(57)【要約】  データの書き込み回数の無限大に近いエンデユランス（耐久性）、永久に近いデータリテンション（保持）特性をもち、超高速の書き込みおよび消去が可能な磁気素子及びスキルミオンメモリ等を提供する。例えば、スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、磁性体の一面において磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電流経路と、スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子とを備え、磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成したスキルミオンの直径λに対し、２λ＞Ｗｍ＞λ／２、２λ＞ｈｍ＞λ／２となるサイズを備え、端部領域は、端部領域における磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、端部領域における磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、λ≧Ｗ＞λ／４、２λ＞ｈ＞λ／２となる磁気素子を提供する。
2016035579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備える磁気素子。
【請求項２】
前記磁気素子において、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備える請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
となる請求項２に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ、前記電流経路と前記磁性体の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をｄとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
０．４λ＞ｄ≧０．２λ
となる請求項２に記載の磁気素子。
【請求項５】
スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む第１端部領域を囲んで設けた第１電流経路と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む前記第１端部領域内に第２端部領域を囲んで設けた第２電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と、
を備え、
前記磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、
前記第１端部領域は、前記第１端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅Ｗ１、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ１とすると、
λ≧Ｗ１＞λ／４
２λ＞ｈ１＞λ／２６
となり、
前記第２端部領域は、前記第２端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅Ｗ２、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈ２とすると、
Ｗ２＝Ｗ１
ｈ２＝Ｗ１
となる磁気素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気素子であって、
前記磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する磁気素子。
【請求項７】
前記磁性体は、印加する磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記磁性体は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料との積層構造のいずれかからなる、
請求項７に記載の磁気素子。
【請求項９】
前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の一面において前記磁性体の表面に接する非磁性絶縁体薄膜と、前記非磁性絶縁体薄膜上に設けた磁性体金属との積層構造を有し、
前記積層構造は、前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、抵抗値が変化する請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第１非磁性金属からなる第１電極と、
前記第１電極とは離間して、前記第１電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第２非磁性金属からなる第２電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第１電極と前記第２電極との間における前記磁性体の抵抗値が変化する請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第１非磁性金属からなる第１電極と、
前記第１電極とは離間して、前記第１電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第２非磁性金属からなる第２電極と、
第１電極と第２電極とがなす配列に対して垂直の配置で、前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第３非磁性金属からなる第３電極と、
第３電極とは離間して、前記第３電極と対向する前記磁性体の端部に接して第４非磁性金属からなる第４電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第３電極と前記第４電極との間における前記磁性体の電圧値が変化する請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の磁気素子と、
前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第1電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、前記スキルミオンの生成及び消去を測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
【請求項１３】
前記第1電源は、前記端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である請求項１２に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１４】
前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが異なる請求項１３に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１５】
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、前記生成パルスにより、０．０１５Ｊより小さくなり、前記消去パルスにより、０．０４Ｊより大きくなる請求項１３または１４に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１６】
請求項４に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記電流経路に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、
を備えるスキルミオンメモリ。
【請求項１７】
前記第１電源は、前記端部領域に対し、スキルミオンを生成する生成パルスと、スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である請求項１６に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１８】
前記生成パルスの電流方向と前記消去パルスの方向が同一の方向である請求項１７に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１９】
前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、前記生成パルスにより、０．０１５Ｊより小さくなり、前記消去パルスにより、０．０１５Ｊより大きくなる請求項１７または１８に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２０】
請求項５に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第１電流経路に電流を印加することで、前記第１端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、
前記磁気素子の前記第２電流経路に電流を印加することで、前記第２端部領域に第３磁場を発生させることが可能な第２電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、抵抗値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
【請求項２１】
請求項５に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第１電流経路に電流を印加することで、前記第１端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、
前記磁気素子の前記第２電流経路に電流を印加することで、前記第２端部領域に第３磁場を発生させることが可能な第２電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、電圧値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。
【請求項２２】
前記第１電源は、前記第１端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスを発生させ、
前記第２電源は、前記第２端部領域に対し、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である請求項２０または２１に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２３】
前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが、同一の方向である請求項２２に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２４】
前記第２磁場の磁場強度と前記第３磁場の磁場強度が同じである請求項２３に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２５】
前記第２磁場の磁場強度と前記第３磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、０．０１５Jより小さい請求項２３または２４に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２６】
前記第２磁場の磁場強度より前記第３磁場の磁場強度が大きい請求項２３に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２７】
前記第２磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをＪとすると、０．０１５Jより小さくなり、
前記第３磁場の磁場強度は、０．０２Jよりも小さくなる請求項２６に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項２８】
請求項１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した複数のスキルミオンメモリと、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、
スキルミオンの有無を検知するワード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記ワード線には前記スキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、
前記ワード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、前記スキルミオンの有無を検出する検出回路と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。
【請求項２９】
基板と、
前記基板上に形成した電界効果トランジスタと、
前記基板の上方に形成したスキルミオンメモリデバイスと
を有し、
前記スキルミオンメモリデバイスは、請求項１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置。
【請求項３０】
前記スキルミオンメモリデバイスを、前記電界効果トランジスタの上方に積層する請求項２９に記載のデータ処理装置。
【請求項３１】
請求項１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスと固体電子デバイスを同一チップ内に形成しているスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス。
【請求項３２】
請求項１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置。
【請求項３３】
請求項１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ処理装置。
【請求項３４】
