルスP2(読み出しパルス)を印加する。読み出しパルスにより得られた第1磁性層1と第2磁性層4との間の第3電気抵抗は、第1動作の後の第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗とは異なる。第3電気抵抗は、書き換え前の電気抵抗である。第2電気抵抗は、書き換え後の電気抵抗である。第3電気抵抗は、例えば、第1電気抵抗と同じである。 As shown in FIG. 13A, the control unit 70 may further perform the second operation OP2. In the second operation OP2, the control unit 70 performs a second operation between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 (between the first wiring 70a and the second wiring 70b) before the first operation OP1. Pulse P2 (reading pulse) is applied. The third electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 obtained by the readout pulse is the second between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 after the first operation. It is different from electrical resistance. The third electric resistance is the electric resistance before rewriting. The second electric resistance is the electric resistance after rewriting. The third electric resistance is, for example, the same as the first electric resistance.

例えば、第2パルスP2(読み出しパルス)の極性は、第1パルスP1(書き変えパルス)の極性に対して逆である。このような逆極性の第2パルスP2(読み出しパルス)を用いる場合、第2パルスP2の第2パルス高さH2の絶対値は、第1パルスP1(書き変えパルス)の第1パルス高さH1の絶対値よりも小さくても良く、同じでも良く、大きくても良い。磁性層の結晶磁気異方性が電圧により制御される場合は、逆極性の読み出しパルスを用いることで、読み出し時に磁性層の磁化方向が変化することを抑制できる。 For example, the polarity of the second pulse P2 (read pulse) is opposite to the polarity of the first pulse P1 (rewrite pulse). When the second pulse P2 (reading pulse) having such a reverse polarity is used, the absolute value of the second pulse height H2 of the second pulse P2 is the first pulse height H1 of the first pulse P1 (rewriting pulse). It may be smaller, the same, or larger than the absolute value of. When the crystal magnetic anisotropy of the magnetic layer is controlled by a voltage, it is possible to suppress the change in the magnetization direction of the magnetic layer at the time of reading by using a read pulse of opposite polarity.

磁気記憶装置210が上記特性を有する場合には、以下のようになる。
制御部70は、第1動作OP1において、第1磁性層1と第2磁性層4との間に、第1パルスP1を印加する。第1動作OP1の後における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗は、第1動作OP1の前における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第1電気抵抗とは、異なる。第1パルスP1は、第1極性と、第1パルス幅T1と、第1パルス高さH1と、を有する。
When the magnetic storage device 210 has the above characteristics, it is as follows.
The control unit 70 applies the first pulse P1 between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 in the first operation OP1. The second electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 after the first operation OP1 is between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 before the first operation OP1. It is different from the first electrical resistance. The first pulse P1 has a first polarity, a first pulse width T1, and a first pulse height H1.

このとき、第1極性とは逆の第2極性と、第1パルス幅T1と、第1パルス高さH1と同じ絶対値のパルス高さと、を有する別のパルスを印加した場合に、以下となる。
この別のパルスを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加した後の第1磁性層1と第2磁性層4との間の第3電気抵抗と、この別のパルスを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加する前の第4電気抵抗と、の差の絶対値は、第2電気抵抗と第1電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、第1パルスP1の印加により情報の書き換えが実行され、別のパルスの印加によっては情報の書き換えが生じない。
At this time, when another pulse having a second polarity opposite to the first polarity, a first pulse width T1, and a pulse height having the same absolute value as the first pulse height H1 is applied, the following Become.
The third electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 after applying this other pulse between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4, and this other pulse. The absolute value of the difference between the fourth electric resistance before being applied between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 is smaller than the absolute value of the difference between the second electric resistance and the first electric resistance. .. That is, the information is rewritten by applying the first pulse P1, and the information is not rewritten by applying another pulse.

第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、第1磁性層1と電気的に接続されている第1配線70aと、第2磁性層4と電気的に接続されている第2配線70bと、の間の電気抵抗に対応する。 The electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 is electrically connected to the first wiring 70a electrically connected to the first magnetic layer 1 and to the second magnetic layer 4. Corresponds to the electrical resistance between the second wire 70b and the second wire.

記憶されている情報を書き換えないときには、図13(b)に示すように、制御部70は、第2動作OP2の後に第3動作OP3を実施する。第3動作OP3においては、上記の第1パルスP1が印加されない。このときには、書き換えが生じない。 When the stored information is not rewritten, the control unit 70 executes the third operation OP3 after the second operation OP2 as shown in FIG. 13B. In the third operation OP3, the above-mentioned first pulse P1 is not applied. At this time, rewriting does not occur.

