JP2025013618A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性を向上させ、強磁性体の磁化反転の消費電力を低減できる磁気センサを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、磁気センサは、ディラック型の表面状態を有し、スピンホール角が１を超える非磁性のハーフホイスラー合金トポロジカル半金属であるＹＰｔＢｉを含む検出層９０１と、検出層に接し、検出層に接する第１面の面内方向に向いている磁化を有する強磁性体９０２とを含む。
【選択図】図２２

Description

本発明の実施形態は、トポロジカル材料を用いたスピン注入源、磁気メモリ、スピンホール発振器、計算機、及び磁気センサに関する。

強磁性体は、その抵抗値が磁化の向きに依存して変化する磁気抵抗効果を有する。このため、強磁性体は、強磁性体の磁化の向きを利用して情報を記録する磁気メモリへの応用が注目されている。また、ＮＡＮＤフラッシュメモリを超える大容量メモリ用途として、強磁性体の磁壁移動を利用した磁壁駆動型の磁気メモリが注目されている。さらに、強磁性体の磁化は数ＧＨｚ以上での歳差運動が可能である。このため、強磁性体は、スピンホール発振器への応用や、そのスピンホール発振器を用いたニューロモーフィック・コンピュータをはじめとした計算機への応用も期待されている。

これらデバイスの基盤技術の１つとして、強磁性体の磁化の向きの制御技術が重要である。磁化の制御手法として、電子のスピン角運動量の流れであるスピン流を用いる手法が主流である。スピン流の生成手法は２つの手法に大別される。

１つめの手法は、強磁性体に電流を流し、その強磁性体のスピンフィルタリング効果によりスピン偏極電流を生成する手法である。この手法であれば、このスピン偏極電流を制御対象の強磁性体に流すことにより、その強磁性体の磁化の向きを制御できる。この手法は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ：Spin Transfer Torque）方式と呼ばれている。ＳＴＴ方式の適用例として、ＳＴＴ磁気メモリ(ＳＴＴ－ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory)のセル構造の一例を図１に示す。ＳＴＴ磁気メモリは、例えば、制御対象の磁化を有する強磁性体（磁化自由層）と、スピン流生成用の強磁性体（磁化固定層）との間に、トンネルバリア層として機能する非磁性の絶縁体が設けられた構造を有する。強磁性体の膜面と垂直方向に電流を流すことにより、電流に対して平行方向にスピン流が生じる。このとき、スピン流の生成効率は、磁化固定層に用いた強磁性材料のスピン分極率Ｐで決まる。しかし、スピン分極率Ｐは、一般に０．５～０．８と小さく、原理的に１を超えることができない。このため、ＳＴＴ磁気メモリは、磁化制御に大電流を要する。大電流を用いた磁化制御は、デバイス劣化の原因の１つとなっていた。磁化制御に大電流が要求されるという問題はＳＴＴ方式に内在する問題であり、ＳＴＴ方式を利用するすべてのデバイスにおいて共通の問題である。

この問題を解決するため、２つめの手法として、スピンホール効果（ＳＨＥ：Spin Hall Effect）という現象を利用した手法が注目を集めている。ＳＨＥとは、非磁性材料に電流を注入した際に、電流に対して垂直方向にスピン流が生じる現象である。ＳＨＥの強い材料として、スピン軌道相互作用の強い重金属やトポロジカル絶縁体が知られている。これらの材料群は、スピン注入源材料の候補となり得る。ＳＨＥを利用した手法は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）方式と呼ばれている。ＳＯＴ方式の適用例として、ＳＯＴ磁気メモリ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）のセル構造の一例を図２に示す。ＳＯＴ方式は、ＳＴＴ方式と同様の積層構造に加え、磁化自由層に接するスピン注入源（スピンホール層）を有する。ＳＯＴ方式では電流とスピン流の方向が直交している。このため、実効的なスピン流生成効率は、ＳＨＥの強さを表すスピンホール角と、磁化自由層の長さＬ_ＦＭとスピンホール層の膜厚ｔ_ＳＨとの比Ｌ_ＦＭ／ｔ_ＳＨとの積に基づく。このように、ＳＯＴ方式はスピンホール材料だけでなく、構造の工夫によってもスピン流生成効率を高めることができる。さらに、スピンホール角及び比Ｌ_ＦＭ／ｔ_ＳＨは、ともに１を超えることができるため、磁化制御に要する電流量を低減することが容易である。

スピン流生成効率の観点から、スピンホール層の材料は大きなスピンホール角を有することが望ましい。一方、スピンホール層は磁化自由層と接しているため、スピンホール層に注入した電流の一部は、磁化自由層に分流されてしまう。したがって、スピンホール材料は、磁化自由層の強磁性材料と同等以上の電気伝導率である方が望ましい。磁気抵抗効果の大きさから、磁化自由層の材料には、例えばＣｏＦｅ合金等の強磁性体が用いられるため、スピンホール材料としては、１０^５Ｓ／ｍ以上の電気伝導率を有するものが望ましい。

１０^５Ｓ／ｍを超える高い電気伝導率を有するスピンホール材料として、Ｐｔ、Ｔａ、及びＷなどの重金属が研究されている。しかし、非特許文献１～非特許文献３に示すように、重金属のスピンホール角は０．１台と小さいため、磁化制御電流量の低減効果は限定的である。一方、１以上の巨大スピンホール角を有する材料として、Ｂｉ_２Ｓｅ_３、あるいはＢｉ_２Ｔｅ_３などのトポロジカル絶縁体が知られている。これら材料のスピンホール角は、ディラック型の表面状態から生じる強いアンチダンピングトルクに起因していることが特徴的である。非特許文献４～非特許文献６に示すように、これらの材料は、電気伝導率が１０^３～１０^４Ｓ／ｍと低い。しかし、１を超えるスピンホール角は、スピン流の生成効率の観点で有望である。近年、１０^５Ｓ／ｍを超える高い電気伝導率と、１を超える巨大スピンホール角とを両立可能なトポロジカル絶縁体の一種であるＢｉＳｂ合金が開発された。特許文献１に示すように、ＢｉＳｂ合金をスピンホール材料に用いることにより、磁化制御電流量をＳＴＴ方式よりも１桁以上低減させることが可能である。

トポロジカル絶縁体は、ディラック型の表面状態に起因する１を超えるスピンホール角を有する。このため、重金属より高いスピン流生成効率の実現が可能である。しかし、既存のトポロジカル絶縁体は主にＶ族とＶＩ族から構成されるため融点が低く、４００℃以上の加熱を伴う半導体製造プロセスとの親和性が低いという問題点がある。

国際公開第２０１９／０５４４８４号

Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，（米国），２０１１年，１０６，０３６６０１ Ｓｃｉｅｎｃｅ，（米国），２０１２年，Ｖｏｌ．３３６，ｐ．５５５－５５８ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，（米国），２０１２年，１０１，１２２４０４ Ｎａｔｕｒｅ，（米国），２０１４年，Ｖｏｌ．５１１，ｐ．４４９ Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，（米国），２０１８年，Ｖｏｌ．１７，ｐ．８００－８０７ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，（米国），２０１９年，１２３，２０７２０５

本発明の一実施形態では、４００℃を超える高い耐熱性を有し、消費電力を低減可能なスピン注入源および、それを利用した磁気メモリ、スピンホール発振器、計算機、及び磁気センサを提供する。

実施形態に係る磁気センサは、ディラック型の表面状態を有し、スピンホール角が１を超える非磁性のハーフホイスラー合金トポロジカル半金属であるＹＰｔＢｉを含む検出層と、検出層に接し、検出層に接する第１面の面内方向に向いている磁化を有する強磁性体とを含む。

