JP2004146821A - Memory device and memory - Google Patents
Memory device and memory Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004146821A JP2004146821A JP2003343948A JP2003343948A JP2004146821A JP 2004146821 A JP2004146821 A JP 2004146821A JP 2003343948 A JP2003343948 A JP 2003343948A JP 2003343948 A JP2003343948 A JP 2003343948A JP 2004146821 A JP2004146821 A JP 2004146821A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- spin
- layer
- memory device
- electrons
- polarized
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims abstract description 69
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 87
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 58
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 55
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 55
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims abstract 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 41
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 11
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000004323 axial length Effects 0.000 claims 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 15
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 6
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910001004 magnetic alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- -1 MnFeCo Inorganic materials 0.000 description 3
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 3
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 239000003426 co-catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002907 paramagnetic material Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002546 FeCo Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002545 FeCoNi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 101000993059 Homo sapiens Hereditary hemochromatosis protein Proteins 0.000 description 1
- 230000005374 Kerr effect Effects 0.000 description 1
- 229910003289 NiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 108010038006 Peptide Nanotubes Proteins 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000004931 aggregating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 238000001241 arc-discharge method Methods 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011304 carbon pitch Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000007772 electroless plating Methods 0.000 description 1
- 230000005293 ferrimagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000002049 peptide nanotube Substances 0.000 description 1
- ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-M phosphinate Chemical compound [O-][PH2]=O ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/02—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using elements whose operation depends upon chemical change
- G11C13/025—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using elements whose operation depends upon chemical change using fullerenes, e.g. C60, or nanotubes, e.g. carbon or silicon nanotubes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
Abstract
Description
本発明は、スピン偏極注入を利用してデータの書き込みを行うメモリ素子、および、それを用いた不揮発性のメモリ装置に関する。 {Circle over (1)} The present invention relates to a memory element for writing data using spin polarization injection and a nonvolatile memory device using the same.
高速ネットワーク社会の到来を迎え、急速に普及しつつある携帯電話やラップトップコンピュータ等のモバイルメディアにおいて、特に不揮発性メモリの開発が要求されてきている。不揮発性メモリは、常に電力が供給されずともデータ保持が可能であるため、これを用いた機器では、電源投入直後から動作させることができ、また消費電力を低減することができる。 (4) With the advent of the high-speed network society, mobile media such as mobile phones and laptop computers, which are rapidly spreading, are required to develop nonvolatile memories. Since the nonvolatile memory can hold data even when power is not always supplied, a device using the nonvolatile memory can be operated immediately after power is turned on, and power consumption can be reduced.
近年注目されている磁気ランダム・アクセス・メモリ(Magnetic Random Access Memory;MRAM) は、SRAM(Static RAM)の高速性、DRAM(Dynamic RAM)の高密度、低コスト性、およびフラッシュメモリの不揮発性を兼ね備えており、将来のデファクト・スタンダードとして有望視されている。MRAMは、磁気効果を用いたメモリであり、巨大磁気抵抗効果を利用するスピン・バルブ型のものや、スピン依存型トンネル効果を利用するものが知られている。これらのMRAMでは、目的とするメモリセルに対応する配線にスイッチング電流を流し、発生した磁界により、そのセル内の記録層の磁化状態を変更してビット情報の書き込みが行われる。情報の読み出しは、セルの磁化状態を、磁気効果を利用して検出することによって行われる。このように、MRAMは固体メモリであるため、磁気ヘッドを用いて機械的に書き込み・読み出しを行う磁性記録媒体のように破損のおそれがなく、書き込み・読み出しの繰り返しに強いという特徴も有している。 Magnetic Random Access Memory (MRAM), which has been attracting attention in recent years, is designed to reduce the speed of SRAM (Static RAM), the high density of DRAM (Dynamic RAM), the low cost, and the non-volatility of flash memory. It has both and is promising as a future de facto standard. The MRAM is a memory using a magnetic effect, and a MRAM using a spin valve type using a giant magnetoresistance effect and a type using a spin-dependent tunnel effect are known. In these MRAMs, a switching current is applied to a wiring corresponding to a target memory cell, and the generated magnetic field changes the magnetization state of a recording layer in the cell to write bit information. Reading of information is performed by detecting the magnetization state of the cell using a magnetic effect. As described above, since the MRAM is a solid-state memory, there is no danger of damage as in a magnetic recording medium that mechanically writes and reads using a magnetic head, and the MRAM has a feature of being resistant to repeated writing and reading. I have.
ただし、その実用化には、メモリの高密度化に伴って生じた課題が残されていた。書き込みに必要な磁界強度は、記録層の幅つまりセルサイズに反比例する。よって、メモリセルを微細化すると、消費電力は極めて大きくなる。また、隣接セル間の近接漏れ磁界により、クロストークが生じるおそれもある。例えば、幅0.2μmのメモリセルに対しては、書き込み時の電流は数mAにもなる。また、セル間が0.1μm程度まで狭まったメモリでは、対象セルに磁場を誘起させると、隣接セルにその80%の強さの磁場が及ぶことになる。 However, the practical use still had problems that had arisen with the increase in memory density. The magnetic field strength required for writing is inversely proportional to the width of the recording layer, that is, the cell size. Therefore, when the memory cell is miniaturized, power consumption becomes extremely large. In addition, there is a possibility that crosstalk may occur due to a proximity leakage magnetic field between adjacent cells. For example, for a memory cell having a width of 0.2 μm, the current at the time of writing becomes several mA. In a memory in which the distance between cells is reduced to about 0.1 μm, when a magnetic field is induced in a target cell, a magnetic field of 80% of the magnetic field is applied to an adjacent cell.
こうした課題を克服する技術として、記録層への偏極スピン注入法という新規な書き込み手法によるMRAMが提案されている(特許文献1参照)。この場合、メモリ素子は図4のように構成されている。すなわち、磁化方向が常に固定される強磁性層(固定層)111と、ビット情報に応じて磁化方向を変化させる強磁性層(自由層)112とが、常磁性層113により隔てられている。なお、常磁性金属層114,115は、強磁性層111,112に積層方向に電流を流すための電極層である。偏極スピン注入法では、強磁性層111,112に対し、積層方向にスピン偏極電流を流すことで偏極した電子を注入し、スピン角運動量を伝える。これにより、強磁性層112では、相互作用を受けて磁気モーメントが反転する。この機構はスピン変換と呼ばれる。こうしたスピン電流の注入により磁化を切り換える書き込み方式では、外部磁場を印加する必要がないので、メモリセル間の干渉がなく、電力消費を抑えることができる。
M As a technique for overcoming such a problem, an MRAM using a novel writing method called a polarized spin injection method to a recording layer has been proposed (see Patent Document 1). In this case, the memory element is configured as shown in FIG. That is, the ferromagnetic layer (fixed layer) 111 whose magnetization direction is always fixed and the ferromagnetic layer (free layer) 112 whose magnetization direction is changed according to bit information are separated by the
また、偏極スピン注入法の他の特徴としては、書き込み時間がスピン伝導速度にのみ依存することから、応答速度の向上を図ることが可能である。
しかしながら、この技術においても実用化に向けての問題があった。強磁性層111,112の間に配置される常磁性層113は、磁気的スペーサとしての役割に加え、電子の偏極スピンを緩和させずに伝導させるスピン伝導層としての側面を持つ。したがって、常磁性層113は、スピンコヒーレンス長の長い材料であって、強磁性層111,112に対してスピン散乱が極めて小さい材料である必要がある。そうした(強磁性材料/常磁性材料)の組み合わせは極めて限定されるため、常磁性層113には、スピン伝導層としてより好適な材料が求められていた。
However, this technology also had a problem for practical use. The
一方、こうしたMRAM技術の研究開発とは別に、カーボンナノチューブの物性研究や機能材料としての応用開発が進められてきている。カーボンナノチューブは、ナノスケールで秩序だった1次元構造(筒状構造)をもつ炭素材料であり、容易にバンドル(束)と呼ばれる凝集体を形成する。 On the other hand, apart from such research and development of MRAM technology, research on the physical properties of carbon nanotubes and application development as functional materials have been promoted. A carbon nanotube is a carbon material having a one-dimensional structure (tubular structure) ordered on a nanoscale, and easily forms an aggregate called a bundle.
