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JP6743641B2 - Magnetic field modulation mechanism, magnetic field modulation element, analog memory element, and high frequency filter - Google Patents
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Magnetic field modulation mechanism, magnetic field modulation element, analog memory element, and high frequency filter Download PDF

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Description

本発明は、磁場変調機構、磁場変調素子、アナログメモリ素子、及び、高周波フィルタに関する。 The present invention relates to a magnetic field modulation mechanism, a magnetic field modulation element, an analog memory element, and a high frequency filter.

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(Magnetroresistive Random Access Memory)、ReRAM(Resistancne Random Access Memory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)などが注目されている。 As a next-generation non-volatile memory that replaces flash memory, which has reached its limit of miniaturization, resistance change memory that stores data using resistance change elements, such as MRAM (Magnetroresistive Random Access Memory) and ReRAM (Resistancne Random Access Memory), PCRAM (Phase Change Random Access Memory), etc. are receiving attention.

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)。 As methods for increasing the density (capacity) of the memory, there are various methods such as a method of making the recording bit per one element of the memory multi-valued, in addition to a method of making the element itself of the memory small. Various multi-valued methods have been proposed (for example, Patent Documents 1 to 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がある(例えば、特許文献4)。磁壁駆動型MRAMは、電流を磁壁駆動層(磁化自由層としての効果も兼ねる場合もある)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おり、磁壁駆動型MRAM以外にも、磁場書き込み型、ヨーク磁場書き込み型、STT(Spin Transfer Torque)型、SOT(Spin Orbit Torque)型MRAMなどが知られている。
One of the MRAMs is called a domain wall drive type or a domain wall moving type (for example, Patent Document 4). In the domain wall drive type MRAM, an electric current is caused to flow in the in-plane direction of a domain wall drive layer (which may also serve as a magnetization free layer), and the domain wall is moved by the spin transfer effect of spin-polarized electrons to magnetize the ferromagnetic film. The data is written by reversing in the direction corresponding to the direction of the write current.
Patent Document 4 describes a method of multi-value recording or analog recording of a domain wall drive type MRAM.
In MRAM, different data writing methods have been proposed. In addition to domain wall drive type MRAM, magnetic field writing type, yoke magnetic field writing type, STT (Spin Transfer Torque) type, SOT (Spin Orbit Torque) type MRAM, etc. are known. Has been.

特開2015−088669号公報JP, 2005-088669, A 国際公開第2009/072213号International Publication No. 2009/072213 特開2016−004924号公報JP, 2016-004924, A 国際公開第2009/101827号International Publication No. 2009/101827 特開平3−273540号公報JP-A-3-273540

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の面内方向に電流を流す必要があるため、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。磁壁駆動層と磁気抵抗効果素子とが重なる部分よりも外側に磁壁が移動してしまうと、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、平面視して、磁壁駆動層と磁気抵抗効果素子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る。従って、従来の磁壁駆動型MRAMについては、安定的に読み出す手段の開発が望まれる。 However, in the conventional domain wall drive type MRAM, since it is necessary to pass a current in the in-plane direction of the domain wall drive layer at the time of reading, there is a possibility that the domain wall of the domain wall driving layer may be moved by the current passed at the time of reading. When the domain wall moves to the outside of the portion where the domain wall drive layer and the magnetoresistive effect element overlap, the signal finally becomes a digital signal of 0 or 1 in the domain wall drive type MRAM, and should be used as an analog memory. Was difficult. On the contrary, if the domain wall movement is not completed outside the portion where the domain wall drive layer and the magnetoresistive effect element overlap in a plan view, the domain wall will move during reading and the signal at the time of erroneous writing or initial reading will change. There is a problem such as doing. Therefore, for the conventional domain wall drive type MRAM, it is desired to develop a stable reading means.

一方、これまでにない新規なタイプの多値記録やアナログ記録が可能なMRAMの開発も望まれている。 On the other hand, there is also a demand for the development of a new type of MRAM capable of multi-level recording and analog recording, which has never been achieved.

従来のMRAMは、磁気抵抗効果素子における2つの強磁性層の磁化の向きが平行か反平行であるという2値のデジタル信号を想定した素子であり、従来のMRAMをそのまま使っては多値的な信号あるいはアナログ的な信号を扱うことはできない。しかし、2つの強磁性層の磁化の相対角を0°(平行)あるいは180°(反平行)以外の複数の、あるいは任意の角度に固定することができれば、多値記録やアナログ記録が可能なMRAMを実現できる。ここで、2つの強磁性層の磁化の相対角をそのような角度に固定する方法として、外部磁場を印可することが考えられる。外部磁場を印可するには例えば、永久磁石を磁気抵抗効果素子に近傍して配置する方法や、電流によって誘起された磁界を利用する方法などが考えられる。しかしながら、永久磁石を磁気抵抗効果素子に近傍して単に配置するというやり方では、磁気抵抗効果素子に印可する磁場の大きさを変えることができない。従って、磁気抵抗効果素子の抵抗を変化させることができず、アナログ的なメモリとして利用することはできない。ハードディスクドライブのように、磁石を機械的に動かす方式で磁気抵抗効果素子に印可する外部磁場の大きさを変えることはできるが、この方式を利用してアナログ的なメモリを作ることは現実的ではない。また、電流によって誘起された磁場を利用する方法では、不揮発のデータとして2つの強磁性層の磁化の相対角を固定するための磁場を印可するために電流を流し続ける必要があり、エネルギー消費の観点から不利であり、これも現実的ではない。 A conventional MRAM is an element that assumes a binary digital signal in which the directions of magnetization of two ferromagnetic layers in a magnetoresistive effect element are parallel or antiparallel, and the conventional MRAM is multivalued. It is not possible to handle simple signals or analog signals. However, if the relative angles of magnetization of the two ferromagnetic layers can be fixed to a plurality of or arbitrary angles other than 0° (parallel) or 180° (antiparallel), multilevel recording or analog recording is possible. MRAM can be realized. Here, as a method of fixing the relative angle of magnetization of the two ferromagnetic layers to such an angle, applying an external magnetic field can be considered. In order to apply the external magnetic field, for example, a method of disposing a permanent magnet in the vicinity of the magnetoresistive effect element, a method of utilizing a magnetic field induced by an electric current, or the like can be considered. However, the magnitude of the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element cannot be changed by simply disposing the permanent magnet near the magnetoresistive effect element. Therefore, the resistance of the magnetoresistive effect element cannot be changed and cannot be used as an analog memory. Although it is possible to change the magnitude of the external magnetic field applied to the magnetoresistive effect element by a method of mechanically moving a magnet like a hard disk drive, it is not realistic to make an analog memory by using this method. Absent. Further, in the method of utilizing the magnetic field induced by the current, it is necessary to keep the current flowing in order to apply the magnetic field for fixing the relative angle of the magnetizations of the two ferromagnetic layers as the non-volatile data, which results in energy consumption. It is disadvantageous from a viewpoint, and this is not realistic either.

磁場の大きさが可変で、かつ、2つの強磁性層の磁化の相対角が固定している間はエネルギー消費がなく、相対角を変えるときだけエネルギーを消費するという手段があれば、理想的である。 Ideally, there is no energy consumption while the magnitude of the magnetic field is variable, and the relative angles of the magnetizations of the two ferromagnetic layers are fixed, and the energy is consumed only when the relative angle is changed. Is.

ここで、強磁性層を構成する強磁性体は、多くのミクロな磁区を有しており、各磁区の自発磁化がお互い打ち消すことによって静磁エネルギーを下げて安定な状態になっている消磁状態では外部に磁場を発生させない(図1(a))。この消磁状態の強磁性体に外部磁場(H)を印可することによって、磁区を構成する磁壁が磁場方向と同じ磁化を持つ磁区が成長するように移動して、その外部磁場と同じ方向を向いた磁区が増大すると全体としてその方向に磁化(M)を持つようになり(図1(b))、この状態になるとこの強磁性体は、外部に磁場を発生する。さらに、外部磁場と同じ方向を向いた磁区のみになって磁壁が消失した状態が磁化の飽和状態であり、この状態で最大の磁場を外部に発生する。このときの磁化は飽和磁化(Ms)と呼ばれる(図1(c))。
このように、図1(a)の状態では外部に磁場を発生しなかった強磁性体は、図1(b)に示すように同じ磁場方向を向いた磁区が増えるにつれて、外部に磁場を発生するようになり、図1(c)に示すように、外部磁場と同じ方向を向いた磁区のみになることで、その方向については最大の大きさの磁場を外部に発生するようになる。
こうして外部に磁場を発生するようになった強磁性体が磁石であるが、本発明者は、この磁石の基本的な成り立ちを、磁壁駆動型MRAMにおける磁壁駆動層に重ね合わることで、これまで磁気抵抗効果素子における2つの強磁性層のうちの磁化自由層という見方しかなかった磁壁駆動層を磁石として利用するという本発明の着想を得たのである。
Here, the ferromagnetic material that constitutes the ferromagnetic layer has many microscopic magnetic domains, and the spontaneous magnetization of each magnetic domain cancels each other to reduce the magnetostatic energy to a stable demagnetized state. Then, no magnetic field is generated outside (FIG. 1(a)). By applying an external magnetic field (H) to this demagnetized ferromagnetic material, the domain walls forming the magnetic domain move so that the magnetic domain having the same magnetization as the magnetic field direction grows, and is oriented in the same direction as the external magnetic field. When the number of magnetic domains increases, the magnetic domain as a whole has magnetization (M) in that direction (FIG. 1(b)). In this state, this ferromagnetic substance generates a magnetic field outside. Furthermore, the state where only the magnetic domain facing the same direction as the external magnetic field and the domain wall disappears is the saturation state of magnetization, and in this state the maximum magnetic field is generated outside. The magnetization at this time is called saturation magnetization (Ms) (FIG. 1(c)).
As described above, the ferromagnetic body that did not generate a magnetic field outside in the state of FIG. 1A generates a magnetic field to the outside as the number of magnetic domains facing the same magnetic field direction increases as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 1C, only the magnetic domains oriented in the same direction as the external magnetic field generate a magnetic field of the maximum magnitude in that direction.
The ferromagnetic material that generates a magnetic field to the outside in this way is a magnet, but the present inventor has been able to combine the basic structure of this magnet with the domain wall drive layer in the domain wall drive MRAM. The idea of the present invention was to use the domain wall drive layer, which was regarded as the magnetization free layer of the two ferromagnetic layers in the magnetoresistive element, as a magnet.

