[go: up one dir, main page]

JP6801711B2 - 交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子 - Google Patents

交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子 Download PDF

Info

Publication number
JP6801711B2
JP6801711B2 JP2018521794A JP2018521794A JP6801711B2 JP 6801711 B2 JP6801711 B2 JP 6801711B2 JP 2018521794 A JP2018521794 A JP 2018521794A JP 2018521794 A JP2018521794 A JP 2018521794A JP 6801711 B2 JP6801711 B2 JP 6801711B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
antiferromagnetic
region
exchange bias
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018521794A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017213261A1 (ja
Inventor
竜雄 柴田
竜雄 柴田
智生 佐々木
智生 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Publication of JPWO2017213261A1 publication Critical patent/JPWO2017213261A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6801711B2 publication Critical patent/JP6801711B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/40—Devices controlled by magnetic fields
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Materials of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Description

本発明は、交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子に関する。
本願は、２０１６年６月１０日に、日本に出願された特願２０１６−１１６６７７号、及び、２０１６年１２月２日に、日本に出願された特願２０１６−２３５４５４号、に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型メモリ例えば、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）、ＲｅＲＡＭ（Resistance Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（Phase Change Random Access Memory）などが注目されている。
メモリの高密度化（大容量化）の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法の他に、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法があり、様々な多値化方法が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
ＭＲＡＭの一つに、磁壁駆動型あるいは磁壁移動型と呼ばれるものである（例えば、特許文献４）。磁壁駆動型ＭＲＡＭは、電流を磁壁駆動層（磁化自由層）の面内方向に流し、スピン偏極電子によるスピントランスファー効果によって磁壁を移動させ、強磁性膜の磁化を書き込み電流の方向に応じた向きに反転させることでデータ書き込みを行うものである。
特許文献４には、磁壁駆動型ＭＲＡＭについて、多値記録やアナログ記録の方法について記載されている。
ＭＲＡＭでは、データの異なる書き込み方法が提案されている。例えば、磁壁駆動型ＭＲＡＭ以外にも、磁場書き込み型ＭＲＡＭ、ヨーク磁場書き込み型ＭＲＡＭ、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）型ＭＲＡＭ、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque）型ＭＲＡＭなどが知られている。
特開２０１５−０８８６６９号公報 国際公開第２００９／０７２２１３号 特開２０１６−００４９２４号公報 国際公開第２００９／１０１８２７号 国際公開第２００９／０５４１８０号
P.Wadley, Science 351 (2016) 587. T. Shiino et.al., Phys.Rev.Lett. 117, 087203 (2016).
しかしながら、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭでは、読み出し時に磁壁駆動層（磁化自由層）の面内方向に電流を流す必要がある。そのため、読み出し時に流した電流によって磁壁駆動層の磁壁が移動してしまう可能性がある。磁壁が、磁壁駆動層（磁化自由層）と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に移動してしまうと、磁壁駆動型ＭＲＡＭにおいて信号が最終的には０か１のデジタルの信号となり、アナログメモリとして使用することは困難であった。逆に、磁壁が、平面視して、磁壁駆動層（磁化自由層）と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化するなどの問題があった。
また、磁壁駆動型ＭＲＡＭでは、情報の記録のために磁壁を利用しているため、素子に外部磁場が印可されると記録された情報が消えてしまう場合があるという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外部磁場に対する耐環境性が高く、アナログ記録データを安定的に読み出すことができる交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子および交換バイアス利用型磁気メモリを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）本発明の一態様に係る交換バイアス利用型磁化反転素子は、第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、前記第１領域に接合する第１電極層と、前記第２領域に接合する第２電極層と、を備える。
（２）上記（１）に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層が閃亜鉛構造を有する反強磁性材料を含んでもよい。
（３）上記（１）に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層がＣｕＭｎＡｓ、Ｍｎ２Ａｕのいずれかの反強磁性材料を含んでもよい。
（４）上記（１）に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層が、前記磁気結合層に接合する側から反強磁性層と、該反強磁性層に接合し、電流が流れることにより純スピン流が発生する非磁性金属層と、を有してもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記第３領域の、前記磁気結合層が設置された面の反対側の面に、平面視して前記磁気結合層と重なる位置に設置された下部電極層を備えてもよい。
（６）上記（５）に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層と前記下部電極層との間に高抵抗層を備えてもよい。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層は、第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量を与えた際に、第１ドメインのみ又は第２ドメインのみになる両端の近傍において、前記負荷量に対する前記比率の変化率が不連続に変化する材料からなってもよい。
（８）上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層は、第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量を与えた際に、第１ドメインのみ又は第２ドメインのみになる両端の近傍における前記負荷量に対する前記比率の変化率が、前記両端の間の変化率に比べて小さい材料からなってもよい。
（９）上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層に接合する前記第１電極層及び前記第２電極層が互いに逆向きの磁化を有する強磁性体材料からなってもよい。
（１０）上記（９）に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層に接合する前記第１電極層及び前記第２電極層の少なくとも一方が第一強磁性層と中間層と第二強磁性層とが積層された合成反強磁性構造からなってもよい。
（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子において、前記反強磁性駆動層の長軸の長さが６０ｎｍ以上であり、前記第１電極層の、前記磁気結合層から最も近い位置と、前記第２電極層の、前記磁気結合層から最も近いとの間の距離が６０ｎｍ以上であってもよい。
（１２）本発明の一態様に係る交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子は、上記（１）〜（１１）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子と、前記磁気結合層に接合する非磁性層と、前記非磁性層に結合する磁化固定層とを備える。
（１３）上記（１２）に記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、前記磁気結合層および前記磁化固定層の磁化容易軸は積層方向に垂直であってもよい。
（１４）上記（１２）又は（１３）のいずれかに記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、前記磁気結合層が、前記非磁性層側から順に磁気抵抗効果層と軟磁性層とを含む積層構造を有し、前記磁気抵抗効果層がＣｏＦｅＢを含む材料からなってもよい。
（１５）上記（１２）〜（１４）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、前記第１電極層又は前記第２電極層のいずれか一方にバイポーラ素子が接続されていてもよい。
（１６）本発明の一態様に係る交換バイアス利用型磁気メモリは、上記（１２）〜（１５）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁化反転素子を複数備えている。
（１７）上記（１６）に記載の交換バイアス利用型磁気メモリは、読み出し時に、前記磁化固定層と、前記第３領域の、前記磁気結合層が設置された面の反対側の面に、平面視して前記磁気結合層と重なる位置に設置された下部電極層との間の抵抗変化を読み出す機構を備えていてもよい。