請求項１２から２７のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキルミオンを生成、消去および検知可能な磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリデバイス、固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置およびデータ通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の磁気モーメントをデジタル情報として利用する磁気素子が知られている。当該磁気素子は、情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリの要素として機能するナノスケールの磁気構造を有する。当該磁気素子は、ナノスケールの磁気構造による超高密度性等の利点から大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして、その重要度が増している。【０００３】
次世代型のメモリ磁気デバイスの他の候補としては、米国ＩＢＭを中心にマグネチックシフトレジスタが提案されている。マグネチックシフトレジスタは、磁気ドメイン磁壁を駆動してその磁気モーメント配置を電流で転送し、記憶情報を読み出す（特許文献１参照）。【０００４】
図５７は、電流による磁気ドメイン磁壁駆動の原理を示す模式図である。互いに磁気モーメントの向きが相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。図５７では、マグネチックシフトレジスタ１におけるドメイン磁壁を実線で示している。マグネチックシフトレジスタ１に、矢印の向きの電流を流すことにより磁気ドメイン磁壁が駆動する。ドメイン磁壁が移動することにより、磁気センサ２の上方に位置する磁気モーメントの向きによる磁気が変化する。当該磁気変化を磁気センサ２で検知して磁気情報を引き出す。【０００５】
しかし、こうしたマグネチックシフトレジスタ１は、磁気ドメイン磁壁を動かす際に大きな電流を必要とし、また磁気ドメイン磁壁の転送速度が遅いという欠点を持っている。【０００６】
そこで、本願発明者は、磁性体中に発生するスキルミオンを記憶単位として使ったスキルミオン磁気素子を提案した（特許文献２参照）。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］米国特許第６８３４００５号明細書
［特許文献２］特開２０１４−８６４７０号公報
[非特許文献１]永長  直人、十倉  好紀、"Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｋｙｒｍｉｏｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、英国、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｇｒｏｕｐ、２０１３年１２月４日、Ｖｏｌ．８、ｐ８９９−９１１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スキルミオンは、直径が１ｎｍから５００ｎｍと極微小な磁気構造を有し、その構造を長時間保持できることからメモリ素子に応用することへの期待が高まっている。しかし、スキルミオンの生成、消去および検知の機構の詳細が明らかではなかった。【０００８】
そこで、本願発明者はスキルミオンの生成、消去状態の関係の詳細を明らかにした上で、スキルミオンを磁場で生成、消去でき、スキルミオンを検知できる磁気素子及びスキルミオンメモリを発明し、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置およびデータ通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様においては、スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、磁性体の一面において磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電流経路と、スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子とを備え、磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、２λ＞Ｗｍ＞λ／２、２λ＞ｈｍ＞λ／２となるサイズを備え、端部領域は、端部領域における磁性体の端部に平行な向きの幅をＷ、端部領域における磁性体の端部に垂直な向きの高さをｈとすると、λ≧Ｗ＞λ／４、２λ＞ｈ＞λ／２となる磁気素子を提供する。【００１０】
本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る磁気素子であって、磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する磁気素子を提供する。【００１１】
本発明の第３の態様においては、第１の態様に係る磁気素子と、磁性体の一面に対向して設け、磁性体に第１方向から第１磁場を印加する磁場発生部と、磁気素子の電流経路に電流を印加することで、端部領域に第２磁場を発生させることが可能な第１電源と、スキルミオン検出素子に接続し、スキルミオンの生成及び消去を、抵抗値の変化として測定する測定部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。【００１２】
本発明の第４の態様においては、第３の態様に係るスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した複数のスキルミオンメモリと、複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを生成するために、複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、スキルミオンの有無を検知するワード線と、スキルミオン生成線、スキルミオン消去線、ワード線にはスキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、ワード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、スキルミオンの有無を検出する検出回路とを備えるスキルミオンメモリデバイスを提供する。【００１３】
本発明の第５の態様においては、基板と、基板上に形成した電界効果トランジスタと、電界効果トランジスタの上方に積層したスキルミオンメモリデバイスとを有し、スキルミオンメモリデバイスは、第３の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置を提供する。【００１４】
本発明の第６の態様においては、第３の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスと固体電子デバイスを同一チップ内に形成しているスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイスを提供する。【００１５】
本発明の第７の態様においては、第３の態様に係るスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置、データ処理装置、及びデータ通信装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】磁性体中の磁気モーメントのナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの一例を示す模式図である。
【図２】ヘリシテイγが異なるスキルミオンを示す図である。
【図３】スキルミオンの生成、消去および検知を可能とするスキルミオンメモリ１００を示す模式図である。
【図４】カイラル磁性体の磁気相図を示す。
【図５】コイル領域ＡＣにおける磁場の時間依存性を示す。
【図６】コイル領域ＡＣが四角形状となる場合のスキルミオン生成のシミュレーション結果を示す。
【図７】コイル領域ＡＣが磁性体の高さと同一の場合のミュレーション結果を示す。
【図８】コイル領域ＡＣが磁性体の高さの１／２である場合のミュレーション結果を示す。
【図９】端部領域の幅を変化させた場合のスキルミオン生成のミュレーション結果を示す。
【図１０】端部領域の幅を変化させた場合のスキルミオン生成のシミュレーション結果を示す。
【図１１】端部領域の幅を変化させた場合のスキルミオン生成のシミュレーション結果を示す。
【図１２】端部領域の幅を変化させた場合のスキルミオン生成のシミュレーション結果を示す。
【図１３】端部領域の幅Ｗ＝λ／５において、切欠部無の場合のシミュレーション結果を示す。
【図１４】端部領域の幅Ｗ＝λ／５において、切欠部有の場合のシミュレーション結果を示す。
【図１５】端部領域の高さが２λ＞ｈ＞λ／２の場合のシミュレーション結果を示す。
【図１６】端部領域の高さがｈ＜λ／２の場合のシミュレーション結果を示す。
【図１７】時間ｔ＝９５０（１／J）でのスキルミオン４０が生成開始状態のシミュレーション結果を示す。
【図１８】時間ｔ＝１２２０（１／J）でのスキルミオン４０が生成状態のシミュレーション結果を示す。
【図１９】時間ｔ＝１４８０（１／J）でのスキルミオン４０が生成状態のシミュレーション結果を示す。
【図２０】時間ｔ＝２０２０（１／J）でのスキルミオン４０が生成状態のシミュレーション結果を示す。
【図２１】時間ｔ＝２５２０（１／J）でのスキルミオン４０が生成状態のシミュレーション結果を示す。
【図２２】時間ｔ＝３２６０（１／J）でのスキルミオン４０が生成完了状態のシミュレーション結果を示す。
【図２３】実施例２においてスキルミオンの生成と消去を行う際の端部領域の磁場変化と時間の関係を示す。
【図２４】スキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。
【図２５】スキルミオン４０の消去開始状態のシミュレーション結果を示す。
【図２６】スキルミオン４０を消去した状態のシミュレーション結果を示す。
【図２７】スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域の磁場Ｈａと時間の関係を示す。
【図２８】時間ｔ＝１６０００（１／J）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。
【図２９】時間ｔ＝２６３００（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。
【図３０】時間ｔ＝２６８５０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。
【図３１】スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域の磁場Ｈａと時間の関係を示す。
【図３２】時間ｔ＝４３８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。
【図３３】時間ｔ＝６０４０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。
【図３４】時間ｔ＝６２２０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。
【図３５】スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域の磁場Ｈａと時間の関係を示す。
【図３６】時間ｔ＝２８８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。
【図３７】時間ｔ＝６１６０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。
【図３８】時間ｔ＝６４８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。
【図３９Ａ】電流経路１２の形状例を示す図である。
【図３９Ｂ】電流経路１２の形状例を示す図である。
【図３９Ｃ】電流経路１２の形状例を示す図である。
【図３９Ｄ】電流経路１２の形状例を示す図である。
【図３９Ｅ】電流経路１２の形状例を示す図である。
【図３９Ｆ】電流経路１２の形状例を示す図である。
【図４０】電流経路１２の多層コイル形状を示す模式図である。
【図４１】スキルミオンメモリ１００の実施形態の一例を示す。
【図４２】スキルミオンメモリ１００の実施形態の一例を示す。
【図４３】スキルミオンメモリのデバイス断面のスキルミオンメモリを示す模式図である。
【図４４】スキルミオンメモリデバイス１１０の断面図を示す。
【図４５Ａ】磁場発生部２０および非磁性体金属１５７の形成工程を示す。
【図４５Ｂ】レジスト８５の剥離工程を示す。
【図４５Ｃ】磁性体１１を形成する工程を示す。
【図４５Ｄ】磁性体１１の除去工程およびレジスト８５の塗布工程を示す。
【図４５Ｅ】電極のエッチング工程および絶縁体６１の形成工程を示す。
【図４５Ｆ】磁性体保護層６５および第１配線７１を形成する工程を示す。
【図４５Ｇ】第１配線層７０および第２配線層７５の形成工程を示す。
【図４５Ｈ】磁気素子１０を積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。
【図４６】磁気素子１０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。
【図４７】複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。
【図４８】スキルミオンメモリデバイス１１０の構成の一例を示す。
【図４９】スキルミオンメモリのデザインの一例を示す図である。
【図５０】スキルミオンメモリデバイス１１０の書き込み回路の一例を示す。
【図５１】スキルミオンメモリデバイス１１０の消去回路の一例を示す。
【図５２】スキルミオンメモリデバイス１１０の読み出し回路の一例を示す。
【図５３】スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す。
【図５４】データ記録装置３００の構成例を示す。
【図５５】データ処理装置４００の構成例を示す。
【図５６】データ通信装置５００の構成例を示す。
【図５７】電流による磁気ドメイン駆動の原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１８】
スキルミオンを形成できる磁性体の一例としてカイラル磁性体がある。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメント配置が、磁気モーメントの進行方向に対して螺旋上に回転する磁気秩序相（らせん磁性相）となる磁性体である。外部磁場を印加することにより、らせん磁性相は最密結晶格子に並んだスキルミオンを安定化するスキルミオン結晶相をへて強磁性相となる。