この着想について、図2の模式図を用いてその概念を説明する。
磁壁駆動層Mは磁壁DWを一つ有し、磁壁DWを挟んで逆向きの磁化を有する2つの磁区R、Lからなる。この磁壁駆動層Mにおいて、磁壁DWの位置によって、磁壁駆動層Mの端面Maから外部へ発生(供給)する磁場の向きや大きさを変えることができる。
図2(a)においては、磁壁DWは端面Mb側に寄っており、右向きの磁化を有する磁区Lが左向きの磁化を有する磁区Rよりボリュームが大きい。これを反映して、端面Maから外部へ供給される磁場の向きは右向きとなり、その大きさは磁区Lと磁区Rのボリュームの差を反映したものとなっている。
また、図2(b)においては、磁壁DWは中央からやや端面Ma側に寄っており、左向きの磁化を有する磁区Rが右向きの磁化を有する磁区Lよりボリュームが少し大きい。これを反映して、端面Maから外部へ供給される磁場の向きは左向きとなり、その大きさは磁区Lと磁区Rのボリュームの差を反映したものとなっている。
さらに、図2(c)においては、磁壁DWは端面Ma側に寄っており、左向きの磁化を有する磁区Rが右向きの磁化を有する磁区Lよりボリュームが大きく、大きさの違いは図2(a)の場合の逆である。これを反映して、端面Maから外部へ供給される磁場の向きは左向きで、その大きさ自体は図2(a)の場合と同じとなっている。
図2(a)〜(c)の磁壁DWの移動は、磁壁駆動型MRAMで行われる磁壁DWの移動と同じように磁壁駆動層M中にスピン偏極電流を流すことによって行うことができる。
このように、磁壁の位置によって磁壁駆動層から供給される磁場の向き及び大きさが可変であり、また、スピン偏極電流を流さなければ、磁壁の位置は変わらないので、エネルギー消費なく、一定の磁場を外部に供給し続けることができる。
The concept of this idea will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
The domain wall drive layer M has one domain wall DW and is composed of two magnetic domains R and L having opposite magnetizations with the domain wall DW interposed therebetween. In this domain wall drive layer M, the direction and magnitude of the magnetic field generated (supplied) from the end surface Ma of the domain wall drive layer M to the outside can be changed depending on the position of the domain wall DW.
In FIG. 2A, the domain wall DW is closer to the end face Mb side, and the magnetic domain L having the rightward magnetization has a larger volume than the magnetic domain R having the leftward magnetization. Reflecting this, the direction of the magnetic field supplied from the end surface Ma to the outside is rightward, and its magnitude reflects the difference in volume between the magnetic domains L and R.
Further, in FIG. 2B, the domain wall DW is slightly closer to the end face Ma side from the center, and the volume of the magnetic domain R having leftward magnetization is slightly larger than that of the magnetic domain L having rightward magnetization. Reflecting this, the direction of the magnetic field supplied from the end surface Ma to the outside is leftward, and the magnitude thereof reflects the difference in volume between the magnetic domains L and R.
Further, in FIG. 2C, the domain wall DW is closer to the end face Ma side, the magnetic domain R having the leftward magnetization has a larger volume than the magnetic domain L having the rightward magnetization, and the difference in size is shown in FIG. ) Is the opposite of the case. Reflecting this, the direction of the magnetic field supplied from the end surface Ma to the outside is leftward, and the magnitude itself is the same as in the case of FIG. 2A.
The movement of the domain wall DW in FIGS. 2A to 2C can be performed by causing a spin polarization current to flow in the domain wall drive layer M, similarly to the movement of the domain wall DW performed in the domain wall drive MRAM.
As described above, the direction and magnitude of the magnetic field supplied from the domain wall drive layer can be changed depending on the position of the domain wall, and the position of the domain wall does not change unless a spin-polarized current is passed, so that there is no energy consumption and constant. The magnetic field can be continuously supplied to the outside.

このような磁石としての磁壁駆動層を磁気抵抗効果素子の近傍に配置する構成とし、磁壁駆動層にスピン偏極電流を流すことによって磁壁を移動して、磁壁駆動層から発生する磁場の向きや大きさを変えることで、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化の向きや大きさを変え、それによって磁気抵抗効果素子の磁化固定層と磁化自由層の磁化の相対角を制御するというのが本発明の基本的なコンセプトである。
磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と磁化自由層の磁化の相対角によって抵抗値が異なることを利用する素子であり、磁化固定層の磁化に対して磁化自由層の磁化の向きをどのように向けるかによって、抵抗値が決まる。磁壁駆動型MRAMにおいて磁化自由層という見方しかなかった磁壁駆動層を、可変型の磁場供給が可能な磁石として利用するという着想の下(以下、この場合の磁壁駆動層を「可変磁場供給部」ということがある)、磁気抵抗効果素子に対して1つあるいは2つ以上の可変磁場供給部を配置することで、磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的あるいはアナログ的に自由に設計することが可能になる。
The magnetic domain wall drive layer as such a magnet is arranged in the vicinity of the magnetoresistive effect element, and the magnetic domain wall is moved by causing a spin polarization current to flow in the magnetic domain wall drive layer, and the direction of the magnetic field generated from the magnetic domain wall drive layer is changed. By changing the size, the magnetization direction and size of the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element are changed, and thereby the relative angle of magnetization between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element is controlled. It is the basic concept of the present invention.
The magnetoresistive effect element is an element that utilizes the fact that the resistance value differs depending on the relative angle of magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. The resistance value is determined depending on whether or not it is turned. Under the idea of using a domain wall drive layer, which was previously regarded as a magnetization free layer in a domain wall drive MRAM, as a magnet capable of supplying a variable magnetic field (hereinafter, the domain wall drive layer in this case is referred to as a “variable magnetic field supply unit”). That is, the resistance value of the magnetoresistive effect element can be freely designed in a multivalued or analog manner by arranging one or more variable magnetic field supply units for the magnetoresistive effect element. Will be possible.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、新規なタイプの多値記録やアナログ記録が可能なメモリに用いることができる磁場変調機構、及び、それを用いる磁場変調素子、アナログメモリ素子、高周波フィルタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a magnetic field modulation mechanism that can be used in a memory of a new type capable of multilevel recording and analog recording, and a magnetic field modulation element and an analog memory element using the same. , An object is to provide a high frequency filter.

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。 The present invention provides the following means in order to solve the above problems.

(1)本発明の一態様に係る磁場変調機構は、外部磁場への応答を利用する素子に対して、可変的に磁場を印可可能な磁場変調機構であって、磁壁を有し、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領域とからなり、磁壁駆動により供給する磁場を変えられる可変磁場供給部と、前記第1領域に接し、第1の磁化の向きを有する第1磁壁供給層と、前記第2領域に接し、前記第1の磁化の向きと反対向きの第2の磁化の向きを有する第2磁壁供給層と、前記第1磁壁供給層と前記第2磁壁供給層とに電気的に接続され、前記可変磁場供給部に電流を流す電流源と、を備え、前記電流源から供給された電流によって前記可変磁場供給部内の磁壁を駆動する。 (1) A magnetic field modulation mechanism according to an aspect of the present invention is a magnetic field modulation mechanism capable of variably applying a magnetic field to an element that utilizes a response to an external magnetic field, and has a magnetic domain wall. A variable magnetic field supply unit, which is composed of a region and a second region and a third region located between these regions, and is capable of changing the magnetic field supplied by domain wall drive; and a first magnetization direction in contact with the first magnetic region A first domain wall supply layer, a second domain wall supply layer in contact with the second region, and having a second magnetization direction opposite to the first magnetization direction, the first domain wall supply layer, and the first domain wall supply layer. A current source that is electrically connected to the two domain wall supply layers and supplies a current to the variable magnetic field supply unit, and drives the domain wall in the variable magnetic field supply unit by the current supplied from the current source.

(2)上記(1)に記載の磁場変調機構において、前記素子は磁気抵抗効果素子であってもよい。 (2) In the magnetic field modulation mechanism according to (1), the element may be a magnetoresistive effect element.

(3)上記(1)又は(2)のいずれかに記載の磁場変調機構において、前記第1磁壁供給層及び前記第2磁壁供給層の少なくともいずれか一方はシンセティック反強磁性構造を有してもよい。 (3) In the magnetic field modulation mechanism according to (1) or (2), at least one of the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer has a synthetic antiferromagnetic structure. Good.

(4)上記(1)〜(3)のいずれか一つに記載の磁場変調機構において、前記第1磁壁供給層の、前記可変磁場供給部を挟んで反対側に、前記第1磁壁供給層と同一の磁化の向きを有する第3磁壁供給層を備えてもよい。 (4) In the magnetic field modulation mechanism described in any one of (1) to (3) above, the first domain wall supply layer is provided on the opposite side of the first domain wall supply layer with the variable magnetic field supply unit interposed therebetween. A third domain wall supply layer having the same magnetization direction as the above may be provided.

(5)上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載の磁場変調機構において、前記第2磁壁供給層の、前記可変磁場供給部を挟んで反対側に、前記第2磁壁供給層と同一の磁化の向きを有する第4磁壁供給層を備えてもよい。 (5) In the magnetic field modulation mechanism according to any one of (1) to (4), the second domain wall supply layer is provided on the opposite side of the second domain wall supply layer with the variable magnetic field supply unit interposed therebetween. A fourth domain wall supply layer having the same magnetization direction as the above may be provided.

(6)本発明の一態様に係る磁場変調素子は、上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載の磁場変調機構と、該磁場変調機構によって磁気特性が変化させられる磁気抵抗効果素子とを備える。 (6) A magnetic field modulation element according to an aspect of the present invention includes a magnetic field modulation mechanism according to any one of (1) to (5) above and a magnetoresistive effect in which magnetic characteristics are changed by the magnetic field modulation mechanism. And an element.

(7)上記(6)に記載の磁場変調素子において、前記可変磁場供給部の、磁壁の移動方向に直交する面への投影領域が、前記磁気抵抗効果素子の磁化自由層の側面に重なるように、前記磁場変調機構と前記磁気抵抗効果素子とが配置してもよい。 (7) In the magnetic field modulator according to the above (6), a projection region of the variable magnetic field supply unit onto a plane orthogonal to a moving direction of a domain wall overlaps a side surface of a magnetization free layer of the magnetoresistive effect element. Further, the magnetic field modulation mechanism and the magnetoresistive effect element may be arranged.

(8)上記(6)又は(7)のいずれに記載の磁場変調素子において、上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載の磁場変調機構を複数備えてもよい。 (8) The magnetic field modulation element according to any one of (6) and (7) may include a plurality of magnetic field modulation mechanisms according to any one of (1) to (4).

(9)上記(6)〜(8)のいずれ一つに記載の磁場変調素子において、前記第1磁壁供給層及び前記第2磁壁供給層のうち、前記第1磁壁供給層の方が前記磁気抵抗効果素子に近い位置に配置しており、前記第1磁壁供給層がシンセティック反強磁性構造を有してもよい。 (9) In the magnetic field modulation element according to any one of (6) to (8), the first domain wall supply layer is the magnetic layer that is more magnetic than the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer. It may be arranged at a position close to the resistance effect element, and the first domain wall supply layer may have a synthetic antiferromagnetic structure.

(10)本発明の一態様に係るアナログメモリ素子は、上記(6)〜(9)のいずれか一つに記載の磁場変調素子を備え、前記可変磁場供給部から発生する磁場の向き及び/又は大きさを変えることによって前記磁気抵抗効果素子への情報の書き込みを行い、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を読み出す手段を備える。 (10) An analog memory element according to one aspect of the present invention includes the magnetic field modulation element according to any one of (6) to (9) above, and the direction and/or direction of a magnetic field generated from the variable magnetic field supply unit. Alternatively, there is provided means for writing information in the magnetoresistive effect element by changing the size and reading the resistance value of the magnetoresistive effect element.

(11)本発明の一態様に係る磁気ニューロン素子は、上記(10)に記載のアナログメモリ素子を備え、前記アナログメモリ素子が備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を前記可変磁場供給部に流すように制御する制御回路を有する電流源を備え、前記制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも3つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できる。 (11) A magnetic neuron element according to one aspect of the present invention includes the analog memory element according to (10) above, and uses resistance values of a magnetoresistive effect element included in the analog memory element in a multivalued or analog manner. A current source having a control circuit for controlling so that a write current that can be caused to flow to the variable magnetic field supply unit is provided, and the control circuit has at least three resistance ranges that can be read by the difference in the resistance value of the magnetoresistive effect element. It is possible to control so that a write current of the number of pulses is passed.

(12)本発明の一態様に係る可変型高周波フィルタは、上記(10)に記載のアナログメモリ素子に高周波電流を印可し、外部磁場に対応した特定の周波数の信号を取り出すことができる。 (12) A variable high-frequency filter according to one aspect of the present invention can apply a high-frequency current to the analog memory element described in (10) above and extract a signal of a specific frequency corresponding to an external magnetic field.

本発明の磁場変調機構によれば、新規なタイプの多値記録やアナログ記録が可能なメモリに用いることができる磁場変調機構を提供できる。 According to the magnetic field modulation mechanism of the present invention, it is possible to provide a magnetic field modulation mechanism that can be used in a memory capable of a novel type of multilevel recording or analog recording.