（１８）本発明の一態様に係る不揮発性ロジック回路は、上記（１２）〜（１５）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子がアレイ状に配置された交換バイアス利用型磁気メモリと、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として前記交換バイアス利用型磁気メモリ及び前記ＳＴＴ−ＭＲＡＭを備えてなる。
（１９）本発明の一態様に係る磁気ニューロン素子は、上記（１２）〜（１５）のいずれか一つに記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子を備え、前記反強磁性駆動層の前記第３領域が長手方向に並ぶ、第１記憶部と該第１記憶部を挟む第２記憶部および第３記憶部とからなり、前記第１記憶部、前記第２記憶部および前記第３記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えている。
本発明の交換バイアス利用型磁化反転素子によれば、外部磁場に対する耐環境性が高く、アナログ記録データを安定的に読み出すことができる交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子および交換バイアス利用型磁気メモリを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る交換バイアス利用型磁化反転素子の一例の断面模式図である。 本発明の他の実施形態に係る交換バイアス利用型磁化反転素子の一例の例の断面模式図である。 スピンホール効果について説明するための模式図である。 本発明の一実施形態に係る交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。 従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。 従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子において、磁壁の移動方法を説明するための断面模式図である。 図６Ａと逆向きに磁壁を移動させる磁壁の移動方法を説明するための断面模式図である。 反強磁性駆動層のドメインの割合（比率）と磁気結合層の磁化の向きの変化を説明するための模式図であり、（ａ）はドメイン比が１００：０、（ｂ）はドメイン比が５０：５０、（ｃ）はドメイン比が０：１００の場合である。 反強磁性駆動層の２種類のドメインを説明するための断面模式図である。 （ａ）は、反強磁性駆動層、磁気結合層、非磁性層、磁化固定層の積層部分を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、２種類のドメインの割合と素子を垂直に流れる電流の抵抗値との関係を示すグラフである。 第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量を与えた際、その負荷量と抵抗値との関係を示すグラフであり、図１０Ａは反強磁性駆動層が核生成タイプの場合のものである。 第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量を与えた際、その負荷量と抵抗値との関係を示すグラフであり、図１０Ｂは反強磁性駆動層がドメイン壁移動タイプの場合のものである。 本発明の他の実施形態に係る交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。 本発明の他の実施形態に係る交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。 本発明の他の実施形態に係る交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。 本発明の交換バイアス利用型磁気メモリ中のセルの要部の断面模式図である。 本発明の交換バイアス利用型磁気メモリの回路構造の一例を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ニューロン素子の一例の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳の概念を示す図である。
以下、本発明について、図面を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。
（交換バイアス利用型磁化反転素子）
図１は、本発明の一実施形態に係る交換バイアス利用型磁化反転素子の一例の断面模式図である。
図１に示す交換バイアス利用型磁化反転素子１０は、第１領域１ａおよび第２領域１ｂとそれらの領域の間に位置する第３領域１ｃとからなる反強磁性駆動層１と、第３領域１ｃに反強磁性駆動層１に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層２と、第１領域１ａに接合した第１電極層５と、第２領域１ｂに接合した第２電極層６と、を備える。
ここで、本発明において「反強磁性駆動層」とは、磁気結合層に磁気的に結合する反磁性体層を含んだ層である。また、「反強磁性駆動層」とは、反磁性体層だけからなる場合に限らず、後述するにその反磁性体層とこの反磁性体層に純スピン流を拡散させられる非磁性金属層とからなる積層構造である場合（図３参照）も含む。
反強磁性駆動層１は、閃亜鉛構造（Zincblende構造）を有する反強磁性材料を含む構成（以下、「構成Ａ」という場合がある）とすることができる。閃亜鉛構造を有する反強磁性材料は結晶構造の空間反転対称性が破れているため、磁気対称性の上では空間反転対称性と時間反転対称性が共に破れている材料である。このような材料を用いた場合、反強磁性駆動層に電流を流すことによって、反強磁性駆動層中の副格子磁化の向きが異なる２種類のドメインの割合（比、比率）を変えることができる。その結果、その上に形成された磁気結合層の磁化の向きを制御できる。
反強磁性駆動層１は、ＣｕＭｎＡｓ、Ｍｎ２Ａｕのいずれかの反強磁性材料を含む構成（以下、「構成Ｂ」という場合がある）とすることができる。ＣｕＭｎＡｓおよびＭｎ２Ａｕは空間の反転対称性はあるが、磁気対称性を考えた場合、時間と空間の反転対称性が破れているため、反強磁性駆動層に電流を流すことによって、反強磁性駆動層中の副格子磁化の向きが異なる２種類のドメインの割合を変えることができる。その結果、その上に形成された磁気結合層の磁化の向きを制御できる。また、磁気転移温度が室温よりも高いので、室温で駆動するデバイスとして利用することが可能である。
反強磁性駆動層１は、図２に示すように、磁気結合層２に接合する側から反強磁性層１Ａと、反強磁性層１Ａに接合し、電流が流れることにより純スピン流が発生する非磁性金属層１Ｂと、を有する構成（以下、「構成Ｃ」という場合がある）とすることができる。非磁性金属層１Ｂは、電流が流れることにより純スピン流が発生する構成である。従って、非磁性金属層１Ｂ中に電流を流してスピン流を発生させ、このスピン流が反強磁性層１Ａに注入されることで、反強磁性層１Ａの２種類のドメインの割合が変わり、その上に形成された磁気結合層の磁化の向きを制御できる。
反強磁性層１Ａは、磁気結合層２に接合する面においてスピンの向きが揃ったドメインができるようにスピンが配置する構成であることを要する。この点を図２を用いて説明する。図２の反強磁性層１Ａの側面ではスピンの向きが交互に逆向きになっているが、仮にこの側面が磁気結合層２に接合する面となると、２種類のドメインの比が変化できない。そのため、図２に示すように、反強磁性層１Ａは、磁気結合層２に接合する面にスピンの向きが揃ったドメインができるようにスピンが配置する構成とする（結晶面を出す）必要がある。
反強磁性層１Ａの材料としては、構成Ａや構成Ｂの材料の他、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＲｈＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＰｄＭｎなどの合金、またはＰｄ2ＭｎＧａ、Ｍｎ2ＶＡｌ、Ｎｉ2ＭｎＡｌ、ＭｎＮなどの反強磁性ホイスラー合金、あるいは低抵抗になるようにドープしたＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などの酸化物を用いることができる。
反強磁性駆動層１の長軸の長さは６０ｎｍ以上であり、第１電極層５の、磁気結合層２から最も近い位置と、第２電極層６の、磁気結合層２から最も近いとの間の距離が６０ｎｍ以上であることが好ましい。
ドメインの壁の厚みは数十ｎｍ程度であり、反強磁性駆動層内に２つ以上のドメインを含むことができるからである。
この非磁性金属層１Ｂとしては、電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が発生する（生成される）材料を含む。かかる材料としては、非磁性金属層１Ｂ中に純スピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
図３は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図３に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
図３に示すように、非磁性金属層１Ｂの延在方向に電流Ｉを流すと、上向きスピンＳ＋と下向きスピンＳ−はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では上向きスピンＳ＋の電子数と下向きスピンＳ−の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう上向きスピンＳ＋の電子数と下方向に向かう下向きスピンＳ−の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
これに対して、強磁性体中に電流を流した場合にも上向きスピン電子と下向きスピン電子が互いに反対方向に曲げられる点は同じである。一方、強磁性体中では上向きスピン電子と下向きスピン電子のいずれかが多い状態であるため、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう（電圧が発生してしまう）点で異なる。従って、非磁性金属層１Ｂの材料としては、強磁性体だけからなる材料は含まれない。
ここで、上向きスピンＳ＋の流れをＪ↑、下向きスピンＳ−の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。図３においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。
図３において、非磁性金属層１Ｂの上面に反強磁性層１Ａを接触させると、純スピン流は反強磁性層１Ａ中に拡散して流れ込むことになる。
非磁性金属層１Ｂに電流を流して純スピン流を生成し、その純スピン流が非磁性金属層１Ｂに接する反強磁性層１Ａに拡散する構成とすることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）効果で２種類のドメインの比の制御に寄与するものである。
非磁性金属層１Ｂは、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。非磁性金属層１Ｂは、非磁性の重金属だけからなってもよい。
この場合、非磁性の重金属は内殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。非磁性金属層１Ｂは、内殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対して、内殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。
また、非磁性金属層１Ｂは、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、非磁性金属層１Ｂに流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。