特許文献2には、カーボンナノチューブの中心にある中空の穴に種々の異物質を内包させる技術が開示されており、磁性体を内包させたカーボンナノチューブについては、(1)チューブ内径(5〜10nm)が通常の磁性体の磁区の大きさよりも小さいことから、単磁区微粒子と考えられること、(2)チューブの長軸を垂直に並べれば、その異方性から極めて高密度の垂直磁気記録媒体ができると考えられることが記載されている。ただし、上記公報には、カーボンナノチューブのメモリへの応用については全く記述されてはいない。ごく最近になってトランジスタへの応用などが発表されてきたものの、これまでメモリ応用に関しては具体的な進展が見られないままであった。その理由として、従来よりもセルサイズが格段に小さくなるため、外部磁界をどのようにしてセルごとに印加するかという問題などの点で、従来どおりの構造を踏襲したのでは実現が難しいことが考えられる。つまり、単にナノチューブ内に素子を詰め込んだだけでは、実用的なMRAMにはなり得ないのである。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高密度・高集積化を容易に可能とするスピン注入型のメモリ素子およびメモリ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a memory device and a memory device of a spin injection type which can easily realize high density and high integration.
本発明のメモリ素子は、電子がスピン偏極した状態を保持する保持部と、中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、スピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備え、スピン偏極した電子の注入によって、保持部に電子のスピン偏極した状態として情報が書き込まれるものである。具体的には、スピン偏極した電子の注入によって、少なくとも一方の磁化方向変化が誘起される第1および第2の強磁性層と、第1および第2の強磁性層の積層方向を軸方向として配置される中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に設けられてその磁気的相互作用を遮断すると共にスピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備えたものである。また、本発明のメモリ装置は、本発明のメモリ素子が複数配列されてなるものである。 The memory element of the present invention includes a holding unit that holds a state in which electrons are spin-polarized, and a spin conductive layer including at least a part of a hollow cylindrical molecule and conducting spin-polarized electrons. The information is written into the holding unit as a spin-polarized state of the electrons by the injection of the polarized electrons. Specifically, the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers, in which at least one change in the magnetization direction is induced by the injection of the spin-polarized electrons, and the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers, are set in the axial direction. And is provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer to interrupt the magnetic interaction and to dispose the spin-polarized electrons. And a spin-conducting layer for conduction. Further, a memory device of the present invention has a plurality of the memory elements of the present invention arranged therein.
本発明のメモリ素子は、スピン注入型のランダム・アクセス・メモリの構成単位であるメモリ素子である。本発明のメモリ装置は、このメモリ素子で構成されるメモリ本体を含む装置である。第1の強磁性層と第2の強磁性層の間には、スピン伝導層として機能する中空の筒状分子の軸方向に電流が流れることによって、スピン偏極した電子が伝導される。このスピン伝導層では、筒状分子またはその中空部に内包された物質のスピンコヒーレンス長に応じ、電子がスピン緩和されずに伝導され、その角運動量が第1の強磁性層および第2の強磁性層に与えられる。 メ モ リ The memory element of the present invention is a memory element which is a structural unit of a spin injection random access memory. The memory device of the present invention is a device including a memory main body composed of the memory element. Spin-polarized electrons are conducted between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer by the flow of current in the axial direction of a hollow cylindrical molecule functioning as a spin conduction layer. In this spin conduction layer, electrons are conducted without spin relaxation according to the spin coherence length of the cylindrical molecule or the substance contained in the hollow part, and the angular momentum of the electrons is changed to the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. Provided to the magnetic layer.
以上説明したように本発明のメモリ素子によれば、スピン伝導層が中空の筒状分子の少なくとも一部からなくようにしたので、スピン伝導層における偏極電子のスピン緩和がスピンコヒーレンスまたはその中空部に内包される物質のスピンコヒーレンスに応じて防止され、書き込み時の電流消費を抑えることができる。 As described above, according to the memory device of the present invention, the spin conduction layer is made to be at least part of the hollow cylindrical molecule, so that the spin relaxation of the polarized electrons in the spin conduction layer is performed by the spin coherence or the hollow coherence. This is prevented according to the spin coherence of the substance included in the portion, and current consumption during writing can be suppressed.
特に、筒状分子の軸方向における中央部をスピン伝導層として機能させると共に、この筒状分子の一方の端部に第1の強磁性層を、他方の端部に第2の強磁性層をそれぞれ内包させることにより、素子本体が筒状分子の中空部に収められた構成となる。従って、ナノサイズの筒状分子を選択することにより、従来の微細加工技術によらずにナノサイズのスピン注入型メモリ素子を実現することができる。すなわち、微小であるにもかかわらず、簡便な製造方法で、寸法がよく制御された素子を得ることができる。その場合の第1および第2の強磁性層は、筒状分子の径の大きさから単磁区構造をとると考えられ、また、筒状分子に内包されることで外部からの磁気的擾乱が遮断されるために、磁化配向を常に安定して保つことができる。なお、磁気遮蔽効果のおかげで、微小なサイズであっても現実に集積化が可能となる。 In particular, the central part in the axial direction of the cylindrical molecule functions as a spin conduction layer, and a first ferromagnetic layer is provided at one end of the cylindrical molecule and a second ferromagnetic layer is provided at the other end. By enclosing each, the element body is housed in the hollow portion of the cylindrical molecule. Therefore, by selecting nano-sized cylindrical molecules, a nano-sized spin-injection memory device can be realized without using a conventional fine processing technique. In other words, an element whose dimensions are well controlled can be obtained by a simple manufacturing method despite its small size. In this case, the first and second ferromagnetic layers are considered to have a single magnetic domain structure due to the size of the diameter of the cylindrical molecule, and the inclusion of the cylindrical molecule prevents external magnetic disturbance. Due to the interruption, the magnetization orientation can always be kept stable. In addition, thanks to the magnetic shielding effect, integration can be actually performed even in a small size.
