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JP7616946B2 - Method for controlling magnetic nanowire devices - Google Patents
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JP7616946B2 - Method for controlling magnetic nanowire devices - Google Patents

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Description

本発明は、磁性細線デバイスの制御方法に係り、特に、電流磁界によって情報を磁区として記録する磁性細線デバイスの制御方法関する。 The present invention relates to a method for controlling a magnetic nanowire device, and in particular to a method for controlling a magnetic nanowire device that records information as magnetic domains using a current magnetic field.

従来、垂直磁気異方性を持つ材料を用いた磁性細線が知られている。例えば、これまでに、磁性細線材料として、垂直磁化膜として実績のあるコバルト(Co)とテルビウム(Tb)の多層積層膜構造や、コバルトとパラジウム(Pd)の多層積層膜構造を用いて、磁区を駆動することに成功していることが報告されている。また、この種の磁性細線デバイスにおける記録素子(記録部)として、従来のHDD用記録ヘッドを磁性細線上に接触配置して、情報を記録する方法が考えられている。しかしながら、記録ヘッドの保護膜には数百nmほどの厚みがあるために記録ヘッドを磁性細線上に最近接に配置できない問題や、記録ヘッドがサスペンションなどの機械的な動作部を有しているために位置合わせの際にずれが生じるなどの問題があった。 Conventionally, magnetic nanowires using materials with perpendicular magnetic anisotropy have been known. For example, it has been reported that magnetic domains have been successfully driven using a multilayer laminated film structure of cobalt (Co) and terbium (Tb), which have a proven track record as perpendicular magnetization films, and a multilayer laminated film structure of cobalt and palladium (Pd) as magnetic nanowire materials. In addition, a method has been considered in which a recording head for a conventional HDD is placed in contact with the magnetic nanowire as a recording element (recording section) in this type of magnetic nanowire device to record information. However, there are problems such as the recording head being unable to be placed closest to the magnetic nanowire because the protective film of the recording head is several hundred nanometers thick, and the recording head having mechanical operating parts such as a suspension, which causes misalignment during alignment.

そこで図15(a)に示す磁性細線デバイス101のように、磁性細線110と、層間絶縁層130を挟んで直交ねじれの位置となるように、導線(記録素子120)を配置することにより、これらの問題を解決している。わかりやすくするため、初期値では磁性細線110はすべて下向きにあらかじめ磁化されているものとする。 To solve these problems, the magnetic nanowire device 101 shown in FIG. 15(a) is arranged so that the magnetic nanowire 110 and the conductor (recording element 120) are arranged in a position where they are twisted perpendicularly to each other, sandwiching the interlayer insulating layer 130. For ease of understanding, it is assumed that the magnetic nanowires 110 are all magnetized downward as an initial value.

この構造の磁性細線デバイスにおいて磁区を形成する原理を図15(b)で示す。導線(記録素子120)に電流(記録電流A)を流すことにより、記録電流Aに沿って右回りの方向に電流磁界(記録磁界H)が、記録素子120の周囲に生成される。この電流磁界の強度が、垂直磁気異方性を持つ磁性細線110の異方性磁界の強度よりも大きくなると、磁性細線110上に上向きまたは下向きの磁区を形成(磁区記録)することができる。図15(c)に記録素子120と磁性細線110の断面における記録磁界Hの拡がりと、形成される磁区Dの様子を模式的に示す。磁性細線110が垂直磁化媒体である場合、記録素子120を中心に同心円状に広がる記録磁界ベクトルのうち、膜厚方向のベクトル成分が主に磁化反転に寄与する。 Figure 15(b) shows the principle of forming magnetic domains in a magnetic nanowire device with this structure. By passing a current (recording current A) through the conductor (recording element 120), a current magnetic field (recording magnetic field H) is generated around the recording element 120 in a clockwise direction along the recording current A. When the strength of this current magnetic field becomes greater than the strength of the anisotropic magnetic field of the magnetic nanowire 110 with perpendicular magnetic anisotropy, an upward or downward magnetic domain can be formed (magnetic domain recording) on the magnetic nanowire 110. Figure 15(c) shows a schematic diagram of the spread of the recording magnetic field H in the cross section of the recording element 120 and the magnetic nanowire 110, and the state of the formed magnetic domain D. When the magnetic nanowire 110 is a perpendicular magnetization medium, the vector component in the film thickness direction of the recording magnetic field vector that spreads concentrically around the recording element 120 mainly contributes to magnetization reversal.

このときの評価系を図16(デバイス俯瞰図)、図17(デバイス断面図)で示す。記録素子120には記録電源40が接続されており、記録電流(パルス電圧)を記録素子120に印加することができる。記録電流の向き(電流の正負)を変えることで、磁性細線110上に上向き、下向きの磁区を形成することができる。具体的には、導線(記録素子120)の一端121には記録電源40の端子40aが接続されており、他端122は接地されているものとする。磁性細線110の一端(左端)には、第1駆動電源51の端子51aが接続されている。磁性細線110の他端(右端)には、第2駆動電源52の端子52aに接続されている。符号40b,51b,52bは接地端子であり、符号40c,51c,52cは操作表示部である。
上向きの磁区を記録するときは、記録電源40が記録素子120に正の記録電流(パルス電圧)を、下向きの磁区(パルス電圧)を記録するときは負の記録電流を印加する。磁性細線110の両端には第1駆動電源51、第2駆動電源52が接続されており、磁性細線110上の磁区を左右に移動(駆動)することができる。磁区を右に移動(駆動)させるときは第1駆動電源51から第2駆動電源52へ駆動電流(パルス電圧)を印加することで実現する。また、左に移動(駆動)させるときは第2駆動電源52から第1駆動電源51へ、駆動電流(パルス電圧)を印加することで実現する。
The evaluation system at this time is shown in FIG. 16 (a bird's-eye view of the device) and FIG. 17 (a cross-sectional view of the device). A recording power source 40 is connected to the recording element 120, and a recording current (pulse voltage) can be applied to the recording element 120. By changing the direction of the recording current (positive or negative current), it is possible to form upward and downward magnetic domains on the magnetic nanowire 110. Specifically, a terminal 40a of the recording power source 40 is connected to one end 121 of the conductor (recording element 120), and the other end 122 is grounded. A terminal 51a of a first driving power source 51 is connected to one end (left end) of the magnetic nanowire 110. A terminal 52a of a second driving power source 52 is connected to the other end (right end) of the magnetic nanowire 110. Reference numerals 40b, 51b, and 52b are ground terminals, and reference numerals 40c, 51c, and 52c are operation and display units.
When recording an upward magnetic domain, the recording power supply 40 applies a positive recording current (pulse voltage) to the recording element 120, and when recording a downward magnetic domain (pulse voltage), a negative recording current is applied. A first driving power supply 51 and a second driving power supply 52 are connected to both ends of the magnetic nanowire 110, and the magnetic domain on the magnetic nanowire 110 can be moved (driven) left and right. When moving (driving) the magnetic domain to the right, this is achieved by applying a driving current (pulse voltage) from the first driving power supply 51 to the second driving power supply 52. When moving (driving) the magnetic domain to the left, this is achieved by applying a driving current (pulse voltage) from the second driving power supply 52 to the first driving power supply 51.

なお、従来、磁性細線に直交するように設けられた導線(金属配線)を記録素子として用いる方法は広く実施されている(例えば非特許文献1参照)。また1本の記録素子による記録磁界では、磁性細線上にできる磁区が磁性細線の長手方向に広がり微小磁区の形成が難しく、その形状も揺らいでしまう。これに対して、導線(記録素子)が磁性細線上を往路と復路の2回跨ぐコの字型の構造とし、2本の導線(記録素子)の合成磁界によって2本の導線のギャップ間に磁区記録を行うことで、磁区長を制御するという方法が提案されている(特許文献1、非特許文献2参照)。 Conventionally, a method has been widely used in which a conductor (metal wiring) arranged perpendicular to the magnetic nanowire is used as a recording element (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, in the recording magnetic field produced by a single recording element, the magnetic domains formed on the magnetic nanowire spread in the longitudinal direction of the magnetic nanowire, making it difficult to form minute magnetic domains, and their shapes also fluctuate. In response to this, a method has been proposed in which the conductor (recording element) has a U-shaped structure that crosses the magnetic nanowire twice, on the outward and return paths, and the combined magnetic field of the two conductors (recording elements) is used to record magnetic domains in the gap between the two conductors, thereby controlling the magnetic domain length (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

