JP7360121B2 - High-speed magnetization reversal method, high-speed magnetization reversal device, and magnetic memory device - Google Patents

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Description

本発明は、スピン軌道トルクを用いた高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置に関する。 The present invention relates to a high-speed magnetization reversal method using spin-orbit torque, a high-speed magnetization reversal device, and a magnetic memory device.

ナノサイズの磁性体の磁化を反転制御する方法として「スピン注入磁化反転法」が提案され、MRAM(Magnetic Random Access Memory、磁気ランダムアクセスメモリ)等にすでに実用されている。初期のMRAMは電流が作る磁界によってMRAM素子の磁性膜の磁化方向を反転させることで情報を書き込んだが、高集積化に伴うMRAM素子の微細化に伴って、磁化反転には大きな電流が必要となり消費電力にも課題があった。ここで、MRAMでは、情報を記憶するビット1つに対応する構造が、第1の強磁性金属、非磁性体、及び第2の強磁性金属の3層構造で構成されている。 A "spin injection magnetization reversal method" has been proposed as a method for controlling the reversal of magnetization of nano-sized magnetic materials, and has already been put into practical use in MRAM (Magnetic Random Access Memory) and the like. Early MRAMs wrote information by reversing the magnetization direction of the magnetic film of the MRAM element using a magnetic field created by an electric current, but as MRAM elements became smaller due to higher integration, a large current was required to reverse the magnetization. There was also an issue with power consumption. Here, in MRAM, the structure corresponding to one bit that stores information is composed of a three-layer structure of a first ferromagnetic metal, a nonmagnetic material, and a second ferromagnetic metal.

この課題を改善した「スピン注入磁化反転法」は、強磁性金属から非磁性体へ電子が流れるときその電子流が「スピン偏極」していることから、このスピン偏極した電子を第1の強磁性金属から非磁性体を介して第2の強磁性金属に移動させると第2の強磁性金属の磁気モーメントを反転させることができるという技術である。ここで、「スピン偏極」とは、上向きスピンの電子の数と下向きスピンの電子の数とが同数でなく一方に偏っている状態を意味する。 The "spin injection magnetization reversal method" that has improved this problem is based on the fact that when electrons flow from a ferromagnetic metal to a nonmagnetic material, the electron flow is "spin polarized." This is a technique in which the magnetic moment of the second ferromagnetic metal can be reversed by moving it from a ferromagnetic metal to a second ferromagnetic metal via a nonmagnetic material. Here, "spin polarization" means a state in which the number of spin-up electrons and the number of spin-down electrons are not the same, but are biased to one side.

このスピン偏極電流を第2の強磁性金属に流すことで第2の強磁性金属の磁気モーメントを反転させるトルクは「スピントランスファートルク(STT、Spin transfer torque)」と呼ばれる。このSTTによって磁化反転がもたらされるものである。STTを磁化の反転(情報の書き込み)に用いたMRAM(STT-RAM)によればスピン偏極電流を流すだけで磁化反転ができるので、素子が微細化しても電流密度も小さくなるので省電力化がはかれ、MRAMの高集積化も可能になった。 The torque that reverses the magnetic moment of the second ferromagnetic metal by passing this spin-polarized current through the second ferromagnetic metal is called "spin transfer torque (STT)." This STT brings about magnetization reversal. According to MRAM (STT-RAM), which uses STT for magnetization reversal (information writing), magnetization can be reversed simply by passing a spin-polarized current, so even if the element is miniaturized, the current density becomes smaller, resulting in power savings. This has made it possible to increase the integration density of MRAM.

一方、磁気メモリの高密度化と共に大量の記録情報を高速に処理するために、磁気記録情報の記録・再生のアクセスタイムの高速化も求められており、書き込み(磁化反転)およびみ出し(磁気抵抗)の原理的な高速化も開発課題になっている。また素子の微細化に伴い、書き込みにおいては磁化反転の為の書き込み電流が大きくなり、消費電力が高くなるという問題があった。 On the other hand, in order to process a large amount of recorded information at high speed as the density of magnetic memory increases, there is a need for faster access times for recording and reproducing magnetically recorded information. Increasing the speed in principle of magnetic resistance (magnetic resistance) is also a development issue. Further, as elements become smaller, the write current for magnetization reversal becomes larger during writing, resulting in a problem of higher power consumption.

近年、STTのようなスピン偏極電流を介したスピン注入ではなく、強磁性金属中への電流(正味の電荷の移動)を伴わないスピン注入(「純スピン流」)による磁化反転方法として、「スピン軌道トルク(SOT、Spin orbit torque)」とよばれる原理の方法が提唱されてきた。非磁性金属を流れる電子の一つ一つは磁化の担い手となるスピンを持っている。非磁性金属を流れる電流のスピンは様々な向きを向いているため、非磁性金属を流れる電流が持つ正味の磁化はゼロである。ところが,電流が持つスピンの向きに偏りがあると、電流が磁化をもつ。つまり、電流が電荷と供に磁化の流れにもなる。このような磁化の流れはスピン流と呼ばれる。特に電子の流れの正味の量がゼロで電流をともなわず、磁化だけが流れるスピン流のことを純スピン流と呼ぶ。 In recent years, magnetization reversal methods have been developed using spin injection ("pure spin current") that does not involve current (net charge transfer) into ferromagnetic metals, rather than spin injection via spin-polarized current as in STT. A method based on the principle called "spin orbit torque" (SOT) has been proposed. Each electron flowing through a nonmagnetic metal has spin, which is responsible for magnetization. Because the spins of current flowing through non-magnetic metals are oriented in various directions, the net magnetization of current flowing through non-magnetic metals is zero. However, if the spin direction of the current is biased, the current has magnetization. In other words, the current becomes a flow of magnetization as well as charge. Such a flow of magnetization is called a spin current. In particular, a spin current in which the net flow of electrons is zero and there is no current, and only magnetization flows, is called a pure spin current.

スピン軌道相互作用(Spin orbit coupling)が大きな非磁性金属中を電流が流れると、電流を構成する伝導電子の移動方向が、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果(Spin Hall effect)によって曲げられる。この曲げられる方向が伝導電子のスピンの向きに依存する。つまり、非磁性金属中の電流で非磁性金属に接している強磁性金属の方向へ曲げられた電子群がつくる流れはスピン流になる。また、強磁性金属の方向へ曲げられた流れ(スピン流)は,そのまま強磁性金属へと入る。したがって、強磁性金属と非磁性金属との積層構造において非磁性金属に電流が流れると、非磁性金属から強磁性金属へ伝導電子のスピンが注入される。これをスピン注入と呼ぶ。強磁性金属と非磁性金属との間で電位差は生じないため、スピン流は純スピン流となる。強磁性金属に注入されたスピンは、強磁性金属内で散乱し、スピン角運動量を強磁性金属の磁化に与える。その結果、強磁性金属の磁化の向きが変化する。この変化を利用して強磁性金属の磁化を反転させる技術をSOTによる磁化反転と呼んでおり、その磁化反転を情報の書き換え(書き込み)に利用した磁気メモリをSOT-RAMと呼んでいる。 When a current flows through a nonmagnetic metal with a large spin-orbit coupling, the direction of movement of the conduction electrons that make up the current is bent by the spin Hall effect caused by the spin-orbit interaction. The direction of this bending depends on the spin direction of the conduction electrons. In other words, the flow created by a group of electrons bent toward the ferromagnetic metal that is in contact with the nonmagnetic metal due to the current in the nonmagnetic metal becomes a spin current. Furthermore, the flow (spin current) that is bent in the direction of the ferromagnetic metal enters the ferromagnetic metal as it is. Therefore, in a laminated structure of a ferromagnetic metal and a nonmagnetic metal, when current flows through the nonmagnetic metal, conduction electron spins are injected from the nonmagnetic metal to the ferromagnetic metal. This is called spin injection. Since no potential difference occurs between the ferromagnetic metal and the nonmagnetic metal, the spin current is a pure spin current. The spins injected into the ferromagnetic metal are scattered within the ferromagnetic metal, imparting spin angular momentum to the magnetization of the ferromagnetic metal. As a result, the direction of magnetization of the ferromagnetic metal changes. The technology that utilizes this change to reverse the magnetization of ferromagnetic metal is called magnetization reversal using SOT, and a magnetic memory that uses this magnetization reversal to rewrite (write) information is called SOT-RAM.

ここで、非磁性金属内でスピンが曲げられる量はスピンホール角と呼ばれる物理量で与えられている。また、スピンが曲げられる向きは、電子が移動している向き、及び、電子が持つスピンの向きに垂直な向きである。スピンホール角の絶対値が大きな非磁性金属ほど、非磁性金属中を流れる電子のスピンが曲げられる量が大きくなる。強磁性金属に接している非磁性金属のスピンホール角の絶対値が大きいほど、非磁性金属から強磁性金属へ多くのスピンが注入される。 Here, the amount by which spin is bent within a nonmagnetic metal is given by a physical quantity called the spin Hall angle. Further, the direction in which the spin is bent is perpendicular to the direction in which the electron is moving and the direction of the spin that the electron has. The greater the absolute value of the spin Hall angle of a nonmagnetic metal, the greater the amount by which the spins of electrons flowing through the nonmagnetic metal are bent. The larger the absolute value of the spin Hall angle of the nonmagnetic metal that is in contact with the ferromagnetic metal, the more spins are injected from the nonmagnetic metal into the ferromagnetic metal.

電流が流れるとスピン流が生成されてSOTを誘起するように構成されたスピン軌道トルク配線と、スピン軌道トルク配線の上に配置された強磁性金属層とを備え、このスピン流によるSOT効果によって強磁性金属層の磁化の向きが変化させる構成が知られている(特許文献1、非特許文献1)。 It includes a spin-orbit torque wiring configured to generate a spin current and induce SOT when a current flows, and a ferromagnetic metal layer disposed on the spin-orbit torque wiring. A configuration in which the direction of magnetization of a ferromagnetic metal layer is changed is known (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).

特開2019-9478号公報(2019年1月17日公開)Japanese Patent Application Publication No. 2019-9478 (published on January 17, 2019)

深見俊輔,スピン軌道トルクを用いた新規磁化制御方式の研究と3端子磁気メモリ素子への応用,https://kaken.nii.ac.jp/ja/file/KAKENHI-PROJECT-15K13964/15K13964seika.pdf,科学研究費助成費用 研究成果報告書 平成29年6月12日Shunsuke Fukami, Research on a new magnetization control method using spin-orbit torque and its application to 3-terminal magnetic memory devices, https://kaken.nii.ac.jp/ja/file/KAKENHI-PROJECT-15K13964/15K13964seika.pdf , Grants-in-Aid for Scientific Research Research Results Report June 12, 2017

上述のような従来のSOT-RAMにおける磁化の反転技術は、ターゲットの強磁性金属に接して設置された非磁性金属リードからスピンホール効果等によって強磁性金属にスピンが注入され,強磁性金属の磁化にSOTが働く。そのSOTの大きさが十分大きければ強磁性金属に磁化反転が誘起され、注入されたスピンの向きに磁化が反転する。SOTでは、強磁性金属に注入されるスピンの量が多くなれば、SOTの大きさも大きくなる。また、非磁性金属リードに流す電流と非磁性金属でのスピンホール角に注入されるスピンの量とは比例する。 In the conventional magnetization reversal technology in SOT-RAM as described above, spin is injected into the ferromagnetic metal by the spin Hall effect from a non-magnetic metal lead placed in contact with the ferromagnetic metal of the target. SOT works on magnetization. If the size of the SOT is sufficiently large, magnetization reversal is induced in the ferromagnetic metal, and the magnetization is reversed in the direction of the injected spin. In SOT, as the amount of spins injected into the ferromagnetic metal increases, the size of the SOT also increases. Further, the current flowing through the nonmagnetic metal lead and the amount of spin injected into the spin Hall angle in the nonmagnetic metal are proportional.

しかしながら、実用上は、低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転できることが必要であり、従来のSOTを用いた磁化反転では、低電流での磁化反転が観測されていない。従って、低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転させるための素子の構成指針を明らかにすることが課題となっている。低電流SOTによる磁化反転が起こらない原因の一つに、強磁性金属の磁化変化の初動が起こらないことがあり、これを解決する素子が構成されることが望まれている。磁化反転時に外部磁場とSOTを同時に強磁性金属へ印加させる方法や、STTとSOTを同時に強磁性金属へ印加させる方法 によって、低電流での磁化反転を可能にしている。 However, in practice, it is necessary to be able to reverse the magnetization of a ferromagnetic metal at high speed with a low current, and magnetization reversal at a low current has not been observed in magnetization reversal using a conventional SOT. Therefore, it is a challenge to clarify the configuration guidelines for elements that can reverse the magnetization of ferromagnetic metals at high speed with low current. One of the reasons why magnetization reversal does not occur due to low current SOT is that the initial change in magnetization of the ferromagnetic metal does not occur, and it is desired to construct an element that solves this problem. Magnetization reversal is made possible with low current by applying an external magnetic field and SOT to the ferromagnetic metal simultaneously during magnetization reversal, or by applying STT and SOT to the ferromagnetic metal simultaneously.

本発明の一態様は、SOTを用いて低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転させることができる高速磁化反転方法、高速磁化反転デバイス、及び磁気メモリ装置を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize a high-speed magnetization reversal method, a high-speed magnetization reversal device, and a magnetic memory device that can reverse the magnetization of a ferromagnetic metal at high speed with low current using SOT.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法は、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、強磁性金属層とを積層した金属層構造における強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、強磁性金属層には特定の方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性を付与されており、強磁性金属層の磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために非磁性金属層から強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の非磁性金属層から強磁性金属薄膜に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを有し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる反転スピン流と補助スピン流との2種類のスピン流を強磁性金属層へ時間差で注入することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a high-speed magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention provides a method for magnetization of a ferromagnetic metal layer in a metal layer structure in which one or two non-magnetic metal layers and a ferromagnetic metal layer are laminated. This is a high-speed magnetization reversal method in which the ferromagnetic metal layer is given uniaxial magnetic anisotropy in advance so that a specific direction is the axis of easy magnetization, and the magnetization of the ferromagnetic metal layer is reversed by spin-orbit torque. A spin injection magnetization reversal process in which a reversal spin current is injected from a nonmagnetic metal layer to a ferromagnetic metal layer in order to induce magnetization reversal on the easy axis, and a ferromagnetic metal thin film from the same or another nonmagnetic metal layer. The method includes an auxiliary spin current injection step in which an auxiliary spin current is injected into the ferromagnetic metal layer for a short period of time. It is characterized by being injected at different times.