適切な第1パルスP1が印加されたときに、情報の書き換えが可能になる。適切な第1パルスP1が印加されると、第1磁性層1と第2磁性層4との間の電気抵抗は、高抵抗状態から低抵抗状態に、又は、低抵抗状態から高抵抗状態に、変化する。一方、適切ではないパルスが印加された場合は、高抵抗状態は、所望の低抵抗状態にならない。適切ではないパルスが印加された場合は、低抵抗状態は、所望の高抵抗状態にならない。 Information can be rewritten when an appropriate first pulse P1 is applied. When an appropriate first pulse P1 is applied, the electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 changes from a high resistance state to a low resistance state, or from a low resistance state to a high resistance state. ,Change. On the other hand, when an inappropriate pulse is applied, the high resistance state does not reach the desired low resistance state. If an improper pulse is applied, the low resistance state will not be the desired high resistance state.

適切ではないパルスのパルス幅は、例えば、適切な第1パルス幅T1の約2倍である。適切ではないパルスが第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加された場合には、抵抗の変化が生じる確率が低い。 The pulse width of the inappropriate pulse is, for example, about twice the appropriate first pulse width T1. When an inappropriate pulse is applied between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4, the probability of a change in resistance is low.

例えば、制御部70は、第1動作OP1において、第1磁性層1と第2磁性層4との間に上記の第1パルスP1を印加する。第1パルスP1は、第1パルス幅T1と、第1パルス高さH1と、を有する。この第1パルスP1により、書き換えが適切に行われる。すなわち、第1動作OP1の後における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第2電気抵抗は、第1動作OP1の前における第1磁性層1と第2磁性層4との間の第1電気抵抗とは、異なる。このとき、図13(c)に示すような別のパルスP1xが印加される場合には、電気抵抗の変化が実質的に生じない。別のパルスP1xは、第1パルス幅T1の2倍のパルス幅と、第1パルス高さH1と、を有する。 For example, the control unit 70 applies the above-mentioned first pulse P1 between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 in the first operation OP1. The first pulse P1 has a first pulse width T1 and a first pulse height H1. Rewriting is appropriately performed by the first pulse P1. That is, the second electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 after the first operation OP1 is the same as that of the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 before the first operation OP1. It is different from the first electrical resistance between. At this time, when another pulse P1x as shown in FIG. 13C is applied, the change in electrical resistance does not substantially occur. Another pulse P1x has a pulse width that is twice the first pulse width T1 and a first pulse height H1.

このような別のパルスP1xを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加した後の第1磁性層1と第2磁性層4との間の第3電気抵抗と、別のパルスP1xを第1磁性層1と第2磁性層4との間に印加する前の第4電気抵抗と、の差の絶対値は、第2電気抵抗と第1電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、別のパルスP1xを印加したときには、電気抵抗は実質的に変化しない。または、別のパルスP1xを印加したときの電気抵抗の変化は、第1パルスP1を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。 Another is the third electrical resistance between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 after applying such another pulse P1x between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4. The absolute value of the difference between the fourth electric resistance before applying the pulse P1x between the first magnetic layer 1 and the second magnetic layer 4 is the absolute value of the difference between the second electric resistance and the first electric resistance. Smaller than. That is, when another pulse P1x is applied, the electrical resistance does not change substantially. Alternatively, the change in electrical resistance when another pulse P1x is applied is smaller than the change in electrical resistance when the first pulse P1 is applied.

複数回の動作における平均値を用いることで、上記の電気抵抗の変化を、より確実に比較できる。例えば、上記の第1パルスP1を印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。一方、上記の別のパルスP1xを印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。上記の2つの平均値を比較することで、別のパルスP1xを印加したときの電気抵抗の変化が第1パルスP1を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さいことが、より確実に分かる。 By using the average value in a plurality of operations, the above changes in electrical resistance can be compared more reliably. For example, the process of applying the above-mentioned first pulse P1 and detecting the change in electrical resistance before and after the first pulse P1 is performed a plurality of times. Obtain the average value of the absolute values of the changes in electrical resistance at this time. On the other hand, the process of applying the above-mentioned other pulse P1x and detecting the change in electrical resistance before and after the pulse P1x is performed a plurality of times. Obtain the average value of the absolute values of the changes in electrical resistance at this time. By comparing the above two average values, it can be seen more reliably that the change in electrical resistance when another pulse P1x is applied is smaller than the change in electrical resistance when the first pulse P1 is applied.

