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WO2024095960A1 - 磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置 - Google Patents

磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置 Download PDF

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WO2024095960A1
WO2024095960A1 PCT/JP2023/039096 JP2023039096W WO2024095960A1 WO 2024095960 A1 WO2024095960 A1 WO 2024095960A1 JP 2023039096 W JP2023039096 W JP 2023039096W WO 2024095960 A1 WO2024095960 A1 WO 2024095960A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
topological
magnetic
ferrimagnetic
magnetic memory
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/039096
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
知 中▲辻▼
明人 酒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Tokyo NUC
Original Assignee
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory element and a magnetic memory device.
  • MRAM magnetic random access memory
  • SRAM static random access memory
  • STT-MRAM spin transfer torque (STT) to reverse the magnetization of a ferromagnetic material
  • SOT-MRAM spin orbit torque (SOT) to reverse the magnetization of a ferromagnetic material
  • MRAM uses ferromagnetic materials, and the magnetization reversal speed is limited to about 1 nanosecond, so it has not yet become an alternative to SRAM.
  • ferromagnetic materials are vulnerable to disturbances from external magnetic fields.
  • the present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a magnetic memory element and a magnetic memory device that use a ferrimagnetic material to improve resistance to disturbances from external magnetic fields and achieve high-speed processing.
  • the magnetic memory element of one embodiment of the present invention comprises a magnetoresistance element having a free layer in which the magnetic order is reversible, a fixed layer in which the magnetic order is fixed, and a non-magnetic layer provided between the free layer and the fixed layer, and at least one of the free layer and the fixed layer is made of a topological ferrimagnet that exhibits the anomalous Hall effect and the anomalous Nernst effect.
  • a magnetic memory device includes a plurality of magnetic memory elements, each of which is defined as the magnetic memory element described above.
  • a magnetic memory element comprises a ferrimagnetic layer made of a topological ferrimagnet that exhibits the anomalous Hall effect and the anomalous Nernst effect, and a spin Hall layer in contact with the ferrimagnetic layer, made of a material that exhibits the spin Hall effect, in which a spin current is generated perpendicular to the plane when a write current flows in the in-plane direction.
  • the magnetic order of the topological ferrimagnet can be reversed by the spin-orbit torque generated by the spin current.
  • Another aspect of the present invention is a magnetic memory device that includes a plurality of magnetic memory elements, each of which is defined as the magnetic memory element described above.
  • the present invention by using a topological ferrimagnetic material that exhibits the anomalous Hall effect and the anomalous Nernst effect in a magnetic memory element, it is possible to increase the tolerance to disturbances caused by external magnetic fields and achieve high-speed processing.
  • 1 is a graph showing the relationship between magnetization and transverse thermoelectric coefficient of various magnetic materials.
  • 1 is a graph showing the magnetic field dependence of Hall resistivity of Gd 2 Co 7 and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 .
  • 1 is a graph showing the temperature dependence of Hall resistivity of Gd 2 Co 7 and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 .
  • 1 is a graph showing the magnetic field dependence of Hall resistivity of GdCo5.
  • 1 is a graph showing the temperature dependence of Hall resistivity of GdCo5.
  • 3 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element of the first memory structure according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element of a second memory structure according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a magnetoresistive element of a third memory structure according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between saturation magnetization and uniaxial magnetic anisotropy energy of various magnetic materials.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element of an SOT-MRAM.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element of an STT-MRAM.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element using an all-optical data writing method.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a magnetic memory element according to a second embodiment.
  • ferrimagnetic materials which have smaller magnetization than ferromagnetic materials, in order to realize a nonvolatile magnetic memory device that is resistant to disturbances from external magnetic fields and can operate at high speeds.
  • Ferrimagnetic materials have a small net magnetization because two different types of magnetic ions are antiferromagnetically coupled and cancel each other out with their sublattice magnetizations.
  • the sum of the two sublattice magnetizations can be made zero by changing the temperature or the concentrations of the two types of magnetic ions. Such a temperature or concentration is called the magnetization compensation point.
  • the magnetization compensation point By tuning the temperature or composition, the net magnetization of a ferrimagnetic material can be made almost zero, thereby increasing its resistance to external magnetic fields.
  • the angular momentum compensation point where the angular momenta of the two sublattices cancel each other out, resulting in the net angular momentum disappearing.
  • the material has a finite magnetization at the angular momentum compensation point, and the speed of magnetic dynamics such as precession of the magnetic moment and domain wall velocity is maximized, enabling high-speed magnetization reversal.
  • a magnetic response is required whose magnitude can be clearly detected, even though the magnetization is minute.
  • This embodiment focuses on a topological ferrimagnet, which, due to the topology of its electronic state, can provide a response far greater than would be expected from the magnitude of the magnetization.
  • topological ferrimagnets examples include alloys (R-TM) consisting of rare earth elements (R) and 3d transition metals (TM), such as Mn 5 Ge 2 , Mn 3 Ga, Mn 3 SnN, and Mn 4 N.
  • TM in R-TM examples include cobalt (Co) and iron (Fe).
  • the ratio (x/y) of R to TM is preferably within the range of 0.2 to 0.5. Note that R in R-TM may be a combination of two rare earth elements.
  • the topological ferrimagnetic material of this embodiment has the property of exhibiting the anomalous Nernst effect and the anomalous Hall effect despite minute magnetization.
  • Figure 1 shows the relationship between ⁇ 0 M ( ⁇ 0 is vacuum permeability, M is magnetization) and absolute value of transverse thermoelectric coefficient ⁇ ij for various magnetic materials at temperatures T>200K.
  • Figure 1 shows that
  • GdCo 5 has
  • Gd 2 Co 7 has
  • FIG. 2A shows the magnetic field dependence of the Hall resistivity ⁇ yx of Gd 2 Co 7 and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 at 300 K (room temperature) when a magnetic field B parallel to the c-axis is applied.
  • FIG. 2B shows the temperature dependence of the Hall resistivity ⁇ yx of Gd 2 Co 7 and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 when a magnetic field B of 1 T is applied parallel to the c-axis. From FIG. 2A and FIG. 2B, it can be seen that Gd 2 Co 7 and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 show a large anomalous Hall effect. Also, from FIG.
  • FIG. 2C shows the magnetic field dependence of the Hall resistivity ⁇ yx at 100K, 200K, and 300K in GdCo 5 when a current I parallel to [2-1-10] is passed under a magnetic field B parallel to [0001].
  • FIG. 2D shows the temperature dependence of the Hall resistivity ⁇ yx in GdCo 5 when a current I parallel to [2-1-10] is passed under a magnetic field B of 2T parallel to [0001]. From FIG. 2C and FIG. 2D, it can be seen that the anomalous Hall effect is also manifested in GdCo 5. Also, from FIG. 2C, it can be seen that the coercive force appears at 200K or less, and the coercive force increases as the temperature decreases. Furthermore, from FIG. 2D, it can be seen that the magnitude of the Hall resistivity ⁇ yx increases monotonically with increasing temperature.
  • topological ferrimagnets exhibit large anomalous Nernst effect and large anomalous Hall effect despite minute magnetization originates from their crystal structure and band structure.
  • R2Co7 and RCo5 have rhombohedral or hexagonal crystal structures.
  • topological ferrimagnets have a topological band structure near the Fermi surface.
  • R2Co7 and RCo5 have flat bands near the Fermi surface, and the energy does not change even if the momentum changes. This suggests that the 4f electrons of R or the 3d electrons of Co are localized in real space.
  • the first embodiment will be directed to a magnetic memory element that uses the magnetoresistance effect to read data
  • the second embodiment will be directed to a magnetic memory element that uses the anomalous Hall effect to read data.
  • a first embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 3A to 7.
  • the first embodiment is directed to three types of magnetic memory element structures (first to third memory structures).
  • FIG. 3A shows a cross-sectional view of a magnetoresistance element 100 of the first memory structure.
