JP4873338B2 - スピン注入デバイス及びこれを用いた磁気装置 - Google Patents

Description

この発明は電子のスピンを制御した機能デバイス、特に超ギガビット大容量・高速・不揮発性磁気メモリに利用し、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転可能にするためのスピン注入デバイスと、これを用いたスピン注入磁気装置並びにスピン注入磁気メモリ装置に関する。

近年、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子および強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなる強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子が開発され、新しい磁界センサーや磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。
ＧＭＲは、外部磁場によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、界面でのスピン依存散乱によって抵抗が互いに異なることに起因して巨大磁気抵抗効果が得られている。一方、ＭＴＪでは、外部磁場によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより，膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が得られる（例えば、非特許文献１参照）。

トンネル磁気抵抗率ＴＭＲは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれＰ１，Ｐ２とすると、一般に次の式（１）で与えられることが知られている。

ＴＭＲ =２Ｐ₁ Ｐ₂ ／（１−Ｐ₁ Ｐ₂ ） （１）
ここで、強磁性体のスピン分極率Ｐは０＜Ｐ≦１の値をとる。

現在、得られている室温における最大のトンネル磁気抵抗率ＴＭＲはＰ〜０．５のＣｏＦｅ合金を用いた場合の約５０パーセントである。
ＧＭＲ素子はすでにハードデイスク用磁気ヘッドに実用化されている。ＭＴＪ素子は現在、ハードデイスク用磁気ヘッドおよび不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。
ＭＲＡＭではＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで、各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、“１”、“０”を記録させる。読み出しはＴＭＲ効果を利用して行う。しかし、ＭＲＡＭでは大容量化のために素子サイズを小さくすると、反磁界の増大により磁化反転に必要な電流が増し、消費電力が増大するという解決すべき課題を抱えている。

このような課題を解決する方法としては、非磁性金属層を介して二つの磁性層が互いに反平行に結合している三層構造（人工反強磁性膜、Synthetic Antiferromagnetit 、以下「ＳｙＡＦ」と記載する。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなＳｙＡＦ構造を用いると反磁界が軽減するため、素子サイズを小さくしても磁化反転に必要な磁場が低減される。
一方、最近、電流磁場を用いない新しいスピン反転法が理論的に提案され（例えば、非特許文献２参照）、実験的にも実現されている（例えば、非特許文献３参照）。

このスピン反転法は、図１５にその原理を示すように、第１の強磁性層６１／非磁性金属層６３／第２の強磁性層６５からなる三層構造において、第２の強磁性層６３から第１の強磁性層６１に電流を流すと、第１の強磁性層６１から非磁性金属層６３を介して第２の強磁性層６５にスピン偏極電子が注入され、第２の強磁性層６５のスピンが反転するというものであり、スピン注入による磁化反転と呼ばれている。

このスピン注入磁化反転は三層構造において、第１の強磁性層６１のスピンが固定されているとすると、第１の強磁性層６１から非磁性金属層６３を経てスピン注入すると、注入した上向きスピン（多数スピン）が第２の強磁性層６５のスピンにトルクを与え、そのスピンを同じ向きにそろえる。したがって、第１の強磁性層６１と第２の強磁性層６５のスピンが平行になる。

一方、電流の向きを逆に与え、第２の強磁性層６５から第１の強磁性層６１にスピン注入すると、第１の強磁性層６１と非磁性金属層６３との界面で下向きスピン（少数スピン）が反射し、反射したスピンが第２の強磁性層６５のスピンにトルクを与え、そのスピンを同じ向き、つまり下向きにそろえようとする。その結果、第１の強磁性層６１と第２の強磁性層６５のスピンは反平行になる。
したがって、この三層構造のスピン注入磁化反転では、電流の向きを変えることによって第１の強磁性層と第２の強磁性層のスピンを平行にしたり反平行にしたりできる。

特開平９−２５１６２１号公報（フロントページ、第１図） T. Miyazaki and N. Tezuka,"Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions",(1995), J. Magn. Magn. Mater. ,L39,p.1231 J. C. Slonczewski,"Current-driven exitation of magneticmultilayer", (1996), J. Magn. Magn. Mater., 15, L1-L7 J. A. Katine, F. J. Albert, R. A. Ruhman, E. B. Myers and D. C. Ralph,"Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-wave Exitation in Co/Cu/Co Pillars", (2000), Phy. Rev. Lett., 84, pp.3149-3152

しかしながら、このようなスピン注入法は将来のナノ構造磁性体のスピン反転法として有望であるが、スピン注入による磁化反転に必要な電流密度が１０⁷ Ａ／ｃｍ² 以上と非常に大きく、これが実用上の解決すべき課題となっていた。