ＳＴＴ方式の磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。 ＳＯＴ方式の磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。 第１実施形態におけるＹＰｔＢｉのＸ線回折スペクトルの成膜温度依存性を示す図である。 第１実施形態におけるＹＰｔＢｉの蛍光Ｘ線分析による組成比分析結果を示す図である。 第１実施形態において、スピンホール角評価に用いたサンプル１の構造を示す図である。 第１実施形態において、スピンホール角評価に用いたサンプル２の構造を示す図である。 第１実施形態において、スピンホール角評価に用いた測定回路の概要、及び測定の座標系を示す図である。 第１実施形態において、サンプル１におけるホール抵抗の二次高調波成分の外部磁場依存性を示す図である。 第１実施形態において、サンプル１におけるアンチダンピング磁場とＹＰｔＢｉ層中の電流密度の関係性を示した図である。 ＹＰｔＢｉを含む各種スピンホール材料及びについて、ＣｏＴｂを用いて測定されたスピンホール角と、ＣｏＴｂのスピン散逸効果を補正したスピンホール角とを示すテーブルである。 第１実施形態におけるホール抵抗と磁場の面内印加角度との関係を示す図である。 各スピンホール材料のスピンホール角の絶対値、電気伝導率、及び規格化消費電力を示すテーブルである。 トポロジカル絶縁体及びＨＨＡ－ＴＳＭの耐熱性、毒性物質、ＳＨＥ、電気伝導率、及び表面粗さを示すテーブルである。 第１実施形態の第１例に係る３端子型ＳＯＴ磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。 第１実施形態の第２例に係る２端子型ＳＯＴ磁気メモリのセル構造の一例を示すである。 第２実施形態に係る磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。 第３実施形態の第１例に係る３端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。 第３実施形態の第２例に係る２端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。 第３実施形態の第３例に係る２端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。 第３実施形態の第４例に係る２端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。 第４実施形態に係るスピンホール発振器を用いた人工ニューロンの一例を示す図である。 第５実施形態に係る磁気センサの一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。

１．第１実施形態
以下、第１実施形態として、スピンホール材料としてハーフホイスラー合金トポロジカル半金属（ＨＨＡ－ＴＳＭ：Half Heusler Alloy - Topological Semi-Metal）の１つであるＹＰｔＢｉを用いたスピン注入源及び磁気メモリについて説明する。

１．１ ＹＰｔＢｉの特性
まず、ＨＨＡ－ＴＳＭの例として、ＹＰｔＢｉの特性について説明する。なお、ＨＨＡ－ＴＳＭの材料は、これに限定されない。例えば、２種の遷移金属またはレアアースと、１種の典型元素に属する金属からなり、ハーフホイスラー構造を有する３元合金のうち、トポロジカル表面状態を有する合金のうちの１つ、またはこれらの混晶であってもよい。より具体的には、例えば、ＨＨＡ－ＴＳＭは、ＬｕＰｔＳｂ、ＬｕＰｄＢｉ、ＬｕＰｔＢｉ、ＳｃＰｔＢｉ、ＹＡｕＰｂ、ＬａＰｔＢｉ、ＣｅＰｔＢｉ、ＴｈＰｔＰｂ、及びＬａＡｕＰｂなどや、これらの混晶であってもよい。

１．１．１ 耐熱性
まず、図３及び図４を参照して、ＹＰｔＢｉの耐熱性について説明する。図３は、ＹＰｔＢｉのＸ線回折スペクトルの成膜温度依存性を示す図である。図４は、ＹＰｔＢｉの蛍光Ｘ線分析による組成比分析結果を示す図である。

図３及び図４の例は、同時スパッタリング法により基板温度を変えながらＹＰｔＢｉを基板上に約５０ｎｍ成膜したサンプルを用いて、ＹＰｔＢｉの結晶構造及び組成比を評価した結果をそれぞれ示している。基板温度の変化範囲は３００～８００℃である。基板にはｃ－Ｓａｐｐｈｉｒｅを用いた。また、同時スパッタリング法には、ＹＰｔターゲットとＢｉターゲットとを用いた。

まず、図３を参照して、ＹＰｔＢｉの結晶構造について説明する。

図３に示すように、ＹＰｔＢｉの（１１１）面のピークに着目すると、ＹＰｔＢｉの（１１１）面に起因するピークが、基板温度３００～６００℃の温度範囲で確認された。

次に、図４を参照して、ＹＰｔＢｉの組成比について説明する。図４において、縦軸は、Ｙ（イットリウム）に対するＢｉの組成比である。横軸は、ＹＰｔＢｉ成膜時の基板温度である。

図４に示すように、基板温度６００℃以下において、Ｂｉの組成比は、ハーフホイスラー合金の結晶構造の理想である１で安定している。この結果は、図３に示すＸ線回折スペクトルにおいてＹＰｔＢｉの（１１１）面に起因するピークが得られた温度範囲と一致する。

これらの結果より、４００℃以上の加熱を行ってもＹＰｔＢｉがハーフホイスラー構造を維持できることが分かる。したがって、ＨＨＡ－ＴＳＭは、４００℃以上の耐熱性を有し得る。さらに、スパッタリング法により広い温度範囲でＹＰｔＢｉを成膜可能であることから、ＨＨＡ－ＴＳＭは、半導体装置の量産プロセスに対して高い親和性を有し得る。

１．１．２ 電気伝導率
次に、ＹＰｔＢｉの電気伝導率について説明する。電気伝導率は、ｃ－Ｓａｐｐｈｉｒｅ基板及びＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上にＹＰｔＢｉを約１１ｎｍ成膜したサンプルを用いて、四端子法により測定した。同時スパッタリング法によりＹＰｔＢｉを成膜した際の基板温度は、６００℃である。四端子法による測定の結果、ｃ－Ｓａｐｐｈｉｒｅ基板上におけるＹＰｔＢｉの電気伝導率は、例えば、１．１７×１０^５Ｓ／ｍであった。また、ＳｉＯ_２／Ｓｉ基板上におけるＹＰｔＢｉの電気伝導率は、例えば、１．５７×１０^５Ｓ／ｍであった。したがって、ＹＰｔＢｉは、１０^５Ｓ／ｍを超える高い電気伝導率を有する。

１．１．３ スピンホール角
次に、ＹＰｔＢｉのスピンホール角について説明する。

１．１．３．１ サンプル構造及び評価手法
図５～図７を参照して、スピンホール角測定のサンプル構造及び測定回路について説明する。本実施形態では、２種類のサンプルを用いた。図５は、サンプル１の断面図である。図６は、サンプル２の断面図である。図７は、測定回路の概要、及び測定の座標系を示した図である。

まず、スピンホール角の測定に用いたサンプル１及びサンプル２の構造について説明する。サンプル１及びサンプル２は、ＹＰｔＢｉと強磁性体とのヘテロ接合をそれぞれ有する。

図５に示すように、サンプル１は、ｃ－Ｓａｐｐｈｉｒｅ基板、ＹＰｔＢｉ、Ｐｔ、Ｃｏ、及びＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含む。ｃ－Ｓａｐｐｈｉｒｅ基板上に、例えば、膜厚約１０ｎｍのＹＰｔＢｉが形成されている。ＹＰｔＢｉ上には、例えば、膜厚約０．５ｎｍのＰｔと、膜厚約０．５ｎｍのＣｏと、膜厚約０．５ｎｍのＰｔと、が交互に積層されている。Ｐｔ／Ｃｏ／Ｐｔ積層体は、強磁性体ＣｏＰｔとして機能する。ＣｏＰｔは垂直磁気異方性を有する。最上層のＰｔ上には、例えば、膜厚約２ｎｍのＭｇＡｌ_２Ｏ_４が形成されている。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４は、酸化防止のためのキャップ層として機能する。

図６に示すように、サンプル２は、Ｓｉ基板、ＳｉＯ_２、ＹＰｔＢｉ、ＣｏＴｂ、及びＭｇＡｌ_２Ｏ_４を含む。Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２が形成されている。ＳｉＯ_２の膜厚は、任意である。ＳｉＯ_２上に、例えば、膜厚約１０ｎｍのＹＰｔＢｉが形成されている。ＹＰｔＢｉ上には、例えば、膜厚約３ｎｍのＣｏＴｂが形成されている。ＣｏＴｂは、強磁性を有する。ＣｏＴｂは、面内磁気異方性を有する。ＣｏＴｂ上には、例えば、膜厚約２ｎｍのＭｇＡｌ_２Ｏ_４が形成されている。

サンプル１及びサンプル２の用途について説明する。一般的に、スピンホール角測定にはスピンホール層と強磁性体のヘテロ接合が用いられる。このとき、両層の界面においてスピン散逸が生じる。スピン散逸の大きさは、強磁性材料の種類に強く依存する。サンプル１に用いるＣｏＰｔは、スピン散逸が比較的小さい材料である。したがって、サンプル１を用いた場合、スピン散逸の補正を行うことなくスピンホール角を評価することが可能である。サンプル１の構造は、スピン散逸補正という不確定要素が小さいことが利点である。一方、複数のスピンホール材料間でスピンホール角を比較する場合、同一の強磁性材料を利用することが望ましい。このため、サンプル２の強磁性材料には、様々なスピンホール材料のスピンホール角評価に利用された実績が比較的多いＣｏＴｂを用いた。