この特徴によれば、強磁性金属層の磁化の向き(第1方向)に交差する交差方向に磁化されたスピン流(補助スピン流)が強磁性金属薄膜に注入される。このため、第1方向と反対の方向に磁化された反転スピン流による強磁性金属薄膜の磁化方向の反転行程(スピン注入磁化反転行程)が、第1方向に交差する交差方向に磁化された補助スピン流を注入する行程(補助スピン注入行程)により補助される。 According to this feature, a spin current (auxiliary spin current) magnetized in a direction crossing the magnetization direction (first direction) of the ferromagnetic metal layer is injected into the ferromagnetic metal thin film. Therefore, the process of reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film due to the reversal spin current magnetized in the opposite direction to the first direction (spin injection magnetization reversal process) is caused by the reversal process of the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film due to the reverse spin current magnetized in the opposite direction to the first direction. This is assisted by a step of injecting a spin current (auxiliary spin injection step).

補助スピン流は短時間の間だけ強磁性金属薄膜へ注入される。反転スピン流は磁化反転中の全体の時間の間に強磁性金属薄膜へ注入され、補助スピン流はスピン流が強磁性金属層へ注入されている間に注入される。もしくは、補助スピン流を注入中、又は注入直後に、反転スピン流が、強磁性金属薄膜へ注入され始め、磁化反転が終了する前後まで注入される。磁化反転が半分以上起こるまで反転スピン流を注入すれば、磁化反転終了前に反転スピン流を止めたとしても磁化反転は起こる。しかし、その場合、反転スピン流を止める時間が早いほど反転に要する時間が増加する。また、磁化反転が終了した後も反転スピン流を注入し続けてもよいが消費電力の無駄になる。 The auxiliary spin current is injected into the ferromagnetic metal thin film for only a short period of time. The reversal spin current is injected into the ferromagnetic metal thin film during the entire time during magnetization reversal, and the auxiliary spin current is injected while the spin current is injected into the ferromagnetic metal layer. Alternatively, during or immediately after the injection of the auxiliary spin current, the reversal spin current begins to be injected into the ferromagnetic metal thin film, and is injected until before or after the magnetization reversal ends. If the reverse spin current is injected until half or more of the magnetization reversal occurs, the magnetization reversal will occur even if the reverse spin current is stopped before the magnetization reversal is completed. However, in that case, the faster the time to stop the reversed spin current, the longer the time required for reversal. Further, even after the magnetization reversal is completed, the reversal spin current may be continued to be injected, but this results in wasted power consumption.

この結果、高速もしくは低消費電力で強磁性金属の磁化方向を反転させることができる。 As a result, the magnetization direction of the ferromagnetic metal can be reversed at high speed or with low power consumption.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ひとつの非磁性金属層であり、
補助スピン流注入工程が、同一の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。
In order to solve the above problems, in a fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, one or two nonmagnetic metal layers are one nonmagnetic metal layer,
Preferably, the auxiliary spin current injection step injects the auxiliary spin current from the same nonmagnetic metal layer.

上記構成によれば、非磁性金属層から補助スピン流を注入する構成が簡素になる。 According to the above configuration, the configuration for injecting the auxiliary spin current from the nonmagnetic metal layer becomes simple.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ふたつの非磁性金属層であり、
補助スピン流注入工程が、別の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。
In order to solve the above problems, in a fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, one or two nonmagnetic metal layers are two nonmagnetic metal layers,
Preferably, the auxiliary spin current injection step injects the auxiliary spin current from another non-magnetic metal layer.

上記構成によれば、非磁性金属層から補助スピン流を注入する構成のバリエーションを豊富にすることができる。 According to the above structure, it is possible to increase the variation of the structure in which the auxiliary spin current is injected from the nonmagnetic metal layer.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、スピン注入磁化反転工程に加えて補助スピン流注入工程を実行する先後の適当なタイミングとして、スピン注入磁化反転工程の反転スピン流は磁化反転中の全体の時間を通じて強磁性金属層へ注入し、補助スピン流は反転スピン流が強磁性金属層へ注入されている間に注入することが好ましい。 In order to solve the above problems, in the fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, the spin injection magnetization reversal step is performed at an appropriate timing after the auxiliary spin current injection step is performed in addition to the spin injection magnetization reversal step. Preferably, the reversal spin current of is injected into the ferromagnetic metal layer during the entire time during magnetization reversal, and the auxiliary spin current is injected while the reversal spin current is injected into the ferromagnetic metal layer.

上記構成によれば、磁化反転中の全体の時間を通じてスピン流が強磁性金属層へ注入される間に注入される補助スピン流により、スピン流による強磁性金属層の磁化方向の反転が補助される。 According to the above configuration, the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer by the spin current is assisted by the auxiliary spin current injected while the spin current is injected into the ferromagnetic metal layer throughout the entire time during magnetization reversal. Ru.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直後、若しくは、同時に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。 In order to solve the above problems, in the fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, it is preferable that the auxiliary spin current starts to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately after or simultaneously with the start of the spin injection magnetization reversal step. .

上記構成によれば、スピン注入磁化反転工程の開始直後、若しくは、同時に強磁性金属層へ注入し始められる補助スピン流により、スピン流による強磁性金属層の磁化方向の反転が補助される。 According to the above configuration, the auxiliary spin current that is started to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately after or simultaneously with the start of the spin injection magnetization reversal step assists in reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer by the spin current.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直前に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。 In order to solve the above problems, in the fast magnetization reversal method according to one aspect of the present invention, it is preferable that the auxiliary spin current starts to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately before the start of the spin injection magnetization reversal step.

上記構成によれば、スピン注入磁化反転工程の開始直前に強磁性金属層へ注入し始められる補助スピン流により、スピン流による強磁性金属層の磁化方向の反転が補助される。 According to the above configuration, the auxiliary spin current that starts to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately before the start of the spin injection magnetization reversal process assists the reversal of the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer by the spin current.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法のスピン注入磁化反転工程の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ反転スピン流が注入されることが好ましい。 In order to solve the above problems, in the spin injection magnetization reversal step of the high-speed magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, a direction parallel to the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer is transferred from the nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer. Preferably, a reversed spin current with a magnetization orientation in the direction is injected.

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向に延伸する主リード層を通して反転スピン流を強磁性金属層へ注入することができる。 According to the above configuration, an inverted spin current can be injected into the ferromagnetic metal layer through the main lead layer extending in a direction perpendicular to the easy axis direction of the ferromagnetic metal layer.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層が、磁化容易軸と直交する方向に延伸する主リード層を含むことが好ましい。 In order to solve the above problems, in a high-speed magnetization reversal method according to one aspect of the present invention, it is preferable that the nonmagnetic metal layer includes a main lead layer extending in a direction perpendicular to the axis of easy magnetization.

上記構成によれば、主リード層に平行な方向に流れる電流を、主リード層を介して非磁性金属層に流すことで、非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ反転スピン流を注入することができる。 According to the above configuration, a current flowing in a direction parallel to the main lead layer is caused to flow through the non-magnetic metal layer through the main lead layer, thereby magnetizing the ferromagnetic metal layer from the non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer. It is possible to inject a reversed spin current with a magnetization direction parallel to the easy axis direction.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、主リード層が、非磁性金属層と同じ素材、金属、もしくは、その他の電気抵抗が小さい材料で構成されることが好ましい。 In order to solve the above problems, in a fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, the main lead layer is made of the same material as the nonmagnetic metal layer, metal, or other material with low electrical resistance. It is preferable.

上記構成によれば、簡素な構成で主リード層を実現することができる。 According to the above structure, the main lead layer can be realized with a simple structure.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法の補助スピン流注入工程の非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかから強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。 In order to solve the above problems, in the auxiliary spin current injection step of the fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, a strong It is preferable that an auxiliary spin current having a magnetization direction perpendicular to the easy axis direction of the magnetic metal layer is injected.

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を通して補助スピン流を強磁性金属層へ注入することができる。 According to the above configuration, an auxiliary spin current can be injected into the ferromagnetic metal layer through the auxiliary lead layer extending in a direction parallel to the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかが、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。 In order to solve the above problems, in a high-speed magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, either a non-magnetic metal layer or another non-magnetic metal layer is It is preferable to include an auxiliary lead layer extending in parallel directions.

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層に平行な方向に流れる電流を、補助リード層を介して別の非磁性金属層に流すことで、別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を注入することができる。 According to the above configuration, a current flowing in a direction parallel to the auxiliary lead layer extending in a direction parallel to the easy axis direction of magnetization of the ferromagnetic metal layer is passed through the auxiliary lead layer to another nonmagnetic metal layer. By doing so, it is possible to inject an auxiliary spin current having a magnetization direction perpendicular to the easy axis direction of the ferromagnetic metal layer from another nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流注入工程の別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。 In order to solve the above problems, in a fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, in the auxiliary spin current injection step, a spin current is transferred from another nonmagnetic metal layer to a ferromagnetic metal layer in the direction of the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer. It is preferable that an auxiliary spin current having a magnetization direction perpendicular to the direction is injected.

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を、別の非磁性金属層に流すことで、別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を注入することができる。 According to the above configuration, by flowing an auxiliary spin current having a direction of magnetization perpendicular to the easy axis direction of the ferromagnetic metal layer to another non-magnetic metal layer, ferromagnetic An auxiliary spin current having a magnetization direction perpendicular to the easy axis direction of the ferromagnetic metal layer can be injected into the metal layer.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、別の非磁性金属層が、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して直交する方向であって、且つ、反転スピン流の注入方向に対しても直交する方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。 In order to solve the above problems, in a fast magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, another non-magnetic metal layer has a direction perpendicular to the easy axis direction of magnetization of the ferromagnetic metal layer, and , it is preferable to include an auxiliary lead layer extending in a direction perpendicular to the injection direction of the reversed spin current.

上記構成によれば、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して直交する方向であって、且つ、反転スピン流の注入方向に対しても直交する方向に延伸する補助リード層に平行な方向に流れる電流を、補助リード層を介して別の非磁性金属層に流すことで、別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流を注入することができる。 According to the above configuration, the direction is perpendicular to the easy axis direction of magnetization of the ferromagnetic metal layer, and parallel to the auxiliary lead layer extending in the direction perpendicular to the injection direction of the reversed spin current. By passing a current flowing through the auxiliary lead layer to another non-magnetic metal layer, magnetization is generated from the other non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer in a direction perpendicular to the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer. An auxiliary spin current with the orientation can be injected.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層および別の非磁性金属層は、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合されることが好ましい。 In order to solve the above problems, in a high-speed magnetization reversal method according to one embodiment of the present invention, a non-magnetic metal layer and another non-magnetic metal layer are brought into contact with the main surface or side surface of a ferromagnetic metal layer to Preferably, it is bonded to a metal layer.

上記構成によれば、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合される非磁性金属層を通して反転スピン流を強磁性金属層へ注入することができ、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合される別の非磁性金属層を通して補助スピン流を強磁性金属層へ注入することができる。 According to the above configuration, an inverted spin current can be injected into the ferromagnetic metal layer through the nonmagnetic metal layer that is in contact with the main surface or side surface of the ferromagnetic metal layer and bonded to the ferromagnetic metal layer, and An auxiliary spin current can be injected into the ferromagnetic metal layer through another non-magnetic metal layer that is joined to the ferromagnetic metal layer against the main or side surface of the layer.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転デバイスは、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、強磁性金属層とを積層した金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、前記強磁性金属層には特定の方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性を付与されており、前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを有し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる前記反転スピン流と前記補助スピン流との2種類のスピン流を前記強磁性金属層へ時間差で注入することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fast magnetization reversal device according to one embodiment of the present invention has a metal layer structure in which one or two nonmagnetic metal layers and a ferromagnetic metal layer are laminated. A high-speed magnetization reversal method in which magnetization is reversed by spin-orbit torque, wherein the ferromagnetic metal layer is given uniaxial magnetic anisotropy in advance so that a specific direction becomes an axis of easy magnetization, and the ferromagnetic metal layer a spin injection magnetization reversal step of injecting a reversal spin current from the nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer in order to induce magnetization reversal on the easy axis of magnetization of the layer; and an auxiliary spin current injection step of injecting an auxiliary spin current from the metal layer into the ferromagnetic metal layer for a short time, the reversed spin current and the auxiliary spin current having different magnetization directions of the spin currents. The method is characterized in that two types of spin currents are injected into the ferromagnetic metal layer at different times.

この特徴によれば、高速もしくは低消費電力で強磁性金属の磁化方向を反転させることができる。 According to this feature, the magnetization direction of the ferromagnetic metal can be reversed at high speed or with low power consumption.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層が、NiFe系二元合金、CoFeB合金、又は、室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含み、非磁性金属層と別の非磁性金属層との少なくとも一方が、Pt、Ru、及び、その他のスピンホール角の絶対値が大きい金属の少なくとも一つを含むことが好ましい。 In order to solve the above problems, in a fast magnetization reversal device according to one embodiment of the present invention, the ferromagnetic metal layer is made of a NiFe-based binary alloy, a CoFeB alloy, or has a finite spin polarization near room temperature. Preferably, at least one of the nonmagnetic metal layer and the other nonmagnetic metal layer contains at least one of Pt, Ru, and other metals having a large absolute value of the spin Hall angle.

上記構成によれば、強磁性金属層の材質、主リード層の非磁性金属層の材質、及び補助リード層の非磁性金属層の材質により、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果に基づいて強磁性金属薄膜に作用するスピン軌道トルクが増大する。 According to the above configuration, the material of the ferromagnetic metal layer, the material of the nonmagnetic metal layer of the main lead layer, and the material of the nonmagnetic metal layer of the auxiliary lead layer cause ferromagnetism based on the spin Hall effect due to spin-orbit interaction. The spin-orbit torque acting on the metal thin film increases.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層の上に積層された絶縁層と、絶縁層の上に積層されて磁化容易軸の方向に磁化された固定層と、強磁性金属層の磁化方向を読み出すために固定層に接合された読出しリード線と、反転スピン流のための電流の非磁性金属層への供給と、補助スピン流のための電流の別の非磁性金属層への供給と、強磁性金属層の磁化方向の読出しリード線からの読出しとを制御する制御回路とをさらに備えることが好ましい。 In order to solve the above problems, a fast magnetization reversal device according to one embodiment of the present invention includes an insulating layer stacked on a ferromagnetic metal layer, and a magnetization layer stacked on the insulating layer in the direction of the easy axis of magnetization. A magnetized pinned layer, a readout lead wire bonded to the pinned layer for reading out the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer, a current supply to the non-magnetic metal layer for reversal spin current, and an auxiliary spin current. It is preferable that the ferromagnetic metal layer further includes a control circuit that controls the supply of current to another non-magnetic metal layer and the reading of the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer from a read lead wire.