ところが、本発明者らは、非磁性金属層を介して二つの強磁性層が互いに反平行に結合している三層構造に、別に設けた非磁性金属層あるいは絶縁層を介して強磁性層から電流を流すと、より小さな電流密度でスピン注入による磁化反転を起こすことができることを見出した。
さらに、上記三層構造の代りに強磁性自由層及び非磁性層からなる二層構造及び強磁性自由層、非磁性層、強磁性層からなる三層構造を用いても、上記と同様な作用効果が得られることを見出した。

そこで、本発明は、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転することができる、スピン注入デバイスと、このスピン注入デバイスを用いた磁気装置並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明のスピン注入デバイスのうち、請求項１記載の発明は、単層の強磁性層からなり磁化方向が固定されているスピン偏極部とスピン偏極部上に形成され第１の非磁性層からなる注入接合部とを有するスピン注入部と、注入接合部上に形成されるＳｙＡＦと、を備え、ＳｙＡＦは、第１の磁性層と第１の磁性層上に形成される第２の非磁性層と第２の非磁性層上に形成される第２の磁性層とからなり、第１の磁性層と第２の磁性層とは磁化の大きさが異なり、且つ、第２の非磁性層を介して磁気的に反平行に結合しており、第１の非磁性層は、絶縁層からなり、第２の非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ及びＲｈの何れかでなり、ＳｙＡＦの磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、下記式（１）で表され、ＳｙＡＦの上記第１の磁性層と第２の磁性層の磁化は、下記式（１）においてＭ₁ｔ₁とＭ₂ｔ₂との大きさが異なるようにされ、第１の磁性層と第２の磁性層は、単磁区構造とするためにアスペクト比ｋが２以下とされており、スピン偏極部の強磁性層、ＳｙＡＦの第１の磁性層及びＳｙＡＦの第２の磁性層の何れかは、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ ₂ Ｆｅ _x Ｃｒ _1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）からなり、外部磁界を印加しないで、且つ、スピン偏極部と第２の磁性層との間に電流を流してスピン偏極電子を注入することで、第１の磁性層及び第２の磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転する構成とした。
Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／ΔＭ＋Ｃ（ｋ）（ｔ₁＋ｔ₂）ΔＭ／ｗ （１）
ここで、ΔＭ＝（ｔ₁＋ｔ₂）／（Ｍ₁ｔ₁−Ｍ₂ｔ₂）である。
Ｋｕは一軸磁気異方性、Ｃ（ｋ）はアスペクト比ｋに依存する反磁界係数、ｗはＳｙＡＦの幅である。ｔ₁、ｔ₂は、それぞれ第１の磁性層及び第２の磁性層の厚さである。Ｍ₁、Ｍ₂は、それぞれ第１の磁性層及び第２の磁性層の飽和磁化である。

請求項２記載の発明は、上記構成に加え、前記スピン注入部の注入接合部が、トンネル接合可能であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、スピン偏極部と第２の磁性層との間に流す電流が、１ｍＡ以下であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、スピン注入部のスピン偏極部において、強磁性層の第１の非磁性層に接していない面に強磁性層のスピンを固定する反強磁性層がさらに設けられていることを特徴とする、

このような構成のスピン注入デバイスでは、外部磁界を印加しないで、スピン偏極部から注入接合部を介してスピン注入すると、ＳｙＡＦのスピンが反平行状態を維持したまま磁化反転する。したがって、本発明のスピン注入デバイスはより小さな電流密度で磁化反転を起こすことができる。

本発明のスピン注入磁気装置のうち、請求項５記載の発明は、単層の強磁性層からなり磁化方向が固定されているスピン偏極部とスピン偏極部上に形成される第１のトンネル絶縁層からなる注入接合部とを有するスピン注入部と、注入接合部上に形成されるＳｙＡＦと、ＳｙＡＦ上に形成される第２のトンネル絶縁層と、第２のトンネル絶縁層上に形成され磁化がスピン偏極部と同一方向の単層の強磁性固定層と、を備え、ＳｙＡＦは、第１の磁性層と第１の磁性層上に形成される非磁性層と非磁性層上に形成される第２の磁性層とからなり、第１の磁性層と第２の磁性層とは磁化の大きさが異なり、且つ、非磁性層を介して磁気的に反平行に結合しており、ＳｙＡＦの非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ及びＲｈの何れかでなり、ＳｙＡＦの磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、下記式（１）で表され、ＳｙＡＦの第１の磁性層と第２の磁性層の磁化は、下記式（１）においてＭ₁ｔ₁とＭ₂ｔ₂との大きさが異なるようにされ、第１の磁性層と第２の磁性層は、単磁区構造とするためにアスペクト比ｋが２以下とされており、スピン偏極部の強磁性層、ＳｙＡＦの第１の磁性層及びＳｙＡＦの第２の磁性層の何れかは、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ ₂ Ｆｅ _x Ｃｒ _1-x １−ｘＡｌ（０≦ｘ≦１）からなり、外部磁界を印加しないで、且つ、スピン偏極部と強磁性固定層との間に電流を流してスピン偏極電子を注入することで、第１の磁性層及び第２の磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転する構成としたものである。
Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／ΔＭ＋Ｃ（ｋ）（ｔ₁＋ｔ₂）ΔＭ／ｗ （１）
ここで、ΔＭ＝（ｔ₁＋ｔ₂）／（Ｍ₁ｔ₁−Ｍ₂ｔ₂）である。
Ｋｕは一軸磁気異方性、Ｃ（ｋ）はアスペクト比ｋに依存する反磁界係数、ｗはＳｙＡＦの幅である。ｔ₁、ｔ₂は、それぞれ第１の磁性層及び第２の磁性層の厚さである。Ｍ₁、Ｍ₂は、それぞれ第１の磁性層及び第２の磁性層の飽和磁化である。

