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DE60300379T2 - Magnetisches Logikelement, magnetisches Speicherelement und Aufreihungen derselben - Google Patents

Magnetisches Logikelement, magnetisches Speicherelement und Aufreihungen derselben Download PDF

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DE60300379T2
DE60300379T2 DE60300379T DE60300379T DE60300379T2 DE 60300379 T2 DE60300379 T2 DE 60300379T2 DE 60300379 T DE60300379 T DE 60300379T DE 60300379 T DE60300379 T DE 60300379T DE 60300379 T2 DE60300379 T2 DE 60300379T2
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DE
Germany
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magnetic part
soft magnetic
magnetization
ferromagnetic substance
magnetic
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DE60300379T
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Shiho Nakamura
Shigeru Haneda
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Description

  • KREUZBEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beruht auf, und beansprucht, den Nutzen einer Priorität der früheren japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-097445, die am 29. März 2002 eingereicht wurde.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Logikelement und eine magnetische Logikelementanordnung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein magnetisches Logikelement, in dem eine Aufzeichnung eines gleichstromangetriebenen Typs und eine Reproduktion durch den magnetoresistiven Effekt möglich sind, und eine magnetische Logikelementanordnung.
  • Seit der Entdeckung, dass sich ein magnetoresistiver Effekt (MR) zeigt, wenn ein Strom geliefert wird, um parallel zu der Hauptebene einer mehrschichtigen Struktur zu fließen, sind Aufwendungen betrieben worden, um Systeme zu finden, die noch größere magnetoresistive Verhältnisse aufweisen. Daher sind ferromagnetische Tunnelverbindungselemente und CPP (Strom-senkrecht-zu-Ebene) Typ-MR-Elemente entwickelt worden, in denen elektrischer Strom vertikal in einer mehrschichtigen Struktur fließen kann und sind als hoffnungsvoll betrachtet worden als magnetische Sensoren und Reproduktionselemente für ein magnetisches Aufzeichnen.
  • Zunehmend wird von „magnetischen Nanokontakten" durch Spitze-zu-Spitze-Wiederlager von zwei Nickel-(Ni)-Nadeln und Nanokontakten durch Kontakt von zwei Magnetit-Elementen als Elemente berichtet, die 100% oder höhere magnetoresistive Effekte zeigen, in der Literatur, (1) N. Garcia, M. Munoz und Y. W. Zhao, Physical Review Letters, vol. 82, p2923 (1999) bzw. (2) J. J. Versluijs, M. A. Bari und J. M. D. Goey, Physical Review Letters, vol. 87, p26601 – 1 (2001).
  • Die magnetoresistiver Effekt Elemente können nicht nur als Reproduktionselemente eines magnetischen Sensors oder eines magnetischen Aufzeichnungsreproduktionssystems verwendet werden, sondern auch als ein Element eines nichtflüchtigen magnetischen Speichers. Jedoch funktionieren diese konventionellen Elemente nur als ein Sensor oder ein Speicher.
  • Andererseits wird eine durch eine Silizium-(Si)-Vorrichtung dargestellte Halbleitervorrichtung weitestgehend nicht nur als eine Speichereinrichtung, sondern als ein Logikschaltkreis verwendet. Jedoch weisen diese Halbleiterschaltkreiselemente eine kleinere Trägerkonzentration auf und ihr Wiederstand ist im wesentlichen hoch.
  • Daher erhöht eine Integration einen Leistungsverbrauch. Zusätzlich bringt eine durch Verkleinerung bewirkte Schlechtfunktion ebenfalls ein Problem. Beim Verwenden dieser Halbleitereinrichtungen für einen logischen Schaltkreis ist es notwendig, zwei oder mehrere Transistoren für eine logische Verarbeitung zu kombinieren. Daher ist die weitere Miniaturisierung schwierig.
  • Ein magnetisches Logikelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bekannt aus US 5,695,864 , gemäß dem eine erste hartmagnetische Schicht (F1), eine Zwischenschicht (B), eine weichmagnetische Schicht (F2), eine magnetoresistive Schicht (D), eine zweite hartmagnetische Schicht (F3) aufeinander gestapelt sind, wobei zum Schreiben ein Strom durch eine Elektrode (A) bereitgestellt wird, über die erste hartmagnetische Schicht (F1) und die Zwischenschicht (B) und zu einer zweiten Elektrode (C) geleitet wird, die neben der Zwischenschicht (B) angeordnet ist und dadurch nicht durch die weichmagnetische Schicht (F2) fließt.
  • Ferner ist eine magnetische Speichervorrichtung bekannt aus EP 1 109 170 A2 , gemäß der verschiedene magnetische Schichten aufeinander gestapelt sind, um einen ferromagnetischen Tunneleffekt in Form einer Tunnelmagnetoresistivität zu verwenden.
  • ZUMSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein magnetisches Logikelement mit einer logischen Verarbeitungsfunktion, ebenso wie einer Speicherfunktion mit einer verminderten Größe und die magnetische Logikelementanordnung zu realisieren, wobei als Ergebnis kleine, hochdichte und geringe leistungsverbrauchende Logikvorrichtungen und/oder Speichervorrichtungen realisiert werden können, und eine industrieller Nutzen groß ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein magnetisches Logikelement, umfassend einen ersten hartmagnetischen Teil einschließlich einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in einer ersten Richtung magnetisch verankert ist, einen zweiten hartmagnetischen Teil mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine zweite Richtung magnetisch verankert ist, einen weichmagnetischen Teil, der zwischen dem ersten und dem zweiten hartmagnetischen Teil vorgesehen ist und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist, ein Spintransfer-Zwischenteil, das zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einem MR-Zwischenteil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, und eine Steuerungseinheit, die einen ersten Schreibstrom zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem weichmagnetischen Teil gemäß einer Kombination eines ersten Logikeingangssignals und eines zweiten Logikeingangssignals durchlässt, um eine Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung zu richten, wobei die Steuerungseinheit auf der Grundlage einer relativen Beziehung der Richtungen Magnetisierungen der zweiten und dritten ferromagnetischen Substanz einen logischen Ausgang liest, durch Durchlassen eines Messstroms zwischen dem weichmagnetischen Teil und dem zweiten hartmagnetischen Teil.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein magnetisches Steuerungselement bereitgestellt, umfassend einen ersten hartmagnetischen Teil mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine erste Richtung magnetisch verankert ist, einen zweiten hartmagnetischen Teil mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine zweite magnetische Richtung verankert ist, einem MR-Zwischenteil, der zwischen dem ersten und zweiten hartmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einen ersten weichmagnetischen Teil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem MR-Zwischenteil bereitgestellt wird und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist, einen zweiten weichmagnetischen Teil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem MR-Zwischenteil bereitgestellt wird und eine vierte ferromagnetische Substanz aufweist, einen ersten Spintransfer-Zwischenteil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einem zweiten Spintransfer-Zwischenteil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem zweiten weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, und einer Steuerungseinheit, die einen ersten Schreibstrom zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil gemäß einer Kombination eines ersten Logikeingangssignals und eines zweiten Logikeingangssignals durchlässt, um eine Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung zu richten, wobei die Steuerungseinheit auf der Grundlage einer relativen Beziehung der Richtungen von Magnetisierungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanzen einen logischen Ausgang liest, durch Durchlassen eines Messstroms zwischen dem ersten und zweiten weichmagnetischen Teil.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein magnetisches Logikelement bereitgestellt, umfassend einen ersten hartmagnetischen Teil mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in einer ersten Richtung magnetisch verankert ist, einen zweiten hartmagnetischen Teil mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine zweite Richtung magnetisch verankert ist, einen MR-Zwischenteil, der zwischen dem ersten und zweiten hartmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einen ersten weichmagnetischen Teil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem MR-Zwischenteil bereitgestellt wird und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist, einen zweiten weichmagnetischen Teil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem MR-Zwischenteil bereitgestellt wird und eine vierte ferromagnetische Substanz aufweist, einen ersten Spintransfer-Zwischenteil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einen zweiten Spintransfer-Zwischenteil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem zweiten weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, und einer Steuerungseinheit, die einen ersten Schreibstrom zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil gemäß eines ersten Logikeingangssignals durchlässt, um eine Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung zu richten, wobei die Steuerungseinheit einen zweiten Schreibstrom zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem zweiten weichmagnetischen Teil gemäß einem zweiten logischen Eingangssignal durchlässt, um eine Magnetisierung der vierten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der zweiten Richtung zu richten, und wobei die Steuerungseinheit auf der Grundlage einer relativen Beziehung zu den Richtungen von Magnetisierungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanz einen logischen Ausgang liest, durch Durchlassen eines Messstroms zwischen dem ersten und zweiten weichmagnetischen Teil.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein magnetisches Logikelement bereitgestellt, umfassend einen ersten hartmagnetischen Teil mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine erste Richtung magnetisch verankert ist, einen zweiten hartmagnetischen Teil mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine zweite Richtung magnetisch verankert ist, einen weichmagnetischen Teil, der zwischen dem ersten und dem zweiten hartmagnetischen Teil bereitgestellt wird und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist, einen Spintransfer-Zwischenteil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einen MR-Zwischenteil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teilen und dem weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, und eine Steuerungseinheit, die eine erste Spannung an einen des ersten hartmagnetischen Teils und des weichmagnetischen Teils gemäß einem ersten Logikeingangssignals anlegt und eine zweite Spannung zu einem anderen des hartmagnetischen Teils und des weichmagnetischen Teils gemäß eines zweiten Eingangssignals anlegt, wobei ein durch einen Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Spannung erzeugtes Schreiben eine Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung richtet, und wobei die Steuerungseinheit auf der Grundlage einer relativen Beziehung der zweiten Richtung und der Richtung der Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz einen logischen Ausgang liest durch Durchlassen eines Messstromes zwischen dem weichmagnetischen Teil und dem zweiten hartmagnetischen Teil.
  • Ferner wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine magnetische Logikelementanordnung, umfassend eine Mehrzahl von magnetischen Logikelementzellen, wobei jede der Zellen einen ersten hartmagnetischen Teil aufweist mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine erste Richtung magnetisch verankert ist, einen zweiten hartmagnetischen Teil mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in eine zweite Richtung magnetisch verankert ist, einen MR-Zwischenteil, der zwischen dem ersten und zweiten hartmagnetischen Teil bereitgestellt wird, einen ersten weichmagnetischen Teil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem MR-Zwischenteil bereitgestellt wird und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist, einen zweiten weichmagnetischen Teil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem MR-Zwischenteil bereitgestellt wird und eine vierte ferromagnetische Substanz aufweist, einen ersten Spintransfer-Zwischenteil, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, und einen zweiten Spinntransfer-Zwischenteil, der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem zweiten weichmagnetischen Teil bereitgestellt wird, und einer Steuerungseinheit, die eine spezifische eine der magnetischen Logikelementzellen auswählt, wobei die Steuerungseinheit einen ersten Schreibstrom zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil der spezifischen einen gemäß eines ersten logischen Eingangssignals durchlässt, um eine Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung durchzulassen, wobei die Steuerungseinheit einen zweiten Schreibstrom zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil und dem zweiten weichmagnetischen Teil der spezifischen einen gemäß einem zweiten logischen Eingangssignal durchlässt, um eine Magnetisierung der vierten ferromagnetischen Substanz in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der zweiten Richtung zu richten, und die Steuerungseinheit auf der Grundlage einer relativen Beziehung der Richtungen von Magnetisierungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanzen einen logischen Ausgang liest, durch Durchlassen eines Messstromes zwischen dem ersten und zweiten weichmagnetischen Teil der spezifischen einen.
  • Gemäß der Ausführungsform der Erfindung kann ein magnetisches Logikelement, das eine Logikverarbeitungsfunktion ebenso wie eine Speicherfunktion aufweist mit einer verminderten Größe, und die magnetische Logikelementanordnung realisiert werden. Als das Ergebnis können kleine, hochdichte und geringe leistungsverbrauchende Logikvorrichtungen und/oder Speichervorrichtungen realisiert werden, und der industrielle Gewinn ist groß.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird besser aus der detaillierten Beschreibung, die hiernach abgegeben wird, und aus den zugehörigen Zeichnungen der Ausführungsform und der Erfindung verstanden. Jedoch beabsichtigen die Zeichnungen nicht eine Einschränkung der Erfindung auf spezifische Ausführungsformen anzudeuten, sondern dienen lediglich der Erklärung und dem Verständnis.