また、筒状分子をカーボンナノチューブとすることにより、スピン伝導層では、カーボンナノチューブの良好なスピンコヒーレンスにより、スピンをほとんど緩和させずに偏極電子が伝導し、第1の強磁性層または第2の強磁性層へ注入される。よって、ナノサイズで、書き込み効率のよいスピン注入型メモリ素子を実現することができる。 Further, by using the carbon nanotubes as the cylindrical molecules, in the spin conduction layer, the polarized electrons are conducted with little spin relaxation due to the good spin coherence of the carbon nanotubes, and the first ferromagnetic layer or the second To the ferromagnetic layer. Therefore, it is possible to realize a nano-sized spin injection memory element with high writing efficiency.
更に、本発明のメモリ装置によれば、本発明のメモリ素子を複数配列したものとしたので、効率よく書き込みを行うことができ、低消費電力駆動が可能となる。また、個々のメモリ素子が少なくとも一部に筒状分子を用いて構成されており、従来の薄膜作製技術によって2次元的に形成される素子とは異なり円柱状の立体的な構造をとることから、垂直方向に配向させて集積することができる。さらに、このメモリ素子はスピン注入型であり、他の磁気メモリと比較して近接磁場の影響がほとんどないため、メモリセルのピッチをより狭くすることができる。したがって、高密度集積化が可能となる。 According to the memory device of the present invention, since the plurality of memory elements of the present invention are arranged, writing can be performed efficiently and low power consumption driving is possible. In addition, since each memory element is configured using cylindrical molecules at least in part, unlike a device formed two-dimensionally by a conventional thin film manufacturing technique, it has a columnar three-dimensional structure. , And can be integrated in a vertical orientation. Furthermore, since this memory element is of a spin injection type and is hardly affected by a near magnetic field as compared with other magnetic memories, the pitch of the memory cells can be narrowed. Therefore, high-density integration becomes possible.
図1は、本発明の一実施の形態に係るメモリ素子の構成を示している。この磁気メモリ素子MM1は、偏極スピン電子の注入により磁化反転を引き起こすことで書き込みを行う「スピン注入型」である。その基本構造は、2つの強磁性層、すなわち磁化配向が一定方向に固定されている固定層1と、偏極スピン電子の流入によって磁化配向が変化する自由層2との間に、スピン伝導層3が設けられたものである。
FIG. 1 shows a configuration of a memory element according to an embodiment of the present invention. The magnetic memory element MM1 is a "spin injection type" in which writing is performed by causing magnetization reversal by injecting polarized spin electrons. The basic structure is such that a spin conduction layer is provided between two ferromagnetic layers, that is, a fixed
これら各層は、1分子のカーボンナノチューブ10の内部に層をなして形成されている。すなわち、カーボンナノチューブ10は、その軸方向における中央部をスピン伝導層3とし、その両端部に固定層1,自由層2を内包してメモリの1構成単位となっている。また、固定層1,自由層2には、それぞれ電極層4A,4Bが付設されている。個々の磁気メモリ素子MM1は、電極層4A,4Bを介して配線層5A,5Bに接続されている。
Each of these layers is formed as a layer inside one molecule of the
スピン伝導層3は、中空のカーボンナノチューブ10の一部からなる。スピン伝導層3は、固定層1と自由層2の間の磁気的相互作用を遮断するために非磁性体で構成される。また、固定層1,自由層2の間で偏極スピン電子を伝導させるために、そのスピンコヒーレンス長が少なくとも自身の層厚よりも長くなければならない。カーボンナノチューブは、そのバリスティック伝導を示唆する数々の報告があり、近年では、そのスピンコヒーレンス長が200nm以上であることも実験的に確認されている(K. Tsukagoshi, B.W.Alphenaar and H. Ago "Spin coherent transport in a ferromagnetically contacted carbon nanotube" Nature 401, 572-574 (1999) )。これに対し、ここでのスピン伝導層3の厚み(カーボンナノチューブの長さ)は、実用的な範囲として、概ね0.5nm〜5μmである。よって、このスピン伝導層3は、上記2つの条件を同時に満足するようになっている。
The spin conduction layer 3 is composed of a part of the
このように、本実施の形態においては、カーボンナノチューブ10は、一部が(1)スピン伝導層3として利用されると同時に、(2)素子全体の外郭を構成するものとなっている。
As described above, in the present embodiment, a part of the
カーボンナノチューブ10を素子の外郭とすることの最も大きな効果は、そのπ電子雲による磁気遮蔽効果によって内部に近接磁界の影響が及ぶのを防ぐことができることである。本実施の形態の磁気メモリ素子MM1は電流駆動型であるという特徴を有しているが、その大きさ(セルサイズ)がナノオーダーとなると、読み出し電流により発生する漏れ磁場が隣接セルの磁化を乱す可能性がある。しかしながら、カーボンナノチューブ10が素子内部の磁性層を覆い、外部からの磁気的擾乱を遮断するために、固定層1,自由層2の磁化配向は常に安定して保たれる。これにより、磁気メモリ素子MM1は、微小サイズであって、かつ、実際に集積し、駆動することが可能な素子となっている。
The greatest effect of using the
さらに、カーボンナノチューブ10の内径は極めて小さく、1〜10nm程度である。すなわち、このような微細な素子を、従来の半導体加工技術によらずに形成できる。同時に、このサイズが通常の磁性体の磁区の大きさよりもかなり小さいことから、カーボンナノチューブ10の内部で磁性体は単磁区構造となっていると考えられる。よって、磁化に対して磁区の移動を伴わないことから、磁性体の保持力が大きくなることが期待される。
Furthermore, the inner diameter of the
固定層1および自由層2に用いられる強磁性材料には、例えば、Fe,Coの単体、およびそれらの2元合金,NiFe合金,MnFeCo,FeCoNi等がある。このうち、電子の高い偏極率を得るのに有効な強磁性体は、Fe含有率の高いFeCo合金である。3d強磁性体の遍歴d電子は、等方的な自由電子状の波数ベクトルをもつので、結晶配向をさほど考慮せずに済む。固定層1はNi,Co等を含む硬磁性体から、自由層2は純鉄、パーマロイ(Ni79Fe21)等の軟磁性体から選ぶとよい。また、最近になって高い保持力をもつことが知られるようになったコバルト・ニッケルを含む酸化鉄主成分のスピネル型フェリ磁性微粒子( 結晶粒径φ〜30nm, 保磁力HcJ 〜6kOe) や、FeO2微粒子 (焼成温度1023K 、結晶粒径φ〜5nm 、HcJ 〜1kOe) などの金属ナノ微粒子材料も用いることができる。
The ferromagnetic materials used for the fixed
固定層1には、その磁化配向を一定に保つために、ギルバート減衰係数が自由層2よりも極めて大きな材料を用いたり、組成や層厚(自由層2より厚くする)を調整して自由層2より大きな一軸磁気異方性を付与したりするとよい。あるいは、固定層1に反強磁性層を接触させ、磁化をピン止めするようにしてもよい。なお、反強磁性層が金属である場合には、電極層4Aとしての機能も併せ持つことになる。そのような反強磁性金属材料として、FeMn,IrMn,NiMnおよびRhMn等が挙げられる。