  • the magnetoresistance element 100 includes a free layer 112 in which the magnetic order is reversible, a nonmagnetic layer 114, and a fixed layer 116 in which the magnetic order is fixed, and the nonmagnetic layer 114 is provided between the free layer 112 and the fixed layer 116.
  • the nonmagnetic layer 114 is made of an insulator such as MgO, Al 2 O 3 , HfO, etc.
  • the free layer 112 includes a ferrimagnetic layer 1121 made of a topological ferrimagnetic material, and a first ferromagnetic layer 1123 made of a ferromagnetic material, sandwiched between the nonmagnetic layer 114 and the ferrimagnetic layer 1121, and having a thickness of 1 nm or less (several atomic layers).
  • the topological ferrimagnet of the ferrimagnetic layer 1121 is an alloy of a rare earth element and a 3d transition metal, and is preferably a ferrimagnet at the angular momentum compensation point.
  • Examples of the ferromagnetic material of the first ferromagnetic layer 1123 include CoFeB and CoFe.
  • the fixed layer 116 has an artificial antiferromagnetic layer 118, a bridge layer 1163 made of a metal such as tantalum (Ta) stacked on the artificial antiferromagnetic layer 118, and a second ferromagnetic layer 1161 stacked on the bridge layer 1163 and in contact with the nonmagnetic layer 114.
  • a bridge layer 1163 made of a metal such as tantalum (Ta) stacked on the artificial antiferromagnetic layer 118
  • a second ferromagnetic layer 1161 stacked on the bridge layer 1163 and in contact with the nonmagnetic layer 114.
  • the second ferromagnetic layer 1161 is made of the same ferromagnetic material as the first ferromagnetic layer 1123.
  • the laminated structure of the second ferromagnetic layer 1161/nonmagnetic layer 114/first ferromagnetic layer 1123 is preferably CoFe/MgO/CoFe or CoFeB/MgO/CoFeB.
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • an MTJ element with a CoFeB/MgO/CoFeB structure can achieve a TMR ratio of 200% or more at room temperature.
  • the artificial antiferromagnetic layer 118 has a first multilayer film 1165, a spacer layer 1167 made of a metal such as ruthenium (Ru), and a second multilayer film 1169, and the spacer layer 1167 is sandwiched between the first multilayer film 1165 and the second multilayer film 1169.
  • the first multilayer film 1165 is a multilayer film (Co/Pt) n in which a Co layer and a Pt layer are alternately stacked multiple times (n times)
  • the second multilayer film 1169 is a multilayer film (Co/Pt) m in which a Co layer and a Pt layer are alternately stacked multiple times (m times).
  • Such a Co/Pt multilayer film exhibits perpendicular magnetization because magnetic anisotropy appears in the perpendicular direction at the interface between Co/Pt.
  • the second ferromagnetic layer 1161 is ferromagnetically coupled to the first multilayer film 1165 with perpendicular magnetization via the bridge layer 1163, thereby increasing the coercive force of the second ferromagnetic layer 1161.
  • the first multilayer film 1165 is antiparallel coupled to the second multilayer film 1169 via the spacer layer 1167, thereby preventing leakage of the magnetic field from the fixed layer 116 to the free layer 112.
  • FIG. 3B shows a cross-sectional view of the magnetoresistance element 102 of the second memory structure.
  • the magnetoresistance element 102 comprises a free layer 122 in which the magnetic order is reversible, a nonmagnetic layer 124, and a fixed layer 126 in which the magnetic order is fixed, and the nonmagnetic layer 124 is provided between the free layer 122 and the fixed layer 126.
  • the free layer 122 has a first ferromagnetic layer 1223 laminated on the nonmagnetic layer 124, and a first ferrimagnetic layer 1221 laminated on the first ferromagnetic layer 1223.
  • the fixed layer 126 has a second ferrimagnetic layer 1263 made of a topological ferrimagnetic material, and a second ferromagnetic layer 1261 laminated on the second ferrimagnetic layer 1263 and in contact with the nonmagnetic layer 124.
  • the fixed layer 126 of the magnetoresistance element 102 has a simpler laminate structure than the fixed layer 116 having the artificial antiferromagnetic layer 118 shown in FIG. 3A.
  • the first ferromagnetic layer 1221, the first ferromagnetic layer 1223, the nonmagnetic layer 124, and the second ferromagnetic layer 1261 of the magnetoresistance element 102 shown in FIG. 3B have the same configuration as the ferrimagnetic layer 1121, the first ferromagnetic layer 1123, the nonmagnetic layer 114, and the second ferromagnetic layer 1161 of the magnetoresistance element 100 shown in FIG. 3A, respectively, and therefore their description will be omitted.
  • the topological ferrimagnetic material constituting the second ferrimagnetic layer 1263 is preferably a ferrimagnetic material in the vicinity of the magnetization compensation point.
  • a magnetic hardness parameter ⁇ defined by the formula (1) is introduced.
  • K u represents uniaxial magnetic anisotropy energy
  • ⁇ 0 represents vacuum permeability
  • M s represents saturation magnetization.
  • FIG. 4 shows the relationship between ⁇ 0 M s and K u for various magnetic materials.
  • ⁇ 0.1 is a soft magnetic material
  • 0.1 ⁇ 1 is a semi-hard magnetic material
  • 1 ⁇ 10 is a hard magnetic material
  • ⁇ 10 is an ultra-hard magnetic material.
  • topological ferrimagnetic materials such as YCo 5 , GdCo 5 , Y 2 Co 7 , Gd 2 Co 7 , and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 are magnetically very hard magnetic materials with ⁇ of 1 or more.
  • GdCo 5 , Gd 2 Co 7 , and Ho 1.2 Gd 0.8 Co 7 are magnetically harder than Sm—Co and Nd—Fe—B permanent magnets.
  • a topological ferrimagnetic material with ⁇ 1 is used for the second ferrimagnetic layer 1263, it is possible to ensure sufficiently high thermal stability even if the volume is small.
  • Ms is infinitely close to zero, so as is clear from formula (1), even if Ku is small, the value of ⁇ is large. This allows a large coercive force to be obtained.
  • a thin film of a topological ferrimagnetic material made of a rare earth element and a 3d transition metal exhibits bulk perpendicular magnetic anisotropy, so that a pinned layer 126 with perpendicular magnetization can be realized.
  • a topological ferrimagnetic material at the angular momentum compensation point is used for the first ferrimagnetic layer 1221 of the free layer 122, and a topological ferrimagnetic material with ⁇ 1 near the magnetization compensation point is used for the second ferrimagnetic layer 1263 of the fixed layer 126.
  • a topological ferrimagnetic material made of a rare earth element and a 3d transition metal has different magnetization compensation points and angular momentum compensation points, and the angular momentum compensation point exists near the magnetization compensation point.
  • the topological ferrimagnetic material of the first ferrimagnetic layer 1221 and the topological ferrimagnetic material of the second ferrimagnetic layer 1263 have slightly different compositions (ratio of rare earth element to 3d transition metal), the composition can be tuned by adjusting the concentration of the magnetic ions that make up the topological ferrimagnetic material.
  • the free layer 122 of the magnetoresistance element 102 in FIG. 3B may be provided with only the first ferromagnetic layer 1223 having an appropriate thickness, without providing the first ferrimagnetic layer 1221.
  • FIG. 3C shows a cross-sectional view of the magnetoresistance element 104 of the third memory structure.
  • the magnetoresistance element 104 comprises a free layer 132 in which the magnetic order is reversible, a nonmagnetic layer 134, and a fixed layer 136 in which the magnetic order is fixed, and the nonmagnetic layer 134 is provided between the free layer 132 and the fixed layer 136.
  • Nonmagnetic layer 134 is made of the same material (e.g., MgO) as nonmagnetic layer 114 in FIG. 3A and nonmagnetic layer 124 in FIG. 3B.
  • the free layer 132 is made of a topological ferrimagnet at the angular momentum compensation point
  • the fixed layer 136 is made of a topological ferrimagnet with ⁇ 1 near the magnetization compensation point.