次に、スピンホール角の評価手法について説明する。スピンホール角の評価には二次高調波法を利用した。二次高調波法とは、サンプルに交流電流を印加した際に生じる二次高調波ホール抵抗Ｒ^Ｈ _２ωの外部磁場依存性からスピンホール角を評価する手法である。例えば、図７に示す測定回路において、端子－Iと端子＋Iとの間に交流電流を流す。そして、端子＋Ｖ_Ｈと端子－Ｖ_Ｈとの間に発生する異常ホール効果によるホール電圧の二次高調波成分を測定する。このとき、外部磁場Ｈ_ｅｘｔは、電流に対して平行となるように印加する。

評価の手順としては、まず、スピンホール角の算出のため、式１に基づいたフィッティングにより二次高調波ホール抵抗Ｒ^Ｈ _２ωからアンチダンピングライク磁場Ｈ_ＤＬを抽出する。

ここで、Ｒ_ＡＨＥは異常ホール抵抗、Ｈ_Ｋ ^ｅｆｆは有効面直異方性磁場、Ｒ_ＰＨＥはプレーナホール抵抗、Ｈ_{ＦＬ＋ＯＦ}はフィールドライク磁場とエルステット磁場の和、Ｃ^ｏｕｔ _ＯＮＥは面直温度勾配により生じる正常ネルンスト効果、Ｒ^ｏｕｔ _{ＡＮＥ＋ＳＳＥ}は面直温度勾配により生じる異常ネルンスト効果およびスピンゼーベック効果である。式１において、垂直磁気異方性を有する場合はＨ_Ｋ ^ｅｆｆ＞０、面内磁気異方性を有する場合はＨ_Ｋ ^ｅｆｆ＜０である。また、式１のうち、Ｈ_ＤＬ、Ｈ_{ＦＬ＋ＯＦ}、Ｈ_Ｋ ^ｅｆｆ、Ｃ^ｏｕｔ _ＯＮＥ、Ｒ^ｏｕｔ _{ＡＮＥ＋ＳＳＥ}がフィッティングパラメータである。

次に、式２を用いて抽出したＨ_ＤＬをスピンホール角に変換する。

ここで、ｅは素電荷、Ｍ_Ｓは飽和磁化、ｔ_ＦＭは強磁性体の膜厚、ｈはプランク定数、Ｊ_ＮＭはＹＰｔＢｉ層の電流密度である。これにより、スピンホール角θ_ＳＨが算出される。

１．１．３．２ 外部磁場依存性及びスピンホール角の測定結果の具体例
次に、図８及び図９を参照して、二次高調波ホール抵抗Ｒ^Ｈ _２ωの外部磁場依存性及びスピンホール角θ_ＳＨの測定結果の具体例について説明する。図８はサンプル１におけるホール抵抗の二次高調波成分の外部磁場依存性を示す図である。図８の各プロットは測定値を示しており、実線は式１によるフィッティング結果を示している。印加した交流電流の振幅は１．０～３．４ｍＡの間である。図８の例は、交流電流を、０．４ｍＡずつ変化させた場合を示している。交流電流の周波数は、２５９．６８Ｈｚである。図９は、サンプル１におけるアンチダンピング磁場とＹＰｔＢｉ中の電流密度の関係性を示した図である。

図９に示すように、アンチダンピングライク磁場Ｈ_ＤＬは、ＹＰｔＢｉの電流密度Ｊ_ＮＭに比例して増大している。Ｈ_ＤＬ／Ｊ_ＮＭの比、及び、例えば超伝導量子干渉計により得られた飽和磁化Ｍ_Ｓ＝６３２ｅｍｕ／ｃｍ^３を式２に代入し、スピンホール角θ_ＳＨを算出すると、その値は約１．３となる。したがって、ＹＰｔＢｉが１を超えるスピンホール角θ_ＳＨを有することが実証された。

ＣｏＴｂを用いたサンプル２についても同様に、二次高調波法を用いてスピンホール角測定を行った。その結果、例えば、Ｈ_ＤＬ／Ｊ_ＮＭ＝５．９８Ｏｅ・ｃｍ^２／ＭＡ、飽和磁化Ｍ_Ｓ＝４５６ｅｍｕ／ｃｍ^３が得られ、ＹＰｔＢｉのスピンホール角θ_ＳＨとしては０．２５が得られた。一般に、ＣｏＴｂを用いてスピンホール角θ_ＳＨを測定すると、ＣｏＴｂのスピン散逸効果により、他の強磁性材料で測定した場合よりもスピンホール角θ_ＳＨが５～１０分の１程度に少なく見積もられることが知られている。ＹＰｔＢｉも同様の傾向が得られた。

１．１．３．３ 他のスピンホール材料とのスピンホール角の比較
次に、図１０を参照して、ＹＰｔＢｉのスピンホール角θ_ＳＨを他のスピンホール材料と比較した結果について説明する。図１０は、ＹＰｔＢｉを含む各種スピンホール材料及びについて、ＣｏＴｂを用いて測定されたスピンホール角（θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ））と、ＣｏＴｂのスピン散逸効果を補正したスピンホール角（Intrinsic θ_ＳＨ）とを示すテーブルである。なお、図１０の例において、ＹＰｔＢｉのθ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）は、サンプル２の測定結果を示しており、Intrinsic θ_ＳＨは、サンプル１の測定結果を示している。ＹＰｔＢｉと比較するスピンホール材料として、重金属のＴａ及びＰｔ、並びにトポロジカル絶縁体のＢｉ_２Ｓｅ_３、（Ｂｉ，Ｓｂ）_２Ｔｅ_３、及びＢｉＳｂが示されている。

図１０に示すように、スピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）に着目すると、ＹＰｔＢｉのスピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）は、０．２５である。ＹＰｔＢｉのスピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）を、重金属であるＴａ及びＰｔのスピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）と比較すると、約１桁以上大きい。また、ＹＰｔＢｉのスピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）を、トポロジカル絶縁体であるＢｉ_２Ｓｅ_３、（Ｂｉ，Ｓｂ）_２Ｔｅ_３、及びＢｉＳｂと比較すると、ＢｉＳｂよりは約一桁低いがＢｉ_２Ｓｅ_３及び（Ｂｉ，Ｓｂ）_２Ｔｅ_３とは同等の特性が得られている。

次に、スピンホール角（Intrinsic θ_ＳＨ）に着目すると、ＹＰｔＢｉのスピンホール角（Intrinsic θ_ＳＨ）は、１．３である。よって、ＹＰｔＢｉのスピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）は、スピンホール角（Intrinsic θ_ＳＨ）の５分の１程度である。これに対し、重金属及びトポロジカル絶縁体のスピンホール角θ_ＳＨ（ＣｏＴｂ）は、スピンホール角（Intrinsic θ_ＳＨ）の５～１０分の１程度である。したがって、ＹＰｔＢｉの測定結果は、他のスピンホール材料と同様の傾向にある。

１．１．４ ホール抵抗の磁場依存性
次に、図１１を参照して、ＹＰｔＢｉがディラック型の表面状態を有すること確認するため、基板上にＹＰｔＢｉを成膜したサンプルを用いてホール抵抗Ｒ_Ｈの磁場依存性を測定した結果について説明する。図１１は、ホール抵抗Ｒ_Ｈと磁場の面内印加角度φ_Ｈとの関係を示すグラフである。なお、ホール抵抗Ｒ_Ｈの測定サンプルの基板にはｃ－Ｓａｐｐｈｉｒｅを用いた。ＹＰｔＢｉ成膜時の基板温度は、６００℃である。図１１のグラフの縦軸は、前述のサンプルに面内回転磁場を印加した際に得られたホール抵抗Ｒ_Ｈである。横軸は、磁場の面内印加角度φ_Ｈである。ここで、磁場の面内印加角度φ_Ｈは、印加した直流電流と平行な向きを基準とした。測定温度は４Ｋであり、磁場の大きさは７．６ｋＯｅである。グラフの黒丸のプロットは、測定値を示しており、実線は、フィッティング曲線を示す。

