專利名稱：使用磁性材料的元件及其編址方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制磁性材料的磁化的方法。更具體地講，涉及使用磁性材料的元件，例如用于通過(guò)控制磁性材料的磁化記錄信息的信息記錄元件，或者用于通過(guò)控制磁性材料的磁化來(lái)控制電阻的可變電阻元件，并且涉及在采用這種元件的裝置中的編址方法。
與半導(dǎo)體器件相比，使用磁性材料的元件在兩方面有吸引力。首先，由于裝置元件可以使用導(dǎo)電金屬，所以可以實(shí)現(xiàn)大的載流子密度和低的電阻。因此，可以期望使用磁性材料的元件適合于設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化和高集成度。其次，磁性材料固有的雙穩(wěn)態(tài)磁化方向可以用于非易失存儲(chǔ)器。亦即，如果利用磁性材料固有的雙穩(wěn)態(tài)磁化方向，則可以期望實(shí)現(xiàn)固態(tài)非易失性存儲(chǔ)器，其中即使電路電源被中斷也不會(huì)丟失記錄的信息。
同時(shí)，電路電源被中斷也不會(huì)丟失記錄信息的固態(tài)非易失性存儲(chǔ)器預(yù)期在許多應(yīng)用領(lǐng)域都是有用的。特別是，固態(tài)非易失性存儲(chǔ)器在非使用期間并不消耗能量，因此在便攜式電子信息設(shè)備中降低電池容量和重量方面，可以期望作為關(guān)鍵技術(shù)。另一方面，在衛(wèi)星媒體商用時(shí)代到來(lái)的背景上，固態(tài)非易失性存儲(chǔ)器也有廣泛的用途，用于當(dāng)衛(wèi)星處于太陽(yáng)能電池不能使用的地球陰影面時(shí)支持衛(wèi)星的工作。
使用磁性材料的元件具有如下優(yōu)點(diǎn)，ⅰ)非易失性；ⅱ)重復(fù)使用后不產(chǎn)生退化；ⅲ)高速寫(xiě)入的可能性；ⅳ)尺寸小并且適用于高的記錄密度；ⅴ)優(yōu)異的抗輻射能力。以下具體討論這些優(yōu)點(diǎn)。
ⅰ)非易失性由于磁性材料固有的磁化方向的雙穩(wěn)性，作為磁化方向?qū)懭氲男畔⒃跊](méi)有驅(qū)動(dòng)電源的情況下也保持不變。
ⅱ)重復(fù)使用后不產(chǎn)生退化也曾提出過(guò)使用象磁性材料那樣呈現(xiàn)雙穩(wěn)性的介電材料的存儲(chǔ)器(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器F-RAM)。在這種F-RAM中，通過(guò)使自發(fā)介電極化反向?qū)Υ鎯?chǔ)器狀態(tài)重寫(xiě)。但是，由于對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器狀態(tài)重寫(xiě)的自發(fā)介電極化的反轉(zhuǎn)伴隨著晶格中的離子運(yùn)動(dòng)，所以反復(fù)重寫(xiě)超過(guò)一百萬(wàn)次后會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶缺陷擴(kuò)大。于是，對(duì)于F-RAM，元件的使用壽命由于材料的疲勞而不能優(yōu)異，這就提出了問(wèn)題。另一方面，由于磁性材料的磁化反向不伴隨著離子運(yùn)動(dòng)，所以使用磁性材料的元件幾乎可以無(wú)限制地重寫(xiě)，而沒(méi)有材料疲勞的限制。
ⅲ)高速寫(xiě)入的可能性磁性材料的磁化反向速度快至約1ns，通過(guò)使用這樣高的開(kāi)關(guān)速率，高速寫(xiě)入就成為可能。
ⅳ)尺寸小并且適用于高的記錄密度基于組成或結(jié)構(gòu)的選擇，可以大范圍地改變磁性合金的磁性能。于是，使用磁性材料的元件具有極高的設(shè)計(jì)自由度。對(duì)于使用磁性材料的元件，可以使用導(dǎo)電的磁性合金。如果使用導(dǎo)電磁性合金，可以確保元件的電流密度大于使用半導(dǎo)體時(shí)的，因而，與使用半導(dǎo)體元件相比，可以進(jìn)一步細(xì)微化，并達(dá)到更高的記錄密度。
作為利用這些特性的元件，已經(jīng)提出了一種自旋晶體管，如Journal ofSociety of Applied Magnetic Science of Japan,vol.19,684(1995)所述。自旋晶體管具有由磁性材料E構(gòu)成的發(fā)射極，同時(shí)具有分別由磁性材料C和非磁性材料B構(gòu)成的收集極和基極，如

圖1所示。對(duì)于這種自旋晶體管，取決于磁性材料C、E的磁化方向的輸出電壓，由從磁性材料C、E向非磁性材料B滲出的極化密度所產(chǎn)生。同時(shí)，圖1所示自旋晶體管的結(jié)構(gòu)使得輸出電壓取決于磁性材料C和E的磁化方向。通過(guò)向磁化用電流線500提供磁化用電流脈沖，并且向磁性材料C和E施加由磁化用電流脈沖P產(chǎn)生的磁場(chǎng)，改變磁化方向。
ⅴ)優(yōu)異的抗輻射性如果電離輻射穿過(guò)元件，那么通過(guò)向電容器充電而產(chǎn)生的存儲(chǔ)狀態(tài)，例如對(duì)于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(D-RAM)，就會(huì)發(fā)生放電，以致丟失存儲(chǔ)的信息。相反，磁性材料的磁化方向不受電離輻射的影響。于是，使用磁性材料的元件在抗輻射性方面是優(yōu)異的。因此，使用磁性材料的元件對(duì)于需要高的抗輻射性的應(yīng)用，例如通信衛(wèi)星特別有用。實(shí)際上，在使用磁性材料的存儲(chǔ)器中，磁泡存儲(chǔ)器早已用做裝載在通信衛(wèi)星上的存儲(chǔ)器。
使用磁性材料的器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，如上所述。作為利用這些特征的器件，已經(jīng)提出固體磁性存儲(chǔ)器。固體磁性存儲(chǔ)器是一種采用磁性材料陣列作為存儲(chǔ)介質(zhì)的磁性存儲(chǔ)器件，并且，區(qū)別于磁帶或磁盤(pán)，其進(jìn)行存儲(chǔ)操作無(wú)需伴隨著存儲(chǔ)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。
在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，使用的是一種利用磁性材料特性的簡(jiǎn)單編址方法。以下說(shuō)明傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器的編址方法。
在固體磁性存儲(chǔ)器中，使用呈現(xiàn)單軸磁各向異性的磁性薄膜。引起磁性薄膜的磁化反轉(zhuǎn)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于磁場(chǎng)的施加方向。亦即，如果在與易磁化軸傾斜約45°的方向施加磁場(chǎng)，則與在平行于易磁化軸的方向施加磁場(chǎng)相比，可以用較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度引起磁化反轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，可以利用這些特性進(jìn)行記錄比特的編址，從而可以使用極為簡(jiǎn)單的編址系統(tǒng)。
亦即，在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，按相互垂直地配置字線W1、W2、W3…和位線B1、B2、B3…，存儲(chǔ)載體A-1、A-2、…、B-1、B-2、…、C-1、C-2、…、布置在交叉點(diǎn)，如圖2所示。亦即，在傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)載體配置成x-y矩陣構(gòu)形，構(gòu)成存儲(chǔ)芯片。每個(gè)存儲(chǔ)載體的易磁化軸沿字線方向取向。
如果字線W2和位線B1被選擇，饋以適當(dāng)?shù)碾娏?，則僅在兩線的交叉點(diǎn)處的存儲(chǔ)載體B-1發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。被饋以電流的字線W2和位線B1上配置的多個(gè)存儲(chǔ)載體都被加以磁場(chǎng)。應(yīng)注意僅來(lái)自字線W2或位線B1的磁場(chǎng)不足以引起磁化反轉(zhuǎn)。只有當(dāng)來(lái)自字線W2的磁場(chǎng)HW和來(lái)自位線B1的磁場(chǎng)HB合成時(shí)，提供相對(duì)于易磁化軸成45°取向的磁場(chǎng)，才能產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)，亦即只有在存儲(chǔ)載體B-1中才能產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。亦即，在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，選擇特定存儲(chǔ)載體的原理是，只有當(dāng)施加于存儲(chǔ)載體的磁場(chǎng)相對(duì)于易磁化軸成45°取向時(shí)，才能在存儲(chǔ)載體中引起磁化反轉(zhuǎn)。
亦即，在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，可以使用交叉的導(dǎo)電線的簡(jiǎn)單布置，來(lái)選擇特定的存儲(chǔ)載體，引起磁化反轉(zhuǎn)，從而使采用極為簡(jiǎn)單的編址系統(tǒng)成為可能。
雖然使用磁性材料的元件具有許多優(yōu)點(diǎn)，如上所述，但是也存在一定的缺點(diǎn)。下面以固體磁性存儲(chǔ)器為例說(shuō)明使用磁性材料的元件所產(chǎn)生的缺點(diǎn)。以下說(shuō)明的這些缺點(diǎn)通常是由于為寫(xiě)入而向存儲(chǔ)載體施加磁場(chǎng)而引起的。
(ⅰ)串?dāng)_在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，通過(guò)橫跨存儲(chǔ)器施加磁場(chǎng)在存儲(chǔ)器中進(jìn)行寫(xiě)入。但是，由于磁場(chǎng)具有遠(yuǎn)程作用的力，所以如果存儲(chǔ)載體密度大，則不可忽略的效應(yīng)作用在與被選擇的存儲(chǔ)載體鄰接的區(qū)域，于是產(chǎn)生了串?dāng)_。雖然Z.G.Wang等在IEEE Trans Magn.,Mag33,4498(1997)報(bào)道了具有磁場(chǎng)屏蔽結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)方法，但是提出的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
(ⅱ)矯頑力因設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化而降低在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，由電流產(chǎn)生寫(xiě)入磁場(chǎng)。但是，根據(jù)所用的材料，導(dǎo)體可輸送的電流的密度i[A/m2]存在限制。結(jié)果是隨著設(shè)計(jì)規(guī)則變得更細(xì)密以及導(dǎo)體直徑更細(xì)微，可以使用的電流上限被降低。
如果導(dǎo)體直徑是D[m]，則在距導(dǎo)體中心L距離處分出的磁場(chǎng)強(qiáng)度H[A/m]由公式(1)給出H=(πiD2/4)/4(2πL)…(1)導(dǎo)體與存儲(chǔ)載體的中心間距離不明顯小于D，所以如果L=D，則施加于存儲(chǔ)載體的磁場(chǎng)強(qiáng)度由公式(2)給出H=(πiD2/4)/(2πL)=iD/8…(2)如果可允許的電流密度i是i=107[A/cm2]=1011[A/m2],D’[μm]=D[m]×106，則施加于存儲(chǔ)載體的磁場(chǎng)強(qiáng)度H由公式(3)給出H=12500×D’[A/m]=156×D’[Oe]…(3)亦即，如果由于設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化而使作為存儲(chǔ)載體的磁性材料靠近導(dǎo)體中心，考慮到對(duì)接近磁場(chǎng)源的存儲(chǔ)載體的效應(yīng)，則可以使用的最大磁場(chǎng)正比于設(shè)計(jì)規(guī)則值而顯著降低。
另一方面，需要把存儲(chǔ)載體的矯頑力設(shè)計(jì)成可以利用外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)。這樣，如果可以施加于存儲(chǔ)載體的磁場(chǎng)隨著設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化而降低，則存儲(chǔ)載體的矯頑力也需要相應(yīng)地降低。亦即對(duì)于固體磁性存儲(chǔ)器，需要降低存儲(chǔ)載體的矯頑力。但是，如果存儲(chǔ)載體的矯頑力過(guò)度降低，則工作可靠性降低了。這給在受周圍磁場(chǎng)干擾的環(huán)境中使用的便攜式電子設(shè)備的存儲(chǔ)器帶來(lái)了嚴(yán)重問(wèn)題。
由于為寫(xiě)入而向存儲(chǔ)載體施加磁場(chǎng)，所以出現(xiàn)了傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器所固有的這些問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題，必須從為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)操作而指定選做寫(xiě)入或讀出目標(biāo)的存儲(chǔ)載體的編址方法開(kāi)始重新考慮問(wèn)題。
同時(shí)，上述問(wèn)題可歸因于為了使存儲(chǔ)載體的磁化狀態(tài)反轉(zhuǎn)而外加磁場(chǎng)，并且不限于固體磁性存儲(chǔ)器的情況。例如圖1所示自旋晶體管也有同樣的問(wèn)題。自旋晶體管實(shí)現(xiàn)的功能是輸出隨構(gòu)成元件的磁化方向而變化，其中，輸入操作，亦即參與輸出判斷的改變磁性元件磁化方向的操作，是通過(guò)從附近以電流施加磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如同上述固體磁性存儲(chǔ)器的情況一樣。因此，自旋晶體管也有上述存在于固體磁性存儲(chǔ)器中的問(wèn)題。
如果無(wú)需使用磁場(chǎng)即可控制磁化，則可以解決上述問(wèn)題。作為無(wú)需使用磁場(chǎng)即可控制磁化的技術(shù)，提出了采用鐵磁性層/半導(dǎo)體層/鐵磁性層層疊在一起的技術(shù)，如“Mattson et al,Phys.Rev.Lett.71(1993)185”所公開(kāi)的。
其利用了依賴于作為中間層的半導(dǎo)體層載流子濃度的鐵磁性層之間的磁性耦合。在層疊在一起的鐵磁性層/半導(dǎo)體層/鐵磁性層中，例如可以通過(guò)控制作為中間層的半導(dǎo)體層的載流子濃度而使鐵磁性層之間的磁性耦合從平行改變?yōu)榉雌叫小Ｓ谑?，如果磁性層之?固定層)的矯頑力增大，則可以使相對(duì)側(cè)的磁性層(可變層)的磁化相對(duì)于固定層旋轉(zhuǎn)。這種通過(guò)電輸入可使磁化反轉(zhuǎn)的技術(shù)，被認(rèn)為是有希望作為實(shí)現(xiàn)小尺寸固體器件的技術(shù)。
同時(shí)，在層疊在一起的鐵磁性層/半導(dǎo)體層/鐵磁性層中，通過(guò)半導(dǎo)體層在鐵磁性層之間產(chǎn)生了間接的磁交互作用。為了通過(guò)控制作為中間層的半導(dǎo)體層的載流子濃度來(lái)控制鐵磁性層之間的磁性耦合，必須降低作為中間層的半導(dǎo)體層的膜厚。
原因在于鐵磁性層之間通過(guò)半導(dǎo)體層交互作用的程度，相對(duì)于半導(dǎo)體層的厚度成指數(shù)地衰減。為了實(shí)現(xiàn)切合實(shí)際的交互作用程度，例如通過(guò)交換偏磁法，對(duì)厚度為2nm、飽和磁化強(qiáng)度為12500高斯的Ni-Fe合金片賦予1000Oe的矯頑力。對(duì)于利用通過(guò)半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)的間接交互作用使Ni-Fe合金磁化反轉(zhuǎn)所需能量的等同能量，采用簡(jiǎn)單的計(jì)算即可估算，交換耦合常數(shù)必須不小于0.02erg/cm2。從J.J.de Vries，在“Physical Review Letters”78(1997)p.3023發(fā)表的論文，可知鐵磁性層之間的距離應(yīng)約為2.5nm。亦即，為了提供實(shí)用的元件，半導(dǎo)體層的厚度應(yīng)是2.5nm以下。
但是，采用目前的精細(xì)加工技術(shù)，制備采用厚度不大于2.5nm的薄膜的元件是不現(xiàn)實(shí)的。而且，就算可以實(shí)際制備這種元件，則這種厚度級(jí)別的半導(dǎo)體層被認(rèn)為實(shí)質(zhì)上是起絕緣勢(shì)壘作用的，這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體層和鐵磁性層之間的界面上形成肖特基勢(shì)壘引起形成耗盡層所造成的。因此，很難注入載流子。
因此，對(duì)于由層疊在一起的鐵磁性層/半導(dǎo)體層/鐵磁性層構(gòu)成的元件盡管在理論上無(wú)需使用磁場(chǎng)即可控制磁化，但是制備起來(lái)非常困難。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種使用磁性材料的元件，其中無(wú)需使用磁場(chǎng)即可控制磁化。本發(fā)明的另一目的在于提供使用磁性材料的元件，其中可以實(shí)現(xiàn)集成電路元件所不可缺少的編址功能，同時(shí)解決了使用磁場(chǎng)進(jìn)行寫(xiě)入所帶來(lái)的問(wèn)題，例如起因于設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化或者矯頑力降低的串?dāng)_。
在本發(fā)明的第一方案中，鐵磁性材料的磁化區(qū)域被含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域所分隔。對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化。以下說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一方案的磁化控制方法、信息記錄方法和信息記錄元件。
在根據(jù)本發(fā)明此方案的磁化控制方法中，磁化區(qū)域被含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的隔離區(qū)域所分隔。對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化。
為了控制磁化區(qū)域的磁化方向，此磁化控制方法利用在磁化區(qū)域之間由隔離區(qū)域傳遞的間接磁交互作用。由于隔離區(qū)域中含有磁性材料，所以即使隔離區(qū)域的厚度增大，也可以在鐵磁性材料的磁化區(qū)域之間產(chǎn)生磁交互作用。亦即，采用本發(fā)明的磁化控制方法，即使隔離區(qū)域的厚度增大，也可以控制磁化區(qū)域的磁化。
根據(jù)本發(fā)明的此方案的磁化控制方法，包括利用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域，對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化。
采用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域，可以避免由于隔離區(qū)域厚度過(guò)薄而引起的制造困難或者載流子注入困難所導(dǎo)致的問(wèn)題。雖然對(duì)隔離區(qū)域的厚度上限沒(méi)有特別的限制，但是從實(shí)際制造工藝出發(fā)厚度應(yīng)不大于約1μm。
根據(jù)本發(fā)明此方案的信息記錄方法，包括，用含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域，根據(jù)要記錄的信息對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化，依賴于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
采用本發(fā)明的信息記錄方法，利用在磁化區(qū)域之間由隔離區(qū)域傳遞的間接磁交互作用，控制磁化區(qū)域的磁化方向，記錄信息。由于隔離區(qū)域中含有磁性材料，所以即使隔離區(qū)域的厚度增大，也可以在鐵磁性材料的磁化區(qū)域之間產(chǎn)生磁交互作用。亦即，采用本發(fā)明的信息記錄方法，即使隔離區(qū)域的厚度增大，也可以控制磁化區(qū)域的磁化。
根據(jù)本發(fā)明此方案的信息記錄方法，包括，用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域，根據(jù)要記錄的信息對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化，依賴于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
采用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域，可以避免由于隔離區(qū)域厚度過(guò)薄而引起的制造困難或者載流子注入困難所導(dǎo)致的問(wèn)題。雖然對(duì)隔離區(qū)域的厚度上限沒(méi)有特別的限制，但是從實(shí)際制造工藝出發(fā)厚度應(yīng)不大于約1μm。
根據(jù)本發(fā)明此方案的信息記錄元件具有的結(jié)構(gòu)中，鐵磁性材料的磁化區(qū)域被含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域所分隔。根據(jù)要記錄的信息對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化，根據(jù)磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
對(duì)于這種信息記錄元件，利用在磁化區(qū)域之間由隔離區(qū)域傳遞的間接磁交互作用，控制磁化區(qū)域的磁化方向，記錄信息。由于隔離區(qū)域中含有磁性材料，所以即使隔離區(qū)域的厚度增大，也可以在鐵磁性材料的磁化區(qū)域之間產(chǎn)生磁交互作用。亦即，采用本發(fā)明的信息記錄元件，即使隔離區(qū)域的厚度增大，也可以控制磁化區(qū)域的磁化，記錄信息。
根據(jù)本發(fā)明此方案的信息記錄方法具有的結(jié)構(gòu)中，鐵磁性材料的磁化區(qū)域被厚度不小于10nm的隔離區(qū)域所分隔。根據(jù)要記錄的信息對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化，根據(jù)磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
采用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域，可以避免由于隔離區(qū)域厚度過(guò)薄而引起的制造困難或者載流子注入困難所導(dǎo)致的問(wèn)題。雖然對(duì)隔離區(qū)域的厚度上限沒(méi)有特別的限制，但是從實(shí)際制造工藝出發(fā)厚度應(yīng)不大于約1μm。
在上述磁化控制方法、信息記錄方法或者信息記錄元件中，根據(jù)本發(fā)明此方案，外加激勵(lì)可以是電激勵(lì)、光照或者溫度控制之一。用做隔離區(qū)域的復(fù)合材料可以列舉出磁性半導(dǎo)體、由分散在磁性半導(dǎo)體中的鐵磁性顆粒組成的介質(zhì)、鐵磁性膜和半導(dǎo)體膜組合的多層膜、和鐵磁性膜和磁性半導(dǎo)體膜組合的多層膜。這些可以單獨(dú)或者組合用做隔離區(qū)域。
在本發(fā)明的第二方案中，由包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層構(gòu)成層狀組合膜，以使導(dǎo)電層布置在磁性層之間，在層狀組合膜的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，以改變磁性層之間的磁耦合狀態(tài)，從而控制磁性層的磁化方向。以下說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明此方案的磁化控制方法、信息記錄方法和信息記錄元件。
根據(jù)本發(fā)明此方案的磁化控制方法，包括，層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層，構(gòu)成層狀組合膜，使導(dǎo)電層位于磁性層之間，在層狀組合膜的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，以改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，控制磁性層的磁化方向。
在此磁化控制方法中，可以用做導(dǎo)電層的有，包含呈現(xiàn)單相磁性有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料，鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替布置制成的層狀組合膜或者組成調(diào)制膜，或者鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物。
在磁化控制方法中，可以提供其電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。此時(shí)，如果電流流過(guò)層狀組合膜，則電流聚集在導(dǎo)電層中。
根據(jù)本發(fā)明此方案的磁功能元件，包括層狀組合膜，后者是層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層獲得的，以使導(dǎo)電層位于磁性層之間。在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，以改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，控制磁性層的磁化方向。在此磁性功能元件中，利用磁光效應(yīng)例如磁光克爾效應(yīng)或者法拉第效應(yīng)，根據(jù)磁性層的磁化狀態(tài)提供輸出。
在此磁功能元件中，可以用做導(dǎo)電層的有，包含呈現(xiàn)單相磁性有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料，鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替布置制成的層狀組合膜或者組成調(diào)制膜，或者鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物。
在磁功能元件中，可以提供其電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。此時(shí)，如果電流流過(guò)層狀組合膜，則電流聚集在導(dǎo)電層中。
根據(jù)本發(fā)明此方案的信息記錄方法，包括，層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層，構(gòu)成層狀組合，以使導(dǎo)電層位于磁性層之間；在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，從而改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，控制磁性層的磁化方向；基于磁化層的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
在本發(fā)明的信息記錄方法中，可以用做導(dǎo)電層的有，包含呈現(xiàn)單相磁性有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料，鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替布置制成的層狀組合膜或者組成調(diào)制膜，或者鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物。
而且，在本發(fā)明的信息記錄方法中，可以提供其電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。此時(shí)，如果電流流過(guò)層狀組合膜，則電流聚集在導(dǎo)電層中。
根據(jù)本發(fā)明此方案的信息記錄元件，包括層狀組合，后者是層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層獲得的，以使導(dǎo)電層位于磁性層之間。在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，控制磁性層的磁化方向，基于磁化層的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。采用本發(fā)明的信息記錄元件，利用磁光效應(yīng)例如磁光克爾效應(yīng)或者法拉第效應(yīng)，檢測(cè)磁性層的磁化方向，讀出記錄的信息。
在本發(fā)明的信息記錄元件中，可以用做導(dǎo)電層的有，包含呈現(xiàn)單相磁性有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料，鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替布置制成的層狀組合膜或者組成調(diào)制膜，或者鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物。
而且，在本發(fā)明的信息記錄元件中，可以提供其電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。此時(shí)，如果電流流過(guò)層狀組合膜，則電流聚集在導(dǎo)電層中。