【００１９】
図１は、磁性体１１中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０の一例を示す模式図である。図１において、各矢印は、スキルミオン４０における磁気モーメントの向きを示す。ｘ軸およびｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸はｘｙ平面に直交する軸である。
【００２０】
磁性体１１は、ｘｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１１中に配置したあらゆる向きを向く磁気モーメントは、スキルミオン４０を構成する。本例では、磁性体１１に印加する磁場の向きはプラスｚ方向である。この場合に、本例のスキルミオン４０の最外周の磁気モーメントは、プラスｚ方向に向く。
【００２１】
スキルミオン４０において、磁気モーメントを最外周から内側へ向けて渦巻状に回転していくように配置する。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻き状の回転に伴い渦の中心に向かって徐々にプラスｚ方向からマイナスｚ方向へ向きを変える。
【００２２】
スキルミオン４０は中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれる。つまり、スキルミオン４０は、磁気モーメントの渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン４０が存在する磁性体１１が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン４０を構成する磁気モーメントをその厚さ方向は同じ向きの磁気モーメントで構成している。すなわち板の深さ方向（ｚ方向）には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントからなる。本例において最外周とは、図１に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。
【００２３】
スキルミオン数Ｎｓｋは、渦巻構造を有するナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０を特徴づける。以下の［数１］及び［数２］は、スキルミオン数Ｎｓｋを表現する。［数２］において、磁気モーメントとｚ軸との間の極角Θ（ｒ）は、スキルミオン４０の中心からの距離ｒの連続関数である。極角Θ（ｒ）は、ｒを０から∞まで変化させたとき、πからゼロまでまたはゼロからπまで変化する。
【００２４】
【数１】
2016035579.tif 000003
【００２５】
【数２】
2016035579.tif 000004
ベクトル量ｎ（ｒ）は、位置ｒにおけるスキルミオン４０の磁気モーメントの向きを表す。
【００２６】
［数２］において、ｍはボルテシテイ、γはヘリシテイである。［数１］および［数２］から、Θ（ｒ）がｒをから∞まで変化させ、πからゼロまで変化するときＮｓｋ＝−ｍとなる。
【００２７】
図２は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン４０を示す模式図である。特に、スキルミオン数Ｎｓｋ＝−１の場合の一例を図２に示す。
【００２８】
図２（Ｅ）は、磁気モーメントｎの座標のとりかた（右手系）を示す。なお、右手系であるので、ｎｘ軸およびｎｙ軸に対してｎｚ軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。また、濃淡と磁気モーメントの向きとの関係を、図２（Ｅ）に示す。
【００２９】
図２（Ａ）から図２（Ｄ）において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）における各矢印は、スキルミオン４０の中心から所定の距離だけ離れた磁気モーメントを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）に示す磁気構造体は、スキルミオン４０を定義する状態にある。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の最外周のように、濃淡が最も淡い領域は、紙面の裏面から手前方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを白色で表す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の中心のように、濃淡が最も濃い領域は、紙面の手前から裏面方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを黒色で表す。
【００３０】
図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｂ）（γ＝π）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを１８０°回転した向きである。図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｃ）（γ＝−π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを−９０度（右回りに９０度）回転した向きである。
【００３１】
図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｄ）（γ＝π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを９０度（左回りに９０度）回転した向きである。なお、図２（Ｄ）に示すヘリシテイγ＝π／２のスキルミオン４０が、図１のスキルミオン４０に相当する。
【００３２】
図２（Ａ）〜（Ｄ）に図示した４例の磁気構造は異なるように見えるが、トポロジー的には同一の磁気構造体である。図２（Ａ）〜（Ｄ）の構造を有するスキルミオン４０は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体１１中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
【００３３】
図３は、スキルミオン４０の生成を可能とする磁気素子１０を示す模式図である。スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を用いてビット情報を保存する。例えば、磁性体１１におけるスキルミオン４０の有無が、１ビットの情報に対応する。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子１０、磁場発生部２０、測定部３０およびコイル電流用電源５０を備える。
【００３４】
磁気素子１０は、スキルミオン４０の生成および消去が可能である。本例の磁気素子１０は、厚さを５００ｎｍ以下の薄層状に形成した素子である。例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）やスパッター等の技術を用いて形成する。磁気素子１０は、磁性体１１、電流経路１２およびスキルミオン検出素子１５を有する。
【００３５】
磁性体１１は、印加する磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相および強磁性相を発現させる。スキルミオン結晶相は、磁性体１１にスキルミオン４０が発生しうる材料を指す。例えば、磁性体１１は、カイラル磁性体であり、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等で形成している。
【００３６】
磁性体１１は、非磁性体によって囲まれた構造を有する。非磁性体に囲まれた構造とは、磁性体１１の全方位が非磁性体に囲まれた構造を指す。磁性体１１は薄層状で形成してよい。磁性体１１は、例えばスキルミオン４０の直径の１０倍以下程度の厚みを有してよい。スキルミオン４０の直径とは、スキルミオンの最外周の直径を指す。
【００３７】
電流経路１２は、磁性体１１の一面において磁性体１１の端部を含む領域を囲む。電流経路１２は、絶縁性素材等を用いて磁性体１１と電気的に隔離していてもよい。本例の電流経路１２は、Ｕ字状に形成したコイル電流回路である。Ｕ字状とは、角が丸い形状のみならず、図３のような直角を含む形状であってよい。電流経路１２は、ｘｙ平面において閉じた領域を形成しなくてよい。電流経路１６および端部の組み合わせが、磁性体１１の表面において閉じた領域を形成すればよい。電流経路１２は、コイル電流用電源５０に接続して、コイル電流が流れる。コイル電流が電流経路１２に流れることにより、磁性体１１に対して磁場を発生させる。電流経路１２を、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉ等の非磁性金属材料により形成する。本明細書において、電流経路１２に囲まれた領域をコイル領域ＡＣと称する。また、電流経路１２に囲まれた領域が磁性体１１の端部を含む場合のコイル領域ＡＣを、特に端部領域Ａと呼ぶ。本例の電流経路１２は、ｘｙ平面において、磁性体１１の端部を、非磁性体側から磁性体１１側に少なくとも１回横切り、且つ、磁性体１１側から非磁性体側に少なくとも１回横切る連続した導電路を有する。これにより電流経路１２は、磁性体１１の端部を含む領域を囲む。なお、端部領域Ａにおける磁場強度をＨａとする。
【００３８】
スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン検知用磁気センサとして機能する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の生成および消去を検出する。例えば、スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無に応じて、抵抗値が変化する抵抗素子である。本例のスキルミオン検出素子１５は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１１の一面において磁性体１１の表面に接する非磁性体薄膜１５１と磁性体金属１５２との積層構造を有する。
【００３９】
磁性体金属１５２は、磁性体１１からの上向きの磁場により上向きの磁気モーメントをもつ強磁性相となる。磁性体１１と、磁性体金属１５２の磁性体１１側と逆側の端部との間に、測定部３０を接続する。これにより、スキルミオン検出素子１５の抵抗値を検知できる。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１１内にスキルミオン４０が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン４０が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子１５の抵抗値は、非磁性体薄膜１５１の電子のトンネル電流の確率が磁性体１１と強磁性相となった磁性体金属１５２との磁気モーメントの向きに依存することにより決まる。スキルミオン検出素子１５の高抵抗（Ｈ）と低抵抗（Ｌ）は、スキルミオン４０の有り無しに対応し、情報のメモリセル中に記憶する情報「１」と「０」に対応する。
【００４０】
磁場発生部２０は、磁場Ｈを発生し、磁性体１１の裏面から表面の方向に、磁性体１１と垂直に印加する。磁性体１１の裏面とは、磁性体１１の磁場発生部２０側の面を指す。なお、本実施形態においては磁場発生部２０を１つのみ用いる。しかしながら、磁場発生部２０が、磁性体１１に対して垂直に磁場を印加できるものであれば、複数の磁場発生部２０を用いてよい。磁場発生部２０の数や配置は、これに限定しない。
【００４１】
測定部３０は、測定用電源３１および電流計３２を備える。測定用電源３１は、磁性体１１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。電流計３２は、測定用電源３１から流れる測定用の電流を計測する。例えば、電流計３２は、測定用電源３１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。測定部３０は、感度の高いスキルミオン検出素子１５を用いることにより、少ない電力でスキルミオン４０の有無を検出できる。
【００４２】
コイル電流用電源５０は、電流経路１２に接続し、矢印Ｃで示した向きに電流を流す。電流経路１２に流れる電流は、電流経路１２に囲まれた領域において、磁性体１１の表面から裏面に向けて磁場を発生させる。電流経路１２に流れる電流が誘起する磁場の向きは、磁場発生部２０からの一様磁場Ｈの向きとは逆向きであるので、コイル領域ＡＣにおいて、磁性体１１の裏面から表面の向きに弱めた磁場Ｈａが発生する。この結果、コイル領域ＡＣにスキルミオン４０を生成することが可能となる。なお、スキルミオン４０を消去する場合、コイル電流用電源５０は、スキルミオン４０を生成する場合と逆向きにコイル電流を流してもよい。また、コイル電流用電源５０は、電流経路１２を複数設ける場合、電流経路１２の数に応じて複数設けてもよい。次に、カイラル磁性体中でのスキルミオン４０の生成を詳細に実施例で実証する。
【００４３】
［実施例１］
実施例１において、スキルミオン４０を生成する場合のシミュレーション実験結果を示す。下記の［数３］および［数４］は、スキルミオン４０の運動を記述する。
【００４４】
【数３】
2016035579.tif 000005
【００４５】
【数４】
2016035579.tif 000006
【００４６】
ここで、Ｂｒｅｆｆ=−(１/（ｈΓ）)（∂Ｈ/∂Ｍｒ）により、［数３］と［数４］とを関連付ける。Ｊは材料固有の常数で交換相互作用エネルギーである。Γ＝ｇμＢ/ｈ(＞０)は磁気回転比である。ｈはプランク定数である。Ｍｒは大きさＭの磁気モーメントを示し、Ｍｒ=Ｍ・ｎ（ｒ）である。ｎ（ｒ）は［数２］で示した。上記［数３］および[数４］中、×は外積を示す。
【００４７】
［数４］で示したＨなるハミルトニアンは、カイラル磁性体の場合についてのものである。ダイポール磁性体、フラストレート磁性体および磁性材料と非磁性材料との積層構造からなる磁性体に関してはこのＨの表現をそれぞれの磁性体を記述するものに置換すればよい。
【００４８】