  • These topological ferrimagnets are alloys made of rare earth elements and 3d transition metals.
  • the concentration of the rare earth elements increases as they move away from the nonmagnetic layer 134 in the perpendicular direction
  • the concentration of the 3d transition metal increases as they approach the nonmagnetic layer 134 in the perpendicular direction.
  • the amount of rare earth elements can be adjusted using a shutter.
  • the free layer 132 of the magnetoresistance element 104 in FIG. 3C does not necessarily have to include a topological ferrimagnetic material, and may be made of only a ferromagnetic material such as CoFe or CoFeB.
  • the magnetoresistance elements 100, 102, and 104 shown in Figures 3A to 3C, respectively, can be applied to various magnetic memory elements and magnetic memory devices that use different data writing methods.
  • magnetic memory elements and magnetic memory devices that use data writing methods using spin-orbit torque (SOT), spin-transfer torque (STT), and an all-optical technique, respectively, will be described.
  • FIG. 5 shows the configuration of a magnetic memory element 200 of an SOT-MRAM in which the magnetic order (magnetization) is reversed by SOT.
  • the magnetic memory element 200 includes a magnetoresistance element 210, a spin Hall layer 220, a first terminal 231, a second terminal 232, a third terminal 233, and transistors Tr1 and Tr2.
  • the spin Hall layer 220 is made of a material that exhibits the spin Hall effect (spin Hall material).
  • spin Hall materials include non-magnetic heavy metals such as tantalum (Ta), tungsten (W), and platinum (Pt), or chalcogenide materials such as topological insulators.
  • the magnetoresistance element 210 is stacked on the spin Hall layer 220 and includes a free layer 212 in which the magnetic order in the perpendicular direction is reversible, a non-magnetic layer 214 stacked on the free layer 212, and a fixed layer 216 stacked on the non-magnetic layer 214 and in which the magnetic order is fixed in the perpendicular direction.
  • the magnetoresistance element 210 may have any of the configurations of the magnetoresistance elements 100, 102, and 104 shown in Figures 3A to 3C.
  • the first terminal 231, the second terminal 232, and the third terminal 233 are made of metal.
  • the first terminal 231 is connected to the fixed layer 216, the second terminal 232 is connected to one end of the spin Hall layer 220, and the third terminal 233 is connected to the other end of the spin Hall layer 220.
  • the first terminal 231 is connected to the ground line 240.
  • the ground line 240 is set to the ground voltage.
  • the ground line 240 may be set to a reference voltage other than the ground voltage.
  • Transistors Tr1 and Tr2 are, for example, N-channel metal oxide semiconductor (NMOS) transistors.
  • the second terminal 232 is connected to the drain of transistor Tr1, and the third terminal 233 is connected to the drain of transistor Tr2.
  • the gates of transistors Tr1 and Tr2 are connected to the word line WL.
  • the source of transistor Tr1 is connected to the first bit line BL1, and the source of transistor Tr2 is connected to the second bit line BL2.
  • the word line WL is set to a high level to turn on the transistors Tr1 and Tr2, and one of the first bit line BL1 and the second bit line BL2 is set to a high level, and the other is set to a low level.
  • a write current I write (pulse current) flows in the in-plane direction of the spin Hall layer 220 between the first bit line BL1 and the second bit line BL2, generating a spin current in the perpendicular direction, and the magnetic order of the free layer 212 is reversed by the SOT, allowing data to be written.
  • the data to be written can be changed depending on the direction of the write current I write .
  • the pulse width of the write current I write is 20 ps to 50 ps.
  • the word line WL is set to a high level to turn on the transistors Tr1 and Tr2, one bit line (second bit line BL2) is set to a high level, and the other bit line (first bit line BL1) is opened.
  • a read current I read flows from the high-level second bit line BL2 to the third terminal 233, the spin Hall layer 220, the free layer 212, the nonmagnetic layer 214, the fixed layer 216, the first terminal 231, and the ground line 240.
  • the resistance state of the magnetoresistance element 210 i.e., the stored data, can be determined.
  • a magnetic memory device can be constructed by arranging multiple magnetic memory elements 200 in a matrix.
  • FIG. 6 shows the configuration of a magnetic memory element 300 of an STT-MRAM that uses STT to reverse the magnetic order (magnetization).
  • the magnetic memory element 300 includes a magnetoresistance element 310, a first terminal 321, a second terminal 322, and a transistor Tr.
  • the magnetoresistance element 310 includes a fixed layer 316 whose magnetic order is fixed in the perpendicular direction, a non-magnetic layer 314 laminated on the fixed layer 316, and a free layer 312 laminated on the non-magnetic layer 314, whose magnetic order in the perpendicular direction can be reversed.
  • the magnetoresistance element 310 may have any of the configurations of the magnetoresistance elements 100, 102, and 104 shown in Figures 3A to 3C.
  • the first terminal 321 and the second terminal 322 are made of metal.
  • the free layer 312 is connected to the first terminal 321, and the fixed layer 316 is connected to the second terminal 322.
  • the first terminal 321 is connected to the bit line BL, and the second terminal 322 is connected to the transistor Tr.
  • the transistor Tr is, for example, an NMOS transistor.
  • the drain of the transistor Tr is connected to the second terminal 322, the source is connected to the source line SL, and the gate is connected to the word line WL.
  • the word line WL is set to a high level to turn on the transistor Tr, and a write current I write is passed between the bit line BL and the source line SL in the perpendicular direction. This causes the magnetic order of the free layer 312 to be reversed by the STT, allowing data to be written.
  • the data to be written can be changed by changing the direction of the write current I write .
  • the word line WL is set to a high level to turn on the transistor Tr, and a read current Iread is passed between the bit line BL and the source line SL.
  • the resistance state of the magnetoresistance element 310 i.e., the stored data, can be determined.
  • a magnetic memory device can be constructed by arranging multiple magnetic memory elements 300 in a matrix.
  • the magnetic memory element 400 shown in FIG. 7 includes a magnetoresistance element 410 and a cap layer 420 laminated on the magnetoresistance element 410.
  • the magnetoresistance element 410 includes a free layer 412 in which the magnetic order (magnetization) is reversible, a fixed layer 416 in which the magnetic order is fixed in the perpendicular direction, and a nonmagnetic layer 414 provided between the free layer 412 and the fixed layer 416.
  • the cap layer 420 is laminated on the free layer 412.
  • the cap layer 420 is made of an insulator such as Al 2 O 3 , MgO, etc.
  • the magnetoresistance element 410 may have any of the configurations of the magnetoresistance elements 100, 102, and 104 shown in FIGS.
  • the free layer 412 having a ferrimagnetic layer is irradiated with a pulse amplitude modulated femtosecond laser by the light irradiating unit 430.
  • the light irradiating unit 430 includes a light emitting unit 432 and a lens 434.
  • the light emitting unit 432 emits an ultrashort pulse laser PL with a pulse width of about 100 fs.
  • the pulse laser PL emitted from the light emitting unit 432 is focused in the free layer 412 by the lens 434.
  • the magnetic order of the topological ferrimagnetic material in the free layer 412 is reversed when light with an intensity equal to or greater than the threshold is irradiated, and no reversal of the magnetic order occurs when light with an intensity less than the threshold is irradiated.
  • the all-optical data writing method can reverse the magnetic order using the heat of light without the intervention of a current.
  • the magnetic order of a topological ferrimagnet can be reversed in a short time of about 10 ps.
  • the magnetoresistance element of FIG. 3A or FIG. 3B when the magnetic order of the ferrimagnetic layer is reversed, the magnetic order of the ferromagnetic layer closest to the ferrimagnetic layer is also reversed.
  • a magnetic memory device can be constructed by arranging multiple magnetic memory elements 400.
  • magnetoresistance elements 210, 310, and 410 are shown as MTJ elements in the examples shown in Figures 5 to 7, they can also function as giant magnetoresistance (GMR) elements.