上記構成によれば、主リード層への反転電流の供給と、補助リード層への補助電流の供給と、読出しリード線からの強磁性金属薄膜の磁化方向の読出しとが制御され、高速磁化反転デバイスへの情報の書込み及び読出しが可能になる。 According to the above configuration, the supply of reversal current to the main lead layer, the supply of auxiliary current to the auxiliary lead layer, and the readout of the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film from the readout lead wire are controlled, and the magnetization is quickly reversed. It becomes possible to write and read information to and from the device.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁気メモリ装置は、マトリックス状に配置された複数個のトンネル磁気抵抗効果素子を備え、トンネル磁気抵抗効果素子が、固定層と自由層と固定層及び自由層の間に形成された絶縁層とを含み、自由層の磁化容易軸に対応する第1方向と反対の反転方向に磁化された反転スピン流を自由層に注入するために、第1方向に交差する交差方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の反転リード線と、交差方向に磁化された補助スピン流を自由層に注入するために、第1方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の補助リード線と、各自由層の磁化方向を読出すために、第1方向又は交差方向に沿って延伸して各固定層と接合する複数本の読出しリード線とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a magnetic memory device according to one embodiment of the present invention includes a plurality of tunnel magnetoresistive elements arranged in a matrix, and the tunnel magnetoresistive element has a fixed layer and a free layer. and an insulating layer formed between the pinned layer and the free layer, for injecting into the free layer an inverted spin current magnetized in an inverted direction opposite to the first direction corresponding to the easy axis of magnetization of the free layer. , a plurality of inverted lead wires extending along a cross direction intersecting the first direction and joining each free layer; A plurality of auxiliary lead wires are extended along the first direction or the cross direction and are joined to each fixed layer in order to read out the magnetization direction of each free layer. It is characterized by comprising a plurality of readout lead wires.

本発明の一態様によれば、低電流で高速に強磁性金属の磁化を反転させることができる。 According to one aspect of the present invention, the magnetization of a ferromagnetic metal can be reversed quickly with low current.

(a)実施形態1に係る高速磁化反転デバイスの斜視図であり、(b)はその平面図であり、(c)はその正面図である。(a) is a perspective view of a high-speed magnetization reversal device according to Embodiment 1, (b) is a plan view thereof, and (c) is a front view thereof. (a)実施形態1に係る他の高速磁化反転デバイスの斜視図であり、(b)はその平面図であり、(c)はその正面図である。(a) is a perspective view of another high-speed magnetization reversal device according to Embodiment 1, (b) is a plan view thereof, and (c) is a front view thereof. (a)実施形態1に係るさらに他の高速磁化反転デバイスの斜視図であり、(b)はその平面図であり、(c)はその正面図である。(a) is a perspective view of yet another high-speed magnetization reversal device according to Embodiment 1, (b) is a plan view thereof, and (c) is a front view thereof. 上記高速磁化反転デバイスに設けられた強磁性金属薄膜の磁化の反転時間のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing simulation results of the magnetization reversal time of the ferromagnetic metal thin film provided in the high-speed magnetization reversal device. 上記高速磁化反転デバイスのスピン注入時間と磁化との間の関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between spin injection time and magnetization of the above-mentioned fast magnetization reversal device. (a)は上記強磁性金属薄膜の補助スピン流と上記強磁性金属薄膜の磁化反転に要した時間との間の関係を示すグラフであり、(b)は上記強磁性金属薄膜と上記反転リード線とを示す斜視図であり、(c)は上記強磁性金属薄膜と上記反転リード線と上記補助リード線とを示す斜視図である。(a) is a graph showing the relationship between the auxiliary spin current of the ferromagnetic metal thin film and the time required for magnetization reversal of the ferromagnetic metal thin film, and (b) is a graph showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film and the reversal lead. (c) is a perspective view showing the ferromagnetic metal thin film, the reversal lead wire, and the auxiliary lead wire. (a)は比較例に係る強磁性金属薄膜の磁化方向を示す斜視図であり、(b)~(e)は上記強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図であり、(f)は上記強磁性金属薄膜の他の磁化方向を示す斜視図であり、(g)~(j)は上記強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図であり、(k)は上記強磁性金属薄膜のさらに他の磁化方向を示す斜視図であり、(l)~(o)は上記強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図である。(a) is a perspective view showing the magnetization direction of a ferromagnetic metal thin film according to a comparative example, and (b) to (e) are perspective views showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film and the reversal lead wire. f) is a perspective view showing another magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film, (g) to (j) are perspective views showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film and the reversal lead wire, and (k) is a perspective view showing still another magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film, and (l) to (o) are perspective views showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film and the reversal lead wire. (a)は上記高速磁化反転デバイスに設けられた強磁性金属薄膜と反転リード線との関係を示す斜視図であり、(b)~(i)は上記強磁性金属薄膜及び反転リード線に対する補助リード線の種々の配置態様を示す斜視図である。(a) is a perspective view showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film and the reversal lead wire provided in the high-speed magnetization reversal device, and (b) to (i) are auxiliary views for the ferromagnetic metal thin film and the reversal lead wire. FIG. 3 is a perspective view showing various arrangement modes of lead wires. (a)は上記強磁性金属薄膜の態様を示す斜視図であり、(b)は上記強磁性金属薄膜の他の態様を示す斜視図である。(a) is a perspective view showing an embodiment of the ferromagnetic metal thin film, and (b) is a perspective view showing another embodiment of the ferromagnetic metal thin film. (a)は実施形態2に係る高速磁化反転デバイスの実験装置の斜視図であり、(b)は上記高速磁化反転デバイスの斜視図であり、(c)は上記高速磁化反転デバイスの回路図である。(a) is a perspective view of an experimental apparatus for a fast magnetization reversal device according to Embodiment 2, (b) is a perspective view of the fast magnetization reversal device, and (c) is a circuit diagram of the fast magnetization reversal device. be. 実施形態2に係る磁気メモリ装置の概略平面図である。3 is a schematic plan view of a magnetic memory device according to Embodiment 2. FIG. 実施形態2に係る磁気メモリ装置の書込み動作に関連する回路図である。7 is a circuit diagram related to a write operation of the magnetic memory device according to Embodiment 2. FIG. 上記磁気メモリ装置の書込み動作を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a write operation of the magnetic memory device. (a)は実施形態2に係る磁気メモリ装置の読出し動作に関連する箇所も含めた回路図であり、(b)は上記磁気メモリ装置のTMR素子を示す斜視図である。(a) is a circuit diagram including parts related to the read operation of the magnetic memory device according to the second embodiment, and (b) is a perspective view showing a TMR element of the magnetic memory device. 上記磁気メモリ装置の書込み動作の変形例に関連する回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram related to a modification of the write operation of the magnetic memory device.

以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail.

〔実施形態1〕
図1(a)は実施形態1に係る高速磁化反転デバイス1の斜視図であり、(b)はその平面図であり、(c)はその正面図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1(a) is a perspective view of a high-speed magnetization reversal device 1 according to Embodiment 1, FIG. 1(b) is a plan view thereof, and FIG. 1(c) is a front view thereof.

高速磁化反転デバイス1は、磁化容易軸に対応するy方向(第1方向)に磁化された強磁性金属薄膜2(強磁性金属層)と、強磁性金属薄膜2の磁化方向を反転させるために、-y方向(反転方向)に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜2に注入するための反転リード線3(非磁性金属層、主リード層)と、強磁性金属薄膜2の磁化方向の反転を補助するために、y方向に直交するx方向(交差方向)に磁化された補助スピン流を強磁性金属薄膜2に注入するための補助リード線4(非磁性金属層、補助リード層)とを備える。強磁性金属薄膜2は、y方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性が付与されている。 The high-speed magnetization reversal device 1 includes a ferromagnetic metal thin film 2 (ferromagnetic metal layer) magnetized in the y direction (first direction) corresponding to the easy axis of magnetization, and a device for reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2. , a reversal lead wire 3 (non-magnetic metal layer, main lead layer) for injecting a reversal spin current magnetized in the -y direction (reversal direction) into the ferromagnetic metal thin film 2, and a magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2. An auxiliary lead wire 4 (non-magnetic metal layer, auxiliary lead layer ). The ferromagnetic metal thin film 2 is given uniaxial magnetic anisotropy in advance so that the y direction is the axis of easy magnetization.

反転リード線3は、x方向に延伸する非磁性金属層から構成される。補助リード線4は、y方向に延伸する非磁性金属層から構成される。反転リード線3及び補助リード線4は、強磁性金属薄膜2に接合する箇所で互いに交差して、同一の非磁性金属層により一体に構成される。 The reversal lead wire 3 is composed of a nonmagnetic metal layer extending in the x direction. The auxiliary lead wire 4 is composed of a nonmagnetic metal layer extending in the y direction. The inversion lead wire 3 and the auxiliary lead wire 4 intersect with each other at the point where they are joined to the ferromagnetic metal thin film 2, and are integrally formed of the same nonmagnetic metal layer.

このように、補助スピン流を強磁性金属薄膜2に注入するための補助リード線4は、強磁性金属薄膜2の磁化容易軸方向に対して平行な方向又は垂直な方向に延伸する。そして、反転スピン流を強磁性金属薄膜2に注入するための反転リード線3は、上記磁化容易軸と直交する方向に延伸する。補助スピン流は、強磁性金属薄膜2の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ。反転スピン流は、強磁性金属薄膜2の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ。 In this way, the auxiliary lead wire 4 for injecting the auxiliary spin current into the ferromagnetic metal thin film 2 extends in a direction parallel to or perpendicular to the axis of easy magnetization of the ferromagnetic metal thin film 2. The reversal lead wire 3 for injecting the reversal spin current into the ferromagnetic metal thin film 2 extends in a direction perpendicular to the axis of easy magnetization. The auxiliary spin current has a magnetization direction perpendicular to the easy axis direction of magnetization of the ferromagnetic metal thin film 2. The reversed spin current has a magnetization direction parallel to the easy axis direction of the ferromagnetic metal thin film 2.

強磁性金属薄膜2は、NiFe系二元合金(パーマロイ)、CoFeB合金、及びその他の室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含む。反転リード線3と補助リード線4との少なくとも一方は、Pt、Ru、及びその他のスピンホール角の絶対値が大きい金属のうちの少なくとも一つを含む。 The ferromagnetic metal thin film 2 includes a NiFe-based binary alloy (permalloy), a CoFeB alloy, and other ferromagnetic materials that have a finite spin polarization near room temperature. At least one of the inversion lead wire 3 and the auxiliary lead wire 4 includes at least one of Pt, Ru, and other metals having a large absolute value of the spin Hall angle.

このように構成された高速磁化反転デバイス1は、以下のように動作する。 The thus configured high-speed magnetization reversal device 1 operates as follows.

まず、y方向に磁化された強磁性金属薄膜2の磁化方向を反転させるために、-y方向に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜2に注入するための反転電流が反転リード線3に供給される。そして、強磁性金属薄膜2の磁化方向の反転を補助するために、y方向に直交するx方向(交差方向)に磁化された補助スピン流が補助リード線4から強磁性金属薄膜2へ供給される。次に、反転リード線3に供給された反転電流に基づく反転スピン流が、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果に基づいて、反転リード線3から強磁性金属薄膜2に注入される。そして、補助リード線4に供給された補助電流に基づく補助スピン流が、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果に基づいて、補助リード線4から強磁性金属薄膜2に注入される。 First, in order to reverse the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 magnetized in the y direction, a reversal current for injecting a reversal spin current magnetized in the -y direction into the ferromagnetic metal thin film 2 is applied to the reversal lead wire 3. supplied to In order to assist in reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2, an auxiliary spin current magnetized in the x direction (cross direction) orthogonal to the y direction is supplied to the ferromagnetic metal thin film 2 from the auxiliary lead wire 4. Ru. Next, a reversed spin current based on the reversed current supplied to the reversed lead wire 3 is injected from the reversed lead wire 3 into the ferromagnetic metal thin film 2 based on the spin Hall effect due to spin-orbit interaction. Then, an auxiliary spin current based on the auxiliary current supplied to the auxiliary lead wire 4 is injected from the auxiliary lead wire 4 into the ferromagnetic metal thin film 2 based on the spin Hall effect due to spin-orbit interaction.

その後、強磁性金属薄膜2のy方向の磁化方向が、-y方向に磁化されて反転リード線3から強磁性金属薄膜2に注入された反転スピン流と、x方向に磁化されて補助リード線4から強磁性金属薄膜2に注入された補助スピン流とにより、y方向から-y方向に高速で反転する。 After that, the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 in the y direction is magnetized in the -y direction and injected into the ferromagnetic metal thin film 2 from the reversal lead wire 3, and the ferromagnetic metal thin film 2 is magnetized in the x direction and is injected into the auxiliary lead wire. The auxiliary spin current injected into the ferromagnetic metal thin film 2 from the ferromagnetic metal thin film 2 causes the spin to reverse from the y direction to the -y direction at high speed.

このように、異なる方向に磁化した2種類の反転スピン流及び補助スピン流を強磁性金属薄膜2に同一の非磁性金属層から注入することにより、強磁性金属薄膜2の磁化反転をより容易になるように支援し、1方向から1種類のスピン流を注入する従来の技術に比較して10%程度の短時間で高速に強磁性金属薄膜2を磁化反転させることができる。 In this way, by injecting two types of reversal spin currents and auxiliary spin currents magnetized in different directions into the ferromagnetic metal thin film 2 from the same nonmagnetic metal layer, the magnetization reversal of the ferromagnetic metal thin film 2 is made easier. The magnetization of the ferromagnetic metal thin film 2 can be reversed at high speed in about 10% of the time compared to the conventional technique of injecting one type of spin current from one direction.