強磁性体が磁化された状態を説明するための概念図であり、(a)は消磁状態、(b)は磁壁移動状態、(c)は飽和状態、を示すものである。It is a conceptual diagram for demonstrating the state where the ferromagnetic material was magnetized, (a) shows a demagnetization state, (b) shows a domain wall movement state, (c) shows a saturation state. 磁壁駆動層中の磁壁の位置とそのときに外部に発生する磁場の向き及び大きさを説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the position of the domain wall in a domain wall drive layer, and the direction and magnitude of the magnetic field which generate|occur|produces the exterior at that time. 本発明の一実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。1 is a vertical cross-sectional view schematically showing an example of a magnetic field modulation element according to an embodiment of the present invention. 磁壁の位置と可変磁場供給部から発生する磁場の向き及び大きさとの関係を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for explaining the relationship between the position of the domain wall and the direction and magnitude of the magnetic field generated from the variable magnetic field supply unit. 磁化自由層及び磁化固定層の磁化曲線の概念図であり、(a)は磁化自由層の磁化容易軸方向の磁化曲線、(b)磁化自由層の磁化困難軸方向の磁化曲線、(c)は磁化固定層の磁化容易軸方向の磁化曲線の概念図である。It is a conceptual diagram of the magnetization curve of a magnetization free layer and a magnetization fixed layer, (a) is the magnetization curve of the magnetization easy axis direction of the magnetization free layer, (b) is the magnetization curve of the magnetization hard axis direction of the magnetization free layer, (c) FIG. 4 is a conceptual diagram of a magnetization curve of the magnetization fixed layer in the easy axis direction. 本発明の一実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。1 is a vertical cross-sectional view schematically showing an example of a magnetic field modulation element according to an embodiment of the present invention. 可変磁場供給部中の磁壁の位置と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the position of the domain wall in a variable magnetic field supply part, and the resistance value of a magnetoresistive effect element. 本発明の他の実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。FIG. 6 is a vertical sectional view schematically showing an example of a magnetic field modulation element according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した図であり、(a)は垂直断面図、(b)は平面図である。It is the figure which showed typically an example of the magnetic field modulation element which concerns on other embodiment of this invention, (a) is a vertical sectional view, (b) is a top view. 図9に示した磁場変調素子おいて合成磁場を変えることで磁化自由層の磁化の向きを変えたことを説明するための平面図である。FIG. 10 is a plan view for explaining that the direction of magnetization of the magnetization free layer is changed by changing the synthetic magnetic field in the magnetic field modulation element shown in FIG. 9. 本発明の他の実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。FIG. 6 is a vertical sectional view schematically showing an example of a magnetic field modulation element according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。FIG. 6 is a vertical sectional view schematically showing an example of a magnetic field modulation element according to another embodiment of the present invention. 本発明の他の実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。FIG. 6 is a vertical sectional view schematically showing an example of a magnetic field modulation element according to another embodiment of the present invention. 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。It is a figure which shows the concept of the artificial brain using the magnetic neuron element which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本発明を適用した磁場変調機構、磁場変調素子、アナログメモリ素子、高周波フィルタ及び磁気ニューロン素子について、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。 Hereinafter, configurations of a magnetic field modulation mechanism, a magnetic field modulation element, an analog memory element, a high frequency filter, and a magnetic neuron element to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the features may be enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the components may not be the same as the actual ones. .. Further, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented within a range where the effects of the present invention are exhibited. .. The device of the present invention may include other layers as long as the effects of the present invention are exhibited.

(磁場変調機構、及び、磁場変調素子)
図3は、本発明の一実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。図3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。
図3に示す磁場変調素子100は、磁場変調機構10と、磁気抵抗効果素子20とを備える。
(Magnetic field modulation mechanism and magnetic field modulation element)
FIG. 3 is a vertical sectional view schematically showing an example of the magnetic field modulation element according to the embodiment of the present invention. In FIG. 3, the stacking direction of each layer, that is, the direction (perpendicular direction) orthogonal to the main surface of each layer is defined as the Z direction. Each layer is formed parallel to the XY plane orthogonal to the Z direction.
The magnetic field modulation element 100 shown in FIG. 3 includes a magnetic field modulation mechanism 10 and a magnetoresistive effect element 20.

本発明の磁場変調機構は、外部磁場への応答を利用する素子に対して可変的に磁場を印可可能な磁場変調機構である。本発明の磁場変調機構は、被磁場印可物に対して可変的に磁場を印可可能である。
ここで、本明細書において「外部磁場への応答を利用する素子」とは、外部磁場を受けた際に特性が変化する構成要素を含む素子であって、例示すれば、磁気抵抗効果素子、ファラデー効果を利用する磁気光学素子などがある。
以下では、外部磁場への応答を利用する素子が磁気抵抗効果素子である場合を例に挙げて説明する。
The magnetic field modulation mechanism of the present invention is a magnetic field modulation mechanism capable of variably applying a magnetic field to an element that utilizes a response to an external magnetic field. The magnetic field modulation mechanism of the present invention can variably apply a magnetic field to a magnetic field applied object.
Here, in the present specification, “an element that utilizes a response to an external magnetic field” is an element that includes a component whose characteristics change when an external magnetic field is applied, and, for example, a magnetoresistive element, There is a magneto-optical element that uses the Faraday effect.
Hereinafter, a case where the element that utilizes the response to the external magnetic field is a magnetoresistive effect element will be described as an example.

磁場変調機構10は、磁壁DWを有し、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とからなり、磁壁駆動により供給する磁場を変えられる可変磁場供給部1と、第1領域1aに接し、第1の磁化の向きを有する第1磁壁供給層2と、第2領域1bに接し、第1の磁化の向きと反対向きの第2の磁化の向きを有する第2磁壁供給層3と、第1磁壁供給層2と第2磁壁供給層3とに電気的に接続され、可変磁場供給部1に電流を流す電流源4と、を備え、電流源4から供給された電流によって可変磁場供給部1内の磁壁を駆動することができる。 The magnetic field modulation mechanism 10 has a domain wall DW, and includes a first region 1a, a second region 1b, and a third region 1c located between these regions, and a variable magnetic field supply that can change the magnetic field supplied by domain wall drive. The first domain wall supply layer 2 in contact with the portion 1 and the first region 1a and having the first magnetization direction; and the second magnetization direction in contact with the second region 1b and opposite to the first magnetization direction. A current source 4 which is electrically connected to the first domain wall supply layer 2 and the second domain wall supply layer 3 and which supplies a current to the variable magnetic field supply unit 1. The domain wall in the variable magnetic field supply unit 1 can be driven by the current supplied from the magnetic field generator 4.

磁気抵抗効果素子20は、磁化固定層21と磁化自由層22とそれらの層に挟持された非磁性層23とを有する。
磁化固定層21の磁化が一方向に固定され、磁化自由層22の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子20として機能する。保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、磁化固定層の保持力磁化自由層の保磁力よりも大きいものであり、また、交換バイアス型(スピンバルブ;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、磁化固定層では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
また、磁気抵抗効果素子20は、非磁性層23が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子であり、非磁性層23が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子である。
本発明が備える磁気抵抗効果素子としては、公知の磁気抵抗効果素子の構成を用いることができる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、磁化固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。
The magnetoresistive effect element 20 has a magnetization fixed layer 21, a magnetization free layer 22, and a nonmagnetic layer 23 sandwiched between these layers.
The magnetization of the magnetization fixed layer 21 is fixed in one direction, and the direction of the magnetization of the magnetization free layer 22 relatively changes, so that the magnetization fixed layer 21 functions as the magnetoresistive effect element 20. When applied to a coercive force difference type (pseudo spin valve type) MRAM, the coercive force of the magnetization fixed layer is larger than the coercive force of the magnetization free layer, and the exchange bias type (spin When applied to a valve (spin valve type) MRAM, the magnetization direction of the magnetization fixed layer is fixed by exchange coupling with the antiferromagnetic layer.
The magnetoresistive effect element 20 is a tunneling magnetoresistive (TMR) element when the nonmagnetic layer 23 is made of an insulator, and a giant magnetoresistive (GMR:) element when the nonmagnetic layer 23 is made of metal. Giant Magnetoresistance) element.
The structure of a known magnetoresistive effect element can be used as the magnetoresistive effect element included in the present invention. For example, each layer may be composed of a plurality of layers, or may be provided with another layer such as an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction of the magnetization fixed layer.

磁化固定層21の材料には、公知のもの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CoFeSi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、XYZ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、CoFeSi、CoMnSiやCoMn1−aFeAlSi1−bなどが挙げられる。
また、磁化固定層21の磁化自由層23に対する保磁力をより大きくするために、磁化固定層21と接する材料としてIrMn,PtMnなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、磁化固定層21の漏れ磁場を磁化自由層に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
A known material can be used as the material of the magnetization fixed layer 21. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Further, an alloy containing these metals and at least one element of B, C, and N can also be used. Specifically, Co-Fe and Co-Fe-B are mentioned.
Further, in order to obtain higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, X is a transition metal element or a noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn or V. , Cr or Ti group transition metal and can take the elemental species of X, and Z is a typical element of group III to group V. For example, Co 2 FeSi, etc. Co 2 MnSi and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b can be mentioned.
Further, in order to increase the coercive force of the magnetization fixed layer 21 with respect to the magnetization free layer 23, an antiferromagnetic material such as IrMn or PtMn may be used as a material in contact with the magnetization fixed layer 21. Further, in order to prevent the leakage magnetic field of the magnetization fixed layer 21 from affecting the magnetization free layer, a synthetic ferromagnetic coupling structure may be used.

さらに磁化固定層21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21は[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)とすることができる。 Further, when the magnetization direction of the magnetization fixed layer 21 is perpendicular to the stacking plane, it is preferable to use a stacked film of Co and Pt. Specifically, the magnetization fixed layer 21 includes [Co(0.24 nm)/Pt(0.16 nm)] 6 /Ru(0.9 nm)/[Pt(0.16 nm)/Co(0.16 nm)] 4. /Ta (0.2 nm)/FeB (1.0 nm).

磁場変調機構10における可変磁場供給部1は強磁性体材料であり、その磁化の向きは反転可能である。可変磁場供給部1は、磁壁を有し、磁壁を貫通する方向(X方向)に閾値以上のスピン偏極電流を流すことにより、磁壁をスピン偏極した伝導電子が流れる方向に移動させることができる。 The variable magnetic field supply unit 1 in the magnetic field modulation mechanism 10 is made of a ferromagnetic material, and its magnetization direction can be reversed. The variable magnetic field supply unit 1 has a domain wall, and allows the domain wall to move in a direction in which spin-polarized conduction electrons flow by causing a spin polarization current equal to or more than a threshold value to flow in a direction penetrating the domain wall (X direction). it can.

可変磁場供給部1は、磁壁DWを有し、磁壁DWが駆動する第3領域1cとその両脇に位置する第1領域1a、第2領域1bとからなる。
可変磁場供給部1のうち、磁化が固定された第1磁壁供給層2に接合する第1領域1aは、第1磁壁供給層2との交換結合により磁化が固定されておりまた、磁化が固定された第2磁壁供給層3に接合する第2領域1bは、第2磁壁供給層3との交換結合により磁化が固定されている。一方、第1領域1aと第2領域1bとの間に位置する第3領域1cは、磁化が反転可能である。
The variable magnetic field supply unit 1 has a domain wall DW, and includes a third region 1c driven by the domain wall DW, and a first region 1a and a second region 1b located on both sides of the third region 1c.
In the variable magnetic field supply unit 1, the first region 1a joined to the first domain wall supply layer 2 whose magnetization is fixed has its magnetization fixed by exchange coupling with the first domain wall supply layer 2, and also has its magnetization fixed. The magnetization of the second region 1b joined to the formed second domain wall supply layer 3 is fixed by exchange coupling with the second domain wall supply layer 3. On the other hand, the magnetization of the third region 1c located between the first region 1a and the second region 1b is reversible.

可変磁場供給部1の材料には、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。特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feが挙げられる。 As a material of the variable magnetic field supply unit 1, a known material that can be used for the magnetization free layer can be used. In particular, a soft magnetic material can be applied. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals, and these metals and at least one or more elements of B, C and N are included. The alloy etc. which are used can be used. Specific examples thereof include Co-Fe, Co-Fe-B, and Ni-Fe.