根據(jù)本發(fā)明此方案的可變電阻元件，包括，由層疊在一起的第一磁性層、第二磁性層、非磁性層和第三磁性層制成的層狀組合。在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變第一磁性層和第二磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，以控制第二磁性層的磁化方向，從而控制包括第二磁性層、非磁性層和第三磁性層的電流通道的電阻。
在本發(fā)明的可變電阻元件中，可以用做導(dǎo)電層的有，包含呈現(xiàn)單相磁性有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料，鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替布置制成的層狀組合膜或者組成調(diào)制膜，或者鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物。
而且，在本發(fā)明的可變電阻元件中，可以提供其電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。此時(shí)，如果電流流過(guò)層狀組合膜，則電流聚集在導(dǎo)電層中。
在第三方案中，本發(fā)明利用通過(guò)固相傳播的交換作用，作為指定選做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體的方法，以便實(shí)現(xiàn)目標(biāo)操作。以下說(shuō)明在此第三方案中的磁性存儲(chǔ)器件和編址方法。
根據(jù)本發(fā)明此方案的磁性存儲(chǔ)器件，包括，多個(gè)分隔的磁性部件的陣列作為存儲(chǔ)載體，其中利用通過(guò)固相傳播的交換作用，作為指定選做寫(xiě)入或讀出的某一可選存儲(chǔ)載體的方法，以便實(shí)現(xiàn)目標(biāo)操作。
利用通過(guò)固相傳播的交換作用時(shí)使用了一種結(jié)構(gòu)，由夾在兩個(gè)磁性層之間的耦合控制層組成。此時(shí)，所用的交換作用是在布置在耦合控制層兩側(cè)上的兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則利用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過(guò)對(duì)耦合控制層施加激勵(lì)，例如電激勵(lì)或光激勵(lì)而產(chǎn)生的。
作為耦合控制層，可以使用例如半導(dǎo)體層。此時(shí)交換作用由半導(dǎo)體層的價(jià)電子來(lái)傳遞。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則利用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過(guò)對(duì)耦合控制層施加電激勵(lì)而產(chǎn)生的。
作為耦合控制層，可以使用例如介電層。此時(shí)，交換作用由利用隧道效應(yīng)借助介電層在磁性層之間遷移的電子來(lái)傳遞。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則利用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過(guò)改變介電層的隧道勢(shì)壘高度而產(chǎn)生的。
作為耦合控制層，可以使用例如導(dǎo)電層。此時(shí)，所用的交換作用是借助導(dǎo)電層在兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則利用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是在導(dǎo)電層中流過(guò)電流而產(chǎn)生的。
而且，作為耦合控制層，可以使用含有磁性材料的膜厚度不小于10nm的層。具體地，最好是磁性層和非鐵磁性層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，或者磁性顆粒分散在非磁性材料中構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
在磁性存儲(chǔ)器件中，可以形成由硬磁材料所形成的磁性層，作為耦合控制層夾在兩個(gè)磁性層之間所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的下層。作為磁性層，它布置在耦合控制層的兩側(cè)上，后者是層狀組合膜，由夾有中間層的一對(duì)磁性層組成，以使其磁化方向相互反平行。在磁性層和耦合控制層之間，可以設(shè)置由作為磁性耦合媒介的電絕緣材料形成的薄膜。
在磁性存儲(chǔ)器件中，多個(gè)直線式部件相互交叉布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在直線式部件的交叉點(diǎn)。選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，兩個(gè)以上直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用被組合，以對(duì)被選擇的存儲(chǔ)載體實(shí)施寫(xiě)入或讀出，其中至少一個(gè)磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
在本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器件中，多個(gè)直線式部件相互交叉布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在直線式部件的交叉點(diǎn)。選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，利用三個(gè)以上的直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用的組合，來(lái)控制存儲(chǔ)載體的磁化方向，其中至少一個(gè)磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
根據(jù)本發(fā)明此方案的具有多個(gè)分隔的磁性部件陣列作為存儲(chǔ)載體的磁性存儲(chǔ)器件中的編址方法，包括，在選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，使用通過(guò)固相傳播的交換作用。
使用通過(guò)固相傳播的交換作用時(shí)，所用結(jié)構(gòu)由夾在兩個(gè)磁性層之間的耦合控制層組成。此時(shí)，所用的交換作用是在布置在耦合控制層兩側(cè)上的兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則使用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過(guò)對(duì)耦合控制層施加激勵(lì)，例如電激勵(lì)或光激勵(lì)而產(chǎn)生的。
作為耦合控制層，例如使用半導(dǎo)體層。該交換作用由半導(dǎo)體層的價(jià)電子來(lái)傳遞。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則使用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體層施加電激勵(lì)而產(chǎn)生的。
作為耦合控制層，例如可以使用介電層。此時(shí)，交換作用由利用隧道效應(yīng)借助介電層在磁性層之間遷移的電子來(lái)傳遞。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則使用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過(guò)改變介電層的隧道勢(shì)壘高度而產(chǎn)生的。
作為耦合控制層，可以使用例如導(dǎo)電層。此時(shí)，所用的交換作用是借助導(dǎo)電層在兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲(chǔ)載體被選擇用做寫(xiě)入或讀出，則使用兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是在導(dǎo)電層中流過(guò)電流而產(chǎn)生的。
而且，作為耦合控制層，可以使用含有磁性材料的膜厚度不小于10nm的層。具體地，最好是磁性層和非鐵磁性層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，或者磁性顆粒分散在非磁性材料中構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的編址方法中，多個(gè)直線式部件相互交叉布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在直線式部件的交叉點(diǎn)。選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，對(duì)由兩個(gè)以上的直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用進(jìn)行組合，以對(duì)被選擇的存儲(chǔ)載體實(shí)施寫(xiě)入或讀出，其中至少一個(gè)磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
在根據(jù)本發(fā)明的編址方法中，多個(gè)直線式部件相互交叉布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在直線式部件的交叉點(diǎn)。選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，利用由三個(gè)以上的直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用的組合，來(lái)控制存儲(chǔ)載體的磁化方向，其中至少一個(gè)磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
根據(jù)本發(fā)明的此方案，提供了一種無(wú)需使用磁場(chǎng)即能控制磁性部件的磁化的元件。于是，根據(jù)本發(fā)明的此方案，可以解決在使用磁性部件的元件中使用磁場(chǎng)進(jìn)行寫(xiě)入所導(dǎo)致的問(wèn)題，例如因設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化或者矯頑力降低產(chǎn)生的串?dāng)_。此外，根據(jù)本發(fā)明的此方案，雖然采用使用磁性部件的元件，也可以實(shí)現(xiàn)集成電路元件不可缺少的編址功能。
圖1展示了自旋晶體管的結(jié)構(gòu)。
圖2展示了傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中的編址方法。
圖3A和3B展示了當(dāng)磁化區(qū)域被隔離區(qū)域分隔時(shí)，通過(guò)激勵(lì)隔離區(qū)域調(diào)制鐵磁性材料的磁化區(qū)域的磁化狀態(tài)的方式，其中圖3A展示了未激勵(lì)隔離區(qū)域的狀態(tài)，圖3B展示了通過(guò)激勵(lì)隔離區(qū)域使磁化區(qū)域之一的磁化方向反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。
圖4展示了通過(guò)層疊鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域、磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料隔離區(qū)域和鐵磁性材料的磁化區(qū)域獲得的層狀組合的剖面圖，其中磁性半導(dǎo)體用做隔離區(qū)域中使用的復(fù)合材料。
圖5展示了通過(guò)層疊鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域、磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料隔離區(qū)域和鐵磁性材料的磁化區(qū)域獲得的層狀組合的剖面圖，其中，將鐵磁性微粒組成的磁性團(tuán)分散在半導(dǎo)體內(nèi)部所獲得的介質(zhì)用做隔離區(qū)域中使用的復(fù)合材料。
圖6展示了通過(guò)層疊鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域、磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料隔離區(qū)域和鐵磁性材料的磁化區(qū)域獲得的層狀組合的剖面圖，其中，通過(guò)層疊鐵磁性層和半導(dǎo)體層于一起所獲得的多層膜用做隔離區(qū)域中使用的復(fù)合材料。
圖7展示了隔離區(qū)域厚度和磁化區(qū)域厚度之間的關(guān)系，分別為隔離區(qū)域是鐵磁性層和半導(dǎo)體層的多層膜的情況，和隔離區(qū)域僅是半導(dǎo)體層的情況。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的信息記錄元件的剖面圖，具體展示了未在其柵電極上施加電壓的狀態(tài)。
圖9是圖8的信息記錄元件的平面圖，具體展示了未在其柵電極上施加電壓的狀態(tài)。
圖10是在圖8所示的信息記錄元件的柵電極上施加電壓的狀態(tài)的剖面圖。
圖11是在圖8所示的信息記錄元件的柵電極上施加電壓的狀態(tài)的平面圖。
圖12展示了另一個(gè)信息記錄元件，具體展示了未在第一和第二柵電極上施加電壓的狀態(tài)。
圖13是在圖12所示信息記錄元件的第二柵電極上施加電壓的狀態(tài)的剖面圖。
圖14是在圖12所示信息記錄元件的第一柵電極上施加電壓的狀態(tài)的剖面圖。
圖15展示了又一個(gè)信息記錄元件，具體展示了第一和第二柵電極上未施加電壓的狀態(tài)。
圖16是在圖15所示信息記錄元件的第二柵電極上施加電壓的狀態(tài)的剖面圖。
圖17是在圖15所示信息記錄元件的第一柵電極上施加電壓的狀態(tài)的剖面圖。
圖18是一對(duì)磁性部件相互接觸的結(jié)構(gòu)。
圖19是中間層夾在成對(duì)磁性部件之間的結(jié)構(gòu)。
圖20展示了信息記錄元件單元的尺寸L和可以用于驅(qū)動(dòng)記錄載體的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)H之間的關(guān)系。
圖21是實(shí)施本發(fā)明的磁功能元件的示例平面圖。
圖22是沿圖21的線X1-X2截取的剖面圖，具體展示了實(shí)施本發(fā)明的磁功能元件。
圖23展示了在兩個(gè)相互垂直方向(x-和y-方向)測(cè)量磁化強(qiáng)度分量的方法。
圖24是在磁功能元件的兩個(gè)相互垂直方向(x-和y-方向)的磁化強(qiáng)度的磁滯測(cè)量結(jié)果。
圖25是在非磁性基片上形成的Ni-Fe合金薄膜的磁化曲線。
圖26展示了磁功能元件的可變磁性層的磁化方向，具體展示了導(dǎo)體層未饋給電流時(shí)的磁化方向和導(dǎo)體層被饋給電流時(shí)的磁化方向。
圖27展示了導(dǎo)體層所加電流在導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，在兩個(gè)相互垂直方向(x-和y-方向)觀察磁功能元件的磁化的時(shí)間變化的結(jié)果。
圖28示意地展示了層狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。
圖29示意地展示了微粒分散結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)。
圖30是磁功能元件及其外圍電路的結(jié)構(gòu)，此時(shí)，可變磁性層的磁化方向的轉(zhuǎn)換操作所獲得的結(jié)果即作為電輸出。
圖31A-31C是負(fù)邏輯一次寫(xiě)入式信息記錄元件的驅(qū)動(dòng)原理的示意圖，其中圖31A是復(fù)位狀態(tài)，圖31B是導(dǎo)通狀態(tài)，圖31C是設(shè)定狀態(tài)。
圖32A-32C是正邏輯一次寫(xiě)入式信息記錄元件的驅(qū)動(dòng)原理的示意圖，其中圖32A是復(fù)位狀態(tài)，圖32B是導(dǎo)通狀態(tài)，圖32C是設(shè)定狀態(tài)。
圖33A-33D是重寫(xiě)式信息記錄元件的驅(qū)動(dòng)原理的示意圖，圖33A是可變磁性層的磁化方向保持向右的狀態(tài)，圖33B是可變磁性層的磁化方向被向左重寫(xiě)的狀態(tài)，圖33C是可變磁性層的磁化方向保持向左的狀態(tài)，圖33D是可變磁性層的磁化方向被向右重寫(xiě)的狀態(tài)。
圖34是實(shí)施本發(fā)明的可變電阻元件的示意圖。
圖35是一對(duì)磁性部件相互接觸的結(jié)構(gòu)。
圖36是中間層夾在成對(duì)磁性部件之間的結(jié)構(gòu)。
圖37是交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的示意圖。
圖38展示了信息記錄元件單元的尺寸L和可以用于驅(qū)動(dòng)記錄載體的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)H之間的關(guān)系。
圖39是交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元的放大示意圖。
圖40A-40E是圖39所示存儲(chǔ)單元的驅(qū)動(dòng)原理的示意圖，其中圖40A是存儲(chǔ)載體的磁化方向保持向右的狀態(tài)，圖40B是電流僅在構(gòu)成第二y-方向驅(qū)動(dòng)線的第二導(dǎo)體層中流動(dòng)的狀態(tài)，圖40C是存儲(chǔ)載體的磁化方向被向左重寫(xiě)的狀態(tài)，圖40D是電流僅在構(gòu)成第一y-方向驅(qū)動(dòng)線的第一導(dǎo)體層中流動(dòng)的狀態(tài)，圖40E是存儲(chǔ)載體的磁化方向被向右重寫(xiě)的狀態(tài)。
圖41展示了實(shí)施本發(fā)明的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中的編址方法。
圖42展示了以半導(dǎo)體層作為耦合控制層以之進(jìn)行磁性驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。
圖43展示了以介電層作為耦合控制層以之進(jìn)行磁性驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。
圖44展示了以多層介電層作為耦合控制層以之進(jìn)行磁性驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)。
圖45是由層疊在一起的磁性層和非鐵磁性層構(gòu)成的多層耦合控制層的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖46是由分散在非磁性材料中的磁性顆粒構(gòu)成的耦合控制層的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖47是實(shí)施本發(fā)明的耦合控制層的制造工藝的第一示意圖。
圖48是實(shí)施本發(fā)明的耦合控制層的制造工藝的第二示意圖。
圖49是實(shí)施本發(fā)明的耦合控制層的制造工藝的第三示意圖。
圖50是實(shí)施本發(fā)明的耦合控制層的制造工藝的第四示意圖。
圖51是實(shí)施本發(fā)明的耦合控制層的制造工藝的第五示意圖。
圖52是具有4×4存儲(chǔ)單元的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的平面結(jié)構(gòu)。
圖53是圖52的圓圈部位S的放大圖，具體展示了一個(gè)存儲(chǔ)單元的平面結(jié)構(gòu)。
圖54展示了向存儲(chǔ)單元寫(xiě)入之后用克爾顯微鏡觀察的結(jié)果，用于證實(shí)在圖52所示交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中的編址操作。
以下將參考附圖具體說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
1．第一實(shí)施例在第一實(shí)施例中，鐵磁性材料的磁化區(qū)域被包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域分隔，對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變被分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)磁化區(qū)域的磁化。以下說(shuō)明采用上述基本概念的磁化控制方法、信息記錄方法和信息記錄元件。
1-1磁化控制方法的原理首先，參考圖3A和3B說(shuō)明磁化控制方法的基本原理。
參見(jiàn)圖3A，鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域11、由包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料形成的隔離區(qū)域20、和鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域12被層疊在一起，形成隔離區(qū)域20夾在磁化區(qū)域11、12之間的結(jié)構(gòu)。在此層狀結(jié)構(gòu)中，如果改變隔離區(qū)域20所含半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的電子濃度或者價(jià)電子帶的空穴濃度，則借助于這些載流子的磁化區(qū)域之間的RKKY交互作用被改變。因此，通過(guò)控制隔離區(qū)域20的載流子濃度，可以控制磁化區(qū)域11和相對(duì)側(cè)的磁化區(qū)域12之間的磁性耦合。
于是，對(duì)隔離區(qū)域20施加外激勵(lì)，如圖3中的箭頭A1所示，改變隔離區(qū)域20所含半導(dǎo)體的導(dǎo)帶的電子濃度或者價(jià)電子帶的空穴濃度，由此改變磁化區(qū)域11和12之間的磁交互作用，從而控制磁化區(qū)域11和12的磁化。通過(guò)改變磁化區(qū)域11、12之間的磁交互作用，控制其磁化，可以使磁化區(qū)域11的磁化方向M1和磁化區(qū)域12的磁化方向M2從圖3A所示的平行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D3B所示的反平行狀態(tài)。
注意，通過(guò)在隔離區(qū)域20施加電壓注入載流子，對(duì)隔離區(qū)域20進(jìn)行光照或者通過(guò)控制隔離區(qū)域20的溫度，可以控制隔離區(qū)域20的載流子濃度。亦即，為了對(duì)隔離區(qū)域20施加激勵(lì)，控制磁化區(qū)域11、12的磁化，可以使用有載流子注入的電激勵(lì)、光照或者溫度控制。
1-2元件的特定例子在本實(shí)施例中，隔離區(qū)域20中含有磁性材料，即使隔離區(qū)域20厚度較厚，也可以在磁化區(qū)域之間產(chǎn)生磁交互作用。以下參考圖4-6說(shuō)明具有含磁性材料的隔離區(qū)域的特定例子。
圖4展示了采用磁性半導(dǎo)體21作為隔離區(qū)域20所用復(fù)合材料的例子。磁性半導(dǎo)體21的結(jié)構(gòu)是磁性離子21B分散于半導(dǎo)體母體21A中。此時(shí)，磁化區(qū)域11通過(guò)磁性半導(dǎo)體21的半導(dǎo)體母體21A與磁性離子21B耦合。這些磁性離子21B與其它磁性離子21B耦合。重復(fù)這種耦合直到磁化區(qū)域11最終與相對(duì)側(cè)的磁化區(qū)域12耦合。亦即，通過(guò)半導(dǎo)體母體21A和磁性離子21B，磁化區(qū)域11和12間接相互耦合。
通常，磁性耦合的產(chǎn)生和消失現(xiàn)象取決于磁性半導(dǎo)體中的載流子濃度，正如H.Ohno et al,Phys.Rev.Lett.689 1992)2664所討論的。此現(xiàn)象稱為載流子感應(yīng)的鐵磁性。因此，利用磁性半導(dǎo)體21的載流子濃度，可以調(diào)制磁性離子21B與相鄰磁性離子21B的耦合狀態(tài)。于是，采用層狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，通過(guò)控制磁性半導(dǎo)體21的載流子濃度，可以控制磁化區(qū)域11和12之間的間接磁性耦合，以便控制磁化區(qū)域11和12的磁化方向。
按此方式，如果使用磁性半導(dǎo)體21作為隔離區(qū)域20所用的復(fù)合材料，則磁化區(qū)域11、12可以借助半導(dǎo)體母體21A和磁性離子21B相互間接耦合，即使隔離區(qū)域20厚度較厚，也可以在磁化區(qū)域之間感應(yīng)磁交互作用。亦即，通過(guò)使用磁性半導(dǎo)體21作為隔離區(qū)域20，即使隔離區(qū)域20的厚度較厚，也可以控制磁化區(qū)域11、12的磁化。
用于磁性半導(dǎo)體21的材料可以是基于Ⅱ-Ⅳ族、Ⅲ-Ⅴ族或者硫族化物，或者是所謂的半磁性半導(dǎo)體，例如EuTe或者EuS。如果磁性半導(dǎo)體21中所含的磁性離子21B的濃度使得能夠通過(guò)載流子濃度控制來(lái)控制磁性離子之間的磁性耦合狀態(tài)，就足夠了。
圖5展示的實(shí)施例中，將鐵磁性顆粒組成的磁性團(tuán)22人工地分散進(jìn)入半導(dǎo)體23內(nèi)部所獲得的介質(zhì)用做隔離區(qū)域20所用的復(fù)合材料。磁性團(tuán)22所起作用與圖4的磁性離子21B的相似，以便實(shí)現(xiàn)與通過(guò)圖4所示例子所實(shí)現(xiàn)的相似的效果。
作為半導(dǎo)體23，可以使用非晶態(tài)或結(jié)晶Si或Ge組成的半導(dǎo)體。作為半導(dǎo)體23，可以使用化合物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或者混晶半導(dǎo)體。如果磁性團(tuán)22的材料呈現(xiàn)磁矩，則就足夠了，可以使用Fe、Co、Ni、它們的合金、稀土元素、或者含有稀土元素的合金。對(duì)磁性團(tuán)22的尺寸、形狀或者密度無(wú)特別限制，只要能夠通過(guò)控制半導(dǎo)體23的載流子濃度來(lái)控制磁性團(tuán)之間的磁耦合狀態(tài)即可。
在本實(shí)施例中，可以使用磁性半導(dǎo)體代替半導(dǎo)體23。如果使用磁性半導(dǎo)體代替半導(dǎo)體23，則不僅顯示出磁性團(tuán)22的作用而且還顯示出如圖4的實(shí)施例所示的磁性離子的作用。
圖6展示的實(shí)施例中，通過(guò)使用層疊在一起的鐵磁膜24和半導(dǎo)體膜25組成的多層膜作為隔離區(qū)域20所用復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了與圖4和5所示的相似效果。此時(shí)，磁化區(qū)域11借助相鄰半導(dǎo)體膜25與最接近磁化區(qū)域11的鐵磁膜24耦合。此鐵磁膜24與最接近的其它鐵磁膜24耦合。重復(fù)這種耦合直到實(shí)現(xiàn)了與相對(duì)側(cè)磁化區(qū)域12的耦合。亦即，借助層疊在一起的鐵磁膜24和半導(dǎo)體膜25組成的多層膜，磁化區(qū)域11和相對(duì)側(cè)磁化區(qū)域12相互間接耦合。
在把鐵磁膜24和半導(dǎo)體膜25層疊在一起獲得的多層膜中，鐵磁膜之間的磁耦合狀態(tài)隨著半導(dǎo)體膜25載流子濃度的改變而改變，正如例如E.E.Fullerton et al,J.Magn.&Magn.Mater.117(1992)L301所述。于是，利用半導(dǎo)體膜25的載流子濃度可以調(diào)制鐵磁膜24和與其相鄰的其它鐵磁膜24之間的耦合狀態(tài)。于是，通過(guò)控制半導(dǎo)體膜25的載流子濃度，可以控制磁化區(qū)域11和相對(duì)側(cè)的磁化區(qū)域12之間的間接磁性耦合，從而控制磁化區(qū)域11、12的磁化方向。
半導(dǎo)體膜25可以由非晶或結(jié)晶半導(dǎo)體例如Si或Ge形成。半導(dǎo)體膜25可以由化合物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體或混晶半導(dǎo)體形成。如果鐵磁膜24的材料呈現(xiàn)磁矩就足夠了，例如可以使用Fe、Co或Ni、它們的合金、稀土元素、或含有稀土元素的合金。對(duì)鐵磁膜24或半導(dǎo)體膜25的膜厚或?qū)訑?shù)也沒(méi)有限制，只要能夠通過(guò)控制半導(dǎo)體膜25的載流子濃度來(lái)控制鐵磁膜之間的磁性耦合狀態(tài)即可。
在本實(shí)施例中，可以使用磁性半導(dǎo)體代替半導(dǎo)體25。如果使用磁性半導(dǎo)體代替半導(dǎo)體25，則不僅顯示出磁性團(tuán)22的作用而且還顯示出如圖4的實(shí)施例所示的磁性離子的作用。
同時(shí)，如果使用圖4-6所示結(jié)構(gòu)，則可以在隔離區(qū)域20的厚度例如不小于10nm的條件下，控制磁化區(qū)域11、12的磁化，不必象傳統(tǒng)實(shí)踐那樣把厚度設(shè)定為2.5nm以下。原因在于，盡管鐵磁性材料之間借助于半導(dǎo)體相互作用的耦合力隨鐵磁性材料之間的距離成指數(shù)地增大，但如果鐵磁性材料之間存在磁性材料，則會(huì)通過(guò)該磁性材料發(fā)生間接耦合。
具體地，在圖4所示實(shí)施例中，即使隔離區(qū)域20厚度增大，存在于隔離區(qū)域20的磁性離子21B也可以起介質(zhì)作用，實(shí)現(xiàn)磁化區(qū)域11和12之間的間接耦合。在圖5所示實(shí)施例中，即使隔離區(qū)域20厚度增大，存在于隔離區(qū)域20的磁性團(tuán)22也可以起介質(zhì)作用，實(shí)現(xiàn)磁化區(qū)域11和12之間的間接耦合。在圖6所示實(shí)施例中，即使隔離區(qū)域20厚度增大，存在于隔離區(qū)域20的鐵磁膜24也可以起介質(zhì)作用，實(shí)現(xiàn)磁化區(qū)域11和12之間的間接耦合。