  • In den Zeichnungen:
  • ist 1 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des ersten magnetischen Logikelementes der Ausführungsform ausdrückt;
  • ist 2 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des zweiten magnetischen Logikelementes der Ausführungsform erklärt;
  • ist 3 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des dritten magnetischen Logikelementes der Ausführungsform erklärt;
  • ist 4 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des vierten magnetischen Logikelementes der Ausführungsform erklärt;
  • ist 5 ein schematisches Diagramm, das den prinzipiellen Teil einer Schnittstruktur des magnetischen Logikelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • sind 6A und 6B schematische Diagramme zum Erklären des Steuerungsmechanismus einer Magnetisierung durch Verwenden eines spinpolarisierten Stromes;
  • sind 7A und 7B schematische Diagramme, die einen Betrieb eines Auslesens der Information in dem magnetischen Logikelement der Ausführungsform erklären;
  • sind 8A bis 8D schematische Schnittansichten, die Beispiele einer Transformation der magnetischen Logikelemente der Ausführungsform zeigen;
  • sind 9A und 9B schematische Schnittansichten, die andere Beispiele einer Transformation des magnetischen Logikelementes der Ausführungsform zeigen;
  • zeigen 10A bis 10C einen Betrieb in dem Fall eines Durchführens einer exklusiven ODER-Operation (EOR) durch Verwenden des magnetischen Logikelementes der Ausführungsform;
  • ist 11A eine Figur, die die Magnetisierungsanordnungsbeziehungen der weichmagnetischen Teile SM1 und SM2 zeigen, wenn der Eingang von Signal B umgekehrt ist;
  • ist 11B eine Figur, die Ausgangssignale zeigt, die von diesen Magnetisierungsanordnungen durch den magnetoresistiven Effekt erhalten werden;
  • zeigen 12A und 12B das Beispiel, das eine logische Produkt-(AND)-Verarbeitung durchführt unter Verwenden des magnetischen Logikelementes des Beispiels;
  • zeigen 12C und 12D das Beispiel, das eine negative logische Produkt-(NAND)-Verarbeitung unter Verwenden des magnetischen logischen Elementes dieses Beispiels durchführt;
  • zeigen 13A und 13B Beispiele, die eine negative logische Summen-(NOR)-Verarbeitung durchführen unter Verwenden des magnetischen Logikelementes der Ausführungsform;
  • zeigen 13C und 13D das Beispiel, das eine logische Summen-(OR)-Verarbeitung durchführt unter Verwenden des magnetischen Logikelementes der Ausführungsform;
  • zeigt 14A eine Aufsicht, und zeigt 14B die Schnittansicht des Beispiels;
  • ist 15 ein schematisches Diagramm, das die prinzipielle Teilschnittstruktur des magnetischen Logikelementes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht;
  • ist 16 eine schematische Schnittansicht, die ein anderes Beispiel einer Transformation des magnetischen Logikelementes der Ausführungsform zeigt;
  • sind 17A bis 17D konzeptionelle Diagramme, die die Logikverarbeitung des magnetischen Logikelementes gemäß dieses Beispiels erklären;
  • zeigen 17E und 17F das Beispiel, in dem eine negative logische Summen-(NOR)-Verarbeitung durchgeführt wird;
  • zeigen 17G und 17H das Beispiel, bei dem eine logische Summen-(OR)-Verarbeitung durchgeführt wird;
  • sind 18A bis 18D Diagramme, die das Beispiel zeigen, in dem eine exklusive ODER-(EOR)-Verarbeitung durchgeführt wird unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform, wobei 18B und 18D die Wahrheitstabellen für die erste und zweite Zelle sind;
  • zeigen 19A bis 19D das Beispiel, in dem eine negative exklusive ODER-(NEOR)-Verarbeitung durchgeführt wird;
  • ist 20 eine schematische Schnittansicht, die die Struktur des magnetischen Logikelementes des Beispiels der Transformation der Ausführungsform zeigt;
  • sind 21A und 21B Diagramme, die die Struktur des magnetischen Logikelementes eines anderen Beispiels einer Transformation der Ausführungsform zeigen, wobei 21A die Aufsicht zeigt und 21B die Schnittansicht zeigt;
  • sind 22A und 22B schematische Diagramme, die die magnetischen Logikelemente gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • zeigen 23A bis 23D eine derartige Kombination von zwei Zellen;
  • zeigt 24 die Schnittstruktur des ersten Beispiels der Erfindung;
  • zeigt 25 die Elementordnung, die als das erste Beispiel der Erfindung hergestellt wird;
  • zeigt 26 das Ergebnis des ersten Beispiels der Erfindung; und
  • zeigen 27A bis 27D Aufsichten, die das Herstellungsverfahren des magnetischen Elementes des Beispiels zeigen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hiernach werden einige Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Betrieb des ersten magnetischen Logikelementes der Erfindung ausdrückt. Das bedeutet, dass dieses magnetische Logikelement mit zwei magnetischen Teilen (FM1, FM2), MR-Zwischenteil (SP) und dem Magnetisierungsrichtungssteuerungsteil (MC) bereitgestellt wird. MR-Zwischenteil (SP) wird zwischen zwei magnetischen Teilen (FM1, FM2) bereitgestellt. Der Magnetisierungsrichtungssteuerungsteil (MC) steuert die Magnetisierungsrichtung von wenigstens einem dieser magnetischen Teile (FM1, FM2). Und „0" und „1" werden zu dem Eingangssignal A und Einganssignal B zum Steuern der Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Teile (FM1, FM2) jeweils zugewiesen.
  • Die Kombination der eingehenden Signale A und B bestimmen Magnetisierungen der magnetischen Teile (FM1, FM2), und ein den magnetoresistiven Effekt durch den MR-Zwischenteil (SP) reflektierendes Signal wird als ein Ausgangssignal C ausgegeben.
  • Als nächstes ist 2 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des zweiten magnetischen Logikelementes der Erfindung erklärt. Dieses magnetische Logikelement wird zwischen einem ersten hartmagnetischen Teil (HM1), enthaltend die erste ferromagnetische Substanz, dessen Magnetisierungsrichtung in eine erste Richtung fixiert ist, und einem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2), enthaltend die zweite ferromagnetische Substanz, dessen Magnetisierungsrichtung in die zweite Richtung fixiert ist, bereitgestellt. Ferner werden der MR-Zwischenteil (SP), der erste weichmagnetische Teil (SM1), der zweite weichmagnetische Teil (SM2) bereitgestellt. MR-Zwischenteil (SP) wird zwischen diesen weichmagnetischen Teilen (SM1, SM2) vorbereitet.
  • Der erste weichmagnetische Teil (SM1) wird zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem MR-Zwischenteil (SP) vorbereit und weist eine dritte ferromagnetische Substanz auf. Der zweite weichmagnetische Teil (SM2) wird zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem MR-Zwischenteil (SP) bereitgestellt und weist die vierte ferromagnetische Substanz auf.
  • Ferner weist das Element den ersten Spintransfer-Zwischenteil (NM1) auf, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) bereitgestellt wird, und der zweite Spintransfer-Zwischenteil (NM2) wird zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem zweiten weichmagnetischen Teil (SM2) bereitgestellt.
  • Durch Durchlassen eines Schreibstromes zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) gemäß dem ersten Logikeingangssignal A wird die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz des ersten weichmagnetischen Teils (SM1) in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung gerichtet.
  • Und durch Durchlassen eines Schreibstromes zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem zweiten weichmagnetischen Teil (SM2) gemäß dem zweiten Logikeingangssignal B wird die Magnetisierung der vierten ferromagnetischen Substanz des zweiten weichmagnetischen Teils (SM2) in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der zweiten Richtung gerichtet.
  • Andererseits kann der auf der Grundlage der relativen Beziehung der Richtungen von Magnetisierungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanzen beruhende logische Ausgang C erhalten werden, durch Durchlassen eines Messstromes zwischen dem ersten und zweiten weichmagnetischen Teil (SM1, SM2).
  • Als nächstes ist 3 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des dritten magnetischen Logikelementes der Erfindung erklärt. Dieses magnetische Logikelement wird auch bereitgestellt mit dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, wobei die Magnetisierungsrichtung in eine erste Richtung fixiert ist, und dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, wobei die Magnetisierungsrichtung in eine zweite Richtung fixiert ist. Ferner werden MR-Zwischenteil (SP), der erste weichmagnetische Teil (SM1) und der zweite weichmagnetische Teil (SM2) bereitgestellt. Der MR-Zwischenteil (SP) wird zwischen den hartmagnetischen Teilen (HM1, HM2) bereitgestellt.
  • Der erste weichmagnetische Teil (SM1) wird zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem MR-Zwischenteil (SP) bereitgestellt, und weist eine dritte ferromagnetische Substanz auf. Der zweite weichmagnetische Teil (SM2) wird zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem MR-Zwischenteil (SP) bereitgestellt, und weist eine vierte ferromagnetische Substanz auf.
  • Dieses Element weist ferner einen ersten Spintransfer-Zwischenteil (NM1) auf, der zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) bereitgestellt wird, und den zweite Spintransfer-Zwischenteil (NM2), der zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem zweiten weichmagnetischen Teil (SM2) bereitgestellt wird.
  • Durch Durchlassen eines Schreibstroms zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) gemäß einer Kombination des ersten Logikeingangssignals A und des zweiten Logikeingangssignal B, wird die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz des ersten weichmagnetischen Teils (SM1) in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung gerichtet.
  • Andererseits kann der auf der relativen Beziehung der Richtungen von Magnetisierungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanz beruhende logische Ausgang C erhalten werden, durch Durchlassen eines Messstromes zwischen dem ersten und zweiten weichmagnetischen Teil (SM1, SM2).
  • Als nächstes ist 4 ein schematisches Diagramm, das den Betrieb des vierten magnetischen Logikelementes der Erfindung zeigt. Dieses magnetische Logikelement wird zwischen einem ersten hartmagnetischen Teil (HM1), einem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2), einem weichmagnetischen Teil (SM1), einem Spintransfer-Zwischenteil (NM1) und einem MR-Zwischenteil (SP) bereitgestellt.
  • Der erste hartmagnetische Teil (HM1) enthält eine erste ferromagnetische Substanz, dessen Magnetisierungsrichtung in eine erste Richtung fixiert ist. Der zweite hartmagnetische Teil (HM2) enthält eine zweite ferromagnetische Substanz, dessen Magnetisierungsrichtung in eine zweite Richtung fixiert ist. Ein weichmagnetisches Teil (SM1) wird zwischen dem ersten und zweiten hartmagnetischen Teil bereitgestellt, und enthält eine dritte ferromagnetische Substanz. Der Spintransfer-Zwischenteil (NM1) wird zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem weichmagnetischen Teil (SM1) bereitgestellt. MR-Zwischenteil (SP) wird zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem weichmagnetischen Teil (SM1) bereitgestellt.
  • Durch Durchlassen eines Schreibstroms zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) gemäß einer Kombination des ersten logischen Eingangssignals A und des zweiten logischen Eingangssignals B wird die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz des weichmagnetischen Teils (SM1) in eine Richtung im wesentlichen parallel oder antiparallel zu der ersten Richtung gerichtet.
  • Der auf der relativen Beziehung der Richtungen von Magnetisierungen der zweiten und dritten ferromagnetischen Substanz beruhende logische Ausgang C kann erhalten werden, durch Durchlassen eines Messstromes zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem weichmagnetischen Teil (SM1). Hiernach werden die Strukturen von weiteren konkreten Elementen erklärt.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das die prinzipielle Teilschnittstruktur des magnetischen Logikelementes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Das bedeutet, das magnetische Logikelement dieser Ausführungsform weist einen MR-Zwischenteil SP und weichmagnetische Teile SM1 und SM2 auf, die jeweils an ihren beiden Seiten bereitgestellt werden.
  • Ferner werden hartmagnetische Teile HM1 und HM2 außerhalb jeweils durch die Spintransfer-Zwischenteile NM1 und NM2 bereitgestellt. Ferner werden Elektroden E1, E2, E3 und E4 auf den hartmagnetischen Teilen HM1 und HM2 bzw. weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 bereitgestellt.