請求項６記載の発明は、スピン注入部のスピン偏極部において、強磁性層の第１のトンネル絶縁層に接していない面に強磁性層のスピンを固定する反強磁性層が接してさらに設けられていることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、スピン注入部の注入接合部をワード線としたことを特徴とする。

この構成のスピン注入磁気装置では、外部磁界を印加しないでスピン注入するとフリー層の磁化反転が起き、固定層の磁化と平行又は反平行となることによりトンネル磁気抵抗効果が出現する。したがって、本発明のスピン注入磁気装置は、より小さな電流密度でスピン注入によるフリー層の磁化反転を起こすことができる。

本発明のスピン注入デバイスによれば、外部磁界を印加しないで、小さな電流密度で磁化反転を起こすことができるという効果を有する。また本発明のスピン注入磁気装置は、外部磁界を印加しないで、より小さな電流密度でスピン注入によるＭＴＪのフリー層の磁化反転を起こすことができる。
したがって、超ギガビット大容量・高速・不揮発のＭＲＡＭをはじめ種々の磁気装置や磁気メモリ装置に利用可能になる。

以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は本発明のスピン注入デバイスの概念図であり、（ａ）はＳｙＡＦのスピンが下向きの状態、（ｂ）はスピン注入によりＳｙＡＦのスピンが上向きになった状態を示す概念図である。

図１に示すように、本発明のスピン注入デバイス１０は、スピン偏極部９と注入接合部７とを有するスピン注入部１と、反強磁性結合する非磁性層２を介して第１の磁性層４と第２の磁性層６とが三層構造を形成するＳｙＡＦ３とを備え、これらが積層構造を形成する。
まず、本発明に係るＳｙＡＦ３について説明する。
強磁性体が単層膜の磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、一軸磁気異方性Ｋｕ、飽和磁化Ｍｓ，膜厚ｔ、幅ｗを用いて一般に次の式（２）で与えられる。

Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／Ｍｓ＋Ｃ（ｋ）ｔＭｓ／ｗ （２）
ここで、第１項は磁気異方性による項、第２項は反磁界による項である。

一方、同様に単磁区構造をとる場合、二つの強磁性層の膜厚ｔ₁ 、ｔ₂ 、飽和磁化Ｍ₁ 、Ｍ₂ をもつＳｙＡＦの磁化反転磁場は次式（３）で与えられる。

Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／ΔＭ＋Ｃ（ｋ）（ｔ₁ ＋ｔ₂ ）ΔＭ／ｗ （３）
ここで、ΔＭ＝（ｔ₁ ＋ｔ₂ ）／（Ｍ₁ ｔ₁ −Ｍ₂ ｔ₂ ）、ｗはＳｙＡＦの幅である。

上記式（２）及び式（３）において、Ｃ（ｋ）はアスペクト比ｋに依存する反磁界係数であり、ｋが１に近づくほど小さくなり、ｋ＝１ではＣ（ｋ）＝０である。
微小な素子の場合、一般に式（２）、式（３）ともに第２項の方が第１項を上回るので、またΔＭ＜Ｍｓであるから、ｗが同じときＳｙＡＦの方が磁化反転磁場が小さくなる。一方、Ｃ（ｋ）はｋ＝１のときゼロとなるので、磁化反転磁場は式（２）、式（３）の第１項、すなわち磁気異方性によって決定され、素子サイズに依存しなくなる。
しかし、単層膜の場合にはｋが少なくとも２以下では多磁区構造となるため、磁化反転磁場は式（２）では与えられず、その値は、より大きくなるとともに素子サイズに依存する。したがって、単層膜の場合にはｋ≦２の素子は現実的でない。