図１１に示すように、ホール抵抗Ｒ_Ｈの測定値は、ｃｏｓφ_Ｈ及びｓｉｎφ_Ｈの1回対称成分と、ｓｉｎ２φ_Ｈの２回対称成分を含むフィッティング曲線（実線）でよく説明できる。ホール抵抗Ｒ_Ｈの１回対称成分は、磁場の印加角度が面内からずれることにより生じる正常ホール効果が起源である。一方、２回対称成分は、プレーナホール効果と呼ばれる磁気抵抗効果であり、非磁性体であるＹＰｔＢｉではディラック型のトポロジカル表面状態に起因する。つまり、プレーナホール効果の存在は非磁性体であるＹＰｔＢｉがディラック型の表面状態を有することを示している。したがって、ＹＰｔＢｉにおける巨大スピンホール角は、ディラック型の表面状態から生じる強いアンチダンピングトルクに起因するものであるといえる。

１．１．５ 磁性体を磁化反転させるときの消費電力
次に、図１２を参照して、スピンホール材料の上に設けられた磁性体を磁化反転させるときの消費電力について説明する。図１２は、各スピンホール材料のスピンホール角θ_ＳＨの絶対値、電気伝導率、及び規格化消費電力を示す表である。図１２の例は、スピンホール材料の種類として、重金属またはＨＨＡ－ＴＳＭを用いた場合を示している。より具体的には、図１２の例は、重金属として、膜厚６ｎｍのＴａ、Ｐｔ、またはＷを用いた場合と、ＨＨＡ－ＴＳＭとして、膜厚１０ｎｍのＹＰｔＢｉを用いた場合とを示している。規格化消費電力は、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ（磁性体）を磁化反転させるときの消費電力を、Ｔａを用いた場合の消費電力を１として規格化した値を示している。

図１２に示すように、ＨＨＡ－ＴＳＭのＹＰｔＢｉは、重金属のＴａ、Ｐｔ、及びＷよりスピンホール角θ_ＳＨの絶対値が大きい。Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、及びＹＰｔＢｉは、いずれも１．０×１０^５Ｓ／ｍ以上の高い電気伝導率が得られている。Ｔａに対するＰｔ及びＷの規格化消費電力は、それぞれ３．６×１０^－１及び１．６×１０^－１である。これに対し、Ｔａに対するＹＰｔＢｉの規格化消費電力は３．３×１０^－２である。つまり、スピンホール材料にＹＰｔＢｉを用いた場合、その消費電力は、Ｔａを用いた場合の３．３％である。更に、ＹＰｔＢｉを用いた場合の消費電力は、重金属の中で消費電力の最も低いＷを用いた場合と比較して、約５分の１程度である。

このように、本願発明者らは、ＹＰｔＢｉを含むＨＨＡ－ＴＳＭが、重金属よりも低消費電力で磁性体を磁化反転できることを見いだした。

１．１．６ トポロジカル絶縁体との比較
次に、図１３を参照して、トポロジカル絶縁体とＨＨＡ－ＴＳＭとを比較した結果について説明する。図１３は、トポロジカル絶縁体及びＨＨＡ－ＴＳＭの耐熱性、毒性物質、ＳＨＥ、電気伝導率、及び表面粗さを示すテーブルである。ここで、毒性物質は、材料の構成要素として毒性の材料が含まれているか否かを示している。

図１３に示すように、トポロジカル絶縁体の耐熱性は、約３００℃以下であるのに対し、ＨＨＡ－ＴＳＭの耐熱性は約６００℃である。半導体製造プロセスのバックエンド工程では、材料に４００℃以上の耐熱性が求められるため、ＨＨＡ－ＴＳＭの方が、トポロジカル絶縁体よりも半導体製造プロセスとの親和性が高い。

例えば、トポロジカル絶縁体に含まれ得るＳｂ、Ｓｅ、あるいはＴｅといった材料は毒性を有する。これに対し、ＨＨＡ－ＴＳＭは、ＹＰｔＢｉのように毒性を有していない材料により構成され得る。

トポロジカル絶縁体及びＨＨＡ－ＴＳＭのＳＨＥは、いずれも重金属と比較して強い、すなわち、スピンホール角が大きい。また、トポロジカル絶縁体の電気伝導率は、ＢｉＳｂを除き、比較的低い傾向にある。これに対し、ＨＨＡ－ＴＳＭの電気伝導率は、比較的高い。

ＨＨＡ－ＴＳＭは、トポロジカル絶縁体よりも表面粗さが小さい。このため、ＨＨＡ－ＴＳＭに接する磁性体の界面の表面粗さも低減する。これにより、磁性体の垂直磁気異方性を向上させることができる。

このように、本願発明者らは、ＹＰｔＢｉを含むＨＨＡ－ＴＳＭが、４００℃を超える高い耐熱性を有し、毒性物質を含まない材料であり、比較的小さい表面粗さを有することを見いだした。すなわち、本願発明者らは、スピンホール材料として、ＨＨＡ－ＴＳＭは、トポロジカル絶縁体よりも半導体装置の製造プロセスに対する親和性が高いことを見いだした。

１．２ 磁気メモリの構成
次に、ＨＨＡ－ＴＳＭをスピン注入源に用いた磁気メモリの構成について２つの例を説明する。以下の説明では、トランジスタのソース及びドレインの一方を「トランジスタの一端」と表記し、トランジスタのソース及びドレインの他方を「トランジスタの他端」と表記する。

１．２．１ 第１例
まず、第１例について説明する。第１例では、図１４を参照して、３端子型ＳＯＴ磁気メモリのセル構造の一例について説明する。図１４は、３端子型ＳＯＴ磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。

図１４に示すように、ＳＯＴ磁気メモリ１００は、磁気記憶素子１０１、スピン注入源１０２、書き込みトランジスタ１０３、及び読み出しトランジスタ１０４を備える。磁気記憶素子１０１は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）による磁気抵抗効果（Magnetoresistive effect）を有する記憶素子（以下、「ＭＴＪ素子」とも表記する）である。

ＭＴＪ素子１０１は、強磁性体１１１、絶縁体１１２、及び強磁性体１１３を含む。例えば、スピン注入源１０２の上に強磁性体１１３と絶縁体１１２と強磁性体１１１とが順に積層されている。

強磁性体１１１は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体１１１の磁化方向は、固定されている。すなわち、強磁性体１１１は、磁化固定層として機能する。強磁性体１１１の磁化方向は、スピン注入源１０２から注入されたスピン流によって、変化しない。

絶縁体１１２は、強磁性体１１１及び１１３に接し、強磁性体１１１と強磁性体１１３との間に設けられる。絶縁体１１２は、非磁性の絶縁体である。絶縁体１１２は、トンネルバリア層として機能する。絶縁体１１２には、ＭｇＯが好適に用いられる。なお、絶縁体１１２には、ＡｌＯなど別の材料が用いられてもよい。また、絶縁体１１２には、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒの少なくとも１つを含む金属酸化物が用いられてもよい。

強磁性体１１３は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体１１３の磁化方向は、スピン注入源１０２から注入されたスピン流により制御される。すなわち、強磁性体１１３は、磁化自由層として機能する。

強磁性体１１１の磁化方向と強磁性体１１３の磁化方向とが平行状態にある場合、ＭＴＪ素子１０１は低抵抗状態にある。他方で、強磁性体１１１の磁化方向と強磁性体１１３の磁化方向とが反平行状態にある場合、ＭＴＪ素子１０１は高低抵抗状態にある。ＭＴＪ素子１０１の抵抗状態に応じて、データが割り当てられる。

強磁性体１１１及び強磁性体１１３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体１１１及び強磁性体１１３は、複数の層からなる積層体であってもよい。また、強磁性体１１１及び強磁性体１１３は、同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。

スピン注入源１０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。ＨＨＡ－ＴＳＭの膜面に平行な方向におけるＨＨＡ－ＴＳＭの一端には、書き込みトランジスタ１０３が接続される。また、ＨＨＡ－ＴＳＭの一端と向かい合うＨＨＡ－ＴＳＭの他端は、接地される（接地電圧配線に接続される）。

書き込みトランジスタ１０３の一端は、スピン注入源１０２（ＨＨＡ－ＴＳＭ）に接続され、他端は、例えば図示せぬ電源に接続される。書き込みトランジスタ１０３のゲートには、制御信号が入力される。