  • Hier ist „weichmagnetischer Teil" ein Teil, bei dem eine Magnetisierung nicht fixiert ist, aber in einem freien Zustand ist, so dass die Richtung dessen veränderbar ist. Und „hartmagnetischer Teil" ist ein Teil, der aus einem Material mit einer großen Koerzitivkraft besteht, oder dessen Magnetisierung fixiert ist. Daher kann der Fall auftreten, bei dem die Materialien des weichmagnetischen Teils und des hartmagnetischen Teils die gleichen sind. Die Magnetisierung der hartmagnetischen Teile HM1 und HM2 ist fixiert, um parallel oder antiparallel zu sein.
  • Hier werden Eingangssignal A und B geeignet in Elektroden E1 bis E4 eingegeben. Die Richtung der Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1 wird durch Eingeben eines Eingangssignals in die Elektroden E1 und E2 eingegeben. Die Richtung der Magnetisierung M3 des weichmagnetischen Teils SM2 wird durch Eingeben eines Eingangssignals in die Elektroden E3 und E4 gesteuert.
  • In jedem dieser Fälle werden die Magnetisierungsrichtungen von weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 durch einen spinpolarisierten Elektronenstrom gesteuert.
  • 6A und 6B sind schematische Diagramme zum Erklären des Steuerungsmechanismus einer Magnetisierung durch Verwenden eines spinpolarisierten Stromes.
  • Wenn ein elektronischer Strom Iw in Richtung des weichmagnetischen Teils SM1 (oder SM2) von dem hartmagnetischen Teil HM1 (oder HM2), wie in 6A gezeigt durchgelassen wird, wird ein Schreiben des weichmagnetischen Teils SM1 (der SM2) gemäß der Richtung der Magnetisierung M1 (oder M4) des hartmagnetischen Teils HM1 (oder HM2) ausgeführt. Das bedeutet, wenn der elektronische Strom Iw in diese Richtung durchgelassen wird, dass in einem hartmagnetischen Teil HM1 (der HM2) zuerst eine Polarisierung des elektronischen Spins gemäß der Richtung der Magnetisierung M1 (oder M4) ausgeführt wird. Diese spinpolarisierten Elektronen fließen in den weichmagnetischen Teil SM1 (oder SM2) und kehren die Magnetisierung M2 (oder M3) in eine Richtung der Magnetisierung M1 (oder M4) des hartmagnetischen Teils HM1 (oder HM2) um.
  • Andererseits, wenn ein Elektronenstrom in Richtung des hartmagnetischen Teils HM1 (oder HM2) von dem weichmagnetischen Teil SM1 (oder SM2), wie in 6B ausgedrückt, durchgelassen wird, kann ein Einschreiben in eine entgegengesetzte Richtung durchgeführt werden. Das bedeutet, Elektronen, die einen Spin aufweisen, der der Magnetisierung M1 (oder M4) eines hartmagnetischen Teils HM1 (oder HM2) entsprechen, können den hartmagnetischen Teil HM1 (oder HM2) leicht passieren. Elektronen, die jedoch einen Spin entgegengesetzt der Magnetisierung M1 (M4) aufweisen, werden an der Schnittstelle zwischen dem Spintransfer-Zwischenteil NM1 (oder NM2) und dem hartmagnetischen Teil HM1 (oder HM2) mit einer hohen Wahrscheinlichkeit reflektiert. Und wenn das auf diese Weise reflektierte spinpolarisierte Elektron zu dem weichmagnetischen Teil SM1 (oder SM2) zurückkehrt, wird die Magnetisierung M2 (oder M3) des weichmagnetischen Teils SM1 (oder SM2) in die Richtung entgegengesetzt des hartmagnetischen Teils M1 (oder M4) umgekehrt.
  • Eine derartige „gleichstromgetriebene Magnetisierungsumkehr" wird offenbart durch zum Beispiel J. C, Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996), E. B. Myers, et al., Science 285, 867 (1999), J. A. Katine, et al., Phys. Rev. Lett., 14, 3149 (2000), F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett., 77, 3809 (2000), J. E. Wegrowe, et al., Europhys. Lett., 45, 626 (1999), und J. Z. Sun, J. Magn. Magn. Mater., 202, 157 (1999).
  • In diesem Mechanismus wird, wenn ein Schreibstrom durchgelassen wird oder von dem hartmagnetischen Teil HM1 (oder HM2) reflektiert wird, der Spin des Stroms polarisiert. Wenn dieser spinpolarisierte Strom durch den weichmagnetischen Teil geleitet wird, wird eine Magnetisierung des weichmagnetischen Teils umgekehrt durch Übermitteln des Winkelmomentums des spinpolarisierten Elektrons an das Winkelmomentum des weichmagnetischen Teils.
  • Somit kann in der Ausführungsform eine gewünschte Magnetisierung in den weichmagnetischen Teil SM1 (oder SM2) gemäß dem Magnetisierungsumkehrmechanismus eines gleichstromangetriebenen Typs geschrieben werden, realisiert durch einen spinpolarisierten Strom. Das bedeutet, es ist möglich einen direkten Antrieb einer Weichaufzeichnungsschicht zu machen. Daher wird es im Vergleich mit dem konventionellen Aufzeichnungselement, das eine Magnetisierungsumkehr der Aufzeichnungsschicht durch ein durch den Strom erzeugtes Magnetfeld ausführt, möglich den für die Magnetisierungsumkehr zu der Aufzeichnungszeit benötigten Strom zu vermindern.
  • Andererseits, kann in dem magnetischen Logikelement von 5 ein Auslesen von Information, d. h., das Ausgeben eines Logiksignals durch Lesen der Magnetoresistivität zwischen den Elektroden E2 und E3 durchgeführt werden.
  • 7A und 7B sind schematische Diagramme, die einen Betrieb eines Auslesens der Information in dem magnetischen Logikelement dieser Ausführungsform erklären.
  • Das bedeutet, wie in 7A ausgedrückt, wenn eine Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1 und die Magnetisierung M3 des weichmagnetischen Teils SM2 parallel sind, der Widerstand niedrig ist, der durch ein Durchlassen eines Messstroms Is in die Richtung erhalten wird, die mit einem Pfeil ausgedrückt wird (oder eine Richtung entgegengesetzt zu dieser).
  • Andererseits wird der Widerstand hoch, wenn die Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1 und die Magnetisierung M3 des weichmagnetischen Teils SM2 antiparallel sind, wie in 7B ausgedrückt ist. Daher kann entsprechend dieser Widerstandsausgabe ein Auslesen einer Binärinformation durch Zuweisen von „0" Pegel bzw. „1" Pegel durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Zustand, bei dem der Widerstand niedrig ist auf „0" gesetzt werden, und der Zustand, bei dem der Widerstand hoch ist kann auf „1" gesetzt werden. Sie können entgegengesetzt zugewiesen werden.
  • Gemäß der Ausführungsform wird es möglich, verschiedene Arten einer Logikverarbeitung durchzuführen, durch Auswählen der Kombination des in Elektroden E1 bis E4 jeweils eingegebenen Signals, wie im Detail später erklärt wird.
  • In der Ausführungsform wird es möglich, Binärinformation entsprechend der Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Teile SM1 und SM2 durch eine hohe Empfindlichkeit durch Verwenden eines magnetoresistiven Effektes auszulesen. Ferner kann ein Widerstand des Reproduktionsteils, der den Messstrom Is durchlässt, auf den optimalen Pegel erhöht werden durch geeignetes Bemessen des Materials und einer Struktur des MR-Zwischenteils SP, wie detailliert später erklärt wird. Als das Ergebnis wird eine Elementauswahl leicht in einem Fall, bei dem die Elemente in einer Anordnung angeordnet sind, und somit kann eine Speichervorrichtung oder ein Logikschaltkreis realisiert werden.
  • In der Ausführungsform können die Spintransfer-Zwischenteile NM1 und NM2 durch das Material eines niedrigen Widerstandes gebildet werden. Daher kann beim Erfassen des magnetoresistiven Effektes zwischen den weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 der Messstrom Is zwischen der Elektrode E1 und E4 durchgelassen werden.
  • Als Materialien der hartmagnetischen Teile HM1, HM2 und der weichmagnetischen Teile SM1, SM2 können magnetische Materialien wie ein Element aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni) etc. verwendet werden. Alternativ kann eine Legierung mit wenigstens einem Element aus Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Magnesium (Mn) und Chrom (Cr) verwendet werden. Ferner kann eine NiFe-Familie Legierung, genannt „Permalloy" verwendet werden. Ferner kann ein weichmagnetisches Material wie eine CoNbZr-Familie Legierung, eine FeTaC-Familie Legierung, eine CoTaZr-Familie Legierung, eine FeAlSi-Familie Legierung, eine FeB-Familie Legierung, eine CoFeB-Familie Legierung oder dergleichen verwendet werden. Ferner kann ein halbmetallisches Magnetmaterial wie ein CrO2, FE3O4, oder La1-xSrxMnO3 verwendet werden. Ferner kann eine Heusler-Legierung verwendet werden.
  • Alternativ können die magnetischen Teile HM1, HM2, SM1 und SM2 aus einem Halbleiter-Compound oder Oxid-Halbleiter mit wenigstens einem magnetischen Element aus Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Magnesium (Mn) und Chrom (Cr) wie (Ga, Cr)N, (GaMn)N, MnAs, CrAs, (Ga, Cr)As, ZnO:Fe, (Mg, Fe) gemacht sein.
  • Jedes dieser Materialien kann geeignet ausgewählt und verwendet werden durch Verwenden ihrer magnetischen Eigenschaften und anderer relevanten Charakteristiken.
  • Als ein für diese magnetischen Teile verwendetes Material kann ein permanentmagnetischer Körper verwendet werden. Alternativ kann eine Kompositstruktur, bei der Partikel aus dem magnetischen Körper bestehen oder in einer nicht magnetischen Matrix ausgefällt oder gebildet sind, verwendet werden. Als der weichmagnetische Teil SM1 oder SM2 kann speziell auch eine zweischichtige Struktur bestehend aus (Co oder CoFe Legierung)/(ein Permalloy, das aus NiFe oder NiFeCo besteht, oder Nickel), oder eine dreischichtige Struktur, die aus (Co oder CoFe Legierung)/(Permalloy bestehend aus NiFe oder NiFeCo oder Nickel)/(Co oder CoFe Legierung) verwendet werden.
  • Es ist wünschenswert die Dicke der äußeren Co oder CoFe Legierungsschichten in diesen Mehrschichtstrukturen in einem Bereich von 0,2 nm bis 3 nm einzustellen.
  • Ferner kann als der weichmagnetische Teil SM1, SM2 und der hartmagnetische Teil HM1, HM2 eine dreilagige Struktur verwendet werden, bestehend aus (magnetischen Lagen wie ein Permalloy, Co, Co-Fe)/(nichtmagnetische Schichten, wie Cu und Ru (zwischen 0,2 nm und 3 nm in der Dicke)/(magnetische Schichten, wie ein Permalloy, Co, Co-Fe) mit einer Austauschkopplung zwischen den Schichten. Wenn diese dreilagige Struktur verwendet wird, kann der Schaltstrom und das Schaltmagnetfeld selbst kleiner gemacht werden, weil ein Magnetisierungsfeld und Streufeld vermindert werden kann. Ferner kann durch Verwenden einer dreilagigen Struktur für HM1, HM2 die Magnetisierungsrichtung vom M1, M4 durch Verändern der nicht magnetischen Schichtdicke gesteuert werden.
  • Andererseits ist es, um die Magnetisierung M1, M4 des hartmagnetischen Teils HM1, HM2 zu fixieren, effektiv antiferromagnetische Schichten (nicht gezeigt) bereitzustellen, die mit den hartmagnetischen Teilen HM1, HM2 jeweils verbunden sind und eine Austauschvorspannung an sie anzulegen. Durch Bereitstellen derartiger antiferromagnetischer Schichten kann eine Austauschvorspannung effektiv angelegt werden, um die Magnetisierung M1, M4 zu steuern, und ein hoher Signalausgang des magnetoresistiven Effektes kann erhalten werden. Für diesen Zweck ist es wünschenswert, antiferromagnetisches Material zu verwenden, wie Eisenmagnesium (FeMn), Platinmagnesium (PtMn), Palatiummagnesium (PdMn), Palatiumplatinmagnesium (PdPtMn) etc.