圖7展示了磁化區(qū)域11如何借助隔離區(qū)域20中所含的磁性材料與其它磁化區(qū)域12間接耦合。此圖中，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別代表隔離區(qū)域20的厚度(磁化區(qū)域之間的距離)和磁化區(qū)域之間的交換耦合常數(shù)。通過(guò)提供隔離區(qū)域20的厚度以約0.5nm逐步改變的多個(gè)樣品，并且利用例如磁共振法測(cè)量這些樣品的交換耦合常數(shù)，可以驗(yàn)證隔離區(qū)域20的厚度和交換耦合常數(shù)之間的這種關(guān)系。
圖7中，實(shí)線A代表在使用鐵磁膜24和半導(dǎo)體膜25的多層膜作為隔離區(qū)域20時(shí)，作為磁化區(qū)域之間距離的隔離區(qū)域20的厚度和交換耦合常數(shù)之間的關(guān)系。假設(shè)各鐵磁膜24的磁矩相互平行地設(shè)置，亦即磁化區(qū)域11的磁化方向平行于另一磁化區(qū)域12的磁化方向。換言之，圖7展示了磁化區(qū)域11借助其間的鐵磁膜24與另一磁化區(qū)域12鐵磁性耦合的情況。
同時(shí)為了對(duì)比，圖7還展示了隔離區(qū)域20僅由半導(dǎo)體組成的情況。亦即，圖7的實(shí)線B展示了在隔離區(qū)域20僅由半導(dǎo)體形成時(shí)，作為磁化區(qū)域之間距離的隔離區(qū)域20的厚度和交換耦合常數(shù)之間的關(guān)系。
參見(jiàn)圖7，如果隔離區(qū)域20僅由半導(dǎo)體組成，隨著隔離區(qū)域20厚度的增加，交換耦合常數(shù)呈指數(shù)律衰減。如果隔離區(qū)域20的厚度不小于約2.5nm，則磁化區(qū)域之間的耦合極弱，以致不能構(gòu)成實(shí)用的元件。因此，隔離區(qū)域20的厚度通常必須設(shè)定在2.5nm以下。
相反，如果隔離區(qū)域20采用層疊在一起的鐵磁膜24和半導(dǎo)體膜25組成的多層膜，由于隔離區(qū)域20中存在鐵磁膜，如圖7所示，所以每個(gè)層疊周期均可保持耦合。由此可見(jiàn)，使用含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料作為隔離區(qū)域20，磁化區(qū)域11可以借助作為介質(zhì)的磁性材料直接與相對(duì)側(cè)的磁化區(qū)域12耦合。亦即，如果由鐵磁膜24和半導(dǎo)體膜25組成的復(fù)合材料用做隔離區(qū)域20，則隔離區(qū)域20可以比傳統(tǒng)的明顯增厚。
于是，通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明，隔離區(qū)域20厚度可以比傳統(tǒng)技術(shù)增厚。如果隔離區(qū)域20具有不小于10nm數(shù)量級(jí)的厚度，則采用現(xiàn)行的精細(xì)處理技術(shù)，足以制備在隔離區(qū)域20兩側(cè)上的磁化區(qū)域11、12組成的結(jié)構(gòu)。此外，如果隔離區(qū)域20具有10nm以上數(shù)量級(jí)的厚度，則可以克服因?yàn)樵诎雽?dǎo)體和鐵磁性材料之間的界面上形成肖特基勢(shì)壘而導(dǎo)致形成耗盡層的問(wèn)題，從而可以把載流子注入隔離區(qū)域20。
在圖4-6所示的結(jié)構(gòu)中，圖4所示結(jié)構(gòu)具有隔離區(qū)域是均勻單相結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，有利于制造。而且，圖5所示結(jié)構(gòu)具有多個(gè)不同強(qiáng)度的磁性耦合的路徑。因此，可以通過(guò)按照耦合強(qiáng)度的升序去除路徑來(lái)逐漸地減弱磁性耦合。亦即圖5所示結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)模擬操作。圖6的結(jié)構(gòu)具有更易于控制的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)期望特性的較高的再現(xiàn)性。此外，采用圖6所示結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變膜厚或?qū)訑?shù)可以容易地實(shí)現(xiàn)特性匹配或材料設(shè)計(jì)。
在上述說(shuō)明中，系以利用RKKY交互作用的耦合情況為例。但是，間接交互作用的原理并不限于RKKY交互作用等，只要滿足通過(guò)控制隔離區(qū)域20的載流子濃度可以調(diào)制磁化區(qū)域之間的耦合狀態(tài)的條件即可。亦即，本發(fā)明可以應(yīng)用于由隧道電子來(lái)傳遞的耦合或者利用半導(dǎo)體中的局部能級(jí)的耦合。由隧道電子來(lái)傳遞的耦合例如公開(kāi)于P.Bruno,Phys.Rev.B49(1994)13231，而利用半導(dǎo)體中的局部能級(jí)的耦合例如在S.Toscano et al,J.Magn.&Magn.Mater.114 91992)L301中進(jìn)行了討論1-3信息記錄元件和信息記錄方法以下參考圖8-17說(shuō)明采用上述磁化控制方法的信息記錄元件和信息記錄方法。
首先參考圖8-11說(shuō)明信息記錄元件和信息記錄方法的第一例子。此時(shí)，信息記錄元件30是一次寫(xiě)入式信息記錄元件，能夠基于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行雙電平記錄。
參見(jiàn)圖8和9，信息記錄元件30包括，形成在基片31上的固定磁性層32、形成在固定磁性層32上的隔離層33、形成在隔離層33上的可變磁性層34、和隔有絕緣層35形成在隔離層33上的柵電極36。
在此信息記錄元件30中，固定磁性層32相當(dāng)于設(shè)置在隔離層33兩側(cè)上的磁化區(qū)域之一，其磁化方向M3任何時(shí)候均固定在預(yù)置的方向。此固定磁性層32最好由鐵磁性足夠強(qiáng)的鐵磁性材料形成，具體地是矯頑力不小于1kOe數(shù)量級(jí)的鐵磁性材料，以便磁化方向M3不會(huì)因可能存在于普通環(huán)境中的弱磁場(chǎng)而改變。
可變磁性層34相當(dāng)于位于隔離層33兩側(cè)上的另一磁化區(qū)域，具有取決于記錄的信息的可變的磁化方向M4。選擇可變磁性層34的材料或形狀，以使其矯頑力小于固定磁性層32的矯頑力。例如利用磁場(chǎng)的磁化對(duì)可變磁性層34進(jìn)行處理，以使之呈現(xiàn)強(qiáng)的單軸磁各向異性，從而具有與固定磁性層32的磁化方向成反平行的磁化方向M4。
隔離層33用做隔離區(qū)域。用于分隔鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域。亦即，在本發(fā)明的信息記錄元件30中，由固定磁性層32和可變磁性層34形成的磁化區(qū)域，被包括磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料組成的隔離層33所分隔。構(gòu)成隔離層33的復(fù)合材料可以由磁性半導(dǎo)體形成，正如參考圖4所述的，或者由其中分散鐵磁性顆粒的半導(dǎo)體或磁性半導(dǎo)體形成，正如參考圖5所述的。另外，復(fù)合材料也可以由鐵磁膜、半導(dǎo)體膜或磁性半導(dǎo)體膜制成的多層膜形成，正如參考圖6所述的。
同時(shí)，在根據(jù)本發(fā)明的信息記錄元件30中，隔離層33可以增加厚度，具體地可以具有不小于10nm的膜厚。如果隔離層33的膜厚不小于10nm，則可以避免因隔離層33厚度過(guò)薄而導(dǎo)致制造困難或者載流子注入困難的問(wèn)題。
柵電極36由導(dǎo)電材料例如金形成，并且隨著絕緣層35面對(duì)隔離層33設(shè)置。如果在柵電極36上施加電壓，則載流子聚集在隔離層33隔著絕緣層35面對(duì)柵電極36的部位。
在柵電極36未施加電壓的信息記錄元件30的初始狀態(tài)，亦即在柵電極Vc=0的狀態(tài)，固定磁性層32的磁化方向M3與可變磁性層34的磁化方向M4反平行，如圖8和9所示。
當(dāng)在信息記錄元件30上記錄信息時(shí)，在柵電極36上施加預(yù)置電壓(柵電壓VG=V)，如圖10和11所示。如果電壓V施加在柵電極36上，布置在固定磁性層32和可變磁性層34之間的隔離層33的載流子濃度被改變，結(jié)果固定磁性層32和可變磁性層34之間的磁性耦合狀態(tài)被改變。矯頑力較低的可變磁性層34被置于轉(zhuǎn)矩之下，從而可變磁性層34的磁化方向M4被反轉(zhuǎn)。由于可變磁性層34具有強(qiáng)的單軸磁各向異性，所以該磁化方向一旦被反轉(zhuǎn)就穩(wěn)定了，從而，施加在柵電極36上的電壓V終止后，該狀態(tài)仍被保持。
于是，采用信息記錄元件30，無(wú)需使用磁場(chǎng)即可控制可變磁性層34的磁化方向M4，從而可以基于可變磁性層34的磁化取向來(lái)記錄雙電平信息。
以下參考圖12-14說(shuō)明信息記錄元件和信息記錄方法的第二實(shí)施例。圖12-14所示信息記錄元件40是能夠通過(guò)使用多個(gè)固定磁性層進(jìn)行信息寫(xiě)入的信息記錄元件。在此信息記錄元件40中，如同上述信息記錄元件30一樣，可利用磁化區(qū)域的磁化取向?qū)崿F(xiàn)雙態(tài)記錄。
參見(jiàn)圖12，此信息記錄元件40包括，形成在基片41一部分上的第一固定磁性層42、形成在基片41另一部分上的第二固定磁性層43、從第一固定磁性層42延伸到第二固定磁性層43而形成的隔離層44、和形成在隔離層44上的可變磁性層45。信息記錄元件40還包括通過(guò)絕緣層46形成在隔離層44一部分上的第一柵電極47和通過(guò)絕緣層48形成在隔離層44另一部分上的第二柵電極49。
與信息記錄元件30中的固定磁性層32相同，固定磁性層42、43由高矯頑力的磁性材料形成并且是固定的，以便在任何時(shí)候均具有固定的磁化方向。在此信息記錄元件40中，第一固定磁性層42的磁化方向M5與第二固定磁性層43的磁化方向M6反平行。
與上述信息記錄元件30中的可變磁性層34相同，可變磁性層45具有根據(jù)記錄的信息而變的磁化方向M7。亦即，選擇此可變磁性層42的形狀或材料，使其具有的矯頑力小于固定磁性層42、43的矯頑力。而且，可變磁性層45例如由場(chǎng)內(nèi)成膜方法形成，從而具有強(qiáng)的單軸磁各向異性，并且具有與固定磁性層42、43的磁化方向平行或反平行的磁化方向M7。在本實(shí)施例中，可變磁性層45的磁化方向M7在初始狀態(tài)分別與第一固定磁性層42的磁化方向M5和第二固定磁性層43的磁化方向M6平行和反平行。
隔離層44用做隔離區(qū)域，用于分隔由鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域。亦即，在本發(fā)明的信息記錄元件40中，由第一固定磁性層42、第二固定磁性層43和可變磁性層45形成的磁化區(qū)域被隔離層44分隔。此隔離層44由包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料形成。構(gòu)成隔離層44的復(fù)合材料可以由磁性半導(dǎo)體形成，正如參考圖4所述的，由具有鐵磁性顆粒分散其中的半導(dǎo)體或磁性半導(dǎo)體形成，正如參考圖5所述的，或者由層疊在一起的鐵磁性膜、半導(dǎo)體膜或磁性半導(dǎo)體膜制成的多層膜形成，如圖6所示。
采用根據(jù)本發(fā)明的信息記錄元件40，隔離層44的膜厚可以增加，具體地是膜厚可以不小于10nm。如果隔離層44的膜厚不小于10nm，則可以克服因隔離層的厚度過(guò)薄而產(chǎn)生的制造困難或載流子注入團(tuán)難的問(wèn)題。
第一柵電極47或第二柵電極49由導(dǎo)電材料例如金形成。布置第一柵電極47，使其通過(guò)絕緣層46面對(duì)隔離層44，通過(guò)絕緣層46和隔離層44面對(duì)第一固定磁性層42。布置第二柵電極49，使其通過(guò)絕緣層48面對(duì)隔離層44，通過(guò)絕緣層48和隔離層44面對(duì)第二固定磁性層43。
如果在第一電極47上施加電壓，則借助于該第一柵電極47，載流子被聚集在隔離層44面對(duì)第一柵電極47的部位附近。換言之，如果在第一電極47上施加電壓，則載流子被聚集在可變磁性層45和第一固定磁性層42之間的隔離層44中。
如果在第二柵電極49施加電壓，載流子則被聚集在通過(guò)絕緣層48布置的隔離層44附近。換言之，載流子聚集在可變磁性層45和第二固定磁性層43之間的隔離層44中。
采用此信息記錄元件40，通過(guò)控制在第一柵電極47和第二柵電極49上施加的電壓，可以使可變磁性層44的磁化方向M7反復(fù)地反轉(zhuǎn)。以下說(shuō)明反復(fù)反轉(zhuǎn)可變磁性層44的磁化方向M7的操作。
在第一柵電極47和第二柵電極49上均未施加電壓的初始狀態(tài)，可變磁性層45的磁化方向M7與第一固定磁性層42的磁化方向平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6反平行，如圖12所示。
在此狀態(tài)，如果在第二柵電極49上施加預(yù)置電壓V2，如圖13所示，則第二柵電極49的柵電壓VG2是V2(VG2=V2)。這樣就改變了布置在可變磁性層45和第二固定磁性層43之間的隔離層44的載流子濃度，以改變可變磁性層45和第二固定磁性層43之間的磁性耦合狀態(tài)。于是轉(zhuǎn)矩施加在低矯頑力的可變磁性層45上，使可變磁性層45的磁化方向M7反轉(zhuǎn)。亦即，可變磁性層45的磁化方向與第一固定磁性層42的磁化方向M5反平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6平行，如圖13所示。由于可變磁性層45呈現(xiàn)強(qiáng)的單軸磁各向異性，所以如此反轉(zhuǎn)的此磁化狀態(tài)是穩(wěn)定的，以致即使終止在第二柵電極49上施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態(tài)。
當(dāng)可變磁性層45的磁化方向與第一固定磁性層42的磁化方向M5反平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6平行時(shí)，將預(yù)置電壓V1施加在第一柵電極47上，如圖14所示，把第一柵電極47的柵電壓Vc1設(shè)定為等于V1(Vc1=V1)。這樣就改變了布置在可變磁性層45和第一固定磁性層42之間的隔離層44的載流子濃度，以改變可變磁性層45和第一固定磁性層42之間的磁性耦合狀態(tài)。于是轉(zhuǎn)矩施加在低矯頑力的可變磁性層45上，使可變磁性層45的磁化方向M7反轉(zhuǎn)。亦即，可變磁性層45的磁化方向M7與第一固定磁性層42的磁化方向M5平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6反平行，如圖14所示。由于可變磁性層45呈現(xiàn)強(qiáng)的單軸磁各向異性，所以如此反轉(zhuǎn)的磁化是穩(wěn)定的，以致即使終止在第一柵電極47上施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態(tài)。
于是，采用本發(fā)明的信息記錄元件40，通過(guò)在第一柵電極47或者第二柵電極49上施加電壓，無(wú)需使用磁場(chǎng)，即可以控制可變磁性層45的磁化方向M7，從而能夠基于可變磁性層45的磁化方向記錄雙電平信息。此外，采用本發(fā)明的信息記錄元件40，通過(guò)在第一柵電極47上施加預(yù)置電壓V1或者通過(guò)在第二柵電極49上施加預(yù)置電壓V2，可以使可變磁性層45的磁化方向M7反復(fù)地反轉(zhuǎn)。亦即，信息記錄元件40可以反復(fù)地重寫(xiě)信息。
以下參考圖15-17說(shuō)明信息記錄元件和信息記錄方法的第三實(shí)施例。此時(shí)，信息記錄元件50是通過(guò)使用多個(gè)固定磁性層進(jìn)行信息重寫(xiě)的元件。采用此信息記錄元件50，與信息記錄元件30和40相同，可以基于磁化區(qū)域的磁化方向?qū)崿F(xiàn)雙電平記錄。
參見(jiàn)圖15，此信息記錄元件50包括，形成在基片51上的第一固定磁性層52、形成在固定磁性層52上的第一隔離層53、形成在第一隔離層53上的可變磁性層54、形成在可變磁性層54上的第二隔離層55、形成在第二隔離層55上的第二固定磁性層56。信息記錄元件50還包括通過(guò)絕緣層57形成在第二隔離層55一部分上的第一柵電極58、和通過(guò)絕緣層59形成在第二隔離層55一部分上的第二柵電極60。
在本發(fā)明的信息記錄元件50中，固定磁性層52、56如同固定磁性層42、43一樣由高矯頑力的磁性材料形成，，并且是固定的，從而在任何時(shí)候均取向在相同的磁化方向。在本發(fā)明的信息記錄元件50中，固定磁性層52的磁化方向M8和第二固定磁性層56的磁化方向M9被設(shè)定為反平行。
與可變磁性層45相同，可變磁性層54具有取決于記錄信息的可變磁化方向M10。亦即，選擇此可變磁性層54的形狀或材料類型，使其矯頑力小于固定磁性層52或56的矯頑力。而且，可變磁性層45例如由場(chǎng)內(nèi)成膜方法形成，以使之具有強(qiáng)的單軸磁各向異性，并使其磁化方向M10與固定磁性層52、53的磁化方向平行或反平行。在本實(shí)施例中，可變磁性層54的磁化方向M10在初始狀態(tài)分別與第一固定磁性層52的磁化方向M8和第二固定磁性層43的磁化方向M9平行和反平行。
第一隔離層53和第二隔離層55用做隔離區(qū)域，用于分隔由鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域。亦即，在本發(fā)明的信息記錄元件50中，由第一固定磁性層52、第二固定磁性層56和可變磁性層54形成的磁化區(qū)域被第一隔離層53和第二隔離層55分隔。所述隔離層53、55由包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料形成。構(gòu)成隔離層53、55的復(fù)合材料可以由磁性半導(dǎo)體形成，正如參考圖4所述的，由具有鐵磁性顆粒分散其中的半導(dǎo)體或磁性半導(dǎo)體形成，正如參考圖5所述的，或者由層疊在一起的鐵磁性膜、半導(dǎo)體膜或磁性半導(dǎo)體膜制成的多層膜形成，如圖6所示。
采用根據(jù)本發(fā)明的信息記錄元件50，隔離層53、55的膜厚可以增加，具體地是膜厚不小于10nm。如果隔離層53、55的膜厚不小于10nm，則可以克服因隔離層53、55的厚度過(guò)薄而產(chǎn)生的制造困難或載流子注入困難的問(wèn)題。
第一柵電極58或第二柵電極60由導(dǎo)電材料例如金形成。布置第一柵電極58，使其通過(guò)絕緣層57面對(duì)隔離層53，通過(guò)絕緣層57和第一隔離層53面對(duì)第一固定磁性層52。布置第二柵電極60，使其通過(guò)絕緣層59面對(duì)第二隔離層55，通過(guò)絕緣層59和隔離層55面對(duì)可變磁性層54。
如果在第一電極58上施加電壓，則載流子被聚集在第一隔離層53的通過(guò)絕緣層57面對(duì)第一柵電極58的部位附近。換言之，如果在第一柵電極58上施加電壓，則載流子被聚集在可變磁性層54和第一固定磁性層52之間的第一隔離層53中。
如果在第二柵電極60上施加電壓，則載流子被聚集在通過(guò)絕緣層59布置的第二隔離層55附近。換言之，載流子聚集在第二隔離層55的通過(guò)絕緣層59面對(duì)第二柵電極60的部分中。換言之，如果在第二柵電極60上施加電壓，則載流子聚集在可變磁性層54和第二固定磁性層56之間的第二隔離層55中。
采用本發(fā)明的信息記錄元件50，通過(guò)控制在第一柵電極58和第二柵電極60上施加的電壓，可以使可變磁性層54的磁化方向M10反復(fù)地反轉(zhuǎn)。以下說(shuō)明反復(fù)反轉(zhuǎn)可變磁性層54的磁化方向M10的操作。
在第一柵電極58和第二柵電極60上均未施加電壓的初始狀態(tài)，可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9反平行，如圖15所示。
在此狀態(tài)，如果在第二柵電極60上施加預(yù)置電壓V2，如圖16所示，則第二柵電極60的柵電壓VG2是V2(VG2=V2)。這樣就改變了布置在可變磁性層54和第二固定磁性層56之間的第二隔離層55的載流子濃度，從而改變了可變磁性層54和第二固定磁性層56之間的磁性耦合狀態(tài)。于是轉(zhuǎn)矩施加在低矯頑力的可變磁性層54上，使可變磁性層54的磁化方向M10反轉(zhuǎn)。亦即，可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8反平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9平行，如圖16所示。由于可變磁性層54呈現(xiàn)強(qiáng)的單軸磁各向異性，所以如此反轉(zhuǎn)的此磁化狀態(tài)是穩(wěn)定的，以致即使終止在第二柵電極60上施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態(tài)。
當(dāng)可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8反平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9平行，在第一柵電極58上施加預(yù)置電壓V1，如圖17所示，把第一柵電極58的柵電壓設(shè)定為等于V1(Vc1=V1)。這改變了布置在可變磁性層54和第一固定磁性層52之間的第一隔離層53的載流子濃度，從而改變了可變磁性層54和第一固定磁性層52之間的磁性耦合狀態(tài)。于是轉(zhuǎn)矩施加在低矯頑力的可變磁性層54上，使可變磁性層54的磁化方向M10反轉(zhuǎn)。亦即，可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9平行，如圖17所示。由于可變磁性層54呈現(xiàn)強(qiáng)的單軸磁各向異性，所以如此反轉(zhuǎn)的此磁化狀態(tài)是穩(wěn)定的，以致即使終止在第二柵電極58施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態(tài)。
于是，采用本發(fā)明的信息記錄元件50，通過(guò)在第一柵電極58上或者第二柵電極60上施加電壓，無(wú)需使用磁場(chǎng)，即可以控制可變磁性層54的磁化方向M10，從而能夠基于可變磁性層54的磁化方向記錄雙電平信息。此外，采用本發(fā)明的信息記錄元件50，通過(guò)在第一柵電極58施加預(yù)置電壓或者通過(guò)在第二柵電極60施加預(yù)置電壓，可以使可變磁性層54的磁化方向M10反復(fù)地反轉(zhuǎn)。亦即，信息記錄元件50可以反復(fù)地重寫(xiě)信息。
在如圖12-17所示的信息記錄元件中，圖12-14所示信息記錄元件，具有的優(yōu)點(diǎn)是可變磁性層45位于其上表面，從而可以容易地讀出可變磁性層45的磁化方向M7的變化。另一方面，圖15-17所示信息記錄元件50，與圖12-14所示信息記錄元件相比具有的優(yōu)點(diǎn)是，其需要的表面積較小，從而可以使其具有更高的電路集成度。
在上述信息記錄元件30、40和50中，所用的可變磁性層34、45和54呈現(xiàn)單軸磁各向異性，從而可進(jìn)行雙電平記錄。但是，所用的可變磁性層相對(duì)于磁化取向可具有三個(gè)以上的最小各向異性能量點(diǎn)。如果采用相對(duì)于磁化取向具有三個(gè)以上的最小各向異性能量點(diǎn)的可變磁性層，則可以利用單個(gè)可變磁性層進(jìn)行三個(gè)以上值的多值記錄。
通過(guò)使隔離區(qū)域中如上具體所述含有磁性材料，即使隔離區(qū)域厚度較厚也可以在鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域之間產(chǎn)生磁交互作用。亦即，通過(guò)使隔離區(qū)域包含磁性材料，即使隔離區(qū)域的厚度較厚也可以控制磁化區(qū)域的磁化。亦即，采用本發(fā)明的上述第一方案，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需磁場(chǎng)即能夠控制磁化的磁化控制方法、和使用該磁化控制方法的信息記錄元件和信息記錄方法。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了可快速存取的理想的固體存儲(chǔ)器，使其具有更高的電路集成度，具有巨大的重寫(xiě)次數(shù)，是非易失的并且無(wú)串?dāng)_。
2．第二實(shí)施例本發(fā)明的第二方案應(yīng)用于如下構(gòu)成，其中含有導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層與多個(gè)磁性層層疊，使導(dǎo)電層設(shè)置在磁性層之間，電流在層疊組合的導(dǎo)電層中流動(dòng)，從而控制磁性層的磁化方向。以下將具體說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的磁化控制方法、信息功能元件、信息記錄方法、信息記錄元件和可變電阻元件的優(yōu)選實(shí)施例。
2-1磁化控制方法的原理首先，說(shuō)明磁化控制方法的基本原理。在本實(shí)施例中，無(wú)需依靠外加磁場(chǎng)，而是利用固體材料中的磁交互作用(交換作用)作為驅(qū)動(dòng)能量，在作為器件的構(gòu)成部分的磁性層中感應(yīng)磁化的反轉(zhuǎn)。由于磁化方向被反轉(zhuǎn)，所以其中感應(yīng)磁化反轉(zhuǎn)的磁性層可以稱為‘可變磁性層’，或者如果考慮信息記錄元件，則也可以稱為‘記錄介質(zhì)’。
交換作用正是鐵磁性材料內(nèi)部的原子的單向取向的磁矩的來(lái)源。如果一對(duì)磁性部件100、101相互接觸，交換作用就通過(guò)磁性部件100、101相互接觸的界面在其間起作用。如果磁性部件100、101不相互直接接觸而有中間層103夾于其間，交換作用則可以借助中間層103在磁性部件100、101之間作用。如果中間層103是磁性部件，它當(dāng)然傳遞交換作用。但是，如果中間層103本身是非磁性層，例如Au，或者是半導(dǎo)體，例如Si、Ge，已經(jīng)證實(shí)交換作用也通過(guò)中間層103傳遞。已經(jīng)提出了解釋交換作用的傳遞源的理論，例如RKKL模型。
這里采用這種交換作用來(lái)控制磁性部件的磁化方向。下面通過(guò)具體實(shí)施例說(shuō)明利用交換作用來(lái)控制磁化方向的方法。
假設(shè)磁性部件100、101相互不直接接觸，而是由中間層103分隔，如圖19所示。還假設(shè)磁性部件100是磁化方向易于改變的軟磁部件，而磁性部件101是磁化方向固定的永久磁體。還假設(shè)磁性部件100、101之間的中間層103是鐵磁性材料，但是具有低的居里溫度Tc(高于該溫度時(shí)磁性狀態(tài)是無(wú)序的)。
當(dāng)溫度高于中間層103的居里溫度Tc時(shí)，中間層103缺乏磁性有序，以致磁性部件101的作用不能傳遞到磁性部件100，從而在外磁場(chǎng)的作用下磁性部件100的磁化處于隨機(jī)取向。如果溫度降低到居里溫度Tc以下，則將在中間層103中產(chǎn)生磁性有序，從而，匹配磁性部件100、101的磁化方向的交互作用通過(guò)中間層103起作用。由于磁性部件101是永久磁體，所以至此仍在隨機(jī)方向取向的磁性部件100的磁化方向被改變成與磁性部件101的磁化方向相匹配。磁性部件100的磁化方向的這種變化不是由外磁場(chǎng)引起的，而是由固體材料中的交換作用引起的。
根據(jù)本發(fā)明，采用這種交換作用作為驅(qū)動(dòng)能源來(lái)控制磁性部件的磁化方向。但是，根據(jù)本發(fā)明，系利用電輸入控制交換作用，而不是如上所述的環(huán)境溫度。
根據(jù)本發(fā)明的磁功能元件，是采用以交換作用作為驅(qū)動(dòng)能源從而改變磁化方向的操作的元件。換言之，根據(jù)本發(fā)明的磁功能元件是由包含磁性材料和電輸入/輸出端的多薄膜的多層結(jié)構(gòu)制成的元件。鐵磁性材料的磁化方向的所述變化不是由施加于鐵磁性材料的外磁場(chǎng)的改變引起的，而是由固體材料中的交換作用的改變引起的。
亦即，在本發(fā)明的第二方案中，以固體材料中的交換作用作為驅(qū)動(dòng)能源，控制磁性部件的磁化方向。通過(guò)使用這種交換作用，構(gòu)成了一種信息記錄元件。采用具有幾十Oe的矯頑力、具有適中的磁化方向變化趨勢(shì)的磁性部件(以下稱為磁性部件A)作為記錄介質(zhì)，而采用由永久磁體形成的磁性部件(以下稱為磁性部件B)作為在記錄介質(zhì)上寫(xiě)入的驅(qū)動(dòng)能源?；诖判圆考嗀的磁化取向，實(shí)現(xiàn)包括雙值記錄的多值記錄。
以下說(shuō)明使用磁性部件A和磁性部B的交換作用，其中，具有幾十Oe的矯頑力、具有適中的磁化方向變化趨勢(shì)的磁性部件A被作為記錄介質(zhì)，永久磁體的磁性部件B被作為在記錄介質(zhì)上寫(xiě)入的驅(qū)動(dòng)能源。
假設(shè)磁性部件A和B均是層疊膜，其具有的接觸表面大于磁性部件的體積，可以有效地傳遞交換作用。在以下說(shuō)明中，具有幾十Oe的矯頑力、具有適中的磁化方向變化趨勢(shì)的磁性部件A的各層被作為記錄載體，因而稱為記錄載體層。而且，永久磁體形成的磁性部件B各層是固定的，以使其磁化方向不變，因而稱為固定磁性層。由于本發(fā)明期望降低信息記錄元件的尺寸，所以假設(shè)記錄載體層具有單磁疇結(jié)構(gòu)。
通常，由兩層之間的交換作用產(chǎn)生的勢(shì)能Uex正比于磁性部件A和B之間界面的面積S。如果記錄載體層的磁化方向是θ，固定磁性層的磁化方向是θf(wàn)lx則由兩層之間的交換作用產(chǎn)生的勢(shì)能Uex由下式(1-1)表示Uex=-S·J·cos(θ-θf(wàn)lx)…(1-1)其中J代表系數(shù)。
另一方面，在外磁場(chǎng)H中，記錄載體層具有由外磁場(chǎng)H產(chǎn)生的勢(shì)能(塞曼能)UZ。此勢(shì)能UZ由下式(1-2)表示UZ=-S·t·磁性半導(dǎo)體·H·(θ-θH)…(1-2)其中Ms是飽和磁化強(qiáng)度，t是厚度，θH是外磁場(chǎng)H的方向。