なお、上述した実施形態では、反転スピン流の磁化方向と補助スピン流の磁化方向とが互いに直交する例を示したが、本発明はこれに限定されない。反転スピン流の磁化方向と補助スピン流の磁化方向とは互いに異なっていればよく、両者のなす角度は0度よりも大きく180度よりも小さければよい。後述する実施形態でも同様である。 In addition, in the embodiment described above, an example was shown in which the magnetization direction of the reverse spin current and the magnetization direction of the auxiliary spin current are orthogonal to each other, but the present invention is not limited to this. The magnetization direction of the reversal spin current and the magnetization direction of the auxiliary spin current only need to be different from each other, and the angle between them only needs to be larger than 0 degrees and smaller than 180 degrees. The same applies to the embodiments described later.

図2(a)実施形態1に係る他の高速磁化反転デバイス1Aの斜視図であり、(b)はその平面図であり、(c)はその正面図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 2(a) is a perspective view of another high-speed magnetization reversal device 1A according to Embodiment 1, FIG. 2(b) is a plan view thereof, and FIG. 2(c) is a front view thereof. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

図1で前述した高速磁化反転デバイス1と異なる点は、補助リード線4が、強磁性金属薄膜2の反転リード線3と反対側の面に接合される点である。このように、反転リード線3及び補助リード線4は、強磁性金属薄膜2に異なる箇所で接合しており、互いに異なる非磁性金属層により別個に構成される。 The difference from the high speed magnetization reversal device 1 described above with reference to FIG. In this way, the reversal lead wire 3 and the auxiliary lead wire 4 are joined to the ferromagnetic metal thin film 2 at different locations, and are constructed separately from mutually different nonmagnetic metal layers.

この構成によれば、y方向に磁化された強磁性金属薄膜2の磁化方向を反転させるために-y方向に磁化された反転スピン流と、強磁性金属薄膜2の磁化方向の反転を補助するためにx方向に磁化された補助スピン流とが、強磁性金属薄膜2の互いに対向する異なる二面を通して強磁性金属薄膜2に注入される。 According to this configuration, in order to reverse the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 magnetized in the y direction, a reversal spin current magnetized in the -y direction is used to assist in reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2. Therefore, an auxiliary spin current magnetized in the x direction is injected into the ferromagnetic metal thin film 2 through two different opposing surfaces of the ferromagnetic metal thin film 2.

そして、反転リード線3側から強磁性金属薄膜2に注入された反転スピン流と、補助リード線4側から強磁性金属薄膜2に注入された補助スピン流とにより、強磁性金属薄膜2のy方向の磁化方向が-y方向に高速で反転する。 Then, the y The direction of magnetization is reversed at high speed in the -y direction.

図3(a)実施形態1に係るさらに他の高速磁化反転デバイス1Bの斜視図であり、(b)はその平面図であり、(c)はその正面図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 3(a) is a perspective view of yet another high-speed magnetization reversal device 1B according to Embodiment 1, FIG. 3(b) is a plan view thereof, and FIG. 3(c) is a front view thereof. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

図1で前述した高速磁化反転デバイス1と異なる点は、補助リード線4が、強磁性金属薄膜2のy方向に平行な側面に接合される点である。このように、反転リード線3及び補助リード線4は、図2に示す構成と同様に、強磁性金属薄膜2に異なる箇所で接合しており、互いに異なる非磁性金属層により別個に構成される。 The difference from the high-speed magnetization reversal device 1 described above in FIG. 1 is that the auxiliary lead wire 4 is joined to the side surface of the ferromagnetic metal thin film 2 parallel to the y direction. In this way, the reversal lead wire 3 and the auxiliary lead wire 4 are joined to the ferromagnetic metal thin film 2 at different locations, similar to the configuration shown in FIG. .

この構成によれば、強磁性金属薄膜2の互いに隣接する異なる二面を通して、-y方向に磁化された反転スピン流と、x方向に磁化された補助スピン流とが強磁性金属薄膜2に注入される。そして、反転スピン流と補助スピン流とにより、強磁性金属薄膜2のy方向の磁化方向が-y方向に高速で反転する。 According to this configuration, an inverted spin current magnetized in the -y direction and an auxiliary spin current magnetized in the x direction are injected into the ferromagnetic metal thin film 2 through two different adjacent surfaces of the ferromagnetic metal thin film 2. be done. Then, due to the reversal spin current and the auxiliary spin current, the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 in the y direction is reversed to the −y direction at high speed.

図4は高速磁化反転デバイス1に設けられた強磁性金属薄膜2の磁化の反転時間のシミュレーション結果を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing simulation results of the magnetization reversal time of the ferromagnetic metal thin film 2 provided in the high-speed magnetization reversal device 1.

補助スピン流による磁化反転の支援が無く、-y方向に磁化された反転スピン流のみが30nm×30nm×7.5nmの寸法の強磁性金属薄膜2に注入される場合のSOTによる強磁性金属薄膜2の磁化の反転時間のシミュレーション結果は17nsecであった。これに対して、x方向に磁化された補助スピン流が反転スピン流に加えて強磁性金属薄膜2に注入される場合の強磁性金属薄膜2の磁化の反転時間は約0.8nsecに短縮された。 A ferromagnetic metal thin film by SOT when only a reversed spin current magnetized in the -y direction is injected into a ferromagnetic metal thin film 2 with dimensions of 30 nm x 30 nm x 7.5 nm without the support of magnetization reversal by an auxiliary spin current. The simulation result of the magnetization reversal time of No. 2 was 17 nsec. On the other hand, when the auxiliary spin current magnetized in the x direction is injected into the ferromagnetic metal thin film 2 in addition to the reversal spin current, the reversal time of the magnetization of the ferromagnetic metal thin film 2 is shortened to about 0.8 nsec. Ta.

図5は高速磁化反転デバイス1Aのスピン注入時間と磁化反転との間の関係を示すグラフである。図2で前述した高速磁化反転デバイス1Aの強磁性金属薄膜2がセルサイズX=10nm、Y=10nm、Z=20nmのパーマロイにより構成される条件で、高速磁化反転のシミュレーションを行った。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between spin injection time and magnetization reversal of the high-speed magnetization reversal device 1A. A simulation of high-speed magnetization reversal was performed under the condition that the ferromagnetic metal thin film 2 of the high-speed magnetization reversal device 1A described above in FIG. 2 was composed of permalloy with cell sizes of X=10 nm, Y=10 nm, and Z=20 nm.

反転リード線3の反転スピン流のみによるスピン注入では、曲線S1に示すように、磁化反転までのスピン注入時間は約4nsecであった。これに対して、反転リード線3の反転スピン流によるスピン注入と、補助リード線4の補助スピン流によるスピン注入とを組み合わせ、補助スピン流を0.1nsec注入した直後に反転スピン流を注入した場合は、曲線S2に示すように、磁化反転までのスピン注入時間は約1nsecに短縮された。また、補助スピン流を2nsec注入した直後に反転スピン流を注入した場合も、曲線S3に示すように、磁化反転までのスピン注入時間は約1nsecに短縮された。 In spin injection using only the reversed spin current of the reversed lead wire 3, the spin injection time until magnetization reversal was about 4 nsec, as shown by curve S1. On the other hand, the spin injection by the reversed spin current of the reversed lead wire 3 and the spin injection by the auxiliary spin current of the auxiliary lead wire 4 were combined, and the reversed spin current was injected immediately after the auxiliary spin current was injected for 0.1 nsec. In this case, as shown by curve S2, the spin injection time until magnetization reversal was shortened to about 1 nsec. Also, when the reversal spin current was injected immediately after the auxiliary spin current was injected for 2 nsec, the spin injection time until magnetization reversal was shortened to about 1 nsec, as shown by curve S3.

なお、補助リード線4の補助スピン流のみによるスピン注入では、曲線S4に示すように、磁化反転を起こすことができなかった。 Note that spin injection using only the auxiliary spin current of the auxiliary lead wire 4 failed to cause magnetization reversal, as shown by curve S4.

図6(a)は強磁性金属薄膜2の補助スピン流と強磁性金属薄膜2の磁化反転に要した時間との間の関係を示すグラフであり、(b)は強磁性金属薄膜2と反転リード線3とを示す斜視図であり、(c)は強磁性金属薄膜2と反転リード線3と補助リード線4とを示す斜視図である。図1で前述した高速磁化反転デバイス1の強磁性金属薄膜2がセルサイズX=10nm、Y=20nm、Z=10nmのパーマロイにより構成される条件で、高速磁化反転のシミュレーションを行った。 FIG. 6(a) is a graph showing the relationship between the auxiliary spin current of the ferromagnetic metal thin film 2 and the time required for magnetization reversal of the ferromagnetic metal thin film 2, and FIG. FIG. 3C is a perspective view showing the ferromagnetic metal thin film 2, the inversion lead wire 3, and the auxiliary lead wire 4. FIG. A simulation of high-speed magnetization reversal was performed under the condition that the ferromagnetic metal thin film 2 of the high-speed magnetization reversal device 1 described above in FIG.

反転リード線3のみに電流密度3.0×1011A/mの主書込電流(反転電流)を印加した場合には、図6(a)のポイントP1に示すように、約100nsで強磁性金属薄膜2の磁化が反転した。主書込電流を印加すると同時に補助リード線4に1.0nsだけ補助書込のための主書込電流よりも印加時間が短い短時間電流を流し強磁性金属薄膜2に補助スピン流を注入したところ、シミュレーションの範囲内では、ポイントP2に示すように、最短で10nsで磁化が反転した。 When a main write current (reversal current) with a current density of 3.0×10 11 A/m 2 is applied only to the reversal lead wire 3, as shown at point P1 in FIG. The magnetization of the ferromagnetic metal thin film 2 was reversed. At the same time as the main write current was applied, a short-time current was applied to the auxiliary lead wire 4 for 1.0 ns, the application time of which was shorter than the main write current for auxiliary writing, to inject an auxiliary spin current into the ferromagnetic metal thin film 2. However, within the range of the simulation, the magnetization was reversed in 10 ns at the shortest, as shown at point P2.

主書込電流密度と補助書込電流密度の大きさがどちらも3.0×1011A/mで等しい場合に、補助書込のための短時間電流によるスピンの注入時間を変えたところ1nsでは、図6(a)のポイントP3に示すように、約20nsで磁化が反転した。そして、補助書込電流によるスピンの注入時間が0.1nsでは約15nsで磁化が反転した。 When the main write current density and the auxiliary write current density are both equal at 3.0×10 11 A/m 2 , the spin injection time using a short-time current for auxiliary writing is changed. At 1 ns, the magnetization was reversed at about 20 ns, as shown at point P3 in FIG. 6(a). When the spin injection time by the auxiliary write current was 0.1 ns, the magnetization was reversed in about 15 ns.

強磁性金属薄膜2の磁化の反転時間は、主書込電流の電流密度と補助書込のための短時間電流の電流密度が増えると、強磁性金属薄膜2の種類・形状・補助書込線(補助リード線4)の位置などに依存せずに短縮される。しかしながら、補助書込のための短時間電流からのスピン注入時間は、長ければ良いわけではなく、強磁性金属薄膜2の種類・形状・補助書込線(補助リード線4)の位置などに基づく最適値が存在する。 The magnetization reversal time of the ferromagnetic metal thin film 2 changes depending on the type, shape, and auxiliary write line of the ferromagnetic metal thin film 2 as the current density of the main write current and the current density of the short-time current for auxiliary writing increase. (Auxiliary lead wire 4) is shortened independently of its position. However, the spin injection time from the short-time current for auxiliary writing does not necessarily have to be long, but depends on the type and shape of the ferromagnetic metal thin film 2, the position of the auxiliary writing wire (auxiliary lead wire 4), etc. There is an optimal value.

図7(a)は比較例に係る強磁性金属薄膜2の磁化方向を示す斜視図であり、(b)~(e)は強磁性金属薄膜2と反転リード線3との関係を示す斜視図であり、(f)は強磁性金属薄膜2の他の磁化方向を示す斜視図であり、(g)~(j)は強磁性金属薄膜2と反転リード線3との関係を示す斜視図であり、(k)は強磁性金属薄膜2のさらに他の磁化方向を示す斜視図であり、(l)~(o)は強磁性金属薄膜2と反転リード線3との関係を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 7(a) is a perspective view showing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 according to a comparative example, and (b) to (e) are perspective views showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film 2 and the reversal lead wire 3. (f) is a perspective view showing another magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2, and (g) to (j) are perspective views showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film 2 and the reversal lead wire 3. (k) is a perspective view showing still another magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2, and (l) to (o) are perspective views showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film 2 and the reversal lead wire 3. be. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

1方向注入に係る反転リード線3の強磁性金属薄膜2に対する位置と方向との12種類のパターンを図7は示している。図7(a)に示される強磁性金属薄膜2のz方向の磁化の向きを逆の-z方向に反転させるための反転リード線3の強磁性金属薄膜2に対する位置と方向のパターンは、図7(b)~(e)にそれぞれ示される4パターン存在する。 FIG. 7 shows 12 types of patterns of the position and direction of the inversion lead wire 3 relative to the ferromagnetic metal thin film 2 related to unidirectional injection. The position and direction pattern of the reversing lead wire 3 with respect to the ferromagnetic metal thin film 2 for reversing the direction of magnetization in the z direction of the ferromagnetic metal thin film 2 shown in FIG. 7(a) to the opposite −z direction is shown in FIG. There are four patterns shown in 7(b) to 7(e), respectively.

そして、図7(f)に示される強磁性金属薄膜2の-x方向の磁化の向きを逆のx方向に反転させるための反転リード線3の強磁性金属薄膜2に対する位置と方向のパターンは、図7(g)~(j)にそれぞれ示される4パターン存在する。図7(k)に示される強磁性金属薄膜2のy方向の磁化の向きを逆の-y方向に反転させるための反転リード線3の強磁性金属薄膜2に対する位置と方向のパターンは、図7(l)~(o)にそれぞれ示される4パターン存在する。 The pattern of the position and direction of the reversing lead wire 3 with respect to the ferromagnetic metal thin film 2 for reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 in the -x direction to the opposite x direction shown in FIG. 7(f) is , there are four patterns shown in FIGS. 7(g) to 7(j), respectively. The pattern of the position and direction of the reversing lead wire 3 with respect to the ferromagnetic metal thin film 2 for reversing the direction of magnetization in the y direction of the ferromagnetic metal thin film 2 to the opposite −y direction shown in FIG. 7(k) is shown in FIG. There are four patterns shown in 7(l) to (o), respectively.