第3実施形態に係る磁気記憶装置210においては、例えば、上記の別のパルスP1xを印加したときの電気抵抗の変化が、上記の第1パルスP1を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。 In the magnetic storage device 210 according to the third embodiment, for example, the change in electrical resistance when the above-mentioned other pulse P1x is applied is smaller than the change in the electrical resistance when the above-mentioned first pulse P1 is applied. ..

(第4実施形態)
図14は、第4実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。
図14に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置220は、複数の記憶部MEと、複数の配線(複数の第1ビット線BL1、複数の第2ビット線BL2、及び複数のワード線WL)と、制御部70と、含む。
(Fourth Embodiment)
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating another magnetic storage device according to the fourth embodiment.
As shown in FIG. 14, the magnetic storage device 220 according to the present embodiment has a plurality of storage units ME, a plurality of wirings (a plurality of first bit lines BL1, a plurality of second bit lines BL2, and a plurality of word lines). WL) and the control unit 70.

この例では、複数のビット線BL1及びBL2は、y軸方向に延びる。複数のビット線BL1及びBL2は、x軸方向に並ぶ。複数のワード線WLは、x軸方向に延びる。複数のワード線WLは、y軸方向に並ぶ。 In this example, the plurality of bit lines BL1 and BL2 extend in the y-axis direction. The plurality of bit lines BL1 and BL2 are arranged in the x-axis direction. The plurality of word lines WL extend in the x-axis direction. The plurality of word lines WL are arranged in the y-axis direction.

複数の記憶部MEの1つは、磁性素子110と、スイッチ70s(例えばトランジスタ)と、を含む。スイッチ70sは、磁性素子110と直列に接続される。磁性素子110の一端が、スイッチ70sの一端と接続される。磁性素子110は、1つのメモリセルMCに対応する。 One of the plurality of storage units ME includes a magnetic element 110 and a switch 70s (for example, a transistor). The switch 70s is connected in series with the magnetic element 110. One end of the magnetic element 110 is connected to one end of the switch 70s. The magnetic element 110 corresponds to one memory cell MC.

複数の第1ビット線BL1の1つに、複数の記憶部MEの1つに含まれる磁性素子110の他端が電気的に接続される。複数の第2ビット線BL2の1つに、複数の記憶部MEの1つに含まれるスイッチ70sの他端が電気的に接続される。 The other end of the magnetic element 110 included in one of the plurality of storage units ME is electrically connected to one of the plurality of first bit wires BL1. The other end of the switch 70s included in one of the plurality of storage units ME is electrically connected to one of the plurality of second bit lines BL2.

複数のワード線WLの1つに、複数の記憶部MEの1つに含まれるスイッチ70sの制御端子(例えばゲート)が電気的に接続される。スイッチ70sの第3端子が電気的に接続される。 A control terminal (for example, a gate) of a switch 70s included in one of a plurality of storage units ME is electrically connected to one of a plurality of word line WLs. The third terminal of the switch 70s is electrically connected.

複数の第1ビット線BL1及び複数の第2ビット線BL2は、第1回路71及び第2回路72の少なくともいずれかに電気的に接続される。複数のワード線WLは、第3回路73に電気的に接続される。これらの回路は、選択スイッチ(例えば選択トランジスタなど)を含んでいる。これらの回路は、複数の配線を選択して所定の電圧を印加する。これらの回路及びスイッチ70sにより、複数の磁性素子110の1つに所定の電圧パルスが印加される。これにより、磁性素子110における抵抗が変化する。高抵抗状態または低抵抗状態が、記憶される情報の「0」または「1」に対応する。これらの回路は、例えば、検出回路(センスアンプなど)を含む。検出回路は、例えば、磁性素子110の抵抗状態に対応した値(電圧、電流及び抵抗など)を検出する。これにより、記憶した情報が読み出される。これらの回路は、制御部70に含まれる。 The plurality of first bit wires BL1 and the plurality of second bit wires BL2 are electrically connected to at least one of the first circuit 71 and the second circuit 72. The plurality of word line WLs are electrically connected to the third circuit 73. These circuits include a selection switch (eg, a selection transistor, etc.). These circuits select a plurality of wires and apply a predetermined voltage. By these circuits and the switch 70s, a predetermined voltage pulse is applied to one of the plurality of magnetic elements 110. As a result, the resistance of the magnetic element 110 changes. The high resistance state or the low resistance state corresponds to "0" or "1" of the stored information. These circuits include, for example, a detection circuit (such as a sense amplifier). The detection circuit detects, for example, a value (voltage, current, resistance, etc.) corresponding to the resistance state of the magnetic element 110. As a result, the stored information is read out. These circuits are included in the control unit 70.