從上述公式(1-1)和(1-2)可見(jiàn)，由交換作用產(chǎn)生的勢(shì)能Uex和勢(shì)能UZ有相同形式。亦即，與外磁場(chǎng)類似，交換作用具有改變記錄載體層的磁化方向的作用。因此，交換作用的強(qiáng)度可以作為磁場(chǎng)等效值Hex控制。亦即，如果θf(wàn)lx和θH具有相同值，Uex等于UZ，則下式(1-3)成立-S·J·cos(θ-θf(wàn)lx)=-S·t·磁性半導(dǎo)體·Hex·cos(θ-θH)…(1-3)從而作為磁場(chǎng)計(jì)算的交換作用的強(qiáng)度的值Hex可以表示如下Hex=J/(Ms·t)(1-4)如果記錄載體層的矯頑力Hc小于磁場(chǎng)等效值Hex，則可以由交換作用產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。
至今為止，通過(guò)在導(dǎo)體中流過(guò)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)被施加給記錄介質(zhì)?？梢允┘佑谟涗浗橘|(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H由公式(3)表示，如上所述。亦即，如果通過(guò)在導(dǎo)體中流過(guò)電流而向記錄介質(zhì)施加磁場(chǎng)，則可以使用的磁場(chǎng)幅度正比于導(dǎo)體的直徑D’H=12500×D’[A/m]=156×D’[Oe]…(3)另一方面，從公式(1-4)可知，利用交換作用進(jìn)行的磁化反轉(zhuǎn)與界面表面積無(wú)關(guān)。因此，在元件尺寸趨向于更為精細(xì)的技術(shù)進(jìn)程中，根據(jù)本發(fā)明利用交換作用實(shí)現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)的操作超越傳統(tǒng)的利用磁場(chǎng)的操作的時(shí)代必定來(lái)臨。
如果交換作用的值是J=0.05mJ/m2，記錄載體層的厚度t是t=10nm，記錄載體層的飽和磁化強(qiáng)度Ms是Ms=1T，把這些值代入上述公式(1-4)，則磁場(chǎng)等效值Hex是Hex=5000A/m=630Oe。另一方面，當(dāng)直徑D’=0.4μm時(shí)，由上述公式(3)表示的磁場(chǎng)強(qiáng)度H是630Oe。
亦即，根據(jù)本發(fā)明的磁化控制方法比利用通過(guò)導(dǎo)體流過(guò)電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方法更有效的元件尺寸是亞微米范圍。如果考慮近來(lái)的技術(shù)趨勢(shì)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，在例如磁性存儲(chǔ)器中，設(shè)計(jì)規(guī)則肯定將達(dá)到亞微米數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)本發(fā)明的磁化控制方法將來(lái)顯然將優(yōu)于使用通過(guò)在導(dǎo)體中流過(guò)電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方法。
為了對(duì)比，圖20分別針對(duì)使用通過(guò)在導(dǎo)體中流過(guò)電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的現(xiàn)行磁場(chǎng)系統(tǒng)和利用固體材料中的交換作用的交換耦合系統(tǒng)，展示了信息記錄元件的單元尺寸L和可以用于驅(qū)動(dòng)記錄載體層的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)H之間的關(guān)系。圖20中，實(shí)線A和虛線B分別代表現(xiàn)行磁場(chǎng)系統(tǒng)和交換耦合系統(tǒng)。在現(xiàn)行磁場(chǎng)系統(tǒng)中，假設(shè)導(dǎo)體的直徑D’是單元尺寸的0.8倍。
參見(jiàn)圖20，對(duì)于現(xiàn)行磁場(chǎng)系統(tǒng)，單元尺寸越小，可以從導(dǎo)體施加的磁場(chǎng)就越小。另一方面，由于層疊結(jié)構(gòu)中的交換耦合作用與單元尺寸無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)規(guī)則越精細(xì)，交互耦合系統(tǒng)就越優(yōu)越。
在利用交換作用控制記錄載體層的磁化的情況下，由于交換作用的磁場(chǎng)等效值Hex如上所述與單元尺寸無(wú)關(guān)，即使設(shè)計(jì)規(guī)則變精細(xì)，大矯頑力的磁性薄膜也可以用做記錄介質(zhì)。具體地，從圖20可知，即使單元尺寸極小，矯頑力超過(guò)幾十Oe的磁性薄膜也可以用做記錄載體層。同時(shí)，如果飽和磁化強(qiáng)度Ms降低，則可以進(jìn)一步提高記錄載體層的矯頑力。而且由于應(yīng)用本發(fā)明的磁化反轉(zhuǎn)操作取決于僅在兩種接觸材料之間產(chǎn)生的交換作用，所以可以避免在別的情況下會(huì)與相鄰元件產(chǎn)生的串?dāng)_。
2-2元件的具體實(shí)施例以下說(shuō)明使用上述原理的根據(jù)本發(fā)明的元件的具體實(shí)施例。
圖21、22展示了根據(jù)本發(fā)明的磁功能元件的一個(gè)實(shí)施例。參見(jiàn)圖21、22，磁功能元件110包括，形成在玻璃基片111上的固定磁性層112、形成在固定磁性層112上的導(dǎo)電層113、與導(dǎo)電層113兩端連接的電極114、115和通過(guò)絕緣層116形成在導(dǎo)電層113上的可變磁性層117。
固定磁性層112由高矯頑力的氧化物磁性材料形成，并且穩(wěn)定在恒定的磁化方向。亦即，固定磁性層112之所以被稱為‘固定磁性層’，意思是該元件具有恒定的磁化方向。相反，可變磁性層117由低矯頑力的磁性材料形成。采用本發(fā)明的磁功能元件110，可以控制可變磁性層117的磁化方向。亦即，可變磁性層117之被稱為‘可變磁性層’，意味著該層117具有可變的磁化方向。
由導(dǎo)電材料形成的導(dǎo)電層113用來(lái)控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁性耦合狀態(tài)。亦即，導(dǎo)電層113可以說(shuō)是用于控制固定磁性層112與可變磁性層117的磁性耦合狀態(tài)的層。
采用本發(fā)明的磁功能元件110，可以通過(guò)電極114、115使電流流過(guò)導(dǎo)電層113，改變固定磁性層112和可變磁性層117之間的交換作用，控制可變磁性層117的磁化方向。換言之，可以采用本發(fā)明的磁功能元件110，通過(guò)電輸入控制交換作用，從而控制其磁化方向。
此時(shí)，在磁功能元件110中，由高電阻的氧化物材料形成的固定磁性層112作為導(dǎo)電層113的下層，而布置高電阻的絕緣層116覆蓋導(dǎo)電層113。通過(guò)形成高電阻層作為導(dǎo)電層113的上層和下層，可以使從電極114、115施加的電流有效地聚集在導(dǎo)電層113中。因此，可以利用弱電流驅(qū)動(dòng)磁功能元件110。
此時(shí)，對(duì)具有控制可變磁性層117的磁化方向的功能的磁功能元件110的使用沒(méi)有特別限制。例如，磁功能元件可以用做電光調(diào)制器、信息記錄元件、可變電阻元件或者用做放大元件，如下所述。
2-2-1-1磁功能元件的制造方法使用五極(quintenary)磁控管濺射器件，實(shí)際制造磁功能元件110。制造工序如下(ⅰ)固體磁性層的形成首先，在BK-7的玻璃基片111上形成鈷鐵氧體薄膜的固定磁性層112。具體地，采用第一掩膜，其具有在垂直或Y方向?yàn)?0μm、在水平或X方向?yàn)?20μm的矩形開(kāi)口，在加熱到250℃的玻璃基片111上淀積鈷鐵氧體薄膜。采用CoFe2O4燒結(jié)靶，通過(guò)RF-磁控管濺射，以0.3nm/s的淀積速率，淀積厚300nm的鈷鐵氧體薄膜。作為濺射氣體，采用混合有10％的O2的Ar氣，并且以3mTorr的濺射氣壓按20sccm的速率供氣。
(ⅱ)導(dǎo)電層的形成導(dǎo)電層113，作為Cr膜和Fe-Ag膜交替形成的多層膜，形成于固定磁性層112上。具體地，在形成有固定磁性層112的玻璃基片111交替地處于各個(gè)靶之上的同時(shí)，同步地濺射Fe-Ag鑲嵌靶和Cr靶，以便在室溫下在玻璃基片111上反復(fù)淀積Cr膜和Fe-Ag膜，該鑲嵌靶是由以15°的圓心角布置在Fe靶上的六個(gè)扇形Ag板組成的。調(diào)節(jié)膜厚以使每層Cr膜具有0.9nm的膜厚、每層Fe-Ag膜具有1.5nm的膜厚。調(diào)節(jié)層疊順序以使Fe-Ag膜首先淀積在固定磁性層112上，并且在16個(gè)半的周期之后淀積Fe-Ag膜作為最上層。
(ⅲ)絕緣層的形成然后在導(dǎo)電層113上形成氧化鋁的絕緣層116。具體地，在淀積的圖形中央布置具有20μm×20μm正方形開(kāi)口的Mo掩膜，在其上再淀積A1薄膜。然后，利用濺射器件的基片蝕刻功能，對(duì)Al薄膜進(jìn)行等離子體氧化，形成絕緣層116。Al薄膜的等離子體氧化在混合有5％的O2的Ar氣氛中，以10mTorr的氣壓進(jìn)行。
(ⅳ)可變磁性層的形成然后在絕緣層116上形成Ni78Fe22合金薄膜構(gòu)成的可變磁性層117。具體地，與淀積的圖形對(duì)準(zhǔn)地在玻璃基片111上布置具有3μm×3μm正方形開(kāi)口的Mo掩膜。玻璃基片111被加熱到160℃，在其上淀積厚110nm的Ni78Fe22合金薄膜。在平行于圖形的縱向側(cè)(在Y方向)的方向上施加50Oe的磁場(chǎng)，以便對(duì)厚10nm的Ni78Fe22合金薄膜賦予磁各向異性。
(ⅴ)電極的形成然后，在導(dǎo)電層113兩端形成Au電極114、115。具體地，淀積尺寸為100μm長(zhǎng)、100μm寬和200μm厚的Au薄膜，以便覆蓋導(dǎo)電層113的兩端，亦即覆蓋在先淀積的圖形的左端和右端。
(ⅵ)固定磁性層的磁化最后，在室溫于平行于圖形水平側(cè)(X方向)的方向上利用電磁體施加2kOe的磁場(chǎng)，制成如圖21和22所示的磁功能元件110，其中固定磁性層112的磁化方向取向在X方向。
2-2-1-2交換作用的證實(shí)在如上所述制造的磁功能元件110上施加外磁場(chǎng)，觀察可變磁性層117的磁化磁滯，以證實(shí)交換作用的存在。結(jié)果如下為了觀察可變磁性層117的磁化磁滯，利用了正比于材料表面層的磁化的磁光克爾效應(yīng)MOKE。具體地，在X-Z平面布置一組MOKE測(cè)量器件，在Y-Z平面布置另一組MOKE測(cè)量器件，以便測(cè)量正比于X方向磁化分量和正比于Y方向磁化分量的克爾旋轉(zhuǎn)角。
用于測(cè)量Ｘ方向的克爾旋轉(zhuǎn)角的MOKE測(cè)量器件，包括由布置在X-Z平面的用于發(fā)射670nm波長(zhǎng)可見(jiàn)光激光的半導(dǎo)體激光器121x、光偏振器122x、第一透鏡123x、第二透鏡124x、光偏振器125x和光電探測(cè)器126x組成的光學(xué)系統(tǒng)，如圖23所示。MOKE測(cè)量器件通過(guò)偏振器122x和第一透鏡123x把半導(dǎo)體激光器121x發(fā)射的激光照射在磁功能元件110的可變磁性層117上，借助第二透鏡124x和光偏振器125x利用光電探測(cè)器126x檢測(cè)從可變磁性層117反射的光，測(cè)量正比于X方向磁化分量的克爾旋轉(zhuǎn)角。注意應(yīng)設(shè)定照射在磁功能元件110的可變磁性層117上的激光的入射角和激光的偏振面，以便僅可以有效地檢測(cè)起因于可變磁性層117的MOKE。
用于測(cè)量Y方向的克爾旋轉(zhuǎn)角的MOKE測(cè)量器件，包括由布置在Y-Z平面的用于照射670nm波長(zhǎng)可見(jiàn)光的半導(dǎo)體激光器121y、光偏振器122y、第一透鏡123y、第二透鏡124y、光偏振器125y和光電探測(cè)器126y組成的光學(xué)系統(tǒng)，如圖23所示。MOKE測(cè)量器件通過(guò)偏振器122y和第一透鏡123y把半導(dǎo)體激光器121y發(fā)射的激光照射在磁功能元件110的可變磁性層117上，借助第二透鏡124y和光偏振器125y利用光電探測(cè)器126y檢測(cè)從可變磁性層117反射的光，測(cè)量正比于Y方向磁化分量的克爾旋轉(zhuǎn)角。注意應(yīng)設(shè)定照射在磁功能元件110的可變磁性層117上的激光的入射角和激光的偏振面，以便僅可以有效地檢測(cè)起因于可變磁性層117的MOKE。
為了觀察可變磁性層117的磁化磁滯，對(duì)磁功能元件110施加強(qiáng)度和取向均可變的外磁場(chǎng)。利用布置在磁功能元件110兩側(cè)的一對(duì)線圈127、128，對(duì)磁功能元件110施加外磁場(chǎng)，如圖23所示。通過(guò)改變線圈127、128中流動(dòng)的電流和線圈127、128的位置，改變施加在磁功能元件110上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和取向。
此時(shí)，使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)VSM測(cè)量固定磁性層112的平面內(nèi)磁化曲線。發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)滿意的矩形形狀的磁化曲線，矯頑力是1060Oe。于是，在±50Oe以下的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度利用MOKE觀察可變磁性層117的磁化磁滯，以便不引起在X方向磁化的固定磁性層的磁化狀態(tài)的變化。觀察到四種磁化磁滯，亦即在可變磁性層117中無(wú)電流的條件下的X方向的磁化磁滯，在可變磁性層117中無(wú)電流的條件下的Y方向的磁化磁滯，在可變磁性層117中有電流的條件下的X方向的磁化磁滯，和在可變磁性層117中有電流的條件下的Y方向的磁化磁滯。
首先，觀察在導(dǎo)電層113中未施加電流的條件下的磁化磁滯。在X方向和Y方向的磁化磁滯的觀察結(jié)果分別展示在圖24的左上側(cè)和右上側(cè)。圖24左上側(cè)所示的X方向的磁化磁滯呈現(xiàn)左右對(duì)稱軸向左偏移的磁滯曲線。從此可見(jiàn)，可變磁性層受到對(duì)X方向的磁化敏感的偏磁作用。另一方面，展示在圖24右上側(cè)的Y方向磁化磁滯表明，在導(dǎo)電層113中無(wú)電流流動(dòng)的條件下，在零磁場(chǎng)中的Y方向剩余磁化極小。從此可見(jiàn)，在零磁場(chǎng)中，可變磁性層117的磁化方向基本取向在X方向。
然后，隨著向?qū)щ妼?13饋送1.2mA的電流，觀察可變磁性層117的磁化磁滯。在X方向和Y方向的磁化磁滯的觀察結(jié)果分別展示在左下側(cè)和右下側(cè)。從這些觀察結(jié)果可見(jiàn)，如果通過(guò)導(dǎo)電層113饋送電流，則可變磁性層117呈現(xiàn)在Y方向易磁化的特性。
此時(shí)，如果終止電流源從而觀察可變磁性層117的磁化磁滯，可變磁性層117顯示的磁化磁滯如圖24上側(cè)所示。這表明是否通過(guò)可變磁性層117施加電流所引起的變化具有可逆性質(zhì)。
為了對(duì)比，在非磁性基片上僅形成Ni-Fe合金薄膜，觀察Ni-Fe合金薄膜的磁化磁滯。結(jié)果展示在圖25。通過(guò)在如下環(huán)境下，即如同形成可變磁性層117時(shí)那樣在Y方向施加磁場(chǎng)，在玻璃基片上直接淀積Ni-Fe合金薄膜，從而制得用于上述觀察的樣品。在Y方向施加磁場(chǎng)的環(huán)境下制備的Ni-Fe合金薄膜的Y方向的磁化曲線，展示了高矯頑力和高剩磁，這表明在此Ni-Fe合金薄膜內(nèi)建立了Y方向易磁化的磁各向異性。
從圖25可見(jiàn)，在磁場(chǎng)中淀積的Ni-Fe合金薄膜在施加磁場(chǎng)的方向具有易磁化軸。因此，磁功能元件110的可變磁性層117本身在Y方向具有易磁化軸。圖24所示觀察結(jié)果的特征被認(rèn)為反映了來(lái)自下層的效應(yīng)。
如果未向?qū)щ妼?13饋送電流，則可變磁性層117在零磁場(chǎng)中被偏置，從而易于在X方向磁化。這提示，使磁化方向取向的鐵磁性交換作用是從在+X方向磁化的下層傳遞而來(lái)的。另一方面，如果通過(guò)導(dǎo)電層113施加電流，則可變磁性層117呈現(xiàn)與圖25所示對(duì)比樣品的觀察結(jié)果相似的特性，于是更顯著地表明了可變磁性層本身獨(dú)有的特性。由此可見(jiàn)，通過(guò)在導(dǎo)電層113流過(guò)電流，減弱了來(lái)自下層的影響。
上述觀察結(jié)果表明，在可變磁性層117和作為可變磁性層117的下層的固定磁性層112之間存在交換作用，而通過(guò)對(duì)導(dǎo)電層113施加電流可減弱交換作用。
2-2-1-3轉(zhuǎn)換操作的證實(shí)圖26展示了從圖24讀出的在零磁場(chǎng)狀態(tài)中各個(gè)方向的磁化分量的比例、和從該讀出比例估算的可變磁性層117的磁化矢量的取向。圖26中，矢量A和B分別表示在通入電流狀態(tài)和未通入電流狀態(tài)的可變磁性層117的磁化矢量的取向。
從圖26可見(jiàn)，可變磁性層117的磁化絕對(duì)值不變，磁化方向與X方向的夾角在約20°和約85°之間轉(zhuǎn)換。這實(shí)際上證實(shí)了通過(guò)施加給導(dǎo)電層113的電流的導(dǎo)通/截止，可變磁性層117的磁化矢量在這兩個(gè)方向轉(zhuǎn)換。
證實(shí)轉(zhuǎn)換操作時(shí)，同時(shí)使用如圖23所示的兩組MOKE測(cè)量器件，對(duì)正比于可變磁性層117的X方向磁化分量的X方向克爾旋轉(zhuǎn)角和正比于可變磁性層117的Y方向磁化分量的Y方向克爾旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行監(jiān)視的同時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)換導(dǎo)電層113的電流導(dǎo)通/截止。
結(jié)果如圖27所示，其中θk-x表示X方向的克爾旋轉(zhuǎn)角，θk-y表示Y方向的克爾旋轉(zhuǎn)角，I表示施加于導(dǎo)電層113的電流。從圖27可見(jiàn)，在可變磁性層117的磁化方向，觀察到與饋給導(dǎo)電層113的電流的導(dǎo)通/截止操作同步的變化，還應(yīng)注意到只要對(duì)導(dǎo)電層113有電流輸入，則就有輸出改變的‘瞬時(shí)’轉(zhuǎn)換。
此時(shí)，當(dāng)電流施加給導(dǎo)電層113時(shí)，可變磁性層117的磁化矢量在該矢量與電流流動(dòng)方向所成夾角增加的方向發(fā)生變化。但是，無(wú)論電流極性是否變化，發(fā)生轉(zhuǎn)換的夾角范圍不變。由此可見(jiàn)，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在改變可變磁性層117的磁化方向上的作用較小，完成轉(zhuǎn)換操作的原動(dòng)力在于交換作用的變化。
此時(shí)，在磁功能元件中，導(dǎo)電層113的上層和下層由電阻明顯大于導(dǎo)電層113的氧化物形成。因此，通過(guò)電極114、115施加的1.2mA電流基本僅流過(guò)導(dǎo)電層113。在磁功能元件110中，寬20μm的導(dǎo)電層113參與3μm×3μm的可變磁性層117的轉(zhuǎn)換操作的部分僅是中央3μm的部位。因此，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換操作的凈電流是0.18mA。
按此方式，采用磁功能元件110，可以用極小的電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換操作。在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，據(jù)報(bào)道，為了控制記錄載體而在導(dǎo)體中流過(guò)的電流可減小到約1mA。采用上述磁功能元件，可以用明顯更小的電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。此外，采用由交換作用控制磁化的本發(fā)明系統(tǒng)，如果單元尺寸較小，則轉(zhuǎn)換操作所需電流可以進(jìn)一步減小。同時(shí)，如果對(duì)導(dǎo)電層113施加1.3mA的電流，電流密度大約是1.56×109A/m2。此值與為了控制記錄載體磁化而在導(dǎo)體中流過(guò)的電流密度具有基本相同的數(shù)量級(jí)。
2-2-2-4導(dǎo)電層的操作采用上述磁功能元件110，反復(fù)層疊Cr和Fe-Ag膜獲得的多層膜用做導(dǎo)電層113，控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的交換作用。以下說(shuō)明通過(guò)導(dǎo)電層113來(lái)控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的交換作用的機(jī)理。
在由層疊在一起的Cr和Fe膜組成的多層膜中，如果Cr層的厚度選擇為適當(dāng)?shù)闹?，例?.7nm，則可按照已知方式實(shí)現(xiàn)反鐵磁性耦合，其中Cr膜兩側(cè)的Fe膜的磁化相互反平行。如果采用Fe-Ag膜代替Fe膜，Cr膜兩側(cè)可有類似的磁性離合。但是應(yīng)注意，如果采用Fe-Ag膜代替Fe膜，由于含有Ag，整個(gè)多層膜的磁性耦合變?nèi)酢?br> 由于存在偶數(shù)層的Cr膜，所以在最下的Fe-Ag膜和最上的Fe-Ag膜之間產(chǎn)生了鐵磁性耦合，趨向于使兩層的磁矩取相同的方向和相同的強(qiáng)度。
最初層疊的Fe-Ag膜與鈷鐵氧體薄膜制成的固定磁性層112鐵磁性耦合。另一方面，由氧化鋁形成的絕緣層116形成在Fe-Ag膜上，最后層疊。此絕緣層116具有極薄的厚度，因此具有許多針孔。于是，最上的Fe-Ag膜通過(guò)針孔與形成于其上的Ni-Fe合金薄膜的可變磁性層117鐵磁性耦合。如果在正向追蹤從固定磁性層112到可變磁性層117的耦合，則可發(fā)現(xiàn)鐵磁性耦合產(chǎn)生在固定磁性層112和可變磁性層117之間，符合根據(jù)圖24上側(cè)所示的磁特性得出的結(jié)論。
當(dāng)對(duì)導(dǎo)電層113施以電流時(shí)，固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁耦合被減弱。但是難以用單一理由解釋磁耦合的衰減。如果要設(shè)想其機(jī)理，可以認(rèn)為，如果對(duì)導(dǎo)電層113施以電流，則由電流在導(dǎo)電層113中產(chǎn)生過(guò)多的電子散射，以致在相對(duì)于層疊膜的膜表面的垂直方向傳遞自旋，從而干擾了在上下磁性層之間傳遞交換作用的電子，從而減弱了磁性耦合。還可以設(shè)想，由于電流引起的升溫減弱了導(dǎo)電層中的磁性有序，所以磁性耦合被電流引起的升溫所分離，從而減弱了由整個(gè)導(dǎo)電層傳遞的磁性耦合的強(qiáng)度。
導(dǎo)電層113的例子如圖28所示。如同圖28所示，導(dǎo)電層113A由多層磁性層113a和位于磁性層113a之間的中間層113b制成。雖然導(dǎo)電層113A由四層磁性層113a和三層中間層113b制成，而上述磁功能元件110所用的導(dǎo)電層113是由17層磁性層113a和16層中間層113b制成的。但是對(duì)層數(shù)沒(méi)有特別限制，可以根據(jù)期望的磁性耦合狀態(tài)適當(dāng)?shù)馗淖儭?br> 而且，在磁功能元件110的導(dǎo)電層113中，F(xiàn)e-Ag膜用做磁性層113a,Cr膜用做中間層113b。但是，磁性層113a或者中間層113b的材料并不限于這些材料。
例如，可以使用鐵磁性材料，例如Fe、Co或Ni，或者它們與非磁性金屬的合金。作為中間層113b，可以使用幾乎任何金屬物質(zhì)。例如可以使用Ti、V、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。而且，本身在室溫呈現(xiàn)反鐵磁性的Cr，在其用于上述導(dǎo)電層113的同時(shí)，自然也可以用做中間層113b。在具有此層疊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層113A中，可以任意地通過(guò)例如磁性層113a的類型、中間層113b的厚度、磁性層113a或中間層113b的層數(shù)，進(jìn)行改變，無(wú)論所得磁性耦合是鐵磁性還是反鐵磁性，或者磁性耦合強(qiáng)度怎樣。
同時(shí)，只要磁性功能元件110中所用的導(dǎo)電層113具有改變磁交互作用在固相的傳播方式的功能就足夠了。因此，導(dǎo)電層113可以由含呈現(xiàn)單相磁性有序的材料和非磁性材料的復(fù)合材料形成。此時(shí)，導(dǎo)電層113的形成可以無(wú)需為方便導(dǎo)電層113的形成而使用多維濺射設(shè)備。
導(dǎo)電層113可以由層疊薄膜或者組成調(diào)制膜構(gòu)成，這是交替形成鐵磁性成分區(qū)和非磁性成分區(qū)獲得的。其優(yōu)點(diǎn)在于易于控制導(dǎo)電層113的結(jié)構(gòu)，從而保證性能的高再現(xiàn)性。此外，通過(guò)改變膜厚或者說(shuō)層疊周期，可以容易地實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)或性能的匹配。這是如圖28所示的導(dǎo)電層113A的情形。
導(dǎo)電層113可以是具有鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物。由于有不同強(qiáng)度的磁性耦合的多種路徑，所以可以通過(guò)從較弱耦合路徑開(kāi)始移動(dòng)路徑來(lái)逐漸降低磁性耦合。因此，此結(jié)構(gòu)特別適合于模擬操作，如同在以下將說(shuō)明的可變電阻元件的情形下一樣。
圖29展示了由鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物構(gòu)成的導(dǎo)電層113的典型例子。如圖29所示的導(dǎo)電層113B具有微粒分散結(jié)構(gòu)，其中鐵磁性顆粒113c分散在微粒分散結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層113B中的非磁性材料113d內(nèi)，磁性耦合在作用類似于樓梯石階的鐵磁性顆粒中傳輸，結(jié)果布置在導(dǎo)電層113B兩側(cè)的固定磁性層112和可變磁性層117就磁性耦合起來(lái)。
鐵磁性顆粒間的磁性耦合極弱，所以如果電流在導(dǎo)電層113B中流動(dòng)，則磁性耦合因過(guò)多電子散射和溫升而趨于分離。亦即，在微粒分散結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層113B中，布置在其兩側(cè)的固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁性耦合，依賴于鐵磁性顆粒間的弱磁性耦合，以致宏觀磁性耦合趨于因?qū)щ妼?13B中流動(dòng)的電流而被分離。
在微粒分散結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層113B中，針對(duì)構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層113A的導(dǎo)電層113a所列舉的上述材料，可以用做鐵磁性顆粒113c的材料。而且，針對(duì)構(gòu)成層疊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層113A的中間層113b所列舉的上述材料，可以用做鐵磁性顆粒113c分散于其內(nèi)的非磁性層113d的材料。
同時(shí)，微粒分散結(jié)構(gòu)也可以用做層疊結(jié)構(gòu)的構(gòu)成單元。雖然Fe-Ag膜用做磁性功能元件110的導(dǎo)電層113，但是非固溶體式的兩相混合物材料形成的Fe-Ag膜，可以正確地說(shuō)成是微粒分散結(jié)構(gòu)。
導(dǎo)電層113不僅可以由共存的兩相構(gòu)成，而且還可以由在靠近補(bǔ)償點(diǎn)的狀態(tài)的單相鐵磁性材料構(gòu)成。在靠近補(bǔ)償點(diǎn)的狀態(tài)的單相鐵磁性材料，在外加激勵(lì)作用下，其宏觀磁特性呈現(xiàn)顯著的變化。于是，通過(guò)使用在靠近補(bǔ)償點(diǎn)的狀態(tài)的單相鐵磁性材料作為導(dǎo)電層113的材料，可以控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁性耦合狀態(tài)，或者直接調(diào)制用于可變磁性層117的偏磁。
2-2-1-5輸出方法在上述實(shí)驗(yàn)中，系通過(guò)使用MOKE對(duì)用于轉(zhuǎn)換可變磁性層117的磁化方向的轉(zhuǎn)換操作的結(jié)果進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。這相當(dāng)于將磁性功能元件110作為電光調(diào)制單元工作。但是，用于改變可變磁性層117的磁化方向的轉(zhuǎn)換操作的結(jié)果也可以作為電輸出而獲得。
如果用于可變磁性層117的磁化方向的轉(zhuǎn)換操作的結(jié)果要作為電輸出獲得，則將非磁性金屬的隔離層130和具有固定磁化方向的磁性金屬的磁性層131布置在可變磁性層117上，如圖30所示。通過(guò)在可變磁性層117上布置隔離層130和磁性層131，利用可變磁性層117、隔離層130和磁性層131的自旋閥作用，可以檢測(cè)電阻的變化，從而檢測(cè)可變磁性層117的磁化方向的變化。
具體地，構(gòu)成輸出電路132，用于互連可變磁性層117和磁性層131，如圖30所示。此時(shí)，電阻根據(jù)可變磁性層117的磁化方向與磁性層131磁化方向的夾角而變化，從而改變?cè)谳敵鲭娐分辛鲃?dòng)的輸出電流。