  • Hier ist es, obwohl eine Querschnittsstruktur in 5 gezeigt ist, für die ebene Form jedes magnetischen Teils wünschenswert, es in rechteckigen oder verlängerten hexagonalen Formen einzustellen. Das bedeutet, für einen magnetischen Teil ist es wünschenswert, ein Aspektverhältnis zwischen ungefähr 1:1,1 bis 1:5 zu erhalten, und eine uniaxiale magnetische Anisotropie zu erhalten. Ferner sind die longitudinalen Längen jedes magnetischen Teils vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 nm und 1000 nm.
  • Für das Material der MR-Zwischenschicht SP ist es wünschenswert ein nicht magnetisches Material oder den Isolator zu verwenden, der aus irgendeinem Oxid, Nitritfluorid einschließlich wenigstens einem Element ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (Al), Titan (Ti), Tantal (Ta), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Silizium (Si) und Eisen (Fe).
  • Die Spintransfer-Zwischenteile MN1 und MN2 haben eine Rolle zum Unterdrücken der magnetischen Kopplung zwischen dem weichmagnetischen Teil und hartmagnetischen Teil und agieren als ein Durchlass für die spinpolarisierten Elektronen. Diese Zwischenteile NM1 und NM2 können aus dem folgenden Material gebildet werden.
    • (1) Ein Metall bestehend aus nicht magnetischen Edelmetallelement wie Cu, Ag und Au, oder einem Metall, das wenigstens eines dieser Elemente beinhaltet.
    • (2) Ein Material, das aus dem gleichen magnetischen Element wie der weichmagnetische Teil SM und/oder hartmagnetische Teil HM besteht, und ferner einen Teil mit Kristalldefekten einschließt, oder Oberflächenunebenheiten, so dass magnetische Domänen darin gefangen sind.
  • Die oben erwähnten Kristalldefekte können durch eine Elektronenstrahlung oder eine Ionenstrahlung eingefügt werden. Die Oberflächenunebenheit kann durch Bereitstellen zum Beispiel einer Einschnürung auf eine dünnen Linie gebildet werden.
  • Für die Dicke des hartmagnetischen Teils ist es wünschenswert sie in einem Bereich von 0,6 nm bis 100 nm auszuführen. Für die Dicke eines weichmagnetischen Teils ist es wünschenswert, sie in einem Bereich von 0,2 nm bis 50 nm auszulegen. Ferner ist es für die Dicke eines Spintransfer-Zwischenteils wünschenswert sie in einem Bereich von 0,2 nm bis 100 nm auszulegen. Ferner ist es für die Dicke eine MR-Zwischenteils wünschenswert, ihn in einem Bereich zwischen 0,2 nm bis 100 nm auszulegen. Eine Herstellung des Elementes wird leichter, wenn die magnetischen Teile HM und SM und der MR-Zwischenteil SP in Form eines dünnen Films oder in Form einer dünnen Linie gebildet werden.
  • 8A bis 8D sind schematische Schnittansichten, die Beispiele einer Transformation des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform zeigen. Die gleichen Symbole zeigen die gleichen Elemente wie die oben erwähnten über 1 bis 7B über diese Figuren, und eine detaillierte Beschreibung wird ausgelassen.
  • In jedem Beispiel der Transformation wird ein Punktkontakt, d.h. magnetischer Nanokontakt P, dessen Kontaktbereich 100 nm2 oder weniger ist, in dem MR-Zwischenteil SP bereitgestellt. In diesem magnetischen Nanokontakt erstreckt sich wenigstens einer von den weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 in den Zwischenteil SP, und sie sind miteinander verbunden. Und in dem MR-Zwischenteil SP ist der Umfang des Nanokontaktes P mit dem Isolator abgedeckt.
  • Dieser magnetische Nanokontakt P kann einen konusähnlichen Abstand aufweisen, wie in 8A dargestellt, oder kann einen pfeilerähnlichen Abschnitt aufweisen, wie in 8B dargestellt. Ferner können, wie in 8C und 8D dargestellt, zwei oder mehr magnetische Nanokontakte P bereitgestellt werden.
  • Wenn ein derartiger magnetischer Nanokontakt P verkleinert wird, erhöht sich der Widerstand durch Anlegen eines magnetischen Feldes. Die Größe bei der eine Verminderung eines derartigen Widerstandes hergestellt wird, kann von der Querschnittsform des Nanokontaktes abhängen. Jedoch wird gemäß dem Ergebnis der Prüfung des Erfinders die Verminderung des Widerstandes bemerkenswert, wenn die Minimumbreite des Nanokontaktes P auf 20 nm oder weniger eingestellt wird. Ein großer magnetoresistiver Effekt, dass eine magnetoresistive Rate oder Veränderung 20% oder mehr wird, kann dieses mal erhalten werden, wenn jedoch die Querschnittsform des Nanokontaktes P zum Beispiel extrem elongiert ist, kann die Verminderung des Widerstandes durch Anlegen eines magnetischen Feldes erhöht werden, selbst wenn die Maximumbreite 20 nm überschreitet. Die magnetischen Logikelemente, die einen derartigen magnetischen Nanokontakt P aufweisen, gehören ebenfalls zu dem Bereich der Erfindung.
  • Durch Bereitstellen eines magnetischen Nanokontaktes P verbessert sich der magnetoresistive Effekt, der zwischen den weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 erhalten wird. Als ein Ergebnis wird es möglich, eine relative Beziehung zwischen den Richtungen von Magnetisierungen M2 und M4 von weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 mit einer hohen Empfindlichkeit zu lesen.
  • Beim Bereitstellen eines derartigen magnetischen Nanokontaktes P in dem MR-Zwischenteil SP kann das Material um den Nanokontakt P durch ein isolierendes Material gebildet werden, und die Dicke des MR-Zwischenteils SP kann in einem dicken Film in dem Bereich von ungefähr 0,2 nm bis 1000 nm gebildet werden.
  • 9A und 9B sind schematische Schnittansichten, die andere Beispiele einer Transformation der magnetischen Logikelemente dieser Ausführungsform zeigen. Die gleichen Symbole werden für ähnliche Elemente angegeben, wie die oben in Bezug auf 1 bis 8D bezüglich dieser Figuren erwähnt wurden, und eine detaillierte Beschreibung wird ausgelassen.
  • Auch in diesem Beispiel sind die weichmagnetischen Teile SM1 und SM2 mit den oberen bzw. unteren Seiten des MR-Zwischenteils SP laminiert. Jedoch sind in der in 9A gezeigten Struktur der Spintransfer-Zwischenteile NM1 und NM2 auf oberen bzw. unteren Seiten bereitgestellt, und die hartmagnetischen Teile HM1 und HM2 sind oben und unten angrenzend und in der lateralen Richtung bereitgestellt. Das bedeutet, die Spintransfer-Zwischenteile NM1 und NM2 und die hartmagnetischen Teile HM1 und HM2 sind nicht in der Richtung einer Dicke laminiert, aber grenzen in die Richtung der Filmebene der weichmagnetischen Teile SM1 bzw. SM2 an.
  • Im Gegensatz dazu sind in der in 9B gezeigten Struktur jeder der oberen und unteren Teile laminiert. Eine derartige Struktur ist ebenfalls verwendbar in der Erfindung.
  • Selbst wenn jeder Teil der magnetischen Logikelemente in einer derartigen Weise angeordnet ist, kann die Eingabeoperation durch den spinpolarisierten Strom wie oben mit Bezugnahme auf 6A und 6B erwähnt, und die Ausgabeoperation durch den magnetoresistiven Effekt, wie oben in Bezugnahme auf 7A und 7B erwähnt, durchgeführt werden.
  • Im Fall dieser Modifikation kann die Ebenenform der weichmagnetischen Teile in einer solchen mit einem Aspektverhältnis in dem Bereich von ungefähr 1:1,1 bis 1:20 sein.
  • Ferner kann, obwohl der MR-Zwischenteil SP als eine einzelne isolierende Schicht gebildet sein kann, der oben in Bezug auf 8A bis 8D erwähnte Effekt ähnlich durch Bereitstellen eines magnetischen Nanokontaktes P erworben werden.
  • Nun kann das magnetische Logikelement dieser mit Bezug auf 1 bis 9 erklärten Ausführungsform als ein Logikelement verwendet werden, das verschiedene Arten von logischen Operationen durchführt.
  • 10A bis 10C zeigen Betriebsweisen in dem Fall von einem Durchführen eines exklusiven ODER (EOR) unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform. Hier wird, wie in 10A verdeutlicht, eine vorbestimmte Spannung entsprechend des Signals B in die Elektrode E1 eingegeben, und eine vorbestimmte Spannung entsprechend des Signals A wird in die Elektrode E4 eingegeben. Jedoch können Signal A und Signal B umgekehrt werden, und die Spannung kann ebenso in Elektroden E2 oder E3 anstelle von E1 oder E4 eingegeben werden.
  • Wenn das Signal wie in 10 eingegeben wird, wird das Potential der Elektroden E1 und E3 auf eine gewisse Spannung von zum Beispiel 0 Volt und a Volt eingestellt, wobei α Null jeweils einschließt. Wenn Signal A oder Signal B „0" ist, wird die negative vorbestimmte Spannung hinsichtlich der Potentiale von E2 und E3 entsprechend dessen an die Elektroden E1 bzw. E4 angelegt. Ferner wird, wenn Signal A oder Signal B „1" ist, die positive vorbestimmte Spannung hinsichtlich der Potentiale von E2 und E3 entsprechend dieser an Elektroden E1 bzw. E4 angelegt.
  • Diese „vorbestimmte Spannung" wird derart eingestellt, dass sie einen Strom oberhalb des kritischen Stroms Ic herstellen kann, was eine magnetisierende Schaltung von weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 bewirkt. Das bedeutet, die Spannung, die einen spinpolarisierten Strom ergeben kann, der für die Magnetisierungsumkehr von weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 erforderlich ist, ist die „vorbestimmte Spannung".
  • Wenn Signal A „0" ist, dreht sich die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischem Teil SM in die gleiche Richtung wie die Magnetisierung M1 eines hartmagnetischen Teils HM1, d. h. in die rechte Richtung. Wenn Signal A „1" ist, dreht sich die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischen Teilen SM in die entgegengesetzte Richtung der Magnetisierung M1, d. h. in die linke Richtung.
  • Ähnlich ist die Magnetisierung M3 von weichmagnetischen Teil SM2 rechtswendig, wenn Signal B „0" ist, und linkswendig, wenn Signal B „1" ist.
  • Das Ausgangssignal von diesem magnetischen Logikelement wird durch die relative Beziehung zwischen der Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischem Teil SM1 und der Richtung der Magnetisierung M3 von weichmagnetischem Teil SM2 bestimmt.
  • 10B ist eine Tabelle, die die Magnetisierungsanordnungsbeziehung von weichmagnetischen Teilen SM1 und SM2 zeigt, die gemäß der Kombination der Eingangssignale erhalten wird. In der Figur zeigt die obere Zeile jeder Spalt die Richtung der Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1, und eine untere Reihe zeigt die Richtung der Magnetisierung M3 des entsprechenden weichmagnetischen Teils SM2.
  • 10C zeigt die Ausgangssignale, die durch den magnetoresistiven Effekt entsprechend der Magnetisierungsanordnungsbeziehungen von 10B erhalten werden. Ein hoher Widerstandszustand, der mit der antiparallelen Ausrichtung von 10B entspricht, wird zugewiesen „0" oder „1" zu sein, und ein niedriger Widerstandszustand, der der antiparallelen Ausrichtung von 10B entspricht, wird zugewiesen „1" oder „0" zu sein. Wenn das Potential von Elektroden E1 und E2 unterschiedlich ist, erzeugt die Potentialdifferenz einen Messstrom, daher werden die Ausgangssignale gleichzeitig mit Eingangssignalen erhalten.
  • Aus 10C wird verstanden, dass jedes Ausgangssignal, das von jeder Kombination der binären Eingangssignale A und B erhalten wird, ihr exklusives ODER darstellt. Das bedeutet, durch dieses magnetische Logikelement wird eine exklusive ODER-(EOR)-Verarbeitung möglich.
  • Ferner kann auch negatives exklusives ODER (NEOR) erhalten werden, durch Umkehrung und Eingabe von einem von Signal A oder Signal B in das magnetische Logikelement dieses Beispiels.