図8(a)は上記高速磁化反転デバイスに設けられた強磁性金属薄膜2と反転リード線3との関係を示す斜視図であり、(b)~(i)は強磁性金属薄膜2及び反転リード線3に対する補助リード線4の種々の配置態様を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 8(a) is a perspective view showing the relationship between the ferromagnetic metal thin film 2 and the reversal lead wire 3 provided in the high-speed magnetization reversal device, and (b) to (i) are the ferromagnetic metal thin film 2 and the reversal lead wire 3. FIG. 4 is a perspective view showing various arrangements of auxiliary lead wires 4 with respect to lead wires 3; The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

2方向注入に係る反転リード線3及び補助リード線4の強磁性金属薄膜2に対する位置と方向との8種類のパターンを図8は示している。図8(a)に示される強磁性金属薄膜2のy方向の磁化の向きを逆の-y方向に反転させるための補助リード線4の強磁性金属薄膜2及び反転リード線3に対する位置と方向のパターンは、図8(b)~(i)にそれぞれ示される端子番号2~9の8パターン存在する。 FIG. 8 shows eight types of patterns of the positions and directions of the inversion lead wire 3 and the auxiliary lead wire 4 relative to the ferromagnetic metal thin film 2 for two-way injection. The position and direction of the auxiliary lead wire 4 with respect to the ferromagnetic metal thin film 2 and the reversal lead wire 3 for reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 in the y direction to the opposite −y direction shown in FIG. 8(a). There are eight patterns with terminal numbers 2 to 9 shown in FIGS. 8(b) to 8(i), respectively.

図9(a)は強磁性金属薄膜2の態様を示す斜視図であり、(b)は強磁性金属薄膜2の他の態様を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 9(a) is a perspective view showing an aspect of the ferromagnetic metal thin film 2, and FIG. 9(b) is a perspective view showing another aspect of the ferromagnetic metal thin film 2. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

形状による磁化異方性を有し、強磁性体としてパーマロイ(Py:FeNi合金)を想定した図9(a)に示す10nm×20nm×6nmの寸法の強磁性金属薄膜2について、図8(a)~(i)に示す端子番号1~9の9種類の端子構造の場合の磁化の反転時間のシミュレーション結果を(表1)に示す。 Regarding the ferromagnetic metal thin film 2 with dimensions of 10 nm x 20 nm x 6 nm shown in Fig. 9 (a), which has magnetization anisotropy due to shape and assumes permalloy (Py:FeNi alloy) as the ferromagnetic material, Fig. 8 (a) Table 1 shows simulation results of the magnetization reversal time for nine types of terminal structures with terminal numbers 1 to 9 shown in ) to (i).

(表1)に示すように、端子番号2~9の端子構造の相異に応じて磁化の反転時間に若干差があるが、端子番号1の1端子のときの磁化の反転時間と比べると、端子番号2~9のどれも磁化の反転が著しく短縮されている。 As shown in Table 1, there is a slight difference in the magnetization reversal time depending on the difference in the terminal structure for terminal numbers 2 to 9, but compared to the magnetization reversal time for one terminal with terminal number 1. , the reversal of magnetization is significantly shortened for all of terminal numbers 2 to 9.

内因生の磁化異方性で、磁化の軸を固定し、強磁性体として(CoFe合金)を想定した図9(b)に示す10nm×10nm×6nmの寸法の強磁性金属薄膜2について、図8(a)~(i)に示す端子番号1~9の9種類の端子構造の場合の磁化の反転時間のシミュレーション結果を(表2)に示す。端子番号1の1端子での反転時間を(表1)のシミュレーション結果(約10ns)とそろえるため、反転リード線3に供給する反転スピン流の値を調整した。 Regarding the ferromagnetic metal thin film 2 with dimensions of 10 nm x 10 nm x 6 nm shown in Fig. 9(b), assuming that the axis of magnetization is fixed due to endogenous magnetization anisotropy and the ferromagnetic material is (CoFe alloy), the figure Table 2 shows simulation results of the magnetization reversal time for nine types of terminal structures with terminal numbers 1 to 9 shown in 8(a) to 8(i). In order to align the reversal time at one terminal with terminal number 1 with the simulation results (about 10 ns) shown in Table 1, the value of the reversal spin current supplied to the reversal lead wire 3 was adjusted.

(表2)に示すように、磁気異方性の種類や、磁性体形状によらず、本実施形態に係る端子番号2~9の端子構造で強磁性金属薄膜2の磁化の反転時間が、端子番号1の1端子ときの磁化の反転時間と比べて著しく短縮されている。 As shown in Table 2, irrespective of the type of magnetic anisotropy or the shape of the magnetic material, the magnetization reversal time of the ferromagnetic metal thin film 2 is This is significantly shorter than the magnetization reversal time for one terminal with terminal number 1.

〔実施形態2〕
図10(a)は高速磁化反転デバイス1の実験装置の斜視図であり、(b)は高速磁化反転デバイス1の斜視図であり、(c)は高速磁化反転デバイス1の回路図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。
[Embodiment 2]
10(a) is a perspective view of an experimental apparatus for the fast magnetization reversal device 1, FIG. 10(b) is a perspective view of the fast magnetization reversal device 1, and FIG. 10(c) is a circuit diagram of the fast magnetization reversal device 1. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

高速磁化反転デバイス1の実験装置はシリコン基板17を備える。シリコン基板17の上に膜厚10nmの白金からなる反転リード線3及び補助リード線4が互いに直交するように形成される。そして、縦2μm、横1μm、膜厚10nm以下のニッケル鉄合金からなる強磁性金属薄膜2が、反転リード線3と補助リード線4とが交差する位置に形成される。反転リード線3の両端に金/チタンを含む電極11が形成される。補助リード線4の両端に電極16が形成される。強磁性金属薄膜2の磁化方向を判定するために強磁性金属薄膜2の異方性磁気抵抗効果を測定するための一対の測定電極15が強磁性金属薄膜2に連結される。 The experimental apparatus for the high-speed magnetization reversal device 1 includes a silicon substrate 17 . An inverted lead wire 3 and an auxiliary lead wire 4 made of platinum and having a film thickness of 10 nm are formed on a silicon substrate 17 so as to be perpendicular to each other. Then, a ferromagnetic metal thin film 2 made of a nickel-iron alloy and having a length of 2 μm, a width of 1 μm, and a film thickness of 10 nm or less is formed at a position where the reversal lead wire 3 and the auxiliary lead wire 4 intersect. Electrodes 11 containing gold/titanium are formed at both ends of the inverted lead wire 3. Electrodes 16 are formed at both ends of the auxiliary lead wire 4. A pair of measurement electrodes 15 are connected to the ferromagnetic metal thin film 2 for measuring the anisotropic magnetoresistive effect of the ferromagnetic metal thin film 2 in order to determine the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film 2 .

高速磁化反転デバイス1の実験装置には電流生成装置12が設けられる。電流生成装置12は、反転電流を生成して反転リード線3に供給するための反転電流生成器13と、補助電流を生成して補助リード線4に供給するための補助電流生成器14とを含む。 The experimental equipment for the high-speed magnetization reversal device 1 is provided with a current generating device 12 . The current generation device 12 includes an inversion current generator 13 for generating an inversion current and supplying it to the inversion lead wire 3, and an auxiliary current generator 14 for generating an auxiliary current and supplying it to the auxiliary lead wire 4. include.

反転リード線3の一端はコイル21の一端に接続される。反転リード線3の他端はコイル20の一端に接続される。補助リード線4の一端はコンデンサ19の一端に接続される。補助リード線4の他端はコンデンサ22の一端に接続される。電源23の正極はコイル21の他端及びコンデンサ19の他端に接続される。スイッチ18の一端はコイル20の他端及びコンデンサ22の他端に接続される。スイッチ18の他端は電源23の負極に接続される。 One end of the reversing lead wire 3 is connected to one end of the coil 21. The other end of the reversing lead wire 3 is connected to one end of the coil 20. One end of the auxiliary lead wire 4 is connected to one end of the capacitor 19. The other end of the auxiliary lead wire 4 is connected to one end of the capacitor 22. A positive terminal of the power supply 23 is connected to the other end of the coil 21 and the other end of the capacitor 19. One end of switch 18 is connected to the other end of coil 20 and the other end of capacitor 22 . The other end of switch 18 is connected to the negative pole of power supply 23.

スイッチ18をオンにすると、コンデンサ19・22に電荷が蓄えられるまでは補助リード線4に補助電流が流れる。また、反転リード線3ではコイル20・21によって、スイッチ18をオンに入れた直後には反転電流が抑制される。 When the switch 18 is turned on, an auxiliary current flows through the auxiliary lead wire 4 until charges are stored in the capacitors 19 and 22. Further, in the reversing lead wire 3, the reversing current is suppressed by the coils 20 and 21 immediately after the switch 18 is turned on.

図11は実施形態2に係る磁気メモリ装置10の概略平面図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 11 is a schematic plan view of the magnetic memory device 10 according to the second embodiment. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

磁気メモリ装置10は、マトリックス状に配置された複数個の強磁性金属薄膜2と、強磁性金属薄膜2の磁化容易軸に対応するy方向と反対の-y方向に磁化された反転スピン流を各強磁性金属薄膜2に注入するために、x方向に延伸して各強磁性金属薄膜2と接合する複数本の反転リード線3と、x方向に磁化された補助スピン流を各強磁性金属薄膜2に注入するために、y方向に沿って延伸して各強磁性金属薄膜2と接合する複数本の補助リード線4とを備える。 The magnetic memory device 10 includes a plurality of ferromagnetic metal thin films 2 arranged in a matrix, and an inverted spin current magnetized in the -y direction opposite to the y direction corresponding to the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal thin films 2. In order to inject into each ferromagnetic metal thin film 2, a plurality of inverted lead wires 3 are extended in the x direction and connected to each ferromagnetic metal thin film 2, and an auxiliary spin current magnetized in the x direction is injected into each ferromagnetic metal. In order to inject into the thin film 2, a plurality of auxiliary lead wires 4 are provided which extend along the y direction and connect to each ferromagnetic metal thin film 2.

図12は実施形態2に係る磁気メモリ装置10の書込み動作に関連する回路図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 12 is a circuit diagram related to a write operation of the magnetic memory device 10 according to the second embodiment. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

説明を簡素にするために、磁気メモリ装置10が2行2列の4個の強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2を備える場合を例に挙げて説明する。強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2は、図11に示す強磁性金属薄膜2に相当する。 To simplify the explanation, an example will be described in which the magnetic memory device 10 includes four ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, and m2-2 arranged in 2 rows and 2 columns. . The ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, and m2-2 correspond to the ferromagnetic metal thin film 2 shown in FIG.

強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2は、磁化容易軸に対応するy方向に磁化されている。磁気メモリ装置10には、強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2の磁化方向を反転させるために、-y方向に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜m1-1・m1-2に注入するための反転リード線3aと、-y方向に磁化された反転スピン流を強磁性金属薄膜m2-1・m2-2に注入するための反転リード線3bと、強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2の磁化方向の反転を補助するために、x方向に磁化された補助スピン流を強磁性金属薄膜m2-1・m2-1に注入するための補助リード線4cと、x方向に磁化された補助スピン流を強磁性金属薄膜m1-2・m2-2に注入するための補助リード線4dとが設けられる。 The ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, and m2-2 are magnetized in the y direction corresponding to the easy axis of magnetization. In the magnetic memory device 10, in order to reverse the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, m2-2, a reversal spin current magnetized in the -y direction is applied to the ferromagnetic metal thin film. An inverted lead wire 3a for injecting into the ferromagnetic metal thin films m2-1 and m2-2, and an inverted lead wire 3b for injecting an inverted spin current magnetized in the -y direction into the ferromagnetic metal thin films m2-1 and m2-2. , in order to assist in reversing the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, m2-2, the auxiliary spin current magnetized in the x direction is transferred to the ferromagnetic metal thin films m2-1, m2. -1, and an auxiliary lead wire 4d for injecting an auxiliary spin current magnetized in the x direction into the ferromagnetic metal thin films m1-2 and m2-2.

磁気メモリ装置10は、反転リード線3a・3bに反転電流を供給するための主線24・25と、補助リード線4c・4dに補助電流を供給するための補助線26・27とをさらに備える。 The magnetic memory device 10 further includes main lines 24 and 25 for supplying reversal current to the reversal lead wires 3a and 3b, and auxiliary wires 26 and 27 for supplying auxiliary current to the auxiliary lead wires 4c and 4d.

反転リード線3aと主線24との間にトランジスタa1が配置され、反転リード線3aと主線25との間にトランジスタa2が配置される。そして、反転リード線3bと主線24との間にトランジスタb1が配置され、反転リード線3bと主線25との間にトランジスタb2が配置される。 A transistor a1 is arranged between the inverted lead wire 3a and the main line 24, and a transistor a2 is arranged between the inverted lead wire 3a and the main line 25. A transistor b1 is arranged between the inverted lead line 3b and the main line 24, and a transistor b2 is arranged between the inverted lead line 3b and the main line 25.

補助リード線4cの一部と補助リード線4cの他の一部との間にトランジスタc2が配置される。補助リード線4dの一部と補助リード線4dの他の一部との間にトランジスタd2が配置される。 A transistor c2 is arranged between a part of the auxiliary lead wire 4c and another part of the auxiliary lead wire 4c. A transistor d2 is arranged between a part of the auxiliary lead wire 4d and another part of the auxiliary lead wire 4d.

補助リード線4cの一部と補助線26との間にトランジスタc1が配置され、補助リード線4cの他の一部と補助線27との間にトランジスタc3が配置される。そして、補助リード線4dの一部と補助線26との間にトランジスタd1が配置され、補助リード線4dの他の一部と補助線27との間にトランジスタd3が配置される。 A transistor c1 is arranged between a part of the auxiliary lead wire 4c and the auxiliary line 26, and a transistor c3 is arranged between the other part of the auxiliary lead wire 4c and the auxiliary line 27. A transistor d1 is arranged between a part of the auxiliary lead wire 4d and the auxiliary line 26, and a transistor d3 is arranged between the other part of the auxiliary lead wire 4d and the auxiliary line 27.