特開2020-27805号公報JP 2020-27805 A

近藤剛、外7名、「Co/Ni細線内磁壁位置制御技術と磁気シフトレジスタへの応用」、電子情報通信学会技術研究報告、2017年10月12日、vol. 117、no.24、p.13-16Kondo, Takeshi, and seven others, "Controlling the position of magnetic domain walls in Co/Ni nanowires and its application to magnetic shift registers," Technical Report of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, October 12, 2017, vol. 117, no. 24, pp. 13-16 川那真弓、外3名、「様々な記録素子形状における磁性細線中への磁区形成シミュレーション」、日本磁気学会学術講演概要集、2018年8月28日、第42巻、P.109Mayumi Kawana and 3 others, "Simulation of magnetic domain formation in magnetic nanowires with various recording element shapes," Abstracts of the Academic Lectures of the Magnetic Society of Japan, August 28, 2018, Vol. 42, p. 109

磁性細線デバイス101において、記録素子120と磁性細線110は電気的に隔離されている必要があるため、層間絶縁層130を両者間に挿入する必要がある。層間絶縁層130は絶縁性を担保する必要性があるが、必要以上に厚くすると、磁性細線110と記録素子120との間の距離が大きくなることで、磁性細線110上に印加される電流磁界が弱くなる。その結果、記録に必要となる記録電流の増大や、記録素子120への大電流印加による素子の破壊の原因となる。そのため、層間絶縁層30の膜厚は薄い方が望ましい。しかし、層間絶縁層130を薄くすることにより、記録時に記録電流の一部が磁性細線110へリーク電流として流出する虞も生じる。このリーク電流は、磁区記録時に磁性細線110上にすでに形成されている磁区を意図せず駆動させる原因となる。磁区記録と磁区駆動とが同時に起こるため、記録時に磁区が広がり、最小ビット長を大きくする虞がある。 In the magnetic nanowire device 101, the recording element 120 and the magnetic nanowire 110 must be electrically isolated, so that the interlayer insulating layer 130 must be inserted between them. The interlayer insulating layer 130 must ensure insulation, but if it is made thicker than necessary, the distance between the magnetic nanowire 110 and the recording element 120 increases, weakening the current magnetic field applied to the magnetic nanowire 110. As a result, the recording current required for recording increases, and the application of a large current to the recording element 120 causes destruction of the element. For this reason, it is preferable that the interlayer insulating layer 30 is thin. However, by making the interlayer insulating layer 130 thin, there is a risk that part of the recording current will flow out as a leak current to the magnetic nanowire 110 during recording. This leak current will cause the magnetic domain already formed on the magnetic nanowire 110 to be unintentionally driven during magnetic domain recording. Since magnetic domain recording and magnetic domain driving occur simultaneously, there is a risk that the magnetic domain will expand during recording, increasing the minimum bit length.

またリーク電流の大きな素子においては、記録する磁区やすでに形成されている磁区がジュール熱によってバラバラに破壊(磁区がメイズパターン化)されるため、磁区記録自体が困難となる。リーク電流の抑制は安定した磁区記録に必要不可欠である。層間絶縁層の膜厚は非常に薄いため(例えば十数nm程度)、同じ基板上で複数の磁性細線を製作したときにそれぞれのばらつきの差によりリーク電流が生じる場合がある。 Furthermore, in elements with large leakage currents, the magnetic domains to be recorded and those that have already been formed are destroyed by Joule heat (the magnetic domains become maze patterned), making magnetic domain recording itself difficult. Suppressing leakage currents is essential for stable magnetic domain recording. Because the film thickness of the interlayer insulating layer is very thin (for example, about 10 nm), when multiple magnetic nanowires are fabricated on the same substrate, differences in the individual variations can cause leakage currents.

また、デバイス製作では、基板上に磁性細線/層間絶縁層/記録素子の順に作る際に電子線描画によるパターンの形成、スパッタ装置による材料の堆積、レジスト剥離などの多くのプロセスを介しながら積層構造を形成するのが現状である。そのため、製作時における歩留まりの問題(層間絶縁層の膜厚や均一性、磁性細線や記録素子のエッジ形状、基板上における膜厚の不均一性など)により、本来リーク電流が発生しない条件でデバイスを設計したとしても、やむなくリーク電流が発生する場合がある。リーク電流を完全に抑制できる素子を製作することが最も望ましいが、リーク電流が発生する素子においてもデバイスの制御技術の工夫により、不要なリーク電流を抑制できれば、素子の歩留まりの問題を解決し、更には不良となったデバイスでも一定の範囲で活用することができる。 In addition, in device manufacturing, when magnetic nanowires/interlayer insulating layer/recording element are formed on a substrate in that order, a layered structure is formed through many processes such as forming a pattern by electron beam lithography, depositing materials using a sputtering device, and removing resist. Therefore, even if a device is designed under conditions that would not generate leakage current, leakage current may occur due to yield issues during manufacturing (film thickness and uniformity of the interlayer insulating layer, edge shapes of the magnetic nanowires and recording element, non-uniformity of film thickness on the substrate, etc.). It is most desirable to manufacture an element that can completely suppress leakage current, but if unnecessary leakage current can be suppressed even in elements that generate leakage current by ingenuity of device control technology, the problem of element yield can be solved and even defective devices can be used to a certain extent.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、リーク電流を抑制し、デバイスとしての動作を実現することができる磁性細線デバイスの制御方法を提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a method for controlling a magnetic nanowire device that can suppress leakage current and achieve device operation.

前記課題を解決するために、本発明に係る磁性細線デバイスの制御方法は、細線状の磁性体である磁性細線と、前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する記録素子と、を備える磁性細線デバイスの制御方法であって、前記記録素子は、前記磁性細線とねじれの位置で交差する導線部を2つ有し、2つの前記導線部が繋がっており、記録時に前記磁性細線上で2つの前記導線部に挟まれた磁性細線領域に磁区を記録し、前記記録時に、前記記録素子に電気的に接続された2台以上の記録電源によって、磁区を記録できる記録電流が前記記録素子に流れるように、かつ、前記磁性細線と前記記録素子との電位差を磁性細線上の磁区を駆動させない電流値のリーク電流に抑制するような電位差に低減するように各記録電源間に所定の電位差を生成し、2つの前記導線部が繋がった全体の両端に接続された一対の記録電源から同じタイミングで互いに逆符号のパルス電圧を2つの前記導線部に印加することとした。 In order to solve the above problem, the control method for a magnetic nanowire device of the present invention is a control method for a magnetic nanowire device including a magnetic nanowire which is a thin-line magnetic material, and a recording element which is arranged on the magnetic nanowire via an interlayer insulating layer and records information on the magnetic nanowire as magnetic domains by a current magnetic field, wherein the recording element has two conductor portions which intersect with the magnetic nanowire at a twisted position, the two conductor portions are connected, and during recording, a magnetic domain is recorded in a magnetic nanowire region on the magnetic nanowire which is sandwiched between the two conductor portions, and during recording, two or more recording power sources electrically connected to the recording element generate a predetermined potential difference between the recording power sources so that a recording current capable of recording the magnetic domain flows to the recording element and so that the potential difference between the magnetic nanowire and the recording element is reduced to a potential difference that suppresses the potential difference to a leak current of a current value that does not drive the magnetic domain on the magnetic nanowire, and pulse voltages of opposite signs are applied to the two conductor portions at the same timing from a pair of recording power sources connected to both ends of the entire connection of the two conductor portions.

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
磁性細線デバイスの制御方法によれば、磁性細線デバイスにおける記録素子から磁性細線へのリーク電流を抑制し、デバイスとしての動作を実現することができる。また、リーク電流が大きな素子として従来技術では使用に供されないデバイスであってもリーク電流を抑制して活用できる可能を高めることができる。したがって、歩留まりを向上させることができる。
The present invention provides the following excellent effects.
According to the method for controlling a magnetic nanowire device, it is possible to suppress the leakage current from the recording element to the magnetic nanowire in the magnetic nanowire device and realize the operation of the device. In addition, it is possible to increase the possibility that even a device that has a large leakage current and would not be used in the prior art can be utilized by suppressing the leakage current. Therefore, it is possible to improve the yield.