なお、ダイポール磁性体は、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。また、フラストレート磁性体は、磁気不整合状態を好む磁気的相互作用の空間構造を含む磁性体である。磁性材料と非磁性材料との積層構造を有する磁性体は、磁性材料の非磁性材料に接する磁気モーメントを非磁性材料のスピン軌道相互作用により変調した磁性体である。
【００４９】
図４は、カイラル磁性体磁性相の磁場依存性を示した模式図である。本実施例では、図４に示すＨｓｋおよびＨｆの条件でシミュレーション実験を行った。カイラル磁性体は、磁場ゼロの基底状態ではらせん磁性相である。磁場強度Ｈｓｋより大きい磁場の場合、らせん磁性相からスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）になる。また、カイラル磁性体は、さらに強い磁場強度Ｈｆ以上の磁場強度でスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）から強磁性相になる。
【００５０】
次に、この磁性体の磁気交換相互作用の大きさをＪとして、この量で規格した値で各種の物理量を記述する。この場合、低磁場ではらせん状の磁気モーメントの磁気構造をもつカイラル相から磁場強度Ｈｓｋ＝０．００７５Ｊで、スキルミオン結晶相になる。スキルミオン４０の直径λは、ＪとＤを用いて以下の［数５］のように表すことができる。
【００５１】
【数５】
2016035579.tif 000007
ここで、ａは磁性体１１の格子定数であり、Ｄはジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさで物質固有の物理常数である。したがって、スキルミオン直径λは物質固有常数となる。スキルミオン直径λは先行技術文献１に見るようにたとえばＦｅＧｅでは７０ｎｍ、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。
【００５２】
本実施例で用いるカイラル磁性体はＤ＝０．１８Ｊ、磁気モーメントＭ＝１、ギルバート緩和係数α＝０．０４である。本例ではＤ＝０．１８Ｊであるから、λ＝５０ａとなる。磁性体１１の格子定数ａ＝０．５ｎｍの場合、λ＝２５ｎｍのサイズである。さらに、本実施例で用いるカイラル磁性体では、磁場強度Ｈｆ＝０．０２５２Ｊでスキルミオン結晶相から強磁性相になる。
【００５３】
図５は、シミュレーション実験でのコイル領域ＡＣの磁場Ｈａの時間変化を示す。まず、シミュレーション実験は、コイル領域ＡＣの磁場ＨａがＨｆより大きい磁場強度により強磁性相になっている状態から開始する。具体的には、磁場発生部２０から発生する磁場を下から上の向きに磁場強度Ｈ＝０．０３Ｊの大きさで印加する。この場合、カイラル磁性体はスキルミオン４０が存在しない強磁性体相である。電流経路１２にコイル電流を流さない場合は、磁場強度Ｈ＝０．０３Ｊを常に印加している。
【００５４】
次に、コイル用電源５０から電流経路１２にコイル電流を流し始める。このとき、コイル領域ＡＣの磁場Ｈａは、磁場発生部２０から発生する磁場とコイル電流によって発生した磁場との和である。コイル電流は、時間ｔ＝１０００（１／Ｊ）でコイル領域ＡＣでの磁場Ｈａが０．０１Ｊの大きさになるように磁場強度−０．０２Ｊを印加する。その後時間ｔ＝２０００（１／Ｊ）まで、Ｈａ＝０．０１Ｊの一定の磁場強度を保持する。時間ｔ＝３０００（１／Ｊ）でコイル電流の印加を停止すると、初期状態に戻り、Ｈａ＝０．０３Ｊとなる。
【００５５】
図６から図２２は、スキルミオン４０の生成に関するシミュレーション結果を示す。本例のシミュレーションは、図４および図５の説明において用いた条件および方程式を用いて実施する。図６から図１６の磁性体１１のサイズは、幅Ｗｍ＝１５０ａ、高さｈｍ＝１００ａである。スキルミオンの直径λは５０ａである。したがって磁性体の幅Ｗｍ＝３λ、高さｈｍ＝２λのサイズである。
【００５６】
図６は、コイル領域ＡＣが四角形状となる場合のスキルミオン生成のシミュレーション結果を示す。スキルミオン検出素子１５等のセンサについては図示していない。コイル領域ＡＣの形状は、電流経路１２の形状に対応して形成する。図６の場合、電流経路１２を四角形状に形成することで、電流経路１２の形状に対応して形成するコイル領域ＡＣの形状も四角形状となる。コイル領域ＡＣにおける磁性体１１の幅Ｗｍに平行な向きの幅をＷＣ、コイル領域ＡＣにおける磁性体１１の幅Ｗｍに垂直な向きの高さをｈＣとする。本例のコイル領域ＡＣの幅ＷＣは、ＷＣ＝１００ａ＝２λとし、高さｈＣは、ｈＣ＝５０ａ＝λとした。図６は、コイル領域ＡＣの磁場Ｈａが、電流経路１２が発生した磁場により０．０３Ｊから０．０１Ｊに減少したときの磁性体１１の状態を示す。四角で囲まれたコイル領域ＡＣが磁性体１１の端部に接触していない場合、スキルミオン４０を生成しない。これは、磁性体１１の端部を含まないコイル領域ＡＣでは、磁気モーメントが一様にｚ軸方向を向いた安定状態にあることによる。そのため、コイル領域ＡＣの磁場Ｈａがスキルミオン結晶相になるＨａ＝Ｈｓｋ以下に減少してもスキルミオン４０が生成しない。本例の磁気素子１０は、強磁性体相を保持したままである。
【００５７】
図７は、コイル領域ＡＣが磁性体の高さと同一の高さの場合のミュレーション結果を示す。本例の磁性体１１には、コイル領域ＡＣが、磁性体１１の端部を含む端部領域Ａを形成する。本明細書において、端部領域Ａにおける磁性体１１の端部に平行な向きの幅をＷ、端部領域Ａにおける磁性体１１の端部に垂直な向きの高さをｈとする。端部領域Ａの幅Ｗおよび高さｈは、磁性体１１の端部に対して、略平行もしくは略垂直に形成してよい。本例の端部領域Ａの幅Ｗは、Ｗ＝１００ａ＝２λとし、高さｈは、ｈ＝１００ａ＝２λとした。
【００５８】
端部領域Ａでは、電流経路１２から磁場を印加することによりスキルミオン４０を生成する。これにより、磁性体１１の端部を含むことがスキルミオン生成に欠かせない条件になっていることがわかる。図６を参照すると、磁性体１１の端部では、磁気モーメントがｚ軸方向と異なる方向を向いている。磁性体端部は暗部を形成している。これにより、端部を含まないコイル領域ＡＣと比較して、端部領域Ａでは、電流経路１２から印加するｚ軸方向の磁場により、スキルミオン４０を生成しやすくなる。この結果、図７のように、磁性体端部と電流経路１２との交差する部位から流れてくるように、スキルミオン４０を生成する。
【００５９】
一方、ひとたびスキルミオン４０を一様な磁気モーメント状態に形成すると、スキルミオン４０は安定に存在する。一様な磁気モーメントをもつ強磁性状態とスキルミオン４０とのトポロジー状態との間には、エネルギー的に大きな壁が存在するからである。これは、情報を担うキャリアとしてのスキルミオン４０の安定性を保証する重要な特徴である。
【００６０】
また、図７からは、端部領域Ａの端部の延展方向の長さである幅Ｗが磁性体１１の上下の端部を含むと複数のスキルミオン４０を生成してしまうことが分かる。メモリとして磁気素子１０を用いる場合、スキルミオン４０を所定の領域内に１個のみ生成することが望ましい。
【００６１】
図８は、スキルミオン生成のミュレーション結果を示す。本例の端部領域Ａは、磁性体１１の端部の下辺のみを含み、幅ＷはＷ＝２λであり、高さｈは磁性体１１の高さの半分（ｈ＝ｈｍ／２＝λ）である。これにより、スキルミオン４０は、磁性体１１の左端に２個、中央に１個、生成する。スキルミオン４０の生成には磁性体１１の端部を少なくとも一辺含めばよい。
【００６２】
図９から図１３は、端部領域Ａの幅を変化させた場合のスキルミオン４０の生成を示すシミュレーション結果である。スキルミオン生成について、端部領域Ａの高さｈを磁性体１１の高さの半分（λ）に固定して、幅Ｗを変化させることで、スキルミオン生成の幅Ｗへの依存性を調べたものである。図９から図１３へと、順次、端部領域Ａの幅Ｗを狭めている。
【００６３】
図９は、端部領域Ａの幅Ｗが、Ｗ＝５０ａ=λの場合のシミュレーション結果を示す。図１０は、端部領域Ａの幅Ｗが、Ｗ＝４０ａ=４／５λの場合のシミュレーション結果を示す。図１１は、端部領域Ａの幅Ｗ＝３０ａ＝３／５λの場合のシミュレーション結果を示す。図１２は、端部領域Ａの幅Ｗ＝２０ａ＝２／５λの場合のシミュレーション結果を示す。シミュレーションの結果、図９と図１０とでは２個のスキルミオン４０を生成する。図１１と図１２とではスキルミオン４０が１個のみ存在する。Ｗ＝３／５λ〜２／５λの幅がスキルミオン１個生成できる条件である。
【００６４】
図１３は、端部領域Ａの高さｈが磁性体１１の高さの半分（ｈ＝ｈｍ／２）で、さらに狭い幅Ｗ＝λ／５の場合には、もはやスキルミオン４０を生成しない。
【００６５】
図１４は非磁性体である切欠部１３の有る場合のシミュレーション結果を示す。これにより、スキルミオン４０を生成できる。つまり、端部領域Ａの高さｈが磁性体１１の高さの半分（ｈ＝ｈｍ／２＝λ）で、幅Ｗがλ／５であっても、磁性体１１の端部に切欠部１３を備えると、スキルミオン４０を生成できる。切欠部１３の底辺の長さＬｎ＝５０ａ=λ、高さｈｎ＝２５ａ=λ／２である。すなわち磁性体１１の切欠部１３は、スキルミオン４０の生成に効果的に働く。
【００６６】
図１５および図１６は、端部領域Ａの高さｈが、スキルミオン４０の生成に及ぼす影響について比較するための図である。図１５および図１６は、いずれも端部領域Ａの幅Ｗ＝２０ａ＝λ・２／５の場合のシミュレーション結果である。
【００６７】
図１５は、端部領域Ａの高さが２λ＞ｈ＞λ／２の場合で、高さｈ＝３０ａ=λ・３／５のシミュレーション結果を示す。図１５のように、端部領域Ａの高さが２λ＞ｈ＞λ／２の範囲であればスキルミオン４０を１個生成する。
【００６８】
図１６は、端部領域Ａの高さがｈ＜λ／２の場合で、高さｈ＝２０ａ=λ・２／５のシミュレーション結果を示す。本例では、端部領域Ａの高さｈを図１５の実施例よりもさらに低くしている。図１６のように、端部領域Ａの高さがｈ＜λ／２の範囲では、スキルミオン４０を生成することができない。
【００６９】
図１７から図２２は、スキルミオン４０を生成する場合のミュレーション結果を示す。本例では、磁性体１１の幅および高さは、Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ａ＝λの正方形とした。端部領域Ａの幅Ｗは、Ｗ＝２０ａ＝λ・２／５とし、高さｈは、ｈ＝３０ａ＝λ・３／５とした。
【００７０】
図１７は、時間ｔ＝９５０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝９５０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０を磁性体１１の端部から生成しようとしている。磁性体１１の端部の磁気モーメントは、磁性体１１に垂直な方向に対して傾きを有する。よって、磁性体１１の端部は、スキルミオン４０の生成の起点となる。
【００７１】
図１８は、時間ｔ＝１２２０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝１２２０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部と電流経路との交差部位付近からスキルミオン４０を生成する。
【００７２】
図１９は、時間ｔ＝１４８０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝１４８０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部へ流れるように動く。
【００７３】
図２０は、時間ｔ＝２０２０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２０２０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部において、安定化しようとする。本例において、スキルミオン４０が安定化しようとする場合の形状は楕円である。楕円とは、略楕円の形状であってよく、スキルミオン４０が安定化するまでの過渡的な形状の一例である。
【００７４】
図２１は、時間ｔ＝２５２０（１／J）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２５２０（１／J）においても、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部において、安定化しようとする。本例においても、スキルミオン４０が安定化しようとする場合の形状は楕円である。
【００７５】
図２２は、時間ｔ＝３２６０（１／Ｊ）におけるシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝３２６０（１／Ｊ）では、スキルミオン４０が磁性体１１の中心部で安定化している。局所磁場の印加時間幅（パルス幅）Ｔが３０００（１／Ｊ）以上であれば、スキルミオン４０を形成する。
【００７６】
実施例１のシミュレーション実験から以下のことが判明した。
（１）端部領域Ａの左右の幅Ｗは下記の範囲が最適である。
λ≧Ｗ＞λ／４
（２）端部領域Ａの高さｈは下記の範囲が最適である。
２λ＞ｈ＞λ／２
（３）端部領域Ａに非磁性体よりなる切欠部１３を設置するとＷ≦λ／４の範囲でもスキルミオンを生成できる。
【００７７】
（４）単一のスキルミオン４０を生成するために必要な端部領域Ａの磁場Ｈａは、Ｈａ＜０．０１５Ｊである。
（５）局所磁場の印加時間幅（パルス幅）Ｔは３０００（１／Ｊ）以上あればスキルミオン４０を形成できる。それより長い時間でも単一のスキルミオン４０が生成した状態を維持することができ、複数個のスキルミオン４０が生成することはない。
【００７８】
［実施例２］
実施例２において、スキルミオン４０を消去する場合のシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０の消去は、基本的にスキルミオン４０の生成の場合と同様の考え方で理解できる。例えば、スキルミオン４０を消去する場合の運動は、［数３］および［数４］に示した方程式で、スキルミオン４０の生成の場合と同様に記述できる。本実施例の磁性体１１は、実施例１と同じカイラル磁性体である。図４は、カイラル磁性体の磁気相図を与える。本例では、磁性体１１の幅および高さは、Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ａ＝λの正方形とした。端部領域Ａの幅Ｗは、Ｗ＝２０ａ＝λ・２／５とし、高さｈは、ｈ＝３０ａ＝λ・３／５とした。
【００７９】