以上で説明した各実施形態によれば、第1磁性層1と非磁性層3の間に、特定原子で1~3原子数の厚さを持つ酸化物層2が設けられることにより、結晶磁気異方性エネルギー及び電界効果の少なくともいずれかを大きくすることができる。そのため、例えば、書き換えの電流を抑制することができ、従来の磁気抵抗を利用したデバイスよりも磁化反転に要する電流を1/10以下にすることが可能となる。 According to each embodiment described above, the oxide layer 2 having a thickness of 1 to 3 atoms with a specific atom is provided between the first magnetic layer 1 and the non-magnetic layer 3, whereby the crystal magnetism is formed. At least one of the anisotropic energy and the electric field effect can be increased. Therefore, for example, the rewriting current can be suppressed, and the current required for magnetization reversal can be reduced to 1/10 or less as compared with a device using a conventional magnetoresistance.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。実施形態に係る磁性素子や磁気記憶装置に含まれる各要素の具体的な構成に関しては、適宜変更することができる。実施形態に係る磁性素子や磁気記憶装置に当業者が適宜設計変更を加えたものであっても、上述した特徴を含む場合は本発明の範囲に包含される。また、上述した実施形態に含まれる各要素は、技術的に可能な限りにおいて適宜組み合わせることができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. The specific configuration of each element included in the magnetic element and the magnetic storage device according to the embodiment can be appropriately changed. Even if a person skilled in the art appropriately modifies a magnetic element or a magnetic storage device according to an embodiment, the above-mentioned features are included in the scope of the present invention. In addition, the elements included in the above-described embodiments can be appropriately combined as technically possible.

1 第1磁性層、 2 酸化物層、 3 非磁性層、 4 第2磁性層、 5 第1導電層、 6 第2導電層、 10 第1領域、 11 金属原子、 20 第2領域、 21 第1原子、 22 第2原子、 25 第1酸素原子、 30 第3領域、 31 金属原子、 35 第2酸素原子、 70 制御部、 70a 第1配線、 70b 第2配線、 70s スイッチ、 71 第1回路、 72 第2回路、 73 第3回路、 100~121 磁性素子、 210、220 磁気記憶装置、 BL1 第1ビット線、 BL2 第2ビット線、 H1 第1パルス高さ、 H2 第2パルス高さ、 MC メモリセル、 ME 記憶部、 MO 金属酸化物、 OP1 第1動作、 OP2 第2動作、 OP3 第3動作、 P1 第1パルス、 P1x パルス、 P2 第2パルス、 S1 信号、 T1 パルス幅、 WL ワード線、 d1~d4 距離 1 1st magnetic layer, 2 oxide layer, 3 non-magnetic layer, 4 2nd magnetic layer, 5 1st conductive layer, 6 2nd conductive layer, 10 1st region, 11 metal atom, 20 2nd region, 21st 1 atom, 22 2nd atom, 25 1st oxygen atom, 30 3rd region, 31 metal atom, 35 2nd oxygen atom, 70 control unit, 70a 1st wiring, 70b 2nd wiring, 70s switch, 71 1st circuit , 72 2nd circuit, 73 3rd circuit, 100-121 magnetic element, 210, 220 magnetic storage device, BL1 1st bit wire, BL2 2nd bit wire, H1 1st pulse height, H2 2nd pulse height, MC memory cell, ME storage, MO metal oxide, OP1 1st operation, OP2 2nd operation, OP3 3rd operation, P1 1st pulse, P1x pulse, P2 2nd pulse, S1 signal, T1 pulse width, WL word Line, d1 to d4 distance

Claims (10)

