JPWO2007015474A1 - 磁気メモリー - Google Patents
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Abstract
Description
図8は、従来の電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示す図であり、(A)は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を示し、(B)は電流をΔt秒加えた後の磁壁の移動を示す。なお、磁化は細線の軸方向(z方向)に一様に磁化されるとし、磁性細線の断面積をAとする。磁性細線50に電流密度jの電流を流すと、電流を担う伝導電子のスピン(大きさ1/2)は強磁性的相互作用により局在スピンM(大きさS)の向きと平行になる傾向があり、電流を担う伝導電子はスピン分極したスピン流を形成する。その分極率をpとすると、スピン流js (密度)は、下記(1)式で表される。
J . C. Slonczewski, J. Mag. Mag. Matr. 159 ,p.L1 (1996) A. Yamaguchi et al, Phys. Rev.Lett., 92, p.077205 (2004) E. Saitoh et al, Nature 432,p.203 (2004)
上記構成において、好ましくは、強磁性構造体の第1の電極と中央電極との間に電流を流し、第2の電極と中央電極との間に流れる電流の有無により磁壁が保持されている磁壁保持部を検出し、読み出しを行なう。
好ましくは、読み出しの際に第2の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、第1及び第2の電極との間に電流を流して、磁壁を読み出し前の磁気保持部へ移動させる。
上記構成において、好ましくは、読み出しの際に第2の電極と中央電極との間に電流が検出された場合には、第1及び第2の電極との間に電流を流して、前記磁壁を読み出し前の磁気保持部へ移動させる。
好ましくは、強磁性構造体は積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広く、各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い第1及び第2の磁壁保持部が形成されている。強磁性体の材料は、好ましくは、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金の何れかである。
上記構成によれば、強磁性構造体は平面構造の細線や積層構造により形成することができる。
上記構成によれば、垂直方向に均一の幅の強磁性構造体を形成すれば良いので製作が容易となる。このため、強磁性構造体の垂直方向の長さLも、平面構造の強磁性構造体の場合よりも小さくすることができるので、メモリーセルの内部抵抗の減少及びメモリーセルの集積密度を挙げるために有利である。
2:基板
3,23,33:強磁性構造体(メモリーセル)
3A,3B,23A,23B:端部
3C,23C:中央部
4,24,34:第1の磁壁保持部
5,25,35:第2の磁壁保持部
6,26,40:第1の電極
7,27, 41:第2の電極
8,28,42:中央電極
12:磁壁
15:書き込み用電流源
16:読み出し用電流源
17:電流計
34:第1の硬質磁性層
35:第1の軟質磁性層
36:第2の硬質磁性層
37:第2の軟質磁性層
38:第3の硬質磁性層
26A,27A,28A,44,45,46:電極配線
図1は、本発明の磁気メモリーの構造を示す模式図である。図示するように、本発明の磁気メモリー1は、絶縁基板2上に形成される電子伝導性の強磁性構造体3、図示の場合には強磁性構造体3は細線状をなしている。この強磁性体からなる細線3は、磁気メモリー1の1ビット、即ちメモリーセルとなる。
なお、図示の場合には、2つの磁壁保持部4,5は、端部側及び中央部側から直線的に徐々に寸法を変えて、幅の狭い第1及び第2の磁壁保持部4,5としている。この傾斜線部は、図示の直線ではなく、曲線、直線と曲線との組み合わせなどで形成してもよい。
これにより、磁壁12は、第1及び第2の磁壁保持部4,5の何れかに保持された後は、書き込みのための電流は不要で永久的に保持される。したがって、本発明の磁気メモリー1は不揮発メモリーとなる。
図3及び図4は本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。図3(A)に示すように磁壁12が第2の磁壁保持部5に保持されている場合、第2の電極7と中央電極8との間に読み出し用電流源16を接続し、電流Ir を流すことにより、磁壁12は速度νで、中央電極8に対向する位置へ移動する。その後は、磁壁12は、ポテンシャルV(z0 )の勾配のために磁壁保持部4まで移動する(図3(B)参照)。この場合には、(2)式に従って、第1の電極6と中央電極7との間に電流が流れ、電流計17により検出することができる。
細線3において、磁壁12が存在し得る第1及び第2の磁壁保持部4,5と中央部3Cとの間を隔てるエネルギー障壁ΔEは、下記(4)式で与えられる。
さらに、パーマロイからなる細線3の物質パラメータとして、交換相互作用の大きさをAex=10-11 J/m、一軸磁気異方性定数Ku =105 J/m3 、スピン分極率p=0.7としたときには、上記(3)式より、磁壁12の持つエネルギーσw は、σw =10-3J/m2 が得られる。
これから、磁壁12の位置である磁壁保持部4,5間を隔てるエネルギー障壁ΔEが、上記(4)式により、5×10-18 J(31.2eV)と計算される。このエネルギー障壁ΔEは十分に大きいので、本発明の磁気メモリー1は、通常の使用温度で安定して動作させることができる。
上記計算において、磁壁12の存在し得る第1及び第2の磁壁保持部4,5の断面積は、50nm×100nm(5×10-15 m2 )である。一方、断面積が70×45nm2 のパーロマイ(Ni81Fe19) の細線において、100μAの電流パルスを加えることにより磁壁を駆動できることが非特許文献3に示されている。したがって、本発明の磁気メモリーにおいても、非特許文献3で示された程度の電流パルスを用いることにより、十分に書き込みを行なうことができると予測できる。
図5は本発明の第2の実施形態に係る磁気メモリー20の強磁性構造体23を模式的に示すもので、(A)は断面図、(B)は平面図である。