  • the nonmagnetic layers 214, 314, and 414 are made of metal (conductor).
  • the topological ferrimagnet can exhibit a large anomalous Hall effect. Therefore, in the second embodiment, a magnetic memory element that reads data using the anomalous Hall effect will be described.
  • FIG. 8 shows the configuration of a magnetic memory element 500 with a Hall bar structure according to the second embodiment.
  • the magnetic memory element 500 includes a ferrimagnetic layer 510 and a spin Hall layer 520 in contact with the ferrimagnetic layer 510.
  • the ferrimagnetic layer 510 is made of a topological ferrimagnetic material, similar to the ferrimagnetic layer 1121, the first ferrimagnetic layer 1221, and the free layer 132 shown in FIGS. 3A to 3C.
  • the spin Hall layer 520 is made of a material that exhibits the spin Hall effect (for example, a nonmagnetic heavy metal such as Ta, W, or Pt, or a chalcogenide material such as a topological insulator).
  • Electrodes 552 and 554 made of Au/Ti are arranged at both ends in the longitudinal direction (x direction) of the magnetic memory element 500, and electrodes 562 and 564 made of Au/Ti are arranged in the lateral direction (y direction).
  • a write current I write or a read current I read flows between the electrodes 552 and 554, and a Hall voltage V H is detected between the electrodes 562 and 564.
  • a write current I write pulse current
  • a spin current in the perpendicular direction (z direction) due to the spin Hall effect
  • the SOT acts on the magnetic order (magnetization) of the ferrimagnetic layer 510, reversing the magnetic order.
  • Hx weak bias magnetic field
  • the direction of the magnetic order of the ferrimagnetic layer 510 can be controlled by the direction of the write current I write .
  • the magnetic order is reversed from the +z direction ("1") to the -z direction ("0")
  • the magnetic order is reversed from the -z direction ("0") to the +z direction ("1").
  • a read current I read (DC) is passed through the ferrimagnetic layer 510 in the x direction.
  • the sign of the Hall voltage V H is determined by the z-direction component of the magnetic order of the ferrimagnetic layer 510. For example, when the magnetic order of the ferrimagnetic layer 510 faces the +z direction, it corresponds to "1", and when it faces the -z direction, it corresponds to "0". In this way, the information stored depending on the direction of the magnetic order of the ferrimagnetic layer 510 can be read as a Hall voltage V H by passing a read current I read .
  • the magnetic memory element 500 of the second embodiment does not require a fixed layer and a nonmagnetic layer in contact with the fixed layer, simplifying the structure of the element and enabling miniaturization.

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Abstract

磁気メモリ素子は、磁気秩序が反転可能な自由層（１２２）と、磁気秩序が固定された固定層（１２６）と、自由層（１２２）と固定層（１２６）との間に設けられた非磁性層（１２４）とを備える。自由層（１２２）は、非磁性層（１２４）上の第１強磁性層（１２２３）と、第１強磁性層（１２２３）上の第１フェリ磁性層（１２２１）とを有する。固定層（１２６）は、第２フェリ磁性層（１２６３）と、第２フェリ磁性層（１２６３）上の第２強磁性層（１２６１）とを有する。第１フェリ磁性層（１２２１）は角運動量補償点のトポロジカルフェリ磁性体からなり、第２フェリ磁性層（１２６３）は磁気硬さパラメータが１以上のトポロジカルフェリ磁性体からなる。トポロジカルフェリ磁性体は、異常ホール効果及び異常ネルンスト効果を発現するフェリ磁性体である。

Description

磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置
　本発明は、磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置に関する。
　近年、強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が、低消費電力の情報処理を実現する不揮発性磁気メモリ装置として注目を集めている。実際、様々な半導体メーカーが、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）などの揮発性メモリの代替としてＭＲＡＭを採用している。このようなＭＲＡＭの例として、スピントランスファトルク（ＳＴＴ）を用いて強磁性体の磁化を反転させるＳＴＴ‐ＭＲＡＭ、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いて強磁性体の磁化を反転させるＳＯＴ‐ＭＲＡＭなどがある（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第９８３７６０２号明細書
　しかしながら、現状のＭＲＡＭは強磁性体を用いているため、磁化の反転速度が１ナノ秒程度にとどまっており、ＳＲＡＭの代替は実現していない。また、強磁性体は、外部磁場の擾乱に弱いという特性がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フェリ磁性体を用いることにより、外部磁場の擾乱耐性を高め、高速処理を実現する磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様の磁気メモリ素子は、磁気秩序が反転可能な自由層と、磁気秩序が固定された固定層と、自由層と固定層との間に設けられた非磁性層と、を有する磁気抵抗素子を備え、自由層及び固定層の少なくとも一方は、異常ホール効果及び異常ネルンスト効果を発現するトポロジカルフェリ磁性体からなる。