第1領域を含む第1磁性層と、3原子層以下の厚さを有する第2領域を含む酸化物層と、第3領域を含む非磁性層と、第2磁性層と、を有する磁性素子と、
前記第1磁性層及び前記第2磁性層と電気的に接続され、前記磁性素子に単極性の電圧を印加する制御部と、
を備え、
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置するように、前記酸化物層は前記第1磁性層と前記非磁性層との間に設けられ、
前記酸化物層及び前記非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられ、
前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含み、
前記第2領域は、Co及びNiからなる群から選択された1つの第1原子と、複数の第1酸素原子と、を含み、
前記第3領域は、金属原子と、第2酸素原子と、を含み、
前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向において、前記第1原子は、前記第2酸素原子と、前記複数の第1酸素原子の1つと、の間にあり、
前記第1方向と交差する第2方向において、前記第1原子は、前記複数の第1酸素原子の2つの間にあり、
前記制御部は、前記磁性素子に印加する前記電圧の大きさ及び時間を制御して前記第1磁性層の磁化方向を制御することにより前記磁性素子へ情報を書き込む又は書き込まないを制御し、
前記情報として、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の電気抵抗が相対的に小さい状態と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の電気抵抗が相対的に大きい状態と、のいずれかが用いられる、磁気記憶装置。
A magnetic element having a first magnetic layer including a first region, an oxide layer containing a second region having a thickness of 3 atomic layers or less, a non-magnetic layer including a third region, and a second magnetic layer. When,
A control unit that is electrically connected to the first magnetic layer and the second magnetic layer and applies a unipolar voltage to the magnetic element .
Equipped with
The oxide layer is provided between the first magnetic layer and the non-magnetic layer so that the second region is located between the first region and the third region.
The oxide layer and the non-magnetic layer are provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
The first region comprises at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
The second region contains one first atom selected from the group consisting of Co and Ni, and a plurality of first oxygen atoms.
The third region contains a metal atom and a second oxygen atom.
In the first direction from the second region to the first region, the first atom is between the second oxygen atom and one of the plurality of first oxygen atoms.
In the second direction intersecting the first direction, the first atom is between two of the plurality of first oxygen atoms.
The control unit controls whether or not information is written to the magnetic element by controlling the magnitude and time of the voltage applied to the magnetic element to control the magnetization direction of the first magnetic layer.
As the information, the electric resistance between the first magnetic layer and the second magnetic layer is relatively small, and the electric resistance between the first magnetic layer and the second magnetic layer is relatively small. A magnetic storage device in which either the large state or is used .
前記第2領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つの第2原子をさらに含み、
前記第2原子は、前記第2方向において、前記複数の第1酸素原子の2つの間に位置し、
前記複数の第1酸素原子の別の1つは、前記第1方向において、前記第2原子と前記金属原子との間にある、請求項1記載の磁気記憶装置。
The second region further comprises one second atom selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
The second atom is located between the two of the plurality of first oxygen atoms in the second direction.
The magnetic storage device according to claim 1, wherein another one of the plurality of first oxygen atoms is located between the second atom and the metal atom in the first direction.
前記第1原子は、前記第2方向において、前記複数の第1酸素原子の別の2つの間に位置する、請求項2記載の磁気記憶装置。 The magnetic storage device according to claim 2, wherein the first atom is located between another two of the plurality of first oxygen atoms in the second direction. 第1領域を含む第1磁性層と、3原子層以下の厚さを有する第2領域を含む酸化物層と、第3領域を含む非磁性層と、第2磁性層と、を有する磁性素子と、
前記第1磁性層及び前記第2磁性層と電気的に接続され、前記磁性素子に単極性の電圧を印加する制御部と、
を備え、
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置するように、前記酸化物層は前記第1磁性層と前記非磁性層との間に設けられ、
前記酸化物層及び前記非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられ、
前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含み、
前記第2領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された1つの第1原子と、Co及びNiからなる群から選択された1つの第2原子と、複数の第1酸素原子と、を含み、
前記第3領域は、金属原子と、第2酸素原子と、を含み、
前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向において、前記第1原子は、前記第2酸素原子と、前記複数の第1酸素原子の1つと、の間にあり、
前記複数の第1酸素原子の別の1つは、前記第1方向において、前記第2原子と前記金属原子との間にあり、
前記第1方向と交差する第2方向における前記第1原子の位置は、前記第2方向における前記第2原子の位置と異なり、
前記制御部は、前記磁性素子に印加する前記電圧の大きさ及び時間を制御して前記第1磁性層の磁化方向を制御することにより前記磁性素子へ情報を書き込む又は書き込まないを制御し、
前記情報として、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の電気抵抗が相対的に小さい状態と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間の電気抵抗が相対的に大きい状態と、のいずれかが用いられる、磁気記憶装置。
A magnetic element having a first magnetic layer including a first region, an oxide layer containing a second region having a thickness of 3 atomic layers or less, a non-magnetic layer including a third region, and a second magnetic layer. When,