トランジスタa1のゲートとトランジスタa2のゲートとに端子aが接続される。トランジスタb1のゲートとトランジスタb2のゲートとに端子bが接続される。そして、トランジスタc1のゲートとトランジスタc2のゲートとトランジスタc3のゲートとに端子cが接続される。トランジスタd1のゲートとトランジスタd2のゲートとトランジスタd3のゲートとに端子dが接続される。 A terminal a is connected to the gate of the transistor a1 and the gate of the transistor a2. A terminal b is connected to the gate of the transistor b1 and the gate of the transistor b2. A terminal c is connected to the gate of the transistor c1, the gate of the transistor c2, and the gate of the transistor c3. A terminal d is connected to the gate of the transistor d1, the gate of the transistor d2, and the gate of the transistor d3.

このように構成された磁気メモリ装置10は以下のように書込み動作を実行する。図13は磁気メモリ装置10の書込み動作を示すフローチャートである。 The magnetic memory device 10 configured as described above executes a write operation as follows. FIG. 13 is a flowchart showing the write operation of the magnetic memory device 10.

磁化反転をさせたいターゲットの強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2の何れか一つに接している反転リード線3a又は3bの何れか1本の両端側に配置された二つのトランジスタa1及びa2、又は、トランジスタb1及びb2をオンにすることで、反転電流を流す。ターゲットの強磁性金属薄膜に接している補助リード線4c又は4dの何れか1本に配置されたトランジスタc1、c2及びc3、又は、トランジスタd1、d2及びd3をオンにすることで、補助電流を流す。 At both ends of either the reversal lead wire 3a or 3b that is in contact with any one of the ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, m2-2 of the target whose magnetization is to be reversed. By turning on the two arranged transistors a1 and a2 or the transistors b1 and b2, an inverted current flows. By turning on transistors c1, c2, and c3, or transistors d1, d2, and d3 placed on either one of the auxiliary lead wires 4c or 4d in contact with the ferromagnetic metal thin film of the target, an auxiliary current is generated. Flow.

以下、図12の強磁性金属薄膜m1-1を書込みターゲットの強磁性金属とした場合の書込み動作の例を示す。まず、主線24と補助線26の電圧を高電圧(ハイ)にして主線25と補助線27の電圧を低電圧(ロー)にする(ステップS1)。そして、端子cに電圧を印加してトランジスタc1・c2・c3をオンにする。すると、補助電流が補助リード線4cに流れる。次に、x方向に向いた補助スピン流が強磁性金属薄膜m1-1・m2-1に注入される(ステップS2)。なお、上記ハイ/ローは,CMOSやデジタル回路で使われるハイ/ローと同じ意味である。 An example of a write operation when the ferromagnetic metal thin film m1-1 in FIG. 12 is used as a ferromagnetic metal as a write target will be shown below. First, the voltages of the main line 24 and the auxiliary line 26 are set to a high voltage (high), and the voltages of the main line 25 and the auxiliary line 27 are set to a low voltage (low) (step S1). Then, voltage is applied to terminal c to turn on transistors c1, c2, and c3. Then, an auxiliary current flows through the auxiliary lead wire 4c. Next, an auxiliary spin current directed in the x direction is injected into the ferromagnetic metal thin films m1-1 and m2-1 (step S2). Note that the above-mentioned high/low has the same meaning as high/low used in CMOS and digital circuits.

その後、端子aに電圧を印加してトランジスタa1・a2をオンにする。すると、反転電流が反転リード線3aに流れる。次に、-y方向を向いた反転スピン流が強磁性金属薄膜m1-1・m1-2に注入される(ステップS3)。この動作の開始直前又は開始直後に端子cへの電圧印加を止めてトランジスタc1・c2・c3をオフにする。すると、最初に強磁性金属薄膜m1-1の磁化方向が-y方向に反転する(ステップS4)。 Thereafter, a voltage is applied to terminal a to turn on transistors a1 and a2. Then, a reversal current flows through the reversal lead wire 3a. Next, an inverted spin current directed in the -y direction is injected into the ferromagnetic metal thin films m1-1 and m1-2 (step S3). Immediately before or after the start of this operation, the voltage application to the terminal c is stopped to turn off the transistors c1, c2, and c3. Then, first, the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film m1-1 is reversed to the -y direction (step S4).

そして、端子aへの電圧の印加を継続すると強磁性金属薄膜m1-2の磁化方向が-y方向に反転するので、強磁性金属薄膜m1-2の磁化方向が-y方向に反転する前に端子aへの電圧の印加を止めてトランジスタa1・a2をオフにする(ステップS5)。 Then, when the voltage is continued to be applied to terminal a, the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film m1-2 is reversed in the -y direction, so before the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film m1-2 is reversed in the -y direction. The application of voltage to terminal a is stopped and transistors a1 and a2 are turned off (step S5).

主線24・25のハイ/ローの向きは反転リード線3aの素材がもつスピンホール角の符号によって定まる。 The high/low direction of the main lines 24 and 25 is determined by the sign of the spinhole angle of the material of the inversion lead wire 3a.

トランジスタc2・c3、及び、トランジスタd2・d3は、反転リード線3aを流れる反転電流が他の強磁性金属薄膜へ回り込まないようにするために必要である。つまり、この例ではトランジスタa1→強磁性金属薄膜m1-1→強磁性金属薄膜m1-2→トランジスタa2と電流を流したいが、トランジスタc2の部分がトランジスタc2で無く金属リードであった場合、トランジスタa1→強磁性金属薄膜m1-1→強磁性金属薄膜m2-1→強磁性金属薄膜m2-2→強磁性金属薄膜m1-2→トランジスタa2と流れる電流のパスも出現してしまうので、このような電流のパスの出現を防止するためである。 The transistors c2 and c3 and the transistors d2 and d3 are necessary to prevent the reversal current flowing through the reversal lead wire 3a from going around to other ferromagnetic metal thin films. In other words, in this example, we want to flow current as follows: transistor a1 → ferromagnetic metal thin film m1-1 → ferromagnetic metal thin film m1-2 → transistor a2, but if transistor c2 is not transistor c2 but has a metal lead, the transistor A path for the current that flows as follows: a1 → ferromagnetic metal thin film m1-1 → ferromagnetic metal thin film m2-1 → ferromagnetic metal thin film m2-2 → ferromagnetic metal thin film m1-2 → transistor a2 also appears, so This is to prevent the appearance of undesirable current paths.

補助リード線4cに補助電流を流すための端子cへの電圧印加時間は、0.5nsec程度である。この電圧印加時間は、周波数換算で2GHz程度であり、磁気メモリ装置10の内部のクロックで制御可能である。 The voltage application time to the terminal c for causing the auxiliary current to flow through the auxiliary lead wire 4c is about 0.5 nsec. This voltage application time is approximately 2 GHz in terms of frequency, and can be controlled by the internal clock of the magnetic memory device 10.

強磁性金属薄膜m1-1の磁化方向を-y方向からy方向に反転させるには、主線24をローにし主線25をハイにして主線24・25のハイ・ロー関係を逆にし、上記のステップS2からステップS5を実行する。 To reverse the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film m1-1 from the -y direction to the y direction, the main line 24 is set to low and the main line 25 is set to high, reversing the high-low relationship between the main lines 24 and 25, and performing the steps above. Steps S2 to S5 are executed.

図14(a)は実施形態2に係る磁気メモリ装置10の読出し動作に関連する箇所も含めた回路図であり、(b)は磁気メモリ装置10のTMR素子9を示す斜視図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 14(a) is a circuit diagram including parts related to the read operation of the magnetic memory device 10 according to the second embodiment, and FIG. 14(b) is a perspective view showing the TMR element 9 of the magnetic memory device 10. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

強磁性金属薄膜m1-1の上に絶縁層5が積層され、絶縁層5の上に固定層6が積層される。強磁性金属薄膜m1-1、絶縁層5、及び固定層6は、TMR(トンネル磁気抵抗効果、Tunnel Magneto Resistance Effect)素子9を構成する。同様に、強磁性金属薄膜m1-2・2-1・2-2の上に絶縁層5が積層され、各絶縁層5の上に固定層6が積層される。強磁性金属薄膜m1-2・m2-1・m2-2、絶縁層5、及び固定層6は、それぞれTMR素子9を構成する。 An insulating layer 5 is laminated on the ferromagnetic metal thin film m1-1, and a fixed layer 6 is laminated on the insulating layer 5. The ferromagnetic metal thin film m1-1, the insulating layer 5, and the fixed layer 6 constitute a TMR (Tunnel Magneto Resistance Effect) element 9. Similarly, an insulating layer 5 is laminated on the ferromagnetic metal thin films m1-2, 2-1, and 2-2, and a fixed layer 6 is laminated on each insulating layer 5. The ferromagnetic metal thin films m1-2, m2-1, m2-2, the insulating layer 5, and the fixed layer 6 each constitute a TMR element 9.

強磁性金属薄膜m1-1・m2-1の磁化方向を読み出すためにy方向に延伸して対応する固定層6に接合された読出しリード線7aと、強磁性金属薄膜m1-2・m2-2の磁化方向を読み出すためにy方向に延伸して対応する固定層6に接合された読出しリード線7bとが設けられる。そして、強磁性金属薄膜m1-1・m2-1・m1-1・m2-1の磁化方向を読み出すためにx方向に延伸する読線28が設けられる。読出しリード線7aと読線28との間にトランジスタe1が配置され、読出しリード線7bと読線28との間にトランジスタf1が配置される。トランジスタe1のゲートに端子eが接続され、トランジスタf1のゲートに端子fが接続される。 In order to read the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin films m1-1 and m2-1, the readout lead wire 7a extends in the y direction and is joined to the corresponding fixed layer 6, and the ferromagnetic metal thin films m1-2 and m2-2. A reading lead wire 7b extending in the y direction and bonded to the corresponding fixed layer 6 is provided to read out the magnetization direction of the magnetization direction. A reading line 28 extending in the x direction is provided to read out the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin films m1-1, m2-1, m1-1, and m2-1. A transistor e1 is arranged between the read lead line 7a and the read line 28, and a transistor f1 is arranged between the read lead line 7b and the read line 28. A terminal e is connected to the gate of the transistor e1, and a terminal f is connected to the gate of the transistor f1.

磁気メモリ装置10は、反転リード線3a・3bへの反転電流の供給と、補助リード線4c・4dへの補助電流の供給と、読出しリード線7a・7bからの強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2の磁化方向の読出しとを制御する制御回路29を備える。 The magnetic memory device 10 supplies an inversion current to the inversion lead wires 3a and 3b, an auxiliary current to the auxiliary lead wires 4c and 4d, and a ferromagnetic metal thin film m1-1 from the readout lead wires 7a and 7b. A control circuit 29 is provided to control reading of the magnetization directions of m1-2, m2-1, and m2-2.

主線25は、読線としても兼用される。 The main line 25 also serves as a reading line.

図14に示す例では、強磁性金属薄膜m1-1の磁化の向きは、対応する固定層6の磁化の向きと逆であるので、TMR素子9の磁気抵抗が高く、強磁性金属薄膜m1-1と固定層6との間に電流は流れない。これに対して、他の三つの強磁性金属薄膜m1-2・m2-1・m2-2の磁化の向きは、固定層6の磁化の向きと平行であるので、TMR素子9の磁気抵抗が低く、固定層6との間に電流が流れる。 In the example shown in FIG. 14, the magnetization direction of the ferromagnetic metal thin film m1-1 is opposite to the magnetization direction of the corresponding pinned layer 6, so the magnetic resistance of the TMR element 9 is high, and the ferromagnetic metal thin film m1-1 has a high magnetic resistance. No current flows between the fixed layer 1 and the fixed layer 6. On the other hand, the magnetization directions of the other three ferromagnetic metal thin films m1-2, m2-1, and m2-2 are parallel to the magnetization direction of the pinned layer 6, so the magnetic resistance of the TMR element 9 is A current flows between the fixed layer 6 and the fixed layer 6.

このように構成された磁気メモリ装置10は以下のように動作する。 The magnetic memory device 10 configured in this manner operates as follows.

読線28の電圧はハイになっている。主線24の電圧はハイになっている。補助線26の電圧はハイになっており、補助線27の電圧はローになっている。そして、読線として兼用される主線25の電圧をローにする。 The voltage on the reading line 28 is high. The voltage on the main line 24 is high. The voltage on the auxiliary line 26 is high, and the voltage on the auxiliary line 27 is low. Then, the voltage of the main line 25, which also serves as a reading line, is set to low.

強磁性金属薄膜m1-1に記憶された情報を読み出す場合は、端子e及び端子gに電圧を印加してトランジスタe1及びトランジスタa2をそれぞれオンにする。すると、強磁性金属薄膜m1-1に対応するTMR素子9は高抵抗であるので電流が流れない。そして、強磁性金属薄膜m2-1に対応するTMR素子9は低抵抗であるが、トランジスタb2・c2・c3・d2・d3がオフであるため、強磁性金属薄膜m2-1のTMR素子9を介した電流は流れない。読線として兼用される主線25の電位が読線28の電位よりも低くなる(ローになる)。これにより、強磁性金属薄膜m1-1に記憶された情報が「0」と読み出せる。 When reading information stored in the ferromagnetic metal thin film m1-1, a voltage is applied to the terminal e and the terminal g to turn on the transistor e1 and the transistor a2, respectively. Then, since the TMR element 9 corresponding to the ferromagnetic metal thin film m1-1 has a high resistance, no current flows. Although the TMR element 9 corresponding to the ferromagnetic metal thin film m2-1 has a low resistance, since the transistors b2, c2, c3, d2, and d3 are off, the TMR element 9 of the ferromagnetic metal thin film m2-1 No current flows through it. The potential of the main line 25, which also serves as a reading line, becomes lower than the potential of the reading line 28 (becomes low). As a result, the information stored in the ferromagnetic metal thin film m1-1 can be read out as "0".