スピン軌道相互作用は非磁性金属層１Ｂ材料の物質の固有の内場によって生じるため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。非磁性金属層１Ｂ材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比は非磁性金属層１Ｂにおける純スピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
また、非磁性金属層１Ｂは、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。非磁性金属層１Ｂは、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率で生成することができる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率でスピン流を生成することが可能である。
第１電極層５及び第２電極層６は強磁性体材料とすることができる。例えば、上述の構成Ａ、構成Ｂ及び構成Ｃにおいて、第１電極層５及び第２電極層６の材料を、互いに逆向きの磁化を有する強磁性体とすることにより、初期状態において単一のドメインの場合であっても２種類のドメインを形成することができる。
一方、第１電極層５及び第２電極層６は一般的な電極材料を用いることができる。例えば、上述の構成Ｃにおいて、書き込みの際、第１電極層５あるいは第２電極層６を通って反強磁性駆動層１の非磁性金属層に流れた電流は純スピン流を発生し、その純スピン流が反強磁性層１Ａに拡散して磁壁ＤＷを移動させて書き込みが可能となる（非特許文献２参照）。
本発明の交換バイアス利用型磁化反転素子において、磁気結合層の磁化を反転させて２種類のドメインの割合を変える方法については、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子の説明において詳述する（図７及び図９参照）。
磁気結合層の磁化を反転させて２種類のドメインの割合はデジタル的に変えることもできるし、アナログ的に変えることもできる。従って、本発明の交換バイアス利用型磁化反転素子は、デジタル的に動作する素子としても、アナログ的に動作する素子としても用いることができる。
以下では、本発明の交換バイアス利用型磁化反転素子の適用例として、主に磁気抵抗効果素子に適用した場合を例に挙げて説明する。用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、交換バイアス利用型磁化反転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができる。また、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印可する磁場を交換バイアス利用型磁化反転素子に置き換えてもよい。
（交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子）
図４は、本発明の一実施形態に係る交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。
図４に示す交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子１００は、第１領域１ａおよび第２領域１ｂとそれらの領域の間に位置する第３領域１ｃとからなる反強磁性駆動層１と、第３領域１ｃにおいて、反強磁性駆動層１に磁気的に結合した磁気結合層２と、磁気結合層２に接合した非磁性層３と、非磁性層３に接合した磁化固定層４と、第１領域１ａに接合した第１電極層５と、第２領域１ｂに接合した第２電極層６と、を備える。
交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子１００は、本発明の交換バイアス利用型磁化反転素子と、磁気結合層２に接合した非磁性層３と、非磁性層３に接合した磁化固定層４と、を備えるということもできる。
図４において、各層の積層方向すなわち、各層の主面に直交する方向（面直方向）をＺ方向として定義している。各層はＺ方向に直交するＸＹ面に平行に形成されている。
なお、磁化固定層とは、書き込み電流を用いた書き込み前後において磁化方向が変化しない（磁化が固定されている）層の意味であり、それを満たす層であれば、特に限定なく用いることができる。
反強磁性駆動層１の長軸の長さは６０ｎｍ以上であり、第１電極層５の、磁気結合層２から最も近い位置と、第２電極層６の、磁気結合層２から最も近いとの間の距離が６０ｎｍ以上であることが好ましい。
ドメインの壁の厚みは数１０ｎｍ程度であり、反強磁性駆動層内に２つ以上のドメインを含むことができるからである。
本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子におけるデータの書き込み、及び、読み出しの原理を説明する。
従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭの各素子では、記録データの保持を強磁性材料からなる磁壁駆動層が担っており、外部磁場による記録データが書き換えられる可能性がある。これに対して、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子は、記録データの保持を反強磁性材料からなる反強磁性駆動層が担っているが、反強磁性材料中では互いに打ち消し合うスピンが同数存在して全体として磁化を有さないため、強磁性材料に比べて磁場による外部擾乱に対して強い、すなわち、外部磁場で記録データが書き換えられにくいという利点を有する。
まず、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭについて説明する。
ＭＲＡＭは、ＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）効果やＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）効果などの磁気抵抗効果を利用する磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える。磁気抵抗効果素子は例えば、非磁性層を介して２層の強磁性層が積層された積層構造を有するものである。２層の強磁性層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）と、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。磁気抵抗効果素子の電気抵抗の値は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが反平行であるときの方が、それらが平行であるときよりも大きい。ＭＲＡＭのメモリセルである磁気抵抗効果素子では、この抵抗値の大きさの差を利用して磁化が平行の状態をデータ“０”に、反平行の状態をデータ“１”に対応づけることにより、データを不揮発的に記憶される。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子を貫通するように（積層構造を貫くように）読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子の抵抗値を測定することにより行なわれる。一方、データの書き込みは、スピン偏極電流を流して磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
現在主流のデータの書き込み方式として、スピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）を利用した「ＳＴＴ方式」が知られている。ＳＴＴ方式では、磁化自由層にスピン偏極電流が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと磁化自由層の磁気モーメントとの間の相互作用によって、磁化自由層にトルクが発生し、トルクが十分大きい場合に磁化が反転する。この磁化反転は電流密度が大きいほど起こりやすくなるため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込み電流を低減させることが可能となる。
また、ＳＴＴ方式として、磁気抵抗効果素子を貫通するように書き込み電流を流す方式（例えば、特許文献１）と、磁気抵抗効果素子を貫通させず、磁化自由層の面内方向に書き込み電流を流す方式（例えば、特許文献４）とが知られている。
前者の方式では、磁化固定層と同じスピン状態を有するスピン偏極電子が磁化固定層から磁化自由層へ供給される、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれる。その結果、スピントランスファー効果により、磁化自由層の磁化が反転する。このように、磁気抵抗効果素子を貫通する書き込み電流の方向により、磁化自由層の磁化方向を規定することができる。
一方、後者の方式について図５を参照して説明する。図５は、従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。
図５に示す磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子は、磁壁ＤＷを有し、第１領域１１ａおよび第２領域１１ｂとそれらの領域の間に位置する第３領域１１ｃとからなる磁壁駆動層（磁化自由層）１１と、第３領域において、非磁性層１６を介して設置された磁化固定層１５と、第１領域１１ａに接し、第１の磁化の向きを有する第１磁壁供給層１２と、第２領域１１ｂに接し、第１の磁化の向きと逆向きの第２の磁化の向きを有する第２磁壁供給層１３と、を備えている。
図５において、矢印Ｍ１、矢印Ｍ２および矢印Ｍ３は各層の磁化の向きを示しており、矢印Ｍ４および矢印Ｍ５はそれぞれ、磁壁駆動層１１のうち、磁壁ＤＷを境界として第１磁壁供給層１２側の部分の磁化の向き、磁壁ＤＷを境界として第２磁壁供給層１３側の部分の磁化の向きを示すものである。
図５に示す従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子において、データの書き込みは磁化自由層１１内に形成される磁壁ＤＷを移動させることによって行われる。磁壁駆動層１１は磁化が互いに略反平行に固定された第１領域１１ａと第２領域１１ｂと、第１領域１１ａと第２領域１１ｂとの間に位置する第３領域１１ｃを有し、第３領域１１ｃの磁化は第１領域１１ａか第２領域１１ｂのいずれかと略平行方向となる。このような磁化状態の制約によって、磁壁駆動層１１内には磁壁が導入される。磁壁は、磁壁駆動層１１内に電流を流すことによってその位置を移動させることができる。
例えば、図６Ａの点線で示す向きに、第２磁壁供給層１３から磁壁駆動層１１へさらに第１磁壁供給層１２へと電流を流すと、伝導電子は電流の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第１磁壁供給層１２から電子が磁壁駆動層１１へ入ると、電子は第１磁壁供給層１２及び磁壁駆動層１１の第１磁壁供給層１２と磁気結合したドメインの磁化の向きに対応したスピン偏極電子となる。このスピン偏極電子が磁壁に到達すると、磁壁においてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁に対してスピントランスファーを起こし、磁壁は伝導電子の流れる向きと同じ向きに移動する。同様に、図６Ｂの点線で示す向きに、第１磁壁供給層１２から磁壁駆動層１１へさらに第２磁壁供給層１３へと電流を流すと、伝導電子は電流の向きとは逆に実線で示す向きに流れる。第２磁壁供給層１３から、電子が磁壁駆動層１１へ入ると、電子は第２磁壁供給層１３及び磁壁駆動層１１の第２磁壁供給層１３と磁気結合したドメインの磁化の向きに対応したスピン偏極電流となる。このスピン偏極電子が磁壁に到達すると、磁壁においてスピン偏極電子が持つスピンが磁壁に対してスピントランスファーを起こし、磁壁は伝導電子の流れる向きと同じ向きに移動する。