同時(shí)，利用隧道磁致電阻效應(yīng)，而不利用自旋閥效應(yīng)，也可以檢測(cè)用于改變可變磁性層117的磁化方向的轉(zhuǎn)換操作的結(jié)果。當(dāng)使用隧道磁致電阻效應(yīng)時(shí)，隔離層130由絕緣材料形成。如果使用絕緣材料作為隔離層130，則可以利用隧道磁致電阻效應(yīng)改變輸出電路132中的電流。
或者，四個(gè)接線端可以適當(dāng)?shù)剡B接于可變磁性層117，用于根據(jù)可變磁性層117的磁化方向通過(guò)霍爾效應(yīng)獲得電壓輸出。
2-2-2一次寫(xiě)入式信息記錄元件以下說(shuō)明使用通過(guò)電流產(chǎn)生的交換作用的一次寫(xiě)入式信息記錄元件。
此時(shí)，使可變磁性層的磁化方向在一定方向取向的操作稱為驅(qū)動(dòng)操作。對(duì)可變磁性層施加驅(qū)動(dòng)操作的層被稱為驅(qū)動(dòng)層。在以下說(shuō)明中，對(duì)應(yīng)于上述磁性功能元件110的固定磁性層112和導(dǎo)電層113總稱為一個(gè)驅(qū)動(dòng)層。
2-2-2-1正邏輯驅(qū)動(dòng)式信息記錄元件利用交換作用的調(diào)制能夠僅一次寫(xiě)入的信息記錄元件的例子如圖31A-31C所示，這些是示意圖，展示了信息記錄元件的驅(qū)動(dòng)原理，沒(méi)有具體展示輸出或輸入電路的布線。
參見(jiàn)圖31A-31C，信息記錄元件140包括驅(qū)動(dòng)層141，其上形成有呈現(xiàn)單軸磁各向異性的磁性材料142，元件140適合于基于可變磁性層142的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。在圖31A-31C中，箭頭M1和A1代表可變磁性層142的磁化方向和從驅(qū)動(dòng)層141作用在可變磁性層142上的驅(qū)動(dòng)操作。
此信息記錄元件140是所謂的‘正邏輯驅(qū)動(dòng)式’元件，其中，改變可變磁性層142的磁化方向時(shí)，驅(qū)動(dòng)操作A1從驅(qū)動(dòng)層141作用于可變磁性層142。以下說(shuō)明信息記錄元件140的驅(qū)動(dòng)原理。
采用本發(fā)明的信息記錄元件140，可變磁性層142的磁化方向設(shè)定在復(fù)位狀態(tài)，以便與來(lái)自驅(qū)動(dòng)層141的驅(qū)動(dòng)操作方向A1相反，如圖31A所示。在圖31A-31C的例子中，驅(qū)動(dòng)操作的方向A1向左，在復(fù)位狀態(tài)中可變磁性層142的磁化方向M1向右。在此復(fù)位狀態(tài)下，電流施加給驅(qū)動(dòng)層141的導(dǎo)電層，從而以使從驅(qū)動(dòng)層141向可變磁性層142的驅(qū)動(dòng)操作A1終止。
為了改變可變磁性層142的磁化方向M1，以設(shè)定寫(xiě)入信息的導(dǎo)通狀態(tài)，終止施加于構(gòu)成驅(qū)動(dòng)層141的導(dǎo)電層的電流。這樣在驅(qū)動(dòng)層141和可變磁性層142之間產(chǎn)生了交換作用，同時(shí)產(chǎn)生了從驅(qū)動(dòng)層141向可變磁性層142的驅(qū)動(dòng)操作。
此時(shí)，從驅(qū)動(dòng)層141作用在可變磁性層142上的驅(qū)動(dòng)操作A1，應(yīng)具有超過(guò)可變磁性層142矯頑力的強(qiáng)度。如果驅(qū)動(dòng)操作A1超過(guò)可變磁性層142的矯頑力，則在處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)可變磁性層142的磁化被反轉(zhuǎn)，從而使可變磁性層142的磁化方向與驅(qū)動(dòng)操作A1的方向相匹配。亦即，采用本發(fā)明的信息記錄元件140，當(dāng)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)可變磁性層142的磁化方向M1反轉(zhuǎn)向左。
如果之后電流施加在驅(qū)動(dòng)層141的導(dǎo)電層，阻止從驅(qū)動(dòng)層141向可變磁性層142的驅(qū)動(dòng)操作A1，由于單軸磁各向異性，可變磁性層142的反轉(zhuǎn)的磁化方向M1被保持，如圖31C所示。亦即，如果從驅(qū)動(dòng)層141作用在可變磁性層142的驅(qū)動(dòng)操作A1被禁止，則磁性材料142的磁化方向M1已被反轉(zhuǎn)的設(shè)定狀態(tài)被保持，如圖31C所示。
采用本發(fā)明的信息記錄元件140，如上所述，通過(guò)轉(zhuǎn)換施加在構(gòu)成驅(qū)動(dòng)層141的導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止，可以使可變磁性層142的磁化方向反轉(zhuǎn)，于是，可以基于可變磁性層142的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。應(yīng)注意信息記錄元件140必須連續(xù)對(duì)驅(qū)動(dòng)層141的導(dǎo)電層施以電流，以便保持復(fù)位狀態(tài)，因而不是非易失存儲(chǔ)器。
作為上述信息記錄元件140，本發(fā)明人實(shí)際制備了類似于圖21和22所示磁性功能元件110的元件，包括玻璃基片，其上形成有在-X方向磁化的鈷鐵氧體薄膜的固定磁性層，由反復(fù)層疊Cr膜和Fe-Ag膜形成的多層導(dǎo)電膜，氧化鋁的絕緣層，具有在X方向的易磁化軸的Ni-Fe合金薄膜的可變磁性層。
通過(guò)改變施加給導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)而產(chǎn)生的可變磁性層的磁化方向的變化通過(guò)測(cè)量MOKE而加以檢測(cè)。具體地，通過(guò)饋給導(dǎo)電層電流，同時(shí)在+X方向施加40Oe的磁場(chǎng)，以使可變磁性層的磁化取向在+X方向。然后去掉施加的磁場(chǎng)，而對(duì)導(dǎo)電層仍連續(xù)提供電流。此時(shí)發(fā)現(xiàn)，可變磁性層的磁化保持在+X方向，終止電流時(shí)磁化則反轉(zhuǎn)為-X方向。
由此發(fā)現(xiàn)，通過(guò)轉(zhuǎn)換施加給導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止，可以改變可變磁性層的磁化方向，能夠進(jìn)行一次寫(xiě)入操作。但是應(yīng)注意此時(shí)可變磁性層的轉(zhuǎn)換操作，不是把可變磁性層的磁化方向和X方向之間的角度從約20°改變?yōu)榧s85°的轉(zhuǎn)換操作，而是在平行和反平行之間的轉(zhuǎn)換操作。
2-2-2-2負(fù)邏輯驅(qū)動(dòng)式信息記錄元件能夠進(jìn)行利用電流調(diào)制交換作用的一次寫(xiě)入操作的信息記錄元件的一種改進(jìn)如圖32A-32C所示。此時(shí)，圖32A-32C是示意圖，類似于圖31A-31C，用于展示信息記錄元件的驅(qū)動(dòng)原理，沒(méi)有具體展示用于輸出或輸入電路的布線。
參見(jiàn)圖32A-32C，展示了信息記錄元件150，其中，在驅(qū)動(dòng)層151上形成具有單軸磁各向異性的可變磁性層152，在可變磁性層152上形成反鐵磁性層153，用于施加與從驅(qū)動(dòng)層151向可變磁性層152的驅(qū)動(dòng)作用反向的驅(qū)動(dòng)作用，以便能夠基于可變磁性層152的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。在圖32A-32C中，箭頭A1、A2和M1分別代表從驅(qū)動(dòng)層151向可變磁性層152的驅(qū)動(dòng)操作、從反鐵磁性層153向可變磁性層153的驅(qū)動(dòng)操作、和可變磁性層152的磁化方向。
此信息記錄元件150是所謂的負(fù)邏輯驅(qū)動(dòng)式元件，其中當(dāng)從驅(qū)動(dòng)層151向可變磁性層152的驅(qū)動(dòng)操作A1終止時(shí)，可變磁性層152的磁化方向M1被改變。以下說(shuō)明信息記錄元件150的驅(qū)動(dòng)原理。
在此信息記錄元件150中，可變磁性層152的磁化方向M1設(shè)定在與復(fù)位狀態(tài)中的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向相同的方向，如圖32A所示。在圖32A-32C的例子中，驅(qū)動(dòng)操作的方向A1向右，在復(fù)位狀態(tài)中的可變磁性層152的磁化方向M1向右。
在此信息記錄元件150中，在復(fù)位狀態(tài)對(duì)驅(qū)動(dòng)層151的導(dǎo)電層未施加電流。因此，在復(fù)位狀態(tài)，從驅(qū)動(dòng)層151向可變磁性層152施加了驅(qū)動(dòng)操作。但是，在信息記錄元件150中，與來(lái)自驅(qū)動(dòng)層151的驅(qū)動(dòng)操作A1反向的驅(qū)動(dòng)操作A2，被從反鐵磁性層153施加于可變磁性層152，來(lái)自驅(qū)動(dòng)層151的驅(qū)動(dòng)操作A1被來(lái)自反鐵磁性層153的驅(qū)動(dòng)操作A2抵消。但是，由于反鐵磁性層153呈現(xiàn)單軸磁各向異性，所以可變磁性層152的磁化方向保持在其初始磁化方向上，而與來(lái)自驅(qū)動(dòng)層151的驅(qū)動(dòng)操作A1或者來(lái)自反鐵磁性層153的驅(qū)動(dòng)操作A2無(wú)關(guān)。
如果要改變可變磁性層152的磁化方向M1設(shè)定用于寫(xiě)入信息的導(dǎo)通狀態(tài)，則給驅(qū)動(dòng)層151的導(dǎo)電層施加電流。這樣減弱了驅(qū)動(dòng)層151和可變磁性層152之間的交換作用，以致令從驅(qū)動(dòng)層151作用到可變磁性層152的驅(qū)動(dòng)操作A1無(wú)效。從反鐵磁性層153到可變磁性層152的驅(qū)動(dòng)操作A2被設(shè)定，以便具有超過(guò)可變磁性層152的矯頑力的幅度。如果來(lái)自反鐵磁性層153的驅(qū)動(dòng)操作A2設(shè)計(jì)成超過(guò)可變磁性層152的矯頑力，則當(dāng)從驅(qū)動(dòng)層151到可變磁性層152的驅(qū)動(dòng)操作A1中斷有效時(shí)，可變磁性層152的磁化被反轉(zhuǎn)，可變磁性層152的磁化方向M1取向在來(lái)自反鐵磁性層153的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向上。亦即，采用本發(fā)明的信息記錄元件150，當(dāng)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，可變磁性層152的磁化方向M1被反轉(zhuǎn)為向左。
如果隨后終止向構(gòu)成驅(qū)動(dòng)層151的導(dǎo)電層施加電流，以使驅(qū)動(dòng)操作A1從驅(qū)動(dòng)層151施加給可變磁性層152，驅(qū)動(dòng)操作A1就被來(lái)自反鐵磁性層153的驅(qū)動(dòng)操作A2所抵消，如同復(fù)位狀態(tài)下的情況一樣。由于可變磁性層152具有單軸磁各向異性，可變磁性層152的反轉(zhuǎn)的磁化方向M1保持不變，如圖32C所示。亦即，如果電流施加在構(gòu)成驅(qū)動(dòng)層151的導(dǎo)電層，以使驅(qū)動(dòng)操作A1從驅(qū)動(dòng)層151施加在可變磁性層152，則對(duì)應(yīng)于可變磁性層152的反轉(zhuǎn)的磁化方向M1的設(shè)定狀態(tài)得以保持，如圖32C所示。
采用本發(fā)明的信息記錄元件150，如上所述，通過(guò)轉(zhuǎn)換施加給驅(qū)動(dòng)層151的導(dǎo)電層152的電流的導(dǎo)通/截止，可以使可變磁性層152的磁化方向M1反轉(zhuǎn)，使得能夠基于可變磁性層152的磁化方向M1進(jìn)行二進(jìn)制記錄。此外，信息記錄元件150不必了保持復(fù)位狀態(tài)或者設(shè)定狀態(tài)而向驅(qū)動(dòng)層151的導(dǎo)電層施以電流，為。亦即，本信息記錄元件150是非易失存儲(chǔ)器。
作為上述信息記錄元件150，本發(fā)明人實(shí)際制備了類似于圖21和22所示磁性功能元件110的元件，包括玻璃基片，其上形成有在-X方向磁化的鈷鐵氧體薄膜的固定磁性層，由反復(fù)層疊Cr膜和Fe-Ag膜形成的多層導(dǎo)電膜，氧化鋁的絕緣層，具有在X方向的易磁化軸的Ni-Fe合金薄膜的可變磁性層，還包括形成在可變磁性層上的反鐵磁性Ph-Mn膜，用于在-X方向向可變磁性層施加驅(qū)動(dòng)操作。
通過(guò)改變施加給導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)而產(chǎn)性的可變磁性層的磁化方向的變化通過(guò)測(cè)量MOKE進(jìn)行檢測(cè)。具體地，通過(guò)電流饋給導(dǎo)電層，在+X方向施加40Oe的磁場(chǎng)，以使可變磁性層的磁化取向在+X方向。然后去掉施加的磁場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)可變磁性層的磁化保持在+X方向，而對(duì)導(dǎo)電層施加電流時(shí)，磁化反轉(zhuǎn)為-X方向。
由此發(fā)現(xiàn)，通過(guò)轉(zhuǎn)換施加給導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止，可以改變可變磁性層的磁化方向，能夠進(jìn)行一次寫(xiě)入操作。但是應(yīng)注意此時(shí)可變磁性層的轉(zhuǎn)換操作，不是把可變磁性層的磁化方向和X方向之間的角度從約20°改變?yōu)榧s85°的轉(zhuǎn)換操作，而是在+X方向和-X方向之間的轉(zhuǎn)換操作。
如果轉(zhuǎn)換施加給導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止，使可變磁性層的磁化瞬變，則在電流供給終止之后反轉(zhuǎn)狀態(tài)仍然保持。亦即，這證實(shí)了在可變磁性層上形成有反鐵磁性層的元件可用做非易失存儲(chǔ)器。
2-2-3重寫(xiě)式信息記錄元件通過(guò)電流調(diào)制交換作用的重寫(xiě)式信息記錄元件如圖33A-33D所示。與圖31A-31D或者32A-32D類似，圖33A-33D是示意圖，用于展示信息記錄元件的驅(qū)動(dòng)原理，沒(méi)有展示用于輸入或輸出電路的布線。
參見(jiàn)圖33A-33D，展示了信息記錄元件160，呈現(xiàn)單軸磁各向異性的可變磁性層161夾在第一驅(qū)動(dòng)層162和第二驅(qū)動(dòng)層163之間。信息記錄元件160可以基于可變磁性層161的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。
在圖33A-33D中，箭頭A1、A2和M1分別代表從驅(qū)動(dòng)層161到可變磁性層162的驅(qū)動(dòng)操作、從第二驅(qū)動(dòng)層163到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作和可變磁性層161的磁化方向。
如果可變磁性層161的易磁化軸的方向是X方向，則第一驅(qū)動(dòng)層162使驅(qū)動(dòng)操作A1作用于可變磁性層161，以使可變磁性層161的磁化方向M1取向在+X方向(圖33中的向右方向)。另一方面，第二驅(qū)動(dòng)層163使驅(qū)動(dòng)操作A2作用于可變磁性層161，以使可變磁性層161的磁化方向M1取向在-X方向(圖33中的向左方向)。
在信息記錄元件160中，如果使從第一驅(qū)動(dòng)層162到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A1處于無(wú)效，則可變磁性層161的磁化方向M1被第二驅(qū)動(dòng)層163到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A2取向在-X方向。另一方面，如果從第二驅(qū)動(dòng)層163到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A2處于無(wú)效，則通過(guò)從第一驅(qū)動(dòng)層162到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A1，可變磁性層161的磁化方向M1取向在+X方向。
而且，在信息記錄元件160中，如果從第一驅(qū)動(dòng)層162到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A1和從第二驅(qū)動(dòng)層163到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A2均有效，則來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2相互抵消，而可變磁性層161的磁化方向M1被可變磁性層本身的單軸磁各向異性所穩(wěn)定，保持其狀態(tài)。
以下進(jìn)一步說(shuō)明信息記錄元件160的驅(qū)動(dòng)原理。
圖33A展示的狀態(tài)是可變磁性層161的磁化方向M1保持在+X方向(圖中是向右方向)。此時(shí)，對(duì)第一驅(qū)動(dòng)層162的導(dǎo)電層和第二驅(qū)動(dòng)層163的導(dǎo)電層均未施加電流，因此，來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2均作用在可變磁性層161。但是，由于來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向與來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向相反，所以來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2相互抵消。于是，可變磁性層161的磁化方向M1被可變磁性層本身固有的單軸磁各向異性所穩(wěn)定，保持其狀態(tài)(可變磁性層161的磁化方向M1取向在+X方向的狀態(tài))。
圖33B展示的狀態(tài)是可變磁性層161的磁化方向M1被從+X方向(圖中向右方向)重寫(xiě)為-X方向(圖中向左方向)。此時(shí)，電流從第一驅(qū)動(dòng)層162施加于可變磁性層161，以致從第一驅(qū)動(dòng)層162到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A1被終止。另一方面，對(duì)構(gòu)成第二驅(qū)動(dòng)層163的導(dǎo)電層未施加電流。所以來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2作用于可變磁性層161。
從第二驅(qū)動(dòng)層163作用于可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A2被設(shè)計(jì)成具有超過(guò)可變磁性層161的矯頑力的強(qiáng)度。如果來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2適于超過(guò)可變磁性層161的矯頑力，則當(dāng)來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1被終止有效時(shí)，可變磁性層161的磁化從+X方向(圖中向右方向)反轉(zhuǎn)為-X方向(圖中向左方向)，如圖33B所示，同時(shí)可變磁性層161的磁化方向M1取向在來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向。
圖33C展示的狀態(tài)可變磁性層161的磁化方向M1保持在-X方向(圖中向左方向)。此時(shí)，對(duì)第一驅(qū)動(dòng)層162的導(dǎo)電層和第二驅(qū)動(dòng)層163的導(dǎo)電層均未施加電流。因此，來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2均作用于可變磁性層161。但是，由于來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1與來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2相反，所以來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2相互抵消。于是，可變磁性層161的磁化方向M1被可變磁性層本身固有的單軸磁各向異性所穩(wěn)定，保持其狀態(tài)(可變磁性層161的磁化方向M1取向在-X方向的狀態(tài))。
圖33D展示的狀態(tài)是可變磁性層161的磁化方向M1被從-X方向(圖中向左方向)重寫(xiě)為+X方向(圖中向右方向)。此時(shí)，電流施于從第二驅(qū)動(dòng)層163的導(dǎo)電層，以致從第二驅(qū)動(dòng)層163到可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A2被終止。另一方面，對(duì)構(gòu)成第一驅(qū)動(dòng)層162的導(dǎo)電層未施加電流。所以來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1作用于可變磁性層161。
從第一驅(qū)動(dòng)層162作用于可變磁性層161的驅(qū)動(dòng)操作A1被設(shè)計(jì)成具有超過(guò)可變磁性層161的矯頑力的強(qiáng)度。如果來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1超過(guò)可變磁性層161的矯頑力，則當(dāng)來(lái)自第二驅(qū)動(dòng)層163的驅(qū)動(dòng)操作A2被終止有效時(shí)，可變磁性層161的磁化從-X方向(圖中向左方向)反轉(zhuǎn)為+X方向(圖中向右方向)，如圖33D所示，同時(shí)可變磁性層161的磁化方向M1取向在來(lái)自第一驅(qū)動(dòng)層162的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向。
這樣，通過(guò)轉(zhuǎn)換施于第一驅(qū)動(dòng)層162的導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止，或者轉(zhuǎn)換施于第二驅(qū)動(dòng)層163的導(dǎo)電層的電流的導(dǎo)通/截止，可以使可變磁性層161的磁化方向M1反轉(zhuǎn)，于是能夠基于可變磁性層161的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。此外，采用本發(fā)明的信息記錄元件160，可以反復(fù)地反轉(zhuǎn)可變磁性層161的磁化方向M1，能夠反復(fù)地重寫(xiě)記錄的信息。而且，在信息記錄元件中，不必為了保持可變磁性層161的磁化方向M1，而對(duì)第一驅(qū)動(dòng)層162的導(dǎo)電層或者對(duì)第二驅(qū)動(dòng)層163的導(dǎo)電層施加電流。亦即本發(fā)明的信息記錄元件160可用做非易失存儲(chǔ)器。
對(duì)于如上所述的信息記錄元件140、150、160，使用呈現(xiàn)單軸磁各向異性的可變磁性層142、152、161進(jìn)行二進(jìn)制記錄。但是，可以使用相對(duì)于磁化方向具有三個(gè)以上的最小各向異性能量點(diǎn)的可變磁性層142、152、161。如果使用相對(duì)于磁化方向具有三個(gè)以上的最小各向異性能量點(diǎn)的可變磁性層142、152、161，則可以用單個(gè)可變磁性層進(jìn)行三值或更多值記錄。
2-2-4可變電阻元件圖34展示了利用電流對(duì)交換作用的調(diào)制的可變電阻元件的例子。
圖34所示可變電阻元件的構(gòu)成類似于圖30的元件(適合于獲得可變磁性層的磁化方向的轉(zhuǎn)換操作結(jié)果作為電輸出的元件)。具體地，可變電阻元件180包括，固定在磁化預(yù)置方向Ma的固定磁性層181，形成在固定磁性層181上的導(dǎo)電層182，形成在導(dǎo)電層182上的可變磁性層183，形成在可變磁性層183上的非磁性金屬的隔離層184，和固定在磁化預(yù)置方向M6的磁性金屬的第二固定磁性層185。
在可變電阻元件180中，電流在導(dǎo)電層182中流動(dòng)，改變第一固定磁性層181和可變磁性層183之間的磁性耦合狀態(tài)，控制可變磁性層183的磁化方向Mc。作為導(dǎo)電層182的材料，最好使用例如對(duì)第一固定磁性層181和可變磁性層183之間的磁性耦合狀態(tài)具有相對(duì)適中的改變率的材料。通過(guò)使用對(duì)磁性耦合狀態(tài)具有相對(duì)適中的改變率的材料，可以利用對(duì)導(dǎo)電層182的電流輸入基本平滑地改變可變磁性層183的磁化方向。
為了相對(duì)于輸入電流值保證對(duì)磁性耦合狀態(tài)的相對(duì)適中的改變率，如果導(dǎo)電層183具有由鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的混合物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)就足夠了。采用鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，則存在大量的不同強(qiáng)度的磁性耦合路徑，因而，通過(guò)按照強(qiáng)度的升序來(lái)去除路徑，可以逐漸地降低磁性耦合。因此，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電層82輸入電流可以基本平滑地改變可變磁性層183的磁化方向，從而提供模擬操作。
而且，采用本發(fā)明的可變電阻元件180，可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185構(gòu)成自旋閥，因而如果改變可變磁性層183的磁化方向Mc，則通過(guò)隔離層184和第二固定磁性層185的自旋閥作用，可改變到可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185的通路的電阻。
亦即，采用本發(fā)明的可變電阻元件180，電流在導(dǎo)電層182中流動(dòng)，改變第一固定磁性層181和可變磁性層183之間的磁性耦合狀態(tài)，以控制可變磁性層183的磁化方向Mc。通過(guò)控制可變磁性層183的磁化方向Mc，可以控制到可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185的通路的電阻。
如果可變電阻元件180具有圖34所示電路結(jié)構(gòu)，并且由可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185構(gòu)成自旋閥，則可變電阻元件180可以用做模擬放大器。亦即，采用圖34所示電路結(jié)構(gòu)，可以提供放大作用，其中輸出端的大電流電路阻抗隨著對(duì)導(dǎo)電層182的小電流輸入而變化。
通過(guò)改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，控制磁性層的磁化方向，如上具體所述，可以避免在控制磁性層的磁化方向時(shí)伴隨著精細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)則或者矯頑力降低而產(chǎn)生的串?dāng)_問(wèn)題。對(duì)于本發(fā)明使用磁化控制方法的磁性功能元件、磁記錄元件和可變電阻元件，無(wú)論設(shè)計(jì)規(guī)則精細(xì)化如何進(jìn)展，均可以避免產(chǎn)生串?dāng)_或者矯頑力降低的問(wèn)題。
3．第三實(shí)施例在本發(fā)明的第三方案中，通過(guò)固相傳播的交換作用被用做利用指定選做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)操作的方法。以下說(shuō)明按照本方式布置的本實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)器件和編址方法。
3-1固體磁性存儲(chǔ)器根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器件是具有由多個(gè)分隔的磁性部件組成的陣列的存儲(chǔ)器件，或者說(shuō)是所謂的固體磁性存儲(chǔ)器?？刂谱鳛橛糜诖鎯?chǔ)的元件的存儲(chǔ)介質(zhì)的磁化方向無(wú)需依靠使用外加磁場(chǎng)。具體地，本發(fā)明的第一方案的磁化方向或者本發(fā)明的第二方案的磁化控制方法，用來(lái)控制作為負(fù)責(zé)存儲(chǔ)功能的元件的存儲(chǔ)載體的磁化方向。
在以下說(shuō)明中，以一種固體磁性存儲(chǔ)器為例，其中用固相中的磁交互作用(交換作用)作為驅(qū)動(dòng)力，控制作為承擔(dān)存儲(chǔ)功能的元件的存儲(chǔ)載體的磁化方向。同時(shí)，在以下說(shuō)明中，該固體磁性存儲(chǔ)器被稱為交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器。
傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中固有的問(wèn)題，亦即例如由精細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)則或者矯頑力降低引起的串?dāng)_的問(wèn)題，可歸因于為了寫(xiě)入而對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)施加磁場(chǎng)。在交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中，使用交換作用控制存儲(chǔ)載體的磁化方向，可以解決傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器的所述問(wèn)題。