可変磁場供給部は磁壁駆動によって外部に可変の磁場を供給することができるものであれば、特に形状に制限はない。最も典型的な形状としては例えば、細長状のものとすることができる。また、全体が一様な形状でなくてもよい。
可変磁場供給部1の長さ、ずなわち、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領域を合わせた長さは60nm以上であることが好ましい。通常、60nm未満では単磁区になりやすく、磁壁を有しない場合があるからある。
The variable magnetic field supply unit is not particularly limited in shape as long as it can supply a variable magnetic field to the outside by driving the domain wall. The most typical shape may be, for example, an elongated shape. Further, the entire shape does not have to be uniform.
The length of the variable magnetic field supply unit 1, that is, the total length of the first region and the second region and the third region located between these regions is preferably 60 nm or more. Usually, if it is less than 60 nm, it tends to be a single magnetic domain, and it may not have a domain wall.

可変磁場供給部1の厚さは可変磁場供給部として機能する限り、特に制限はないが、例えば、2〜60nmとすることができる。可変磁場供給部1の厚さが60nm以上になると、積層方向に磁壁が出来る可能性がある。しかしながら、積層方向に磁壁ができるか否かは可変磁場供給部の形状異方性とのバランスによって生じるため、可変磁場供給部1の厚さが60nm未満である限り、磁壁ができるので問題ない。 The thickness of the variable magnetic field supply unit 1 is not particularly limited as long as it functions as a variable magnetic field supply unit, but can be set to, for example, 2 to 60 nm. When the thickness of the variable magnetic field supply unit 1 is 60 nm or more, a domain wall may be formed in the stacking direction. However, whether or not a domain wall is formed in the stacking direction depends on the balance with the shape anisotropy of the variable magnetic field supply unit. Therefore, as long as the thickness of the variable magnetic field supply unit 1 is less than 60 nm, there is no problem because a domain wall is formed.

可変磁場供給部1の、磁壁の移動方向に直交する面への投影領域が、磁気抵抗効果素子20の磁化自由層22の側面に重なるように、磁場変調機構10と磁気抵抗効果素子20とが配置していることが好ましい。可変磁場供給部1の端面1Aから発生した磁場Hexが磁化自由層22に効率的に供給されるからである。
また、可変磁場供給部1の、磁壁の移動方向に直交する面への投影領域が、磁気抵抗効果素子20の磁化自由層22の側面に含む(図3における点線参照)ように磁場変調機構10と磁気抵抗効果素子20とが配置していることがより好ましい。可変磁場供給部1の端面1Aから発生した磁場Hexが磁化自由層22により効率的に供給されるからである。
The magnetic field modulation mechanism 10 and the magnetoresistive effect element 20 are arranged so that the projection region of the variable magnetic field supply unit 1 on the surface orthogonal to the moving direction of the domain wall overlaps the side surface of the magnetization free layer 22 of the magnetoresistive effect element 20. It is preferably arranged. This is because the magnetic field Hex generated from the end surface 1A of the variable magnetic field supply unit 1 is efficiently supplied to the magnetization free layer 22.
Further, the magnetic field modulation mechanism 10 is configured so that the projection region of the variable magnetic field supply unit 1 on the plane orthogonal to the moving direction of the domain wall is included in the side surface of the magnetization free layer 22 of the magnetoresistive effect element 20 (see the dotted line in FIG. 3 ). It is more preferable that the magnetoresistive effect element 20 is arranged. This is because the magnetic field Hex generated from the end surface 1A of the variable magnetic field supply unit 1 is efficiently supplied by the magnetization free layer 22.

図3において、矢印M1、矢印M2、矢印M3及び矢印M4は各層の磁化の向きを示しており、また、矢印M5および矢印M6はそれぞれ、可変磁場供給部1のうち、磁壁DWを境界として第1磁壁供給層2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3側の部分の磁化の向きを示すものである。
図3に示す例では、可変磁場供給部1、第1磁壁供給層2、第2磁壁供給層3、磁化固定層21および磁化自由層22は、面内磁気異方性(面内磁化容易軸)を有する面内磁化膜であるが、それらの層は垂直磁気異方性(垂直磁化容易軸)を有する垂直磁化膜であってもよい。面内磁化膜を形成しやすい材料としては例えば、NiFeがある。また、垂直磁化膜を形成しやすいものとしては例えば、Co/Ni積層膜がある。
面内磁化膜を用いると、高いMR比を有し、読み込み時にSTTによる書き込みがされ難いために大きな読み取り電圧を用いることができる。一方、垂直磁化膜を用いると、熱擾乱に対する耐性が大きいため、データが消去されにくくなる。
In FIG. 3, arrows M1, M2, M3, and M4 indicate the magnetization directions of the respective layers, and arrows M5 and M6 respectively indicate the domain wall DW of the variable magnetic field supply unit 1 as a boundary. The magnetization direction of the portion on the side of the first domain wall supply layer 2 and the magnetization direction of the portion on the side of the second domain wall supply layer 3 are shown with the domain wall DW as a boundary.
In the example shown in FIG. 3, the variable magnetic field supply unit 1, the first domain wall supply layer 2, the second domain wall supply layer 3, the magnetization fixed layer 21, and the magnetization free layer 22 have the in-plane magnetic anisotropy (the in-plane easy magnetization axis). 2), the layers may be perpendicular magnetic films having perpendicular magnetic anisotropy (perpendicular magnetic easy axis). For example, NiFe is a material that easily forms an in-plane magnetized film. A Co/Ni laminated film is an example of a material that is easy to form a perpendicular magnetization film.
The use of the in-plane magnetized film has a high MR ratio and makes it difficult to write by STT at the time of reading, so that a large reading voltage can be used. On the other hand, when the perpendicular magnetization film is used, the resistance to thermal agitation is large, and thus it is difficult to erase data.

第1磁壁供給層2および第2磁壁供給層3の少なくともいずれか一方は、シンセティック反強磁性構造を有することが好ましい。ここで、シンセティック反強磁性構造とは、2層の強磁性層がRu等の磁気結合層を挟んだ構造であって、磁気結合層がそれを挟む2層の強磁性層との間に反強磁性結合を生じさせた構造である。この構造では、一方の強磁性層の磁化方向が他方の強磁性層(反強磁性層)によって強く保持されている。
この構成により、一度の磁場アニールによって第一磁壁供給層と第二磁壁供給層の磁化の向きを反対側に固定することが可能である。また、シンセティック反強磁性構造を有する磁壁供給層が外部磁場への耐性が良くなり、シンセティック反強磁性構造を有しない他方の磁壁供給層の磁化の向きが反平行でなくなった場合に、強い磁場を印可するだけで磁化の向きの安定性を取り戻すことができる。
At least one of the first domain wall supply layer 2 and the second domain wall supply layer 3 preferably has a synthetic antiferromagnetic structure. Here, the synthetic antiferromagnetic structure is a structure in which two ferromagnetic layers sandwich a magnetic coupling layer such as Ru, and the magnetic coupling layer is antiferromagnetic between the two ferromagnetic layers sandwiching it. It is a structure that causes ferromagnetic coupling. In this structure, the magnetization direction of one ferromagnetic layer is strongly held by the other ferromagnetic layer (antiferromagnetic layer).
With this configuration, it is possible to fix the magnetization directions of the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer to opposite sides by one-time magnetic field annealing. In addition, when the domain wall supply layer having the synthetic antiferromagnetic structure has improved resistance to an external magnetic field and the magnetization direction of the other domain wall supply layer not having the synthetic antiferromagnetic structure is no longer antiparallel, a strong magnetic field is generated. The stability of the magnetization direction can be restored by simply applying.

第1磁壁供給層2および第2磁壁供給層3のうち、磁気抵抗効果素子に近い位置に配置する第1磁壁供給層2がシンセティック反強磁性構造を有することが好ましい。
シンセティック反強磁性構造が第1磁壁供給層2に設置されていることで、第1磁壁供給層2から磁気抵抗効果素子20に印可される磁場を抑制することができる。可変磁場供給部1は磁気抵抗効果素子20に任意の磁場を印可する機能があるが、第1磁壁供給層2がシンセティック反強磁性構造を有していないと、第1磁壁供給層2からも磁気抵抗効果素子20に磁場を印可してしまう。この場合、可変磁場供給部1からの磁場は変調されるが、第1磁壁供給層2からの磁場は一定であるため、第1磁壁供給層2からの磁場の分だけ磁場の原点がずれてしまうという問題がある。シンセティック反強磁性構造を有することで第1磁壁供給層2からの磁場を抑制することが可能となる。
Of the first domain wall supply layer 2 and the second domain wall supply layer 3, it is preferable that the first domain wall supply layer 2 arranged near the magnetoresistive element has a synthetic antiferromagnetic structure.
Since the synthetic antiferromagnetic structure is provided in the first domain wall supply layer 2, the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 20 from the first domain wall supply layer 2 can be suppressed. The variable magnetic field supply unit 1 has a function of applying an arbitrary magnetic field to the magnetoresistive effect element 20, but if the first domain wall supply layer 2 does not have a synthetic antiferromagnetic structure, the variable domain supply unit 1 also receives from the first domain wall supply layer 2. A magnetic field is applied to the magnetoresistive effect element 20. In this case, the magnetic field from the variable magnetic field supply unit 1 is modulated, but the magnetic field from the first domain wall supply layer 2 is constant, so the origin of the magnetic field is shifted by the amount of the magnetic field from the first domain wall supply layer 2. There is a problem that it ends up. By having the synthetic antiferromagnetic structure, it becomes possible to suppress the magnetic field from the first domain wall supply layer 2.

図3に示す磁気抵抗効果素子20は、MRAMの一部であるメモリセルであってもよい。この場合も磁気抵抗効果素子20は、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。従来の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。なお、従来のMRAMにおける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。 The magnetoresistive effect element 20 shown in FIG. 3 may be a memory cell which is a part of MRAM. Also in this case, the magnetoresistive effect element 20 has a laminated structure in which two ferromagnetic layers are laminated with the nonmagnetic layer interposed therebetween. The two ferromagnetic layers are a magnetization fixed layer (pin layer) whose magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction is reversible. The value of the electric resistance of the magnetoresistive effect element is larger when the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are antiparallel than when they are parallel. In the magnetoresistive effect element which is the memory cell of the conventional MRAM, the parallel state of the magnetization is associated with the data “0” and the antiparallel state is associated with the data “1” by utilizing the difference in the magnitude of the resistance value. As a result, the data is stored in a nonvolatile manner. The data is read by passing a read current through the magnetoresistive effect element (through the laminated structure) and measuring the resistance value of the magnetoresistive effect element. Data writing in the conventional MRAM is performed by flowing a spin polarization current to reverse the magnetization direction of the magnetization free layer.

図3に示すように、磁壁DWが可変磁場供給部1の端面1B側に寄っており、右向きの磁化を有する磁区Lが左向きの磁化を有する磁区Rよりボリュームが大きい場合、これを反映して、端面1Aから外部へ供給される磁場Hexの向きは右向きとなり、その大きさは磁区Lと磁区Rのボリュームの差を反映したものとなっている。
この場合、磁気抵抗効果素子20には右向きの外部磁場Hexが作用している。
As shown in FIG. 3, when the domain wall DW is closer to the end surface 1B side of the variable magnetic field supply unit 1 and the volume of the magnetic domain L having the rightward magnetization is larger than that of the magnetic domain R having the leftward magnetization, this is reflected. The direction of the magnetic field Hex supplied from the end face 1A to the outside is rightward, and its magnitude reflects the difference in volume between the magnetic domains L and R.
In this case, a rightward external magnetic field Hex acts on the magnetoresistive element 20.

