[論文レビュー] Current Controlled Magnetization Switching in Cylindrical Nanowires for High-Density 3D Memory Applications

Hanan Mohammed, Héctor Corte‐León+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Magnetic properties of thin films参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、高密度3次元ラクトラックメモリ向けに、円筒状のCo/Niマルチレイヤーナノワイヤにおける電流制御型ドメインウォールスイッチング機構を提案する。適切に設計された電流パルスを印加することで、物質界面でドメインウォールが逐次ピン止めされ、解除され、ワイヤに沿って正確なビットシフトが可能となり、1平方インチあたり数テラビットを超える可能性のあるビット密度が実現される。

ABSTRACT

A next-generation memory device utilizing a three-dimensional nanowire system requires the reliable control of domain wall motion. In this letter, domain walls are studied in cylindrical nanowires consisting of alternating segments of cobalt and nickel. The material interfaces acting as domain wall pinning sites, are utilized in combination with current pulses, to control the position of the domain wall, which is monitored using magnetoresistance measurements. Magnetic force microscopy results further confirm the occurrence of current assisted domain wall depinning. Data bits are therefore shifted along the nanowire by sequentially pinning and depinning a domain wall between successive interfaces, a requirement necessary for race-track type memory devices. We demonstrate that the direction, amplitude and duration of the applied current pulses determine the propagation of the domain wall across pinning sites. These results demonstrate a multi-bit cylindrical nanowire device, utilizing current assisted data manipulation. The prospect of sequential pinning and depinning in these nanowires allows the bit density to increase by several Tbs, depending on the number of segments within these nanowires.

研究の動機と目的

• 3次元アーキテクチャにおける信頼性の高い高密度データ記憶のニーズに対応すること。
• スケーラブルなメモリデバイスにおけるドメインウォール運動の制御の課題を克服すること。
• 電流誘発ドメインウォールダイナミクスを用いて、正確で逐次的なビットシフトを実現する手法を開発すること。
• ワイヤに沿った複数のピン留めサイトを活用することで、1ナノワイヤあたりのマルチビット記憶を可能にすること。
• 実用的3次元メモリアプリケーションに向けた電流補助ドメインウォール操作の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 材料界面に内在するドメインウォールピン留めサイトを形成するために、交互に配置されたセグメントを有する円筒状Co/Niマルチレイヤー ナノワイヤをプロセスした。
• ドメインウォールのピン留め解除とピン留めサイトを越える伝搬を誘発するために、1ナノ秒から1ミリ秒の電流パルスを印加した。
• ビットシフトダイナミクスを追跡するために、イン・サイト磁気抵抗測定によりドメインウォール位置をモニタリングした。
• パルス後におけるドメインウォールのピン留め解除と空間的局在を確認するために、磁気力顕微鏡（MFM）を用いた。
• 電流パルスのパrameters（振幅、継続時間、方向）を系統的に変化させ、ドメインウォール運動への制御をマップした。
• ナノワイヤに沿って順次的インターフェースを走査する電流パルスのサイクルにより、逐次的ピン留めとピン留め解除を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円筒状Co/Niナノワイヤにおいて、複数のピン留めサイトを越えてドメインウォール運動を電流パルスが信頼性を持って制御可能か？
• RQ2 電流パルスの振幅、継続時間、方向がドメインウォール伝搬およびビットシフトにどのように影響するか？
• RQ3 1ナノワイヤあたりのピン留めサイト数を増やすことで、3次元メモリアーキテクチャにおけるビット密度をどの程度向上できるか？
• RQ4 磁気抵抗測定とMFM測定が、制御されたドメインウォール移動および位置決めを一貫して確認できるか？
• RQ5 この電流制御型スイッチング機構は、テラビットスケールのメモリデバイスにどの程度スケーラブルか？

主な発見

• 電流パルスにより、複数のCo/Ni界面を越えてドメインウォールのピン留め解除と伝搬が高再現性で実現された。
• 電流パルスの方向、振幅、継続時間がドメインウォール運動の速度と成功確率を直接制御した。
• ドメインウォールの逐次的ピン留めとピン留め解除により、最小限の誤差で決定論的なビットシフトが可能となった。
• 磁気抵抗測定により、各パルスサイクル後のドメインウォール位置が安定的かつ繰り返し可能であることが確認された。
• 磁気力顕微鏡により、ドメインウォールの空間的局在と移動が検証され、電流補助ピン留め解除の妥当性が裏付けられた。
• デバイスアーキテクチャは、ナノワイヤ内のセグメント数に応じて、理論的ビット密度が1平方インチあたり数テラビットに達する可能性を有する。