此時(shí)，使鐵磁性材料內(nèi)部的原子磁矩在單一方向取向的動(dòng)力源是交換作用。如果一對(duì)磁性部件190、191相互接觸，如圖35所示，則交換作用通過(guò)接觸界面192起作用。如果磁性部件190不與磁性部件91直接接觸，如圖36所示，而是在磁性部件190、191之間存在中間層193，則磁性部件190、191之間的交換作用往往經(jīng)過(guò)中間層193傳播。如果中間層193是磁性部件，該層193當(dāng)然傳輸交換作用。但是，如果中間層193本身是非磁性材料，例如Au，或者半導(dǎo)體例如Si或Ge，則同樣已經(jīng)證實(shí)可通過(guò)中間層193傳輸交換作用。也已提出了說(shuō)明交換作用的傳遞的成因的理論，例如RKKY模型。
3-2交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的例子圖37展示了交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器201的例子。如圖37所示，交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器201是一次寫(xiě)入式存儲(chǔ)器，通過(guò)控制磁性材料形成的存儲(chǔ)載體202的磁化方向僅可以寫(xiě)入一次。
在此交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器201中，存儲(chǔ)載體202夾在偏磁相互反向的兩個(gè)固定磁性層203、204之間。從輸入電路205向耦合控制層206提供的電流用于切斷由固定磁性層203向存儲(chǔ)載體202施加的偏磁作用。
亦即，如果對(duì)耦合控制層206的輸入截止，以致無(wú)電流流過(guò)耦合控制層206，則在固定磁性層203和存儲(chǔ)載體202之間產(chǎn)生了交換作用，以致來(lái)自固定磁性層203的偏磁作用在存儲(chǔ)載體202上。如果存在來(lái)自固定磁性層203的偏磁，則來(lái)自固定磁性層203的偏磁和來(lái)自固定磁性層204的偏磁相互抵消，以致沒(méi)有凈驅(qū)動(dòng)源作用于存儲(chǔ)載體202的磁化。
另一方面，如果對(duì)耦合控制層206的輸入導(dǎo)通，以使電流在耦合控制層206中流動(dòng)，則固定磁性層203和存儲(chǔ)載體202之間的交換作用被終止，使得從固定磁性層203作用在存儲(chǔ)載體202上的偏磁被終止作用。如果來(lái)自固定磁性層203的偏磁作用被終止，則在來(lái)自固定磁性層204的偏磁作用下，在存儲(chǔ)載體202中產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。
在圖37的實(shí)施例中，在自旋閱的原理下實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)載體202的磁化方向的讀出。固定磁性層207被非磁性中間層208分隔，以便不影響存儲(chǔ)載體202的磁化。如果存儲(chǔ)載體202的磁化方向和固定磁性層207的磁化方向分別平行或反平行，則從輸出電路209施加的從固定磁性層207經(jīng)過(guò)非磁性中間層208流向存儲(chǔ)載體202的電流分別較大或較小，于是能夠進(jìn)行對(duì)存儲(chǔ)載體202的磁化方向的檢測(cè)。
由于交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器201使用交換作用來(lái)控制存儲(chǔ)載體202的磁化，因而可以解決通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行寫(xiě)入伴隨的問(wèn)題，例如伴隨設(shè)計(jì)規(guī)則精細(xì)化或者矯頑力降低而產(chǎn)生的串?dāng)_。
為了對(duì)比，針對(duì)使用在導(dǎo)體中流動(dòng)電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的電流磁場(chǎng)系統(tǒng)的情況，亦即圖2所示傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器，以及使用固相中的交換作用的交換耦合系統(tǒng)的情況，亦即圖37所示的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器，圖38分別展示了固體磁性存儲(chǔ)器的以下稱為存儲(chǔ)單元的單位存儲(chǔ)部分的尺寸L與可以用于驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)載體的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)H之間的關(guān)系。圖38中，實(shí)線A代表電流磁場(chǎng)系統(tǒng)，以虛線B代表交換耦合系統(tǒng)。此時(shí)，在電流磁場(chǎng)系統(tǒng)中，假設(shè)導(dǎo)體直徑是存儲(chǔ)單元尺寸L的0.8倍。
在電流磁場(chǎng)系統(tǒng)中，如圖38所示，當(dāng)存儲(chǔ)單元尺寸降低時(shí)，可從導(dǎo)體施加的磁場(chǎng)變小。另一方面，由于交換作用不依賴于存儲(chǔ)單元尺寸L，所以當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)則精細(xì)化時(shí)交換耦合系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)。
按磁場(chǎng)計(jì)算的交換作用不依賴于存儲(chǔ)單元尺寸L。因此，如果使用交換作用控制存儲(chǔ)載體的磁化，則可以使用高矯頑力的磁性材料，即使設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)一步精細(xì)化也是如此。具體地，從圖38可見(jiàn)，如果存儲(chǔ)單元尺寸L極小，則可以使用矯頑力超過(guò)幾十Oe的磁性部件作為存儲(chǔ)載體。通過(guò)使用高矯頑力的存儲(chǔ)載體，則可以在環(huán)境擾動(dòng)磁場(chǎng)環(huán)境下的便攜式電子設(shè)備中使用所述存儲(chǔ)載體而具有高的工作可靠性。
3-3固體磁性存儲(chǔ)器的編址對(duì)上述交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器增加集成電路不可缺少的編址功能。
通常，對(duì)具有多個(gè)存儲(chǔ)單元的固體磁存儲(chǔ)器進(jìn)行的寫(xiě)入由以下一系列操作構(gòu)成。亦即，由使用固體磁性存儲(chǔ)器的運(yùn)算處理器件選擇進(jìn)行寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元?！澳骋荒繕?biāo)存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)載體的磁化將被反轉(zhuǎn)”的信息被從運(yùn)算處理器件送到固體磁性存儲(chǔ)器。目標(biāo)存儲(chǔ)單元處于固體磁性存儲(chǔ)器的大量存儲(chǔ)單元之中。然后，根據(jù)上述信息，對(duì)所述存儲(chǔ)單元的記錄載體作用驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)的能量，使所述存儲(chǔ)載體的磁化反轉(zhuǎn)。這種選擇特定存儲(chǔ)單元以便在被選擇的存儲(chǔ)單元上進(jìn)行特定操作的的操作通常被稱為編址。
在利用電輸入控制存儲(chǔ)載體的磁化方向的固體磁性存儲(chǔ)器中，如果期望實(shí)現(xiàn)編址功能，則提供用于從運(yùn)算處理器件向有關(guān)存儲(chǔ)單元輸送電信號(hào)的布線(所謂的地址線)就足夠了。亦即，如果為每個(gè)存儲(chǔ)單元提供地址線，并將電信號(hào)輸送到與有關(guān)存儲(chǔ)單元相關(guān)的地址線，則可以選擇并驅(qū)動(dòng)特定的存儲(chǔ)單元。
但是，如果為各個(gè)存儲(chǔ)單元分別提供地址線，結(jié)果造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜。例如對(duì)于m個(gè)垂直存儲(chǔ)單元×n個(gè)水平存儲(chǔ)單元，如果為各個(gè)存儲(chǔ)單元分別提供地址線，即使為單個(gè)存儲(chǔ)單元僅提供一條地址線，也需要m×n地址線。這樣造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難提供集成電路元件。
另一方面，對(duì)于傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器，如圖2所示，通過(guò)由交叉導(dǎo)體構(gòu)成的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)編址功能。亦即，對(duì)于傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器，如圖2所示，對(duì)m個(gè)垂直存儲(chǔ)單元和n個(gè)水平存儲(chǔ)單元的陣列，簡(jiǎn)單地提供m個(gè)垂直導(dǎo)體和n個(gè)水平導(dǎo)體，總數(shù)為n+m個(gè)導(dǎo)體，即可以選擇和驅(qū)動(dòng)特定存儲(chǔ)單元。
在以下說(shuō)明中，使用這些交叉導(dǎo)體的編址被稱為矩陣式編址。此矩陣式編址在構(gòu)成集成電路上特別有利，因?yàn)樵黾哟鎯?chǔ)單元數(shù)量時(shí)只要極少量的導(dǎo)體就足夠了，于是簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
在傳統(tǒng)的固體磁性存儲(chǔ)器中，如圖2所示，系使用磁場(chǎng)疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)矩陣式編址。因此，可以容易地實(shí)現(xiàn)矩陣式編址。但是，在交換作用式固體磁性存儲(chǔ)器中，矩陣式編址則難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴皇褂么艌?chǎng)疊加。
亦即，在前述交換作用式固體磁性存儲(chǔ)器中，如果期望選擇和驅(qū)動(dòng)特定存儲(chǔ)單元，則需要這樣的機(jī)制，即，要選擇特定存儲(chǔ)單元并對(duì)選擇的單元提供電流或電壓。為此原因，在前述交換作用式固體磁性存儲(chǔ)器中，無(wú)法以簡(jiǎn)單的方式應(yīng)用矩陣式編址。換言之，在前述交換作用式固體磁性存儲(chǔ)器中，如果無(wú)論如何都要應(yīng)用矩陣式編址，則不只是簡(jiǎn)單地連接地址線和存儲(chǔ)單元的問(wèn)題，而需要某些別的技術(shù)。例如，必須在地址線和存儲(chǔ)單元之間互連非線性元件，例如二極管，或者把例如在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中所用的選擇晶體管附加于存儲(chǔ)單元。但是，這導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以是不希望的。
3-4具有編址功能的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器在交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)矩陣式編址時(shí)，如果使用非線性器件或選擇晶體管，則結(jié)構(gòu)被不受歡迎地復(fù)雜化。于是，根據(jù)本發(fā)明，不使用非線性器件或者選擇晶體管而在交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)矩陣式編址。以下說(shuō)明本發(fā)明的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的例子的基本結(jié)構(gòu)。
3-4-1整體結(jié)構(gòu)首先，交換偶合式固體磁性存儲(chǔ)器設(shè)置有多個(gè)直線式部件，即細(xì)長(zhǎng)的或者條狀部件。這些直線式部件被賦予用于指定具體存儲(chǔ)單元的信號(hào)傳輸線功能，以及控制存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)載體磁化方向的功能。在以下說(shuō)明中，這些直線式部件被稱為驅(qū)動(dòng)線。
更具體地，例如，如果兩個(gè)相互垂直方向被稱為X-方向和Y-方向，則平行于X-方向布置多條驅(qū)動(dòng)線(以下稱為X-方向驅(qū)動(dòng)線)，并平行于Y-方向布置多條驅(qū)動(dòng)線(以下稱為Y-方向驅(qū)動(dòng)線)，在對(duì)應(yīng)于X-方向驅(qū)動(dòng)線和Y-方向驅(qū)動(dòng)線的交叉點(diǎn)的格點(diǎn)布置存儲(chǔ)載體。
類似于圖2所示的傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器中的字線和位線，這些驅(qū)動(dòng)線完成改變沿驅(qū)動(dòng)線布置的所有存儲(chǔ)載體的磁化方向的操作。由于本實(shí)施例涉及的是交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器，故使用交換作用作為改變存儲(chǔ)載體的磁化方向的操作。在以下說(shuō)明中，使存儲(chǔ)載體的磁化方向取向在給定取向的操作被稱為驅(qū)動(dòng)操作。
3-4-2矩陣式編址的原理交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中的矩陣式編址，是通過(guò)組合上述驅(qū)動(dòng)線實(shí)現(xiàn)的，以下進(jìn)行說(shuō)明。
3-4-2-1存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)參考圖39和40A-40E說(shuō)明用于矩陣式編址的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元。圖39展示了僅單個(gè)存儲(chǔ)單元，而圖40A-40E展示了驅(qū)動(dòng)原理。參見(jiàn)圖39，存儲(chǔ)單元210的構(gòu)成包括，第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212，與第一、第二y-方向驅(qū)動(dòng)線211、212成直角配置的x-方向驅(qū)動(dòng)線214，在第一和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線211、212和x-方向驅(qū)動(dòng)線214之間配置的存儲(chǔ)載體213。存儲(chǔ)載體213受第一和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線211、212和x-方向驅(qū)動(dòng)線214的作用。亦即存儲(chǔ)載體213受三路驅(qū)動(dòng)源的影響。
在此存儲(chǔ)單元210中，第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211是由均是長(zhǎng)條形狀的在預(yù)定取向磁化的第一固定磁性層211a和第一導(dǎo)體層211b構(gòu)成的層疊組件。第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212是由均是長(zhǎng)條形狀的在與第一固定磁性層211a的相反取向磁化的第二固定磁性層212a和第二導(dǎo)體層212b構(gòu)成的層疊組件，存儲(chǔ)載體213覆蓋部分第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211和部分第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212，從而通過(guò)導(dǎo)體層211b和212b面對(duì)固定磁性層211a和212a。
雖然在圖39中未示出，但是最好在第一導(dǎo)電層211b和存儲(chǔ)載體213之間、第二導(dǎo)電層212b和存儲(chǔ)載體213之間、或者存儲(chǔ)載體213和x-方向驅(qū)動(dòng)線214之間形成絕緣層，如果存儲(chǔ)載體213是低電阻時(shí)尤其應(yīng)如此。
在此存儲(chǔ)單元21中，第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211起在存儲(chǔ)載體213上施加驅(qū)動(dòng)操作A1的驅(qū)動(dòng)源作用，把存儲(chǔ)載體213的磁化方向設(shè)定為預(yù)置取向。類似地，第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212起在存儲(chǔ)載體213上施加驅(qū)動(dòng)操作A2的驅(qū)動(dòng)源作用，把存儲(chǔ)載體213的磁化方向設(shè)定為預(yù)置取向。此時(shí)，在圖39和40A-40E中，箭頭A1的方向代表從第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作的方向，而箭頭A2的方向代表從第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作的方向。
亦即，構(gòu)成第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一固定磁性層211a在-x方向磁化，同時(shí)從第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作，使存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1在-x方向取向。另一方面，構(gòu)成第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二固定磁性層212a在+x方向磁化，同時(shí)從第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作，使存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1在+x方向取向。
配置成覆蓋第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的一部分和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的一部分的存儲(chǔ)載體13，由呈現(xiàn)單軸磁各向異性的磁性材料形成，x-方向是易磁化軸。采用本存儲(chǔ)單元210，可以基于存儲(chǔ)載體213的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。
另一方面，x-方向驅(qū)動(dòng)線214由導(dǎo)電材料形成，是長(zhǎng)條形狀，以其縱向?yàn)閤-方向，從而覆蓋存儲(chǔ)載體213。采用本存儲(chǔ)單元210，通過(guò)在x-方向驅(qū)動(dòng)線214流過(guò)電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，施加在存儲(chǔ)載體213。此時(shí)，圖39、40C和40E中，A3代表電流在x-方向驅(qū)動(dòng)線214中流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
同時(shí)，使磁性材料的磁化反轉(zhuǎn)所需的磁場(chǎng)幅度取決于磁場(chǎng)的施加方向，正如結(jié)合圖2所示的傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器所討論的。通常，如果在從易磁化軸傾斜大約45°的方向施加磁場(chǎng)，與平行于易磁化軸施加磁場(chǎng)相比，可以用較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度使磁化反轉(zhuǎn)。
于是，在本存儲(chǔ)單元210中，如果僅有來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1或者僅有來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2，則存儲(chǔ)載體213不會(huì)產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。另一方面，如果存在來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和電流流過(guò)x-方向驅(qū)動(dòng)線214產(chǎn)生的磁場(chǎng)A3的作用，或者如果存在來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2和電流流過(guò)x-方向驅(qū)動(dòng)線214產(chǎn)生的磁場(chǎng)A3的作用，則存儲(chǔ)載體213會(huì)產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。亦即，采用本存儲(chǔ)單元，通過(guò)控制在第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)體層211b中流動(dòng)的電流、在第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b中流動(dòng)的電流、和在x-方向驅(qū)動(dòng)線214中流動(dòng)的電流，對(duì)存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1進(jìn)行控制，以便基于存儲(chǔ)載體213的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。
3-4-2-2存儲(chǔ)單元的驅(qū)動(dòng)原理參見(jiàn)圖40A-40E，具體說(shuō)明存儲(chǔ)單元210的驅(qū)動(dòng)原理。
圖40A展示的狀態(tài)是在對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214、第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b均未施加電流的情況下，存儲(chǔ)載體213的磁化方向保持在+x方向(圖中向右)。由于此時(shí)對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214、第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b均未施加電流，所以來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2均作用在存儲(chǔ)載體213上。但是，由于來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向與來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向相反，所以來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2相互抵消，因此存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1被存儲(chǔ)載體本身的單軸磁各向異性所穩(wěn)定，保持其現(xiàn)有狀態(tài)，即存儲(chǔ)載體213的磁化方向取向在+x方向的狀態(tài)。
圖40B展示的狀態(tài)是存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1在+x方向(圖中向右)時(shí)，僅對(duì)第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b施加電流，而對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b均未施加電流。此時(shí)，從第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作A2無(wú)效。另一方面，因?yàn)閷?duì)第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的導(dǎo)電層211b未施加電流，所以來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的A1有效。從第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211作用在存儲(chǔ)載體213上的驅(qū)動(dòng)操作A1不超過(guò)存儲(chǔ)載體213的矯頑力。如果從第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211作用在存儲(chǔ)載體213上的驅(qū)動(dòng)操作A1應(yīng)不超過(guò)存儲(chǔ)載體213的矯頑力，則在來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2被終止有效時(shí)，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1保持在+x方向(圖中向右)，如圖40B所示。
圖40C展示的狀態(tài)是，當(dāng)存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1保持+x方向即圖中向右的方向時(shí)，對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b施加電流，對(duì)第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b不施加電流。此時(shí)，從第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作A2被終止有效，另一方面，因?yàn)閷?duì)第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b不施加電流，所以來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1作用在存儲(chǔ)載體213上。因?yàn)閷?duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214施加電流，在x-方向驅(qū)動(dòng)線214流動(dòng)的電流產(chǎn)生的y-方向磁場(chǎng)A3作用在存儲(chǔ)載體213上。
來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和在x-方向驅(qū)動(dòng)線214流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)A3作用的組合作用矢量，取向在偏離存儲(chǔ)載體213的易磁化軸的方向上，因而能夠以比平行于易磁化軸作用要小的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在存儲(chǔ)載體213上產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。存儲(chǔ)載體213適于在來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和在x-方向驅(qū)動(dòng)線214流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)A3作用均存在的情況下產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。結(jié)果如圖40C所示，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1從+x方向(圖中向右方向)反轉(zhuǎn)到-x方向(圖中向左方向)，如圖40C所示，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1取向在來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向。
如果停止對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第二導(dǎo)電層212b施加電流，則反轉(zhuǎn)到-x方向的存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1被保持。如果停止對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第二導(dǎo)電層212b施加電流，則來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2均有效。但是，由于來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向與來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向相反，所以這些驅(qū)動(dòng)操作A1和A2相互抵消。因此，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1被其本身固有的單軸磁各向異性所穩(wěn)定，以致保持現(xiàn)有狀態(tài)(存儲(chǔ)載體213的磁化方向在-x方向的狀態(tài))。