In order to keep the magnetization orientation constant, the fixed
一方、自由層2には、熱や磁界の影響で磁化方向(メモリ状態)がゆらぐのを防ぐため、組成、厚みや断面積(カーボンナノチューブ10の径)等を最適化して異方性磁界Hu >100Oeの一軸磁気異方性を付与するとよい。なお、自由層2の磁化方向は、面内の2つの方向で変化するようにしてもよく、面内方向と面に垂直方向とで変化するようにしてもよい。後者の場合、十分な垂直磁気異方性を得るために、自由層2の厚さを5原子層以下、およそ1nmとするのが好ましい。
On the other hand, in order to prevent the magnetization direction (memory state) from fluctuating under the influence of heat or a magnetic field, the composition, thickness, cross-sectional area (diameter of the carbon nanotube 10), and the like are optimized in the
なお、電極層4A,4Bは、導電性を有する常磁性金属であればどのようなものであってもよい。その厚みや形状も特に限定されない。ところで、この磁気メモリ素子MM1は、カーボンナノチューブのさやに内包された格好となっており、通常のメモリ素子に比べて寸法は小さく、断面より厚みの比率が高い。そのため、電極層4A,4Bおよび配線層5A,5Bは、従来の半導体加工技術を用いて形成するようにしてもよいが、例えばカーボンナノチューブなどの分子ワイヤで構成するようにしてもよい。 The electrode layers 4A and 4B may be made of any conductive paramagnetic metal. The thickness and shape are not particularly limited. By the way, the magnetic memory element MM1 has a shape that is encapsulated in a sheath of carbon nanotubes, has a smaller size than a normal memory element, and has a higher thickness ratio than a cross section. Therefore, the electrode layers 4A and 4B and the wiring layers 5A and 5B may be formed by using a conventional semiconductor processing technique, but may be formed by a molecular wire such as a carbon nanotube.
この磁気メモリ素子MM1は、後述するように書き込みと読み出しが共に電流を流すことにより行われるため、書き込み用と読み出し用の配線が共用でき、配線層5A,5Bの2本で済む。このように配線構造が簡単であることも利点の一つである。
(4) In the magnetic memory element MM1, writing and reading are performed by passing currents as described later, so that writing and reading wiring can be shared, and only two
また、磁気メモリ素子MM1は、カーボンナノチューブ10を素子の外郭とするため、集積化においても特徴がある。通常、カーボンナノチューブは、容易にバンドルと呼ばれる凝集体を形成する。この磁気メモリ素子MM1は、外郭をカーボンナノチューブ10で構成されているため、凝集により容易に集積化される。例えば、図2に示したように、マトリクス状に配列させると、この規則的な配置が分散力(カーボンナノチューブ10を凝集させる力)によって保たれ、集積化された磁気メモリ素子MM1によって磁気メモリ装置のメモリ本体が構成される。これにより、1つのカーボンナノチューブを単位メモリセルとした、高密度で信頼性の高いメモリ装置を作製することができる。
磁 気 Further, the magnetic memory element MM1 has a feature in integration since the
このような磁気メモリ素子MM1とその磁気メモリ装置は、例えば、配向カーボンナノチューブ生成法(Jeong et al :Chem.Mater.,Vol14,No.4,pp1859-1862 (2002))を用いて、配向したカーボンナノチューブを生成し、チューブの中空部に磁性金属を詰め、端部にて電気接合させることで製造することができる。この方法の具体的説明は、実施例として後述する。 Such a magnetic memory element MM1 and its magnetic memory device are oriented using, for example, an oriented carbon nanotube generation method (Jeong et al: Chem. Mater., Vol 14, No. 4, pp1859-1862 (2002)). Carbon nanotubes can be produced by producing a carbon nanotube, filling a hollow portion of the tube with a magnetic metal, and electrically joining at the end. A specific description of this method will be described later as an example.
次に、その動作方法を説明する。この磁気メモリ素子MM1においては、固定層1に対する自由層2の磁化方向が平行磁化整合である状態と、反平行磁化整合である状態を、「0」,「1」などの2値データに対応させることで情報を記録するようになっている。データの書き込みは、層面に垂直方向(CPP:Current Perpendicular to Plane)に流すパルス電流によって自由層2の磁化方向を反転させることで行われる。例えば、固定層1に対する自由層2の磁化を、平行磁化整合から反平行磁化整合へと変化させる場合、固定層1から自由層2に向かって電流密度パルスを流して、スピン偏極した電子を、自由層2から固定層1の向きに注入する。このときの電流の大きさは、自由層2に磁化反転が起きる臨界電流密度値よりも大きくなければならない。このパルス印加中に自由層2の磁化の向きが反転し、自由層2と固定層1が平行磁化整合した状態が、反平行磁化整合状態へと変化する。
Next, the operation method will be described. In the magnetic memory element MM1, the state where the magnetization direction of the
反対に、反平行磁化整合状態から平行磁化整合へと変化させる場合には、反対向きに電流を流せばよい。すなわち、自由層2から固定層1に向かって電流を流し、スピン偏極した電子を固定層1から自由層2の向きに注入する。
Conversely, when changing from the antiparallel magnetization matching state to the parallel magnetization matching, a current may be passed in the opposite direction. That is, a current flows from the
ここでは、スピン伝導層3はカーボンナノチューブからなるために、偏極電子はスピン緩和されることなく層内を伝導する。よって、固定層1,自由層2にはスピン角運動量を保った状態で電子が注入され、効率よく書き込みを行うことができる。
Here, since the spin conduction layer 3 is made of carbon nanotubes, polarized electrons are conducted in the layer without spin relaxation. Therefore, electrons are injected into the fixed
データの読み出し、つまり上記の2つの磁化状態の識別は、例えば層面に垂直方向の巨大磁気抵抗効果(CPP−GMR:Giant Magneto-Resistive )を用いて行うことができる。また、これ以外に磁気カー効果を用いる方法などがある。 Reading of data, that is, discrimination of the above two magnetization states can be performed by using, for example, a giant magnetoresistive (CPP-GMR) in a direction perpendicular to the layer surface. In addition, there is a method using the magnetic Kerr effect.