  • 11A ist eine Figur, die die Magnetisierungsanordnungsbeziehungen der weichmagnetischen Teile SM1 und SM2 zeigt, wenn die Eingabe von Signal B umgekehrt ist. Das bedeutet, in dem Fall dieses Beispiels, wenn Signal B „0" ist wird eine positive vorbestimmte Spannung bezüglich des Potentials von E2 entsprechend diesem an Elektrode E1 angelegt, und wenn Signal B „1" ist, wird eine negative vorbestimmte Spannung bezüglich des Potentials von E2 entsprechend diesem an die Elektrode E1 angelegt.
  • 11B ist eine Figur, die die Ausgangssignale zeigt, die von diesem Magnetisierungsanordnungen durch den magnetoresistiven Effekt erhalten werden. Wie dieses Ergebnis auch zeigt gibt es aus, dass das ein negatives exklusiv ODER (NEOR) bei der Eingabe von Signalen A und B durchgeführt wird.
  • 12A und 12B zeigen das Beispiel, das unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieses Beispiels eine logische Produkt-(AND)-Verarbeitung durchführt.
  • 12C und 12D zeigen das Beispiel, das eine negative logische Produkt-(NAND)-Verarbeitung unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieses Beispiels durchführt.
  • In jedem dieser Fälle wird Signal A und Signal B jeweils in die Elektroden E2 und E1 eingegeben. Jedoch wird Signal A umgekehrt. Wenn das eingegebene Signal „0" ist, wird die niedrigere vorbestimmte Spannung angelegt, und wenn das eingegebene Signal „1" ist, wird die höhere vorbestimmte Spannung angelegt (oder umgekehrt).
  • Ferner wird in dem Fall einer logischen Produkt-(AND)-Verarbeitung die Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Teils SM2 parallel zu der magnetischen Richtung von HM1, das bedeutet, der rechtswendige Fall in dem Fall von 12A, während in dem Fall einer negativen logischen Produkt-(NAND)-Verarbeitung die Richtung einer Magnetisierung von weichmagnetischem Teil SM2 antiparallel zu der magnetischen Richtung von HM1 wird, das heißt, linkswendig in dem Fall von 12C. Die Richtung einer Magnetisierung von weichmagnetischem Teil SM2 kann durch Durchlassen eines Stroms eines vorbestimmten Umfangs in die vorbestimmte Richtung durch die Elektroden E3 und E4 gesteuert werden.
  • Somit kann gemäß der Beziehung einer magnetischen Anordnung die logische Produkt-(AND)-Verarbeitung durchgeführt werden, wie in 12A und 12b gezeigt, und die negative logischen Produkt-(NAND)-Verarbeitung kann durchgeführt werden, wie in 12C und 12D gezeigt.
  • 13A und 13B zeigt das Beispiel, das unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform eine negative logischen Summen-(NOR)-Verarbeitung durchführt.
  • 13C und 13D zeigen das Beispiel, das unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform eine logische Summen-(OR)-Verarbeitung durchführt.
  • In jedem dieser Fälle wird Signal A und Signal B in die Elektroden E2 bzw. E1 eingegeben. Jedoch wird Signal B umgekehrt. Ferner ist in dem Fall einer logischen Summen-(OR)-Verarbeitung die Richtung einer Magnetisierung von weichmagnetischem Teil SM2 antiparallel zu der magnetischen Richtung von HM1, das bedeutet, linkswendig in dem Fall von 13C, während in dem Fall einer negativen logischen Summen-(NOR)-Verarbeitung die Richtung einer Magnetisierung von weichmagnetischem Teil SM2 parallel zu der magnetischen Richtung von HM1, HM2 ist, das heißt, rechtswendig, in dem Fall von 13A. Die Richtung einer Magnetisierung von weichmagnetischem Teil SM2 kann durch Durchlassen eines Stroms eines vorbestimmten Umfangs in eine vorbestimmte Richtung durch die Elektroden E3 und E4 gesteuert werden.
  • Somit kann gemäß der Beziehung einer magnetischen Anordnung die negative logische Summen-(NOR)-Verarbeitung durchgeführt werden, wie in 13A und 13B gezeigt, die logische Summen-(OR)-Verarbeitung kann durchgeführt werden, wie in 13C und 13D gezeigt.
  • In den in 5, 8 bis 12 gezeigten Beispielen sind die magnetischen Richtungen von HM1 und HM2 parallel. Jedoch kann eine antiparallele Beziehung zwischen den magnetischen Richtungen von HM1 und HM2 ebenso durch Verändern der Eingangssignale geeigneterweise verwendet werden.
  • 14A und 14B sind schematische Diagramme, die die Struktur des magnetischen Logikelementes des Beispiels einer Transformation dieser Ausführungsform zeigen. Das heißt, 14A zeigt eine Aufsicht und 14B zeigt eine Schnittansicht. In diesem Beispiel sind durch den MR-Zwischenteil SP zwei Strukturen dünner Linien in einer kreuzenden Weise angeordnet.
  • In der unteren Struktur einer dünnen Linie sind ein hartmagnetischer Teil HM1, ein Spintransfer-Zwischenteil NM1, ein weichmagnetischer Teil SM1, ein Spintransfer-Zwischenteil NM3 und ein hartmagnetischer Teil HM3 in dieser Reihenfolge angeordnet.
  • In der oberen Struktur einer dünnen Linie oben auf dem MR-Zwischenteil SP sind in dieser Reihenfolge ein hartmagnetischer Teil HM2, ein Spintransfer-Zwischenteil NM2, ein weichmagnetischer Teil SM2, ein Spintransfer-Zwischenteil NM4 und ein hartmagnetischer Teil HM4 angeordnet.
  • Ein niedrigerer weichmagnetischer Teil SM1 und ein oberer weichmagnetischer Teil SM2 sind durch den MR-Zwischenteil SP laminiert. Die Größe des MR-Zwischenteils SP ist die gleiche wie der überlappende Teil eines weichmagnetischen Teils SM1 und eines hartmagnetischen Teils HM2, oder muss mehr sein als die Überlappung.
  • Daher kann der MR-Zwischenteil SP den weichmagnetischen Teil SM1 zusammen überdecken, oder er kann weiter ausgedehnt sein zum Überdecken des Spintransfer-Zwischenteils NM. Was notwendig ist, ist in der Lage zu sein die Elektroden E1 und E2 gerade zu überdecken. Für die Magnetisierungsrichtung eines hartmagnetischen Teils HM3 ist es wünschenswert antiparallel zu der Magnetisierung des hartmagnetischen Teils HM1 zu sein.
  • Der Spintransfer-Zwischenteil ermöglicht die Magnetisierungsrichtungen des hartmagnetischen Teils HM1 und des weichmagnetischen Teils SM1, oder die Magnetisierungsrichtungen des weichmagnetischen Teils SM1 und des hartmagnetischen Teils HM3 entsprechend antiparallel zu drehen. Wenn Elektronen von E1 nach E2 zu diesem magnetischen Logikelement unter Verwenden von Elektroden E1 und E2 durchgelassen werden, dreht sich die Magnetisierung des weichmagnetischen Teils SM1 in die gleiche Richtung wie der hartmagnetische Teil HM1.
  • Umgekehrt, wenn Elektronen von einer Elektrode E2 zu E1 durchgelassen werden, wird sich die Magnetisierung von weichmagnetischem Teil SM1 in die gleiche Richtung wie der hartmagnetische Teil HM3 drehen. Auch in der oberen Dünnlinienstruktur ist das gleiche Magnetisierungsschreiben möglich.
  • Oben sind die magnetischen Logikelemente der ersten Ausführungsform der Erfindung und die Beispiele von Logikverarbeitung unter Verwendung dieser erklärt mit Bezugnahme auf 1 bis 14B. Durch Verwenden der gleichen Elemente können sechs Arten von logischer Verarbeitung durchgeführt werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Als nächstes wird die zweite Ausführungsform der Erfindung erklärt.
  • 15 ist ein schematisches Diagramm, was die prinzipielle Teilabschnittsstruktur des magnetischen Logikelementes gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht.
  • Das bedeutet, das magnetische Logikelement dieser Ausführungsform weist eine Struktur auf, bei der ein hartmagnetischer Teil HM1, ein Spintransfer-Zwischenteil NM1, ein MR-Zwischenteil SP und ein hartmagnetischen Teil HM2 in dieser Reihenfolge laminiert sind. Die Magnetisierungen von hartmagnetischen Teilen HM1 und HM2 sind fixiert, um parallel oder antiparallel gehalten zu werden.
  • Und Elektroden E1 bis E3 sind mit dem hartmagnetischen Teil HM1, dem weichmagnetischen Teil SM1 bzw. dem hartmagnetischen Teil HM2 verbunden.
  • Über die Materialien, Dicken, Ebenenformen und Größen dieser hartmagnetischen Teile HM1 und HM2, des Spintransfer-Zwischenteil NM1, weichmagnetischen Teils SM1 und des MR-Zwischenteils SP können diese eingestellt werden, wie oben mit Bezug auf die erste Ausführungsform erwähnt wurde.
  • Ebenso wie das magnetische Logikelement dieser Ausführungsform kann durch Durchlassen eines Schreibstroms zwischen den Elektroden E1 und E2 die Magnetisierung M2 von weichmagnetischem Teil SM1 durch einen spinnpolarisierten Strom gesteuert werden, wie oben bezüglich 6A und 6B erwähnt wurde.
  • Ferner sind die relative Beziehung zwischen der Richtung der Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1 und der Richtung der Magnetisierung M3 des hartmagnetischen Teils HM2 mit dem magnetoresistiven Effekt durch Durchlassen eines Messstromes zwischen den Elektroden E2 (oder Elektrode E1) und E3 erfassbar, wie oben erwähnt mit Bezug auf 7A und 7B.
  • 16 ist eine schematische Schnittansicht, die ein anderes Beispiel einer Transformation des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform zeigt. Die gleichen Symbole werden für die ähnlichen Elemente angegeben, die oben mit Bezug auf 15 in dieser Figur angegeben wurden, und eine detaillierte Beschreibung wird ausgelassen.
  • In diesem Beispiel einer Transformation sind ein weichmagnetischer Teil SM1 und ein hartmagnetischer Teil HM2 auf der obere bzw. untere Seite des MR-Zwischenteils SP laminiert. Jedoch sind der Spintransfer-Zwischenteil NM1 und der hartmagnetische Teil HM1 seitlich bereitgestellt. Das bedeutet, dass der Spintransfer-Zwischenteil NM1 und der hartmagnetische Teil HM1 aneinander angrenzen und in die Richtung der Filmebene des Gebietes mit weichmagnetischem Teil SM1 angrenzen, ohne in die Richtung einer Dicke laminiert zu sein.
  • Selbst wenn jeder Teil des magnetischen Logikelementes in derartiger Weise angeordnet ist, können die Eingabeoperation durch den spinpolarisierten Strom, wie oben in Bezug auf 6A und 6B erwähnt, und die Ausgabeoperation durch den magnetoresistiven Effekt, wie oben mit Bezug auf 7A und 7B erwähnt, durchgeführt werden.
  • Ferner können, obwohl der MR-Zwischenteil SP als eine einzelne isolierende Schicht gebildet werden kann, der oben erwähnte Effekt mit Bezug auf 8A bis 8D ähnlich durch Bereitstellen eines magnetischen Nanokontaktes P erhalten werden.
  • In den magnetischen Logikelementen dieser Ausführungsform, die in 15 und 16 gezeigt sind, ist eine logische Verarbeitung möglich.
  • 17A bis 17D sind konzeptionelle Diagramme, die die Logikverarbeitung in dem magnetischen Logikelement gemäß dieses Beispiels erklären. Das magnetische Logikelement dieser Ausführungsform bestimmt die Richtung der Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1 gemäß den Eingangssignalen A und B, die durch die Elektroden E2 und E1 entsprechend eingegeben wurden.