A control unit that is electrically connected to the first magnetic layer and the second magnetic layer and applies a unipolar voltage to the magnetic element .
Equipped with
The oxide layer is provided between the first magnetic layer and the non-magnetic layer so that the second region is located between the first region and the third region.
The oxide layer and the non-magnetic layer are provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
The first region comprises at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
The second region comprises one first atom selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni, one second atom selected from the group consisting of Co and Ni, and a plurality of first oxygen atoms. , Including
The third region contains a metal atom and a second oxygen atom.
In the first direction from the second region to the first region, the first atom is between the second oxygen atom and one of the plurality of first oxygen atoms.
Another one of the plurality of first oxygen atoms is between the second atom and the metal atom in the first direction.
The position of the first atom in the second direction intersecting the first direction is different from the position of the second atom in the second direction.
The control unit controls whether or not information is written to the magnetic element by controlling the magnitude and time of the voltage applied to the magnetic element to control the magnetization direction of the first magnetic layer.
As the information, the electric resistance between the first magnetic layer and the second magnetic layer is relatively small, and the electric resistance between the first magnetic layer and the second magnetic layer is relatively small. A magnetic storage device in which either the large state or is used .
前記第1原子は、前記第2方向において、前記複数の第1酸素原子の2つの間に位置する、請求項4記載の磁気記憶装置。 The magnetic storage device according to claim 4, wherein the first atom is located between two of the plurality of first oxygen atoms in the second direction. 第1領域を含む第1磁性層と、3原子層以下の厚さを有する第2領域を含む酸化物層と、第3領域を含む非磁性層と、第2磁性層と、を有する磁性素子と、
前記第1磁性層及び前記第2磁性層と電気的に接続された制御部と、
を備え、
前記第1領域と前記第3領域との間に前記第2領域が位置するように、前記酸化物層は前記第1磁性層と前記非磁性層との間に設けられ、
前記酸化物層及び前記非磁性層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられ、
前記第1領域は、Fe、Co、及びNiからなる群から選択された少なくとも1つを含み、
前記第2領域は、Ru、Rh、Pd、Os、Ir及びPtから選択された1つの第1原子と、複数の第1酸素原子と、を含み、
前記第2領域から前記第1領域に向かう第1方向と交差する第2方向において、前記第1原子は、前記複数の第1酸素原子の2つの間に位置し、
前記制御部は、前記磁性素子に単極性の電圧を印加することにより、前記第1磁性層の磁化方向を制御する、磁気記憶装置。
A magnetic element having a first magnetic layer including a first region, an oxide layer containing a second region having a thickness of 3 atomic layers or less, a non-magnetic layer including a third region, and a second magnetic layer. When,
A control unit electrically connected to the first magnetic layer and the second magnetic layer,
Equipped with
The oxide layer is provided between the first magnetic layer and the non-magnetic layer so that the second region is located between the first region and the third region.
The oxide layer and the non-magnetic layer are provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
The first region comprises at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
The second region comprises one first atom selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir and Pt and a plurality of first oxygen atoms.
In the second direction intersecting the first direction from the second region to the first region, the first atom is located between two of the plurality of first oxygen atoms.
The control unit is a magnetic storage device that controls the magnetization direction of the first magnetic layer by applying a unipolar voltage to the magnetic element.
前記第3領域は、金属原子及び第2酸素原子を含み、
前記第1方向において、前記第1原子は、前記第1領域のFe、Co、及びNiからなる群から選択された前記少なくとも1つと、前記金属原子と、の間にある、請求項6記載の磁気記憶装置。
The third region contains a metal atom and a second oxygen atom.
The sixth aspect of the invention, wherein in the first direction, the first atom is between the metal atom and at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni in the first region. Magnetic storage device.
前記第1方向は、[001]方向に沿う請求項1~7のいずれか1つに記載の磁気記憶装置。 The magnetic storage device according to any one of claims 1 to 7, wherein the first direction is along the [001] direction. 前記第2方向は、[100]方向に沿う請求項1~8のいずれか1つに記載の磁気記憶装置。 The magnetic storage device according to any one of claims 1 to 8, wherein the second direction is along the [100] direction. 前記第2領域は、有効素子面積の10%以上である、請求項1~9のいずれか1つに記載の磁気記憶装置。 The magnetic storage device according to any one of claims 1 to 9, wherein the second region is 10% or more of the effective element area.
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