本発明の実施形態に係る磁性細線デバイスと電源を接続した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a magnetic nanowire device according to an embodiment of the present invention connected to a power source. 実験に用いた磁性細線が4並列化した磁性細線デバイスと電源を接続した模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a magnetic nanowire device in which four magnetic nanowires used in the experiment are connected in parallel to a power source. 図2の磁性細線デバイス断面と電源の接続を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing a cross section of the magnetic nanowire device in FIG. 2 and a power supply connection. 実験1において第2記録電源から記録素子にパルス電圧を印加したときに記録素子に流れた記録電流の波形図である。13 is a waveform diagram of a recording current flowing through a recording element when a pulse voltage is applied from a second recording power supply to the recording element in Experiment 1. FIG. 図4の記録電流を記録素子に流した際に磁性細線へ流れたリーク電流1およびリーク電流2の波形図である。5 is a waveform diagram of leakage current 1 and leakage current 2 that flow to the magnetic nanowire when the recording current in FIG. 4 is passed through the recording element. 実験2において第1記録電源から記録素子に印加したパルス電圧の波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram of a pulse voltage applied to a recording element from a first recording power source in Experiment 2. 実験2において第1記録電源と同時に第2記録電源から記録素子に印加したパルス電圧の波形図である。13 is a waveform diagram of a pulse voltage applied to a recording element from a second recording power source simultaneously with a first recording power source in Experiment 2. FIG. 実験2において記録素子に流れた記録電流の波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram of a write current flowing through a write element in Experiment 2. 実験2において4本の磁性細線に流れたリーク電流1およびリーク電流2の波形図である。13 is a waveform diagram of leakage current 1 and leakage current 2 flowing through four magnetic nanowires in experiment 2. FIG. 磁性細線デバイスへの磁区記録と磁区駆動を繰り返すときに印加される電圧のタイミングチャートである。11 is a timing chart of voltages applied when magnetic domain recording and magnetic domain driving are repeated in a magnetic nanowire device. 図10のタイミングチャートを繰り返すことにより磁性細線デバイスに生成した磁区の磁気光学顕微鏡像である。11 is a magneto-optical microscope image of magnetic domains generated in a magnetic nanowire device by repeating the timing chart of FIG. 10 . 本発明の実施形態に係る磁性細線デバイスの制御方法の第1変形例の模式図である。11 is a schematic diagram of a first modified example of a method for controlling a magnetic nanowire device according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態に係る磁性細線デバイスの制御方法の第2変形例の模式図である。13 is a schematic diagram of a second modified example of the method for controlling a magnetic nanowire device according to the embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態に係る磁性細線デバイスの制御方法の第3変形例の模式図である。13 is a schematic diagram of a third modified example of the method for controlling a magnetic nanowire device according to the embodiment of the present invention. FIG. 図15(a)は磁性細線デバイスの模式図、図15(b)は磁性細線上に磁区記録を行う模式図(俯瞰図)、図15(c)は磁性細線上に磁区記録を行う模式図(断面図)である。FIG. 15(a) is a schematic diagram of a magnetic nanowire device, FIG. 15(b) is a schematic diagram (bird's-eye view) of magnetic domain recording on a magnetic nanowire, and FIG. 15(c) is a schematic diagram (cross-sectional view) of magnetic domain recording on a magnetic nanowire. 図15の磁性細線デバイスと電源を接続した模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram showing the magnetic nanowire device of FIG. 15 connected to a power source. 図16の磁性細線デバイス断面と電源の接続を示す模式図である。17 is a schematic diagram showing a cross section of the magnetic nanowire device in FIG. 16 and a power supply connection.

[磁性細線デバイスの制御方法]
図1を参照して磁性細線デバイスの制御方法について説明する。本実施形態では、磁性細線デバイス1は、メモリであるものとして説明する。
磁性細線デバイス1は、細線状の磁性体である磁性細線10と、磁性細線10に層間絶縁層30を介して配置されて電流磁界によって磁性細線10に情報を磁区として記録する記録素子20と、を備えている。記録素子20は、磁性細線10とねじれの位置で交差する導線部を2つ有し、記録時に磁性細線10上で2つの導線部に挟まれた磁性細線領域に磁区を記録する。
磁性細線デバイスの制御方法は、記録時に、記録素子20に電気的に接続された2台以上の記録電源によって、磁区を記録できる記録電流が記録素子20に流れるように、かつ、磁性細線10と記録素子20との電位差を低減するように各記録電源間に所定の電位差を生成し、導線部の両端に接続された一対の記録電源41,42から互いに逆符号のパルス電圧を導線部に印加する。
[Method for controlling a magnetic nanowire device]
A method for controlling a magnetic fine wire device will be described with reference to Fig. 1. In this embodiment, the magnetic fine wire device 1 will be described as a memory.
The magnetic nanowire device 1 includes a magnetic nanowire 10 which is a thin magnetic body, and a recording element 20 which is disposed on the magnetic nanowire 10 via an interlayer insulating layer 30 and records information as magnetic domains in the magnetic nanowire 10 by a current magnetic field. The recording element 20 has two conductor parts which intersect with the magnetic nanowire 10 at a twist position, and records magnetic domains in a magnetic nanowire region on the magnetic nanowire 10 sandwiched between the two conductor parts during recording.
The method of controlling the magnetic nanowire device is such that, during recording, two or more recording power sources electrically connected to the recording element 20 generate a predetermined potential difference between the recording power sources so that a recording current capable of recording a magnetic domain flows through the recording element 20 and so that the potential difference between the magnetic nanowire 10 and the recording element 20 is reduced, and pulse voltages of opposite signs are applied to the conductor portion from a pair of recording power sources 41, 42 connected to both ends of the conductor portion.

図1に示すように、記録素子20は、2つの導線部が繋がったコの字の形状の構造を有し、2つの導線部が繋がった全体の両端に一対の記録電源41,42が接続されている。また、ここでは、2台の記録電源(第1記録電源41および第2記録電源42)を用いることとした。一対の記録電源41,42から導線部に印加するパルス電圧の大きさは等しいことが好ましい。記録時に、記録素子20から磁性細線10に漏れる電流の電流値を、磁性細線10上の磁区を駆動させない電流値にまで低減させるように、磁性細線10と記録素子20との電位差を低減することが好ましく、磁性細線10と記録素子20との電位差が0であることがより好ましい。ここで磁性細線10上の磁区とは、磁性細線10上に記録する磁区または既に記録された磁区を指す。 As shown in FIG. 1, the recording element 20 has a U-shaped structure with two connected conductor parts, and a pair of recording power sources 41, 42 are connected to both ends of the two connected conductor parts. In addition, two recording power sources (a first recording power source 41 and a second recording power source 42) are used here. It is preferable that the magnitude of the pulse voltage applied to the conductor parts from the pair of recording power sources 41, 42 is equal. During recording, it is preferable to reduce the potential difference between the magnetic fine wire 10 and the recording element 20 so that the current value of the current leaking from the recording element 20 to the magnetic fine wire 10 is reduced to a current value that does not drive the magnetic domain on the magnetic fine wire 10, and it is more preferable that the potential difference between the magnetic fine wire 10 and the recording element 20 is zero. Here, the magnetic domain on the magnetic fine wire 10 refers to the magnetic domain to be recorded on the magnetic fine wire 10 or the magnetic domain that has already been recorded.

[磁性細線デバイスの構成]
次に、磁性細線デバイス1の各部の詳細な構成について更に説明する。
本実施形態では、図1のように磁性細線デバイス1は、一例として、1本の磁性細線10と、2本の導線部を有する記録素子20を持つこととした。磁性細線デバイス1は、磁性細線10上に層間絶縁層30を介して、磁性細線10に対してねじれの位置に記録素子20が形成されている。
[Configuration of magnetic nanowire device]
Next, the detailed configuration of each part of the magnetic nanowire device 1 will be further described.
1, the magnetic nanowire device 1 has, as an example, one magnetic nanowire 10 and a recording element 20 having two conductive wire portions. In the magnetic nanowire device 1, the recording element 20 is formed on the magnetic nanowire 10 via an interlayer insulating layer 30 at a twisted position relative to the magnetic nanowire 10.

磁性細線10は、薄膜であって、しかも長さに対して厚さおよび幅が薄く、狭い細線状に形成されている。磁性細線10の厚さは例えば5nm~2μm、幅は例えば20nm~100μm、長さは例えば100nm~500μmとすることができる。なお、後記する実施例では磁性細線10の膜厚は例えば数nmオーダーであるものとする。磁性細線10は、電子線描画やフォトリソグラフィおよび、エッチングまたはリフトオフにより、前記形状に成形される。磁性細線10を記録媒体として利用し、高密度に情報を記録するためには、磁性細線10の材料として、垂直磁気異方性を持つ磁性材料を用いることが好ましい。そのような材料としては、例えばCo-Tb,Co-Pd,Co-Cr,Co-Pt,Co-Cr-Pt等の合金や、Tb-Fe-Co,Gd-Fe等の希土類金属と遷移金属との合金(RE-TM合金)、さらに上記元素からなる多層積層構造膜が挙げられる。 The magnetic nanowire 10 is a thin film, and is formed in a narrow wire shape with a small thickness and width relative to its length. The thickness of the magnetic nanowire 10 can be, for example, 5 nm to 2 μm, the width can be, for example, 20 nm to 100 μm, and the length can be, for example, 100 nm to 500 μm. In the examples described below, the film thickness of the magnetic nanowire 10 is, for example, on the order of several nm. The magnetic nanowire 10 is formed into the above shape by electron beam drawing, photolithography, etching, or lift-off. In order to use the magnetic nanowire 10 as a recording medium and record information at high density, it is preferable to use a magnetic material with perpendicular magnetic anisotropy as the material for the magnetic nanowire 10. Such materials include alloys such as Co-Tb, Co-Pd, Co-Cr, Co-Pt, and Co-Cr-Pt, alloys of rare earth metals and transition metals such as Tb-Fe-Co and Gd-Fe (RE-TM alloys), and multilayer laminated structure films made of the above elements.