このように本実施の形態のスピン注入型磁気メモリ素子MM1では、1分子のカーボンナノチューブ10の両端それぞれに2つの強磁性層、固定層1,自由層2が充填され、中央の中空部分それ自体がスピン伝導層3となっている。そのため、スピン伝導層3は、カーボンナノチューブの良好なスピンコヒーレンスをもち、偏極電子がスピン緩和されることなく固定層1,自由層2に注入される。よって、効率よく書き込みを行うことができ、低消費電力駆動が可能となる。
As described above, in the spin injection magnetic memory element MM1 of the present embodiment, the two ferromagnetic layers, the fixed
また、メモリ素子の本体部が、カーボンナノチューブ10のさやの内部に収められた構成となっているので、従来の微細加工技術によらずにナノサイズの素子が実現される。よって、この磁気メモリ素子MM1を用いて非常に高密度のメモリ装置を得ることができる。この場合、固定層1,自由層2は単磁区構造となると考えられ、安定した磁化配向を保つことができる。また、カーボンナノチューブ10のπ電子雲が固定層1,自由層2を覆い、外部からの磁気的擾乱を遮断することによっても、磁化配向は常に安定して保たれる。さらに、カーボンナノチューブ10は一次元形状をしており、チューブとチューブの間には分散力が働くため、軸方向に配向して凝集する。よって、磁気メモリ素子MM1は、安定的かつ容易に高配向させることができ、高集積化した磁気メモリ装置を得ることができる。
Further, since the main body of the memory element is configured to be housed inside the sheath of the
また、上記スピン伝導層3に加えて、図3に示したように、希薄磁性合金を内包したスピン配列化層11を設けるようにしてもよい。希薄磁性合金は、半導体に磁性体金属をドープさせたもので、半導体の特性を保ちながら磁気秩序を持つ。希薄磁性体と強磁性金属の接合界面においては、磁化が非平衡となり、スピン偏極電子を生じることができる(出典R. FIEDERLING, M. KEIM, G. REUSCHER, W. OSSAU, G. SCHMIDT, A. WAAG & L. W. MOLENKAMP Nature 402, 787 - 790 (1999)"Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode") 。従って、この希薄磁性合金をスピン伝導層を兼ねたスピン配列化層11として利用することにより、より高いスピン偏極度を得ることができる。 In addition, as shown in FIG. 3, a spin array layer 11 containing a dilute magnetic alloy may be provided in addition to the spin conductive layer 3. The diluted magnetic alloy is obtained by doping a semiconductor with a magnetic metal and has a magnetic order while maintaining the characteristics of the semiconductor. At the junction interface between a diluted magnetic material and a ferromagnetic metal, the magnetization becomes non-equilibrium and spin-polarized electrons can be generated (Source: R. FIEDERLING, M. KEIM, G. REUSCHER, W. OSSAU, G. SCHMIDT, A. WAAG & LW MOLENKAMP Nature 402, 787-790 (1999) "Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode"). Therefore, a higher spin polarization can be obtained by using the diluted magnetic alloy as the spin alignment layer 11 also serving as the spin conduction layer.
希薄磁性体合金としては、例えば、(In,Mn)As,(Ga,Mn)As,(Cd,Mn)Te,(Zn,Mn)Te, (Zn,Cr)Teが挙げられる。 Examples of the diluted magnetic material alloy include (In, Mn) As, (Ga, Mn) As, (Cd, Mn) Te, (Zn, Mn) Te, and (Zn, Cr) Te.
希薄磁性合金を内包したスピン配列化層52の位置は、2つの強磁性層(固定層1および自由層2)の間であればよいが、より好ましくは基準となる固定層1とスピン伝導層(常磁性層)3との間であり、これにより、スピン注入における伝導スピンの偏極度を高めることができる。
The position of the spin alignment layer 52 containing the diluted magnetic alloy may be between the two ferromagnetic layers (the fixed
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Furthermore, specific examples of the present invention will be described in detail.
(実施例1)
まず、高純度アルミニウムシート(99.999 %) をアセトンで脱脂し、エタノール溶液で洗浄した。これを過塩素酸とエタノールの混合液中で電解研磨した。続いて、15℃,0.3Mのシュウ酸中で12時間、40Vの電圧で陽極酸化させた。これにより、細孔のある陽極酸化アルミナ基板が得られた。この細孔は、ナノオーダーの規則ポーラス構造として自己組織化され、長距離にわたって規則的配列をとるものである。実際に得られた細孔は、アルミナ基板を貫通し(すなわち細孔は両端が開口した状態)、径が80nm,密度が1.0×1010 pores/cm2であった。
(Example 1)
First, a high-purity aluminum sheet (99.999%) was degreased with acetone and washed with an ethanol solution. This was electropolished in a mixed solution of perchloric acid and ethanol. Subsequently, it was anodized in a 0.3 M oxalic acid at 15 ° C. for 12 hours at a voltage of 40 V. Thus, an anodized alumina substrate having pores was obtained. These pores are self-organized as a nano-order regular porous structure, and have a regular arrangement over a long distance. The pores actually obtained penetrated the alumina substrate (that is, the pores were open at both ends), had a diameter of 80 nm, and a density of 1.0 × 10 10 pores / cm 2 .
次に、このアルミナ基板をCoSO4 ・7H2 O溶液中に沈殿させ、18Vの交流電圧を1分間加えた。これにより、基板の細孔の底部に、Co触媒を電気化学的に沈殿させた。表面のCo粒子は、基板をH2 10%,Ar90%の混合ガスに500℃で1時間さらすことにより還元しておいた。なお、このCo触媒は、カーボンナノチューブ生成用の触媒であると同時に、磁気メモリ素子の磁性層(固定層)となる。
Then, precipitated alumina substrate CoSO 4 · 7H 2 O solution was added an AC voltage of
次に、C2 H2 10%,H220%をArキャリアガスに含有させて供給し、基板の細孔内に、熱分解法によりカーボンナノチューブを成長させた。 Next, an Ar carrier gas containing 10% of C 2 H 2 and 20% of H 2 was supplied, and carbon nanotubes were grown in the pores of the substrate by a thermal decomposition method.
余分に成長したカーボンナノチューブは、基板ごとアセトン溶液中で40kHzの超音波処理を行うことにより裁断した。これにより、長さが一様に揃った、軸方向に配向したナノチューブが得られた。 カ ー ボ ン Excessively grown carbon nanotubes were cut together with the substrate by ultrasonic treatment at 40 kHz in an acetone solution. Thus, axially oriented nanotubes having uniform lengths were obtained.
次に、鉄イオン及び還元剤として次亜リン酸塩を含んだ酸浴槽にカーボンナノチューブを基板ごと浸し、無電解メッキ法を用いて、金属色が表れるまで純鉄をカーボンナノチューブ内に詰めていった。これにより、個々のカーボンナノチューブが、スピン注入型磁気メモリ素子の基本構造をもったことになる。すなわち、固定層として硬磁性体であるCo層、スピン伝導層3として中空のナノチューブ、自由層としてFe層が形成されている。 Next, the carbon nanotubes were immersed together with the substrate in an acid bath containing iron ions and hypophosphite as a reducing agent, and pure iron was packed into the carbon nanotubes using an electroless plating method until a metallic color appeared. Was. As a result, each carbon nanotube has the basic structure of the spin injection magnetic memory element. That is, a Co layer, which is a hard magnetic material, is formed as the fixed layer, a hollow nanotube is formed as the spin conductive layer 3, and an Fe layer is formed as the free layer.