このような磁壁の移動により、磁壁駆動層１１のうち、磁化固定層１５の直下の部分の磁化を磁化固定層１５の磁化の向きと平行の状態にしたり、あるいは、反平行の状態にすることができる。このようにして“０”状態と“１”状態との間での情報の書き換えが可能である。
データの読み出しは、非磁性層１６を介した磁化固定層１５と磁壁駆動層１１との間で電流を流し、磁化固定層１５の磁化と磁壁駆動層１１の磁化との相対角に応じた抵抗の変化を検出することで行う。磁壁駆動層１１のうち、磁化固定層１５の直下の部分の磁化を磁化固定層１５の磁化の向きと平行の状態のときは低抵抗であり、一方、反平行の状態のときは高抵抗であり、この抵抗の変化を検知することにより、データが判別される。
これに対して、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子は、参照層である磁化固定層４を基準として、磁気結合層２との磁化の向きの相対角を利用してアナログ的な信号出力を実現する素子である。磁気結合層２の磁化の向きは、これに接合する反強磁性駆動層１のドメインの割合によって決定される。
反強磁性体は、ミクロには磁性を担うスピンが反平行に結合して物質全体でみると自発磁化はゼロで磁性を持たないが、強磁性体と接合させるとその接合界面で強い磁気結合を示すことが知られている。この接合界面に発生する磁場は交換バイアス磁場あるいは交換結合磁場と呼ばれる。
反強磁性体中にも強磁性体と同様に、磁区（ドメイン）および磁壁が存在する。反強磁性体中の場合、スピンは互い打ち消しあって自発磁化を持たないため、強磁性体のように磁区の方向を自発磁化の方向で区別することはできない。しかしながら、個々のスピンは、強磁性体と同様に２つの方向をとることができる。これを副格子磁化という。反強磁性体では、副格子磁化を足し合わせるとゼロになる。したがって反強磁性体は副格子磁化の方向が異なる２つの状態をとることができ、これが磁区（ドメイン）構造として現れる。
強磁性体と接合させた界面で発生する交換バイアス磁場（交換結合磁場）は、反強磁性体側の界面スピンの方向によって決定されることが知られている。反強磁性体側の２種類の磁区の割合によって、交換バイアス磁場が変化するということもできる。通常、反強磁性体の２つのドメイン状態は、外部から磁場を印加してもエネルギー的に等価な状態を保つため、その割合を変化させることは困難である。しかしながら、本発明で開示する材料のような磁気対称性の上で時間反転対称と空間反転対称性が同時に破れている材料を用いると（構成Ａ，構成Ｂ）、反強磁性体に電流を流すことで２種類のドメイン（２種類のドメインのうち、一方を「第１ドメイン」、他方を「第２ドメイン」ということがある。）の割合を変えることができる。これらの材料を反強磁性駆動層に用いることにより、反強磁性行動層の長軸の一方から電流を流したときと、その逆方向から電流を流したときとで反強磁性体の２つのドメインのエネルギーの安定性に差が発生し、それによってエネルギーが安定するように２種類のドメインの割合が変化する。また、磁気結合層に接合する側から反強磁性層と、反強磁性層に接合し、電流が流れることにより純スピン流が発生する非磁性金属層と、を有する積層構成（構成Ｃ）とすることによっても２つのドメインの割合を変化させることができる。
図７は、反強磁性層（反強磁性駆動層）、強磁性層（磁気結合層）を含む複合体について、（ａ）符号Ｈ１１で示す交換バイアス磁場を発生させるドメインの割合が１００％の場合、（ｂ）符号Ｈ１１で示す交換バイアス磁場の向きのドメインと符号Ｈ１２で示す交換バイアス磁場の向きのドメインとの割合が５０％づつの場合、（ｃ）符号Ｈ１２で示す向きのドメインの割合が１００％の場合、のそれぞれの状態での磁気結合層の磁区の状態を示すものである。
反強磁性層（反強磁性駆動層）は、そのドメインの方向によって、（ａ）あるいは（ｃ）の矢印Ｈ１１、Ｈ１２で示すように交換バイアス磁場あるいは交換結合磁場を生成することになる。これにより、外部磁場がなくても、隣接する強磁性体の磁化の向きを、Ｍ１１、Ｍ１２の方向に固定することができる。（ｂ）の場合は、反強磁性層のドメインの割合を反映して、強磁性層（磁気結合層）の磁区も、Ｍ１１とＭ１２が等しく存在している状態である。
ドメイン割合の変化モードは大きく分けて、反転ドメインがランダムに発生し、各ドメイン（ドメイン核）が成長して完全反転に至るタイプ（以下、「核生成タイプ」ということがある。）と、互いに逆向きの磁化を有する２つのドメインを分けるドメイン壁（磁壁）が移動することでドメインの割合が変化するタイプ（以下、「ドメイン壁移動タイプ」ということがある。）の２つのタイプの変化モードがある。核生成タイプとしては、例えば、第１電極層、第２電極層が、ＣｕやＡｌ等の非磁性金属からなる素子のように、反強磁性駆動層にあらかじめ磁壁ＤＷが存在しない場合を例示することができる。また、ドメイン壁移動タイプとしては、例えば、反強磁性層駆動層の両端のドメイン方向が固定されており、２つのドメインの間に常に磁壁ＤＷが存在している場合を例示することができる。
図７及び図８は核生成タイプを示す図であり、図１、図２、図４、図１０〜図１４はドメイン壁移動タイプについて示す図であり、図９は、２つのタイプの変化モードのいずれにも対応する図である。
２種類のドメインの割合は、反強磁性駆動層を例えば、閃亜鉛構造を有する反強磁性材料を含む構成とし、あるいは、ＣｕＭｎＡｓ、Ｍｎ２Ａｕのいずれかの反強磁性材料を含む構成とし、反強磁性駆動層に電流を流すことによって変えることができる。符号Ｈ１１で示す交換バイアス磁場の向きのドメインの割合を多くする場合と、符号Ｈ１２で示す向きのドメインの割合を多くする場合とは、電流を流す向きを逆にすることにより選択できる。閃亜鉛構造を有する反強磁性材料は空間反転対称性が破れているため（その結果、スピンを含めると、時間と空間の反転対称性が破れてるため）、電流を流すことによって２種類のドメインの割合を変えることができる。また、ＣｕＭｎＡｓおよびＭｎ２Ａｕは空間反転対称性は破れていないが、スピンを含めると、時間と空間の反転対称性が破れているために、電流を流すことによって２種類のドメインの割合を変えることができる。
図８は、反強磁性駆動層の２種類のドメインを説明するための断面模式図である。
図８において、ＤＡおよびＤＢは副格子磁化の向きの異なる２種類のドメインを示している。ＤＡおよびＤＢの、磁気結合層と接合する面においてそれぞれ、互いに逆向きのスピンが配置している。このように、反強磁性駆動層は、磁気結合層と接合する面において、２種類のドメインがそれぞれで同じスピンを有するドメインを形成する構成である。そのため、磁気結合層と接合する面において、２種類のドメインの割合が変わることで、図９に示すように、磁気結合層の磁化の向きに与える影響が変わる。すなわち、２種類のドメインの割合が変わることで、磁気結合層の磁区の割合が変わり、その割合に応じて磁気抵抗Ｒの大きさが変化する。
図９（ａ）は、反強磁性駆動層、磁気結合層、非磁性層、磁化固定層の積層部分を模式的に示す斜視図であり、Ｍ２１は磁化固定層の磁化の向きであり、Ｍ１１、Ｍ１２は磁気結合層の磁化の向きである。図９（ｂ）は、２種類のドメインの割合（０〜１の比で表したもの）と、素子を垂直に流れる電流の抵抗値（Ｒ）との関係の概略を示すグラフである。
本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、データの書き込みはこの２種類のドメインの割合を変えることによって、結果として磁気結合層の磁区の割合を変えることによって行われる。具体的には、データの書き込みは、図４を参照して、第１電極層５（第２電極層６）から反強磁性駆動層１を経由して第２電極層６（第１電極層５）に、反強磁性駆動層に電流を流すことによって行われる。第１電極層５と第２電極層６との間の電流を止めると、反強磁性駆動層１のドメインが変化しなくなるので、磁気結合層２の磁区の割合もそこで固定される。さらに、同じ方向に電流を流せば、さらに磁区の割合の増減は同じ方向に変化し、逆方向に電流を流すと、もとの状態へと戻る。磁化固定層を基準とした反平行方向の磁気結合層の磁区と並行方向の磁気結合層の磁区の割合が変わると、素子を垂直に流れる電流の抵抗が変わるので、データは磁気抵抗の大きさとして記録される。
構成Ｃを用いた交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子におけるデータの書き込みについて補足する。図２及び図４を参照する。第１電極層５（第２電極層６）から反強磁性駆動層１を経由して第２電極層６（第１電極層５）に、反強磁性層１Ａ及び非磁性金属層１Ｂからなる反強磁性駆動層に電流を流す。これによって、非磁性金属層１Ｂに純スピン流が発生し、その純スピン流が反強磁性層１Ａに拡散して、反強磁性層１Ａのドメインの割合が変化し、その結果、磁気結合層２の磁区の割合が変化する。
磁気結合層と接合する面におけるドメインは数１０ｎｍ程度のサイズなので、交換バイアス磁場の大きさは実質的にアナログ的に変化し得る。
書き込み時の反強磁性駆動層に通電する電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２以上とする。
電流密度は１×１０７Ａ／ｃｍ２以上とすることにより、反強磁性駆動層にドメインが形成される（非特許文献１参照）。
図１０Ａ、図１０Ｂはそれぞれ、第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量（例えば、電流）を与えた際、その負荷量と抵抗値との関係について、反強磁性駆動層が核生成タイプの場合、反強磁性駆動層がドメイン壁移動タイプの場合の特徴を模式的に示したグラフである。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、点線で示したグラフは、負荷量と抵抗値がほぼ比例する理想的な抵抗変化を示す場合のものである。
反強磁性駆動層が核生成タイプの場合、図１０Ａに示すように、臨界ドメインサイズ以下ではドメインが存在できないため、理想的な抵抗変化と比較すると、ドメイン割合が０と１の両端付近では抵抗値変化が不連続になる。
一方、反強磁性駆動層がドメイン壁移動タイプの場合、図１０Ｂに示すように、図理想的な抵抗変化と比較すると、ドメイン割合が０と１の両端付近ではドメイン壁部分の影響で抵抗値変化が連続的ではあるが、よりゆるやかになる。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示した負荷量と抵抗値との関係のグラフは、負荷量とドメイン比率との関係（負荷量に対するドメイン比率の変化率）を反映するものである。従って、図１０Ａ及び図１０Ｂのそれぞれにおいて、縦軸をドメイン比率に置き換えることで、負荷量とドメイン比率との関係の特徴を示すものとなる。
反強磁性駆動層が核生成タイプの場合、反強磁性駆動層がドメイン壁移動タイプの場合に比べて、構造が単純なため、作製が容易であるというメリットがある。
一方、反強磁性駆動層がドメイン壁移動タイプの場合、反強磁性駆動層が核生成タイプの場合に比べて、連続性の高い効果的なアナログ動作が実現できるというメリットがある。
本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子は、磁気結合層の磁化を反転させて２種類のドメインの割合はデジタル的に変えることや、アナログ的に変えることによって、磁気抵抗をデジタル的にもアナログ的に変えることができる。従って、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子は、デジタル的に動作する素子としても、アナログ的に動作する素子としても用いることができる。
本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子における、データの読み出しは、図４を参照すると、第１電極層５あるいは第２電極層６と参照層である磁化固定層４との間に電流を流し、磁気結合層２と磁化固定層４との磁化の相対角に応じた磁気抵抗による抵抗値を測定することによって行われる。このとき、読み出し電流は、記録された情報が書き変わらないよう書き込み時の電流密度よりも十分低くする。構成Ｃを用いた交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子おけるデータの読み出しについても同様である。