読み出しトランジスタ１０４の一端は、ＭＴＪ素子１０１の強磁性体１１１に接続され、他端は、例えば図示せぬ読み出し回路に接続される。読み出しトランジスタ１０４のゲートには、制御信号が入力される。

例えば、メモリ１００において、ＭＴＪ素子１０１にデータを書き込む場合、書き込みトランジスタ１０３は、オン状態とされ、読み出しトランジスタ１０４は、オフ状態とされる。そして、電源から、オン状態の書き込みトランジスタ１０３、及びスピン注入源１０２を介して、接地に電流が流れる。このとき、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源１０２）の強磁性体１１３と接する面において、面と平行な方向にパルス状の電流（以下、「面内電流」と表記する）が流れる。ＨＨＡ－ＴＳＭにパルス状の面内電流が流れると、面と垂直な方向にスピン流が生成される。そして、ＨＨＡ－ＴＳＭから強磁性体１１３（磁化自由層）にスピン流が注入される。スピン流により生じるアンチダンピングトルクと、面内電流に対して平行に印加された外部磁場（面内バイアス磁場）により生じるトルクの合力により、強磁性体１１３の磁化反転が生じ、すなわち、磁化方向が制御され、ＭＴＪ素子１０１にデータが書き込まれる。

例えば、ＭＴＪ素子１０１のデータを読み出す場合、書き込みトランジスタ１０３は、オフ状態とされ、読み出しトランジスタ１０４は、オン状態とされる。そして、電源から、オン状態の読み出しトランジスタ１０４を介して、ＭＴＪ素子１０１に読み出し電流が流れる。このとき、ＭＴＪ素子１０１の抵抗値に基づいて、ＭＴＪ素子１０１のデータが読み出される。

１．２．２ 第２例
次に、第２例について説明する。第２例では、図１５を参照して、２端子型ＳＯＴ磁気メモリのセル構造の一例について説明する。図１５は、２端子型ＳＯＴ磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。

図１５に示すように、ＳＯＴ磁気メモリ２００は、ＭＴＪ素子２０１、スピン注入源２０２、及び書き込み／読み出しトランジスタ２０３を含む。第１例と異なる点は、ＭＴＪ素子２０１に接続されるトランジスタが廃されており、強磁性体２１１が接地されている。

ＭＴＪ素子２０１の構成は、第１例のＭＴＪ素子１０１と同様である。より具体的には、ＭＴＪ素子２０１は、強磁性体２１１、絶縁体２１２、及び強磁性体２１３を含む。強磁性体２１１は、強磁性体１１１と同様に、磁化固定層として機能する。絶縁体２１２は、絶縁体１１２と同様に、トンネルバリア層として機能する。強磁性体２１３は、強磁性体１１３と同様に、磁化自由層として機能する。

スピン注入源２０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

書き込み／読み出しトランジスタ２０３の一端は、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源２０２）の一端に接続され、他端は、例えば図示せぬ電源に接続される。書き込み／読み出しトランジスタ２０３のゲートには制御信号が入力される。

例えば、ＭＴＪ素子２０１にデータを書き込む場合、書き込み／読み出しトランジスタ２０３はオン状態とされる。そして、電源から、書き込み／読み出しトランジスタ２０３、スピン注入源２０２、強磁性体２１３、絶縁体２１２、及び強磁性体２１１を介して、接地に電流が流れる。このとき、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源２０２）にパルス状の面内電流が流れることにより、スピン注入源２０２から強磁性体２１３（磁化自由層）にスピン流が注入される。スピン流により生じるアンチダンピングトルクにより、強磁性体２１３の磁化反転が生じ、データが書き込まれる。このとき、強磁性体２１１から生じるスピン偏極電流も強磁性体２１３の磁化反転を補助し得る。強磁性体２１１から生じるスピン偏極電流の磁化反転補助により、強磁性体２１３の磁化容易軸と、スピン注入源２０２から生じるスピン流のスピン量子化軸の向き関係とによらず、外部磁場（面内バイアス磁場）無しで磁化反転を行うことができる。

１．３ 本実施形態に係る効果
本願発明者らは、ＨＨＡ－ＴＳＭが、ディラック型の表面状態に起因する１を超える巨大スピンホール角と、１０^５Ｓ／ｍを超える高い電気伝導率とを有し、重金属よりも磁性体を磁化反転させるときの消費電力が低いことを見いだした。また、本願発明者らは、ＨＨＡ－ＴＳＭが、４００℃を超える高い耐熱性を有することを見いだした。すなわち、本願発明者らは、ＨＨＡ－ＴＳＭは、スピンホール材料としての特性に優れており、半導体製造プロセスとの親和性が良好であることを見いだした。ＨＨＡ－ＴＳＭをスピン注入源に用いることにより、強磁性体の磁化反転の消費電力を低減できる。また、ＨＨＡ－ＴＳＭをＳＯＴ磁気メモリのスピン注入源に適用することにより、ＳＯＴ磁気メモリの書き込み電流及び書き込み電力を低減できる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と異なる磁壁駆動型の磁気メモリについて説明する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

２．１ 磁気メモリの構成
図１６を参照して、磁気メモリの構成について説明する。図１６は、磁気メモリのセル構造の一例を示す図である。

図１６に示すように、磁気メモリ３００は、強磁性体３０１、スピン注入源３０２、読出し部３０３、導電体３０４～３０６、強磁性体３０７、及び端子Ｔ１～Ｔ４を含む。以下の説明において、強磁性体３０１に膜面に平行であり、導電体３０４から導電体３０６に向かう方向をＸ方向と表記する。強磁性体３０１に膜面に平行であり、Ｘ方向と交差する方向をＹ方向と表記する。強磁性体３０１に膜面に垂直な方向をＺ方向と表記する。

強磁性体３０１は、スピン注入源３０２の上に設けられる。強磁性体３０１は、強磁性を有し、膜面に垂直なＺ方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体３０１は、磁化自由層として機能する。強磁性体３０１は、磁壁ＤＷにより区切られた複数の磁区ＭＤを含む。１つの磁区ＭＤが、１つの記憶素子として機能する。図１６の例では、強磁性体３０１は４つの磁区ＭＤ１～ＭＤ４を含む。磁区ＭＤ１～ＭＤ４は、Ｘ方向に、一列に並んで配置されている。強磁性体３０１は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体３０１は、複数の層からなる積層体であってもよい。

スピン注入源３０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

読出し部３０３は、磁区ＭＤ（図１６の例では磁区ＭＤ１）の磁化の向きを読み出す。読出し部３０３は、強磁性体３１１及び絶縁体３１２を含む。

強磁性体３１１は、強磁性を有し、膜面に垂直なＺ方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体３１１の磁化方向は、固定されている。すなわち、強磁性体３１１は、磁化固定層として機能する。強磁性体３１１の磁化方向は、スピン注入源３０２から注入されたスピン流によって、変化しない。強磁性体３１１は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体３１１は、複数の層からなる積層体であってもよい。

絶縁体３１２は、強磁性体３０１の１つの磁区（図１６の例では磁区ＭＤ１）及び強磁性体３１１に接し、強磁性体３０１と強磁性体３１１との間に設けられる。絶縁体３１２は、非磁性の絶縁体である。絶縁体３１２は、トンネルバリア層として機能する。絶縁体１１２には、ＭｇＯが好適に用いられる。なお、絶縁体３１２には、ＡｌＯなど別の材料が用いられてもよい。また、絶縁体３１２には、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒの少なくとも１つを含む金属酸化物が用いられてもよい。

強磁性体３１１と、絶縁体３１２と、絶縁体３１２が接している強磁性体３０１の１つの磁区ＭＤによりＭＴＪ素子が構成されている。すなわち、読出し部３０３は、ＭＴＪ素子を含む。

導電体３０４～３０６は、強磁性体３０１の上にＸ方向に沿って設けられている。なお、導電体３０４～３０６は、スピン注入源３０２上に設けられてもよいし、強磁性体３０１及びスピン注入源３０２の両方に接していてもよい。導電体３０４は、強磁性体３０１のＸ方向における端部近傍の上に設けられている。導電体３０５は、Ｘ方向において、読出し部３０３を間に挟んで、導電体３０４と離れた位置に配置されている。強磁性体３０１において、導電体３０４及び３０５との接地面を含む領域に１つの磁区ＭＤが形成される。導電体３０６は、Ｘ方向において、導電体３０４が接している強磁性体３０１の端部近傍と対向する端部近傍の上に設けられている。導電体３０４～３０６は、導電材料を含む。なお、導電体３０５は、廃されてもよい。