図２３は、スキルミオン４０を消去する場合の端部領域Ａの磁場Ｈａの状態を示す。また、図２４から図２６は、磁性体１１に生成したスキルミオン４０を消去する様子を示す。図２４は、スキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果である。図２５は、スキルミオン４０を消去する途中の状態のシミュレーション結果である。図２６は、スキルミオン４０を消去した状態のシミュレーション結果である。
【００８０】
時間ｔ＝０、磁場Ｈ＝０．０３Ｊにおいてカイラル磁性体は強磁性相である。時間ｔ＝３０００（１／Ｊ）までの生成パルスにより端部領域Ａに生じる磁場Ｈａで、スキルミオン４０を生成する。このとき、図２４に示すように、スキルミオン４０を１個生成する。本例の生成条件は、実施例１で説明した条件と同一である。
【００８１】
次に、スキルミオン４０を消去する為に端部領域Ａの磁場Ｈａを強くする。時間ｔ＝５０００（１／Ｊ）から８０００（１／Ｊ）の間、コイル電流パルスで端部領域Ａでの磁場強度はＨａ＝０．０５Ｊの磁場強度にする。この間、図２５に示すように端部領域Ａの左端にスキルミオン４０が動き、さらに磁性体１１の下部に移動する。
【００８２】
その後、Ｈａ＝０．０３Ｊとして、図２６に示す初期状態に戻し、スキルミオン４０の消去が完了する。消去用磁場パルスの印加時間は３０００（１／Ｊ）である。この時の追加磁場強度は＋０．０２Ｊである。追加磁場強度とは、初期状態の磁場Ｈａ＝０．０３Ｊに対する磁場強度の差分である。本明細書において、生成用の追加磁場強度を生成パルスＨａ１、消去用の追加磁場強度を消去パルスＨａ２と称する。本例の生成パルスＨａ１と、消去パルスＨａ２とは、正負反転した量である。すなわち、磁気素子１０は、同じ電流強度のコイル電流を、電流経路１２に流す向きを変更することにより、スキルミオン４０の生成および消去ができる。
【００８３】
上述したように、一度生成したスキルミオン４０を端部領域Ａの磁場Ｈａの増大によって消去できる。この時の消去に必要な条件は以下の通りである。
【００８４】
（６）磁性体１１の幅Ｗｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
Ｗｍが小さすぎるとスキルミオン４０を生成できない。
Ｗｍが大きすぎるとスキルミオンを消去できない。Ｗｍはスキルミオン４０の直径λ程度がよい。
【００８５】
（７）磁性体１１の高さｈｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ／２
磁性体１１の高さｈｍが大きすぎるとスキルミオン４０の消去時にスキルミオン４０が電流経路１２から逃げ出すので消去できない。
（８）端部領域Ａの幅Ｗは（１）に従う。すなわち、λ≧Ｗ＞λ／４である。
（９）端部領域Ａの高さｈの条件は（２）に従う。すなわち、２λ＞ｈ＞λ／２である。ここではλ・３／５の高さに設定した。
（１０）消去に必要な端部領域Ａの磁場ＨａはＨａ≧０．０４Ｊである。
【００８６】
［実施例３］
実施例３において、スキルミオン４０を消去する場合のシミュレーション結果を示す。本実施例では、スキルミオン消去パルスＨａ２により生じる磁場の向きがスキルミオン生成パルスにより生じる磁場の向きと同じ向きである。磁性体１１のサイズは幅Ｗｍ＝ｈｍ＝６０ａ＝λ・６／５とした。コイル領域ＡＣは、磁性体１１の端部を含む端部領域Ａに設定している。端部領域Ａの幅Ｗは２０ａ＝λ・２／５とし、高さｈは２５ａ＝λ／２とした。スキルミオン４０の直径λは、５０ａである。
【００８７】
電流経路１２は、磁性体１１の下辺の中央より左側に偏った位置に形成している。端部領域Ａの左端での磁性体１１との間隙ｄは、１０ａ＝λ／５とした。なお、本発明においては、電流経路１２は磁性体１１の下辺の中央よりも左右どちらかに偏った位置に形成していればよい。電流経路１２は、磁性体１１の右側に偏った位置であってもよい。端部領域Ａに含まれる磁性体１１の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅として、間隙ｄを定義する。
【００８８】
図２７は、スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域Ａの磁場Ｈａと時間の関係を示す。電流経路１２に生成用のコイル電流パルスを印加し、次に消去用のコイル電流パルスを印加する。生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２を端部領域Ａにそれぞれ印加する。時間ｔ＝０（１／J）から時間ｔ＝３００００（１／J）までの間に、生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２をそれぞれ１回ずつ印加する。本例では、端部領域Ａを磁性体１１の左側に寄せてスキルミオン４０を消去する。消去パルスＨａ２は、生成パルスＨａ１と同じ向きであってよい。消去パルスＨａ２が強磁性相０．０３Ｊより小さい値０．０１５Ｊの場合、端部領域Ａを磁性体１１の左側に寄せれば、生成したスキルミオン４０を消去できる。但し、端部領域Ａを磁性体１１の左端に寄せすぎると、最初に生成パルスＨａ１を印加してもスキルミオン４０を生成できない。
【００８９】
図２８は、時間ｔ＝１６０００（１／J）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝１６０００（１／J）では、生成したスキルミオン４０が安定して存在する。
【００９０】
図２９は、時間ｔ＝２６３００（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２６３００（１／Ｊ）では、端部領域Ａに消去パルスＨａ２を印加して、スキルミオン４０には、電流経路１２から引き寄せる力Ｆが働くが、マグナス力のため、引き寄せる力Ｆに対して垂直に移動する。これにより、スキルミオン４０が端部領域Ａの右側に沿って移動する。
【００９１】
図３０は、時間ｔ＝２６８５０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２６８５０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部においてスキルミオン４０を吸収する。
【００９２】
本実施例３の磁性体１１の幅Ｗｍ及び高さｈｍは、スキルミオン４０の直径λより大きくとる必要がある。本実施例では、磁性体１１の幅Ｗｍおよび高さｈｍを６０ａとしている。これは、生成したスキルミオン４０が磁性体１１の中心に移動する為の空間を確保するためである。なお、端部領域Ａを、磁性体１１の右側に寄せれば、スキルミオン４０は、端部領域Ａの上部から右側に沿って流れる。磁性体１１の右側の端部は、スキルミオン４０を吸収して消去する。
【００９３】
実施例３におけるスキルミオン４０の消去に必要な条件は以下の通りである。
（１１）スキルミオン４０の消去パルスＨａ２が生成パルスＨａ１と向きが同じ場合、磁性体１１の幅Ｗｍはスキルミオン４０の直径λに対して、
２λ＞Ｗｍ＞λ
である。磁性体１１の高さｈｍも同様に、
２λ＞ｈｍ＞λ
である。
【００９４】
（１２）スキルミオン消去パルスＨａ２の向きと生成パルスＨａ１の向きが同じ場合、端部領域Ａの幅Ｗは０．４λである。高さｈはλ／２である。端部領域Ａの左端での磁性体１１との間隙ｄは、０．４λ＞ｄ≧λ／５である。なお、ｄが０．２λよりも小さいと、生成パルスＨａ１でスキルミオン４０を生成することができない。
【００９５】
（１３）スキルミオン生成の端部領域Ａの磁場強度Ｈａは上の生成条件（４）に従う。すなわち、Ｈａ＜０．０１５Ｊである。
【００９６】
（１４）消去パルスＨａ２の端部領域Ａの磁場強度Ｈａは、Ｈａ＜０．０２Ｊである。
【００９７】
［実施例４］
実施例４において、端部領域Ａが生成用端部領域Ａ１と消去用端部領域Ａ２の二つの領域となる場合のスキルミオン消去のシミュレーション結果を示す。磁性体１１のサイズは、幅Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ａ＝λとした。生成用端部領域Ａ１の幅Ｗ１は、Ｗ１＝２０ａ＝λ・２／５である。生成用端部領域Ａ１の高さｈ１は、ｈ１＝３０ａ＝λ・３／５である。また、消去用端部領域Ａ２の幅Ｗ２は、Ｗ２＝２０ａ＝λ・２／５である。消去用端部領域Ａ２の高さｈ２は、Ｗ２に等しい。
【００９８】
図３１は、スキルミオン４０の生成と消去を行う際の生成用端部領域Ａ１および消去用端部領域Ａ２の磁場Ｈａと時間の関係を示す。生成用の電流経路１２に生成用のコイル電流パルスを印加し、次に消去用の電流経路１２に消去用のコイル電流パルスを印加する。生成用端部領域Ａ１には、生成パルスＨａ１を、消去用端部領域Ａ２には、消去パルスＨａ２をそれぞれ印加する。本例の生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２は、同じ向きで同じ大きさである。生成用端部領域Ａ１は、生成パルスＨａ１により、磁場Ｈａが０．０１Ｊとなる。消去用端部領域Ａ２も、消去パルスＨａ２により、磁場Ｈａが０．０１Ｊとなる。これにより、スキルミオン４０の生成および消去が可能となる。本例では、時間ｔ＝０（１／J）から時間ｔ＝１００００（１／J）までの間に生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２をそれぞれ１回ずつ印加する。
【００９９】
図３２から図３４は、生成用端部領域Ａ１および消去用端部領域Ａ２を有する場合の、シミュレーション結果である。図３２は、時間ｔ＝４３８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝４３８０（１／Ｊ）では、生成したスキルミオン４０が安定して存在する。
【０１００】
図３３は、時間ｔ＝６０４０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６０４０（１／Ｊ）では、消去用端部領域Ａ２に消去パルスＨａ２を印加して、スキルミオン４０には、電流経路１２から引き寄せる力Ｆが働くが、マグナス力のため、引き寄せる力Ｆに対して垂直に移動する。これにより、スキルミオン４０が消去用端部領域Ａ２の右側に沿って移動する。
【０１０１】
図３４は、時間ｔ＝６２２０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６２２０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部がスキルミオン４０を吸収する。
【０１０２】
図３５は、スキルミオン４０の生成と消去を行う際の端部領域の磁場Ｈａと時間の関係を示す。本例の生成パルスＨａ１および消去パルスＨａ２は、向きが同じであるが、大きさが異なる。生成用端部領域Ａ１は、生成パルスＨａ１により、磁場Ｈａが０．０１Ｊとなる。消去用端部領域Ａ２は、消去パルスＨａ２により、磁場Ｈａが０．１５Ｊとなる。すなわち、消去用端部領域Ａ２の磁場ＨａがＨａ＜０．０２Ｊであれば消去可能である。
【０１０３】
図３６は、時間ｔ＝２８８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を生成した状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝２８８０（１／Ｊ）では、生成パルスにより生成したスキルミオン４０が安定して存在する状態である。
【０１０４】
図３７は、時間ｔ＝６１６０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去し始める状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６１６０（１／Ｊ）では、消去用端部領域Ａ２に消去パルスＨａ２を印加して、スキルミオン４０には、電流経路１２から引き寄せる力Ｆが働くが、マグナス力のため、引き寄せる力Ｆに対して垂直に移動する。これにより、スキルミオン４０が消去用端部領域Ａ２の右側に沿って移動する。
【０１０５】
図３８は、時間ｔ＝６４８０（１／Ｊ）でのスキルミオン４０を消去する状態のシミュレーション結果を示す。時間ｔ＝６４８０（１／Ｊ）では、磁性体１１の端部がスキルミオン４０を吸収する。
【０１０６】
例えば、生成パルスＨａ１によりスキルミオン４０が発生しない場合、その後の消去パルスＨａ２によりスキルミオン４０が生成することはない。消去用端部領域Ａ２の高さが小さいために、スキルミオン４０を生成することができないからである。
【０１０７】
電流経路１２は、生成用端部領域Ａ１および消去用端部領域Ａ２を規定する２つの異なる電流経路１２を有してよい。本例では、消去用端部領域Ａ２を、生成用端部領域Ａ１の内部に設ける。但し、消去用端部領域Ａ２は、生成したスキルミオン４０を消去できる位置であれば、生成用端部領域Ａ１の内部に限らない。また、磁性体１１の端部を含まない消去用のコイル領域ＡＣは、スキルミオン４０を消去する。
【０１０８】
上述した本実施例におけるスキルミオン４０の消去に必要な条件は以下の通りである。
（１５）生成用端部領域Ａ１と消去用端部領域Ａ２を設けた場合、生成パルスＨａ１と消去パルスＨａ２は同じ場合でもスキルミオン４０の生成および消去が可能である。
（１６）磁性体１１の幅Ｗｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
（１７）磁性体１１の高さｈｍはスキルミオン４０の直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ／２
磁性体１１の高さｈｍが大きすぎるとスキルミオン４０の消去時にスキルミオン４０が電流経路１２から逃げ出すので消去できない。
【０１０９】
なお、図３５に示すように、消去パルスＨａ２は、生成パルスＨａ１よりも小さくてもよく、Ｈａ２＜０．０２Ｊの範囲で可能である。ただし、消去用端部領域Ａ２は、ｗ＝λ・２／５であり、ｗ＜λ・２／５ではスキルミオンは消去できない。
【０１１０】
このように、本実施例では、スキルミオン４０の生成と消去用にそれぞれ異なる２つの端部領域Ａ１およびＡ２を用いる場合においても、スキルミオン４０の生成と消去が可能であることを示した。
【０１１１】
上述した実施例１−４において、磁場印加によるスキルミオン４０の生成および消滅のためのシミュレーション実験を示した。そして、スキルミオン４０の生成および消滅のための設計ルールを（１）から（１７）の１７項目で明らかにした。
【０１１２】