図１１は、図４に示した交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、第３領域１ｃの、磁気結合層２が設置された面の反対側の面に、平面視して磁気結合層２と重なる位置に設置された下部電極層８を備えた構成である。この構成によって、読み出し電流は、図７において２点鎖線で示すように、反強磁性駆動層１を面直方向に流れる。このため、反強磁性駆動層１のドメインへの影響を低減した状態で、磁気結合層２と磁化固定層４との間の磁気抵抗効果による出力を得ることができる。また、読み込み電流を大きくすることができるので、読み込みの高速化が可能となる。また、読み出し電流が流れる反強磁性駆動層１の距離が短いため、磁気ノイズを低減できる。
従来の磁壁駆動型の磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭにおいては、データの書き込み電流は磁気抵抗効果素子（図５における、非磁性層１６を介した磁化固定層１５及び磁壁駆動層１１からなる積層構造）を貫通せず、磁化自由層の面内方向（積層方向に平行な方向）に流す（図６参照）。一方、データの読み出し電流は、図６Ａの１点鎖線で示すように、磁気抵抗効果素子（非磁性層１６を介した磁化固定層１５及び磁壁駆動層１１からなる積層構造）を積層方向に貫通し、その後、書き込み電流が流れる経路の一部を流れる（例えば、特許文献５参照）。すなわち、読み出し電流の経路は、書き込み電流の経路と一部が重なる。
このように、従来の磁壁駆動型ＭＲＡＭの構成においては、読み出し時に、磁壁駆動層の磁壁駆動の方向（面内方向）に電流を流す必要があった。そのため、得られる出力信号は最終的には０か１のデジタルの信号になる。また、平面視して、磁壁駆動層（磁化自由層）と磁気抵抗効果素子部とが重なる部分よりも外側に磁壁移動が完了していないと、読み込み時に磁壁が移動して誤書き込みや読み出し初期時の信号が変化するなどの問題があった。
これに対して、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、平面視して磁気結合層２と重なる位置に設置された下部電極層８を備えた構成をとることによってかかる問題は生じない。
下部電極層８の形状は、読み込み電流（スピン偏極電流）の水平成分が出ないように、平面視して、磁化固定層４と同じサイズであることが好ましいが、同じサイズでなくても効果を発揮する。例えば、平面視して、下部電極層８と磁化固定層４との重なり程度が５０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、１００％であることがさらに好ましい。
下部電極層８の材料としては、電極材料として用いられる公知の材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
図１１に示す交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子２００では、さらに、反強磁性駆動層１と下部電極層８の間に高抵抗層７を備えている。高抵抗層７は反強磁性駆動層１よりも電気抵抗率が高い層である。なお、高抵抗層７は、書き込みの際に電流が下部電極層８に流れてしまうことで書き込み動作（ドメイン割合の変更）が阻害されることを防止するための層である。かかる機能を奏する材料であれば、高抵抗層７の材料に特に制限はない。非磁性の材料でもよい。高抵抗層７は、トンネルバリア層であってもよい。従って、高抵抗層７は、トンネル電流を流すことができる絶縁材料であってもよい。
高抵抗層７が絶縁材料の場合、高抵抗層７の厚さは、書き込み電流が下部電極層８に流れ込まないように０．８ｎｍ以上にすることが好ましい。一方、読み込み動作における影響を無視できる程度にする観点では、２ｎｍ以下にすることが好ましい。
高抵抗層７の材料としては、書き込み電流が下部電極層８に流れてしまうことを抑制する（実質的に防止する）ことができる層であれば、特に制限はない。高抵抗層７はトンネルバリア層であってもよく、トンネルバリア層に用いることができる公知の絶縁材料を用いることができる。例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。高抵抗層７の材料は、反強磁性駆動層１よりも少なくとも抵抗率が高ければ機能する。例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅやＧｅなどの半導体でも良い。
磁化固定層４は磁化が固定された強磁性体材料からなる層（強磁性層）である。
磁化固定層４の材料には、磁化固定層に用いることができる公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
さらに、磁化固定層４は反強磁性層、強磁性層、非磁性層から成るシンセティック構造であってもよい。シンセティック構造において磁化方向は反強磁性層によって磁化方向が強く保持されているため、外部からの影響を受けにくい磁化固定層として機能させることができる。
さらに磁化固定層４の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。具体的には、磁化固定層４は［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｔａ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。
磁化固定層４の磁化が一方向に固定され、磁気結合層２の平行方向と反平行方向の磁区の割合が相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部１０として機能する。磁気抵抗効果素子部１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子的であり、非磁性層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子的である。
非磁性層３の材料としては、非磁性層に用いることができる公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４、ＭｇＧａ２Ｏ４、ＺｎＧａ２Ｏ４、ＭｇＩｎ２Ｏ４、ＺｎＩｎ２Ｏ４、及び、これらの材料の多層膜や混合組成膜等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層３が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
磁気結合層の材料としては、一般的には磁気抵抗効果素子の磁化自由層に用いることができる公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
また、より高い出力を得るためにはＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
磁気結合層２は、非磁性層３側から順に磁気抵抗効果層と軟磁性層とを含む積層構造を有し、磁気抵抗効果層がＣｏＦｅＢを含む材料からなるものとすることができる。
かかる構成とすることにより、ヒステリシスによって交換バイアス磁場による反強磁性駆動層のドメインの転写が阻害されることを防ぐことができ、結果として抵抗値の偏差を小さく抑えることができるからである。
反強磁性駆動層１、磁気結合層２及び磁化固定層４の磁化容易軸は、積層方向に対して平行でも垂直でもよい。垂直にした場合には、書き込み時の電流を反強磁性駆動層に通電することで、効果的に磁気結合層と磁化固定層４の相対関係を変化させることができる。
図１２に示す交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００は、図４に示した交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子１００における第１電極層及び第２電極層を、互いに逆向きの磁化を有する強磁性体材料からなる構成とされている点が異なる。符号２５、２６はそれぞれ、強磁性体材料からなる第１電極層及び第２電極層を指す。
この構成では、反強磁性駆動層に電流を通電させることがなく、予め第１領域１ｃの両側に逆向きの反強磁性ドメインを形成することができる。また、この構成では、素子サイズを小さくすることができる。
この交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００においては、反強磁性駆動層１中で第１電極層２５および第２電極層２６に接する部分の反強磁性層のドメインは、それぞれの電極層の接合界面の磁化の向きを反映するように、２つのドメインが形成される。このため、図１２に示すように、２つのドメイン間に磁壁ＤＷが形成される。
この場合、データの書き込みによってドメインの割合が変化することは、磁壁ＤＷが移動することに対応するため、データの書き込み及び読み出しの基本的な考え方は磁壁駆動型ＭＲＡＭに類似する。
本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子において、強磁性体材料からなる第１電極層及び第２電極層のいずれか一方を、第一強磁性層と中間層と第二強磁性層とが積層された合成反強磁性（ＳＡＦ）構造としてもよい。
図１３に示す交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子４００は、図１２に示した交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００における第１電極層２５及び第２電極層２６のうち、第２電極層２６を、第一強磁性層２６ａと中間層２６ｂと第二強磁性層２６ｃとが積層された合成反強磁性（ＳＡＦ）構造の電極２６’とされている点が異なる。第一強磁性層２６ａは第二強磁性層２６ｃに比べて薄い。合成反強磁性構造は公知の構造とすることができる。
かかる構成としたことにより、同一方向に磁場を印可しつつ、反強磁性体の磁気転移温度以上に加熱し、その後冷却処理を行なうことによって、簡単に第１電極層と第２電極層に接する反強磁性駆動層１の内部に、逆向きの反強磁性ドメインを形成することができる。
（交換バイアス利用型磁気メモリ）
本発明の交換バイアス利用型磁気メモリは、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子を複数備える。
上述の通り、本発明の交換バイアス利用型磁気メモリが備える交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子は、磁気結合層の磁化を反転させて２種類のドメインの割合はデジタル的に変えることやアナログ的に変えることによって、磁気抵抗をデジタル的にもアナログ的に変えることができる。従って、本発明の交換バイアス利用型磁気メモリは、デジタル的に動作するメモリとしても、アナログ的に動作するメモリとしても用いることができる。
図１４に、交換バイアス利用型磁気メモリ中のセルの要部の断面模式図を示す。
図４等で示した交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子１００は、第１電極層２５及び第２電極層２６のそれぞれには第１配線３１、第２配線３２が接続されており、また、磁化固定層４には第３配線３３に接続され、さらに、下部電極層８には第４配線３４が接続されている。符号４５は、絶縁層である。
図１５に、本発明の一実施形態に係る交換バイアス利用型磁気メモリ１０００の回路構造の一例を模式的に示した図である。
第１制御素子３５は、複数の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００のそれぞれの第２配線３２を介して反強磁性駆動層１に接続されている。第１制御素子３５は、図示略の外部電源に接続され、反強磁性駆動層１に流す電流を制御する。