強磁性体３０７は、Ｚ方向において、図示せぬ絶縁体を介して、スピン注入源３０２と離間して配置されている。Ｚ方向における強磁性体３０７の上方には、スピン注入源３０２及び強磁性体３０１を介して、導電体３０４及び導電体３０５が配置されている。強磁性体３０７は、強磁性を有し、膜面に平行なＸ方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体３０７の磁化方向は、固定されている。強磁性体３０７は、強磁性体３０１及びスピン注入源３０２に対してバイアス磁界を与える。バイアス磁界は、書き込み動作において、強磁性体３０１の磁化の向きを反転させるために利用される。強磁性体３０７は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体３０７は、複数の層からなる積層体であってもよい。

端子Ｔ１は、導電体３０４に接続される。端子Ｔ２は、導電体３０５に接続される。端子Ｔ３は、読出し部３０３（強磁性体３１１）に接続される。端子Ｔ４は、導電体３０６に接続される。

例えば、磁区ＭＤ１にデータを書き込む場合、端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に書き込み電流が流れる。書き込み電流は、強磁性体３０１（磁化自由層）及びＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源３０２）を流れる。ＨＨＡ－ＴＳＭにパルス状の面内電流が流れ、強磁性体３０１にスピン流が注入される。スピン流により生じるアンチダンピングトルクにより、強磁性体３０１の磁区ＭＤ１の磁化反転が生じ、データが書き込まれる。

例えば、磁区ＭＤ１のデータを読み出す場合、端子Ｔ３と、端子Ｔ１または端子Ｔ２との間に読み出し電流が流れる。読出し部３０３のＭＴＪ素子の抵抗値に基づいて、磁区ＭＤ１の磁化の向き（データ）が読み出される。

例えば、磁区ＭＤを移動させる場合、端子Ｔ１と端子Ｔ４との間に磁壁駆動用の電流が流れる。ＨＨＡ－ＴＳＭ及び強磁性体３０１に電流が流れると、強磁性体３０１の磁壁ＤＷ、すなわち磁区ＭＤが移動する。この磁壁移動により、強磁性体３０１内の各磁区ＭＤの磁化の向きを制御することが可能である。同様の原理により、読出し部３０３によって強磁性体３０１内の各磁区ＭＤの磁化の向きを読み出すことができる。

２．２ 本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、ＨＨＡ－ＴＳＭを、磁壁駆動型の磁気メモリに適用できる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、ＨＨＡ－ＴＳＭを、スピンホール発振器のスピン注入源に適用した場合について４つの例を説明する。以下、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点を中心に説明する。

３．１ 第１例
まず、第１例について説明する。第１例では、図１７を参照して、３端子型スピンホール発振器について説明する。図１７は、３端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。

図１７に示すように、３端子型スピンホール発振器４００は、ＭＴＪ素子４０１、スピン注入源４０２、磁化駆動用トランジスタ４０３、及びＭＴＪ用電源端子４０４を含む。

ＭＴＪ素子４０１は、強磁性体４１１、絶縁体４１２、及び強磁性体４１３を含む。例えば、スピン注入源４０２の上に強磁性体４１３と絶縁体４１２と強磁性体４１１とが順に積層されている。

強磁性体４１１は、強磁性を有し、強磁性体４１３と同様の磁化困難軸を有する。強磁性体４１１の磁化方向は、固定されている。すなわち、強磁性体４１１は、磁化固定層として機能する。強磁性体４１１の磁化方向は、スピン注入源４０２から注入されたスピン流によって、変化しない。

絶縁体４１２は、強磁性体４１１及び４１３に接し、強磁性体４１１と強磁性体４１３との間に設けられる。絶縁体４１２は、非磁性の絶縁体である。絶縁体４１２は、トンネルバリア層として機能する。絶縁体４１２には、ＭｇＯが好適に用いられる。なお、絶縁体４１２には、ＡｌＯなど別の材料が用いられてもよい。また、絶縁体４１２には、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒの少なくとも１つを含む金属酸化物が用いられてもよい。

強磁性体４１３は、強磁性を有し、スピン注入源４０２から強磁性体４１３に注入されるスピン流のスピン量子化軸と平行な磁化困難軸、または磁化容易軸を有する。強磁性体４１３は、磁化自由層として機能する。強磁性体４１３の磁化は、スピン注入源４０２から注入されたスピン流により歳差運動をし得る。また、強磁性体４１３の磁化困難軸、または磁化容易軸と平行に外部磁場（面内バイアス磁場）を印加することで、歳差運動の周波数や振幅を変調し得る。

強磁性体４１１及び強磁性体４１３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体４１１及び強磁性体４１３は、複数の層からなる積層体であってもよい。また、強磁性体４１１及び強磁性体４１３は、同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。

スピン注入源４０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

磁化駆動用トランジスタ４０３の一端は、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源４０２）の一端に接続され、他端には、例えば図示せぬ電源が接続される。磁化駆動用トランジスタ４０３のゲートには制御信号が入力される。磁化駆動用トランジスタ４０３が接続されたＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源４０２）の一端と向かい合うＨＨＡ－ＴＳＭの他端は、接地される。

ＭＴＪ用電源端子４０４は、ＭＴＪ素子４０１の強磁性体４１１に接続される。ＭＴＪ用電源端子４０４から供給される電流により、ＭＴＪ素子４０１で生じるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistive）効果により強磁性体４１３の磁化の向きを電気的に検出できる。

スピンホール発振器４００を発振器として動作させる場合、磁化駆動用トランジスタ４０３は、オン状態とされる。オン状態の磁化駆動用トランジスタ４０３を介して、スピン注入源４０２の一端から設置された他端に向かって面内電流が流れる。ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源４０２）に面内電流が流れると、強磁性体４１３にスピン流が注入される。これにより、強磁性体４１３の磁化が歳差運動をする。強磁性体４１３の磁化の歳差運動は、ＭＴＪ素子４０１のＴＭＲ効果により電気信号に変換される。そして、強磁性体４１１に接続された図示しない電圧出力端子から交流電圧として出力される。

３．２ 第２例
次に、第２例について説明する。第２例では、図１８を参照して、２端子型スピンホール発振器について説明する。図１８は、２端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。

図１８に示すように、２端子型スピンホール発振器５００は、強磁性体５０１、スピン注入源５０２、及び磁化駆動用トランジスタ５０３を含む。

強磁性体５０１は、スピン注入源５０２の上に設けられる。強磁性体５０１は、強磁性を有し、スピン注入源５０２から強磁性体５０１に注入されるスピン流のスピン量子化軸と平行な磁化困難軸を有する。強磁性体５０１は、磁化自由層として機能する。強磁性体５０１の磁化は、スピン注入源５０２から注入されたスピン流により歳差運動をし得る。また、強磁性体５０１の磁化困難軸と平行に外部磁場（面内バイアス磁場）を印加することで、歳差運動の周波数や振幅を変調し得る。

強磁性体５０１は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体５０１は、複数の層からなる積層体であってもよい。

スピン注入源５０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

磁化駆動用トランジスタ５０３の一端は、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源５０２）の一端に接続され、他端には、例えば図示せぬ電源が接続される。磁化駆動用トランジスタ５０３のゲートには制御信号が入力される。磁化駆動用トランジスタ５０３が接続されたＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源５０２）の一端と向かい合うＨＨＡ－ＴＳＭの他端は、接地される。

スピンホール発振器５００を発振器として動作させる場合、磁化駆動用トランジスタ５０３は、オン状態とされる。オン状態の磁化駆動用トランジスタ５０３を介して、スピン注入源５０２の一端から設置された他端に向かって面内電流が供給される。ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源５０２）に面内電流が流れると、強磁性体５０１にスピン流が注入される。これにより、強磁性体５０１の磁化が歳差運動をする。強磁性体５０１の磁化の歳差運動は、磁化から生じる漏れ磁場として外部に出力される。

３．３ 第３例
次に、第３例について説明する。第３例では、図１９を参照して、第２例と異なる２端子型スピンホール発振器について説明する。図１９は、２端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。