これに対して、図4に示すように、電流源4によって第1磁壁供給層2及び第2磁壁供給層3を介して可変磁場供給部1に電流を流すことによって、磁壁DWを端面1A側に移動させると、左向きの磁化を有する磁区Rが右向きの磁化を有する磁区Lよりボリュームが大きくなる結果、端面1Aから外部へ供給される磁場Hexの向きは図3の場合とは逆に左向きとなる。
この外部磁場Hexの大きさによっては、図4に示すように、磁気抵抗効果素子20の磁化自由層22の磁化の向きは反転する。
図3及び図4に示す磁気抵抗効果素子20がMRAMの一部である場合、図3に示す磁気抵抗効果素子20では、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが反平行であるから抵抗値は大きく、一方、図4に示す磁気抵抗効果素子20では、磁化固定層と磁化自由層の磁化の向きが反平行であるから抵抗値は小さく、それぞれ、データ“1”、データ“0”が記録されたものとなっている。
このように、本発明の磁場変調機構は、2値で記録する従来のMRAMにおける新たな書き込み手段として用いることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4, by causing a current to flow through the variable magnetic field supply unit 1 via the first domain wall supply layer 2 and the second domain wall supply layer 3 by the current source 4, the domain wall DW is moved toward the end face 1A side. When the magnetic domain R having the leftward magnetization has a larger volume than the magnetic domain L having the rightward magnetization, the direction of the magnetic field Hex supplied from the end facet 1A to the outside is opposite to the leftward direction in FIG. Become.
Depending on the magnitude of the external magnetic field Hex, the magnetization direction of the magnetization free layer 22 of the magnetoresistive effect element 20 is reversed as shown in FIG.
When the magnetoresistive effect element 20 shown in FIGS. 3 and 4 is a part of the MRAM, in the magnetoresistive effect element 20 shown in FIG. 3, the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are antiparallel to each other. On the other hand, in the magnetoresistive effect element 20 shown in FIG. 4, the resistance values are small because the magnetization directions of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer are antiparallel, and the data values are “1” and “0”, respectively. Has been recorded.
In this way, the magnetic field modulation mechanism of the present invention can be used as a new writing means in the conventional MRAM that records in binary.

次に、従来のMRAMの構成に本発明の磁場変調機構を適用して多値あるいはアナログ的に記録する方法について説明する。 Next, a method of applying multi-valued or analog recording by applying the magnetic field modulation mechanism of the present invention to the configuration of the conventional MRAM will be described.

図5は、磁化自由層及び磁化固定層の磁化曲線の概念図である。
図5(a)及び(c)はそれぞれ、磁化自由層の磁化容易軸方向(X方向)の磁化曲線の概念図、磁化固定層の磁化容易軸方向の磁化曲線の概念図である。図5(a)に示す通り、磁化自由層の磁化容易軸方向では、印可する外部磁界Hを大きくしていくと低い外部磁界Hで急峻に磁化して飽和する。これに対して、磁化固定層ではある外部磁界Hで急峻に磁化する点は共通するが、磁化自由層の場合よりも大きな外部磁界Hで飽和する点で異なる。
一方、図5(b)は、磁化自由層の磁化困難軸方向(Y方向)の磁化曲線の概念図である。磁化困難軸方向では、磁化自由層の磁化は印可する外部磁界Hを大きくしていくと共に徐々に磁化していく。
FIG. 5 is a conceptual diagram of the magnetization curves of the magnetization free layer and the magnetization fixed layer.
5A and 5C are conceptual diagrams of a magnetization curve of the magnetization free layer in the easy axis direction (X direction) and a magnetization curve of the magnetization fixed layer in the easy axis direction, respectively. As shown in FIG. 5A, in the magnetization easy axis direction of the magnetization free layer, when the applied external magnetic field H is increased, the external magnetic field H is steeply magnetized and saturated. On the other hand, the magnetization fixed layer has a common point of being abruptly magnetized by an external magnetic field H, but is different in that it is saturated by an external magnetic field H larger than that of the magnetization free layer.
On the other hand, FIG. 5B is a conceptual diagram of a magnetization curve in the hard axis direction (Y direction) of the magnetization free layer. In the hard axis direction, the magnetization of the magnetization free layer is gradually magnetized as the applied external magnetic field H is increased.

従来のMRAMにおいては一般に、磁化自由層の磁化容易軸方向で磁化の向きを反転させることにより、磁化自由層の磁化の向きを磁化固定層の磁化の向きに対して平行あるいは反平行にして、2値で書き込み(記録)している。この書き込み方法として現在主流のスピントランスファートルク(Spin Transfer Torque)を利用した「STT方式」では、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ことで、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、あるいは、磁化自由層から磁化固定層に引き抜かれ、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。
このように、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ことで磁化の向きを反転させるという方法なので、2値を超えて書き込み(記録)を行うことは将来的にも難しいと考えられる。
これに対して、本発明の磁場変調機構による書き込み(記録)は、磁気抵抗効果素子の近傍に磁石(本発明の磁場変調機構)を配置してその磁場によって磁化自由層の磁化の向きを固定する方法であるから、2つ以上の磁化の向きに固定することができる。この磁石の磁場は可変磁場供給部に電流を流して磁壁を移動しない限り、変わらない。すなわち、本発明の磁場変調機構による書き込み(記録)によれば、多値あるいはアナログ的な記録が可能になる。
In a conventional MRAM, in general, the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed in the easy axis direction of the magnetization free layer to make the magnetization direction of the magnetization free layer parallel or anti-parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer. Writing (recording) in binary. As the writing method, in the “STT method” that uses the current mainstream spin transfer torque, a spin current having the same spin state as that of the magnetization fixed layer is generated by passing a write current through the magnetoresistive effect element. Polarized electrons are supplied from the magnetization fixed layer to the magnetization free layer or extracted from the magnetization free layer to the magnetization fixed layer, and as a result, the magnetization of the magnetization free layer is inverted by the spin transfer effect. In this way, the direction of the write current passing through the magnetoresistive effect element defines the magnetization direction of the magnetization free layer.
As described above, since the method of reversing the magnetization direction by passing the write current through the magnetoresistive effect element, it is considered difficult to write (record) more than two values in the future. ..
On the other hand, in writing (recording) by the magnetic field modulation mechanism of the present invention, a magnet (magnetic field modulation mechanism of the present invention) is arranged in the vicinity of the magnetoresistive effect element, and the magnetization direction of the magnetization free layer is fixed by the magnetic field. Since it is a method of doing so, it is possible to fix in two or more magnetization directions. The magnetic field of this magnet does not change unless a current is passed through the variable magnetic field supply unit to move the domain wall. That is, according to the writing (recording) by the magnetic field modulation mechanism of the present invention, multivalued or analog recording can be performed.

以下、本発明の磁場変調機構による書き込み(記録)による多値記録あるいはアナログ記録の方法について説明する。
第1の実施形態は、磁化自由層の磁化困難軸方向の磁化の向きを利用する場合である。磁化自由層の磁化困難軸方向の磁化の向き及び大きさは、図5(b)に示したように、印可する外部磁場の大きさに応じて徐々に連続的に変化する。
図6は図4と類似する構成であるが、磁気抵抗効果素子の2つの強磁性層の磁化困難軸方向がX方向に向いている構成である点が異なる。図6で示す磁気抵抗効果素子20はMRAMの一部であるとする。
図6示す構成において、磁気抵抗効果素子20の磁化自由層22の磁化は−X方向を向いており、磁化固定層21の磁化と平行である。このとき、可変磁場供給部1の磁壁DWの位置に応じて、可変磁場供給部1の端面1Aから出ている磁場Hexの向きは−X方向を向いている。
磁壁DWが+Z方向から平面視して、第1磁壁供給層2の+X側の側面2B近傍にある(図6中のP1)状態から、可変磁場供給部1に電流を流して磁壁DWの位置を+X方向に移動させていくと、−X方向向きの磁場Hexの大きさは小さくなっていき(図2(b)参照)、磁壁DWが+Z方向から平面視して、可変磁場供給部1の中央(図6中のP2)あたりにくると、磁場Hexの大きさはゼロになり、さらに磁壁DWの位置を+X方向に移動させていくと、磁場Hexの向きは+X方向を向き、その大きさが大きくなっていく。
この磁場Hexの向き及び大きさの変化に対して、磁化自由層22の磁化の磁化がどのように変化するかを考える。なお、印可時間は磁化自由層22の磁化の向きや大きさが所望のように変化して一定になるまでとする。磁場Hexの向きが+X方向を向き始めると、−X方向を向いている磁化自由層22の磁化の大きさは小さくなりはじめ、磁場Hexの+X方向向きの大きさが所定の大きさを超えると、磁化自由層22の磁化の向きは+X方向を向き、磁場Hexの大きさが大きくなるにつれて磁化自由層22の磁化の+X方向向きの大きさも大きくなっていく。
Hereinafter, a method of multilevel recording or analog recording by writing (recording) by the magnetic field modulation mechanism of the present invention will be described.
The first embodiment is a case of utilizing the direction of magnetization in the hard axis direction of the magnetization free layer. As shown in FIG. 5B, the direction and magnitude of magnetization in the hard axis direction of the magnetization free layer gradually and continuously change according to the magnitude of the applied external magnetic field.
FIG. 6 has a configuration similar to that of FIG. 4, except that the hard axis directions of the two ferromagnetic layers of the magnetoresistive effect element are oriented in the X direction. The magnetoresistive effect element 20 shown in FIG. 6 is assumed to be a part of the MRAM.
In the configuration shown in FIG. 6, the magnetization of the magnetization free layer 22 of the magnetoresistive effect element 20 is oriented in the −X direction, and is parallel to the magnetization of the magnetization fixed layer 21. At this time, depending on the position of the domain wall DW of the variable magnetic field supply unit 1, the direction of the magnetic field Hex emitted from the end surface 1A of the variable magnetic field supply unit 1 is the −X direction.
From the state where the domain wall DW is in the vicinity of the side surface 2B on the +X side of the first domain wall supply layer 2 in the plan view from the +Z direction (P1 in FIG. 6), a current is passed through the variable magnetic field supply unit 1 to cause the domain wall DW to flow. When the position of is moved in the +X direction, the magnitude of the magnetic field Hex in the −X direction becomes smaller (see FIG. 2B), and the domain wall DW is changed in plan view from the +Z direction. When the magnetic field Hex reaches the center (P2 in FIG. 6), the magnitude of the magnetic field Hex becomes zero, and when the position of the domain wall DW is further moved in the +X direction, the direction of the magnetic field Hex becomes +. Facing in the X direction, the size increases.
Consider how the magnetization of the magnetization free layer 22 changes with respect to changes in the direction and magnitude of the magnetic field Hex. The application time is until the magnetization direction and magnitude of the magnetization free layer 22 change as desired and become constant. When the direction of the magnetic field Hex begins to face the +X direction, the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer 22 that faces the −X direction begins to decrease, and the magnitude of the magnetic field Hex in the +X direction becomes a predetermined magnitude. When it exceeds, the magnetization direction of the magnetization free layer 22 faces the +X direction, and the magnitude of the magnetization direction of the magnetization free layer 22 in the +X direction also increases as the magnitude of the magnetic field Hex increases.

図7は、可変磁場供給部1中の磁壁の位置と磁気抵抗効果素子の抵抗値との関係を示すグラフである。横軸のP1〜P3は図6で示した磁壁の位置に対応する。
可変磁場供給部1中の磁壁の位置は、磁化自由層の磁化の大きさに対応する。
このように、可変磁場供給部1の磁壁の位置を移動させることで、磁気抵抗効果素子に与える外部磁場の向き及び/又は大きさを変化させて、磁化自由層の磁化の向き及び/又は大きさを変化させることができる。そして、この磁化自由層の磁化の大きさの変化は、可変磁場供給部1中の磁壁の位置を段階的に変化させるのか、連続的に変化させるのかにより、段階的にも連続的にも変化させることができる。これによって、磁気抵抗効果素子の抵抗値の大きさを段階的あるいは連続的に変化させることができる。こうして、多値記録あるいはアナログ記録が可能となる。
以上においては、磁化自由層の磁化困難軸方向の磁化を変化させる場合を説明したが、磁化容易軸方向の磁化にも適用することができる。ただ、外部磁場に対する磁化容易軸方向の磁化の変化は磁化困難軸方向の磁化に比べて急峻であるため、その分、制御は難しくなる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the position of the domain wall in the variable magnetic field supply unit 1 and the resistance value of the magnetoresistive effect element. P1 to P3 on the horizontal axis correspond to the positions of the domain walls shown in FIG.
The position of the domain wall in the variable magnetic field supply unit 1 corresponds to the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer.
In this way, by moving the position of the magnetic domain wall of the variable magnetic field supply unit 1, the direction and/or the magnitude of the external magnetic field applied to the magnetoresistive effect element is changed, and the direction and/or the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer are changed. Can be changed. Then, the change in the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer changes stepwise or continuously depending on whether the position of the domain wall in the variable magnetic field supply unit 1 is changed stepwise or continuously. Can be made. Thereby, the magnitude of the resistance value of the magnetoresistive effect element can be changed stepwise or continuously. In this way, multi-value recording or analog recording becomes possible.
The case where the magnetization of the magnetization free layer in the hard axis direction is changed has been described above, but the present invention can be applied to the magnetization in the easy axis direction. However, since the change in the magnetization in the easy axis direction with respect to the external magnetic field is steeper than the magnetization in the hard axis direction, the control becomes difficult accordingly.