第１セル選択素子３６は、複数の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００のそれぞれの第１配線３１を介して反強磁性駆動層１に接続されている。第１セル選択素子３６は、一つの交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００に対して一つ設けられている。
第１セル選択素子３６は、いずれかの交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００に書き込み電流を流すかを制御する。第１セル選択素子３６は、接地されている。
第２制御素子３７は、第３配線３３に接続されている。第２制御素子３７は、図示略の外部電源に接続され、第３配線３３に流す電流を制御する。
第２セル選択素子３８は、複数の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００のそれぞれの第４配線３４を介して下部電極層８に接続されている。第２セル選択素子３８は、一つの交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００に対して一つ設けられている。第２セル選択素子３８は、いずれの交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子３００に読み出し電流を流すかを制御する。第２セル選択素子３８は、接地されている。
第１制御素子３５、第２制御素子３７、第１セル選択素子３６及び第２セル選択素子３８は、公知のスイッチング素子を用いることができる。例えば、電界効果トランジスタ等に代表されるトランジスタ素子等を用いることができる。
第１配線３１、第２配線３２、第３配線３３および第４配線３４は、通常の配線の材料として用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
以下、図１５を用いて、交換バイアス利用型磁気メモリ１０００による書込み動作及び読出し動作について説明する。
書き込み動作は、第１制御素子３５と第１セル選択素子３６とによって書き込みを制御する。
まず、第１制御素子３５を開放（接続）し、開放する第１セル選択素子３６を選択する。第１制御素子３５は外部電源に接続され、第１セル選択素子３６は接地されている。そのため、第１制御素子３５、第２配線３２、第２電極層２６、反強磁性駆動層１、第１配線３１、選択された第１セル選択素子３６の順に書き込み電流が流れる。電流を逆に流す場合の説明は省略する。
読み込み動作は、第２制御素子３７と第２セル選択素子３８とによって読み込みを制御する。
まず、第２制御素子３７を開放（接続）し、開放する第２セル選択素子３８を選択する。第２制御素子３７は外部電源に接続され、第２セル選択素子３８は接地されている。そのため、第２制御素子３７、第３配線３３、磁化固定層、非磁性層３、反強磁性駆動層１、下部電極層８、選択された第２セル選択素子３８の順に読み込み電流が流れる。電流を逆に流す場合の説明は省略する。
第２制御素子３７及び第２セル選択素子３８は読み出し機構として機能する。
本発明の交換バイアス利用型磁気メモリは、第１電極層２５又は第２電極層２６のいずれか一方にバイポーラ素子が接続された構成としてもよい。かかる構成により、電流の向きを変えることで任意の方向に磁壁を移動することができる。
（不揮発性ロジック回路）
本発明の不揮発性ロジック回路は、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子がアレイ状に配置された交換バイアス利用型磁気メモリと、アレイ内あるいはアレイ外のいずれかにＳＴＴ−ＭＲＡＭとを備え、記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として前記交換バイアス利用型磁気メモリ及び前記ＳＴＴ−ＭＲＡＭを備えてなる。
交換バイアス利用型磁気メモリとＳＴＴ−ＭＲＡＭは同一の工程で作製することが可能であるため、コストの削減が可能である。また、デジタル的であるＳＴＴ−ＭＲＡＭがアレイ上に配置された交換バイアス利用型磁気メモリと同一回路に設置されることで、入出力をデジタル化し、内部ではアナログで処理することが可能なロジックを形成することができる。
（磁気ニューロン素子）
図１６は、本発明の一実施形態に係る磁気ニューロン素子の一例の断面模式図である。
本発明の磁気ニューロン素子は、本発明の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子を備え、前記反強磁性駆動層１の第３領域１ｃが長手方向に並ぶ、第１記憶部２１ｂと、該第１記憶部２１ｂを挟む第２記憶部２１ａおよび第３記憶部２１ｃとからなり、第１記憶部２１ｂ、前記第２記憶部２１ａおよび前記第３記憶部２１ｃのすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源（図示略）を備えている。
第１記憶部２１ｂは、反強磁性駆動層１の第３領域１ｃのうち、平面視して磁化固定層４と重なる部分である。また、第２記憶部２１ａは、平面視して磁化固定層４と第１電極層２５との間の部分（磁化固定層４及び第１電極層２５に重ならない部分）である。また、第３記憶部２１ｃは、平面視して磁化固定層４と第２電極層２６との間の部分（磁化固定層４及び第２電極層２６に重ならない部分）である。
本発明の交換バイアス利用型磁気メモリはシナプスの動作を模擬する素子である磁気ニューロン素子として利用することができる。シナプスでは外部からの刺激に対して線形な出力を持つことが好ましい。また、逆向きの負荷が与えられた際にはヒステリシスがなく、可逆することが好ましい。２種類のドメインの割合によって磁化固定層４と磁気結合層２のそれぞれの磁化方向の磁区の割合が連続的に変化する。磁化固定層４と磁気結合層２のそれぞれの磁化方向が平行的なドメイン（低抵抗となる配置）の面積と反平行なドメイン（高抵抗となる配置）の面積とによる並列回路となる。図９（ｂ）の横軸は２種類のドメインの割合であり、比較的線形な抵抗変化を示すことができる。また、２種類のドメインの割合は電流の大きさと印可される電流パルスの時間に依存して駆動することができるため、電流の大きさと向き、さらに、印可される電流パルスの時間を外部からの負荷として見なすことができる。
（記憶の初期段階）
例えば、反強磁性駆動層１の磁壁が−Ｘ方向に最大に移動した場合、磁壁は第１電極層２５の磁化固定層４側の端部２１ａＡで安定化する。電流を第２電極層２６から第１電極層２５に流すと、図面中、磁壁ＤＷの左側のドメイン（以下、「第１ドメイン」という）の方が磁壁ＤＷの右側のドメイン（以下、「第２ドメイン」という）よりもエネルギー的に安定となるため、第２ドメインから第１ドメインへの反転が進行する。この時、ＤＷ近傍の第２ドメインは、ＤＷから離れた位置にある第２ドメインよりもより小さなエネルギーで反転するため、結果として反強磁性駆動層１の磁壁が＋Ｘ方向に移動する。磁壁が磁化固定層４の第１電極層２５側の端部２１ａＢに達するまでは磁壁が移動しても、読出しの抵抗が変化しない。この状態を記憶の初期段階と呼ぶことができる。すなわち、第２記憶部２１ａ内に磁壁が配置する場合を記憶の初期段階と呼ぶことができる。記憶の初期段階ではデータとしての記録がされていないが、データを記録するための準備が整えられている状態である。
（主記憶段階）
磁壁が磁化固定層４の下部（平面視して重なる部分）を通過している間は図９（ｂ）のように読出し時の抵抗が変化する。電流を第２電極層２６から第１電極層２５に流すことで外部からの負荷とし、負荷にある程度比例した読出し時の抵抗変化となる。これが主記憶段階である。すなわち、第１記憶部２１ｂ内に磁壁が配置する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶことができる。磁壁が磁化固定層４の端部より外側にいる状態を記憶、あるいは、無記憶と定義し、磁壁が逆側の磁化固定層４の端部より外側にいる状態を無記憶、あるいは、記憶と定義することができる。当然、第２電極層２６と第１電極層２５の間に流れる電流を逆向きにすると、逆の作用となる。
（記憶の深層化段階）
磁壁が磁化固定層４の第２電極層２６側の端部２１ｃＢに達して、磁化固定層４から離れる方向に移動しても読み込み時の出力は変化しない。しかし、磁壁は磁化固定層４から離れてしまった後は、逆向きの負荷が印可されても、磁壁が磁化固定層４の端部２１ｃＢに達するまでは読み込み時の出力は変化しない。すなわち、外部からの負荷が与えられても記憶を失わないことを意味し、これを記憶の深層化段階と呼ぶことができる。すなわち、第３記憶部２１ｃ内に磁壁が配置する場合を記憶の深層化段階と呼ぶことができる。
第２電極層２６と第１電極層２５の間に流れる電流を逆向きにすると、記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階と各記憶部との対応は逆となる。
本発明の交換バイアス利用型磁気メモリはシナプスの動作を模擬する素子として用いて本発明の磁気ニューロン素子とするためには、磁壁の移動を記憶の初期段階、主記憶段階および記憶の深層化段階を順に経るように書き込み電流を流すことができる電流源を備えることを要する。すなわち、少なくとも第１記憶部、第２記憶部および第３記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源（図示略）を備えることを要する。
書き込み電流の条件によって、第１記憶部、第２記憶部および第３記憶部のそれぞれを何回の移動で磁壁が通過し切るかを決めることができる。
（記憶の忘却段階）
無記憶状態に反強磁性駆動層１の磁壁を移動させることによって、記憶を忘却することができる。また、熱、及び物理的な歪みを与えることによっても、磁壁の駆動や消失を生じさせることができる。本発明の交換バイアス利用型磁気メモリでは出力が一定の低抵抗と高抵抗の値を示すため、記憶と無記憶は定義によって決定されなければならない。
また、反強磁性駆動層１に電流を流す以外の方法で磁壁を移動や消失させる場合にはランダムとなるため、複数の交換バイアス利用型磁気メモリ間での情報の相関が失われる。これらを記憶の忘却段階と呼ぶことができる。
（磁気ニューロン素子を用いた人工的な脳）
本発明の磁気ニューロン素子はシナプスの動きを模擬し、記憶の初期段階、主記憶段階、そして、記憶の深層化段階を経ることができるメモリである。本発明の交換バイアス利用型磁気メモリを複数回路上に設置し、脳の模擬をすることが可能である。一般的なメモリのように縦横に均等にアレイさせた配置では集積度が高い脳を形成することが可能である。また、図１７に示したように特定の回路を持った複数の磁気ニューロン素子を一つの塊として、アレイさせた配置では、外部負荷からの認識度が異なる脳を形成することが可能である。例えば、色について感度の良い脳や言語の理解度が高い脳などの個性を生むことができる。つまり、外部のセンサから入手された情報を、視覚、味覚、触覚、嗅覚及び聴覚認識に最適化された五感領域で認識の処理を行い、さらに、論理的思考領域で判断することによって、次の行動を決定するというプロセスを形成させることが可能である。さらに、反強磁性駆動層１の材料を変化させると、負荷に対する磁壁の駆動速度や磁壁の形成方法が変化するため、その変化を個性とした人工的な脳を形成することが可能となる。
１ 反強磁性駆動層
１ａ 第１領域
１ｂ 第２領域
１ｃ 第３領域
２ 磁気結合層
３ 非磁性層
４ 磁化固定層
５、２５ 第１電極層
６、２６ 第２電極層
７ 高抵抗層
８ 下部電極層
１０ 交換バイアス利用型磁化反転素子
２１ａ 第２記憶部
２１ｂ 第１記憶部
２１ｃ 第３記憶部
１００、２００、３００、４００ 交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子
１０００ 交換バイアス利用型磁気メモリ