　本発明の一態様の磁気メモリ装置は、複数の磁気メモリ素子を備え、複数の磁気メモリ素子の各々は上述の磁気メモリ素子として定義される。
　本発明の別の態様の磁気メモリ素子は、異常ホール効果及び異常ネルンスト効果を発現するトポロジカルフェリ磁性体からなるフェリ磁性層と、フェリ磁性層に接触し、スピンホール効果を示す材料からなり、面内方向に書き込み電流が流れると、面直方向にスピン流が発生するスピンホール層と、を備える。フェリ磁性層では、スピン流によって生じたスピン軌道トルクによってトポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序が反転可能である。フェリ磁性層に面内方向の読み出し電流が流れると、異常ホール効果によって、面内で読み出し電流に直交する方向にホール電圧が生じる。
　本発明の別の態様の磁気メモリ装置は、複数の磁気メモリ素子を備え、複数の磁気メモリ素子の各々は上述の磁気メモリ素子として定義される。
　本発明によれば、異常ホール効果及び異常ネルンスト効果を発現するトポロジカルフェリ磁性体を磁気メモリ素子に用いることにより、外部磁場の擾乱耐性を高め、高速処理を実現することが可能となる。
種々の磁性体の磁化と横熱電係数との関係を示すグラフである。 Ｇｄ２Ｃｏ７とＨｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７のホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 Ｇｄ２Ｃｏ７とＨｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７のホール抵抗率の温度依存性を示すグラフである。 ＧｄＣｏ５のホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 ＧｄＣｏ５のホール抵抗率の温度依存性を示すグラフである。 第１実施形態に係る第１メモリ構造の磁気抵抗素子の断面図である。 第１実施形態に係る第２メモリ構造の磁気抵抗素子の断面図である。 第１実施形態に係る第３メモリ構造の磁気抵抗素子の断面図である。 種々の磁性体の飽和磁化と一軸磁気異方性エネルギーとの関係を示すグラフである。 ＳＯＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。 ＳＴＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。 全光学的なデータ書き込み方法を用いる磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。 第２実施形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、図面全体を通して、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　本実施形態では、外部磁場の擾乱に強く、高速で動作可能な不揮発性磁気メモリ装置を実現させるため、強磁性体よりも磁化が小さなフェリ磁性体に着目する。
　フェリ磁性体は、２種類の異なる磁性イオンが反強磁性的にカップルして互いの副格子磁化を打ち消しあうことで、正味の磁化が小さくなる。また、フェリ磁性体によっては、温度又は２種類の磁性イオンの濃度を変えることで、２つの副格子磁化の総和をゼロにすることができる。このような温度又は濃度を磁化補償点と呼ぶ。温度又は組成のチューニングによりフェリ磁性体の正味の磁化をほぼゼロにすることで、外部磁場に対する耐性を強くすることができる。
　一方、２種類の磁性イオンのｇ因子（磁気モーメントとその角運動量との関係を表す因子）が異なる場合、２つの副格子の角運動量を打ち消しあうことで正味の角運動量が消失する角運動量補償点が存在する。磁化補償点と角運動量補償点が異なるフェリ磁性体では、角運動量補償点で、有限の磁化を有し、磁気モーメントの歳差運動や磁壁速度などの磁気ダイナミクスのスピードが最大になり、高速な磁化反転が可能となる。フェリ磁性体を構成する磁性イオンの濃度を調整することにより、磁気メモリ素子の使用温度（例えば、室温付近）に合わせて角運動量補償点を予め調整することができる。
　フェリ磁性体を磁気メモリ素子に用いるためには、磁化が微小であるにも拘わらず、その大きさを明確に検出可能な磁気応答が必要である。本実施形態では、電子状態のトポロジーによって、磁化の大きさから期待されるよりも遥かに大きな応答を得ることが可能なトポロジカルフェリ磁性体を対象とする。
　そのようなトポロジカルフェリ磁性体として、希土類元素（Ｒ）と３ｄ遷移金属（ＴＭ）とからなる合金（Ｒ－ＴＭ）、Ｍｎ５Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３ＳｎＮ、Ｍｎ４Ｎなどが挙げられる。Ｒ－ＴＭのＴＭとして、コバルト（Ｃｏ）又は鉄（Ｆｅ）が挙げられる。Ｒ－ＴＭの組成をＲｘＴＭｙと表記すると、ＴＭに対するＲの比（ｘ／ｙ）が、０．２～０．５の範囲内にあるのが好ましい。なお、Ｒ－ＴＭのＲは、２種類の希土類元素の組み合わせでもよい。
　本実施形態のトポロジカルフェリ磁性体は、微小な磁化にも拘わらず異常ネルンスト効果及び異常ホール効果を発現する性質がある。
　図１に、温度Ｔ＞２００Ｋでの種々の磁性体のμ０Ｍ（μ０は真空透磁率、Ｍは磁化）と横熱電係数αｉｊの絶対値との関係を示す。図１から、Ｇｄ２Ｃｏ７、ＧｄＣｏ５の｜αｉｊ｜が特に大きいことがわかる。ＧｄＣｏ５は、３５０Ｋでの｜αｉｊ｜が１０Ａ／ｍ／Ｋを優に超えており、Ｇｄ２Ｃｏ７は、ゼロ磁場（０Ｔ）で３２０Ｋでの｜αｉｊ｜が７Ａ／ｍ／Ｋに迫る値を示しており、ともに大きな異常ネルンスト効果を発現していることがわかる。
　図２Ａに、ｃ軸に平行な磁場Ｂを印加したときのＧｄ２Ｃｏ７とＨｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７の３００Ｋ（室温）でのホール抵抗率ρｙｘの磁場依存性を示す。図２Ｂに、１Ｔの磁場Ｂをｃ軸に平行に印加したときのＧｄ２Ｃｏ７とＨｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７のホール抵抗率ρｙｘの温度依存性を示す。図２Ａ及び図２Ｂより、Ｇｄ２Ｃｏ７とＨｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７は、大きな異常ホール効果を示していることがわかる。また、図２Ａより、Ｇｄ２Ｃｏ７とＨｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７は、室温では±０．２Ｔ付近で磁気秩序（磁化）が反転していることがわかる。さらに、図２Ｂにより、Ｈｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７は、２７０Ｋ付近で磁気秩序が反転していることがわかる。
　図２Ｃに、［０００１］に平行な磁場Ｂの下で［２－１－１０］に平行な電流Ｉを流したときのＧｄＣｏ５における１００Ｋ、２００Ｋ、及び３００Ｋでのホール抵抗率ρｙｘの磁場依存性を示す。図２Ｄに、［０００１］に平行な２Ｔの磁場Ｂの下で［２－１－１０］に平行な電流Ｉを流したときのＧｄＣｏ５におけるホール抵抗率ρｙｘの温度依存性を示す。図２Ｃ及び図２Ｄより、ＧｄＣｏ５においても異常ホール効果が発現することがわかる。また、図２Ｃより、２００Ｋ以下で保磁力が現れ、低温になるほど保磁力が大きくなることがわかる。さらに、図２Ｄより、ホール抵抗率ρｙｘの大きさは温度上昇とともに単調に増加していることがわかる。
　微小な磁化にも拘わらず大きな異常ネルンスト効果及び大きな異常ホール効果を発現するというトポロジカルフェリ磁性体の特性は、結晶構造及びバンド構造に由来する。トポロジカルフェリ磁性体のうち、Ｒ２Ｃｏ７及びＲＣｏ５は、菱面体晶系（rhombohedral）又は六方晶系（hexagonal）の結晶構造を有している。また、トポロジカルフェリ磁性体は、フェルミ面近傍でトポロジカルなバンド構造を有している。例えば、Ｒ２Ｃｏ７及びＲＣｏ５は、フェルミ面近傍がフラットバンドになっており、運動量が変化してもエネルギーが変化しない。これは、Ｒの４ｆ電子又はＣｏの３ｄ電子が実空間で局在していることを示唆している。
　次に、トポロジカルフェリ磁性体を用いた磁気メモリ素子について説明する。以下、第１実施形態では、磁気抵抗効果を用いてデータを読み出す磁気メモリ素子を対象とし、第２実施形態では、異常ホール効果を用いてデータを読み出す磁気メモリ素子を対象とする。
＜第１実施形態＞
　図３Ａ～図７を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。第１実施形態では、３種類の磁気メモリ素子の構造（第１～第３メモリ構造）を対象とする。
　図３Ａに、第１メモリ構造の磁気抵抗素子１００の断面図を示す。磁気抵抗素子１００は、磁気秩序が反転可能な自由層１１２と、非磁性層１１４と、磁気秩序が固定された固定層１１６とを備えており、非磁性層１１４は、自由層１１２と固定層１１６との間に設けられている。
　非磁性層１１４は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯなどの絶縁体からなる。自由層１１２は、トポロジカルフェリ磁性体からなるフェリ磁性層１１２１と、強磁性体からなり、非磁性層１１４とフェリ磁性層１１２１との間に挟まれ、厚みが１ｎｍ以下（数原子層）の第１強磁性層１１２３と、を有する。