強磁性金属薄膜m2-2に記憶された情報を読み出す場合は、端子f及び端子hに電圧を印加してトランジスタf1及びトランジスタb2をそれぞれオンにする。すると、強磁性金属薄膜m1-2に対応するTMR素子9は低抵抗であるが、トランジスタa2・c2・c3・d2・d3がオフであるため、強磁性金属薄膜m1-2のTMR素子9を介した電流は流れない。強磁性金属薄膜m2-2に対応するTMR素子9は低抵抗であるので、トランジスタf1から強磁性金属薄膜m2-2を介してトランジスタb2を通って読線として兼用される主線25へと電流が流れる。この結果、読線として兼用される主線25の電位が、読線28の電位と同じハイになる。これにより、強磁性金属薄膜m2-2に記憶された情報が「1」であると判定される。 When reading information stored in the ferromagnetic metal thin film m2-2, a voltage is applied to the terminal f and the terminal h to turn on the transistor f1 and the transistor b2, respectively. Then, although the TMR element 9 corresponding to the ferromagnetic metal thin film m1-2 has a low resistance, since the transistors a2, c2, c3, d2, and d3 are off, the TMR element 9 of the ferromagnetic metal thin film m1-2 No current flows through it. Since the TMR element 9 corresponding to the ferromagnetic metal thin film m2-2 has a low resistance, current flows from the transistor f1 through the ferromagnetic metal thin film m2-2 and through the transistor b2 to the main line 25 which also serves as a reading line. flows. As a result, the potential of the main line 25, which also serves as a reading line, becomes high, the same as the potential of the reading line 28. As a result, it is determined that the information stored in the ferromagnetic metal thin film m2-2 is "1".

電圧がハイの状態は「1」に対応し、電圧がローの状態は「0」に対応するものとした。読線として兼用される主線25の動作はDRAM読出し時のビット線の動作と同様である。図14に示すようにトランジスタa2・b2及び主線25を書込み動作と読出し動作とで兼用させずに、別途並列に他のトランジスタ及び他の読線を設けるように構成してもよい。図14では、図12で前述したトランジスタc2・d2の図示は簡素化のため省略している。 A high voltage state corresponds to "1", and a low voltage state corresponds to "0". The operation of the main line 25, which is also used as a read line, is similar to the operation of the bit line during DRAM reading. As shown in FIG. 14, instead of using the transistors a2 and b2 and the main line 25 for both the write operation and the read operation, other transistors and other read lines may be separately provided in parallel. In FIG. 14, illustration of the transistors c2 and d2 described above in FIG. 12 is omitted for simplicity.

図15は、図12で前述した書込み動作の変形例に関連する回路図である。前述した構成要素には同様の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。 FIG. 15 is a circuit diagram related to a modification of the write operation described above in FIG. 12. The components described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof will not be repeated.

図12で示した磁気メモリ装置10の書込回路は、図15に示される書込み回路によっても代用可能である。図12の書込回路と異なる点は、トランジスタa1・b1・c1・d1が共通の主線24Aに接続される点、トランジスタa2・b2・c3・d3が共通の主線25Aに接続される点、トランジスタa1・a2に個別の端子g1・g2がそれぞれ接続される点、トランジスタb1・b2に個別の端子h1・h2がそれぞれ接続される点、トランジスタc1・c2・c3に個別の端子e1・e2・e3がそれぞれ接続される点、及び、トランジスタd1・d2・d3に個別の端子f1・f2・f3がそれぞれ接続される点である。 The write circuit of the magnetic memory device 10 shown in FIG. 12 can be replaced by the write circuit shown in FIG. 15. The points different from the write circuit in FIG. 12 are that transistors a1, b1, c1, and d1 are connected to a common main line 24A, transistors a2, b2, c3, and d3 are connected to a common main line 25A, and transistors A point where individual terminals g1 and g2 are connected to a1 and a2, respectively, a point where individual terminals h1 and h2 are connected to transistors b1 and b2, respectively, and an individual terminal e1, e2, and e3 to transistors c1, c2, and c3. are connected to the transistors d1, d2, and d3, respectively, and individual terminals f1, f2, and f3 are connected to the transistors d1, d2, and d3, respectively.

図15に示す磁気メモリ装置10Aの書込回路は、補助電流の経路に存在するトランジスタの数が図12の書込回路よりも少なく、図12の書込回路よりも低消費電力である。図15の書込回路での反転電流と補助電流は以下のように流す。 The write circuit of the magnetic memory device 10A shown in FIG. 15 has fewer transistors in the auxiliary current path than the write circuit of FIG. 12, and has lower power consumption than the write circuit of FIG. The inversion current and auxiliary current in the write circuit of FIG. 15 are caused to flow as follows.

磁化反転をさせたいターゲットの強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2の何れか一つに接している反転リード線3a又は3bの何れか1本の両端側に配置された二つのトランジスタa1及びa2、又は、トランジスタb1及びb2をONにすることで、図12の書込回路と同様に反転電流を流す。ターゲットの強磁性金属薄膜m1-1・m1-2・m2-1・m2-2の何れか一つの強磁性金属薄膜から紙面一つ上の反転リード線の左端のトランジスタと一つ下の反転リード線の右端のトランジスタ、ターゲットの強磁性薄膜に接する補助リード線に設置されたターゲット強磁性薄膜に近い位置にある紙面上下二つのトランジスタの計4つのトランジスタをONにすることで、補助電流を流す。ただし、最上段列の強磁性薄膜や、最下段列の強磁性薄膜がターゲットの場合には、ONにするトランジスタの数が図15に示すように一つ減る。 At both ends of either the reversal lead wire 3a or 3b that is in contact with any one of the ferromagnetic metal thin films m1-1, m1-2, m2-1, m2-2 of the target whose magnetization is to be reversed. By turning on the two arranged transistors a1 and a2 or the transistors b1 and b2, an inverted current flows as in the write circuit of FIG. 12. The transistor on the left end of the reversing lead line one level above the paper and the reversing lead one level below from the target ferromagnetic metal thin film m1-1, m1-2, m2-1, m2-2. An auxiliary current is caused to flow by turning on a total of four transistors: the transistor on the right end of the line, and the two transistors on the top and bottom of the paper located close to the target ferromagnetic thin film installed on the auxiliary lead wire in contact with the target ferromagnetic thin film. . However, if the target is a ferromagnetic thin film in the top row or a ferromagnetic thin film in the bottom row, the number of transistors to be turned on is reduced by one as shown in FIG.

例えば、磁化反転をさせたいターゲットが強磁性金属薄膜m2-1である場合には、反転リード線3bの両端側に配置されたトランジスタb1及びb2をONにすることで反転電流を流す。そして、反転リード線3bの一つ上の反転リード線3aの左端のトランジスタa1と一つ下の反転リード線3bの右端のトランジスタb2、ターゲットの強磁性薄膜m2-1に近い位置にある上下二つのトランジスタc2・c3の計4つのトランジスタa1・b2・c2・c3をONにすることで補助電流を流す。 For example, when the target whose magnetization is to be reversed is the ferromagnetic metal thin film m2-1, a reversal current is caused to flow by turning on transistors b1 and b2 arranged at both ends of the reversal lead wire 3b. Then, the transistor a1 at the left end of the reversing lead wire 3a one above the reversing lead wire 3b, the transistor b2 at the right end of the reversing lead wire 3b one below, and the upper and lower transistors located near the target ferromagnetic thin film m2-1. Auxiliary current is caused to flow by turning on a total of four transistors a1, b2, c2, and c3 (transistors c2 and c3).

図15の書込回路の場合には各トランジスタa1・a2・b1・b2・c1・c2・c3・d1・d2・d3のゲートは全て独立に制御する必要がある。また、図12で示されていた補助線26・27は図15の書込回路では不要になる。 In the case of the write circuit shown in FIG. 15, the gates of the transistors a1, a2, b1, b2, c1, c2, c3, d1, d2, and d3 must all be controlled independently. Further, the auxiliary lines 26 and 27 shown in FIG. 12 are no longer necessary in the write circuit of FIG.

(まとめ)
本発明の態様1に係る高速磁化反転方法は、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、強磁性金属層とを積層した金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、前記強磁性金属層には特定の方向が磁化容易軸になるように予め一軸磁気異方性を付与されており、前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを有し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる前記反転スピン流と前記補助スピン流との2種類のスピン流を前記強磁性金属層へ時間差で注入する。
(summary)
A high-speed magnetization reversal method according to aspect 1 of the present invention is a high-speed magnetization reversal method in which the magnetization of a ferromagnetic metal layer in a metal layer structure in which one or two non-magnetic metal layers and a ferromagnetic metal layer are laminated is reversed by spin-orbit torque. In the magnetization reversal method, the ferromagnetic metal layer is given uniaxial magnetic anisotropy in advance so that the easy axis of magnetization is in a specific direction, and a spin injection magnetization reversal step of injecting a reversal spin current from the non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer to induce magnetization reversal; and a spin injection magnetization reversal step from the same or different non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer. an auxiliary spin current injection step of injecting an auxiliary spin current for a short period of time, the two types of spin currents, the reversed spin current and the auxiliary spin current, in which the directions of magnetization of the spin currents are different from each other, are transferred to the ferromagnetic Inject into the metal layer at different times.

本発明の態様2に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ひとつの非磁性金属層であり、補助スピン流注入工程が、同一の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 2 of the present invention, one or two nonmagnetic metal layers are one nonmagnetic metal layer, and the auxiliary spin current injection step injects auxiliary spin current from the same nonmagnetic metal layer. Injection is preferred.

本発明の態様3に係る高速磁化反転方法では、ひとつまたはふたつの非磁性金属層が、ふたつの非磁性金属層であり、補助スピン流注入工程が、別の非磁性金属層から補助スピン流を注入することが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 3 of the present invention, the one or two nonmagnetic metal layers are two nonmagnetic metal layers, and the auxiliary spin current injection step injects auxiliary spin current from another nonmagnetic metal layer. Injection is preferred.

本発明の態様4に係る高速磁化反転方法では、スピン注入磁化反転工程に加えて補助スピン流注入工程を実行する先後の適当なタイミングとして、スピン注入磁化反転工程の反転スピン流は磁化反転中の全体の時間を通じて強磁性金属層へ注入し、補助スピン流は反転スピン流が強磁性金属層へ注入されている間に注入することが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 4 of the present invention, the reversal spin current of the spin injection magnetization reversal step is carried out at an appropriate timing after performing the auxiliary spin current injection step in addition to the spin injection magnetization reversal step. Preferably, the auxiliary spin current is injected into the ferromagnetic metal layer throughout the entire time, and the auxiliary spin current is injected while the reversal spin current is being injected into the ferromagnetic metal layer.

本発明の態様5に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直後、若しくは、同時に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 5 of the present invention, it is preferable that the auxiliary spin current starts to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately after or simultaneously with the start of the spin injection magnetization reversal step.

本発明の態様6に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流は、スピン注入磁化反転工程の開始直前に強磁性金属層へ注入し始めることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to the sixth aspect of the present invention, it is preferable that the auxiliary spin current starts to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately before the start of the spin injection magnetization reversal step.

本発明の態様7に係る高速磁化反転方法では、スピン注入磁化反転工程の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と平行な方向の磁化の向きを持つ反転スピン流が注入されることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 7 of the present invention, the nonmagnetic metal layer in the spin injection magnetization reversal step is reversed so that the magnetization direction is parallel to the easy axis direction of the ferromagnetic metal layer. Preferably, a spin current is injected.

本発明の態様8に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層が、磁化容易軸と直交する方向に延伸する主リード層を含むことが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 8 of the present invention, it is preferable that the nonmagnetic metal layer includes a main lead layer extending in a direction perpendicular to the axis of easy magnetization.

本発明の態様9に係る高速磁化反転方法では、主リード層が、非磁性金属層と同じ素材、金属、もしくは、その他の電気抵抗が小さい材料で構成されることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 9 of the present invention, it is preferable that the main lead layer is made of the same material as the nonmagnetic metal layer, metal, or other material with low electrical resistance.

本発明の態様9に係る高速磁化反転方法では、主リード層が、非磁性金属層と同じ素材、金属、もしくは、その他の電気抵抗が小さい材料で構成されることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 9 of the present invention, it is preferable that the main lead layer is made of the same material as the nonmagnetic metal layer, metal, or other material with low electrical resistance.

本発明の態様10に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流注入工程の非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかから強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向に直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 10 of the present invention, in the auxiliary spin current injection step, from either the nonmagnetic metal layer or another nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer, in the direction of the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer. Preferably, an auxiliary spin current having a magnetization direction perpendicular to is injected.

本発明の態様11に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層と別の非磁性金属層との何れかが、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 11 of the present invention, either the nonmagnetic metal layer or another nonmagnetic metal layer has an auxiliary lead extending in a direction parallel to the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer. Preferably, it includes a layer.

本発明の態様12に係る高速磁化反転方法では、補助スピン流注入工程の別の非磁性金属層から強磁性金属層へ、強磁性金属層の磁化容易軸方向と直交する方向の磁化の向きを持つ補助スピン流が注入されることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 12 of the present invention, the direction of magnetization in the direction perpendicular to the easy axis direction of the ferromagnetic metal layer is changed from another non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer in the auxiliary spin current injection step. It is preferable that an auxiliary spin current with a

本発明の態様13に係る高速磁化反転方法では、別の非磁性金属層が、強磁性金属層の磁化容易軸方向に対して直交する方向であって、且つ、反転スピン流の注入方向に対しても直交する方向に延伸する補助リード層を含むことが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 13 of the present invention, the another non-magnetic metal layer is arranged in a direction perpendicular to the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer, and with respect to the injection direction of the reversal spin current. It is preferable to include an auxiliary lead layer extending in a direction orthogonal to the lead layer.

本発明の態様14に係る高速磁化反転方法では、非磁性金属層および別の非磁性金属層は、強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して強磁性金属層に接合されることが好ましい。 In the fast magnetization reversal method according to aspect 14 of the present invention, the nonmagnetic metal layer and another nonmagnetic metal layer are preferably joined to the ferromagnetic metal layer by coming into contact with the main surface or side surface of the ferromagnetic metal layer. .