  • 17A und 17B zeigen den Fall, bei dem eine logische Produkt-(AND)-Verarbeitung durchgeführt wird. Das bedeutet, dass im Fall, in dem eine logische Produktverarbeitung durchgeführt wird, die Richtung der Magnetisierung M3 des hartmagnetischen Teils HM2 fixiert wird, um parallel zu der Richtung der Magnetisierung M1 des hartmagnetischen Teils HM1 zu sein. Das bedeutet, dass die Richtung von M3 rechtswendig in 17A gemacht wird. Und Signal B wird in eine Elektrode E1 eingegeben, und Signal A wird in eine Elektrode E2 eingegeben. Entsprechend zu Eingangssignal „0" können null Volt (niedrigeres Potential) angelegt werden. Entsprechend einem Eingangssignal „1" wird eine vorbestimmte positive Spannung (höheres Potential) angelegt, die eine Magnetisierungsschaltung bewirken kann. Dann fließt ein Strom gemäß der Kombination dieser angelegten Spannung, und die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischen Teil SM1 wird bestimmt durch die Richtung des Stromes.
  • Als erstes wird es durch Durchlassen eines Elektronenstroms von einer Elektrode E1 zu einer Elektrode E2 initialisiert, so dass sich die Magnetisierung M2 von einleitendem weichmagnetischen Teil SM1 nach rechts drehen kann. Als nächstes wird nur ein Signal A umgekehrt und in die Elektrode E2 eingegeben, während Signal B in die Elektrode E1 in einer Form wie es ist eingegeben wird. Die Ausgaben der Ergebnisse sind wie in der Wahrheitstabelle von 17B gezeigt, und es wird verstanden, dass ein logisches Produkt (AND) realisiert wird.
  • Als nächstes zeigen 17C und 17D das Beispiel, bei dem eine negative logische Produkt-(NAND)-Verarbeitung durchgeführt wird. In diesem Fall wird eine Richtung eines hartmagnetischen Teils HM2 fixiert, um antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung M1 des hartmagnetischen Teils HM1 zu sein. Das bedeutet, die Richtung von M3 wird in 17C linkswendig gemacht. Unter Berücksichtigung der Eingänge, entsprechend Signalen A und B, ist nur Signal A umgekehrt, wie in 17C gezeigt. Die Ausgänge der Ergebnisse werden in der Wahrheitstabelle von 17D gezeigt, und es wird verstanden, dass ein negatives logisches Produkt (NAND) realisiert wird.
  • Als nächstes zeigen 17E und 17F das Beispiel, bei dem eine negative Summen-(NOR)-Verarbeitung durchgeführt wird. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Teils HM2 fixiert, um parallel zu der Richtung der Magnetisierung M1 des hartmagnetischen Teils HM1 zu sein. Das bedeutet, die Richtung von M3 ist in 17 vorher rechtswendig gemacht. Signal A wird in die Elektrode E2 wie es ist eingegeben, während Signal B umgekehrt wird und in die Elektrode E1 eingegeben wird. Die Ausgänge des Ergebnisses sind in der Wahrheitstabelle von 17F gezeigt, und es wird verstanden, dass eine negative logische Summe (NOR) realisiert ist.
  • Ferner zeigen 17G und 17H die Beispiele, bei der eine logische Summen-(OR)-Verarbeitung durchgeführt wird. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Teils HM2 fixiert, um antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung M1 des hartmagnetischen Teils HM1 zu sein. Das bedeutet, die Richtung von M3 ist vorher linkswendig in 17G gemacht. Signal A wird wie es ist an Elektrode E2 eingegeben, während Signal B umgekehrt wird und an der Elektrode E1 eingegeben wird. Die Ausgänge des Ergebnisses werden in der Wahrheitstabelle von 17H gezeigt, und es wird verstanden, dass eine negative logische Summe (NOR) realisiert ist.
  • Wie in 17A bis 17H oben gezeigt, können durch Verwenden der gleichen Elemente vier Arten von logischer Verarbeitung durchgeführt werden.
  • 18A bis 18D sind Diagramme, die ein Beispiel zeigen, bei dem unter Verwenden des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform eine exklusive ODER-(EOR)-Verarbeitung durchgeführt wird.
  • Das bedeutet, EOR Verarbeitung wird erhalten durch Kombinieren von zwei Zellen (10A und 19B) des magnetischen Logikelementes dieser Ausführungsform, das in 15 oder 16 als ein Satz gezeigt ist. In diesem Fall wird die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischen Teil SM1 gemäß Eingangssignalen A bzw. B bestimmt.
  • Signal B wird in Elektrode E1 eingegeben, und Signal A wird in Elektrode E2 eingegeben. Null Volt (niedrigeres Potential) und eine vorbestimmte positive Spannung (höheres Potential) werden in diesem Fall entsprechend der Eingangssignale „0" bzw. „1" angelegt. Dann wird ein Strom gemäß der Kombination von angelegten Spannungen fließen, und die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischen Teil SM1 wird gemäß der Richtung des Stroms bestimmt.
  • Beide Zellen werden durch Durchlassen eines Elektronenstroms von der Elektrode E1 zu der Elektrode E2 initialisiert, so dass die Magnetisierung M2 des weichmagnetischen Teils SM1 sich nach rechts drehen kann. Als nächstes wird Signal A und Signal B in die erste Zelle 10A wie es ist eingegeben (18A), während Signal A und Signal B beide umgekehrt werden und in die zweite Zelle 10B (13C) eingegeben werden.
  • 18B und 18D sind Wahrheitstabellen für die erste und zweite Zelle. Der magnetoresistive Effekt zwischen der weichmagnetischen Schicht SM1 und der hartmagnetischen Schicht HM2 wird durch den MR-Zwischenteil SP als der Ausgang erfasst. Ferner wird, wenn Signal B „0" ist, der Ausgang von der zweiten Zelle 10B gelesen. Anstelle dessen wird, wenn Signal B „1" ist, der Ausgang von der ersten Zelle 10A gelesen. Als ein Ergebnis kann ein exklusives ODER erhalten werden.
  • Andererseits zeigen 19A bis 19D das Beispiel, bei dem eine negative exklusive ODER-(NEOR)-Verarbeitung durchgeführt wird. Hier werden nach Initialisierung der ersten und zweiten Zelle (10A und 10B) ein umgekehrtes Signal A und ein normales Signal B in die erste Zelle 10A eingegeben (19A), während eine normales Signal A und ein umgekehrtes Signal B in die zweite Zelle 10B eingegeben wird (19C).
  • Wie die EOR Verarbeitung, wird der Ausgang von der zweiten Zelle gelesen, wenn Signal B „0" ist. Anstelle dessen wird der Ausgang von der ersten Zelle gelesen, wenn Signal B „1" ist. Folglicherweise kann eine negative exklusive ODER (XNOR) durchgeführt werden. In den in 18 und 19 gezeigten Beispielen sind die Richtungen von HM1 und HM2 parallel. Jedoch kann auch durch geeignetes Verändern der Eingangssignale eine antiparallele zwischen den magnetischen Richtungen von HM1 und HM2 verwendet werden.
  • 20 ist eine schematische Schnittansicht, die die Struktur des magnetischen Logikelementes des Beispiels einer Transformation dieser Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel sind ein hartmagnetischer Teil HM1, ein Spintransfer-Zwischenteil NM1 und ein weichmagnetischer Teil SM1 laminiert, und die Elektrode E2 ist mit dem oberen Ende von weichmagnetischem Teil SM1 verbunden. Ferner sind der MR-Zwischenteil SP und ein hartmagnetischer Teil HM2 auf dem verbleibenden Teil von weichmagnetischem Teil SM1 laminiert, und die Elektrode E3 ist mit dem hartmagnetischen Teil HM2 verbunden. Das Element dieses Beispiels kann auch die gleiche Operation durchführen, wie den in Bezug auf 15 erklärten.
  • 21A und 21B sind schematische Diagramme, die die Struktur des magnetischen Logikelementes eines anderen Beispiels einer Transformation dieser Ausführungsform zeigen. Das bedeutet, 21A zeigt eine Aufsicht, und 21B zeigt die Schnittansicht.
  • In diesem Beispiel einer Transformation durch den MR-Zwischenteil SP werden zwei Strukturen einer dünnen Linie in einer kreuzenden Weise bereitgestellt. In der unteren Struktur einer dünnen Linie sind ein hartmagnetischer Teil HM1, ein Spintransfer-Zwischenteil NM1, ein weichmagnetischer Teil SM1, ein Spintransfer-Zwischenteil NM3 und hartmagnetischer Teil HM3 in dieser Reihenfolge angeordnet. Die dünne Linie auf dem MR-Zwischenteil SP wird aus einem hartmagnetischen Teil HM2 gebildet. Hier ist die Größe des MR-Zwischenteils SP die gleiche wie der überlappende Teil des weichmagnetischen Teils SM1 und des hartmagnetischen Teils HM2, oder muss mehr als das sein. Daher kann der MR-Zwischenteil SP den weichmagnetischen Teil SM1 zusammen überdecken, oder er kann weiter ausgedehnt sein, um den Spintransfer-Zwischenteil NM zu überdecken. Was notwendig ist, ist in der Lage zu sein gerade die Elektroden E1 und E2 zu verbinden.
  • Wie für die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Teils HM3 ist es wünschenswert die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Teils HM1 antiparallel zu haben. Der Spintransfer-Zwischenteil ermöglicht die Magnetisierungsrichtungen des hartmagnetischen Teils HM1 und weichmagnetischen Teils SM1, bzw. die Richtungen des weichmagnetischen Teils SM1 und des hartmagnetischen Teils HM3 antiparallel zu drehen.
  • Wenn Elektronen von E1 nach E2 zu diesem magnetischen Logikelement durchgelassen werden, das Elektroden E1 und E2 verwendet, werden die Magnetisierungsrichtung von weichmagnetischem Teil SM1 die gleiche sein wie die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Teils HM1. Umgekehrt werden, wenn Elektronen von der Elektrode E2 nach E1 durchgelassen werden, eine Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Teils SM1 die gleiche werden wie die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Teils HM3.
  • In dem obigen werden magnetische Logikelemente gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung und Beispiele von logischer Verarbeitung unter Verwenden des magnetischen Logikelementes erklärt, mit Bezugnahme auf 15 bis 21B.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird die dritte Ausführungsform der Erfindung erklärt.
  • 22A und 22B sind schematische Diagramme, die die magnetischen Logikelemente gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen. In diesen Figuren wird die Richtung der magnetischen Anisotropie durch den Pfeil MA gezeigt.
  • Im Fall des in 22A gezeigten Beispiels, sind ein hartmagnetischer Teil (oder eine halbharte Schicht) HM, ein MR-Zwischenteil SP und ein weichmagnetischer Teil SM in dieser Reihenfolge laminiert. Ferner werden Drähte WL1 und WL2 zum Erzeugen eines strommagnetischen Feldes in der Nähe der laminierten Struktur bereitgestellt.
  • In dem Fall des in 22B gezeigten Beispiels sind ein hartmagnetischer Teil (oder eine halbharte Schicht) HM2, ein MR-Zwischenteil SP2 und ein weichmagnetischer Teil SM, MR-Zwischenteil SP1, hartmagnetischer Teil HM2 in dieser Reihenfolge laminiert. Dann werden Drähte WL1 und WL2 zum Erzeugen eines magnetischen Feldes in der Nähe der laminierten Struktur bereitgestellt. Die Drähte WL1 und WL2 durchschneiden die laminierte Struktur.
  • In jedem Fall von 22A und 22B wird die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischem Teil SM durch das synthetische Magnetfeld des durch einen durchgelassenen Stromes zu jedem von zwei kreuzenden Linien WL1 und WL2 erzeugten magnetischen Feldes bestimmt.
  • Ferner wird in einer laminierten Struktur, wie oben mit Bezugnahme auf 7A und 7B erwähnt, die relative Beziehung von Magnetisierungen zwischen dem weichmagnetischen Teil SM und dem hartmagnetischen Teil HM1 (oder HM2) durch den magnetoresistiven Effekt erfasst.
  • Und in dem Fall dieser Ausführungsform werden Richtungen der Ströme, die zu Drähten WL1 und WL2 durchgelassen werden, entsprechend der Eingangssignale A bzw. B bestimmt, und der Umfang der Magnetoresistivität der laminierten Struktur ergibt sich in dem Ausgangssignal C. Zum Beispiel ergeben sich die Richtung der Ströme entsprechend Signal A, die durch den oberen Draht WL1 durchgelassen werden. Das bedeutet, wenn Signal A „0" ist, wird der Strom durch die gehende Richtung in der Figur durchgelassen, und wenn Signal A „1" ist, wird der Strom in eine kommende Richtung durchgelassen.