Claims (17)

  1. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記反強磁性駆動層が閃亜鉛構造を有する反強磁性材料を含む、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  2. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記反強磁性駆動層が、前記磁気結合層に接合する側から反強磁性層と、該反強磁性層に接合し、電流が流れることにより純スピン流が発生する非磁性金属層と、を有し、
    前記反強磁性駆動層に一定量の負荷量を与えることによって、前記反強磁性駆動層中の副格子磁化の向きが異なる２種類のドメインの割合を変える、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  3. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記第３領域の、前記磁気結合層が設置された面の反対側の面に、平面視して前記磁気結合層と重なる位置に設置された下部電極層を備える、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  4. 前記反強磁性駆動層と前記下部電極層との間に高抵抗層を備えた請求項３に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子。
  5. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記反強磁性駆動層は、第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量を与えた際に、第１ドメインのみ又は第２ドメインのみになる両端の近傍において、前記負荷量に対する前記比率の変化率が不連続に変化する材料からなる、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  6. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記反強磁性駆動層は、第１ドメイン及び第２ドメインの２種類のドメインの比率を変化させる一定の負荷量を与えた際に、第１ドメインのみ又は第２ドメインのみになる両端の近傍における前記負荷量に対する前記比率の変化率が、前記両端の間の変化率に比べて小さい材料からなる、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  7. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記反強磁性駆動層に接合する前記第１電極層及び前記第２電極層が互いに逆向きの磁化を有する強磁性体材料からなり、
    前記反強磁性駆動層に一定量の負荷量を与えることによって、前記反強磁性駆動層中の副格子磁化の向きが異なる２種類のドメインの割合を変える、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  8. 前記反強磁性駆動層に接合する前記第１電極層及び前記第２電極層の少なくとも一方が第一強磁性層と中間層と第二強磁性層とが積層された合成反強磁性構造からなる請求項７に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子。
  9. 第１領域および第２領域とそれらの領域の間に位置する第３領域とからなる反強磁性駆動層と、
    前記第３領域に前記反強磁性駆動層に磁気的に結合して、磁化方向が可変な磁気結合層と、
    前記第１領域に接合する第１電極層と、
    前記第２領域に接合する第２電極層と、
    を備え、
    前記反強磁性駆動層の長軸の長さが６０ｎｍ以上であり、
    前記第１電極層の、前記磁気結合層から最も近い位置と、前記第２電極層の、前記磁気結合層から最も近いとの間の距離が６０ｎｍ以上であり、
    前記反強磁性駆動層に一定量の負荷量を与えることによって、前記反強磁性駆動層中の副格子磁化の向きが異なる２種類のドメインの割合を変える、交換バイアス利用型磁化反転素子。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の交換バイアス利用型磁化反転素子と、前記磁気結合層に接合する非磁性層と、前記非磁性層に結合する磁化固定層とを備える交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子。
  11. 前記磁気結合層および前記磁化固定層の磁化容易軸は積層方向に垂直である請求項１０に記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子。
  12. 前記磁気結合層が、前記非磁性層側から順に磁気抵抗効果層と軟磁性層とを含む積層構造を有し、前記磁気抵抗効果層がＣｏＦｅＢを含む材料からなる請求項１０又は１１のいずれかに記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子。
  13. 前記第１電極層又は前記第２電極層のいずれか一方にバイポーラ素子が接続されている請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子。
  14. 請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子を複数備えた交換バイアス利用型磁気メモリ。
  15. 読み出し時に、前記磁化固定層と、前記第３領域の、前記磁気結合層が設置された面の反対側の面に、平面視して前記磁気結合層と重なる位置に設置された下部電極層との間の抵抗変化を読み出す機構を備えた請求項１４に記載の交換バイアス利用型磁気メモリ。
  16. 請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子がアレイ状に配置された交換バイアス利用型磁気メモリと、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとを備え、
    記憶機能と論理機能を有し、記憶機能として前記交換バイアス利用型磁気メモリ及び前記ＳＴＴ−ＭＲＡＭを備えてなる不揮発性ロジック回路。
  17. 請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子を備え、
    前記反強磁性駆動層の前記第３領域が長手方向に並ぶ、第１記憶部と該第１記憶部を挟む第２記憶部および第３記憶部とからなり、
    前記第１記憶部、前記第２記憶部および前記第３記憶部のすべての記憶部に少なくとも一回は留まるように順に磁壁を移動させ得る書き込み電流を流すように制御する制御回路を有する電流源を備えた磁気ニューロン素子。
JP2018521794A 2016-06-10 2017-06-09 交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子 Active JP6801711B2 (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016116677 2016-06-10
JP2016116677 2016-06-10
JP2016235454 2016-12-02
JP2016235454 2016-12-02
PCT/JP2017/021518 WO2017213261A1 (ja) 2016-06-10 2017-06-09 交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017213261A1 JPWO2017213261A1 (ja) 2019-04-04
JP6801711B2 true JP6801711B2 (ja) 2020-12-16