記録素子20は、導線であり、磁性細線10とは電気的に隔離された状態で磁性細線10内部に磁区を形成する記録素子用導電層である。記録素子20は、磁性細線10とねじれの位置に、磁性細線10を2回またぐように導線部が直交配置されている。記録素子20の厚さ、幅、長さ等の範囲は、概ね磁性細線10の厚さ、幅、長さ等の範囲と同様にすることができる。なお、後記する実施例では記録素子20の膜厚は、例えば100nmオーダーであるものとする。 The recording element 20 is a conductor, and is a conductive layer for the recording element that forms a magnetic domain inside the magnetic nanowire 10 while being electrically isolated from the magnetic nanowire 10. The recording element 20 has a conductor portion arranged perpendicular to the magnetic nanowire 10 at a twisted position so as to straddle the magnetic nanowire 10 twice. The ranges of thickness, width, length, etc. of the recording element 20 can be roughly the same as the ranges of thickness, width, length, etc. of the magnetic nanowire 10. Note that in the embodiment described below, the film thickness of the recording element 20 is, for example, on the order of 100 nm.

記録素子20の材料としては、一般的な電極材料を適用できる。具体的には、例えば、導電性のよいCu,Al,Au,Ag,Ta,Cr,Co等の金属やその合金を挙げることができる。記録素子20の形成方法としては、例えばスパッタリング法等の公知の方法により電極材料を成膜し、電子線描画やフォトリソグラフィ工程と、エッチングまたはリフトオフ法等の工程とを用いることができる。 As the material for the recording element 20, a general electrode material can be used. Specifically, for example, metals with good conductivity such as Cu, Al, Au, Ag, Ta, Cr, Co, etc., or alloys thereof can be mentioned. As a method for forming the recording element 20, for example, a film of the electrode material can be formed by a known method such as a sputtering method, and a process such as electron beam drawing or photolithography, and a process such as etching or lift-off can be used.

なお、図1に示す例では、記録素子20の断面形状を円形としたが矩形でも構わない。また、記録素子20および磁性細線10の断面形状は、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形等でも構わない。 In the example shown in FIG. 1, the cross-sectional shape of the recording element 20 is circular, but it may be rectangular. The cross-sectional shape of the recording element 20 and the magnetic nanowire 10 may be square, rectangular, polygonal, circular, elliptical, etc.

層間絶縁層30を形成する絶縁体は、一般的な絶縁体材料で構成されている。このような材料として、例えばSiO2やAl23等の酸化膜や、窒化シリコン(Si34)やMgF2等を挙げることができる。層間絶縁層30は、図示しない基板上で安定に支持されていればその形状は図示した平板状に限定されず、例えば、記録素子20の間に絶縁材料を充填してもよい。または、層間絶縁層30は、記録素子20の周囲に絶縁材料を敷き詰めた絶縁被膜としてもよい。 The insulator forming the interlayer insulating layer 30 is made of a general insulating material . Examples of such materials include oxide films such as SiO2 and Al2O3 , silicon nitride ( Si3N4 ), and MgF2. The shape of the interlayer insulating layer 30 is not limited to the flat plate shape shown in the figure as long as it is stably supported on a substrate (not shown), and for example, an insulating material may be filled between the recording elements 20. Alternatively, the interlayer insulating layer 30 may be an insulating coating in which an insulating material is spread around the recording elements 20.

[システムの構成]
図1に示すように、磁性細線デバイス1を制御する評価するシステム2は、第1記録電源41および第2記録電源42と、第1駆動電源51および第2駆動電源52と、を備えている。システム2において、図16に示すシステム102と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。第1記録電源41および第2記録電源42において、符号41a,42aは端子、符号41b,42bは接地端子、符号41c,42cは操作表示部である。第1記録電源41および第2記録電源42は、それぞれ記録素子20の2つの端子に接続されており、それぞれ互いに逆符号のパルス電圧を印加することができるものとする。
第1記録電源41および第2記録電源42は、コの字に配置された導線(記録素子20)の両端に接続されている。
[System Configuration]
As shown in Fig. 1, the evaluation system 2 that controls the magnetic fine wire device 1 includes a first recording power supply 41 and a second recording power supply 42, and a first driving power supply 51 and a second driving power supply 52. In the system 2, the same components as those in the system 102 shown in Fig. 16 are given the same reference numerals and will not be described. In the first recording power supply 41 and the second recording power supply 42, reference numerals 41a and 42a denote terminals, reference numerals 41b and 42b denote ground terminals, and reference numerals 41c and 42c denote operation display units. The first recording power supply 41 and the second recording power supply 42 are each connected to two terminals of the recording element 20, and are capable of applying pulse voltages of opposite signs to each other.
The first recording power source 41 and the second recording power source 42 are connected to both ends of a conductor (recording element 20) arranged in a U-shape.

記録時には、記録素子20に対して、第1記録電源41よりパルス電圧を、第2記録電源42からは同じタイミングで第1記録電源41とは符号の逆の同じ振幅を持ったパルス電圧を印加する。このときに記録素子20に流れる記録電流は、第1記録電源41によるパルス電圧と、第2記録電源42による逆符号のパルス電圧との差の電圧となり、記録素子20の持つ抵抗値に応じた記録電流が流れる。このときに、磁性細線10から見た記録素子20の電位は、第1記録電源41によるパルス電圧と、第2記録電源42による逆符号のパルス電圧との和となるため、見かけ上0V、すなわち磁性細線10と同電位となり、リーク電流は流れない。また、第1記録電源41および第2記録電源42の記録電圧の大きさは、その電位差が記録電流を流すために十分な電位差であり、磁性細線10から見た記録素子20の電位差がリーク電流を抑制するのに十分小さければ、必ずしも等しくする必要はないが、等しい方が最も望ましい。 During recording, a pulse voltage is applied to the recording element 20 from the first recording power supply 41, and a pulse voltage having the same amplitude and opposite sign to that of the first recording power supply 41 is applied from the second recording power supply 42 at the same timing. The recording current flowing through the recording element 20 at this time is the difference voltage between the pulse voltage from the first recording power supply 41 and the pulse voltage of the opposite sign from the second recording power supply 42, and a recording current according to the resistance value of the recording element 20 flows. At this time, the potential of the recording element 20 as seen from the magnetic nanowire 10 is the sum of the pulse voltage from the first recording power supply 41 and the pulse voltage of the opposite sign from the second recording power supply 42, so that it appears to be 0V, i.e., the same potential as the magnetic nanowire 10, and no leak current flows. In addition, the magnitude of the recording voltages of the first recording power supply 41 and the second recording power supply 42 do not necessarily have to be equal, as long as the potential difference is sufficient to pass a recording current and the potential difference of the recording element 20 as seen from the magnetic nanowire 10 is small enough to suppress leakage current, but it is most desirable that they are equal.

本実施形態においては、記録素子20が図1のように磁性細線10の直上以外の部分で折り返すコの字型(1本の導体配線が往復する過程で磁性細線10と2回交差する形状)である。これのように構成することにより、容易に第1記録電源41および第2記録電源42にそれぞれ逆の符号を持つ同じ振幅を持ったパルス電圧の印加を実現し、記録素子20と磁性細線10との電位差を見かけ0Vにすることが可能となっている。 In this embodiment, the recording element 20 is U-shaped (a single conductor wiring crosses the magnetic nanowire 10 twice as it travels back and forth) as shown in FIG. 1, and is folded back at a portion other than directly above the magnetic nanowire 10. This configuration makes it easy to apply pulse voltages with the same amplitude but opposite signs to the first recording power source 41 and the second recording power source 42, and makes it possible to make the potential difference between the recording element 20 and the magnetic nanowire 10 appear to be 0 V.

[複数の磁性細線を有する磁性細線デバイス]
磁性細線デバイスが複数の磁性細線10を備えて記録素子20の2つの導線部が複数の磁性細線10とねじれの位置で交差するように構成されることが好ましい。その理由は、将来、磁性細線メモリが実現されるときには、数百万本に及ぶ磁性細線を並列に配置することが想定されるからである。そして、これらの並列磁性細線に対して、2本の導線部が直交となるように記録素子を配置し、2本の導線部間のギャップに発生する合成磁界により、すべての並列磁性細線上に同一の磁化方向を持つ磁区を記録するという記録制御が想定されている。
[Magnetic nanowire device having multiple magnetic nanowires]
It is preferable that the magnetic nanowire device is configured to include a plurality of magnetic nanowires 10, and the two conductor parts of the recording element 20 cross the plurality of magnetic nanowires 10 at twisted positions. The reason is that when magnetic nanowire memories are realized in the future, it is expected that millions of magnetic nanowires will be arranged in parallel. It is also expected that the recording element will be arranged so that the two conductor parts are perpendicular to these parallel magnetic nanowires, and recording control will be performed in which magnetic domains having the same magnetization direction are recorded on all the parallel magnetic nanowires by a composite magnetic field generated in the gap between the two conductor parts.