圖40D展示的狀態(tài)是，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1在-x方向即圖中向左方向，僅對(duì)第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b施加電流，對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b均不施加電流。此時(shí)，從第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作A1被終止有效。另一方面，由于對(duì)第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b不施加電流，所以來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2作用在存儲(chǔ)載體213上。使從第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作A2不超過(guò)存儲(chǔ)載體213的矯頑力。如果從第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作A2不超過(guò)存儲(chǔ)載體213的矯頑力，則即使來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1被終止有效，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1也仍保持在-x方向(圖中向左方向)，如圖40D所示。
圖40E展示的狀態(tài)是，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1在-x方向即圖中向左方向，對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b施加電流，對(duì)第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b不施加電流。此時(shí)，從第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211到存儲(chǔ)載體213的驅(qū)動(dòng)操作A1被終止有效。另一方面，由于對(duì)第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b不施加電流，所以來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2作用在存儲(chǔ)載體213上。由于對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214施加電流，所以在x-方向驅(qū)動(dòng)線214中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的y-方向磁場(chǎng)A3作用在存儲(chǔ)載體213上。
來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2和在x-方向驅(qū)動(dòng)線214流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)A3作用的組合作用矢量，取向在偏離存儲(chǔ)載體213的易磁化軸的方向上，因而能夠以比平行于易磁化軸作用要小的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在存儲(chǔ)載體213上產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。存儲(chǔ)載體213適于在來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2和在x-方向驅(qū)動(dòng)線214流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)A3作用均存在的情況下產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。結(jié)果如圖40E所示，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1從-x方向(圖中向左方向)反轉(zhuǎn)到+x方向(圖中向右方向)，如圖40E所示，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1取向在來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向。
如果停止對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第一導(dǎo)電層211b施加電流，則反轉(zhuǎn)到+x方向的存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1被保持。如果停止對(duì)x-方向驅(qū)動(dòng)線214和第一導(dǎo)電層211b施加電流，則來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1和來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2均有效。但是，來(lái)自第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的驅(qū)動(dòng)操作A1的方向與來(lái)自第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的驅(qū)動(dòng)操作A2的方向相反，所以這些驅(qū)動(dòng)操作A1和A2相互抵消。因此，存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1被其本身固有的單軸磁各向異性所穩(wěn)定，以致保持現(xiàn)有狀態(tài)(存儲(chǔ)載體213的磁化方向在+x方向的狀態(tài))。
如上所述，采用本發(fā)明的存儲(chǔ)單元210，通過(guò)對(duì)第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211的第一導(dǎo)電層211b、第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212的第二導(dǎo)電層212b或者x-方向驅(qū)動(dòng)線214施加電流的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換，可以使存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1反轉(zhuǎn)，從而能夠存儲(chǔ)載體213的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制記錄。
此外，采用存儲(chǔ)單元210，可以反復(fù)地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1，從而能夠反復(fù)地重寫(xiě)記錄的信息。此外，本存儲(chǔ)單元210不必為了保持存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1，而對(duì)第一導(dǎo)電層211b、對(duì)第二導(dǎo)電層212b或?qū)-方向驅(qū)動(dòng)線214施加電流。亦即本存儲(chǔ)單元可以用做非易失存儲(chǔ)器。
3-4-2-3矩陣式編址在上述存儲(chǔ)單元210中，第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211、第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212和x-方向驅(qū)動(dòng)線214用做驅(qū)動(dòng)源，用來(lái)使存儲(chǔ)載體213的磁化方向M1反轉(zhuǎn)。應(yīng)注意單一驅(qū)動(dòng)源不足以產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)，當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)源被導(dǎo)通時(shí)才在存儲(chǔ)載體213中產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。因此，如果多條細(xì)長(zhǎng)的y-方向驅(qū)動(dòng)線211、212和多條伸長(zhǎng)的x-方向驅(qū)動(dòng)線214按照矩陣構(gòu)形配置在基片上，如圖39所示的存儲(chǔ)單元210配置在這些驅(qū)動(dòng)線的交叉點(diǎn)，則提供了由大量存儲(chǔ)單元210按照矩陣構(gòu)形構(gòu)成的磁性存儲(chǔ)器件。
亦即，通過(guò)彼此平行地配置第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212，與第一和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線211、212成直角地配置多條x-方向驅(qū)動(dòng)線214，并且通過(guò)在第一和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線211、212和x-方向驅(qū)動(dòng)線214的交叉點(diǎn)配置多個(gè)存儲(chǔ)載體213，由此可以提供具有編址功能并可以對(duì)可選存儲(chǔ)單元進(jìn)行選擇和寫(xiě)入實(shí)現(xiàn)的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器，這是利用與圖2所示傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器類似的簡(jiǎn)單矩陣具有矩陣式編址功能的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器。
具體地，平行于y-方向配置多條第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211A、211B、…和多條第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212A、212B、…，第一y-方向驅(qū)動(dòng)線和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線相互平行地延伸。亦即，第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211A和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212A的組合221A、第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211B和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212B的組合221B、…彼此平行地配置在y-方向。而且，平行于x-方向配置多條x-方向驅(qū)動(dòng)線214A、214B、214C…，在交叉點(diǎn)布置若干存儲(chǔ)載體213A-1、213A-2、…213B-1、213B-2、…213C-1、213C-2、…。
如果選擇單一y-方向驅(qū)動(dòng)線211A和單一x-方向驅(qū)動(dòng)線214B并同時(shí)分別饋以適當(dāng)?shù)碾娏鱅1、I2，則僅在這兩條驅(qū)動(dòng)線的交叉點(diǎn)的存儲(chǔ)載體213B-1發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。此時(shí)，均饋以電流的y-方向驅(qū)動(dòng)線211A和x-方向驅(qū)動(dòng)線214B對(duì)配置在其上的多個(gè)存儲(chǔ)載體施加驅(qū)動(dòng)操作。但是，來(lái)自y-方向驅(qū)動(dòng)線211A或x-方向驅(qū)動(dòng)線214B之一的驅(qū)動(dòng)操作不足以產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。在y-方向驅(qū)動(dòng)線211A流動(dòng)的電流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)操作和在x-方向驅(qū)動(dòng)線214B流動(dòng)的電流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)操作被合成，僅當(dāng)在存儲(chǔ)載體213上的驅(qū)動(dòng)作用處于相對(duì)于易磁化軸成45°的方向時(shí)，才產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。在圖41的例子中，磁化反轉(zhuǎn)僅發(fā)生在存儲(chǔ)載體213B-1。
通過(guò)在如上所述的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)矩陣式編址，可以通過(guò)類似于圖2所示的傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，對(duì)可選存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫(xiě)入，無(wú)需對(duì)各個(gè)固體磁性存儲(chǔ)器附加非線性元件或者選擇晶體管。
在上述交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中，即使使用矩陣式編址，也不必使用非線性元件或選擇晶體管。亦即交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器可以由金屬材料和絕緣材料構(gòu)成，而不必使用對(duì)污染敏感的半導(dǎo)體。如果存儲(chǔ)器由金屬材料和絕緣材料構(gòu)成，則由于不使用對(duì)污染敏感的半導(dǎo)體，所以可以顯著地筒化制造工藝。
3-5具有編址功能的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的具體例子3-5-1整體結(jié)構(gòu)作為存儲(chǔ)載體，使用形成在基片上的多個(gè)磁性薄膜的組合。作為從交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器之外，利用編址方式選擇各個(gè)存儲(chǔ)載體和傳輸在單一存儲(chǔ)載體上的寫(xiě)入操作的傳輸通路，多條驅(qū)動(dòng)線配置在基片上。為了以盡可能少的驅(qū)動(dòng)線實(shí)現(xiàn)有效的編址，提供多組驅(qū)動(dòng)線，例如多組在x-方向延伸的驅(qū)動(dòng)線和在y-方向延伸的多組驅(qū)動(dòng)線，在對(duì)應(yīng)于各組驅(qū)動(dòng)線的交叉點(diǎn)的格點(diǎn)配置存儲(chǔ)載體。
3-5-2可使用的交換耦合的機(jī)理產(chǎn)生從驅(qū)動(dòng)線向存儲(chǔ)載體傳輸驅(qū)動(dòng)能量的交換作用的機(jī)理具有如下所述各種來(lái)源，同時(shí)還有各種適合于從外部控制交換作用的強(qiáng)度的輸入系統(tǒng)。
3-5-2-1借助半導(dǎo)體層的磁性耦合與磁性部件接觸的半導(dǎo)體中的載流子的自旋強(qiáng)度分布按振蕩方式隨著距磁性部件的距離而衰減，產(chǎn)生對(duì)極化距離(平均載流子自旋從零點(diǎn)的偏移)處的其它磁性離子或磁性部件的磁交互作用(PKKY交互作用)。利用這種交互作用，導(dǎo)致被半導(dǎo)體層分隔的兩層磁性層之間的交換作用。
磁性交互作用的強(qiáng)度或距離的振蕩周期取決于載流子濃度。而且，半導(dǎo)體的載流子濃度可以利用電激勵(lì)(施加電壓或提供電流)或者外激勵(lì)例如光照來(lái)改變。于是，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體層施加外部激勵(lì)，可以改變上下磁性層之間的磁性耦合。這樣，通過(guò)配置具有固定磁化方向的磁性金屬薄膜232、具有可變磁化方向的磁性金屬薄膜233，半導(dǎo)體層231夾在其間，并且通過(guò)轉(zhuǎn)換電壓的導(dǎo)通/截止，可以產(chǎn)生能夠使磁性金屬薄膜233的磁化矢量反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)能量。
具體地，在由半導(dǎo)體層傳遞的磁性耦合中，由于自旋強(qiáng)度分布的振蕩性質(zhì)，不僅磁性耦合的強(qiáng)度而且符號(hào)均易于改變。亦即，在由半導(dǎo)體層傳遞的磁性耦合中，存在如下可能性，即可利用施于半導(dǎo)體層的外加激勵(lì)，控制上下磁性層的磁化是易于取向在鐵磁性的平行方向，還是取向在反鐵磁性的反平行方向。如果使用能夠使驅(qū)動(dòng)方向反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)線，則可以利用單一驅(qū)動(dòng)線實(shí)現(xiàn)圖39所示存儲(chǔ)單元中的兩條驅(qū)動(dòng)線(第一y-方向驅(qū)動(dòng)線211和第二y-方向驅(qū)動(dòng)線212)的功能。因此，如果在垂直方向和水平方向分別有m和n個(gè)存儲(chǔ)單元，則僅需m+n條驅(qū)動(dòng)線即可以實(shí)現(xiàn)矩陣式編址，如同圖2所示的傳統(tǒng)固體磁性存儲(chǔ)器的情況。
3-5-2-2由介電層傳遞的磁性耦合借助介電層可以在磁性層之間建立交換耦合。此時(shí)，磁性層之間的交換耦合由互連兩層的隧道電子傳遞的。于是，通過(guò)配置具有固定磁化方向的磁性金屬薄膜242和具有可變磁化方向的磁性金屬薄膜243，其間夾有介電層241，并且通過(guò)從磁性金屬薄膜242、243或者獨(dú)立的電極施加電壓，從而改變層狀結(jié)構(gòu)的電位分布，改變經(jīng)過(guò)介電層241傳輸?shù)碾娮拥乃泶┛赡苄?，進(jìn)而改變磁性金屬薄膜242、243之間的交換耦合。這可以用做使磁化方向反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)能量。
同時(shí)，如果形成多層介電層241a、241b，如圖44所示，則實(shí)現(xiàn)了具有多勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)。如果電子具有經(jīng)過(guò)勢(shì)壘之間的勢(shì)阱諧振傳輸?shù)哪芰?，則經(jīng)過(guò)具有多勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)傳輸?shù)碾娮拥目赡苄猿尸F(xiàn)顯著的局部最大值。如果電子能量的電位分布或者結(jié)構(gòu)在諧振與非諧振之間變化，則可以利用相對(duì)較小的外部激勵(lì)產(chǎn)生隧穿可能性的顯著變化，結(jié)果在可利用隧道電子的交換耦合中產(chǎn)生顯著的變化。
3-5-2-3由導(dǎo)電層傳遞的耦合在由非磁性金屬形成的導(dǎo)電層中觀察到了RKKY作用，借之可以在磁性層之間實(shí)現(xiàn)磁性耦合。但是，導(dǎo)電材料具有許多載流子和短的弛豫時(shí)間，因而難以象使用半導(dǎo)體那樣利用外部激勵(lì)改變載流子數(shù)量，從而調(diào)制磁性耦合。但是，通過(guò)利用材料結(jié)構(gòu)上的新設(shè)計(jì)，可以調(diào)制磁性耦合。
例如，通過(guò)在磁性層之間配置由Cr/Fe-Ag層疊膜形成的耦合控制層，并且對(duì)耦合控制層施加電流，可以去除磁性層之間的磁性耦合。圖37所示結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于使用這種原理的例子。這對(duì)應(yīng)于使用導(dǎo)電材料的情況和3-5-2-4說(shuō)明的使用復(fù)合材料的情況。此電流控制系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)是工作速度不受電容量的限制，同時(shí)絕緣材料不必具有耐高壓的特性。
3-5-2-4由復(fù)合材料傳遞的耦合如果使用圖45或46所示的復(fù)合材料，代替單相材料作為控制磁性層之間磁性耦合的耦合控制層，則可以對(duì)磁性耦合的傳播進(jìn)行控制，并利用外部激勵(lì)改變耦合強(qiáng)度。
圖45展示了由磁性層251和非鐵磁性層252組成的多層耦合控制層。對(duì)于作為多層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成元件的磁性層251，可以使用鐵磁性金屬例如Fe、Co、Ni，或它們與非磁性金屬的合金。作為非鐵磁性層252，可以使用任何適當(dāng)?shù)慕饘?，例如Ti、V、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。此外，可以使用在室溫呈現(xiàn)反鐵磁特性的Cr。可以根據(jù)磁性材料類型或者非鐵磁性層252的厚度,按照許多方式設(shè)計(jì)鐵磁或反鐵磁特性或者所得耦合的強(qiáng)度。
除了層疊結(jié)構(gòu)之外，也可以使用圖46所示的微粒分散結(jié)構(gòu)作為耦合控制層。此耦合控制層具有的結(jié)構(gòu)中鐵磁性顆粒253例如Fe顆粒分散在非磁性材料254例如Ag內(nèi)。磁性耦合在類似于階梯的鐵磁性顆粒253之中傳遞，結(jié)果配置在耦合控制層兩側(cè)的磁性層與磁性層磁性耦合在一起。
鐵磁性顆粒中的磁性耦合極弱，以致如果在耦合控制層中流過(guò)電流，則由于溫升和過(guò)多的電子散射而使磁性耦合趨于分離。亦即，在微粒分散結(jié)構(gòu)的耦合控制層中，配置在其兩側(cè)的磁性層之間的磁性耦合取決于鐵磁性顆粒之中的弱磁性耦合，以致宏觀的磁性耦合可被耦合控制層中流動(dòng)的電流所分離。
同時(shí)，微粒分散結(jié)構(gòu)也可以用做層狀結(jié)構(gòu)的元件。例如，Cr/Fe-Ag膜用做以下將說(shuō)明的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中的耦合控制層。此Fe-Ag膜由非固溶式的兩相混合材料形成，因而可以說(shuō)是微粒分散結(jié)構(gòu)。
同時(shí)，如果在耦合控制層中使用含磁性材料的復(fù)合材料，則經(jīng)過(guò)復(fù)合材料中的磁性材料間接發(fā)生磁性耦合。因此，耦合控制層的膜厚可以增加。如果使用含磁性材料的復(fù)合材料作為耦合控制層，其膜厚最好不小于10nm。如果膜厚不小于10nm，則可以避免因耦合控制層過(guò)薄而產(chǎn)生的制造困難的問(wèn)題。
雖然對(duì)由復(fù)合材料組成的耦合控制層的厚度上限沒(méi)有限制，但是考慮到實(shí)際的制造工藝，耦合控制層的厚度最好不大于約1μm。
3-5-2-5由別的磁性材料傳遞的耦合如果施加外部激勵(lì)則居里溫度-在該溫度磁有序?qū)⑾?相對(duì)較低的材料，或者在補(bǔ)償點(diǎn)附近的鐵磁性材料的宏觀磁特性將顯著變化。這可以用于調(diào)制磁性層之間的磁性耦合。
3-5-3對(duì)編址操作的實(shí)驗(yàn)證實(shí)實(shí)際制備實(shí)施本發(fā)明的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器，證實(shí)其編址操作。
3-5-3-1交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的制備工序使用磁控管濺射器件制備實(shí)施本發(fā)明的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器。參考圖47-51說(shuō)明制備工序。應(yīng)注意展示交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器的制造工藝的圖47-51示出的是單個(gè)存儲(chǔ)單元的局部放大剖面圖。
(1)用于控制磁化方向的固定磁性層和Cu層的淀積(圖47)在玻璃基片260上淀積高矯頑力的Co-Pt磁性層261(永磁層)和Co層262之后，利用電子束蝕刻形成光刻膠掩模圖形263，在對(duì)應(yīng)于單個(gè)y-方向驅(qū)動(dòng)線的區(qū)域內(nèi)淀積條狀Cu層264。
高矯頑力的Co-Pt磁性層261、Co層262和Cu層264的膜厚分別是100nm、100nm和0.8nm。
(2)第二級(jí)Co層和耦合控制層的淀積(圖48)去除光刻膠掩模263，淀積厚20nm的第二級(jí)Co層265。淀積在Cu層264上的第二級(jí)Co層265的區(qū)域，利用由Cu層264傳遞的反鐵磁性交換作用，在與下伏Co層262反平行的方向上被磁化。
然后淀積絕緣控制層266。通過(guò)在含氧氫氣氛中濺射Fe-Si靶獲得的絕緣控制層266由具有高電阻和鐵磁特性的材料形成，可以傳播磁性耦合。
然后淀積耦合控制層267。為此目的，通過(guò)同時(shí)濺射Fe-Ag鑲嵌靶和Cr靶，并使基片260交替處于各個(gè)靶上，而在室溫淀積Cu/Fe-Ag多層膜。所用的鑲嵌靶是其上配置有6個(gè)圓心角為15°的扇形Ag板的Fe靶。對(duì)于Cr和Fe-Ag膜其各自的膜厚分別是0.9nm和1.5nm。這些層淀積在鐵氧體基片上，以第一Fe-Ag層開(kāi)始，在16個(gè)半周期之后，淀積最后的Fe-Ag層作為最上層。此控制層中流過(guò)電流時(shí)具有中斷磁性耦合的作用，正如在3-5-2-4中討論的。在存儲(chǔ)單元區(qū)的外邊緣上形成電極焊盤(pán)，以便提供對(duì)耦合控制層267施加電流的電極。
在耦合控制層267上淀積絕緣耦合層268，使其不覆蓋從耦合控制層267導(dǎo)出的電極焊盤(pán)。
(3)驅(qū)動(dòng)線圖形的形成(圖49)在對(duì)應(yīng)于單元寬度的兩條y-方向驅(qū)動(dòng)線的區(qū)域內(nèi)形成光刻膠掩模圖形269，互連電極焊盤(pán)，同時(shí)把其它部位刮掉至下伏Co層262的一半厚度。這樣形成y-方向驅(qū)動(dòng)線270、271。
(4)Ni-Fe層的淀積和賦予磁各向異性通過(guò)絕緣樹(shù)脂272消除臺(tái)階差，然后淀積Ni-Fe層273，與絕緣耦合層268接觸。淀積過(guò)程中，通過(guò)加熱基片消除從下層傳播來(lái)的偏磁。在x-方向施加外磁場(chǎng)，產(chǎn)生單軸磁各向異性，其易磁化軸沿Ni-Fe層273中的x-軸方向。此Ni-Fe層273起存儲(chǔ)載體作用。
(5)存儲(chǔ)載體的形成和x-方向驅(qū)動(dòng)線的淀積和形成通過(guò)掩模工藝，Ni-Fe層273被留下存儲(chǔ)載體的尺寸。填充絕緣樹(shù)脂274之后，淀積x-方向Cu互連，形成x-方向驅(qū)動(dòng)線275。使用電磁鐵在室溫在x-方向施加2kOe的磁場(chǎng)，使高矯頑力的Co-Pt磁性層261和Co層262的磁化方向取向在-x方向。
如上所述，即制備出了包括驅(qū)動(dòng)線的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器。雖然在圖47-51中所示的是單個(gè)存儲(chǔ)單元的放大圖，但是實(shí)際制備了4×4個(gè)存儲(chǔ)單元。圖52和53分別展示了由4×4個(gè)存儲(chǔ)單元構(gòu)成的固體磁性存儲(chǔ)器的平面結(jié)構(gòu)和放大的單個(gè)存儲(chǔ)單元的平面結(jié)構(gòu)。
在上述交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中，x-方向驅(qū)動(dòng)線275是簡(jiǎn)單的導(dǎo)體。從導(dǎo)體使Ni-Fe層273構(gòu)成的存儲(chǔ)載體磁化的操作，是利用在此導(dǎo)體中流過(guò)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)完成的。為了簡(jiǎn)化制造工藝，就x-方向驅(qū)動(dòng)線275來(lái)說(shuō)不使用交換耦合。當(dāng)然，通過(guò)使用利用交換耦合使存儲(chǔ)載體的磁化向y-方向傾斜的驅(qū)動(dòng)線，可以通過(guò)交換耦合實(shí)現(xiàn)整體驅(qū)動(dòng)。在這種情況，可以從3-5-2-1～3-5-2-5所示的這些方案中，選擇并使用在電輸入導(dǎo)通態(tài)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)理。也可以使用在電輸入導(dǎo)通態(tài)耦合斷開(kāi)的類型的驅(qū)動(dòng)線，如同本實(shí)施例所采用的。此時(shí)，利用來(lái)自其它磁性部件例如圖37的固定磁性層204的偏磁疊加，使驅(qū)動(dòng)能量平衡偏移，以便在電輸入導(dǎo)通態(tài)下產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)能量。
在上述元件結(jié)構(gòu)中，包含了在元件制備中十分重要的下述方面。
(1)在整個(gè)基片表面上淀積的固定磁性層在上述交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器中，由高矯頑力Co-Pt磁性層261和Co層262構(gòu)成的固定磁性層淀積在整個(gè)基片表面上。通過(guò)使固定磁性層在一個(gè)方向磁化，并在其上的單元陣列以下構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)，則以固定磁性層為基準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)線和存儲(chǔ)載體整體的磁化方向在整個(gè)基片表面上的均勻性得以改善。這種均勻性有利于尤其是在存儲(chǔ)器讀出過(guò)程中的信號(hào)均勻性，改善了工作可靠性。
