[发明专利]使用磁性材料的元件及其编址方法

说明书

本发明涉及控制磁性材料的磁化的方法。更具体地讲，涉及使用磁性材料的元件，例如用于通过控制磁性材料的磁化记录信息的信息记录元件，或者用于通过控制磁性材料的磁化来控制电阻的可变电阻元件，并且涉及在采用这种元件的装置中的编址方法。

与半导体器件相比，使用磁性材料的元件在两方面有吸引力。首先，由于装置元件可以使用导电金属，所以可以实现大的载流子密度和低的电阻。因此，可以期望使用磁性材料的元件适合于设计规则细微化和高集成度。其次，磁性材料固有的双稳态磁化方向可以用于非易失存储器。亦即，如果利用磁性材料固有的双稳态磁化方向，则可以期望实现固态非易失性存储器，其中即使电路电源被中断也不会丢失记录的信息。

同时，电路电源被中断也不会丢失记录信息的固态非易失性存储器预期在许多应用领域都是有用的。特别是，固态非易失性存储器在非使用期间并不消耗能量，因此在便携式电子信息设备中降低电池容量和重量方面，可以期望作为关键技术。另一方面，在卫星媒体商用时代到来的背景上，固态非易失性存储器也有广泛的用途，用于当卫星处于太阳能电池不能使用的地球阴影面时支持卫星的工作。

使用磁性材料的元件具有如下优点，ⅰ)非易失性；ⅱ)重复使用后不产生退化；ⅲ)高速写入的可能性；ⅳ)尺寸小并且适用于高的记录密度；ⅴ)优异的抗辐射能力。以下具体讨论这些优点。

ⅰ)非易失性

由于磁性材料固有的磁化方向的双稳性，作为磁化方向写入的信息在没有驱动电源的情况下也保持不变。

ⅱ)重复使用后不产生退化

也曾提出过使用象磁性材料那样呈现双稳性的介电材料的存储器(铁电随机存取存储器F-RAM)。在这种F-RAM中，通过使自发介电极化反向对存储器状态重写。但是，由于对应于存储器状态重写的自发介电极化的反转伴随着晶格中的离子运动，所以反复重写超过一百万次后会导致结晶缺陷扩大。于是，对于F-RAM，元件的使用寿命由于材料的疲劳而不能优异，这就提出了问题。另一方面，由于磁性材料的磁化反向不伴随着离子运动，所以使用磁性材料的元件几乎可以无限制地重写，而没有材料疲劳的限制。

ⅲ)高速写入的可能性

磁性材料的磁化反向速度快至约1ns，通过使用这样高的开关速率，高速写入就成为可能。

ⅳ)尺寸小并且适用于高的记录密度

基于组成或结构的选择，可以大范围地改变磁性合金的磁性能。于是，使用磁性材料的元件具有极高的设计自由度。对于使用磁性材料的元件，可以使用导电的磁性合金。如果使用导电磁性合金，可以确保元件的电流密度大于使用半导体时的，因而，与使用半导体元件相比，可以进一步细微化，并达到更高的记录密度。

作为利用这些特性的元件，已经提出了一种自旋晶体管，如Journal ofSociety of Applied Magnetic Science of Japan,vol.19,684(1995)所述。自旋晶体管具有由磁性材料E构成的发射极，同时具有分别由磁性材料C和非磁性材料B构成的收集极和基极，如图1所示。对于这种自旋晶体管，取决于磁性材料C、E的磁化方向的输出电压，由从磁性材料C、E向非磁性材料B渗出的极化密度所产生。同时，图1所示自旋晶体管的结构使得输出电压取决于磁性材料C和E的磁化方向。通过向磁化用电流线500提供磁化用电流脉冲，并且向磁性材料C和E施加由磁化用电流脉冲P产生的磁场，改变磁化方向。

ⅴ)优异的抗辐射性

如果电离辐射穿过元件，那么通过向电容器充电而产生的存储状态，例如对于动态随机存取存储器(D-RAM)，就会发生放电，以致丢失存储的信息。相反，磁性材料的磁化方向不受电离辐射的影响。于是，使用磁性材料的元件在抗辐射性方面是优异的。因此，使用磁性材料的元件对于需要高的抗辐射性的应用，例如通信卫星特别有用。实际上，在使用磁性材料的存储器中，磁泡存储器早已用做装载在通信卫星上的存储器。

使用磁性材料的器件具有许多优点，如上所述。作为利用这些特征的器件，已经提出固体磁性存储器。固体磁性存储器是一种采用磁性材料阵列作为存储介质的磁性存储器件，并且，区别于磁带或磁盘，其进行存储操作无需伴随着存储介质的运动。

在传统的固体磁性存储器中，使用的是一种利用磁性材料特性的简单编址方法。以下说明传统的固体磁性存储器的编址方法。