この１７項目の基準は、スキルミオンメモリ素子を設計するための基本ルールを定めたものであり、極めて重要である。この設計ルールは、磁性体１１の磁性を特徴づける磁気交換相互作用Ｊと、生成するスキルミオンサイズλの二つの量で規格化した量として表現している。［数５］は、スキルミオン４０の直径λとジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄとを関係づける。したがって、この基本ルールは各種のカイラル磁性体に適用可能な設計ルールとして表現しており、適用範囲は広い。
【０１１３】
図３９Ａから図３９Ｆに、電流経路１２の形状例を示す。図３９Ａは、図３等に示した例と同一である。図３９Ｂに示すように、電流経路１２は、三角形の端部領域を囲んでよい。図３９Ｃに示すように、電流経路１２は、楕円、円または長円の一部である端部領域を囲んでよい。図３９Ｄに示すように、電流経路１２は、平行四辺形の端部領域を囲んでよい。図３９Ｅに示すように、電流経路１２は、台形の端部領域を囲んでよい。図３９Ｆに示すように、円、四角形、三角形その他の図形を組み合わせた形状の端部領域を囲んでよい。
【０１１４】
図４０は電流経路１２が多層コイル状の場合を示している。多層コイル状の電流経路１２は、コイル電流誘起磁場強度を増加させるために有効な方法である。本発明における電流経路１２の形状は、これらの形状に限定するものではなく、類似の他の電流経路１２の形状を採用することができる。なお、ここに述べたカイラル磁性体での実施例での結論は定性的にはダイポール系磁性体でもフラストレート磁性体でも磁性体積層構造でも変更をきたさない。
【０１１５】
スキルミオン４０は、直径が１〜５００ｎｍとナノスケールのサイズを有する極微細構造であり、膨大なビット情報を極細密化できる大容量記憶磁気素子として応用することができる。スキルミオンメモリ１００は電気的に書き込みと消去を行うことができる。書き込みと消去に要する時間は、ともに３０００（１／Ｊ）である。この所要時間は磁性材料特有のＪの大きさで決まる。カイラル磁性体の場合数ミリｅＶである。この場合３０００（１／Ｊ）は１ナノ秒程度に相当する。１ナノ秒程度の極短パルスで書き込み、消去ができ、なお且、不揮発メモリであることは驚愕すべき特徴である。この交換相互作用エネルギーＪが大きくなればスキルミオンの生成、消去時間はさらに高速化できる。
【０１１６】
スキルミオンメモリ１００は、電気による書き込み、消去を採用しているフラッシュメモリに対しても多くの優位な点を有する。フラッシュメモリの生成時間は数ｍｓｅｃであり、消去時間は２０μｓｅｃと長い。これに対してスキルミオンメモリ１００は、生成時間及び消去時間が１ｎｓｅｃで、フラッシュメモリに対して６桁から３桁以上も高速である。その速さは１０ｎｓｅｃ程度の電荷の生成時間及び消去時間が必要なＤＲＡＭメモリをも凌駕し、ＳＲＡＭ並の速さを実現する。スキルミオンメモリ１００は不揮発性メモリであることから、まさに究極のメモリとしての性能を有することとなる。
【０１１７】
スキルミオンメモリ１００は書き込み、消去を何度でも行うことが可能である。すなわち、書き込み、消去の回数の制限はなく、エンデユランス（耐久性）は無限大である。また、スキルミオン４０を、磁性体１１の表面だけではなく裏面まで同じ渦構造をもつ磁気モーメントとして生成する。これによりスキルミオン４０は、簡単には壊れない（消去しない）構造として安定に、尚且つ位置を移動することなく静止して存在することができる。スキルミオン４０は、人間生活での弱磁場環境では簡単に移動、及び消去しない。このようにスキルミオン４０は安定して存在するため、スキルミオンメモリ１００はデータリテンション（保持）性能を大幅に向上することができる。
【０１１８】
図４１は、スキルミオンメモリ１００の実施形態の一例を示す。本例のスキルミオンメモリ１００は、スキルミオン検出素子１５を除き、図３の実施形態に係るスキルミオンメモリ１００と同様の構成を有する。本例のスキルミオン検出素子１５は、非磁性金属で形成した第１電極１５３および第２電極１５４を備える。第１電極１５３および第２電極１５４は、それぞれ同一材料の非磁性金属であっても、異なる材料の非磁性金属であってもよい。
【０１１９】
第１電極１５３は、磁性体１１の一端において、磁性体１１と同一層で接する。磁性体１１の一端は、磁性体１１の端部であれば上下左右いずれの端部であってもよい。第１電極１５３は、磁性体１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。
【０１２０】
第２電極１５４は、磁性体１１の他端において、磁性体１１と同一層で接する。磁性体１１の他端とは、磁性体１１の端部であれば上下左右いずれの端部であってもよい。即ち、第１電極１５３および第２電極１５４は、端部領域Ａを形成する位置によらず、任意の端部に配置してよい。例えば、磁性体１１を挟んで、第１電極１５３と対向する端部に第２電極１５４を配置する。
【０１２１】
磁性体１１と同一層で接するとは、磁場Ｈと垂直な方向において、第１電極１５３および第２電極１５４が磁性体１１と接していることを指す。第１電極１５３および第２電極１５４を磁性体１１と同一層で接して形成せずに、磁性体１１の上部に積層して形成する場合、生成したスキルミオンが第１電極１５３もしくは第２電極１５４の下部に潜りこむ可能性が発生する。結果として、潜り込んだスキルミオンを消去できないなどの不具合が発生する。したがって、第１電極１５３もしくは第２電極１５４は磁性体１１の端部と接して形成しなければならない。第１電極１５３もしくは第２電極１５４は磁性体端部１１と接して形成することは、第１電極１５３もしくは第２電極１５４を同一の平面で構成することとなり、製造コストを低減できる。
【０１２２】
第１電極１５３および第２電極１５４に、測定部３０を接続する。測定部３０は、第１電極１５３と第２電極１５４との間の磁性体１１の抵抗値を測定する。第１電極１５３と第２電極１５４との間の抵抗値は、磁性体１１の抵抗値に対応し、スキルミオン４０の生成および消去に応じて変化する。例えば、スキルミオン４０が存在しない場合、磁性体１１は強磁性体であるから、その磁気モーメントは＋ｚ方向に揃っている。この場合、第１電極１５３および第２電極間１５４に流れる電子スピンの偏極は磁性体１１と同じ＋ｚ方向であるから、スピン散乱を受けない。その結果、第一電極１５３および第２電極間１５４に流れる抵抗値は低い。一方、スキルミオン４０が存在する場合、磁性体１１はスキルミオンのらせん状の磁気モーメントが存在し、その磁気モーメントはｚ方向以外の多くの向きの磁気モーメントが存在することとなる。この場合、第一電極１５３および第２電極間１５４に流れる電子スピンの偏極はスピン散乱を受ける。その結果、第一電極１５３および第２電極間１５４に流れる抵抗値は高くなる。即ち、磁性体１１の抵抗値は、スキルミオン４０が存在する場合の方が、スキルミオン４０が存在しない場合よりも高くなる。測定部３０は、磁性体１１の抵抗値の変化を測定することにより、スキルミオン４０の生成および消去を検出できる。
【０１２３】
図４２は、スキルミオンメモリ１００の実施形態の一例を示す。本例のスキルミオンメモリ１００は、ホール電圧を検出することにより、スキルミオン４０の有無を検出する。本例のスキルミオンメモリ１００は、スキルミオン検出素子１５を除き、図４１の実施形態に係るスキルミオンメモリ１００と同様の構成を有する。スキルミオン検出素子１５は、非磁性金属で形成した第３電極１５５および第４電極１５６をさらに備える。第３電極１５５および第４電極１５６は、それぞれ同一材料の非磁性金属であっても、異なる材料の非磁性金属であってもよい。
【０１２４】
第３電極１５５は、第１電極１５３と第２電極１５４とがなす配列に対して垂直の配置で、磁性体１１の端部に接する第３非磁性金属からなる。第３電極１５５は、磁性体１１の一端において、磁性体１１と同一層で接する。第３電極１５５は、磁性体１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、第１電極１５３および第２電極１５４を磁性体１１の左右に配置した場合に、磁性体１１の下側に第３電極１５５を配置する。
【０１２５】
第４電極１５６は、第３電極１５５とは離間して対向する磁性体１１の端部に接する第４非磁性金属からなる。第４電極１５６は、磁性体１１の一端において、磁性体１１と同一層で接する。第４電極１５６は、磁性体１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、第１電極１５３および第２電極１５４を磁性体１１の左右に配置した場合に、磁性体１１の上側に第４電極１５６を配置する。
【０１２６】
以上の通り、第３電極１５５および第４電極１５６を、第１電極１５３および第２電極１５４により磁性体１１に流れる電流に対して垂直な方向の電圧値を計測するように配置する。第３電極１５５および第４電極１５６を、第１電極１５３および第２電極１５４と同様の工程で形成すれば、製造コストを低減できる。
【０１２７】
測定部３０は、第３電極１５５および第４電極１５６に接続した電圧計３３をさらに備える。スキルミオン４０が存在する場合、第１電極１５３と第２電極１５４との間に電流を流すと、電流の流れと垂直方向にホール電圧が発生する。一方、スキルミオン４０が存在しない場合、ホール電圧は最小値である。即ち、測定部３０は、「１」、「０」信号の読み取りをスキルミオン４０の有無をホール電圧の差分として検出するので、直接的である。本実施形態に係るスキルミオン４０の検出方法は、比較する一方のホール電圧が小さいので、感度が高い。
【０１２８】
第３電極１５５もしくは第４電極１５６の一方は第１電極１５３もしくは第２電極１５４と兼用してもよい。電圧計３３に接続した二つの配線のうちいずれか一方の配線は第１電極１５３もしくは第２電極１５４に接続すればよい。電圧計が得る電圧値の差分を検出すれば、スキルミオン４０を検出できる。この場合、感度は低下するが、電極面積を減らせるので集積度を向上できる。
【０１２９】
図４３は、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００を少なくとも一つ備えるデバイスである。スキルミオンメモリデバイス１１０は、強磁性体層である磁場発生部２０および磁場発生部２０の上方に形成した磁気素子１０を備える。磁気素子１０と磁場発生部２０との間には、非磁性体層を設ける。本例の磁気素子１０は、図４１に示した磁気素子１０に対応し、第１電極１５３、第２電極１５４を有する。または図４２に示した磁気素子１０に対応し、第１電極１５３、第２電極１５４、第３電極１５５および第４電極１５６を有する。測定部３０の断面図は図示していない。磁気素子１０は、磁性体層６０、磁性体保護層６５、第１配線層７０および第２配線層７５の順に積層した積層構造を有する。
【０１３０】
磁性体層６０は、磁性体１１、絶縁体６１、第１電極１５３および第２電極１５４を有する。磁性体１１において、スキルミオン４０を生成および消去する。絶縁体６１は、磁性体１１、第１電極１５３および第２電極１５４を囲む。第１電極１５３および第２電極１５４を、非磁性体金属で形成する。磁性体１１、第１電極１５３および第２電極１５４は、スキルミオン磁気媒体の基本構造である非磁性体金属（Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌ）、磁性体（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）および非磁性体金属（Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌ）を連結した構造を有する。当該構造を、略してＮＭＮ構造と称する。磁性体層６０は、同一層内に複数のＮＭＮ構造を備えてよい。
【０１３１】
磁性体保護層６５は、磁性体保護膜６６および第１ビア６７を有する。磁性体保護膜６６は、磁性体層６０を保護する。第１ビア６７は、第１電極１５３および第２電極１５４に、スキルミオン検出用の電流を供給する。
【０１３２】
第１配線層７０は、第１配線７１、第１配線保護膜７２および第２ビア７３を有する。第１配線７１は、磁場発生用およびスキルミオン検出用の電流経路を形成する。第１配線保護膜７２は、第１配線７１および第２ビア７３を形成するための層間絶縁膜として機能する。磁場生成用とスキルミオン検出用の２種類の電流経路を同一層内で、互いが交差せずに引き回しするのは困難である。そのため、第１配線層７０上に第２配線層７５を形成してもよい。
【０１３３】
第２配線層７５は、第２配線７６および第２配線保護膜７７を有する。第２配線７６を第２ビア７３と接続する。第２配線保護膜７７は、第２配線７６を絶縁するための層間絶縁膜として機能する。例えば、第２ビア７３は、磁場生成用とスキルミオン検出用の２種類の電流経路のうち少なくとも一方に接続する。
【０１３４】
磁性体１１中に、黒丸でスキルミオン４０を図示した。第１配線７１による電流経路から発生した磁場を下向き矢印で図示した。第１配線７１によるコイル電流経路により発生した磁場により磁性体１１中にスキルミオン４０を生成できる。
【０１３５】
図４４は、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面図を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００およびＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）９９を備える。ＦＥＴ９９が存在しないシリコン基板上にスキルミオンメモリ１００を形成する。ＦＥＴ９９は、一般的なシリコンプロセスにより形成する一般的なＦＥＴである。本例のＦＥＴ９９は、２層のＣｕ配線層を有する。
【０１３６】
図４５Ａから図４５Ｈは、図４３に示したスキルミオンメモリデバイス１１０の製造工程を示す。ここではＦＥＴ９９の製造工程を示さない。図４５Ａは、磁場発生部２０および非磁性体金属１５７の形成工程を示す。本例において、シリコンで形成した基板８０上に磁場発生部２０を形成する。磁場発生部２０は、強磁性体膜で形成し、基板８０側から磁性体層６０側へ、一様な垂直磁場を発生させる。例えば、スパッター装置によって３０００Åの厚みで磁場発生部２０を形成する。磁性体１１に磁場強度Ｈ＝０．０３Ｊが印加できるような保持特性をもつように、磁場発生部２０の材料および膜厚を選択する。磁場発生部２０は、鉄酸化物からなるフェライト磁石または希土類金属磁石で、形成する。磁場発生部２０と基板８０との層間にシリコン酸化膜などの絶縁膜が存在していてもよい。
【０１３７】