本発明の磁場変調機構による書き込み(記録)による多値記録あるいはアナログ記録の第2の実施形態は、本発明の磁場変調機構を複数用いる方法である。すなわち、1つの磁気抵抗効果素子に対して複数の磁場変調機構を用いて書き込み(記録)を行う方法である。多値記録あるいはアナログ記録の原理は第1の実施形態と同様である。
図8は、本発明の他の実施形態に係る磁場変調素子の一例を模式的に示した垂直断面図である。
図8に示す磁場変調素子200は、2つの磁場変調機構10、10’と、磁気抵抗効果素子20とを備える。なお、図8においては、2つの磁場変調機構10、10’は一部だけを描いている。
The second embodiment of multi-level recording or analog recording by writing (recording) by the magnetic field modulation mechanism of the present invention is a method using a plurality of magnetic field modulation mechanisms of the present invention. That is, this is a method of writing (recording) on one magnetoresistive effect element using a plurality of magnetic field modulation mechanisms. The principle of multi-valued recording or analog recording is the same as in the first embodiment.
FIG. 8 is a vertical sectional view schematically showing an example of the magnetic field modulation element according to another embodiment of the present invention.
The magnetic field modulation element 200 shown in FIG. 8 includes two magnetic field modulation mechanisms 10, 10 ′ and a magnetoresistive effect element 20. Note that, in FIG. 8, the two magnetic field modulation mechanisms 10 and 10 ′ are only partially drawn.

図8に示す磁場変調素子200においては、図3等で示した構成において、磁気抵抗効果素子20を挟んで磁場変調機構10の反対側に磁場変調機構10’を備える点が図3等で示した構成と異なる。特に、磁気抵抗効果素子20を挟んで可変磁場供給部1と対称の位置にもう一つの可変磁場供給部1’が配置する構成である。
もう一つの磁場変調機構10’も磁場変調機構10と同様の構成を有する。すなわち、磁壁DW’を有し、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領域とからなり、磁壁駆動により供給する磁場を変えられる可変磁場供給部1’と、第1領域に接し、第1の磁化の向きを有する第1磁壁供給層と、第2領域に接し、第1の磁化の向きと反対向きの第2の磁化の向きを有する第2磁壁供給層3’と、第1磁壁供給層と第2磁壁供給層3’とに電気的に接続され、可変磁場供給部1’に電流を流す電流源4’と、を備える。
In the magnetic field modulation element 200 shown in FIG. 8, the magnetic field modulation mechanism 10′ is provided on the side opposite to the magnetic field modulation mechanism 10 with the magnetoresistive effect element 20 in between in the configuration shown in FIG. The configuration is different. In particular, another variable magnetic field supply unit 1'is arranged at a position symmetrical to the variable magnetic field supply unit 1 with the magnetoresistive effect element 20 interposed therebetween.
The other magnetic field modulation mechanism 10 ′ also has the same configuration as the magnetic field modulation mechanism 10. That is, a variable magnetic field supply unit 1′ having a domain wall DW′, composed of a first region and a second region and a third region located between these regions, and capable of changing the magnetic field supplied by the domain wall drive; A first domain wall supply layer that is in contact with the first region and has a first magnetization direction, and a second domain wall supply layer that is in contact with the second region and has a second magnetization direction that is opposite to the first magnetization direction. ', and a current source 4'which is electrically connected to the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer 3'and supplies a current to the variable magnetic field supply unit 1'.

磁場変調素子200においては、磁気抵抗効果素子20に対して、磁場変調機構10とそれと対称の位置に配置する磁場変調機構10’とから外部磁場Hex、Hex’を付与することができる。すなわち、磁場変調機構10からの外部磁場Hex以外に、磁場変調機構10’からの外部磁場Hex’として、電流源4’によって可変磁場供給部1’に電流を流して磁壁DW’を駆動することにより、所望の向き及び/又は大きさとして磁気抵抗効果素子20に付与することができる。
この構成では、磁気抵抗効果素子20に対して付与される外部磁場を、1つの磁場変調機構ではなく、2つの磁場変調機構によって制御するので、より精密に外部磁場を制御することができる。
また、磁場変調機構10’からの外部磁場Hex’を磁場変調機構10からの外部磁場Hexと同じ向き及び/又は大きさにすることにより、磁気抵抗効果素子20に対して安定な磁場を付与することができる。
In the magnetic field modulation element 200, external magnetic fields Hex and Hex′ can be applied to the magnetoresistive effect element 20 from the magnetic field modulation mechanism 10 and the magnetic field modulation mechanism 10 ′ arranged at a position symmetrical to the magnetic field modulation mechanism 10. That is, in addition to the external magnetic field Hex from the magnetic field modulation mechanism 10, as the external magnetic field Hex' from the magnetic field modulation mechanism 10', a current is supplied to the variable magnetic field supply unit 1'by the current source 4'to drive the domain wall DW'. Thus, the magnetoresistive effect element 20 can be provided with a desired orientation and/or size.
In this configuration, the external magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 20 is controlled not by one magnetic field modulation mechanism but by two magnetic field modulation mechanisms, so that the external magnetic field can be controlled more precisely.
Further, by setting the external magnetic field Hex′ from the magnetic field modulation mechanism 10 ′ to have the same direction and/or magnitude as the external magnetic field Hex from the magnetic field modulation mechanism 10, a stable magnetic field is given to the magnetoresistive effect element 20. be able to.

本発明の磁場変調機構による書き込み(記録)による多値記録あるいはアナログ記録の第3の実施形態も、本発明の磁場変調機構を複数用いる点では第2の実施形態と共通するが、複数の磁場変調機構と磁気抵抗効果素子とが一直線上に配置していない点が異なる。
図9に示す磁場変調素子は、2つの磁場変調機構と、1つの磁気抵抗効果素子20とを備える。
図9(a)は、磁気抵抗効果素子20の側面(特に磁化自由層22の側面)の周囲のXY面に平行な面に互いに直交して配置する本発明の可変磁場供給部11A、11Bを2つ備えた本発明の磁場変調素子の一例の断面模式図、(b)に磁化自由層22を含む平面で切った平面模式図を示す。図9においては、各磁場変調機構が備える第1磁壁供給層、第2磁壁供給層及び電流源は図示を省略している。
The third embodiment of multilevel recording or analog recording by writing (recording) by the magnetic field modulation mechanism of the present invention is also common to the second embodiment in that a plurality of magnetic field modulation mechanisms of the present invention are used, but a plurality of magnetic fields are used. The difference is that the modulation mechanism and the magnetoresistive effect element are not arranged in a straight line.
The magnetic field modulation element shown in FIG. 9 includes two magnetic field modulation mechanisms and one magnetoresistive effect element 20.
FIG. 9A shows variable magnetic field supply units 11A and 11B according to the present invention, which are arranged orthogonal to each other on a plane parallel to the XY plane around the side surface of the magnetoresistive effect element 20 (particularly the side surface of the magnetization free layer 22). A schematic sectional view of an example of the magnetic field modulation element of the present invention provided with two, and a schematic plan view taken along a plane including the magnetization free layer 22 are shown in (b). In FIG. 9, the first domain wall supply layer, the second domain wall supply layer, and the current source included in each magnetic field modulation mechanism are not shown.

図9においては、可変磁場供給部11A、11Bはその端面からそれぞれ、外部磁場Hex1、Hex2を供給している。この場合、磁化自由層22には、外部磁場Hex1、Hex2の合成磁場が作用する。
ベクトルの考え方に基づけば、方向が異なる2つのベクトルを基本ベクトルとして、それらのベクトルを含む面における全ての向きの合成ベクトルを作ることができる。そうすると、2つの可変磁場供給部11A、11Bを用いて、XY面内の全ての向きの外部磁場(合成磁場)を作ることができる。すなわち、2つの可変磁場供給部11A、11Bから供給される磁場の大きさをそれぞれの磁壁の位置を制御することで、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に対してその層に平行な面内(XY面内)の全ての向きの外部磁場(合成磁場)を与えることができる。そうすると、磁化自由層の磁化をXY面内の任意の向きに向けることが可能ということになる。
例えば、2つの可変磁場供給部11A、11Bが作った外部磁場(合成磁場)によって、磁化自由層の磁化は、図10に示すような方向の磁化を有するものとなる。
In FIG. 9, the variable magnetic field supply units 11A and 11B supply external magnetic fields Hex1 and Hex2 from their end faces, respectively. In this case, a combined magnetic field of the external magnetic fields Hex1 and Hex2 acts on the magnetization free layer 22.
Based on the concept of a vector, two vectors having different directions can be used as a basic vector and a composite vector of all directions in a plane including these vectors can be created. Then, the two variable magnetic field supply units 11A and 11B can be used to generate an external magnetic field (synthetic magnetic field) in all directions in the XY plane. That is, by controlling the magnitudes of the magnetic fields supplied from the two variable magnetic field supply units 11A and 11B to control the positions of the respective magnetic domain walls, in-plane parallel to the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element ( An external magnetic field (synthetic magnetic field) in all directions in the XY plane can be given. Then, the magnetization of the magnetization free layer can be oriented in any direction in the XY plane.
For example, due to the external magnetic field (composite magnetic field) generated by the two variable magnetic field supply units 11A and 11B, the magnetization of the magnetization free layer has the magnetization in the direction shown in FIG.

2つの可変磁場供給部11A、11Bの磁壁の位置を移動させることで、磁気抵抗効果素子に与える外部磁場(合成磁場)の向き及び/又は大きさを変化させて、磁化自由層の磁化の向き及び/又は大きさを変化させることができる。そして、この磁化自由層の磁化の大きさの変化は、可変磁場供給部11A、11B中の磁壁の位置を段階的に変化させるのか、連続的に変化させるのかにより、段階的にも連続的にも変化させることができる。これによって、磁気抵抗効果素子の抵抗値の大きさを段階的あるいは連続的に変化させることができる。こうして、多値記録あるいはアナログ記録が可能となる。 By moving the positions of the domain walls of the two variable magnetic field supply units 11A and 11B, the direction and/or the magnitude of the external magnetic field (composite magnetic field) given to the magnetoresistive effect element is changed, and the magnetization direction of the magnetization free layer is changed. And/or the size can be varied. Then, the change in the magnitude of the magnetization of the magnetization free layer depends on whether the position of the domain wall in the variable magnetic field supply units 11A and 11B is changed stepwise or continuously, depending on whether it changes stepwise or continuously. Can also be changed. Thereby, the magnitude of the resistance value of the magnetoresistive effect element can be changed stepwise or continuously. In this way, multi-value recording or analog recording becomes possible.