　フェリ磁性層１１２１のトポロジカルフェリ磁性体は、希土類元素と３ｄ遷移金属との合金であり、角運動量補償点のフェリ磁性体であることが好ましい。第１強磁性層１１２３の強磁性体としては、ＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅが挙げられる。このように、フェリ磁性層１１２１と非常に薄い第１強磁性層１１２３とを積層させると、トポロジカルフェリ磁性体と強磁性体との磁気的な結合（交換結合）により、自由層１１２の磁気秩序を高速に反転させることができる。
　固定層１１６は、人工反強磁性層１１８と、人工反強磁性層１１８に積層され、タンタル（Ｔａ）などの金属からなるブリッジ層１１６３と、ブリッジ層１１６３に積層され、非磁性層１１４に接触した第２強磁性層１１６１と、を有する。
　第２強磁性層１１６１は、第１強磁性層１１２３と同一の強磁性体からなる。ここで、第２強磁性層１１６１／非磁性層１１４／第１強磁性層１１２３の積層構造は、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢとするのが好ましい。このような積層構造を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）比が大きいからである。特に、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ構造のＭＴＪ素子は、室温で２００％以上のＴＭＲ比が得られることが知られている。
　人工反強磁性層１１８は、第１多層膜１１６５と、ルテニウム（Ｒｕ）などの金属からなるスペーサ層１１６７と、第２多層膜１１６９と、を有しており、スペーサ層１１６７は第１多層膜１１６５と第２多層膜１１６９との間に挟まれている。例えば、第１多層膜１１６５は、Ｃｏ層とＰｔ層とが交互に複数（ｎ回）積層された多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎであり、第２多層膜１１６９は、Ｃｏ層とＰｔ層とが交互に複数（ｍ回）積層された多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ）ｍである。このようなＣｏ／Ｐｔ多層膜は、Ｃｏ／Ｐｔの界面で面直方向に磁気異方性が発現するため、垂直磁化を示す。
　第２強磁性層１１６１は、ブリッジ層１１６３を介して垂直磁化の第１多層膜１１６５と強磁性結合することで、第２強磁性層１１６１の保磁力を増大させることができる。第１多層膜１１６５は、スペーサ層１１６７を介して第２多層膜１１６９と反平行結合することで、固定層１１６から自由層１１２への磁界の漏れを防いでいる。
　このように、自由層１１２にトポロジカルフェリ磁性体を用いることにより、外部磁場の擾乱耐性を高め、高速処理を実現することが可能となる。
　次に、第２メモリ構造の磁気抵抗素子について説明する。図３Ｂに、第２メモリ構造の磁気抵抗素子１０２の断面図を示す。磁気抵抗素子１０２は、磁気秩序が反転可能な自由層１２２と、非磁性層１２４と、磁気秩序が固定された固定層１２６とを備えており、非磁性層１２４は、自由層１２２と固定層１２６との間に設けられている。
　自由層１２２は、非磁性層１２４に積層された第１強磁性層１２２３と、第１強磁性層１２２３に積層された第１フェリ磁性層１２２１と、を有する。固定層１２６は、トポロジカルフェリ磁性体からなる第２フェリ磁性層１２６３と、第２フェリ磁性層１２６３に積層され、非磁性層１２４に接触した第２強磁性層１２６１と、を有する。磁気抵抗素子１０２の固定層１２６は、図３Ａに示す人工反強磁性層１１８を有する固定層１１６よりも、積層構造が単純である。
　図３Ｂに示す磁気抵抗素子１０２の第１フェリ磁性層１２２１、第１強磁性層１２２３、非磁性層１２４、及び第２強磁性層１２６１は、それぞれ、図３Ａに示す磁気抵抗素子１００のフェリ磁性層１１２１、第１強磁性層１１２３、非磁性層１１４、及び第２強磁性層１１６１と同一の構成であるので、その説明を省略する。
　第２フェリ磁性層１２６３を構成するトポロジカルフェリ磁性体は、磁化補償点近傍のフェリ磁性体であることが好ましい。ここで、式（１）で定義される磁気硬さパラメータ（magnetic hardness parameter）κを導入する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 式（１）において、Ｋｕは一軸磁気異方性エネルギー、μ０は真空透磁率、Ｍｓは飽和磁化を表す。
　図４に、種々の磁性体のμ０ＭｓとＫｕとの関係を示す。図４において、κ＝０．１、κ＝１、κ＝１０を、それぞれ、一点鎖線の直線、点線の直線、実線の直線で表している。κ＜０．１はソフト磁性体であり、０．１≦κ＜１はセミハード磁性体であり、１≦κ＜１０はハード磁性体であり、κ≧１０は超ハード磁性体である。図４から、ＹＣｏ５、ＧｄＣｏ５、Ｙ２Ｃｏ７、Ｇｄ２Ｃｏ７、Ｈｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７などのトポロジカルフェリ磁性体は、κが１以上の磁気的に非常に硬い磁性体である。特に、ＧｄＣｏ５、Ｇｄ２Ｃｏ７、Ｈｏ１．２Ｇｄ０．８Ｃｏ７は、Ｓｍ－Ｃｏ系、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系の永久磁石よりも磁気的に硬いことがわかる。
　第２フェリ磁性層１２６３に、κ≧１のトポロジカルフェリ磁性体を用いると、体積が小さくても十分に大きな熱安定性を確保することができる。磁化補償点付近のトポロジカルフェリ磁性体では、Ｍｓが限りなくゼロに近いため、式（１）から明らかなように、たとえＫｕが小さくてもκの値は大きくなる。これにより、大きな保磁力を得ることができる。また、希土類元素と３ｄ遷移金属とからなるトポロジカルフェリ磁性体の薄膜は、バルク垂直磁気異方性を発現するため、垂直磁化の固定層１２６を実現することができる。
　上述のように、磁気抵抗素子１０２では、自由層１２２の第１フェリ磁性層１２２１に、角運動量補償点のトポロジカルフェリ磁性体を用い、固定層１２６の第２フェリ磁性層１２６３に、磁化補償点付近のκ≧１のトポロジカルフェリ磁性体を用いる。希土類元素と３ｄ遷移金属とからなるトポロジカルフェリ磁性体は、磁化補償点と角運動量補償点が異なり、磁化補償点の近傍に角運動量補償点が存在する。よって、第１フェリ磁性層１２２１のトポロジカルフェリ磁性体と、第２フェリ磁性層１２６３のトポロジカルフェリ磁性体は、組成（３ｄ遷移金属に対する希土類元素の比）が若干異なるが、トポロジカルフェリ磁性体を構成する磁性イオンの濃度を調整することで、組成をチューニングすることができる。
　なお、図３Ｂの磁気抵抗素子１０２の自由層１２２に、第１フェリ磁性層１２２１を設けずに、適切な厚みを有する第１強磁性層１２２３のみを設けるようにしてもよい。
　次に、第３メモリ構造の磁気抵抗素子について説明する。図３Ｃに、第３メモリ構造の磁気抵抗素子１０４の断面図を示す。磁気抵抗素子１０４は、磁気秩序が反転可能な自由層１３２と、非磁性層１３４と、磁気秩序が固定された固定層１３６とを備えており、非磁性層１３４は、自由層１３２と固定層１３６との間に設けられている。
　非磁性層１３４は、図３Ａの非磁性層１１４及び図３Ｂの非磁性層１２４と同一の材料（ＭｇＯなど）からなる。
　自由層１３２は、角運動量補償点のトポロジカルフェリ磁性体からなり、固定層１３６は、磁化補償点付近のκ≧１のトポロジカルフェリ磁性体からなる。これらのトポロジカルフェリ磁性体は、希土類元素と３ｄ遷移金属とからなる合金である。自由層１３２及び固定層１３６では、非磁性層１３４から面直方向に離れるにつれて希土類元素の濃度が高く、非磁性層１３４に対して面直方向に近づくにつれて３ｄ遷移金属の濃度が高い。例えば、自由層１３２及び固定層１３６の各々をスパッタリングで形成する際、シャッタを用いて希土類元素の量を調整すればよい。
　自由層１３２及び固定層１３６をこのような濃度勾配にすることにより、絶縁体（ＭｇＯ）を３ｄ遷移金属（Ｃｏ又はＦｅ）で挟む構造となり、ＴＭＲ比を高めることができる。
　なお、図３Ｃの磁気抵抗素子１０４の自由層１３２は、必ずしもトポロジカルフェリ磁性体を含んでいなくてもよく、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢなどの強磁性体のみからなるものとしてもよい。
　図３Ａ～図３Ｃにそれぞれ示す磁気抵抗素子１００、１０２、１０４は、データの書き込み方法が異なる様々な磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置に適用することができる。以下、図５～図７を参照して、それぞれ、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）、スピントランスファトルク（ＳＴＴ）、及び全光学的手法によるデータ書き込み方法を用いた磁気メモリ素子及び磁気メモリ装置について説明する。