この磁性体内包ナノチューブの両端に、電極および引出し用配線として、より径の細いナノチューブをアトムマニピュレーション法により接合させた。 (4) A thinner nanotube was bonded to both ends of the magnetic substance-encapsulated nanotube as an electrode and a lead-out wiring by an atom manipulation method.
さらに、このナノチューブをアルミナ基板ごと、SiO2 からなる絶縁性基板の上に載置し、0.1MのNaOHに70℃で3時間浸すことにより、アルミナ基板を分解除去した。このとき、磁性体内包ナノチューブ、および電極や配線となるチューブの束構造が、絶縁性基板の上に残存した。 Further, the nanotubes were placed together with the alumina substrate on an insulating substrate made of SiO 2 and immersed in 0.1 M NaOH at 70 ° C. for 3 hours to decompose and remove the alumina substrate. At this time, the bundle structure of the magnetic substance-containing nanotubes and the tubes serving as electrodes and wirings remained on the insulating substrate.
次いで、引出し配線に、信号配線をボンディングし、これを2次元格子状配線としてアドレスをとった。最後に、絶縁性基板をCuヒートシンクに固着させ、磁気メモリ装置を完成した。 (4) Next, a signal wiring was bonded to the lead wiring, and this was used as a two-dimensional grid wiring to take an address. Finally, the insulating substrate was fixed to a Cu heat sink to complete the magnetic memory device.
また、作製した磁気メモリ装置の特性を測定した。結果を以下に示す。
<演算された値>
偏極効率 : 〜50%
自由層に対する面内有効異方性磁場: Hu =+2Ku/Ms 〜100 Oe
スピン数密度 : 〜5.0×1015cm2
ギルバート減衰係数 : 0.01
臨界値Jt : 〜8×103 A/cm2
電気抵抗 : 16mΩ
ノイズ電圧(10Hz BW, 77k ) : 0.2nV
<測定値>
実験によるスイッチング電流密度 : 〜1×104 A/cm2
スイッチング時間θ(0 ̄π) : 〜0.05μsec
読み取り中のピーク消費電力 : 〜0.1pW
読み取り電流密度 : 〜3×103 A/cm2
読み取り電流パルス : 〜6.4μA,1Hz
CPP−GMR 4 % ΔR/R : 〜(800μΩ/16mΩ)
平均読み取り電圧 : 〜5nV
磁気記録密度 : 〜65Gbit/inch2
Further, characteristics of the manufactured magnetic memory device were measured. The results are shown below.
<Calculated value>
Polarization efficiency: ~ 50%
Effective in-plane anisotropic magnetic field for the free layer: Hu = + 2 Ku / Ms 100100 Oe
Spin number density: ~ 5.0 × 10 15 cm 2
Gilbert damping coefficient: 0.01
Critical value Jt: 88 × 10 3 A / cm 2
Electric resistance: 16mΩ
Noise voltage (10Hz BW, 77k): 0.2nV
<Measured value>
Experimental switching current density: 11 × 10 4 A / cm 2
Switching time θ (0 ̄π): ~ 0.05μsec
Peak power consumption during reading: ~ 0.1 pW
Reading current density: ~ 3 × 10 3 A / cm 2
Read current pulse: ~ 6.4μA, 1Hz
CPP-GMR 4% ΔR / R: ~ (800μΩ / 16mΩ)
Average reading voltage: ~ 5nV
Magnetic recording density: ~ 65Gbit / inch 2
測定された記録密度は、陽極酸化アルミナ基板の細孔径を制御し、ナノチューブ径すなわち磁気メモリ素子径を最適化することによって向上させることが可能である。電界研磨されたアルミニウム基板に対するAr、Ga等のイオンスパッタリングといった方法によって細孔成長の開始点を制御してやると、細孔径を数10〜数100nmの範囲で制御することが可能である。 記録 The measured recording density can be improved by controlling the pore diameter of the anodized alumina substrate and optimizing the nanotube diameter, that is, the diameter of the magnetic memory element. When the starting point of pore growth is controlled by a method such as ion sputtering of Ar, Ga or the like on the electropolished aluminum substrate, the pore diameter can be controlled in the range of several tens to several hundreds of nm.
(実施例2)
強磁性金属を包含したカーボンナノチューブは、アーク放電法等による合成時に用いる黒鉛電極に、強磁性金属を含有させることによって得ることができる。本実施例では、このようにして得られるカーボンナノチューブから磁気メモリ装置を組み立てた。
(Example 2)
A carbon nanotube containing a ferromagnetic metal can be obtained by adding a ferromagnetic metal to a graphite electrode used for synthesis by an arc discharge method or the like. In this example, a magnetic memory device was assembled from the carbon nanotubes obtained in this manner.
まず、グラファイト粉末に、Ni,Y,パーマロイ(NiFe合金)粉末を各重量比で4 %,1 %,4 %加えた混合物を作製し、さらにカーボンピッチを加えて、真空中900℃で6時間焼成した。これをカソード電極として、He雰囲気中,200Torrの圧力下において、接触アーク法によるアーク放電を行った。 First, a mixture was prepared by adding Ni, Y, and Permalloy (NiFe alloy) powder to graphite powder at a weight ratio of 4%, 1%, and 4%, and carbon pitch was further added thereto. Fired. Using this as a cathode electrode, arc discharge was performed by a contact arc method in a He atmosphere under a pressure of 200 Torr.
得られた炭素すすを磁場中で分散させることにより、磁性体内包ナノチューブを選択的に取り出した。Niはカーボンナノチューブ生成の触媒として働くため、ほぼすべてのチューブの一端に内包されている。そこで、他端にパーマロイの詰まったチューブを選択的に取り出す必要がある。次に、得られた磁性ナノチューブのうち、一端に強磁性Niが、他端にパーマロイが内包されたチューブのみを走査型電子顕微鏡で視認しながら集めた。 炭素 By dispersing the obtained carbon soot in a magnetic field, magnetically encapsulated nanotubes were selectively taken out. Since Ni functions as a catalyst for forming carbon nanotubes, it is included in one end of almost all tubes. Therefore, it is necessary to selectively take out a tube filled with permalloy at the other end. Next, of the obtained magnetic nanotubes, only a tube containing ferromagnetic Ni at one end and permalloy at the other end was collected while visually recognizing with a scanning electron microscope.
こうして集められたカーボンナノチューブの1つ1つは、スピン注入型磁気メモリ素子としての基本構造を有している。すなわち、固定層として硬磁性体であるNi層が、スピン伝導層として中空のナノチューブ、自由層としてパーマロイ層が形成されている。これらのカーボンナノチューブは、ファン・デル・ワールス力で約0.3nmの間隔をおいて互いに凝集する。 カ ー ボ ン Each of the collected carbon nanotubes has a basic structure as a spin injection magnetic memory element. That is, a Ni layer which is a hard magnetic material is formed as a fixed layer, a hollow nanotube is formed as a spin conduction layer, and a permalloy layer is formed as a free layer. These carbon nanotubes aggregate with each other at a distance of about 0.3 nm by Van der Waals force.