さらに、方向が異なる2つのベクトルに加えて、それらのベクトルを含む面内に含まれない3つ目のベクトルを基本ベクトルとして、3次元空間の全ての向きの合成ベクトルを作ることができる。そうすると、2つの可変磁場供給部11A、11Bに加えて、それらの可変磁場供給部11A、11Bを含む面内に含まれない3つ目の可変磁場供給部を用いて、3次元空間の全ての向きの外部磁場(合成磁場)を作ることができる。
すなわち、図9で示した2つの可変磁場供給部11A、11Bに加えて、それらの可変磁場供給部11A、11Bを含む面内に含まれない3つ目の可変磁場供給部を配備することで、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に対して、それら3つの可変磁場供給部で作る3次元空間の全ての向きの外部磁場(合成磁場)を与えることができる。従って、磁化自由層の磁化を3次元空間の任意の向きに向けることが可能となる。
Furthermore, in addition to two vectors having different directions, a third vector not included in the plane including these vectors can be used as a basic vector to create a composite vector in all directions of the three-dimensional space. Then, in addition to the two variable magnetic field supply units 11A and 11B, a third variable magnetic field supply unit that is not included in the plane including the variable magnetic field supply units 11A and 11B is used to An external magnetic field (composite magnetic field) can be created.
That is, in addition to the two variable magnetic field supply units 11A and 11B shown in FIG. 9, by providing a third variable magnetic field supply unit that is not included in the plane including the variable magnetic field supply units 11A and 11B. An external magnetic field (composite magnetic field) in all directions of the three-dimensional space created by these three variable magnetic field supply units can be applied to the magnetization free layer of the magnetoresistive element. Therefore, the magnetization of the magnetization free layer can be oriented in any direction in the three-dimensional space.

図11は、磁場変調機構の他の実施形態一例を模式的に示した断面図である。図11においては、電流源は図示を省略している。
図11に示すように、第1磁壁供給層2の、可変磁場供給部1を挟んで反対側に、第1磁壁供給層2と同一の磁化の向きを有する第3磁壁供給層32を備えてもよい。
可変磁場供給部1を中心とし、第1磁壁供給層2が設置されている側と逆の側に第3磁壁供給層32が設置され、第3磁壁供給層32の磁化の向きは第1磁壁供給層2の磁化の向きと同一であることにより、第1磁壁供給層2および第3磁壁供給層32に電流を流した際に生じるノイズを抑制することができる。
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing an example of another embodiment of the magnetic field modulation mechanism. In FIG. 11, the current source is not shown.
As shown in FIG. 11, a third domain wall supply layer 32 having the same magnetization direction as that of the first domain wall supply layer 2 is provided on the opposite side of the first domain wall supply layer 2 across the variable magnetic field supply unit 1. Good.
A third domain wall supply layer 32 is installed on the side opposite to the side where the first domain wall supply layer 2 is installed, with the variable magnetic field supply unit 1 as the center, and the magnetization direction of the third domain wall supply layer 32 is the first domain wall. By setting the magnetization direction of the supply layer 2 to be the same, it is possible to suppress noise that occurs when a current is passed through the first domain wall supply layer 2 and the third domain wall supply layer 32.

また、図11に示すように、第2磁壁供給層3の、可変磁場供給部1を挟んで反対側に、第2磁壁供給層3と同一の磁化の向きを有する第4磁壁供給層33を備えてもよい。
可変磁場供給部1を中心とし、第2磁壁供給層3の設置されている側と逆の側に第4磁壁供給層33が設置され、第4磁壁供給層33の磁化の向きは第2磁壁供給層3の磁化の向きと同一であることにより、第2磁壁供給層3および第4磁壁供給層33に電流を流した際に生じるノイズを抑制することができる。
図11に示す例では、第3磁壁供給層32および第4磁壁供給層33の両方を備えているが、その一方のみ備えた構成でもよい。
Further, as shown in FIG. 11, a fourth domain wall supply layer 33 having the same magnetization direction as the second domain wall supply layer 3 is provided on the opposite side of the second domain wall supply layer 3 with the variable magnetic field supply unit 1 interposed therebetween. You may prepare.
A fourth domain wall supply layer 33 is installed on the side opposite to the side where the second domain wall supply layer 3 is installed with the variable magnetic field supply unit 1 as the center, and the magnetization direction of the fourth domain wall supply layer 33 is the second domain wall. By setting the magnetization direction of the supply layer 3 to be the same, it is possible to suppress noise generated when a current is applied to the second domain wall supply layer 3 and the fourth domain wall supply layer 33.
In the example shown in FIG. 11, both the third domain wall supply layer 32 and the fourth domain wall supply layer 33 are provided, but the configuration may be provided with only one of them.

図12は、磁場変調機構のさらに他の実施形態一例を模式的に示した断面図である。
これまでに図示した磁場変調機構においては、第1磁壁供給層2及び第2磁壁供給層3はそれぞれ−X側の端面2A、+X側の端面3Bが可変磁場供給部1の−X側の端面1A、+X側の端面1Bに一致する(が面一である)ように配置する構成であったが(図3参照)、これに限定されない。
FIG. 12 is a sectional view schematically showing an example of still another embodiment of the magnetic field modulation mechanism.
In the magnetic field modulation mechanism illustrated so far, the end surface 2A on the −X side and the end surface 3B on the +X side of the first domain wall supply layer 2 and the second domain wall supply layer 3 are located on the −X side of the variable magnetic field supply unit 1, respectively. Although the arrangement is such that the end faces 1A and +X side end face 1B coincide (are flush) with each other (see FIG. 3), the present invention is not limited to this.

例えば、図12に示すように、第1磁壁供給層12はその−X側の側面12Aが可変磁場供給部31の−X側の端面31Aに一致しないで、第2磁壁供給層3側に寄って配置する構成であってもよい。
この構成とすることにより、第1磁壁供給層12から生じる磁束の影響を軽減することができる。第1磁壁供給層12から生じる磁束の影響を軽減する方法は、第1磁壁供給層12をシンセティック反強磁性構造とし、第1磁壁供給層12の内部で磁束が周ることによって第1磁壁供給層12から放出される磁束を影響を軽減する方法もある。
図12に示す構成では、可変磁場供給部31は、磁壁DWが駆動できる第3領域31cとその両脇の領域が第1領域31a、第2領域31bとからなり、第1領域31aは、+Z方向からの平面視で第1磁壁供給層12に重なる領域とその−X側に位置する領域とからなる。
For example, as shown in FIG. 12, the −X side surface 12A of the first domain wall supply layer 12 does not coincide with the −X side end surface 31A of the variable magnetic field supply unit 31, and the first domain wall supply layer 12 approaches the second domain wall supply layer 3 side. It may be configured to be arranged.
With this configuration, the influence of the magnetic flux generated from the first domain wall supply layer 12 can be reduced. A method of reducing the influence of the magnetic flux generated from the first domain wall supply layer 12 is that the first domain wall supply layer 12 has a synthetic antiferromagnetic structure, and the magnetic flux circulates inside the first domain wall supply layer 12 to supply the first domain wall. There is also a method of reducing the influence of the magnetic flux emitted from the layer 12.
In the configuration shown in FIG. 12, the variable magnetic field supply unit 31 includes a third region 31c in which the domain wall DW can be driven and regions on both sides thereof are a first region 31a and a second region 31b, and the first region 31a is + It is composed of a region overlapping the first domain wall supply layer 12 and a region located on the −X side thereof in a plan view from the Z direction.

図13は、磁場変調機構のさらに他の実施形態一例を模式的に示した断面図である。
これまでに図示した磁場変調機構においては、可変磁場供給部は全体が一様な形状であったが、これに限定されない。磁気抵抗効果素子により効果的に磁場を付与できる形状をとることができる。
FIG. 13 is a sectional view schematically showing an example of still another embodiment of the magnetic field modulation mechanism.
In the magnetic field modulation mechanism illustrated so far, the variable magnetic field supply unit has a uniform shape as a whole, but the invention is not limited to this. The magnetoresistive effect element can have a shape capable of effectively applying a magnetic field.

例えば、図3等に示した可変磁場供給部1の磁気抵抗効果素子側の端部はYZ面に平行な端面1Aで構成されていたが、図13に示すように、その端部41Aが磁気抵抗効果素子側に尖った可変磁場供給部41であってもよい。
この構成とすることにより、磁気抵抗効果素子に供給される磁場が集中することがより小さい磁場によって磁化自由層の磁化の方向を変化させ、固定することができる。
図13に示す例では、可変磁場供給部41の磁気抵抗効果素子側の端部41Aは尖っているが、尖っていなくても、端部が突起している構成とすることで磁気抵抗効果素子に供給される磁場を集中させることができる。
For example, the end on the magnetoresistive effect element side of the variable magnetic field supply unit 1 shown in FIG. 3 and the like is formed of the end face 1A parallel to the YZ plane, but as shown in FIG. The variable magnetic field supply unit 41 may be sharpened toward the resistance effect element.
With this configuration, the direction of the magnetization of the magnetization free layer can be changed and fixed by a magnetic field in which the magnetic field supplied to the magnetoresistive effect element is less concentrated.
In the example shown in FIG. 13, the end portion 41A of the variable magnetic field supply unit 41 on the magnetoresistive effect element side is sharp, but even if it is not sharp, the magnetoresistive effect element is configured to have a protruding end portion. The magnetic field supplied to can be concentrated.

以上においては、本発明の磁場変調機構単独で、磁気抵抗効果素子における磁化自由層の磁化の向き及び/又は大きさを変える場合について説明してきたが、本発明の磁場変調機構をアシスト手段として用いてもよい。従って、従来のMRAMにおいて、本発明の磁場変調機構をアシスト手段として利用することもできる。 In the above, the case where the magnetic field modulation mechanism of the present invention alone is used to change the direction and/or size of the magnetization of the magnetization free layer in the magnetoresistive effect element has been described, but the magnetic field modulation mechanism of the present invention is used as an assisting means. May be. Therefore, in the conventional MRAM, the magnetic field modulation mechanism of the present invention can be used as the assisting means.

本発明の磁場変調素子において、磁気抵抗効果素子と磁場変調機構(特に可変磁場供給部)との位置関係は種々可能であり、主に磁場変調機構によって磁気抵抗効果素子中の磁化自由軸の磁化の向き及び/又は大きさをどのように変化させるかという観点で決めることができる。
また、本発明の磁場変調素子は、多値あるいはアナログ的に情報を記録できるが、2値で情報を記録できることは言うまでもない。
In the magnetic field modulation element of the present invention, the positional relationship between the magnetoresistive effect element and the magnetic field modulation mechanism (particularly the variable magnetic field supply unit) can be varied, and the magnetization of the magnetization free axis in the magnetoresistive effect element mainly depends on the magnetic field modulation mechanism. Can be determined in terms of how to change the orientation and/or size of the.
Further, although the magnetic field modulation element of the present invention can record information in a multivalued or analog manner, it goes without saying that the information can be recorded in binary.

本発明の磁場変調機構及び磁場変調素子の製造方法としては、従来の磁壁駆動型MRAMの製造方法をはじめとする公知のMRAMの製造方法を用いることができる。 As a method of manufacturing the magnetic field modulation mechanism and the magnetic field modulation element of the present invention, a known method of manufacturing MRAM including a method of manufacturing a conventional domain wall drive MRAM can be used.

(アナログメモリ素子)
本発明のアナログメモリ素子は、本発明の磁場変調素子を備え、可変磁場供給部に電流を流して磁壁の位置を変えることで、可変磁場供給部から発生する磁場の大きさを変え、それによって情報の書き込みを行い、また、磁気抵抗効果素子の抵抗値を読み出す手段を備えている。
磁気抵抗効果素子の抵抗値を読み出す手段は従来のMRAMと同様の手段(例えば、磁気抵抗効果素子を貫通する電流を流してその抵抗値を読み出す)を用いることができる。
(Analog memory device)
The analog memory device of the present invention includes the magnetic field modulation device of the present invention, and by changing the position of the magnetic domain wall by passing a current through the variable magnetic field supply unit, the magnitude of the magnetic field generated from the variable magnetic field supply unit is changed. It is provided with means for writing information and reading the resistance value of the magnetoresistive effect element.
As the means for reading the resistance value of the magnetoresistive effect element, the same means as in the conventional MRAM (for example, a current passing through the magnetoresistive effect element is flowed to read the resistance value) can be used.

本発明の磁場変調素子を利用して、印可される磁場の変化を情報(データ)の書き込みとし、磁場変調素子に読み込みのための電流を通電して情報を読み出す手段を備えることで、情報を多値的あるいはアナログ的に記録し、読み出すことができる。 By using the magnetic field modulation element of the present invention, a change in the applied magnetic field is written as information (data), and a means for supplying a read current to the magnetic field modulation element to read the information is used. It can be recorded and read in a multivalued or analog manner.