本発明の態様15に係る高速磁化反転デバイスは、ひとつまたはふたつの非磁性金属層と、前記非磁性金属層と積層した強磁性金属層とを備え、前記非磁性金属層と前記強磁性金属層との金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転デバイスであって、前記強磁性金属層は、特定の方向が磁化容易軸になるように一軸磁気異方性を有し、前記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、これと同一または別の前記非磁性金属層から前記強磁性金属層に補助スピン流を短時間の間注入する補助スピン流注入工程とを実行し、スピン流が持つ磁化の向きが互いに異なる前記反転スピン流と前記補助スピン流との2種類のスピン流を前記強磁性金属層へ時間差で注入する。 A fast magnetization reversal device according to aspect 15 of the present invention includes one or two nonmagnetic metal layers and a ferromagnetic metal layer laminated with the nonmagnetic metal layer, the nonmagnetic metal layer and the ferromagnetic metal layer. A high-speed magnetization reversal device for reversing the magnetization of the ferromagnetic metal layer in a metal layer structure using spin-orbit torque, the ferromagnetic metal layer having uniaxial magnetic anisotropy such that a specific direction is an axis of easy magnetization. a spin injection magnetization reversal step of injecting a reversal spin current from the non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer in order to induce magnetization reversal on the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer; This and an auxiliary spin current injection step of injecting an auxiliary spin current from the same or different non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer for a short time, and the reversal in which the magnetization directions of the spin currents are different from each other. Two types of spin currents, a spin current and the auxiliary spin current, are injected into the ferromagnetic metal layer at different times.

本発明の態様16に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層が、NiFe系二元合金、CoFeB合金、又は、室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含み、非磁性金属層と別の非磁性金属層との少なくとも一方が、Pt、Ru、及び、その他のスピンホール角の絶対値が大きい金属の少なくとも一つを含むことが好ましい。 In the fast magnetization reversal device according to aspect 16 of the present invention, the ferromagnetic metal layer includes a NiFe-based binary alloy, a CoFeB alloy, or a ferromagnetic material having a finite spin polarization near room temperature, and the ferromagnetic metal layer contains a nonmagnetic metal layer. Preferably, at least one of the layer and the other nonmagnetic metal layer contains at least one of Pt, Ru, and other metals with a large absolute value of the spin Hall angle.

本発明の態様17に係る高速磁化反転デバイスでは、強磁性金属層の上に積層された絶縁層と、絶縁層の上に積層されて磁化容易軸の方向に磁化された固定層と、強磁性金属層の磁化方向を読み出すために固定層に接合された読出しリード線と、反転スピン流のための電流の非磁性金属層への供給と、補助スピン流のための電流の別の非磁性金属層への供給と、強磁性金属層の磁化方向の読出しリード線からの読出しとを制御する制御回路とをさらに備える好ましい。 The fast magnetization reversal device according to aspect 17 of the present invention includes an insulating layer laminated on the ferromagnetic metal layer, a pinned layer laminated on the insulating layer and magnetized in the direction of the easy axis of magnetization, and a ferromagnetic metal layer. a readout lead bonded to the pinned layer for reading out the magnetization direction of the metal layer, a current to the non-magnetic metal layer for reversal spin current, and another non-magnetic metal for current for the auxiliary spin current. Preferably, the device further includes a control circuit for controlling supply to the layer and readout of the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer from the readout lead.

本発明の態様18に係る磁気メモリ装置は、マトリックス状に配置された複数個のトンネル磁気抵抗効果素子を備え、トンネル磁気抵抗効果素子が、固定層と自由層と固定層及び自由層の間に形成された絶縁層とを含み、自由層の磁化容易軸に対応する第1方向と反対の反転方向に磁化された反転スピン流を自由層に注入するために、第1方向に交差する交差方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の反転リード線と、交差方向に磁化された補助スピン流を自由層に注入するために、第1方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の補助リード線と、各自由層の磁化方向を読出すために、第1方向又は交差方向に沿って延伸して各固定層と接合する複数本の読出しリード線とを備える。 A magnetic memory device according to aspect 18 of the present invention includes a plurality of tunnel magnetoresistive elements arranged in a matrix, and the tunnel magnetoresistive element is arranged between a fixed layer, a free layer, and a fixed layer and a free layer. an insulating layer formed, and a transverse direction intersecting the first direction for injecting into the free layer a reversed spin current magnetized in a reverse direction opposite to the first direction corresponding to the easy axis of magnetization of the free layer. a plurality of inverted lead wires extending along the first direction and joining each free layer; and a plurality of readout lead wires extending along the first direction or the cross direction and joining each fixed layer in order to read the magnetization direction of each free layer. .

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. are also included within the technical scope of the present invention.

1 高速磁化反転デバイス
2 強磁性金属薄膜(強磁性金属層)
3 反転リード線(非磁性金属層、主リード層)
4 補助リード線(非磁性金属層、別の非磁性金属層、補助リード層)
5 絶縁層
6 固定層
7a 読出しリード線
7b 読出しリード線
9 TMR素子(トンネル磁気抵抗効果素子)
10 磁気メモリ装置
29 制御回路
1 High-speed magnetization reversal device 2 Ferromagnetic metal thin film (ferromagnetic metal layer)
3 Inversion lead wire (non-magnetic metal layer, main lead layer)
4 Auxiliary lead wire (non-magnetic metal layer, another non-magnetic metal layer, auxiliary lead layer)
5 Insulating layer 6 Fixed layer 7a Read lead wire 7b Read lead wire 9 TMR element (tunnel magnetoresistive element)
10 Magnetic memory device 29 Control circuit

Claims (13)

磁化容易軸を第1方向とする強磁性金属層と、前記第1方向と交差する方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第1の非磁性金属層と、前記第1方向と平行な方向又は前記第1方向と垂直な方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第2の非磁性金属層と、からなる金属層構造における前記強磁性金属層の磁化をスピン軌道トルクにより反転させる高速磁化反転方法であって、
記強磁性金属層の前記磁化容易軸上での磁化反転を誘起するために前記第1の非磁性金属層から前記強磁性金属層に、前記第1方向と平行な方向に磁化された反転スピン流を注入するスピン注入磁化反転工程と、
第2の非磁性金属層から前記強磁性金属層に前記第1方向に交差する交差方向に磁化された補助スピン流を入する補助スピン流注入工程とを有する速磁化反転方法。
a ferromagnetic metal layer having an easy axis of magnetization in a first direction ; a first non-magnetic metal layer stretched in a direction crossing the first direction and joined to the ferromagnetic metal layer; a second non-magnetic metal layer stretched in a parallel direction or a direction perpendicular to the first direction and bonded to the ferromagnetic metal layer; A high-speed magnetization reversal method in which the magnetization is reversed by torque,
reversal of magnetization from the first non-magnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer in a direction parallel to the first direction to induce magnetization reversal on the easy axis of magnetization of the ferromagnetic metal layer; a spin injection magnetization reversal step for injecting a spin current;
and an auxiliary spin current injection step of injecting an auxiliary spin current magnetized in a cross direction intersecting the first direction from the second nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic metal layer. Method.
前記第1の非磁性金属層の一部と前記第2の非磁性金属層の一部は共通している請求項1に記載の高速磁化反転方法。 2. The high-speed magnetization reversal method according to claim 1, wherein a part of the first non-magnetic metal layer and a part of the second non-magnetic metal layer are common . 前記スピン注入磁化反転工程の前記反転スピン流は磁化反転中の全体の時間を通じて前記強磁性金属層へ注入し、前記補助スピン流は前記反転スピン流が前記強磁性金属層へ注入されている間に注入することを特徴とする請求項1に記載の高速磁化反転方法 The reversal spin current of the spin injection magnetization reversal step is injected into the ferromagnetic metal layer throughout the entire time during magnetization reversal, and the auxiliary spin current is injected into the ferromagnetic metal layer while the reversal spin current is injected into the ferromagnetic metal layer. The high-speed magnetization reversal method according to claim 1, characterized in that the method comprises injecting. 前記補助スピン流は、前記スピン注入磁化反転工程と同時に前記強磁性金属層へ注入し始めることを特徴とする請求項3に記載の高速磁化反転方法 4. The fast magnetization reversal method according to claim 3, wherein the auxiliary spin current starts to be injected into the ferromagnetic metal layer simultaneously with the spin injection magnetization reversal step. 前記補助スピン流は、前記スピン注入磁化反転工程の開始直前に前記強磁性金属層へ注入し始めることを特徴とする請求項1に記載の高速磁化反転方法 2. The fast magnetization reversal method according to claim 1, wherein the auxiliary spin current starts to be injected into the ferromagnetic metal layer immediately before the start of the spin injection magnetization reversal step. 前記第1の非磁性金属層は、前記強磁性金属層の前記第1方向と交差する方向に延伸する主リード層を含む請求項1に記載の高速磁化反転方法 2. The high-speed magnetization reversal method according to claim 1, wherein the first nonmagnetic metal layer includes a main lead layer extending in a direction intersecting the first direction of the ferromagnetic metal layer. 前記第2の非磁性金属層は、前記強磁性金属層の前記第1方向に対して平行な方向に延伸する補助リード層を含む請求項1に記載の高速磁化反転方法 2. The high-speed magnetization reversal method according to claim 1, wherein the second nonmagnetic metal layer includes an auxiliary lead layer extending in a direction parallel to the first direction of the ferromagnetic metal layer. 前記第1の非磁性金属層および前記第2の非磁性金属層は、前記強磁性金属層の主面若しくは側面に当接して前記強磁性金属層に接合されることを特徴とする請求項1に記載の高速磁化反転方法 1 . The first nonmagnetic metal layer and the second nonmagnetic metal layer are bonded to the ferromagnetic metal layer by coming into contact with a main surface or a side surface of the ferromagnetic metal layer. The high-speed magnetization reversal method described in . 磁化容易軸を第1方向とする強磁性金属層と、
前記第1方向と交差する方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第1の非磁性金属層と、
前記第1方向と平行な方向又は前記第1方向と垂直な方向に延伸されて前記強磁性金属層に接合された第2の非磁性金属層と、を備え、
前記第1の非磁性金属層から、前記第1方向と平行な方向に磁化された反転スピン流が前記強磁性金属層に注入され、
前記第2の非磁性金属層から、磁化反転を補助するために前記第1方向に交差する交差方向に磁化された補助スピン流が前記強磁性金属層に注入され、
前記反転スピン流と前記補助スピン流により、前記強磁性金属層の磁化がスピン軌道トルクにより反転する高速磁化反転デバイス
a ferromagnetic metal layer whose axis of easy magnetization is a first direction;
a first non-magnetic metal layer stretched in a direction crossing the first direction and joined to the ferromagnetic metal layer;
a second non-magnetic metal layer stretched in a direction parallel to the first direction or in a direction perpendicular to the first direction and joined to the ferromagnetic metal layer;
A reversed spin current magnetized in a direction parallel to the first direction is injected from the first nonmagnetic metal layer into the ferromagnetic metal layer,
An auxiliary spin current magnetized in a cross direction intersecting the first direction is injected from the second nonmagnetic metal layer into the ferromagnetic metal layer to assist magnetization reversal,
A high-speed magnetization reversal device in which the magnetization of the ferromagnetic metal layer is reversed by spin-orbit torque by the reverse spin current and the auxiliary spin current .
前記強磁性金属層が、NiFe系二元合金、CoFeB合金、又は、室温近傍で有限のスピン偏極率を有する強磁性体を含み、The ferromagnetic metal layer includes a NiFe-based binary alloy, a CoFeB alloy, or a ferromagnetic material having a finite spin polarization near room temperature,
前記第1の非磁性金属層と前記第2の非磁性金属層との少なくとも一方が、Pt、Ru、及び、その他のスピンホール角の絶対値が大きい金属の少なくとも一つを含む請求項9に記載の高速磁化反転デバイス。10. At least one of the first nonmagnetic metal layer and the second nonmagnetic metal layer contains at least one of Pt, Ru, and other metals having a large absolute value of the spin Hall angle. The described fast magnetization reversal device.
前記第1の非磁性金属層の一部と前記第2の非磁性金属層の一部は共通している請求項9に記載の高速磁化反転デバイス The fast magnetization reversal device according to claim 9, wherein a part of the first nonmagnetic metal layer and a part of the second nonmagnetic metal layer are common.. 請求項9に記載の高速磁化反転デバイスと、
前記高速磁化反転デバイスの前記強磁性金属層の上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層の上に積層されて前記磁化容易軸の方向に磁化された固定層と、
前記強磁性金属層の磁化方向を読み出すために前記固定層に接合された読出しリード線と、
前記反転スピン流のための電流の前記第1の非磁性金属層への供給と、前記補助スピン流のための電流の前記第2の非磁性金属層への供給と、前記強磁性金属層の磁化方向の前記読出しリード線からの読出しとを制御する制御回路と、
を備える磁気メモリ装置
A fast magnetization reversal device according to claim 9;
an insulating layer laminated on the ferromagnetic metal layer of the fast magnetization reversal device;
a fixed layer stacked on the insulating layer and magnetized in the direction of the easy axis of magnetization;
a readout lead wire joined to the fixed layer for reading out the magnetization direction of the ferromagnetic metal layer;
supplying a current for the reversal spin current to the first non-magnetic metal layer; supplying a current for the auxiliary spin current to the second non-magnetic metal layer; a control circuit that controls readout of the magnetization direction from the readout lead wire;
A magnetic memory device comprising :
マトリックス状に配置された複数個のトンネル磁気抵抗効果素子を備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子が、固定層と自由層と前記固定層及び前記自由層の間に形成された絶縁層とを含み、
前記自由層の磁化容易軸に対応する第1方向と反対の反転方向に磁化された反転スピン流を前記自由層に注入するために、前記第1方向に交差する交差方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の反転リード線と、
前記交差方向に磁化された補助スピン流を前記自由層に注入するために、前記第1方向に沿って延伸して各自由層と接合する複数本の補助リード線と、
各自由層の磁化方向を読出すために、前記第1方向又は前記交差方向に沿って延伸して各固定層と接合する複数本の読出しリード線とを備えることを特徴とする磁気メモリ装置
Equipped with multiple tunnel magnetoresistive elements arranged in a matrix,
The tunnel magnetoresistive element includes a fixed layer, a free layer, and an insulating layer formed between the fixed layer and the free layer,
In order to inject into the free layer an inverted spin current magnetized in an inverted direction opposite to the first direction corresponding to the easy axis of magnetization of the free layer, extending along a transverse direction intersecting the first direction. a plurality of inverted lead wires connected to each free layer;
a plurality of auxiliary lead wires extending along the first direction and joining each free layer in order to inject the auxiliary spin current magnetized in the cross directions into the free layer;
A magnetic memory device comprising: a plurality of read lead wires extending along the first direction or the intersecting direction and connected to each fixed layer in order to read the magnetization direction of each free layer.
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