そこで、以下では、図2で示すように複数の磁性細線に同じ情報を同時に磁区記録できるかどうか検証するため、磁性細線を4並列化した磁性細線デバイスにおいて磁区記録を試みた基礎実験(実験1、実験2)について説明する。図2に示すシステム2Bにおいて、図1のシステム2と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。磁性細線デバイス1Bは、4本の磁性細線10を備える点が図1の磁性細線デバイス1とは異なる。記録素子20はコの字型をしており、2つの導線部が各磁性細線10をそれぞれ2回、ねじれの位置で交差することで、2つの導線部を流れる電流(記録電流)の合成磁界により、2つの導線部の間に磁区を形成する。この導線部間の距離(ギャップ)を短くすることにより、合成磁界の範囲を狭くでき、記録される磁区の長さを短くすることが可能となる。記録密度の観点からは、ギャップを短くする方が望ましい。例えば電子線リソグラフィーを用いることにより40nmから100nm程度の微細なギャップを形成することも可能である。以下、実験1、実験2について順に説明する。 Therefore, in the following, in order to verify whether the same information can be simultaneously recorded in multiple magnetic nanowires as shown in FIG. 2, basic experiments (Experiment 1, Experiment 2) will be described in which magnetic domain recording was attempted in a magnetic nanowire device in which four magnetic nanowires are arranged in parallel. In the system 2B shown in FIG. 2, the same components as those in the system 2 in FIG. 1 are given the same reference numerals and will not be described. The magnetic nanowire device 1B differs from the magnetic nanowire device 1 in FIG. 1 in that it has four magnetic nanowires 10. The recording element 20 has a U-shape, and two conductor parts cross each magnetic nanowire 10 twice at the twisted position, so that a magnetic domain is formed between the two conductor parts by the composite magnetic field of the current (recording current) flowing through the two conductor parts. By shortening the distance (gap) between the conductor parts, the range of the composite magnetic field can be narrowed, and the length of the recorded magnetic domain can be shortened. From the viewpoint of recording density, it is preferable to shorten the gap. For example, it is possible to form a fine gap of about 40 nm to 100 nm by using electron beam lithography. Below, we will explain Experiment 1 and Experiment 2 in order.

(実験1)
表面熱酸化シリコン基板にスパッタリング法を用いて、4本並列に並べた磁性細線10を形成する。磁性細線10としては、垂直磁化の特性を持つものを用い、今回、コバルトとテルビウムの多層積層膜(膜厚4.5nm)と、その上に白金を堆積させ合計膜厚を7.5nmとした。また、このときの磁性細線10の幅を3μmとした。なお、多層積層膜は、膜厚0.3nmコバルトと膜厚0.6nmテルビウムを交互に積層したものを1ペアとして5ペア積層したものである。
(Experiment 1)
Four magnetic nanowires 10 arranged in parallel are formed on a surface thermally oxidized silicon substrate by sputtering. The magnetic nanowires 10 used have perpendicular magnetization characteristics, and in this example, a multilayered film (4.5 nm thick) of cobalt and terbium is deposited with platinum thereon to give a total film thickness of 7.5 nm. The width of the magnetic nanowires 10 is 3 μm. The multilayered film is made up of five pairs of alternating layers of 0.3 nm thick cobalt and 0.6 nm thick terbium.

磁性細線10の上に層間絶縁層30として窒化シリコンを18nm堆積させた。その上にコの字の導線(記録素子20)を膜厚100nm、幅3μmのサイズで形成した。コの字の導線は、片方を往路、片方を復路とし、2本の導線の合成磁界によって記録素子20のギャップ間に磁区記録を行うものとする。 18 nm of silicon nitride was deposited on the magnetic nanowire 10 as the interlayer insulating layer 30. A U-shaped conductor (recording element 20) was formed on top of this with a thickness of 100 nm and a width of 3 μm. One side of the U-shaped conductor is the outgoing path, and the other is the return path, and magnetic domains are recorded in the gap of the recording element 20 by the combined magnetic field of the two conductors.

このときの記録素子20の導線部間のギャップは100nmとした。層間絶縁層30の膜厚は記録素子20と磁性細線10の絶縁性を確保するために十分な膜厚として18nmとしている。ただし、多層構造のデバイスの形成における歩留まりや基板上の位置に起因する不均一性により生じた、絶縁性が悪い素子を選択する。この素子は磁区記録時に記録素子20から磁性細線10にリーク電流が生じるものとする。この絶縁性が悪い素子を用いて以下の実験1を行った。 The gap between the conductor portions of the recording element 20 at this time was set to 100 nm. The thickness of the interlayer insulating layer 30 was set to 18 nm, which is a sufficient thickness to ensure insulation between the recording element 20 and the magnetic nanowire 10. However, an element with poor insulation caused by the yield in forming the multilayer device and non-uniformity due to the position on the substrate was selected. This element is assumed to generate a leakage current from the recording element 20 to the magnetic nanowire 10 when recording magnetic domains. The following experiment 1 was carried out using this element with poor insulation.

実験1は、本発明の効果を説明するための比較例に係る実験であって、磁区記録時における記録電圧印加工程のみを行うものである。実験1では図2の第1記録電源41を用いずに第2記録電源42より記録電流を流し、各磁性細線10に磁区記録ができるかどうかを確かめた。これまでの実験により、リーク電流がない状態において、上記の構成の磁性細線10および、コの字型の記録素子20において、記録素子20に約100mAの電流が流れたときに、磁性細線10上に磁区記録できることを確認している。また、図2のように4本並列に並べた磁性細線10においては、4本の磁性細線の全体に15mAの電流を流したときに磁区が駆動することが事前の実験により確かめられている。 Experiment 1 is an experiment relating to a comparative example for explaining the effect of the present invention, and only the recording voltage application process is performed during magnetic domain recording. In experiment 1, a recording current was applied from the second recording power supply 42 without using the first recording power supply 41 in FIG. 2, and it was confirmed whether magnetic domain recording could be performed on each magnetic nanowire 10. From the experiments so far, it has been confirmed that in a state in which there is no leakage current, magnetic domain recording can be performed on the magnetic nanowire 10 when a current of about 100 mA flows through the recording element 20 in the magnetic nanowire 10 and the U-shaped recording element 20 of the above configuration. Furthermore, in the case of four magnetic nanowires 10 arranged in parallel as shown in FIG. 2, it has been confirmed from a prior experiment that magnetic domains are driven when a current of 15 mA flows through the entire four magnetic nanowires.

図4は、記録素子20に対して第2記録電源42から第1記録電源41の方向に71.6mA、3μsの記録電流を印加したときの記録電流の波形を示している。なお、記録電流は、例えば第2駆動電源52により観測することができる。このときに層間絶縁層30を介して磁性細線10へ流れたリーク電流1,2を図5に示す。ここで、リーク電流1は、図3に示すように磁性細線10から第1駆動電源51の側に流れるリーク電流であり、リーク電流2は、磁性細線10から第2駆動電源52の側に流れるリーク電流である。なお、図4から図8を参照して説明する電流値および電圧値は、1.5×10-6sのときの値である。 4 shows the waveform of the recording current when a recording current of 71.6 mA and 3 μs is applied to the recording element 20 from the second recording power supply 42 in the direction of the first recording power supply 41. The recording current can be observed, for example, by the second driving power supply 52. FIG. 5 shows leakage currents 1 and 2 that flow to the magnetic nanowire 10 through the interlayer insulating layer 30 at this time. Here, leakage current 1 is a leakage current that flows from the magnetic nanowire 10 to the first driving power supply 51 side as shown in FIG. 3, and leakage current 2 is a leakage current that flows from the magnetic nanowire 10 to the second driving power supply 52 side. The current values and voltage values described with reference to FIG. 4 to FIG. 8 are values at 1.5×10 −6 s.