　図５に、ＳＯＴによって磁気秩序（磁化）を反転させるＳＯＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子２００の構成を示す。磁気メモリ素子２００は、磁気抵抗素子２１０と、スピンホール層２２０と、第１端子２３１と、第２端子２３２と、第３端子２３３と、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２とを備える。
　スピンホール層２２０は、スピンホール効果を示す材料（スピンホール材料）からなる。スピンホール材料として、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）などの非磁性重金属、又はトポロジカル絶縁体などのカルコゲナイド物質が挙げられる。磁気抵抗素子２１０は、スピンホール層２２０上に積層され、面直方向の磁気秩序が反転可能な自由層２１２と、自由層２１２上に積層された非磁性層２１４と、非磁性層２１４上に積層され、磁気秩序が面直方向に固定された固定層２１６とを備える。磁気抵抗素子２１０として、図３Ａ～図３Ｃに示す磁気抵抗素子１００、１０２、１０４のいずれの構成を採用してもよい。
　第１端子２３１、第２端子２３２、及び第３端子２３３は金属からなる。固定層２１６に第１端子２３１が接続され、スピンホール層２２０の一端部に第２端子２３２が接続され、スピンホール層２２０の他端部に第３端子２３３が接続されている。第１端子２３１はグランド線２４０に接続されている。グランド線２４０はグランド電圧に設定されている。なお、グランド線２４０をグランド電圧以外の基準電圧に設定してもよい。
　トランジスタＴｒ１及びＴｒ２は、例えば、N-channel metal oxide semiconductor（ＮＭＯＳ）トランジスタである。第２端子２３２はトランジスタＴｒ１のドレインに接続され、第３端子２３３はトランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。トランジスタＴｒ１及びＴｒ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。トランジスタＴｒ１のソースは第１ビット線ＢＬ１に接続され、トランジスタＴｒ２のソースは第２ビット線ＢＬ２に接続されている。
　磁気抵抗素子２１０にデータを書き込むとき、書き込み電流Ｉwriteの方向に弱いバイアス磁場を印加する。これにより、自由層２１２の面直方向の磁気秩序がバイアス磁場の影響を受け、磁気秩序の旋回方向が定まる。また、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒ１及びＴｒ２をオンとし、第１ビット線ＢＬ１及び第２ビット線ＢＬ２の一方をハイレベルに設定し、他方をローレベルに設定する。これにより、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２との間でスピンホール層２２０の面内方向に書き込み電流Ｉwrite（パルス電流）が流れることで面直方向にスピン流が発生し、ＳＯＴによって自由層２１２の磁気秩序が反転され、データを書き込むことができる。書き込み電流Ｉwriteの向きによって書き込むデータを変えることができる。ここで、書き込み電流Ｉwriteのパルス幅は２０ｐｓ～５０ｐｓである。
　磁気抵抗素子２１０に記憶されたデータを読み出すときは、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒ１及びＴｒ２をオンとし、一方のビット線（第２ビット線ＢＬ２）をハイレベルに設定し、他方のビット線（第１ビット線ＢＬ１）を開放状態とする。これにより、ハイレベルの第２ビット線ＢＬ２から、第３端子２３３、スピンホール層２２０、自由層２１２、非磁性層２１４、固定層２１６、第１端子２３１、及びグランド線２４０へと読み出し電流Ｉreadが流れる。磁気抵抗効果によって読み出し電流Ｉreadの大きさを計測することで、磁気抵抗素子２１０の抵抗状態、すなわち、記憶されたデータを判別することができる。
　複数の磁気メモリ素子２００をマトリクス状に配列することで磁気メモリ装置を構成することができる。
　図６に、ＳＴＴを用いて磁気秩序（磁化）を反転させるＳＴＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子３００の構成を示す。磁気メモリ素子３００は、磁気抵抗素子３１０と、第１端子３２１と、第２端子３２２と、トランジスタＴｒとを備える。
　磁気抵抗素子３１０は、磁気秩序が面直方向に固定された固定層３１６と、固定層３１６上に積層された非磁性層３１４と、非磁性層３１４上に積層され、面直方向の磁気秩序が反転可能な自由層３１２とを備える。磁気抵抗素子３１０として、図３Ａ～図３Ｃに示す磁気抵抗素子１００、１０２、１０４のいずれの構成を採用してもよい。
　第１端子３２１及び第２端子３２２は金属からなる。自由層３１２は第１端子３２１に接続され、固定層３１６は第２端子３２２に接続されている。第１端子３２１はビット線ＢＬに接続され、第２端子３２２はトランジスタＴｒに接続されている。
　トランジスタＴｒは、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。トランジスタＴｒのドレインに第２端子３２２が接続され、ソースにソース線ＳＬが接続され、ゲートにワード線ＷＬが接続されている。
　磁気抵抗素子３１０にデータを書き込むとき、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒをオンとし、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に面直方向の書き込み電流Ｉwriteを流す。これにより、ＳＴＴによって自由層３１２の磁気秩序が反転され、データを書き込むことができる。書き込み電流Ｉwriteの向きによって書き込むデータを変えることができる。
　磁気抵抗素子３１０に記憶されたデータを読み出すときは、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒをオンとし、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に読み出し電流Ｉreadを流す。磁気抵抗効果によって読み出し電流Ｉreadの大きさを計測することで、磁気抵抗素子３１０の抵抗状態、すなわち、記憶されたデータを判別することができる。
　複数の磁気メモリ素子３００をマトリクス状に配列することで磁気メモリ装置を構成することができる。
　次に、図７を参照して、全光学的なデータ書き込み方法（all-optical toggle switching）を用いた磁気メモリ素子について説明する。
　図７に示す磁気メモリ素子４００は、磁気抵抗素子４１０と、磁気抵抗素子４１０に積層されたキャップ層４２０とを備える。磁気抵抗素子４１０は、磁気秩序（磁化）が反転可能な自由層４１２と、磁気秩序が面直方向に固定された固定層４１６と、自由層４１２と固定層４１６との間に設けられた非磁性層４１４とを備える。キャップ層４２０は自由層４１２に積層されている。
　キャップ層４２０は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどの絶縁体からなる。磁気抵抗素子４１０として、図３Ａ～図３Ｃに示す磁気抵抗素子１００、１０２、１０４のいずれの構成を採用してもよい。
　フェリ磁性層を有する自由層４１２には、光照射部４３０により、パルス振幅変調されたフェムト秒レーザが照射される。光照射部４３０は、光出射部４３２とレンズ４３４とを備える。光出射部４３２は、パルス幅が１００ｆｓ程度の超短パルスレーザＰＬを出射する。光出射部４３２から出射されたパルスレーザＰＬはレンズ４３４によって自由層４１２内に集光される。自由層４１２に照射されるのはパルス光であるため、閾値以上の強度の光が照射されたときに自由層４１２内のトポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序が反転し、閾値未満の強度の光が照射されたとき、磁気秩序の反転は起こらない。
　全光学的なデータ書き込み方法は、ＳＯＴ及びＳＴＴによる書き込み方法と異なり、電流を介在させずに光の熱を用いて磁気秩序を反転させることができる。この書き込み方法を用いることにより、１０ｐｓ程度の短い時間でトポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序を反転させることができる。図３Ａ又は図３Ｂの磁気抵抗素子を用いる場合、フェリ磁性層の磁気秩序の反転時、フェリ磁性層に最近接の強磁性層の磁気秩序も反転する。
　磁気抵抗素子４１０に記憶されたデータを読み出すときは、図６に示したような磁気抵抗効果を利用することができる。
　複数の磁気メモリ素子４００を配列することで磁気メモリ装置を構成することができる。
　なお、図５～図７では、磁気抵抗素子２１０、３１０及び４１０がＭＴＪ素子である例を示したが、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子として機能させることもできる。この場合、非磁性層２１４、３１４及び４１４は金属（導体）からなる。
＜第２実施形態＞
　上述のように、トポロジカルフェリ磁性体は、大きな異常ホール効果を発現することができる。そこで、第２実施形態では、異常ホール効果を用いてデータを読み出す磁気メモリ素子を説明する。