この磁性体内包ナノチューブの両端に、電極および引出し用配線として、より径の細いナノチューブをアトムマニピュレーション法により接合させた。以下は、実施例1と同様にして磁気メモリ装置を完成した。 (4) A thinner nanotube was bonded to both ends of the magnetic substance-encapsulated nanotube as an electrode and a lead-out wiring by an atom manipulation method. Thereafter, a magnetic memory device was completed in the same manner as in Example 1.
なお、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、カーボンナノチューブ10のスピン伝導層3の部分は中空のまま用いることにしたが、同じくスピンコヒーレンス長の長い導電性の常磁性材料を内包させてもよい。その候補としては、フラーレンなどの炭素材料、Ag,Auなどの反強磁性で6い3d金属,4d金属が挙げられる。
The present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the portion of the spin conductive layer 3 of the
また、上記実施の形態では、主要部がカーボンナノチューブ10の内に形成される磁気メモリ素子について説明したが、カーボンナノチューブ10をそのほかの筒状分子、例えばボロンナイトライド(BN)チューブや、ペプチドナノチューブ等に代えても構わない。その場合、スピン伝導層3に相当する部分に、上記のような炭素材料や金属を充填させ、特性の改善を図るようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the magnetic memory element whose main part is formed inside the
さらに、上記実施の形態では、カーボンナノチューブ10が固定層1,自由層2を内包するようにしたが、さらにボンディング性をよくするために電極層4A,4Bの一部を内包させてもよい。本発明の磁気メモリ素子は、少なくとも固定層,自由層の間に設けられるスピン伝導層がカーボンナノチューブに代表される筒状分子で構成されていればよく、その他の素子構成要素を内包させるか否かは任意である。ただし、前述のように、導電性の筒状分子には磁気遮蔽効果が期待できるので、必要に応じて内包する構造をとることが好ましい。
Further, in the above-described embodiment, the
MM1…磁気メモリ素子、1…固定層、2…自由層、3…スピン伝導層、4A,4B…電極層、5A,5B…配線層、10…カーボンナノチューブ,11・・・ スピン配列化層。
MM1: magnetic memory element, 1: fixed layer, 2: free layer, 3: spin conductive layer, 4A, 4B: electrode layer, 5A, 5B: wiring layer, 10: carbon nanotube, 11: spin array layer.
Claims (14)
中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、スピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備え、
スピン偏極した電子の注入によって、前記保持部に電子のスピン偏極した状態として情報が書き込まれる
ことを特徴とするメモリ素子。 A holding unit that holds a state in which electrons are spin-polarized,
A spin-conducting layer comprising at least a portion of a hollow cylindrical molecule and conducting spin-polarized electrons,
A memory element, wherein information is written into the holding unit as spin-polarized state of electrons by injection of spin-polarized electrons.
前記第1および第2の強磁性層の積層方向を軸方向として配置される中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、前記第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に設けられてその磁気的相互作用を遮断すると共にスピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層と
を備えたことを特徴とするメモリ素子。 First and second ferromagnetic layers in which at least one change in magnetization direction is induced by injection of spin-polarized electrons;
It is formed of at least a part of hollow cylindrical molecules arranged with the stacking direction of the first and second ferromagnetic layers as an axial direction, and is provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. And a spin conductive layer for blocking magnetic interaction and conducting spin-polarized electrons.
ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。 In the cylindrical molecule, a central portion in the axial direction functions as the spin conduction layer, and includes a first ferromagnetic layer at one end and a second ferromagnetic layer at the other end. The memory device according to claim 2, wherein:
ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。 The memory device according to claim 2, wherein one of the cylindrical molecules is a constituent unit of the device.
ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。 The memory device according to claim 2, wherein the spin conductive layer made of the cylindrical molecule has an axial length shorter than its own spin coherence length at an operating temperature.
ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。 The memory device according to claim 2, wherein the spin conductive layer formed of the cylindrical molecule includes another molecule or atom in a hollow portion.
ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。 The memory device according to claim 2, further comprising a spin alignment layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.
ことを特徴とする請求項7記載のメモリ素子。 The memory element according to claim 7, wherein the spin array layer includes a diluted magnetic material.
ことを特徴とする請求項8記載のメモリ素子。 The diluted magnetic material comprises at least one of (In, Mn) As, (Ga, Mn) As, (Cd, Mn) Te, (Zn, Mn) Te, and (Zn, Cr) Te. The memory device according to claim 8, wherein
ことを特徴とする請求項6記載のメモリ素子。 The memory element according to claim 6, wherein a spin coherence length of the molecule or atom included in the hollow portion at an operating temperature is longer than an axial length of the cylindrical molecule in the spin conductive layer.
ことを特徴とする請求項2記載のメモリ素子。 The memory element according to claim 2, wherein the cylindrical molecule is a carbon nanotube.
前記メモリ素子は、電子がスピン偏極した状態を保持する保持部と、中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、スピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備え、スピン偏極した電子の注入により、前記保持部に電子のスピン偏極した状態として情報が書き込まれ、及び/又は前記保持部から前記情報が読み出されるように構成されている
ことを特徴とするメモリ装置。 A memory device in which a plurality of memory elements are arranged,
The memory element includes a holding unit that holds a state in which electrons are spin-polarized, and a spin conductive layer that is formed of at least a part of a hollow cylindrical molecule and that conducts spin-polarized electrons, and is spin-polarized. A memory device, wherein information is written into the holding unit by spin injection of electrons by injection of electrons, and / or the information is read from the holding unit.
前記メモリ素子は、スピン偏極した電子の注入によって、少なくとも一方の磁化方向変化が誘起される第1および第2の強磁性層と、前記第1および第2の強磁性層の積層方向を軸方向として配置される中空の筒状分子の少なくとも一部からなり、前記第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に設けられてその磁気的相互作用を遮断すると共にスピン偏極した電子を伝導させるスピン伝導層とを備えている
ことを特徴とするメモリ装置。 A memory device in which a plurality of memory elements are arranged,
The memory element may include a first and a second ferromagnetic layer in which at least one change in magnetization direction is induced by injection of spin-polarized electrons, and a stacking direction of the first and the second ferromagnetic layers. The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer to interrupt the magnetic interaction and to be spin-polarized. A memory device, comprising: a spin conduction layer that conducts electrons.