図１９に示すように、２端子型スピンホール発振器６００は、ＭＴＪ素子６０１、スピン注入源６０２、及び磁化駆動用トランジスタ６０３を含む。

ＭＴＪ素子６０１の構成は、第１例のＭＴＪ素子４０１と同様である。より具体的には、ＭＴＪ素子６０１は、強磁性体６１１、絶縁体６１２、及び強磁性体６１３を含む。例えば、スピン注入源６０２の上に強磁性体６１３と絶縁体６１２と強磁性体６１１とが順に積層されている。強磁性体６１１は、強磁性体４１１と同様に、磁化固定層として機能する。なお、第１例と異なり、強磁性体６１１は接地されている。絶縁体６１２は、絶縁体４１２と同様に、トンネルバリア層として機能する。強磁性体６１３は、強磁性体４１３と同様に、磁化自由層として機能する。

スピン注入源６０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

磁化駆動用トランジスタ６０３の一端は、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源６０２）の一端に接続され、他端には、例えば図示せぬ電源が接続される。磁化駆動用トランジスタ６０３のゲートには制御信号が入力される。

スピンホール発振器６００を発振器として動作させる場合、磁化駆動用トランジスタ６０３は、オン状態とされる。オン状態の磁化駆動用トランジスタ６０３を介して、スピン注入源６０２から強磁性体６１１に向かって電流が流れる。このとき、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源６０２）に面内電流が流れると、強磁性体６１３にスピン流が注入される。これにより、強磁性体６１３の磁化が歳差運動をする。磁化駆動用トランジスタ６０３を介して入力された電流は、ＭＴＪ素子６０１を流れるため、ＭＴＪ素子６０１で生じるＴＭＲ効果により強磁性体６１３の磁化の向きを電気的に検出できる。これにより、強磁性体６１３の磁化の歳差運動は、ＭＴＪ素子１０１のＴＭＲ効果により電気信号に変換され、スピン注入源６０２に接続された図示しない電圧出力端子から交流電圧として出力される。

３．４ 第４例
次に、第４例について説明する。第４例では、図２０を参照して、ＭＴＪ素子および並列抵抗を有する２端子型スピンホール発振器について説明する。図２０は、２端子型スピンホール発振器の一例を示す図である。

図２０に示すように、２端子型スピンホール発振器７００は、ＭＴＪ素子７０１、スピン注入源７０２、抵抗素子７０３、導電体７０４、及び磁化駆動用トランジスタ７０５を含む。

ＭＴＪ素子７０１の構成は、第１例のＭＴＪ素子４０１と同様である。より具体的には、ＭＴＪ素子７０１は、強磁性体７１１、絶縁体７１２、及び強磁性体７１３を含む。例えば、スピン注入源７０２の上に強磁性体７１３と絶縁体７１２と強磁性体７１１とが順に積層されている。強磁性体７１１は、強磁性体４１１と同様に、磁化固定層として機能する。絶縁体７１２は、絶縁体４１２と同様に、トンネルバリア層として機能する。強磁性体７１３は、強磁性体４１３と同様に、磁化自由層として機能する。

スピン注入源７０２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

抵抗素子７０３は、ＭＴＪ素子７０１と並列に配置される。抵抗素子７０３の一端は、スピン注入源７０２に接する。例えば、抵抗素子７０３の抵抗値は、ＭＴＪ素子７０１の抵抗値よりも低い。

導電体７０４は、ＭＴＪ素子７０１の強磁性体７１１及び抵抗素子７０３の他端に接する。導電体７０４は、接地されている。すなわち、強磁性体７１１及び抵抗素子７０３の他端は接地されている。導電体７０４は、導電材料を含む。

磁化駆動用トランジスタ７０５の一端は、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源７０２）の一端に接続され、他端には、例えば図示せぬ電源が接続される。磁化駆動用トランジスタ７０５のゲートには制御信号が入力される。

スピンホール発振器７００を発振器として動作させる場合、磁化駆動用トランジスタ７０５は、オン状態とされる。オン状態の磁化駆動用トランジスタ７０５を介して、スピン注入源７０２から導電体７０４に向かって電流が流れる。このとき、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源７０２）に面内電流が流れると、強磁性体７１３にスピン流が注入される。これにより、強磁性体７１３の磁化が歳差運動をする。磁化駆動用トランジスタ７０５を介して入力された電流は、ＭＴＪ素子７０１及び抵抗素子７０３から導電体７０４に流れる。抵抗素子７０３の抵抗値はＭＴＪ素子７０１の抵抗値よりも低いため、ＨＨＡ－ＴＳＭの面内電流は、主に抵抗素子７０３を介して導電体７０４に流れる。このため、面内電流の大きさは、抵抗素子７０３の抵抗値の大きさにより制御可能である。また、磁化駆動用トランジスタ７０５を介して注入された電流の一部は、ＭＴＪ素子７０１を流れる。このため、ＭＴＪ素子７０１のＴＭＲ効果により強磁性体７１３の磁化の向きを電気的に検出できる。これにより、強磁性体７１３の磁化の歳差運動は、ＭＴＪ素子７０１のＴＭＲ効果により電気信号に変換され、スピン注入源７０２に接続された図示しない電圧出力端子から交流電圧として出力される。

３．５ 本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、ＨＨＡ－ＴＳＭを、スピンホール発振器に適用できる。

４．第４実施形態
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、人工ニューロン計算機の人工ニューロンにＨＨＡ－ＴＳＭを含むスピン注入源を含むスピンホール発振器を用いた場合について説明する。以下、第１乃至第３実施形態と異なる点を中心に説明する。

４．１ 人工ニューロンの構成
図２１を参照して、人工ニューロンの構成の一例について説明する。図２１は、スピンホール発振器を用いた人工ニューロンの一例を示す図である。

図２１に示すように、人工ニューロン８００は、スピンホール発振器８０１、直流電源８０２、入力コンデンサ８０３、交流電源８０４、ダイオード８０５、出力コンデンサ８０６、及び出力端子８０７を含む。

スピンホール発振器８０１は、ＭＴＪ素子８１１、スピン注入源８１２、及び抵抗素子８１３を含む。

ＭＴＪ素子８１１の構成は、第３実施形態の第１例のＭＴＪ素子４０１と同様である。より具体的には、ＭＴＪ素子８１１は、強磁性体８２１、絶縁体８２２、及び強磁性体８２３を含む。例えば、スピン注入源８１２の上に強磁性体８２３と絶縁体８２２と強磁性体８２１とが順に積層されている。強磁性体８２１は、強磁性体４１１と同様に、磁化固定層として機能する。なお、強磁性体８２１は、接地されている。絶縁体８２２は、絶縁体４１２と同様に、トンネルバリア層として機能する。強磁性体８２３は、強磁性体４１３と同様に、磁化自由層として機能する。なお、強磁性体８２１が磁化自由層として機能し、強磁性体８２３が磁化固定層として機能してもよい。

スピン注入源８１２は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。ＨＨＡ－ＴＳＭの一端は、ノードＮＤ１に接続され、他端は、ノードＮＤ２に接続される。

抵抗素子８１３は、ＭＴＪ素子８１１と並列に配置される。抵抗素子８１３の一端は、ノードＮＤ２に接続される。すなわち、抵抗素子８１３の一端は、ノードＮＤ２を介して、スピン注入源８１２に接続される。抵抗素子８１３の他端は、接地されている。例えば、抵抗素子８１３の抵抗値は、ＭＴＪ素子８１１の抵抗値よりも低い。なお、抵抗素子８１３は廃されてもよい。

直流電源８０２は、ノードＮＤ１を介して、ＨＨＡ－ＴＳＭ（スピン注入源８１２）の一端に接続される。直流電源８０２は、ノードＮＤ１を介して、ＨＨＡ－ＴＳＭに、バイアス直流電圧Ｖ_ＤＣを印加する。

入力コンデンサ８０３の一方の電極はノードＮＤ１に接続され、他方の電極は、交流電源８０４に接続される。

交流電源８０４は、入力コンデンサ８０３を介してノードＮＤ１に入力信号Ｖ_ｉｎを印加する。バイアス直流電圧Ｖ_ＤＣと入力信号Ｖ_ｉｎとの合成電圧がＨＨＡ－ＴＳＭに印加される。例えば、入力信号Ｖ_ｉｎは音声やセンサからの時間軸の入力信号をサンプリングし、ランダムなマトリックス（マスクデータ）を掛けて得られる電圧信号である。

ダイオード８０５の一端は、ノードＮＤ２に接続され、他端は、ノードＮＤ３に接続される。ダイオード８０５は、ノードＮＤ２からノードＮＤ３に向かって順方向バイアスとなるように配置されている。