図5に示すように、リーク電流1は13mAであり、リーク電流2は15mAであった。このうちリーク電流2の大きさ(15mA)は、磁性細線10の磁区を駆動させるときの駆動電流と同じ大きさであった。そのため、リーク電流2によって、すでに磁性細線10上に形成されていた磁区が、図3において右(第2駆動電源52の側)に駆動してしまうことが確認された。また、磁区記録が可能となる記録電流100mAを第2記録電源42から印加しようとしたが、リーク電流がさらに大きくなり、磁区を駆動させるだけでなく、磁性細線全体の磁区がメイズパターン化してしまい、磁区を記録することができなかった。なお、磁区のメイズパターン化とは、リーク電流のジュール熱によって、磁性細線の磁区がバラバラに破壊される現象である。 As shown in FIG. 5, the leakage current 1 was 13 mA, and the leakage current 2 was 15 mA. The magnitude of the leakage current 2 (15 mA) was the same as the driving current when driving the magnetic domains of the magnetic nanowire 10. Therefore, it was confirmed that the magnetic domains already formed on the magnetic nanowire 10 were driven to the right (toward the second driving power supply 52) in FIG. 3 by the leakage current 2. In addition, an attempt was made to apply a recording current of 100 mA from the second recording power supply 42, which would enable magnetic domain recording, but the leakage current became even larger, and not only did it drive the magnetic domains, but the magnetic domains of the entire magnetic nanowire became a maze pattern, making it impossible to record the magnetic domains. Note that the maze patterning of the magnetic domains is a phenomenon in which the magnetic domains of the magnetic nanowire are broken into pieces by Joule heat from the leakage current.

(実験2)
実験1の方法では磁区記録ができなかったため、2台の記録電源41,42をそれぞれ導線(記録素子20)の両端に図2のように接続した。そして第1記録電源41に対して図6に示す記録電圧(パルス電圧)を印加し、同時に第2記録電源42に対して図7に示す記録電圧(パルス電圧)を印加した。これらの記録電圧は、共に振幅が7.5V、パルス幅が3μsであるけれども、符号は互い逆向きとした。すなわち記録素子20に対して第1記録電源41からは-7.5Vの記録電圧を印加し、第2記録電源42から+7.5Vの記録電圧を印加した。ここではパルス幅を3μsとしたが、磁区記録に十分なパルス幅であれば、これに限らない。ただし、磁性細線デバイスとしては高速に磁区記録できる方が望ましく、そのためにはパルス幅は小さい方が望ましいため、パルス幅はたとえば20psから5μs程度が好適である。
(Experiment 2)
Since the method of experiment 1 did not allow magnetic domain recording, two recording power sources 41 and 42 were connected to both ends of the conductor (recording element 20) as shown in FIG. 2. Then, the recording voltage (pulse voltage) shown in FIG. 6 was applied to the first recording power source 41, and the recording voltage (pulse voltage) shown in FIG. 7 was applied to the second recording power source 42 at the same time. Both of these recording voltages had an amplitude of 7.5 V and a pulse width of 3 μs, but the signs were opposite to each other. That is, the first recording power source 41 applied a recording voltage of −7.5 V to the recording element 20, and the second recording power source 42 applied a recording voltage of +7.5 V. Here, the pulse width was set to 3 μs, but it is not limited to this as long as it is a pulse width sufficient for magnetic domain recording. However, as a magnetic nanowire device, it is desirable to be able to record magnetic domains at high speed, and therefore a small pulse width is desirable, so that the pulse width is preferably about 20 ps to 5 μs, for example.

このとき、第2記録電源42(正のパルス電源)からみた第1記録電源41(負のパルス電源)との電位差は15Vとなり、電位差が生じるため記録素子20には第2記録電源42から第1記録電源41の向きに電流が印加される。
また、このとき磁性細線10から見た記録素子20との電位差は、第1記録電源41と第2記録電源42の電圧の和となるため、0Vとなる。そのため記録素子20から層間絶縁層30を介したリーク電流を抑えることができる。また記録素子20の導線部間のギャップは100nmあり、層間絶縁層30の膜厚(18nm)と比較しても十分に距離があることから、導線部間でのリークによる素子の破壊や記録された磁区の破壊などは観測されなかった。
At this time, the potential difference between the second recording power supply 42 (positive pulse power supply) and the first recording power supply 41 (negative pulse power supply) is 15 V, and since a potential difference is generated, a current is applied to the recording element 20 in the direction from the second recording power supply 42 to the first recording power supply 41.
At this time, the potential difference between the magnetic nanowire 10 and the recording element 20 is the sum of the voltages of the first recording power supply 41 and the second recording power supply 42, and is therefore 0 V. This makes it possible to suppress leakage current from the recording element 20 through the interlayer insulating layer 30. In addition, the gap between the conductor parts of the recording element 20 is 100 nm, which is a sufficient distance compared to the film thickness (18 nm) of the interlayer insulating layer 30, and therefore no destruction of the element or destruction of the recorded magnetic domains due to leakage between the conductor parts was observed.

図8は、実際に記録素子20に流れた記録電流(第2記録電源42から第1記録電源41の向きを正とする)の波形を示している。このときに層間絶縁層30を介して磁性細線10へ流れたリーク電流1,2を図9に示す。図8に示すように記録素子20には108mA(>100mA)の電流が流れており、この記録電流は、各磁性細線10に磁区記録をするのに十分な電流であったことを確認することができた。また、図9に示すように、このときのリーク電流1,2は、-3mA~+3mA程度であり、磁区を駆動させる駆動電流(15mA)より十分に低い値に抑えることができた。なお、実験2の条件では、磁性細線10の磁区が移動しない十分に抑えられたリーク電流としては、例えば3.5mA以下の電流のことである。 Figure 8 shows the waveform of the recording current (the direction from the second recording power supply 42 to the first recording power supply 41 is positive) that actually flowed through the recording element 20. Figure 9 shows the leakage currents 1 and 2 that flowed through the interlayer insulating layer 30 to the magnetic nanowire 10 at this time. As shown in Figure 8, a current of 108 mA (>100 mA) flows through the recording element 20, and it was confirmed that this recording current was sufficient to record magnetic domains in each magnetic nanowire 10. Also, as shown in Figure 9, the leakage currents 1 and 2 at this time were approximately -3 mA to +3 mA, which was suppressed to a value sufficiently lower than the driving current (15 mA) that drives the magnetic domains. Note that under the conditions of Experiment 2, a sufficiently suppressed leakage current that does not move the magnetic domains of the magnetic nanowire 10 is, for example, a current of 3.5 mA or less.

一例として、磁性細線デバイス1において、上向きの磁区記録および、そのときに記録された磁区の駆動と、下向き磁区記録および、そのときに記録された磁区駆動と、を交互に繰り返す場合について図10を参照して説明する。図10は、第1記録電源41と、第2記録電源42と、第2駆動電源52とを用いて、磁性細線デバイス1への磁区記録と磁区駆動とを交互に繰り返したときのタイミングチャートの一例である。 As an example, a case where upward magnetic domain recording and driving of the recorded magnetic domain at that time, and downward magnetic domain recording and driving of the recorded magnetic domain at that time are alternately repeated in the magnetic fine wire device 1 will be described with reference to FIG. 10. FIG. 10 is an example of a timing chart when magnetic domain recording and magnetic domain driving are alternately repeated in the magnetic fine wire device 1 using the first recording power supply 41, the second recording power supply 42, and the second driving power supply 52.

この例では、磁区記録時において、時刻t0から時刻t11までの期間では、第2記録電源42から第1記録電源41に向かって記録電流が流れるようにするために、記録素子20に対して第2記録電源42から正のパルス電圧を印加し、第1記録電源41から負のパルス電圧を印加した。
また、別の磁区記録時において、時刻t12から時刻t13までの期間では、第1記録電源41から第2記録電源42に向かって記録電流が流れるようにするために、記録素子20に対して第1記録電源41から正のパルス電圧を印加し、第2記録電源42から負のパルス電圧を印加した。
In this example, during magnetic domain recording, in the period from time t0 to time t11, in order to cause a recording current to flow from the second recording power supply 42 to the first recording power supply 41, a positive pulse voltage is applied to the recording element 20 from the second recording power supply 42 and a negative pulse voltage is applied from the first recording power supply 41.
Also, during recording of another magnetic domain, in the period from time t12 to time t13, in order to cause a recording current to flow from the first recording power supply 41 to the second recording power supply 42, a positive pulse voltage was applied to the recording element 20 from the first recording power supply 41 and a negative pulse voltage was applied from the second recording power supply 42.

磁区駆動時(時刻t11から時刻t12、時刻t13から時刻t14)には、第1駆動電源51は0Vにしておき、第2駆動電源52を負のパルス電源として、図10に示すように、磁性細線10に対して第2駆動電源52から負の駆動電圧(負のパルス電圧)を印加した。例えば時刻t11から時刻t12までの磁区駆動期間に、磁性細線10に500nsのパルス電圧を3回印加することで、第1駆動電源51から第2駆動電源52に向かう駆動電流(14mA、500nsの駆動電流)が流れるようにした。またこの方法では記録素子20から磁性細線10へのリーク電流があったとしても、それ自身を駆動電流に活用することもできる。ここでは、磁区駆動を磁気光学顕微鏡にて観測するのに十分な駆動を行うために、500nsの駆動電流を3回印加しているが、磁区を駆動させたい距離に応じてパルス幅や印加する回数を自由に選ぶことができる。ただしパルス幅を大きくすると、磁性細線を加熱する原因となるため、パルス幅を小さくし、印加回数を増やすことでそれを回避できる。 During domain drive (time t11 to time t12, time t13 to time t14), the first drive power supply 51 was set to 0V, and the second drive power supply 52 was used as a negative pulse power supply, and a negative drive voltage (negative pulse voltage) was applied from the second drive power supply 52 to the magnetic nanowire 10 as shown in FIG. 10. For example, during the domain drive period from time t11 to time t12, a 500 ns pulse voltage was applied to the magnetic nanowire 10 three times, so that a drive current (14 mA, 500 ns drive current) flows from the first drive power supply 51 to the second drive power supply 52. In this method, even if there is a leak current from the recording element 20 to the magnetic nanowire 10, it can also be used as a drive current. Here, a 500 ns drive current is applied three times to perform a drive sufficient to observe the magnetic domain drive with a magneto-optical microscope, but the pulse width and the number of applications can be freely selected depending on the distance to which the magnetic domain is to be driven. However, increasing the pulse width can cause the magnetic nanowire to heat up, so this can be avoided by reducing the pulse width and increasing the number of times it is applied.