(2)控制磁化方向所用的Cu層用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)載體在相反方向例如+x和-x方向的磁化的兩條驅(qū)動(dòng)線270、271的驅(qū)動(dòng)方向應(yīng)是正確地反平行。作為實(shí)現(xiàn)這種在驅(qū)動(dòng)線270、271上的規(guī)則磁疇結(jié)構(gòu)的措施，其特征是Cu層263兩側(cè)上的Co層260、265上的磁化成為相互反平行。同時(shí)，在不同材料的各種組合中，已知會(huì)產(chǎn)生類似的反平行耦合，例如由Cr層傳遞的各Fe層的耦合?？梢赃m當(dāng)?shù)剡x擇這些組合用于存儲(chǔ)器的制造。這種反平行耦合例如在S.S.P.Parkin,Physical ReviewLetters vol.61,p.3598-3601(1991)有所討論。
(3)在耦合控制層中有電流并且傳播磁性耦合的絕緣耦合層作為傳遞磁性耦合的高電阻材料，可以使用在含氧氣氛中濺射Fe-Si靶所獲得的薄膜。此薄膜估計(jì)是磁性金屬合金和氧化物的混合物。具有上述功能的類似材料可以通過(guò)濺射主要由Fe、Co和Ni組成的靶來(lái)獲得。
3-5-3-2編址操作的證實(shí)使用如上所述制備的交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了存儲(chǔ)單元可以實(shí)際地被選擇用于寫(xiě)入。使用克爾顯微鏡檢測(cè)存儲(chǔ)載體的磁化方向，該顯微鏡向偏光顯微鏡的圖象附加基于磁化的亮/暗對(duì)比度，其原理是當(dāng)光在磁性樣品表面上反射時(shí)產(chǎn)生的偏振光平面的旋轉(zhuǎn)(磁光克爾效應(yīng))反映了樣品的磁化方向。對(duì)此實(shí)驗(yàn)，選擇光學(xué)系統(tǒng)的配置以便能夠檢測(cè)基于對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)載體易磁化軸的x-方向磁化分量的對(duì)比度。觀察之前，利用離子蝕刻去除4×4存儲(chǔ)載體的上部所疊加的絕緣樹(shù)脂，以使用做存儲(chǔ)載體的Ni-Fe薄膜暴露在表面上。使用此工序是為了避免由樹(shù)脂雙折射和表面反射疊加二者產(chǎn)生的冗余對(duì)比度被誤當(dāng)作磁光克爾效應(yīng)所致。
(1)在初始磁化狀態(tài)中，樣品的永磁體下層在-x方向磁化，同時(shí)存儲(chǔ)載體層也取向在-x方向。用克爾顯微鏡觀察，全部16個(gè)存儲(chǔ)載體均顯得具有相同的亮度。
(2)把樣品移至顯微探針并且設(shè)置4個(gè)電極。選擇y-方向驅(qū)動(dòng)線之一和x-方向驅(qū)動(dòng)線之一，同時(shí)饋以脈沖電流。為了使存儲(chǔ)載體的磁化反轉(zhuǎn)至+x方向，選擇這種驅(qū)動(dòng)線饋以電流時(shí)用于減弱在-x方向?qū)Υ鎯?chǔ)載體的偏磁。
(3)把樣品移回克爾顯微鏡以與初始觀察時(shí)相同的取向觀察圖象。觀察的圖象展示在圖54，從中可見(jiàn)只有被選擇的存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)載體(從上數(shù)第二行和從左數(shù)第三列的存儲(chǔ)載體273A)比其它存儲(chǔ)載體更亮，于是證實(shí)有關(guān)存儲(chǔ)載體的磁化方向已被改變。
(4)把樣品移至探針。選擇相同的存儲(chǔ)單元，為了擦除存儲(chǔ)內(nèi)容，對(duì)不同的y-方向和x-方向驅(qū)動(dòng)線施加脈沖電流。在克爾顯微鏡下再次觀察樣品。發(fā)現(xiàn)全部存儲(chǔ)載體出現(xiàn)相同的亮度。這證實(shí)了由磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行的存儲(chǔ)寫(xiě)入是可逆的。
(5)對(duì)多個(gè)不同的存儲(chǔ)單元反復(fù)地進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。證實(shí)了可以對(duì)每一個(gè)存儲(chǔ)單元獨(dú)立地完成寫(xiě)入和擦除。亦即，采用交換耦合式固體磁性存儲(chǔ)器，通過(guò)配置成矩陣構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)線，可以實(shí)現(xiàn)編址操作。
在具有作為存儲(chǔ)載體的磁性部件陣列的磁性存儲(chǔ)器件中，利用簡(jiǎn)單矩陣式互連，可以實(shí)現(xiàn)集成電路元件不可缺少的編址功能，而不存在使用磁場(chǎng)寫(xiě)入所伴隨的問(wèn)題，例如起因于精細(xì)化的設(shè)計(jì)規(guī)則或矯頑力降低的串?dāng)_。
權(quán)利要求
1．一種磁化控制方法，包括利用含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域；對(duì)所述隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，利用電激勵(lì)、光照或溫度控制之一，對(duì)所述隔離區(qū)域施加所述激勵(lì)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，半導(dǎo)體材料用做隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，在半導(dǎo)體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質(zhì)用做隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，在磁性半導(dǎo)體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質(zhì)用做隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，層疊鐵磁性膜和半導(dǎo)體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，層疊鐵磁性膜和磁性半導(dǎo)體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的磁化控制方法，其中，隔離區(qū)域的厚度不小于10nm。
9．一種磁化控制方法，包括利用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域；對(duì)所述隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的磁化控制方法，其中，包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料用做隔離區(qū)域。
11．一種信息記錄方法，包括用含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域；根據(jù)要記錄的信息對(duì)所述隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化；基于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制或以上的多值記錄。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，利用電激勵(lì)、光照或溫度控制之一，對(duì)所述隔離區(qū)域施加所述激勵(lì)。
13．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，磁性半導(dǎo)體材料用做所述隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
14．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，在半導(dǎo)體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質(zhì)用做隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
15．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，在磁性半導(dǎo)體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質(zhì)用做隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
16．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，層疊鐵磁性膜和半導(dǎo)體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
17．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，層疊鐵磁性膜和磁性半導(dǎo)體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
18．根據(jù)權(quán)利要求11的信息記錄方法，其中，所述隔離區(qū)域的厚度不小于10nm。
19．一種信息記錄方法，包括用厚度不小于10nm的隔離區(qū)域分隔鐵磁性材料的磁化區(qū)域；根據(jù)要記錄的信息對(duì)所述隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，從而控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化；基于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制或以上的多值記錄。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的信息記錄方法，其中，包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料用做隔離區(qū)域。
21．一種信息記錄元件，其具有的結(jié)構(gòu)中，鐵磁性材料的磁化區(qū)域被含有磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域所分隔；其中，根據(jù)要記錄的信息對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化；基于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，利用電激勵(lì)、光照或溫度控制之一，對(duì)所述隔離區(qū)域施加所述激勵(lì)。
23．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，磁性半導(dǎo)體材料用做所述隔離區(qū)域所用的復(fù)合材料。
24．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，用做隔離區(qū)域的復(fù)合材料是在半導(dǎo)體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質(zhì)。
25．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，用做隔離區(qū)域的復(fù)合材料是在磁性半導(dǎo)體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質(zhì)。
26．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，用在隔離區(qū)域的復(fù)合材料是層疊鐵磁性膜和半導(dǎo)體膜在一起獲得的多層膜。
27．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，用在隔離區(qū)域的復(fù)合材料是層疊鐵磁性膜和磁性半導(dǎo)體膜在一起獲得的多層膜。
28．根據(jù)權(quán)利要求21的信息記錄元件，其中，隔離區(qū)域的厚度不小于10nm。
29．一種信息記錄元件，其具有的結(jié)構(gòu)中，鐵磁性材料的磁化區(qū)域被厚度不小于10nm的隔離區(qū)域所分隔；其中，根據(jù)要記錄的信息對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì)，改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用，控制一個(gè)或多個(gè)分隔的磁化區(qū)域的磁化；基于磁化區(qū)域的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
30．根據(jù)權(quán)利要求29的信息記錄元件，其中，所述隔離區(qū)域由包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料組成。
31．一種磁化控制方法，包括由包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層構(gòu)成層狀組合膜，使導(dǎo)電層布置在磁性層之間；在層狀組合膜的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，從而控制磁性層的磁化方向。
32．根據(jù)權(quán)利要求31的磁化控制方法，其中，導(dǎo)電層由包含呈現(xiàn)單相磁有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料構(gòu)成。
33．根據(jù)權(quán)利要求31的磁化控制方法，其中，導(dǎo)電層由鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替層疊構(gòu)成，或者由組成調(diào)制膜構(gòu)成。
34．根據(jù)權(quán)利要求31的磁化控制方法，其中，所述導(dǎo)電層具有鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物結(jié)構(gòu)。
35．根據(jù)權(quán)利要求31的磁化控制方法，其中，電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。
36．一種磁功能元件，包括層狀組合，是層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層獲得的，使導(dǎo)電層位于磁性層之間；在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，以控制磁性層的磁化方向。
37．根據(jù)權(quán)利要求36的磁功能元件，其中，利用磁性層的磁化狀態(tài)使輸出對(duì)應(yīng)于磁性層的磁化狀態(tài)。
38．根據(jù)權(quán)利要求36的磁功能元件，其中，導(dǎo)電層由包含呈現(xiàn)單相磁有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料構(gòu)成。
39．根據(jù)權(quán)利要求36的磁功能元件，其中，導(dǎo)電層由鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替層疊構(gòu)成，或者由組成調(diào)制膜構(gòu)成。
40．根據(jù)權(quán)利要求36的磁功能元件，其中，所述導(dǎo)電層具有鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物結(jié)構(gòu)。
41．根據(jù)權(quán)利要求36的磁功能元件，其中，電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。
42．一種信息記錄方法，包括通過(guò)層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層，構(gòu)成層狀組合，使導(dǎo)電層位于磁性層之間；在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，以控制磁性層的磁化方向；基于磁化層的磁化方向進(jìn)行雙值以上的多值記錄。
43．根據(jù)權(quán)利要求42的信息記錄方法，其中，導(dǎo)電層由包含呈現(xiàn)單相磁有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料構(gòu)成。
44．根據(jù)權(quán)利要求42的信息記錄方法，其中，導(dǎo)電層是鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替層疊構(gòu)成的層狀薄膜組合或者說(shuō)組成調(diào)制膜。
45．根據(jù)權(quán)利要求42的信息記錄方法，其中，所述導(dǎo)電層具有鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物結(jié)構(gòu)。
46．根據(jù)權(quán)利要求42的信息記錄方法，其中，電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。
47．一種信息記錄元件，包括層狀組合，是層疊包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層獲得的，以使導(dǎo)電層位于磁性層之間；在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，以控制磁性層的磁化方向；基于磁化層的磁化方向進(jìn)行二進(jìn)制以上的多值記錄。
48．根據(jù)權(quán)利要求47的信息記錄元件，其中，利用磁光效應(yīng)檢測(cè)磁性層的磁化方向，讀出記錄的信息。
49．根據(jù)權(quán)利要求47的信息記錄元件，其中，導(dǎo)電層由包含呈現(xiàn)單相磁有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料構(gòu)成。
50．根據(jù)權(quán)利要求47的信息記錄元件，其中，導(dǎo)電層是鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)交替層疊構(gòu)成的層狀薄膜組合，或者是組成調(diào)制膜。
51．根據(jù)權(quán)利要求47的信息記錄元件，其中，所述導(dǎo)電層具有鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物結(jié)構(gòu)。
52．根據(jù)權(quán)利要求47的信息記錄元件，其中，電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。
53．一種可變電阻元件，包括由層疊在一起的第一磁性層、第二磁性層、非磁性層和第三磁性層制成的層狀組合；在層狀組合的導(dǎo)電層中流過(guò)電流，改變第一磁性層和第二磁性層之間的磁性耦合狀態(tài)，控制第二磁性層的磁化方向，以控制包括第二磁性層、非磁性層和第三磁性層的電流通道的電阻。
54．根據(jù)權(quán)利要求53的可變電阻元件，其中，導(dǎo)電層由包含呈現(xiàn)單相磁有序的物質(zhì)和非磁性材料的復(fù)合材料構(gòu)成。
55．根據(jù)權(quán)利要求53的可變電阻元件，其中，導(dǎo)電層由具有鐵磁性組成和非磁性組成的交替層疊區(qū)的層狀膜組合構(gòu)成，或者由組成調(diào)制膜構(gòu)成。
56．根據(jù)權(quán)利要求53的可變電阻元件，其中，所述導(dǎo)電層具有鐵磁性組成區(qū)和非磁性組成區(qū)的三維混合物結(jié)構(gòu)。
57．根據(jù)權(quán)利要求53的可變電阻元件，其中，電阻大于導(dǎo)電層電阻的材料層，作為導(dǎo)電層的上層和下層。
58．一種磁性存儲(chǔ)器件，具有由多個(gè)分隔的磁性部件組成的陣列作為存儲(chǔ)載體，其中利用通過(guò)固相傳播的交換作用，作為指定選做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體之一的方法，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)操作。
59．根據(jù)權(quán)利要求58的磁性存儲(chǔ)器件，具有耦合控制層夾在兩個(gè)磁性層之間的結(jié)構(gòu)，其中，所述交換作用是通過(guò)所述耦合控制層在兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用，通過(guò)對(duì)所述耦合控制層施加激勵(lì)，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
60．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中所述耦合控制層是半導(dǎo)體層，其中，通過(guò)所述半導(dǎo)體層的價(jià)電子傳遞所述交換作用；對(duì)所述半導(dǎo)體層施加電激勵(lì)，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
61．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中所述耦合控制層是介電層，其中，通過(guò)由隧道效應(yīng)借助所述介電層在磁性層之間遷移的電子來(lái)傳遞所述交換作用；改變所述介電層之間的隧道勢(shì)壘高度，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
62．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中所述耦合控制層是導(dǎo)電層，其中，所述交換作用是通過(guò)所述介電層在兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用，通過(guò)對(duì)所述導(dǎo)電層施加電流，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
63．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中，所述耦合控制層具有不小于10nm的厚度并且包含磁性材料。
64．根據(jù)權(quán)利要求63的磁性存儲(chǔ)器件，其中，耦合控制層是層疊在一起的磁性層和非磁性層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。
65．根據(jù)權(quán)利要求63的磁性存儲(chǔ)器件，其中，耦合控制層是磁性顆粒分散在非磁性材料中的分散系。
66．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中，形成硬磁材料的磁性層，作為夾在所述兩個(gè)磁性層之間的耦合控制層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的下層。
67．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中，耦合控制層兩側(cè)上的磁性層中的至少一個(gè)通過(guò)中間層層疊，以使成對(duì)磁性層的磁化方向相互反平行。
68．根據(jù)權(quán)利要求59的磁性存儲(chǔ)器件，其中，傳遞磁性耦合的電絕緣材料的薄膜配置在磁性層和耦合控制層之間。
69．根據(jù)權(quán)利要求58的磁性存儲(chǔ)器件，其中，多個(gè)直線式部件相互交叉地布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在所述直線式部件的交叉點(diǎn)；其中，選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，兩個(gè)以上直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用被組合，對(duì)被選擇的存儲(chǔ)載體實(shí)施寫(xiě)入或讀出；至少一個(gè)所述磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
70．根據(jù)權(quán)利要求58的磁性存儲(chǔ)器件，其中，多個(gè)直線式部件相互交叉地布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在所述直線式部件的交叉點(diǎn)；其中，選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，利用三個(gè)以上的直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用的組合，控制存儲(chǔ)載體的磁化方向；至少一個(gè)所述磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
71．一種在具有多個(gè)分隔的磁性部件線陣列作為存儲(chǔ)載體的磁性存儲(chǔ)器件中的編址方法，包括在選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，使用通過(guò)固相傳播的交換作用。
72．根據(jù)權(quán)利要求71的編址方法，其中，所述交換作用是通過(guò)一種結(jié)構(gòu)中的耦合控制層在兩個(gè)磁性層之間作用的交換作用，所述結(jié)構(gòu)由夾在所述磁性層之間的所述耦合控制層構(gòu)成，通過(guò)對(duì)耦合控制層施加激勵(lì)所產(chǎn)生的兩個(gè)磁性層之間的交換作用的變化，用來(lái)選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
73．根據(jù)權(quán)利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層是半導(dǎo)體層，其中，所述交換作用由所述半導(dǎo)體層的價(jià)電子傳遞；對(duì)所述半導(dǎo)體層施加電激勵(lì)，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
74．根據(jù)權(quán)利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層是介電層，其中，通過(guò)由隧道效應(yīng)借助所述介電層在磁性層之間遷移的電子來(lái)傳遞所述交換作用；改變所述介電層之間的隧道勢(shì)壘高度，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化被用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
75．根據(jù)權(quán)利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層是導(dǎo)電層，其中，所述交換作用是在兩個(gè)磁性層之間起作用的交換作用，使電流流過(guò)所述導(dǎo)電層，使兩個(gè)磁性層之間的交換作用發(fā)生變化，所述變化被用于選擇用做寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體。
76．根據(jù)權(quán)利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層的厚度不小于10nm，并且包含磁性材料。
77．根據(jù)權(quán)利要求72的編址方法，其中，耦合控制層是層疊在一起的磁性層和非磁性層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。
78．根據(jù)權(quán)利要求72的編址方法，其中，耦合控制層是磁性顆粒分散在非磁性材料中的分散系。
79．根據(jù)權(quán)利要求71的編址方法，其中，多個(gè)直線式部件相互交叉地布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在所述直線式部件的交叉點(diǎn)；其中，選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，兩個(gè)以上直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用被組合，對(duì)被選擇的存儲(chǔ)載體實(shí)施寫(xiě)入或讀出；至少一個(gè)所述磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
80．根據(jù)權(quán)利要求71的編址方法，其中，多個(gè)直線式部件相互交叉地布置，每個(gè)存儲(chǔ)載體布置在所述直線式部件的交叉點(diǎn)；其中，選擇用于寫(xiě)入或讀出的可選存儲(chǔ)載體時(shí)，利用三個(gè)以上的直線式部件施加在存儲(chǔ)載體上的磁交互作用的組合，控制存儲(chǔ)載體的磁化方向；至少一個(gè)所述磁交互作用是通過(guò)固相傳播的交換作用。
全文摘要
公開(kāi)了一種無(wú)需外加磁場(chǎng)即可控制磁化的元件。鐵磁性材料形成的磁化區(qū)域被包含磁性材料和半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料的隔離區(qū)域所分隔。對(duì)隔離區(qū)域外加激勵(lì),改變分隔的磁化區(qū)域之間的磁交互作用,以控制磁化區(qū)域的磁化。另外,提供由包含導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層和多個(gè)磁性層構(gòu)成的層狀組合,使導(dǎo)電層配置在磁性層之間。使電流流過(guò)導(dǎo)電層,改變磁性層之間的磁性耦合狀態(tài),以控制磁性層之間的磁化方向。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1236995SQ9910568
公開(kāi)日1999年12月1日 申請(qǐng)日期1999年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月13日
發(fā)明者別所和宏, 巖崎洋 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社