出力コンデンサ８０６の一方の電極は、ノードＮＤ３に接続され、他方の電極は、接地されている。

出力端子８０７はノードＮＤ３に接続される。出力端子８０７から、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが出力される。

例えば、人工ニューロン８００において、ＨＨＡ－ＴＳＭに、バイアス直流電圧Ｖ_ＤＣと入力信号ｖ_ｉｎとの合成電圧が印加されると、ＨＨＡ－ＴＳＭに面内電流が流れる。この面内電流により、ＨＨＡ－ＴＳＭから強磁性体８２３にスピン流が注入され、強磁性体８２３の磁化が歳差運動をする。この歳差運動は、ＭＴＪ素子８１１を介して交流電圧として出力される。さらに、ＭＴＪ素子８１１の交流電圧は、ダイオード８０５および出力コンデンサ８０６により平滑化され、人工ニューロン８００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとなる。スピンホール発振器８０１の出力は、入力信号Ｖ_ｉｎに対して非線形に変化するため、人工ニューロン８００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔも入力信号Ｖ_ｉｎに対して非線形に変化する。したがって、人工ニューロン８００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔを他の人工ニューロンまたは自身の新たな入力信号として用いることで、人工ニューロン計算機として利用することができる。

４．２ 本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、ＨＨＡ－ＴＳＭを、人工ニューロン計算機の人工ニューロンに適用できる。

なお、人工ニューロンに用いられるスピンホール発振器８０１には、第３実施形態の第１例～第４例のスピンホール発振器のいずれもが適用可能である。

５．第５実施形態
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態では、磁気センサの検出層にＨＨＡ－ＴＳＭを用いた場合について説明する。以下、第１乃至第４実施形態と異なる点を中心に説明する。

５．１ 磁気センサの構成
図２２を参照して、磁気センサの構成の一例について説明する。図２２は、磁気センサの一例を示す図である。

図２２に示すように、磁気センサ９００は、検出層９０１、強磁性体９０２、導電体９０３、電流端子９０４及び９０５、電圧端子９０６及び９０７を含む。以下の説明において、検出層９０１の膜面に平行であり、且つ電流端子９０４及び９０５を介して電流が流れる方向をＸ方向とする。検出層９０１の膜面に平行であり、Ｘ方向と交差する方向をＹ方向とする。検出層９０１の膜面に垂直な方向をＺ方向とする。

検出層９０１は、ＨＨＡ－ＴＳＭを含む。ＨＨＡ－ＴＳＭには、例えば、ＹＰｔＢｉが用いられる。

強磁性体９０２は、Ｚ方向において検出層９０１上に設けられる。強磁性体９０２は、強磁性を有し、検出層９０１と接する膜面に平行な方向（面内方向）に磁化容易軸方向を有する。強磁性体９０２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄの少なくとも１つを含む。なお、強磁性体９０２は、複数の層からなる積層体であってもよい。

なお、検出層９０１と強磁性体９０２との間には、検出層９０１及び強磁性体９０２と界面を接する中間層が挿入されてもよい。中間層には、非磁性金属、またはＧａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒの少なくとも１つを含む金属酸化物が用いられてもよい。

導電体９０３は、Ｚ方向において強磁性体９０２上に設けられる。導電体９０３は、導電材料を含む。

電流端子９０４は、検出層９０１のＸ方向を向いた端部に接続される。

電流端子９０５は、導電体９０３のＸ方向を向いた端部に接続される。例えば、電流端子９０４に供給された電流は、導電体９０３、強磁性体９０２、及び検出層９０１を介して、電流端子９０５に流れる。

電圧端子９０６は、検出層９０１のＹ方向を向いた一端に接続される。

電圧端子９０７は、検出層９０１のＹ方向を向いた他端に接続される。

磁気センサ９００の電流端子９０４と電流端子９０５との間には直流電流が印加される。この直流電流は、強磁性体９０２を膜面に対して垂直方向（Ｚ方向）に貫通（通過）する際、強磁性体９０２のスピンフィルタリング効果によって、強磁性体９０２の磁化の向きと平行なスピン量子化軸を持つスピン偏極電流に変換される。これにより、強磁性体９０２からＨＨＡ－ＴＳＭ（検出層９０１）に、膜面と垂直なＺ方向からスピン偏極電流が注入される。ＨＨＡ－ＴＳＭでは、ＨＨＡ－ＴＳＭの逆スピンホール効果によってスピン偏極電流が電流に変換される。変換された電流の一部により、電圧端子９０６と電圧端子９０７との間に起電力が生じる。電圧端子９０６と電圧端子９０７との間に生じる起電力の大きさは、強磁性体９０２の磁化のＸ方向の成分に比例する。したがって、外部磁場によって強磁性体９０２の磁化のＸ方向の成分が変化すると、ＨＨＡ－ＴＳＭでは、逆スピンホール効果により電圧端子９０６と電圧端子９０７との間に生じる起電力が変化する。このため、その変化量から外部磁場を推定し得る。

５．２ 本実施形態に係る効果
本実施形態に係る構成であれば、ＨＨＡ－ＴＳＭを、磁気センサに適用できる。

６．その他
上記実施形態では、ＨＨＡ－ＴＳＭを用いたスピン注入源、磁気メモリ、スピンホール発振器、人工ニューロン計算機、及び磁気センサについて説明したが、これらに限定されない。ＨＨＡ－ＴＳＭは、スピンホール材料を用いる他の製品にも適用可能である。例えば、磁気記録デバイスにおいて、第３実施形態に記載のスピンホール発振器が発生するマイクロ波を記録のアシストに利用してもよい。

上記実施形態は、可能な限り組み合わせることができる。

例えば、第３実施形態の第１例～第４例に記載のスピンホール発振器のいずれかと同じ構造あるいは複数の例のスピンホール発振器の構造を複数備え、それらを電気的もしくは磁気的に結合して同期をとることにより構成されたスピンホール発振器であってもよい。

上記実施形態における「接続」とは、間に例えばトランジスタあるいは抵抗等、他の何かを介在させて間接的に接続されている状態も含む。

実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。

１００、２００…ＳＯＴ磁気メモリ
１０１、２０１、４０１、６０１、７０１、８１１…ＭＴＪ素子
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、８１２…スピン注入源
１０３…書き込みトランジスタ
１０４…読み出しトランジスタ
１１１、１１３、２１１、２１３、３０１、３０７、３１１、４１１、４１３、５０１、６１１，６１３、７１１、７１３、８２１、８２３、９０２…強磁性体
１１２、２１２、３１２、４１２、６１２、７１２、８２２…絶縁体
２０３…書き込み／読み出しトランジスタ
３００…磁気メモリ
３０３…読出し部
３０４～３０６、７０４、９０３…導電体
４００、５００、６００、７００、８０１…スピンホール発振器
４０３、５０３、６０３、７０５…磁化駆動用トランジスタ
４０４…ＭＴＪ用電源端子
７０３、８１３…抵抗素子
８００…人工ニューロン
８０２…直流電源
８０３…入力コンデンサ
８０４…交流電源
８０５…ダイオード
８０６…出力コンデンサ
８０７…出力端子
９００…磁気センサ
９０１…検出層
９０４、９０５…電流端子
９０６、９０７…電圧端子
ＭＤ１～ＭＤ４…磁区
ＮＤ１～ＮＤ３…ノード
Ｔ１～Ｔ４…端子

Claims (5)

1. ディラック型の表面状態を有し、スピンホール角が１を超える非磁性のハーフホイスラー合金トポロジカル半金属であるＹＰｔＢｉを含む検出層と、
   前記検出層に接し、前記検出層に接する第１面の面内方向に向いている磁化を有する強磁性体と、
   を備える、
   磁気センサ。
2. 前記強磁性体において、前記第１面に対して垂直方向に電流を流し、前記ＹＰｔＢｉにスピン偏極電流を注入することにより、前記ＹＰｔＢｉの逆スピンホール効果によって前記強磁性体の磁化の向きに依存する電圧を発生する、
   請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記強磁性体は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、及びＧｄの少なくとも１つを含む、
   請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記ＹＰｔＢｉは、（１１１）面の結晶面を有する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
5. 前記ＹＰｔＢｉは、３００℃以上且つ６００℃以下の耐熱性を有する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。