  • Ferner werden Richtungen des Stroms, der zu dem niedrigeren Draht WL2 durchgelassen wird, Signal B zugewiesen. Zum Beispiel wird, wenn Signal B „0" ist, der Strom in die kommende Richtung durchgelassen, und wenn Signal B „1" ist, wird der Strom in die gehende Richtung durchgelassen.
  • Durch Verwenden eines programmierbaren magnetischen Logikelementes kann ein halbhartes magnetisches Material für den hartmagnetischen Teil HM1 (HM2) verwendet werden. Die Richtung der Magnetisierung M1 (M3) dieser Schicht wird vorher gemäß einer logischen Verarbeitung bestimmt, die durch das strommagnetische Feld durch Verwenden der Drähte WL1 und WL2 durchgeführt werden soll. Das bedeutet, wie für die Richtung der Magnetisierung M1 (M3) der halbharten Schicht HM1 (HM2) kann es vorher programmiert werden, um rechtswendig für „0" und linkswendig für „1" zu sein, wie in 22A und 22B gezeigt.
  • Ferner wird die logische Verarbeitung nach Initialisieren gestartet, so dass die Richtung der Magnetisierung M2 von weichmagnetischem Teil SM in 22A und 22B rechtswendig (nämlich „0") sein kann.
  • In dem Fall eines negativen logischen Produktes (NAND) und eines logischen Produktes (AND) wird die Eingabe jedes der Signale A und B wie es ist eingegeben. In dem Fall einer negativen logischen Summe (NOR) und einer logischen Summe (OR) werden beide Eingangssignale A und B umgekehrt und eingegeben.
  • Tabellen 1 bis 4 zeigen Eingänge und Ausgänge von NAND, AND, OR und NOR Verarbeitung.
  • Ferner werden in dieser Ausführungsform exklusiv ODER (EOR) und seine negative (NEOR) Verarbeitung erhalten, durch Verwenden von zwei Zellen in einem Satz.
  • 23A bis 23D zeigen eine Kombination von zwei Zellen. In 23A und 23C wird die Richtung der magnetischen Anisotropie durch den Pfeil MA gezeigt.
  • Beim Durchführen einer EOR Verarbeitung wird die Magnetisierung M1 (M3) eines hartmagnetischen Teils (Halbhartschicht) HM1 (HM2) rechtswendig gesetzt (nämlich „0"), wie in 24A und 24C gezeigt. Und die Magnetisierung M2 von weichmagnetischen Teil SM wird initialisiert, so dass sie rechtswendig wird. Signale A und B werden ohne sie umzukehren in die erste Zelle 10A (23A) eingegeben. Im Gegensatz dazu werden diese Signal A und B umgekehrt und in die zweite Zelle 10B (23C) eingegeben.
  • Die durch den magnetoresistiven Effekt zwischen dem hartmagnetischen Teil HM1 (HM2) und dem weichmagnetischen Teil SM erhaltenen Ausgangssignale von der ersten und zweiten Zelle sind in 23B bzw. 23D gezeigt.
  • EOR kann durch Lesen der zweiten Zelle 10B durchgeführt werden, wenn Signal B „0" ist, und durch Lesen der ersten Zelle 10A, wenn Signal B „1" ist.
  • Ferner wird NEOR durch Einstellen der Magnetisierung der harten Schicht oder der halbharten Schicht linkswendig (nämlich „1") in 23A und 23C realisiert.
  • (Beispiele)
  • Hiernach werden die Ausführungsformen der Erfindung detaillierter mit Bezugnahme auf die Beispiele erklärt.
  • (Erstes Beispiel)
  • Als erstes wurde als ein erstes Beispiel der Erfindung ein Element CL mit einer Doppeltunnelverbindung hergestellt, das eine in 24 gezeigte Querschnittsstruktur aufweist. Diese Elemente CL waren in der Form einer Anordnung angeordnet, wie in 25 gezeigt. Und der Signaleingang wurde durch das magnetische Feld durch Verwenden der Bitleitung BL und der Wortleitung WL ermöglicht.
  • Zusätzlich war in der in 25 gezeigten Elementanordnung ein Transistor (nicht gezeigt) für eine Zellauswahl für jede Zelle bereitgestellt, und die Wortleitungen wurden zum Auswählen dieser Transistoren gebildet.
  • Der magnetische Körper des Zentrums des Elementes CL, das eine Doppeltunnelverbindung aufweist, ist ein weichmagnetischer Teil SM. Eine Magnetisierung dieser Schicht SM wird gemäß einem Signaleingang durch das durch die Bitleitung BL und die Wortleitung WL gebildete synthetische magnetische Feld verändert.
  • Ferner wurden im voraus gemäß einer durchzuführenden Operationsverarbeitung die Magnetisierungsrichtungen der halbharten Schichten HM1 und HMS oben und unten von Element CL bestimmt. Eine Magnetisierungsschaltung (nämlich Umkehrung einer Magnetisierung) dieser semi-harten Schichten HM1 und HM2 können auch durch Durchlassen eines Stroms zu der Bitleitung BL und der Wortleitung WL durchgeführt werden. Jedoch sind in diesem Fall größere Ströme als ein Magnetisierungsschalten eines weichmagnetischen Teils SM erforderlich. Für dieses mal wird eine Magnetisierung des weichmagnetischen Teils auch gleichzeitig durch das große strommagnetische Feld geschaltet. Da jedoch eine Magnetisierung eines weichmagnetischen Teils SM rechtswendig in 24 zuerst initialisiert ist vor der Operationsverarbeitung, ist das nicht das Problem.
  • Wenn das magnetische Feld unzureichend für ein Schalten der halbharten Schichten HM1 und HM2 ist, kann ein Hilfsleiter wie in 25 gezeigt bereitgestellt werden, ausgedrückt als eine gepunktete Linie, und ein erzeugendes Magnetfeld kann durch Durchlassen eines Stromes zu diesem Hilfsleiter vergrößert werden.
  • Signal A und Signal B werden in dieses Element eingegeben, und die Beziehung zwischen Eingangssignalen A und B und einem Ausgangssignal C wurden an einem Oszilloskop beobachtet. Das Ergebnis ist in 26 gezeigt, mit dem bestätigt wurde, dass eine NAND-Verarbeitung realisiert wurde.
  • (Zweites Beispiel)
  • Als nächstes wurde als ein zweites Beispiel der Erfindung der EOR-Speicher, der eine EOR-Verarbeitung durchführt und aufzeichnet, durch Kombinieren zweier Elemente des oben erwähnten ersten Beispiels hergestellt. Hier wurde eine Magnetisierung der halbharten Schichten HM1 und HM2 rechtswendig in 24 programmiert. Und nach einer Initialisierungsmagnetisierung zuerst rechtswendig eines weichmagnetischen Teils SM wurden Signal A und Signal B in die erste Zelle wie sie waren eingegeben, und beide Signale A und B wurden umgekehrt und in die zweite Zelle eingegeben.
  • Die als das Ergebnis erhaltenen Wahrheitstabellen waren die gleichen wie Tabellen 1 bis 4.
  • Wenn ein Datensignal als ein Signal A eingegeben wird und ein Verschlüsselungsschlüsselsignal als ein Signal B eingegeben wird, können Daten als ein Stromchiffre gesichert werden, durch Verwenden von zwei Elementen, die einem Bit antworten. Eine Reproduktion wird durch Lesen der zweiten Zelle durchgeführt, wenn der Verschlüsselungsschlüssel „0" ist, und durch Lesen der ersten Zelle, wenn der Verschlüsselungsschlüssel „1" ist.
  • (Drittes Beispiel)
  • Als nächstes wird als ein drittes Beispiel der Erfindung das magnetische Logikelement beschrieben, das die Struktur von 5 aufweist. Beide der hartmagnetischen Teile HM1 und HM2 waren Co-Fe Legierungen, und weichmagnetische Teile SM1 und SM2 bestehen aus einer laminierten Struktur, die aus Co-Fe (0,6 nm)/Ni-Fe (0,8 nm)/Co-Fe (0,6 nm) oder Co-Fe (1,5 nm)/Ru (1 nm)/Co-Fe (1,5 nm) besteht.
  • Kupfer von 5 nm Dicke wurde für die Spintransfer-Zwischenteile NM1 und NM2 verwendet, und Aluminium von 1 nm bis 2 nm wurde für den MR-Zwischenteil SP verwendet.
  • Ferner war der Co-Fe Film/PtIrMn Film an der Außenseite von hartmagnetischen Teilen HM1 und HM2 durch eine Ruthenium- (Ru)-Schicht laminiert, um die Magnetisierungen von hartmagnetischen Teilen HM1 und HM2 vollständig zu fixieren.
  • Nach Bilden einer derartigen laminierten Struktur wurden Elementanordnungen mit jeweils einer Elementgröße von (30 nm–150 nm) × (60 nm–300 nm) durch Verwenden einer Mikroherstellungstechnik hergestellt. Um die Elektrode zu setzen wurde der Bereich einiger Schichten der laminierten Struktur innerhalb des Elementes vermindert.
  • Durch die Messungen einer Stromabhängigkeit des Widerstandes wurde bestätigt, dass der Schaltstrom dieser Elemente ungefähr plus minus 1 mA war. Dann wurde die Umkehrspannung berechnet, die zum Umkehren der Magnetisierung erforderlich ist. Und eine Spannung, deren absoluter Wert etwas größer als die Umkehrspannung ist, wurde als das Eingangssignal eines höheren Wertes gesetzt. Und ein Datenschreiben wurde durch Eingaben eines Datensignals durchgeführt, um als Signal A gespeichert zu werden, und durch Eingeben eines Verschlüsselungsschlüsselsignals als Signal B.
  • Als ein Ergebnis wurden Daten als ein Stromchiffre aufgezeichnet, die durch den Verschlüsselungsschlüssel verschlüsselt wurden. Somit wurde ein Speicher mit einer Verschlüsselungsverarbeitungsfunktion realisiert. Nur der Benutzer, der das Verschlüsselungsschlüsselsignal kennt, kann die in diesem Speicher gespeicherten Daten decodieren.
  • (Viertes Beispiel)
  • Als nächste wird als ein viertes Beispiel der Erfindung ein Herstellungsverfahren des magnetischen Elementes der Struktur beschrieben, bei der zwei dünne Linien gekreuzt sind, wie in 14 gezeigt.
  • 27A bis 27D zeigen Aufsichten, die das Herstellungsverfahren des magnetischen Elementes dieses Beispiels zeigen.
  • Als ersten wird der magnetische Film gebildet, der der hartmagnetische Teil HM1, der Spintransfer-Zwischenteil NM1, weichmagnetische Teil SM1, der Spintransfer-Zwischenteil NM3 und der hartmagnetische Teil HM3 wird.
  • Ein Abdecklack wird auf den Film angelegt, und eine dünne Linienmaske wird durch Verwenden eines EB-Zeichnungsequipment gebildet. Und durch Verwenden eines reaktiven Ionen-Ätzequipments wurden Teile verschieden von einer dünnen Linie geätzt, und somit wurde die Linie 100 wie in 27A gezeigt gebildet. Durch Durchführen einer Elektronenstrahlabtastung auf dieser dünne Linie auf den in 27A gezeigten Leitungen L1 und L2 wurden die Spintransfer-Zwischenteile NM1 und NM2 gebildet, die aus einem Kristallverschlechterungsteil gebildet wurden, wie in 27B gezeigt.
  • Als nächstes wurden, wie in 27C gezeigt, der MR-Zwischenteil SP auf die dünne Linie 100 laminiert. Und die magnetische Schicht 110 für einen hartmagnetischen Teil HM2, der Spintransfer-Zwischenteil NM2, ein weichmagnetischer Teil SM2, der Spintransfer-Zwischenteil NM4 und der hartmagnetische Teil HM4 wurde ferner auf ihr gebildet. Und diese magnetische Schicht 110 wurde in einer Linie durch das gleiche Verfahren gebildet, das oben in Bezug auf 27A erwähnt wurde. Für dieses mal wurde die Richtung der dünnen Linie 120 eingestellt, so dass sie im wesentlichen senkrecht zu der Linie 100 werden kann.