図1のメモリーセルに用いる強磁性構造体が平面構造であるのに対して、図5(A)に示すように、強磁性構造体23は、紙面の下から上に積層される構造を有している。強磁性構造体23は、積層方向(Y軸方向)の厚さがLである。磁性体構造23において、その両端部23A,23B及びその中央部23Cは、幅(W1 )が広く形成されている。各端部23A,23Bと中央部23Cとの間には、磁壁を保持するために幅がW1 よりも狭いW2 である第1及び第2の磁壁保持部24,25が形成されている。そして、強磁性構造体23において、その一端23Aに接続される第1の電極26と、その他端23Bに接続される第2の電極27と、中央部23Cに接続される中央電極28とが形成されている。したがって、磁気メモリー20において、強磁性構造体23の電極26〜8が接続される箇所の断面積が大きく、これらの電極の間に配設される幅の狭い磁壁保持部24,25は、断面積が小さくなっている。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る磁気メモリー30の強磁性構造体33を模式的に示し、(A)は断面図、(B)は平面図である。図6(A)に示す強磁性構造体33は、紙面の下から上に積層される構造を有しており、下から順に第1の硬質磁性層34と第1の軟質磁性層35と第2の硬質磁性層36と第2の軟質磁性層37と第3の硬質磁性層38とが積層された5層構造を有している。強磁性構造体33において、強磁性構造体33の一端部となる第1の硬質磁性層34には第1の電極40が接続され、強磁性構造体33の他端部となる第3の硬質磁性層38には第2の電極41が接続され、第2の硬質磁性層36には中央電極42が接続されている。強磁性構造体33は、積層方向(Y軸方向)の厚さがLであり、その幅がW1 である。
最初に、基板2上に、強磁性構造体となる強磁性体薄膜を所定の厚さで堆積する。強磁性体材料としては、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金などが使用できる。堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタ法などを用いることができる。この基板2としては、MgO基板や、絶縁層で被覆したSi基板にMgOを堆積した基板を用いることができる。次に、マスク工程やエッチング工程により、強磁性体の細線3、強磁性構造体23,33からなる各メモリーセルのパターンを形成することで、磁気メモリー1,20,30を作製することができる。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、CVD法、蒸着法、レーザアブレーション法、MBE法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やEB露光などを用いることができる。強磁性構造体23,33を用いた磁気メモリーも本発明の磁気メモリー1と同様にして製作することができる。
Claims (12)
- 強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、
上記強磁性構造体の両端部に接続される第1及び第2の電極と、上記強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、
上記強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第1及び第2の磁壁保持部が形成されており、
上記強磁性構造体の第1及び第2の電極から電流を流し、該電流の向きにより上記磁壁を上記第1及び第2の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせることを特徴とする、磁気メモリー。 - 前記強磁性構造体の第1の電極と前記中央電極との間に電流を流し、前記第2の電極と前記中央電極との間に流れる電流の有無により前記磁壁が保持されている磁壁保持部を検出し、読み出しを行なうことを特徴とする、請求項1に記載の磁気メモリー。
- 前記読み出しの際に前記第2の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、前記第1及び第2の電極との間に電流を流して、前記磁壁を、前記読み出し前の磁気保持部へ移動させることを特徴とする、請求項2に記載の磁気メモリー。
- 強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、
上記強磁性構造体の両端部に接続される第1及び第2の電極と、上記強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、
上記強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第1及び第2の磁壁保持部が形成されており、
上記強磁性構造体の第1及び第2の電極から電流を流し、該電流の向きによって上記磁壁を上記第1及び第2の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、
上記強磁性構造体の第1の電極と上記中央電極との間に電流を流し、上記第2の電極と上記中央電極との間に流れる電流の有無により上記磁壁が保持されている磁壁保持部を検出し、読み出しを行なうことを特徴とする、磁気メモリー。 - 前記読み出しの際に前記第2の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、前記第1と第2の電極との間に電流を流して、前記磁壁を、前記読み出し前の磁気保持部へ移動させることを特徴とする、請求項4に記載の磁気メモリー。
- 前記強磁性構造体は細線からなり、その両端部及び中央部は幅が広く、各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い前記第1及び第2の磁壁保持部が形成されていることを特徴とする、請求項1又は4に記載の磁気メモリー。
- 前記強磁性構造体は積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広く、各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い前記第1及び第2の磁壁保持部が形成されていることを特徴とする、請求項1又は4に記載の磁気メモリー。
- 前記強磁性体の材料が、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金の何れかであることを特徴とする、請求項1又は4に記載の磁気メモリー。
- 前記強磁性構造体は、第1の硬質磁性層と第1の軟質磁性層と第2の硬質磁性層と第2の軟質磁性層と第3の硬質磁性層とが積層された構造を有しており、
上記強磁性構造体の一端部となる第1の硬質磁性層には前記第1の電極が接続され、
上記強磁性構造体の他端部となる第3の硬質磁性層には前記第2の電極が接続され、
上記第2の硬質磁性層には前記中央電極が接続され、
上記第1の軟質磁性層と上記第2の軟質磁性層とが磁壁を保持する前記磁壁保持部となることを特徴とする、請求項1又は4に記載の磁気メモリー。 - 前記硬質磁性層が鉄−白金合金からなり、前記軟質磁性層がパーマロイからなることを特徴とする、請求項9に記載の磁気メモリー。
- 前記メモリーセルが、マトリクス状に配設されていることを特徴とする、請求項1又は4に記載の磁気メモリー。
- 前記メモリーセルが基板上にマトリクス状に配設され、さらに、該基板上に書き込み及び読み出し回路を備えていることを特徴とする、請求項1又は4に記載の磁気メモリー。
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