　図８に、第２実施形態に係るホールバー構造の磁気メモリ素子５００の構成を示す。磁気メモリ素子５００は、フェリ磁性層５１０と、フェリ磁性層５１０に接触するスピンホール層５２０とを備える。フェリ磁性層５１０は、図３Ａ～図３Ｃに示すフェリ磁性層１１２１、第１フェリ磁性層１２２１、自由層１３２と同様に、トポロジカルフェリ磁性体からなる。スピンホール層５２０は、スピンホール効果を示す材料（例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔなどの非磁性重金属、又はトポロジカル絶縁体などのカルコゲナイド物質）からなる。
　磁気メモリ素子５００の長手方向（ｘ方向）の両端部には、Ａｕ／Ｔｉからなる電極５５２及び５５４が配置され、短手方向（ｙ方向）にはＡｕ／Ｔｉからなる電極５６２及び５６４が配置されている。電極５５２と電極５５４との間に書き込み電流Ｉwrite又は読み出し電流Ｉreadが流れ、電極５６２と電極５６４との間でホール電圧ＶＨが検出される。
　磁気メモリ素子５００に情報を書き込むとき、スピンホール層５２０に書き込み電流Ｉwrite（パルス電流）を長手方向（ｘ方向）に流す。これにより、スピンホール効果によって面直方向（ｚ方向）にスピン流が発生し、ＳＯＴがフェリ磁性層５１０の磁気秩序（磁化）に働くことによって、磁気秩序が反転される。このとき、ｘ方向に弱いバイアス磁場Ｈｘを印加することで、フェリ磁性層５１０の磁気秩序がバイアス磁場Ｈｘの影響を受け、磁気秩序の旋回方向が定まる。
　このようにして、フェリ磁性層５１０に情報（“０”又は“１”）を書き込むことができる。書き込み電流Ｉwriteの向きによって、フェリ磁性層５１０の磁気秩序の方向を制御することができる。例えば、＋ｘ方向の書き込み電流Ｉwriteを流すと、磁気秩序は＋ｚ方向（“１”）から－ｚ方向（“０”）に反転し、－ｘ方向の書き込み電流Ｉwriteを流すと、磁気秩序は－ｚ方向（“０”）から＋ｚ方向（“１”）に反転する。
　フェリ磁性層５１０に記憶された情報を読み出すときは、フェリ磁性層５１０に読み出し電流Ｉread（直流）をｘ方向に流す。これにより、異常ホール効果によってｙ方向にホール電圧ＶＨが生じる。ホール電圧ＶＨの符号は、フェリ磁性層５１０の磁気秩序のｚ方向の成分によって決まる。例えば、フェリ磁性層５１０の磁気秩序が＋ｚ方向を向いているときは“１”に対応し、－ｚ方向を向いているときは“０”に対応する。このように、フェリ磁性層５１０の磁気秩序の方向によって記憶した情報は、読み出し電流Ｉreadを流すことでホール電圧ＶＨとして読み出すことができる。
　第２実施形態の磁気メモリ素子５００は、第１実施形態の磁気抵抗素子と異なり、固定層と固定層に接触する非磁性層とを設ける必要がなく、素子の構造を簡素化し、小型化を図ることができる。
　本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。
１００、１０２、１０４、２１０、３１０、４１０　　磁気抵抗素子
１１２、１２２、１３２、２１２、３１２、４１２　　自由層
１１４、１２４、１３４、２１４、３１４、４１４　　非磁性層
１１６、１２６、１３６、２１６、３１６、４１６　　固定層
１１８　　人工反強磁性層
２００、３００、４００、５００　　磁気メモリ素子
２２０、５２０　　スピンホール層
５１０、１１２１　　フェリ磁性層
１２２１　　第１フェリ磁性層
１１２３、１２２３　　第１強磁性層
１１６１、１２６１　　第２強磁性層
１２６３　　第２フェリ磁性層
 

Claims (18)

  1. 　磁気秩序が反転可能な自由層と、
    　磁気秩序が固定された固定層と、
    　前記自由層と前記固定層との間に設けられた非磁性層と、
    　を有する磁気抵抗素子を備え、
    　前記自由層及び前記固定層の少なくとも一方が、異常ホール効果及び異常ネルンスト効果を発現するトポロジカルフェリ磁性体からなる、磁気メモリ素子。
  2. 　前記自由層は、角運動量補償点の前記トポロジカルフェリ磁性体からなる、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
  3. 　前記自由層に接触し、スピンホール効果を示す材料からなり、面内方向に書き込み電流が流れると、面直方向にスピン流が発生するスピンホール層をさらに備え、
    　前記自由層は、前記スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって前記トポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序が反転可能である、請求項２に記載の磁気メモリ素子。
  4. 　前記自由層は、面直方向に書き込み電流が流れると、スピントランスファトルクによって前記トポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序が反転可能である、請求項２に記載の磁気メモリ素子。
  5. 　前記自由層は、超短パルスレーザの照射により、前記トポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序が反転可能である、請求項２に記載の磁気メモリ素子。
  6. 　前記自由層は、
    　角運動量補償点の前記トポロジカルフェリ磁性体からなるフェリ磁性層と、
    　強磁性体からなり、前記非磁性層と前記フェリ磁性層との間に設けられ、厚みが１ｎｍ以下の強磁性層と、
    　を有する、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
  7. 　前記固定層は、磁気硬さパラメータが１以上の値を有する前記トポロジカルフェリ磁性体からなる、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
  8. 　前記自由層は、
    　角運動量補償点の前記トポロジカルフェリ磁性体からなる第１フェリ磁性層と、
    　強磁性体からなり、前記非磁性層と前記第１フェリ磁性層との間に設けられ、厚みが１ｎｍ以下の第１強磁性層と、を有し、
    　前記固定層は、
    　磁気硬さパラメータが１以上の値を有する前記トポロジカルフェリ磁性体からなる第２フェリ磁性層と、
    　強磁性体からなり、前記非磁性層と前記第２フェリ磁性層との間に設けられ、厚みが１ｎｍ以下の第２強磁性層と、を有する、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
  9. 　前記自由層は、角運動量補償点の前記トポロジカルフェリ磁性体からなり、
    　前記固定層は、磁気硬さパラメータが１以上の値を有する前記トポロジカルフェリ磁性体からなり、
    　前記自由層を構成する前記トポロジカルフェリ磁性体及び前記固定層を構成する前記トポロジカルフェリ磁性体は、希土類元素と３ｄ遷移金属とからなる合金であり、
    　前記自由層及び前記固定層では、前記非磁性層から面直方向に離れるにつれて前記希土類元素の濃度が高く、前記非磁性層に対して面直方向に近づくにつれて前記３ｄ遷移金属の濃度が高い、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
  10. 　前記トポロジカルフェリ磁性体は、磁化補償点と角運動量補償点が異なる、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
  11. 　前記トポロジカルフェリ磁性体は、希土類元素と３ｄ遷移金属とからなる合金である、請求項１０に記載の磁気メモリ素子。
  12. 　前記トポロジカルフェリ磁性体は、前記３ｄ遷移金属に対する前記希土類元素の比が、０．２～０．５の範囲内にある、請求項１１に記載の磁気メモリ素子。
  13. 　複数の磁気メモリ素子を備え、前記複数の磁気メモリ素子の各々が請求項１～１２の何れか１項に記載の磁気メモリ素子として定義される、磁気メモリ装置。
  14. 　異常ホール効果及び異常ネルンスト効果を発現するトポロジカルフェリ磁性体からなるフェリ磁性層と、
    　前記フェリ磁性層に接触し、スピンホール効果を示す材料からなり、面内方向に書き込み電流が流れると、面直方向にスピン流が発生するスピンホール層と、
    　を備え、
    　前記フェリ磁性層では、前記スピン流によって生じたスピン軌道トルクによって前記トポロジカルフェリ磁性体の磁気秩序が反転可能であり、
    　前記フェリ磁性層に面内方向の読み出し電流が流れると、異常ホール効果によって、面内で前記読み出し電流に直交する方向にホール電圧が生じる、磁気メモリ素子。
  15. 　前記トポロジカルフェリ磁性体は、角運動量補償点のフェリ磁性体である、請求項１４に記載の磁気メモリ素子。
  16. 　前記トポロジカルフェリ磁性体は、希土類元素と３ｄ遷移金属とからなる合金である、請求項１５に記載の磁気メモリ素子。
  17. 　前記トポロジカルフェリ磁性体は、前記３ｄ遷移金属に対する前記希土類元素の比が、０．２～０．５の範囲内にある、請求項１６に記載の磁気メモリ素子。
  18. 　複数の磁気メモリ素子を備え、前記複数の磁気メモリ素子の各々が請求項１４～１７の何れか１項に記載の磁気メモリ素子として定義される、磁気メモリ装置。
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