ことを特徴とする請求項13記載のメモリ装置。 14. The memory device according to claim 13, wherein the memory elements are integrated by arranging the cylindrical molecules in the same axial direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003343948A JP2004146821A (en) | 2002-10-03 | 2003-10-02 | Memory device and memory |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002290731 | 2002-10-03 | ||
JP2003343948A JP2004146821A (en) | 2002-10-03 | 2003-10-02 | Memory device and memory |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004146821A true JP2004146821A (en) | 2004-05-20 |
Family
ID=32473399
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003343948A Pending JP2004146821A (en) | 2002-10-03 | 2003-10-02 | Memory device and memory |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004146821A (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006190838A (en) * | 2005-01-06 | 2006-07-20 | Sony Corp | Memory element and memory |
WO2007036860A2 (en) * | 2005-09-30 | 2007-04-05 | Nxp B.V. | Nanowire magnetic random access memory |
JP2008519460A (en) * | 2004-11-03 | 2008-06-05 | コリア インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー | Current application magnetoresistive element |
JP2008166591A (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-17 | Osaka Univ | Nonvolatile memory cell, its manufacturing method, resistance variable type nonvolatile memory device and method for designing the nonvolatile memory cell |
JP2008226921A (en) * | 2007-03-08 | 2008-09-25 | Ulvac Japan Ltd | Method of manufacturing magnetic device and apparatus of manufacturing the same |
JP2009036770A (en) * | 2007-08-02 | 2009-02-19 | Magic Technologies Inc | Magnetic sensor and its manufacturing method |
JP2010225835A (en) * | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | Spin transistor and logic circuit device |
JP2011114151A (en) * | 2009-11-26 | 2011-06-09 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | Exchange-coupling film with high exchange-coupling energy, magneto-resistance effect head, magnetic sensor, and magnetic memory using the same, as well as method of manufacturing the same |
JP2012028733A (en) * | 2010-07-20 | 2012-02-09 | Tdk Corp | Magnetic memory element, magnetic memory device, and information recording/regenerating apparatus |
US8203193B2 (en) | 2006-11-21 | 2012-06-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetic random access memory and manufacturing method of the same |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11120758A (en) * | 1997-10-09 | 1999-04-30 | Sony Corp | Nonvolatile random access memory |
JP2000323767A (en) * | 1999-05-10 | 2000-11-24 | Hitachi Ltd | Magneto-electronic device and magnetic head |
WO2002063693A1 (en) * | 2001-02-08 | 2002-08-15 | Hitachi, Ltd. | Carbon nanotube electronic device and electron source |
JP2004535074A (en) * | 2001-07-10 | 2004-11-18 | インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト | Magnetic storage device and magnetic storage array |
-
2003
- 2003-10-02 JP JP2003343948A patent/JP2004146821A/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11120758A (en) * | 1997-10-09 | 1999-04-30 | Sony Corp | Nonvolatile random access memory |
JP2000323767A (en) * | 1999-05-10 | 2000-11-24 | Hitachi Ltd | Magneto-electronic device and magnetic head |
WO2002063693A1 (en) * | 2001-02-08 | 2002-08-15 | Hitachi, Ltd. | Carbon nanotube electronic device and electron source |
JP2004535074A (en) * | 2001-07-10 | 2004-11-18 | インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト | Magnetic storage device and magnetic storage array |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008519460A (en) * | 2004-11-03 | 2008-06-05 | コリア インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー | Current application magnetoresistive element |
JP2006190838A (en) * | 2005-01-06 | 2006-07-20 | Sony Corp | Memory element and memory |
US8120003B2 (en) | 2005-09-30 | 2012-02-21 | Nxp B.V. | Nanowire magnetic random access memory |
WO2007036860A2 (en) * | 2005-09-30 | 2007-04-05 | Nxp B.V. | Nanowire magnetic random access memory |
WO2007036860A3 (en) * | 2005-09-30 | 2007-08-02 | Nxp Bv | Nanowire magnetic random access memory |
CN101278353B (en) * | 2005-09-30 | 2013-10-02 | Nxp股份有限公司 | Nanowire magnetic random access memory |
US8203193B2 (en) | 2006-11-21 | 2012-06-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetic random access memory and manufacturing method of the same |
JP2008166591A (en) * | 2006-12-28 | 2008-07-17 | Osaka Univ | Nonvolatile memory cell, its manufacturing method, resistance variable type nonvolatile memory device and method for designing the nonvolatile memory cell |
JP2008226921A (en) * | 2007-03-08 | 2008-09-25 | Ulvac Japan Ltd | Method of manufacturing magnetic device and apparatus of manufacturing the same |
JP2009036770A (en) * | 2007-08-02 | 2009-02-19 | Magic Technologies Inc | Magnetic sensor and its manufacturing method |
JP4677018B2 (en) * | 2007-08-02 | 2011-04-27 | マグアイシー テクノロジーズ インコーポレイテッド | Magnetic sensor and manufacturing method thereof |
JP2010225835A (en) * | 2009-03-24 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | Spin transistor and logic circuit device |
JP2011114151A (en) * | 2009-11-26 | 2011-06-09 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | Exchange-coupling film with high exchange-coupling energy, magneto-resistance effect head, magnetic sensor, and magnetic memory using the same, as well as method of manufacturing the same |
JP2012028733A (en) * | 2010-07-20 | 2012-02-09 | Tdk Corp | Magnetic memory element, magnetic memory device, and information recording/regenerating apparatus |
US8164946B2 (en) | 2010-07-20 | 2012-04-24 | Tdk Corporation | Magnetic memory element, magnetic memory device, information recording/reproducing apparatus |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5909223B2 (en) | High-speed low-power magnetic device based on current-induced spin-momentum transfer | |
JP5634422B2 (en) | High-speed and low-power magnetic devices based on current-induced spin moment transfer | |
US7732881B2 (en) | Current-confined effect of magnetic nano-current-channel (NCC) for magnetic random access memory (MRAM) | |
JP4066477B2 (en) | Nonvolatile random access memory device | |
KR100598634B1 (en) | Magnetic memory unit and magnetic memory array | |
JP5104753B2 (en) | Magnetic random access memory and manufacturing method thereof | |
WO2014050379A1 (en) | Storage element, storage device, and magnetic head | |
WO2013014892A1 (en) | Spin device, method for operating same, and method for manufacturing same | |
JPWO2019167197A1 (en) | Method for stabilizing spin element and method for manufacturing spin element | |
WO2019167198A1 (en) | Stabilization method for spin elements and production method for spin elements | |
WO2013080436A1 (en) | Storage element, and storage device | |
JP2015088520A (en) | Storage element, storage device and magnetic head | |
US7196386B2 (en) | Memory element and memory device | |
JP2019161176A (en) | Spin orbit torque type magnetization rotation element, spin orbit torque type magnetoresistive effect element, magnetic memory, and oscillator | |
JP2004146821A (en) | Memory device and memory | |
JP4212397B2 (en) | Magnetic memory and writing method thereof | |
JP4966483B2 (en) | Magnetoresistive element, magnetic head using magnetoresistive element, recording / reproducing apparatus, memory element, memory array, and method for manufacturing magnetoresistive element | |
JP4615797B2 (en) | Magnetoresistive element, manufacturing apparatus thereof, and magnetic memory device | |
JP2004146820A (en) | Nonvolatile random access memory | |
JP2017212464A (en) | Storage element, storage device, and magnetic head | |
JP4605208B2 (en) | Magnetoresistive element and magnetic memory device | |
VAN DAU | The Emergence of Spin Electronics in Data Storage |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060622 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090724 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100518 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100712 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110419 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110816 |