(磁気ニューロン素子)
本発明の磁気ニューロンメモリは、本発明のアナログメモリ素子を備え、そのアナログメモリ素子が備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得るように可変磁場供給部に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、その制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも3つの抵抗範囲となる書き込み電流を流すように制御できるものである。
(Magnetic neuron element)
The magnetic neuron memory of the present invention includes the analog memory element of the present invention, and a write current is supplied to the variable magnetic field supply unit so that the resistance value of the magnetoresistive effect element included in the analog memory element can be used in a multivalued or analog manner. A current source having a control circuit for controlling so as to flow, and the control circuit can control so as to flow a write current in at least three resistance ranges that can be read due to a difference in resistance value of the magnetoresistive effect element. is there.

本発明のアナログメモリ素子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。図7に示したように、本発明の磁気抵抗効果素子では、磁壁の位置が連続的に変化する。図7の横軸は磁壁の移動距離であり、可変磁場供給部に流す電流のパルス数と見なすことができ、比較的線形な抵抗変化を示すことができる。また、抵抗変化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変化させ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。 The analog memory device of the present invention can be used as a magnetic neuron device that is a device that simulates synapse operation. It is preferable that the synapse has a linear output with respect to an external stimulus. Further, it is preferable that there is no hysteresis when a reverse load is applied, and that reversible. As shown in FIG. 7, in the magnetoresistive effect element of the present invention, the position of the domain wall continuously changes. The horizontal axis of FIG. 7 represents the moving distance of the domain wall, which can be regarded as the number of pulses of the current passed through the variable magnetic field supply unit, and a relatively linear resistance change can be shown. Also, since the resistance change can be changed depending on the magnitude of the current and the time of the applied current pulse, consider the magnitude and direction of the current and the time of the applied current pulse as an external load. You can

(記憶の初期段階)
例えば、可変磁場供給部の磁壁が移動しても、可変磁場供給部が発生する磁場の大きさによっては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。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。
(Early stage of memory)
For example, even if the domain wall of the variable magnetic field supply unit moves, the read resistance does not change depending on the magnitude of the magnetic field generated by the variable magnetic field supply unit. This state can be called the initial stage of memory. Although not recorded as data in the initial stage of storage, it is ready for recording data.

(主記憶段階)
読出しの抵抗が変化し始めると、電流をさら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、読出しの抵抗が変化する場合を記憶の主記憶段階と呼ぶことができる。読出しの抵抗が変化し始める直前の段階を記憶、あるいは、無記憶と定義し、読出しの抵抗の変化が止まる段階を無記憶、あるいは、記憶と定義することができる。当然、書き込み電流を逆向きにすると、逆の作用となる。
(Main memory stage)
When the read resistance starts to change, a current is further passed to form a load from the outside, and the read resistance changes in proportion to the load to some extent. This is the main memory stage. That is, the case where the reading resistance changes can be called the main memory stage of memory. The stage immediately before the read resistance starts to change can be defined as memory or no memory, and the stage where the read resistance stops changing can be defined as no memory or memory. As a matter of course, when the write current is reversed, it has the opposite effect.

(記憶の深層化段階)
磁壁駆動層の磁化の大きさに影響がない程度にまで磁壁が移動してしまった場合、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。磁壁がそのような位置に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1磁壁供給層2と第2磁壁供給層3と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。
(Memory deepening stage)
When the domain wall is moved to such an extent that the magnitude of the magnetization of the domain wall drive layer is not affected, the output during reading does not change. That is, it means that the memory is not lost even when an external load is applied, and this can be called a memory deepening stage. The case where the domain wall is arranged at such a position can be called a deepening stage of memory.
If the currents flowing between the first domain wall supply layer 2 and the second domain wall supply layer 3 are reversed, the correspondence between the initial stage of memory, the main memory stage and the deepening stage of memory, and each memory unit is reversed. ..

(記憶の忘却段階)
磁壁駆動層の磁化の向き及び大きさを元に戻すことによって、記憶を忘却することができる。
(Memory forgetting stage)
The memory can be forgotten by restoring the direction and magnitude of the magnetization of the domain wall drive layer.

(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、主記憶段階を経ることができるメモリである。本発明のアナログメモリ素子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14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、可変磁場供給部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。
(Artificial brain using magnetic neuron element)
The magnetic neuron element of the present invention is a memory that can simulate the movement of synapses and go through the main memory stage. The analog memory element of the present invention can be placed on a plurality of circuits to simulate a brain. With the arrangement of evenly arrayed vertically and horizontally like a general memory, it is possible to form a highly integrated brain.
Further, as shown in FIG. 14, in the arrangement in which a plurality of magnetic neuron elements having a specific circuit are arrayed as one lump, it is possible to form a brain having a different degree of recognition from an external load. For example, it is possible to create an individuality such as a brain that is sensitive to color or a brain that has a high degree of understanding of language. In other words, the information obtained from an external sensor is subjected to recognition processing in the five sense areas optimized for visual, taste, tactile, olfactory and auditory recognition, and further, in the logical thinking area, the following It is possible to create a process of deciding behavior. Furthermore, when the material of the variable magnetic field supply unit is changed, the driving speed of the domain wall with respect to the load and the method of forming the domain wall are changed, so that it is possible to form an artificial brain that is unique to the change.

(可変型高周波フィルタ)
本発明の可変型高周波フィルタは、本発明のアナログメモリ素子に高周波電流を印可し、外部磁場に対応した特定の周波数の信号を取り出すことができる。
(Variable high frequency filter)
The variable high-frequency filter of the present invention can apply a high-frequency current to the analog memory element of the present invention to extract a signal of a specific frequency corresponding to an external magnetic field.

1、10A、10B、31、41 可変磁場供給部
1a 第1領域
1b 第2領域
1c 第3領域
2、12 第1磁壁供給層
3 第2磁壁供給層
4 電流源
10 磁場変調機構
20 磁気抵抗効果素子
21 磁化固定層
22 磁化自由層
23 非磁性層
32 第3磁壁供給層
33 第4磁壁供給層
100、200 磁場変調素子
DW 磁壁

1, 10A, 10B, 31, 41 Variable magnetic field supply unit 1a First region 1b Second region 1c Third region 2, 12 First domain wall supply layer 3 Second domain wall supply layer 4 Current source 10 Magnetic field modulation mechanism 20 Magnetoresistive effect Element 21 Magnetization pinned layer 22 Magnetization free layer 23 Nonmagnetic layer 32 Third domain wall supply layer 33 Fourth domain wall supply layer 100, 200 Magnetic field modulation element DW Domain wall

Claims (9)

磁場変調機構と、該磁場変調機構によって磁気特性が変化させられる磁気抵抗効果素子とを備え、
前記磁場変調機構は、磁壁を有し、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領域とからなり、磁壁駆動により供給する磁場を変えられる可変磁場供給部と、前記第1領域に接し、第1の磁化の向きを有する第1磁壁供給層と、前記第2領域に接し、前記第1の磁化の向きと反対向きの第2の磁化の向きを有する第2磁壁供給層と、前記第1磁壁供給層と前記第2磁壁供給層とに電気的に接続され、前記可変磁場供給部に電流を流す電流源と、を備え、前記電流源から供給された電流によって前記可変磁場供給部内の磁壁を駆動するものであり、
前記可変磁場供給部の、磁壁の移動方向に直交する面への投影領域が、前記磁気抵抗効果素子の磁化自由層の側面に重なるように、前記磁場変調機構と前記磁気抵抗効果素子とが配置している、磁場変調素子
A magnetic field modulation mechanism, and a magnetoresistive effect element whose magnetic characteristics can be changed by the magnetic field modulation mechanism,
The magnetic field modulation mechanism has a domain wall, is composed of a first region and a second region, and a third region located between these regions, and a variable magnetic field supply unit capable of changing a magnetic field supplied by driving the domain wall, A first domain wall supply layer that is in contact with the first region and has a first magnetization direction, and a second domain wall that is in contact with the second region and has a second magnetization direction that is opposite to the first magnetization direction. A supply layer, a current source electrically connected to the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer, and supplying a current to the variable magnetic field supply unit. For driving a domain wall in the variable magnetic field supply unit,
The magnetic field modulation mechanism and the magnetoresistive effect element are arranged such that a projection region of the variable magnetic field supply unit on a plane orthogonal to the moving direction of the domain wall overlaps a side surface of the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element. The magnetic field modulation element .
前記第1磁壁供給層及び前記第2磁壁供給層の少なくともいずれか一方はシンセティック反強磁性構造を有する、請求項1に記載の磁場変調素子 The magnetic field modulation element according to claim 1, wherein at least one of the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer has a synthetic antiferromagnetic structure . 前記第1磁壁供給層の、前記可変磁場供給部を挟んで反対側に、前記第1磁壁供給層と同一の磁化の向きを有する第3磁壁供給層を備える、請求項1又は2のいずれかに記載の磁場変調素子 The third domain wall supply layer having the same magnetization direction as that of the first domain wall supply layer is provided on the opposite side of the first domain wall supply layer with the variable magnetic field supply unit interposed therebetween. The magnetic field modulation element according to . 前記第2磁壁供給層の、前記可変磁場供給部を挟んで反対側に、前記第2磁壁供給層と同一の磁化の向きを有する第4磁壁供給層を備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の磁場変調素子 The fourth domain wall supply layer having the same magnetization direction as that of the second domain wall supply layer is provided on the opposite side of the second domain wall supply layer with the variable magnetic field supply unit interposed therebetween. The magnetic field modulator according to claim 1 . 前記磁場変調機構を複数備えた、請求項1〜4のいずれか一項に記載の磁場変調素子。The magnetic field modulation element according to claim 1, comprising a plurality of the magnetic field modulation mechanisms. 前記第1磁壁供給層及び前記第2磁壁供給層のうち、前記第1磁壁供給層の方が前記磁気抵抗効果素子に近い位置に配置しており、前記第1磁壁供給層がシンセティック反強磁性構造を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の磁場変調素子 Of the first domain wall supply layer and the second domain wall supply layer, the first domain wall supply layer is located closer to the magnetoresistive effect element, and the first domain wall supply layer is a synthetic antiferromagnetic layer. The magnetic field modulation element according to claim 1, which has a structure . 請求項のいずれか一項に記載の磁場変調素子を備え、前記可変磁場供給部から発生する磁場の向き及び/又は大きさを変えることによって前記磁気抵抗効果素子への情報の書き込みを行い、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値を読み出す手段を備えたアナログメモリ素子。 The magnetic field modulation element according to any one of claims 1 to 7 is provided, and information is written to the magnetoresistive effect element by changing a direction and/or a magnitude of a magnetic field generated from the variable magnetic field supply unit. An analog memory device having means for reading the resistance value of the magnetoresistive effect element. 請求項に記載のアナログメモリ素子を備え、前記アナログメモリ素子が備える磁気抵抗効果素子の抵抗値を多値的又はアナロク的に使用させ得る書き込み電流を前記可変磁場供給部に流すように制御する制御回路を有する電流源を備え、前記制御回路が、磁気抵抗効果素子の抵抗値の違いで読み出し可能な少なくとも3つの抵抗範囲となるパルス数の書き込み電流を流すように制御できる磁気ニューロン素子。 The analog memory element according to claim 7 is provided, and a control is performed so that a write current that allows the resistance value of the magnetoresistive effect element included in the analog memory element to be used in a multivalued or analog manner is supplied to the variable magnetic field supply unit. A magnetic neuron element comprising a current source having a control circuit, wherein the control circuit can control so as to flow a write current of a pulse number within at least three resistance ranges that can be read by a difference in resistance value of the magnetoresistive effect element. 請求項に記載のアナログメモリ素子に高周波電流を印可し、外部磁場に対応した特定の周波数の信号を取り出すことが可能な可変型高周波フィルタ。 A variable high-frequency filter capable of applying a high-frequency current to the analog memory element according to claim 7 and extracting a signal of a specific frequency corresponding to an external magnetic field.
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