レジスト８５は、磁場発生部２０上において、磁性体１１の形状でパターニングする。例えば、レジスト８５は、スピンコートにより数１０００Åの厚さで形成する。磁性体１１を形成する領域にレジスト８５をＥＵＶ露光する。ＥＵＶ露光した領域以外の領域を現像により除去する。レジスト８５の材料は、半導体の製造工程で一般的に用いる材料でよい。
【０１３８】
非磁性体金属１５７は、磁場発生部２０およびレジスト８５の上に形成する。非磁性体金属１５７は、後にパターニングすることにより、スキルミオン検出素子１５の第１電極１５３および第２電極１５４となる。例えば、スパッター装置により５００Åの厚みで非磁性体金属１５７を形成する。非磁性体金属１５７を銅ＣｕもしくはアルミニウムＡｌ等の非磁性金属で形成する。
【０１３９】
図４５Ｂは、レジスト８５の剥離工程を示す。レジスト８５をドライ工程もしくはウェット工程により剥離する。例えば、ドライ工程の場合、酸素ガスアッシャーによりレジスト８５を剥離する。レジスト８５を剥離すると、磁性体１１を形成すべき場所に、非磁性体金属１５７の凹部を形成する。本例の非磁性体金属１５７は、リフトオフプロセスにより形成するが、エッチングプロセスにより形成してもよい。
【０１４０】
図４５Ｃは、磁性体１１を形成する工程を示す。本例では、ＭＢＥ装置により５００Åの厚さで磁性体１１を形成する。非磁性体金属１５７の凹部および磁性体層６０の全面に磁性体１１を形成する。本例の磁性体１１は、非磁性体金属１５７と同じ膜厚を有する。しかし、本工程で堆積する磁性体１１の膜厚は、非磁性体金属１５７の膜厚よりも厚くても、非磁性体金属１５７の膜厚よりも薄くてもよい。
【０１４１】
図４５Ｄは、磁性体１１の除去工程およびレジスト８５の塗布工程を示す。化学機械処理法（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）で非磁性体金属１５７の上部に形成した磁性体１１を除去する。その後、第１電極１５３および第２電極１５４を形成するために、レジスト８５を塗布する。ＥＵＶ露光および現像工程により、磁性体１１、第１電極１５３、および第２電極１５４の形状に合わせて、レジスト８５をパターニングする。なお、第１電極１５３および第２電極１５４と同時に、第３電極１５５および第４電極１５６をパターニングしてもよい。これにより、新たな工程を追加することなく、図４２で示した第３電極１５５および第４電極１５６を有するスキルミオンメモリ１００を形成できる。
【０１４２】
図４５Ｅは、電極のエッチング工程および絶縁体６１の形成工程を示す。ドライエッチングにより、第１電極１５３および第２電極１５４を形成する。本工程により、スキルミオンメモリ１００の基本構造であるＮＭＮ構造が完成する。以下の工程は通常のＬＳＩの配線工程と同じである。磁性体層６０において、ＮＭＮ構造の周囲に絶縁体６１を形成する。
【０１４３】
図４５Ｆは、磁性体保護層６５および第１配線７１を形成する工程を示す。磁性体層６０上に磁性体保護膜６６を形成する。第１ビア６７は、磁性体保護膜６６に形成した開口に配線用の金属を堆積することにより形成する。即ち、一般的な半導体製造工程と同様の工程により磁性体保護膜６６および第１ビア６７を形成する。
【０１４４】
磁性体保護層６５上に第１配線７１を形成する。第１配線７１はスキルミオン生成、消去用の磁場発生用電流経路やスキルミオンセンサー用の電流経路として用いる。第１配線７１は、一般的なリソグラフィー工程およびエッチング工程でパターニングする。第１配線７１は、エッチングプロセスおよびリフトオフプロセスのいずれの方法によって形成してもよい。
【０１４５】
図４５Ｇは、第１配線層７０および第２配線層７５の形成工程を示す。第１配線保護膜７２は、磁性体保護層６５および第１配線７１上に形成する。第２ビア７３は、第１配線保護膜７２に形成した開口に配線用の金属を堆積することにより形成する。
【０１４６】
第２配線７６は、第１配線層７０上に形成する。第２配線７６は、一般的なリソグラフィー工程およびエッチング工程を用いてパターニングする。第２配線７６は、エッチングプロセスおよびリフトオフプロセスのいずれの方法によって形成してもよい。第２配線保護膜７７は、第１配線層７０および第２配線７６上に形成する。第２配線７６および第２配線保護膜７７は、一般的な半導体製造工程と同様の工程により形成する。
【０１４７】
以上、磁場を発生する磁場発生部２０の上に磁気素子１０を形成する製造工程を示した。スキルミオンメモリデバイス１１０の製造に必要なホトマスクの数は、合計で７枚である。即ち、磁場発生部２０に１枚。ＮＭＮ構造（磁性体１１、第１電極１５３および第２電極１５４）に２枚、第１ビア６７の形成に１枚、第１配線７１の形成に１枚、第２ビア７３の形成に１枚、第２配線７６の形成に１枚のホトマスクを使用する。通常の２層配線ＣＭＯＳのホト工程の３分の１以下で磁気素子は製造できる。また、本例の製造工程は既存のＬＳＩ製造工程を使用していることからプロセス開発コストおよび製造コストが小さい。スキルミオンメモリ１００を制御するスイッチやセンサ増幅用ＣＭＯＳ−ＦＥＴ構造は同一チップに搭載が必須である。このＣＭＯＳ−ＦＥＴ製造プロセスの用いるホト工程はスキルミオンメモリ製造のためのホト工程と兼用できるからホトマスクの枚数の増加は磁場発生部のみの１枚の増加に留まる。製造コストの増加を著しく低減できる。
【０１４８】
図４５Ｈは、磁気素子１０を積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０−１および磁気素子１０−２を備える。図４５Ａから図４５Ｇまでの製造工程を繰り返すことによりスキルミオンメモリデバイス１１０を製造する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０を積層することにより、集積度を大きくできる。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、図４５Ｇに示したスキルミオンメモリデバイス１１０の２倍の集積度を実現できる。
【０１４９】
図４６は、磁気素子１０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、ｎ＝１２の場合である。磁場発生部２０は、３０００Åの膜厚を有する。磁気素子１０は、磁気素子１０−１から磁気素子１０−ｎまで積層した構造を有する。本例の磁気素子１０は、合計３５０００Åの膜厚を有する。
【０１５０】
図４７は、複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０−１から磁気素子１０−８までの合計８層の磁気素子１０を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁場発生部２０−１上に、４層の磁気素子１０を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁気素子１０−４と磁気素子１０−５との間に磁場発生部２０−２をさらに有する。これにより、磁気素子１０は、磁場発生部２０から受ける磁場の強度を一定に保つことができる。磁場発生部２０は、磁気素子１０の材料等に応じて適当な間隔で配置してよい。
【０１５１】
図４８は、スキルミオンメモリデバイス１１０の構成の一例を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００およびＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０を備える。ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０上にスキルミオンメモリ１００を形成する。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０は、ＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１およびＮＭＯＳ−ＦＥＴ９２を有する。
【０１５２】
スキルミオンメモリデバイス１１０は、ＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０と、積層した大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ１００を同一のチップ内に有することができる。この結果、ＣＰＵの処理時間の短縮化、高速化が実現し、ＣＰＵの消費電力を大幅に低減できる。すなわち、ＰＣ起動時の基本ＯＳなどのＨＤからの呼び出し、外付けＳＲＡＭやＤＲＡＭなどへの書き込み、読み出しなどの処理時間を大幅に短縮可能となり、ＣＰＵタイムの削減（大幅高速化）に貢献する。この結果、大幅に消費電力が低いＣＰＵを実現できる。さらに大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ１００はメモリ保持のための電力消費がゼロである。スキルミオンの磁気モーメントの向きはトポロジカル安定性を有するために外部からの一切の電力供給を必要としない。ＤＲＡＭメモリはデータリフレッシュが必要であり、ＳＲＡＭも揮発性であるので常時電力投入が必要である。フラッシュメモリはデータアクセスタイムが長いのでＣＰＵと直接データのやり取りはできない。
【０１５３】
図４９は、現在の到達の量産技術であるＬＳＩ最小加工寸法を１５ｎｍとしたときのスキルミオンメモリ１００の設計サイズを示す。表面から見た場合の磁性体１１および電流経路１２のサイズを示す。ＬＳＩ最小加工寸法１５ｎｍなので電流経路１２の線幅は１５ｎｍとなる。端部領域Ａの幅は１５ｎｍに加工可能であるが、多少マージンをもたせ２０ｎｍとした。この結果、端部領域Ａの高さは３０ｎｍとなる。磁性体１１の幅Ｗｍは５０ｎｍである。磁性体の高さｈｍはＷｍと同じ大きさとした。このような磁性体サイズを選択した場合のスキルミオン４０の直径λは下記設計ルールで決まる。磁性体サイズは、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
である。第１式から２Ｗｍ＞λ＞Ｗｍ／２、第２式から２ｈｍ＞λ＞ｈｍ／２である。今、Ｗｍ＝ｈｍ＝５０ｎｍであるから、１００ｎｍ＞λ＞２５ｎｍの範囲のスキルミオンの直径が選択可能である。スキルミオンの直径λは先行技術文献１に見るようにたとえばＦｅＧｅでは７０ｎｍ、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。したがって、現在の到達の量産技術であるＬＳＩ最小加工寸法１５ｎｍの場合、スキルミオン直径７０ｎｍのＦｅＧｅを選択すればよい。将来ＬＳＩ最小加工寸法１０ｎｍが実現できた場合、６７ｎｍ＞λ＞１７ｎｍの範囲のスキルミオンの直径λが選択可能である。スキルミオン直径１８ｎｍのＭｎＳｉを選択すればよい。したがって、現量産技術や将来量産技術に対して、すでに適切なスキルミオンの直径λをもった磁性体１１が存在している。
【０１５４】
図５０は、スキルミオンメモリデバイス１１０の書き込み回路の一例を示す。スキルミオンメモリ１００にデータを書き込む場合とは、スキルミオンメモリ１００にスキルミオン４０を生成する場合を指す。本例のスキルミオン検出素子１５は、図３の例に対応し、ＴＭＲ素子を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０の回路構成は、スキルミオン検出素子１５として図４１や図４２に示した構成を用いる場合でも基本的には同一である。
【０１５５】
複数のスキルミオンメモリ１００を、スキルミオン生成線９５およびスキルミオン消去線９６に接続する。例えば、スキルミオン生成線９５（ｎ）を、ｎ行のスキルミオンメモリ１００にそれぞれ接続し、スキルミオン消去線９６（ｎ）を、ｎ列のスキルミオンメモリ１００にそれぞれ接続する。スキルミオンメモリ１００に接続した各線にはＦＥＴを接続する。ＦＥＴは、ゲートに電圧を印加することにより、個々のスキルミオンメモリ１００を選択する電気的スイッチとして働く。
【０１５６】
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）においてスキルミオン４０を生成する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ）およびスキルミオン消去線９６（ｎ）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン生成線９５（ｎ）からスキルミオン消去線９６（ｎ）に向けて電流を流すと、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）のスキルミオン４０を生成する。また、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０を生成する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ−１）およびスキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン生成線９５（ｎ−１）からスキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に向けて電流を流すと、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）にスキルミオン４０を生成する。
【０１５７】
図５１は、スキルミオンメモリデバイス１１０の消去回路の一例を示す。スキルミオンメモリ１００にデータを消去する場合とは、スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０を消去する場合を指す。本例では、図５０の例と同様の配線で、スキルミオンメモリ１００に、スキルミオン生成線９５およびスキルミオン消去線９６を接続する。スキルミオン４０を生成する場合と同様に、ＦＥＴのスイッチングにより、スキルミオンメモリ１００を選択する。スキルミオン消去線９６からスキルミオン生成線９５に向けて電流を流すことにより、スキルミオン４０を消去する。
【０１５８】
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）においてスキルミオン４０を消去する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ）およびスキルミオン消去線９６（ｎ）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ）からスキルミオン生成線９５（ｎ）に向けて電流を流し、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）のスキルミオン４０を消去する。また、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０を生成する場合、スキルミオン生成線９５（ｎ−１）およびスキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ＋１）からスキルミオン生成線９５（ｎ−１）に向けて電流を流し、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０を消去する。