  • Um die Magnetisierungsrichtungen des hartmagnetischen Teils HM1 und auch HM4 zu erstellen, weisen sie die gleiche Richtung auf, und der hartmagnetische Teil HM3 und auch HM2, HM3 und HM2 weisen die gleiche Richtung antiparallel auf, wobei PtMn Pads direkt auf die hartmagnetischen Teile HM3 und HM2 laminiert wurden. Der PtMn Pad wurde durch den Ru-Film (ungefähr 1 nm Dicke) in den hartmagnetischen Teilen HM3, HM2 laminiert. Und schließlich wurden Verdrahtungen gebildet.
  • Durch das oben erklärte Verfahren kann das magnetische Logikelement, das zwei kreuzende dünne Linien aufweist, mit einer Breite von 50 nm durch den MR-Zwischenteil SP gebildet werden.
  • Hiernach wurde die Ausführungsform der Erfindung erklärt mit Bezugnahme auf ein Beispiel. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
  • Zum Beispiel kann Material, Form und Dicke jeder Schicht von dem magnetischen Logikelement gemäß der Erfindung durch den Fachmann innerhalb der bekannten Techniken geeignet ausgewählt werden, um die Erfindung wie in der Beschreibung gelehrt auszuführen und äquivalente Effekte zu erhalten.
  • Ebenso kann jede dieser Schichten des magnetischen Logikelementes der Erfindung als eine einzelne Schicht gebildet werden oder eine mehrschichtige Struktur aufweisen.
  • Obwohl die in den Figuren gezeigten laminierten Strukturen als Beispiele erwähnt wurden und hinsichtlich einer Erklärung einer Logik einer Operation erklärt wurden, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können, wie in 14, 21, etc. beschrieben, Logikoperationen ähnlich ausgeführt werden, solange die Elemente eine äquivalente Topologie aufweisen, und diese Elemente sind auch in den Bereich der Erfindung eingeschlossen. Zusätzlich kann die Form des Elementes, die Eingabeform des Eingangssignals und die Ausgabeform des Ausgangssignals ebenso durch den Fachmann modifiziert werden.
  • Ferner wird der Fachmann in der Lage sein, auch betreffend der magnetischen Logikelementanordnung gemäß der Erfindung, die Erfindung durch geeignetes Auswählen eines Materials oder einer Struktur innerhalb der bekannten Techniken auszuführen.
  • Während die vorliegende Erfindung in Form der Ausführungsformen offenbart wurde, um ein Verständnis dessen zu erleichtern, sollte gewürdigt werden, dass die Erfindung auch auf verschiedene Weisen verkörpert werden kann, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung als alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen zu den gezeigten Ausführungsformen einschließend verstanden werden, die verkörpert werden können, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzurücken, wie in den anhängigen Ansprüchen ausgeführt ist.
  • (Tabelle 1) NAND
    Figure 00510001
  • (Tabelle 2) AND
    Figure 00510002
  • (Tabelle 3) OR
    Figure 00510003
  • (Tabelle 4) NOR
    Figure 00510004

Claims (17)

  1. Magnetisches Logikelement, umfassend: ein erstes hartmagnetisches Teil (HM1) mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in einer ersten Richtung magnetisch verankert ist; ein zweites hartmagnetisches Teil (HM2) mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in einer zweiten Richtung magnetisch verankert ist; ein erstes weichmagnetisches Teil (SM1), das zwischen dem ersten und zweiten hartmagnetischen Teil vorgesehen ist und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist; ein erstes Spintransfer-Zwischenteil (NM1), das zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil und dem ersten weichmagnetischen Teil vorgesehen ist; und ein magnetoresistives oder MR-Zwischenteil (SP), das zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) vorgesehen ist; dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Logikelement ferner umfasst eine Steuereinheit, die einen ersten Schreibstrom zwischen das erste hartmagnetische Teil und das erste weichmagnetische Teil (SM1) in Übereinstimmung mit einer Kombination eines ersten Logikeingangssignals und eines zweiten Logikeingangssignals leitet, zum Ausrichten einer Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in einer zu der ersten Richtung im wesentlichen parallelen oder antiparallelen Richtung, wobei die Steuereinheit eine Logikausgangsgröße basierend auf einem relativen Verhältnis der Magnetisierungsrichtungen der zweiten und dritten ferromagnetischen Substanz liest, durch Leiten eines Messstroms zwischen das weichmagnetische Teil und das zweite hartmagnetische Teil.
  2. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 1, wobei ein spinpolarisierter Elektronenstrom in dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) fließt, durch Hindurchleiten des ersten Schreibstroms, und die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz durch den ersten spinpolarisierten Elektronenstrom in eine parallele oder antiparallele Richtung ausgerichtet wird.
  3. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 1, wobei ein von dem Messstrom gemessener Widerstand je nach dem relativen Verhältnis der Magnetisierungsrichtungen der zweiten und dritten ferromagnetischen Substanz variiert.
  4. Magnetisches Logikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: ein zweites weichmagnetisches Teil (SM2), das zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem MR-Zwischenteil (SP) vorgesehen ist und eine vierte ferromagnetische Substanz aufweist; und ein zweites Spintransfer-Zwischenteil (NM2), das zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem zweiten weichmagnetischen Teil (SM2) vorgesehen ist.
  5. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 4, wobei ein spinpolarisierter Elektronenstrom in dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) fließt, durch Hindurchleiten des ersten Schreibstroms, und die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz durch den ersten spinpolarisierten Elektronenstrom in eine parallele oder antiparallele Richtung ausgerichtet wird.
  6. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 4, wobei ein von dem Messstrom gemessener Widerstand je nach dem relativen Verhältnis der Magnetisierungsrichtungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanz variiert.
  7. Magnetisches Logikelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuereinheit einen ersten Schreibstrom zwischen das erste hartmagnetische Teil (HM1) und das erste weichmagnetische Teil (SM1) in Übereinstimmung mit einem ersten Logikeingangssignal leitet, zum Ausrichten einer Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in einer zu der ersten Richtung im wesentlichen parallelen oder antiparallelen Richtung, wobei ferner die Steuereinheit einen zweiten Schreibstrom zwischen das zweite hartmagnetische Teil (HM2) und das zweite weichmagnetische Teil (SM2) in Übereinstimmung mit einem zweiten Logikeingangssignal leitet, zum Ausrichten der Magnetisierung der vierten ferromagnetischen Substanz in einer zu der zweiten Richtung im wesentlichen parallelen oder antiparallelen Richtung, und wobei ferner die Steuereinheit eine Logikausgangsgröße basierend auf einem relativen Verhältnis der Magnetisierungsrichtungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanz liest, durch Leiten eines Messstroms zwischen das erste und zweite weichmagnetische Teil.
  8. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 7, wobei ein erster spinpolarisierter Elektronenstrom in dem ersten weichmagnetischen Teil fließt, durch Hindurchleiten des ersten Schreibstroms, und die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz durspinpolarisiech den ersten rten Elektronenstrom in eine parallele oder antiparallele Richtung ausgerichtet wird, und wobei ein zweiter spinpolarisierter Elektronenstrom in dem zweiten weichmagnetischen Teil (SM2) fließt, durch Hindurchleiten des zweiten Schreibstroms, und die Magnetisierung der vierten ferromagnetischen Substanz durch den zweiten spinpolarisierten Elektronenstrom in eine parallele oder antiparallele Richtung ausgerichtet wird.
  9. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 7, wobei ein von dem Messstrom gemessener Widerstand je nach dem relativen Verhältnis der Magnetisierungsrichtungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanz variiert.
  10. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 7, wobei das MR-Zwischenteil (SP) aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
  11. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 7, wobei ein magnetischer Nanokontakt mit einem Abschnitt, der sich aus dem angrenzenden hartmagnetischen Teil und/oder weichmagnetischen Teil heraus erstreckt, in der MR-Zwischenschicht gebildet ist.
  12. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 7, wobei die dritte und vierte ferromagnetische Substanz weichmagnetischer sind als die erste und zweite ferromagnetische Substanz.
  13. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 7, ferner umfassend ein antiferromagnetisches Teil, welches eine magnetische Austauschverschiebung an mindestens eine der ersten und zweiten ferromagnetischen Substanz anlegt.
  14. Magnetisches Logikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit eine erste Spannung an das erste hartmagnetische Teil oder das erste weichmagnetische Teil (SM1) anlegt, in Übereinstimmung mit einem ersten Logikeingangssignal, und eine zweite Spannung an das andere des ersten hartmagnetischen Teils (HM1) und des ersten weichmagnetischen Teils (SM1) anlegt, in Übereinstimmung mit einem zweiten Eingangssignal, und durch eine Differenz zwischen der ersten und zweiten Spannung ein Schreibvorgang erzeugt wird, der die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in einer zu der ersten Richtung im wesentlichen parallelen oder antiparallelen Richtung ausrichtet, und wobei die Steuereinheit eine Logikausgangsgröße basierend auf einem relativen Verhältnis zwischen der zweiten Richtung und der Magnetisierungsrichtung der dritten ferromagnetischen Substanz liest, durch Leiten eines Messstroms zwischen das weichmagnetische Teil (SM) und das zweite hartmagnetische Teil (HM2).
  15. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 14, wobei ein spinpolarisierter Elektronenstrom in dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) fließt, durch Hindurchleiten des Schreibstroms, und die Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz durch den ersten spinpolarisierten Elektronenstrom in eine parallele oder antiparallele Richtung ausgerichtet wird.
  16. Magnetisches Logikelement nach Anspruch 14, wobei ein von dem Messstrom gemessener Widerstand je nach dem relativen Verhältnis zwischen der zweiten Richtung und der Magnetisierungsrichtung der dritten ferromagnetischen Substanz variiert.
  17. Magnetische Logikelement-Anordnung, umfassend: eine Vielzahl magnetischer Logikelement-Zellen, wobei jede der Zellen aufweist: ein erstes hartmagnetisches Teil (HM1) mit einer ersten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in einer ersten Richtung magnetisch verankert ist; ein zweites hartmagnetisches Teil (HM2) mit einer zweiten ferromagnetischen Substanz, die im wesentlichen in einer zweiten Richtung magnetisch verankert ist; ein magnetoresistives oder MR-Zwischenteil (SP), das zwischen dem ersten und zweiten hartmagnetischen Teil (HM1, HM2) vorgesehen ist; ein erstes weichmagnetisches Teil (SM1), das zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem MR-Zwischenteil (SP) vorgesehen ist und eine dritte ferromagnetische Substanz aufweist; ein zweites weichmagnetisches Teil (SM2), das zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem MR-Zwischenteil (SP) vorgesehen ist und eine vierte ferromagnetische Substanz aufweist; ein erstes Spintransfer-Zwischenteil (NM1), das zwischen dem ersten hartmagnetischen Teil (HM1) und dem ersten weichmagnetischen Teil (SM1) vorgesehen ist; und ein zweites Spintransfer-Zwischenteil (NM2), das zwischen dem zweiten hartmagnetischen Teil (HM2) und dem zweiten weichmagnetischen Teil (SM2) vorgesehen ist; und eine Steuereinheit, die eine bestimmte der magnetischen Logikelement-Zellen auswählt, wobei die Steuereinheit einen ersten Schreibstrom zwischen das erste hartmagnetische Teil und das erste weichmagnetische Teil der einen bestimmten Zelle leitet, in Übereinstimmung mit einem ersten Logikeingangssignal, zum Ausrichten der Magnetisierung der dritten ferromagnetischen Substanz in einer zu der ersten Richtung im wesentlichen parallelen oder antiparallelen Richtung, wobei die Steuereinheit einen zweiten Schreibstrom zwischen das zweite hartmagnetische Teil (HM2) und das zweite weichmagnetische Teil (SM2) der einen bestimmten Zelle leitet, in Übereinstimmung mit einem zweiten Logikeingangssignal, zum Ausrichten der Magnetisierung der vierten ferromagnetischen Substanz in einer zu der zweiten Richtung im wesentlichen parallelen oder antiparallelen Richtung, und wobei die Steuereinheit eine Logikausgangsgröße basierend auf einem relativen Verhältnis der Magnetisierungsrichtungen der dritten und vierten ferromagnetischen Substanz liest, durch Leiten eines Messstroms zwischen das erste und zweite weichmagnetische Teil (SM1, SM2) der einen bestimmten Zelle.
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