Family

ID=60577977

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018521794A Active JP6801711B2 (ja) 2016-06-10 2017-06-09 交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10672446B2 (ja)
JP (1) JP6801711B2 (ja)
CN (1) CN108780779B (ja)
WO (1) WO2017213261A1 (ja)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10490249B2 (en) * 2018-02-01 2019-11-26 Tdk Corporation Data writing method, inspection method, spin device manufacturing method, and magnetoresistance effect element
US11031541B2 (en) 2018-02-19 2021-06-08 Tdk Corporation Spin-orbit torque type magnetization rotating element, spin-orbit torque type magnetoresistance effect element, and magnetic memory
CN110392931B (zh) * 2018-02-19 2022-05-03 Tdk株式会社 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件及磁存储器
CN110392932B (zh) * 2018-02-22 2023-09-26 Tdk株式会社 自旋轨道转矩型磁化旋转元件、自旋轨道转矩型磁阻效应元件及磁存储器
WO2019167575A1 (ja) * 2018-02-28 2019-09-06 Tdk株式会社 スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP7056316B2 (ja) * 2018-03-29 2022-04-19 Tdk株式会社 磁壁移動型磁気記録素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
CN110660420B (zh) * 2018-06-28 2022-06-24 中电海康集团有限公司 Mram存储单元
JP6620913B1 (ja) * 2018-09-12 2019-12-18 Tdk株式会社 リザボア素子及びニューロモルフィック素子
KR102604743B1 (ko) * 2018-12-11 2023-11-22 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치
KR102650546B1 (ko) * 2019-01-28 2024-03-27 삼성전자주식회사 자기 기억 소자
US11514301B2 (en) * 2019-01-29 2022-11-29 Board Of Regents, The University Of Texas System Magnetic domain wall drift for an artificial leaky integrate-and-fire neuron
US11977970B2 (en) 2019-01-29 2024-05-07 Board Of Regents, The University Of Texas System Spintronic computing architecture and method
US20220149269A1 (en) * 2019-02-15 2022-05-12 The University Of Tokyo Spintronics element and magnetic memory device
CN116867350A (zh) * 2019-02-22 2023-10-10 Tdk株式会社 磁畴壁移动元件和磁记录阵列
JP7173311B2 (ja) * 2019-05-15 2022-11-16 Tdk株式会社 磁壁移動素子、磁気記録アレイ及び半導体装置
CN110311033A (zh) * 2019-07-17 2019-10-08 浙江驰拓科技有限公司 一种电调控交换偏置方法、器件及其制备方法
KR102663631B1 (ko) * 2019-07-22 2024-05-16 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치
CN113646912B (zh) * 2020-02-27 2024-02-27 Tdk株式会社 运算电路及神经形态器件
US11087811B1 (en) * 2020-05-28 2021-08-10 International Business Machines Corporation NVM synaptic element with gradual reset capability
EP3961632A1 (en) * 2020-08-25 2022-03-02 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Magnetic tunnel junction comprising an inhomogeneous granular free layer and associated spintronic devices
US11355517B2 (en) * 2020-08-29 2022-06-07 Ceremorphic, Inc. Interlayer exchange coupling logic cells
WO2022070378A1 (ja) * 2020-10-01 2022-04-07 Tdk株式会社 磁壁移動素子および磁気アレイ
JP2022094645A (ja) * 2020-12-15 2022-06-27 Tdk株式会社 磁壁移動素子及び磁気アレイ
US11805706B2 (en) * 2021-03-04 2023-10-31 Tdk Corporation Magnetoresistance effect element and magnetic memory
KR20220127581A (ko) * 2021-03-11 2022-09-20 삼성전자주식회사 멤리스터 소자, 이를 포함하는 시냅스 소자 및 뉴로모픽 프로세서
KR102440814B1 (ko) * 2021-07-01 2022-09-07 한국과학기술연구원 강자성체와 중금속 채널의 스핀 전류를 이용한 나노 스핀 소자
CN114892054B (zh) * 2022-05-16 2023-09-26 上海电力大学 一种具有交换偏置效应的磁存储半金属材料及其制备方法
WO2024197775A1 (zh) * 2023-03-31 2024-10-03 中国科学院微电子研究所 自旋电子器件、电路单元、计算网络、算子以及神经网络
CN119108436A (zh) * 2024-09-04 2024-12-10 湘潭大学 一种基于人工反铁磁结构的自旋波二极管

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3959881B2 (ja) * 1999-02-08 2007-08-15 Ｔｄｋ株式会社 磁気抵抗効果センサの製造方法
JP3575672B2 (ja) * 1999-05-26 2004-10-13 Ｔｄｋ株式会社 磁気抵抗効果膜及び磁気抵抗効果素子
US6833982B2 (en) * 2001-05-03 2004-12-21 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Magnetic tunnel junction sensor with a free layer biased by longitudinal layers interfacing top surfaces of free layer extensions which extend beyond an active region of the sensor
JP2004031547A (ja) * 2002-06-25 2004-01-29 Alps Electric Co Ltd 磁気検出素子及びその製造方法
US7973349B2 (en) * 2005-09-20 2011-07-05 Grandis Inc. Magnetic device having multilayered free ferromagnetic layer
JP2007235119A (ja) * 2006-02-03 2007-09-13 Kyoto Univ 強磁性細線
JP2007324171A (ja) * 2006-05-30 2007-12-13 Fujitsu Ltd 磁気メモリ装置及びその製造方法
WO2009054180A1 (ja) 2007-10-25 2009-04-30 Nec Corporation 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP5170107B2 (ja) 2007-12-07 2013-03-27 富士通株式会社 抵抗変化型メモリ装置、不揮発性メモリ装置、およびその製造方法
JP5441005B2 (ja) 2008-02-13 2014-03-12 日本電気株式会社 磁壁移動素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP5419121B2 (ja) * 2008-03-21 2014-02-19 国立大学法人大阪大学 ハーフメタリック反強磁性体
WO2010038823A1 (ja) 2008-10-02 2010-04-08 日本電気株式会社 磁気抵抗記憶装置のスクリーニング方法、及び、磁気抵抗記憶装置
US8437106B2 (en) * 2010-10-08 2013-05-07 Tdk Corporation Thin film magnetic head including spin-valve film with free layer magnetically connected with shield
US8525602B2 (en) * 2011-03-23 2013-09-03 Honeywell International Inc. Magnetic device with weakly exchange coupled antiferromagnetic layer
US8686484B2 (en) * 2011-06-10 2014-04-01 Everspin Technologies, Inc. Spin-torque magnetoresistive memory element and method of fabricating same
US9076537B2 (en) * 2012-08-26 2015-07-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing a magnetic tunneling junction using spin-orbit interaction based switching and memories utilizing the magnetic tunneling junction
JP6184680B2 (ja) * 2012-11-20 2017-08-23 東芝メモリ株式会社 磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および駆動方法
EP2744002B1 (en) * 2012-12-14 2015-08-05 Hitachi Ltd. Memory device
US20140252439A1 (en) * 2013-03-08 2014-09-11 T3Memory, Inc. Mram having spin hall effect writing and method of making the same
US8971103B2 (en) 2013-03-13 2015-03-03 International Business Machines Corporation Thermally-assisted MRAM with ferromagnetic layers with temperature dependent magnetization
JP2015088669A (ja) 2013-10-31 2015-05-07 独立行政法人産業技術総合研究所 多値型磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置
WO2015068509A1 (ja) * 2013-11-06 2015-05-14 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び磁気記憶方法
JP6086097B2 (ja) 2014-06-17 2017-03-01 国立大学法人東北大学 多段相変化材料および多値記録相変化メモリ素子
US9941468B2 (en) * 2014-08-08 2018-04-10 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory device
EP3001470B1 (en) * 2014-09-29 2017-09-06 Hitachi Ltd. Antiferromagnetic memory device
JP6448282B2 (ja) * 2014-10-01 2019-01-09 株式会社東芝 磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ、磁気記録再生装置、および磁気ヘッドの製造方法
WO2016159017A1 (ja) * 2015-03-31 2016-10-06 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置、製造方法、動作方法、及び集積回路

Also Published As

Publication number Publication date
CN108780779A (zh) 2018-11-09
US20190035446A1 (en) 2019-01-31
CN108780779B (zh) 2023-04-25
US10672446B2 (en) 2020-06-02
JPWO2017213261A1 (ja) 2019-04-04
WO2017213261A1 (ja) 2017-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6801711B2 (ja) 交換バイアス利用型磁化反転素子、交換バイアス利用型磁気抵抗効果素子、交換バイアス利用型磁気メモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロン素子
JP7003991B2 (ja) 磁壁利用型アナログメモリ素子、磁壁利用型アナログメモリ、不揮発性ロジック回路及び磁気ニューロ素子
JP6885399B2 (ja) 磁気ニューロ素子
JP6833810B2 (ja) 磁気メモリ
US10839930B2 (en) Magnetic domain wall type analog memory element, magnetic domain wall type analog memory, nonvolatile logic circuit, and magnetic neuro-element
JP6617829B2 (ja) 磁壁利用型スピンｍｏｓｆｅｔ、磁壁利用型アナログメモリ、不揮発性ロジック回路および磁気ニューロ素子
JP7013839B2 (ja) 磁壁利用型アナログメモリ、不揮発性ロジック回路及び磁気ニューロ素子
JP2011501420A (ja) 低電流密度を有する磁気要素
JP6926666B2 (ja) スピン流磁化反転素子
JP2019149446A (ja) スピン流磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP6724646B2 (ja) 磁気抵抗効果素子、熱履歴センサおよびスピングラス利用型磁気メモリ
JP2019161176A (ja) スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子、磁気メモリ及び発振器
EP2355142A1 (en) Magnetic memory element and nonvolatile storage device
JP7056316B2 (ja) 磁壁移動型磁気記録素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JPWO2008108108A1 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200210

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200303

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20200303

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20200326

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200407

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20200608

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200806

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201027

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201109

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6801711

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250