【０１５９】
図５２は、スキルミオンメモリデバイス１１０の読み出し回路の一例を示す。スキルミオンメモリ１００のデータを読み出す場合とは、スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０を検出する場合を指す。スキルミオン４０を検知する場合、スキルミオン生成線９５およびスキルミオン消去線９６に加えて、ワード線９７を用いる。
【０１６０】
スキルミオン消去線９６は、スキルミオン検出素子１５に接続する。スキルミオン消去線９６は、スキルミオン検出素子１５にスキルミオン検出用の電流を流す。
【０１６１】
ワード線９７は、磁性体１１の端部に接続する。ワード線９７は、スキルミオン検出素子１５および磁性体１１を介して、スキルミオン消去線９６に接続する。スキルミオン４０は、スキルミオン消去線９６からワード線９７に電流を流すことにより検出する。複数のスキルミオンメモリ１００にワード線９７を接続する。例えば、ワード線９７（ｎ）は、ｎ行のスキルミオンメモリ１００にそれぞれ接続する。検出回路９８にワード線９７を接続する。スキルミオン消去線９６およびワード線９７に接続したＦＥＴをスイッチングすることにより、スキルミオンメモリ１００を選択する。スキルミオン４０を検出する場合、スキルミオン生成線９５に接続したＦＥＴをオフする。
【０１６２】
検出回路９８は、ワード線９７に流れる電流もしくは電圧を増幅して、スキルミオン４０の有無を検出する。検出回路９８は、入力抵抗Ｒｉｎ、帰還抵抗Ｒｆ、増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２を備える。ワード線９７から検出回路９８に入力した電流を、入力抵抗Ｒｉｎを介して、増幅回路Ｃ１に入力する。帰還抵抗Ｒｆを、増幅回路Ｃ１と並列に設ける。増幅回路Ｃ１は、ワード線９７からの電流を電圧変換して増幅する。電圧比較回路Ｃ２には、増幅回路Ｃ１の出力電圧および参照電圧Ｖｒｅｆを入力する。電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合は「１」を出力する。一方、電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも小さい場合は「０」を出力する。
【０１６３】
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｎ、ｎ）におけるスキルミオン４０の有無を検出する場合、スキルミオン消去線９６（ｎ）およびワード線９７（ｎ）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ）に電流を流すと、スキルミオン４０の有無に応じた抵抗により電圧値が変化する。また、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０の有無を検出する場合、スキルミオン消去線９６（ｎ＋１）およびワード線９７（ｎ−１）に接続したＦＥＴをオンする。その後、スキルミオン消去線９６（ｎ＋１）に電流を流すと、スキルミオンメモリ１００（ｎ−１、ｎ＋１）において検出用の電流が流れる。ワード線９７（ｎ−１）に接続した検出回路９８において、当該電流を検出する。これにより、スキルミオン４０の存在に応じて、「１」または「０」のデータを得ることができる。即ち、スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０の存在の有無に応じて、データの読み出しができる。
【０１６４】
以上、図５０から図５２の通り、スキルミオンメモリデバイス１１０は、任意のスキルミオンメモリ１００を選択し、スキルミオン４０の生成、消去および読み出しができる。スキルミオンメモリ１００の周辺に配置したＦＥＴ、検出回路９８の増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２は、ＣＭＯＳデバイスで構成する。複数のスキルミオンメモリ１００を平面状に配列する。また、平面状に配列したスキルミオンメモリ１００を積層してよい。複数のスキルミオンメモリ１００は、図４５Ａから図４５Ｈで示した通り、少ないホト枚数の製造プロセスで積層できる。スキルミオンメモリ１００は、積層が可能であることにより、集積度を大幅に増加できる。
【０１６５】
図５３は、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、固体電子デバイス２１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。固体電子デバイス２１０は、例えばＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスである。固体電子デバイス２１０は、スキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリデバイス１１０からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。
【０１６６】
図５４は、データ記録装置３００の構成例を示す模式図である。データ記録装置３００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、入出力装置３１０とを備える。データ記録装置３００は、例えばハードディスク、または、ＵＳＢメモリ等のメモリデバイスである。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。入出力装置３１０は、外部からスキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み機能、および、スキルミオンメモリデバイス１１０からデータを読み出して外部に出力する機能の少なくとも一方を有する。
【０１６７】
図５５は、データ処理装置４００の構成例を示す模式図である。データ処理装置４００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、プロセッサ４１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。プロセッサ４１０は、例えばデジタル信号を処理するデジタル回路を有する。プロセッサ４１０は、スキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリデバイス１１０からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。
【０１６８】
図５６は、通信装置５００の構成例を示す模式図である。通信装置５００は、例えば携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等の、外部との通信機能を有する装置全般を指す。通信装置５００は携帯型であってよく、非携帯型であってもよい。通信装置５００は、スキルミオンメモリデバイス１１０と、通信部５１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図４３から図４８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０である。通信部５１０は、通信装置５００の外部との通信機能を有する。通信部５１０は、無線通信機能を有してよく、有線通信機能を有してよく、無線通信および有線通信の双方の機能を有していてもよい。通信部５１０は、外部から受信したデータをスキルミオンメモリデバイス１１０に書き込む機能、スキルミオンメモリデバイス１１０から読み出したデータを外部に送信する機能、および、スキルミオンメモリデバイス１１０が記憶した制御情報に基づいて動作する機能の少なくとも一つを有する。
【０１６９】
以上の通り、高速、且つ、低消費電力でスキルミオン４０を生成、消去、検知できる磁気素子およびこの磁気素子を応用した不揮発性スキルミオンメモリ１００、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００、データ記録装置３００、データ処理装置４００および通信装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１７０】
１  マグネチックシフトレジスタ、２  磁気センサ、１０  磁気素子、１１  磁性体、１２  電流経路、１３  切欠部、１５  スキルミオン検出素子、２０  磁場発生部、３０  測定部、３１  測定用電源、３２  電流計、３３  電圧計、４０  スキルミオン、５０  コイル電流用電源、６０  磁性体層、６１  絶縁体、６５  磁性体保護層、６６  磁性体保護膜、６７  第１ビア、７０  第１配線層、７１  第１配線、７２  第１配線保護膜、７３  第２ビア、７５  第２配線層、７６  第２配線、７７  第２配線保護膜、８０  基板、８５  レジスト、９０  ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ、９１  ＰＭＯＳ‐ＦＥＴ、９２  ＮＭＯＳ‐ＦＥＴ、９５  スキルミオン生成線、９６  スキルミオン消去線、９７  ワード線、９８  検出回路、９９  ＦＥＴ、１００  スキルミオンメモリ、１５１  非磁性体薄膜、１５２  磁性体金属、１５３  第１電極、１５４  第２電極、１５５  第３電極、１５６  第４電極、２００  スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、２１０  固体電子デバイス、３００  データ記録装置、３１０  入出力装置、４００  データ処理装置、４１０  プロセッサ、５００  通信装置、５１０  通信部
【図１】
2016035579.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016035579.tif 000012
【図６】
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【図７】
2016035579.tif 000014
【図８】
2016035579.tif 000015
【図９】
2016035579.tif 000016
【図１０】
2016035579.tif 000017
【図１１】
2016035579.tif 000018
【図１２】
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【図１３】
2016035579.tif 000020
【図１４】
2016035579.tif 000021
【図１５】
2016035579.tif 000022
【図１６】
2016035579.tif 000023
【図１７】
2016035579.tif 000024
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2016035579.tif 000027
【図２１】
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【図２２】
2016035579.tif 000029
【図２３】
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【図２４】
2016035579.tif 000031
【図２５】
2016035579.tif 000032
【図２６】
2016035579.tif 000033
【図２７】
2016035579.tif 000034
【図２８】
2016035579.tif 000035
【図２９】
2016035579.tif 000036
【図３０】
2016035579.tif 000037
【図３１】
2016035579.tif 000038
【図３２】
2016035579.tif 000039
【図３３】
2016035579.tif 000040
【図３４】
2016035579.tif 000041
【図３５】
2016035579.tif 000042
【図３６】
2016035579.tif 000043
【図３７】
2016035579.tif 000044
【図３８】
2016035579.tif 000045
【図３９Ａ】
2016035579.tif 000046
【図３９Ｂ】
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【図３９Ｃ】
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【図３９Ｄ】
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【図３９Ｅ】
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【図３９Ｆ】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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【図４５Ｃ】
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【図４５Ｄ】
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【図４５Ｅ】
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【図４５Ｆ】
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【図４５Ｇ】
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【図４５Ｈ】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【国際調査報告】
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