なお、磁区駆動時に、逆に第2駆動電源52は0Vにしておき、第1駆動電源51を正のパルス電源として、磁性細線10に対して第1駆動電源51から正の駆動電圧(正のパルス電圧)を印加することで磁区を同様に駆動することもできる。 In addition, when driving the magnetic domain, the magnetic domain can be driven in the same manner by setting the second driving power supply 52 to 0 V and using the first driving power supply 51 as a positive pulse power supply to apply a positive driving voltage (positive pulse voltage) from the first driving power supply 51 to the magnetic nanowire 10.

図11は図10のタイミングチャートを繰り返すことで、磁性細線上に上向き磁区と下向き磁区を交互に形成したものを磁気光学顕微鏡によって観察した磁気光学顕微鏡像であり、4本の磁性細線10のうちの1つを拡大して表示している。磁性細線10において、記録素子20の一方(図11において左)の導線部の中央と、他方(図11において右)の導線部の中央と、の間の磁性細線領域に磁区が記録される。4つの磁区Dはそれぞれ、記録素子20の直下から右に駆動された磁区である。右端から上向き磁区、下向き磁区、上向き磁区、下向き磁区に対応している。 Figure 11 is a magneto-optical microscope image of a magnetic nanowire in which upward and downward magnetic domains are alternately formed by repeating the timing chart of Figure 10, and shows an enlarged view of one of the four magnetic nanowires 10. In the magnetic nanowire 10, magnetic domains are recorded in the magnetic nanowire region between the center of one conductor part of the recording element 20 (left in Figure 11) and the center of the other conductor part (right in Figure 11). The four magnetic domains D are magnetic domains that are driven to the right from directly below the recording element 20. From the right end, they correspond to an upward magnetic domain, a downward magnetic domain, an upward magnetic domain, and a downward magnetic domain.

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
(第1変形例)
また、磁性細線10が磁性材料としてCo-Tbを含む具体例について説明したが、他の垂直磁気異方性を持つ材料を用いてもよい。磁性細線デバイスを構成する磁性材料に、Tbのように酸素や水分によって酸化されるものも含まれる場合には、磁性細線が酸化されることで、磁区駆動がしにくくなる虞がある。また、酸化が進むことで磁性細線中の磁化が失われ、磁区記録も困難になると、磁性細線デバイスとしての機能を失うことになる。したがって、磁性材料の種類によっては、磁性細線デバイスの酸化を防ぐために、磁性細線デバイスを外気から十分に遮断できる容器に封入することが好ましい。この変形例の模式図を図12に示す。図12に示すシステム2Cにおいて、図3に示すシステム2Bと同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。外気を遮断する容器60は磁性細線デバイス1Bを大気から隔離するものである。符号60a、60b、60c、60dはコネクタであり、これらコネクタによって、容器60外部の大気を隔離しながら容器60内部の磁性細線デバイス1Bに通電することができる。また、外気を遮断する容器60の内部の雰囲気70は乾燥窒素雰囲気で満たされているか、もしくは真空である。この変形例によれば、磁性細線デバイスの酸化を防止することで、より正確な磁区記録および磁区駆動の制御および評価が可能となる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.
(First Modification)
Although the magnetic fine wire 10 includes Co-Tb as a magnetic material, other materials having perpendicular magnetic anisotropy may be used. If the magnetic material constituting the magnetic fine wire device includes a material that is oxidized by oxygen or moisture, such as Tb, the magnetic fine wire may be oxidized, which may make it difficult to drive the magnetic domain. If the magnetization in the magnetic fine wire is lost due to the progression of oxidation and the magnetic domain recording becomes difficult, the magnetic fine wire device will lose its function as a magnetic fine wire device. Therefore, depending on the type of magnetic material, it is preferable to seal the magnetic fine wire device in a container that can be sufficiently isolated from the outside air in order to prevent the magnetic fine wire device from being oxidized. A schematic diagram of this modified example is shown in FIG. 12. In the system 2C shown in FIG. 12, the same components as those in the system 2B shown in FIG. 3 are assigned the same reference numerals and will not be described. The container 60 that blocks the outside air isolates the magnetic fine wire device 1B from the atmosphere. Reference numerals 60a, 60b, 60c, and 60d denote connectors, which allow current to flow through the magnetic nanowire device 1B inside the container 60 while isolating it from the atmosphere outside the container 60. The atmosphere 70 inside the container 60, which blocks the outside air, is filled with a dry nitrogen atmosphere or is a vacuum. This modification prevents oxidation of the magnetic nanowire device, enabling more accurate control and evaluation of magnetic domain recording and magnetic domain driving.

(第2変形例)
磁性細線デバイスの制御に用いる記録電源の台数は2台に限らず、図13に示すように4台でもよい。図13に示すシステム2Dにおいて、図1に示すシステム2と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。第3記録電源43および第4記録電源44において、符号43a,44aは端子、符号43b,44bは接地端子、符号43c,43cは操作表示部である。図13に示す磁性細線デバイス1の記録素子は、2つの導線部20a,20bが電気的に分離されている。このシステム2Dでは、4台の記録電源41~44を用いて、記録素子の2つの導線部20a,20bに対して互いに反対向きに同時に記録電流が流れるように、それぞれの導線部において、導線部の両端に接続された一対の記録電源から互いに逆符号のパルス電圧を導線部に印加する。具体的には、導線部20aの両端に接続された第1記録電源41および第3記録電源43から互いに逆符号のパルス電圧を導線部20aに印加する。同時に、導線部20bの両端に接続された第2記録電源42および第4記録電源44から互いに逆符号のパルス電圧を導線部20bに印加する。このシステム2Dも図1のこのシステム2と同様の効果を奏することができる。
(Second Modification)
The number of recording power sources used to control the magnetic fine wire device is not limited to two, and may be four as shown in FIG. 13. In the system 2D shown in FIG. 13, the same components as those in the system 2 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. In the third recording power source 43 and the fourth recording power source 44, reference numerals 43a and 44a are terminals, reference numerals 43b and 44b are ground terminals, and reference numerals 43c and 43c are operation display units. In the recording element of the magnetic fine wire device 1 shown in FIG. 13, the two conductor parts 20a and 20b are electrically separated. In this system 2D, four recording power sources 41 to 44 are used, and pulse voltages of opposite signs are applied to the conductor parts from a pair of recording power sources connected to both ends of the conductor parts so that recording currents flow simultaneously in opposite directions through the two conductor parts 20a and 20b of the recording element. Specifically, pulse voltages of mutually opposite signs are applied to the conductor portion 20a from a first recording power source 41 and a third recording power source 43 connected to both ends of the conductor portion 20a. At the same time, pulse voltages of mutually opposite signs are applied to the conductor portion 20b from a second recording power source 42 and a fourth recording power source 44 connected to both ends of the conductor portion 20b. This system 2D can achieve the same effects as the system 2 in FIG.

(第3変形例)
磁性細線デバイスの制御に用いる記録電源の台数は図14に示すように3台でもよい。図14に示すシステム2Eにおいて、図1に示すシステム2と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。このシステム2Eでは、3台の記録電源41~43を用いて、記録素子20において繋がっている導線部の両端に接続された第1記録電源41および第2記録電源42から互いに逆符号のパルス電圧を導線部に印加する。第3記録電源43は、記録素子20において繋がっている導線部の両端以外の任意の位置に接続することができる。第3記録電源43が記録素子20に印加する記録電圧は、第1記録電源41および第2記録電源42の印加電圧に依存し、また、導線部全長に対する記録素子20の端部から第3記録電源43までの長さの割合に応じて設定することができる。このシステム2Eも図1のこのシステム2と同様の効果を奏することができる。
(Third Modification)
The number of recording power sources used to control the magnetic fine wire device may be three as shown in FIG. 14. In the system 2E shown in FIG. 14, the same components as those in the system 2 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In this system 2E, three recording power sources 41 to 43 are used to apply pulse voltages of opposite signs to the conductor portion from the first recording power source 41 and the second recording power source 42 connected to both ends of the conductor portion connected in the recording element 20. The third recording power source 43 can be connected to any position other than both ends of the conductor portion connected in the recording element 20. The recording voltage applied to the recording element 20 by the third recording power source 43 depends on the applied voltages of the first recording power source 41 and the second recording power source 42, and can be set according to the ratio of the length from the end of the recording element 20 to the third recording power source 43 to the total length of the conductor portion. This system 2E can also achieve the same effect as the system 2 in FIG. 1.

磁性細線デバイス1は、メモリであるものとしたが、空間光変調器であってもよい。また、反射型の空間光変調器とする場合、磁性細線10は、入射する光に対して偏光状態の変化を与えることができるもの、すなわち磁気光学効果の影響が強いものが好ましい。 The magnetic nanowire device 1 is described as a memory, but it may also be a spatial light modulator. Furthermore, when used as a reflective spatial light modulator, it is preferable that the magnetic nanowire 10 is capable of changing the polarization state of the incident light, i.e., that it is strongly influenced by the magneto-optical effect.

1,1B 磁性細線デバイス
2,2B,2C,2D,2E システム
10 磁性細線(磁性体)
20 記録素子
20a 導線部(記録素子)
20b 導線部(記録素子)
30 層間絶縁層
41 第1記録電源(記録電源)
42 第2記録電源(記録電源)
43 第3記録電源(記録電源)
44 第4記録電源(記録電源)
51 第1駆動電源
52 第2駆動電源
60 外気を遮断する容器
D 磁区
1, 1B Magnetic nanowire device 2, 2B, 2C, 2D, 2E System 10 Magnetic nanowire (magnetic material)
20 Recording element 20a Conductor portion (recording element)
20b Conductive portion (recording element)
30 Interlayer insulating layer 41 First recording power source (recording power source)
42 Second recording power source (recording power source)
43 Third recording power source (recording power source)
44 Fourth recording power supply (recording power supply)
51 First driving power source 52 Second driving power source 60 Container for blocking outside air D Magnetic domain

Claims (9)

細線状の磁性体である磁性細線と、前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する記録素子と、を備える磁性細線デバイスの制御方法であって、
前記記録素子は、前記磁性細線とねじれの位置で交差する導線部を2つ有し、2つの前記導線部が繋がっており、記録時に前記磁性細線上で2つの前記導線部に挟まれた磁性細線領域に磁区を記録し、
前記記録時に、前記記録素子に電気的に接続された2台以上の記録電源によって、磁区を記録できる記録電流が前記記録素子に流れるように、かつ、前記磁性細線と前記記録素子との電位差を磁性細線上の磁区を駆動させない電流値のリーク電流に抑制するような電位差に低減するように各記録電源間に所定の電位差を生成し、2つの前記導線部が繋がった全体の両端に接続された一対の記録電源から同じタイミングで互いに逆符号のパルス電圧を2つの前記導線部に印加することを特徴とする磁性細線デバイスの制御方法。
A method for controlling a magnetic nanowire device including a magnetic nanowire that is a thin-line shaped magnetic body, and a recording element that is disposed on the magnetic nanowire via an interlayer insulating layer and records information in the magnetic nanowire as a magnetic domain by a current magnetic field, the method comprising the steps of:
the recording element has two conductor parts that intersect with the magnetic nanowire at a twisted position, the two conductor parts are connected, and during recording, a magnetic domain is recorded in a magnetic nanowire region on the magnetic nanowire that is sandwiched between the two conductor parts,
A method for controlling a magnetic nanowire device, characterized in that during recording, two or more recording power sources electrically connected to the recording element generate a predetermined potential difference between the recording power sources so that a recording current capable of recording magnetic domains flows through the recording element and so that the potential difference between the magnetic nanowire and the recording element is reduced to a potential difference that suppresses the potential difference to a leakage current of a current value that does not drive the magnetic domains on the magnetic nanowire , and pulse voltages of opposite signs are applied to the two conductor portions at the same timing from a pair of recording power sources connected to both ends of the entire connection of the two conductor portions.
前記記録素子は、2つの前記導線部が繋がったコの字の形状の構造を有し、
2つの前記導線部が繋がった全体の両端に前記一対の記録電源が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の磁性細線デバイスの制御方法。
the recording element has a U-shaped structure in which the two conductive wire portions are connected,
2. The method for controlling a magnetic nanowire device according to claim 1, wherein the pair of recording power sources are connected to both ends of an entire area where the two conductor portions are connected together.
2台の前記記録電源を用いることを特徴とする請求項2に記載の磁性細線デバイスの制御方法。 The method for controlling a magnetic nanowire device according to claim 2, characterized in that two recording power sources are used. 前記一対の記録電源から前記導線部に印加するパルス電圧の大きさは等しいことを特徴とする請求項3に記載の磁性細線デバイスの制御方法。 The method for controlling a magnetic nanowire device according to claim 3, characterized in that the magnitudes of the pulse voltages applied to the conductor portions from the pair of recording power sources are equal. 前記記録時に、前記記録素子から前記磁性細線に漏れる電流の電流値を、前記磁性細線上に記録する磁区または既に記録された磁区を駆動させない電流値に低減させるように、前記磁性細線と前記記録素子との電位差を低減させることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の磁性細線デバイスの制御方法。 The method for controlling a magnetic nanowire device according to claim 3 or 4, characterized in that the potential difference between the magnetic nanowire and the recording element is reduced so that the current value of the current leaking from the recording element to the magnetic nanowire during recording is reduced to a current value that does not drive the magnetic domain to be recorded on the magnetic nanowire or the magnetic domain already recorded. 細線状の磁性体である磁性細線と、前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する記録素子と、を備える磁性細線デバイスの制御方法であって、
前記記録素子は、前記磁性細線とねじれの位置で交差する導線部を2つ有し、2つの前記導線部が電気的に分離されており、記録時に前記磁性細線上で2つの前記導線部に挟まれた磁性細線領域に磁区を記録し、
前記記録時に、前記記録素子に電気的に接続された4台の記録電源によって、磁区を記録できる記録電流が前記記録素子に流れるように、かつ、前記磁性細線と前記記録素子との電位差を磁性細線上の磁区を駆動させない電流値のリーク電流に抑制するような電位差に低減するように各記録電源間に所定の電位差を生成し、前記記録素子それぞれの導線部において、前記導線部の両端に接続された一対の記録電源から、2つの前記導線部に対して互いに反対向きに同時に記録電流が流れるように、同じタイミングで互いに逆符号のパルス電圧を前記導線部に印加することを特徴とす磁性細線デバイスの制御方法。
A method for controlling a magnetic nanowire device including a magnetic nanowire that is a thin-line shaped magnetic body, and a recording element that is disposed on the magnetic nanowire via an interlayer insulating layer and records information in the magnetic nanowire as a magnetic domain by a current magnetic field, the method comprising the steps of:
the recording element has two conductor parts that intersect with the magnetic nanowire at a twisted position, the two conductor parts are electrically separated, and during recording, a magnetic domain is recorded in a magnetic nanowire region on the magnetic nanowire that is sandwiched between the two conductor parts,
A method for controlling a magnetic nanowire device , characterized in that, during recording, a predetermined potential difference is generated between four recording power sources electrically connected to the recording element so that a recording current capable of recording magnetic domains flows to the recording element and the potential difference between the magnetic nanowire and the recording element is reduced to a potential difference that suppresses the potential difference to a leakage current of a current value that does not drive the magnetic domains on the magnetic nanowire, and pulse voltages of opposite signs are applied to the conductor portions of each of the recording elements at the same timing from a pair of recording power sources connected to both ends of the conductor portion so that recording currents flow simultaneously in opposite directions to each other through the two conductor portions.
前記磁性細線デバイスは、複数の前記磁性細線を備えており、
前記記録素子は、2つの前記導線部が複数の前記磁性細線とねじれの位置で交差するように構成されていることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。
the magnetic nanowire device includes a plurality of the magnetic nanowires;
7. The method for controlling a magnetic nanowire device according to claim 1, wherein the recording element is configured such that two of the conductor portions intersect with a plurality of the magnetic nanowires at a twisted position.
前記磁性細線デバイスは、メモリまたは空間光変調器であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。 The method for controlling a magnetic nanowire device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the magnetic nanowire device is a memory or a spatial light modulator. 前記磁性細線デバイスは、外気と隔離して乾燥窒素雰囲気または真空に保つことができる容器に封入されていることを特徴とする請求項8に記載の磁性細線デバイスの制御方法。 The method for controlling a magnetic nanowire device according to claim 8, characterized in that the magnetic nanowire device is sealed in a container that can be isolated from the outside air and kept in a dry nitrogen atmosphere or vacuum.
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