ところが本発明者らは、本発明に係るＳｙＡＦの場合にはｋ≦２、特にｋ＝１でも単磁区構造になることを見出した。その結果、本発明に係るＳｙＡＦは、より小さな磁化反転磁場を得ることができ、特にｋ＝１の素子では磁化反転磁場は素子サイズに依存しない。本発明はこの発見に基づいており、ＳｙＡＦにスピン偏極電子を注入することで、より小さな電流密度で磁化反転を実現することができる。特に、ｋ＝１の場合にはＣ（ｋ）がゼロになるため、磁化反転磁場が著しく小さくなる。

このような本発明に係るＳｙＡＦ３は、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、非磁性層２を介して第１の磁性層４と第２の磁性層６との二つの磁性層が互いに反平行に磁気結合している三層構造であり、それぞれの膜厚はナノメーターサイズで形成されている。このＳｙＡＦ３にスピン注入部１の非磁性金属層の注入接合部７を介して強磁性層のスピン偏極部９からスピン注入することで、ＳｙＡＦ３の磁化反転を実現する。

非磁性層２はこれを介した両磁性層の磁化を反強磁性結合させる物質であり、この反強非磁性層として、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）が利用可能である。なお、図１（ａ）中、５及び８は電流を流すための端子を示している。強磁性層及び磁性層は導電体であるので電極との兼用ができるが、電極を別に設けて電流を流してもよい。

図１（ｂ）に示すように、本発明に係るＳｙＡＦ３においては、第１の磁性層４のスピンと第２の磁性層６のスピンとが反平行状態を維持したまま磁気的に結合している。すなわち、第１の磁性層４の磁化と第２の磁性層６の磁化とは、大きさの異なる反平行状態の磁化、つまり大きさの異なる反平行状態のスピンを有している。
第１の磁性層４の厚さをｔ₁ 、磁化をＭ₁ とし、第２の磁性層６の厚さをｔ₂ 、磁化をＭ₂ とすると、磁化の大きい方の向き（ｔ₁ Ｍ₁ −ｔ₂ Ｍ₂ ）を図１中の強磁性層９のスピンを示す矢印に対してＳｙＡＦのスピンの向き↑又は↓とすることができる。ＳｙＡＦ３の磁性層４及び磁性層６の反平行磁化の大きさに差異を設けるには、ｔ₁ Ｍ₁ とｔ₂ Ｍ₂ とが異なるようにすればよい。

スピン注入部１は強磁性層からなるスピン偏極部９と非磁性導電層からなる注入接合部７とを積層した構造であり、非磁性導電層の注入接合部７はナノメーターサイズである。ここで、ナノメーターサイズとは電子がその運動量とスピンを保存したまま伝導可能な大きさを意味する。つまり、この注入接合部７はスピン保存伝導可能な大きさである。
金属の場合、電子の平均自由行程は１μｍ以下であり、この１μｍ以下のサイズの素子では、注入されたスピンは緩和することなく他方に流れ込むことができる。
スピン注入部１の注入接合部７は図２に示すように非磁性絶縁層１２であってもよい。この非磁性絶縁層１２はトンネル電流が流れるトンネル接合可能な大きさのナノメーターサイズであり、数ｎｍである。

強磁性層からなるスピン偏極部９は強磁性体であるが、伝導を担うフェルミ面でのアップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なっており、この強磁性層のスピン偏極部９からスピン偏極した電子が非磁性金属層の注入接合部７に流れ込むようになっている。

このような本発明に係るスピン注入デバイスでは、１ミリアンペア（ｍＡ）以下の非常に小さな電流を流して、膜面内垂直方向に強磁性層のスピン偏極部９から非磁性金属層（又は非磁性絶縁層１２）の注入接合部７を介してスピン注入すると、ＳｙＡＦ３の磁性層４のスピンと磁性層６のスピンとが反平行状態を維持したまま磁化反転する。したがって、本発明のスピン注入デバイスでは、より小さな電流密度でスピン注入による磁化反転ができる。これにより電流を流して磁界を印加することなく、微小な電流を流すだけでスピン注入磁化反転ができるので、ロジック、メモリ及びストレージを備えたスピン注入デバイスが実現可能となる。

次に、第２の実施の形態を説明する。図３は本発明のスピン注入デバイスに係る第２の実施形態を示す概略図である。図３を参照すると、この実施形態のものは、スピン偏極部９が反強磁性層２１と強磁性層２３とを有する構造であり、強磁性層２３に反強磁性層２１を近接させることで強磁性層２３のスピンを固定している。また、注入接合部はスピン保存伝導可能な非磁性金属層２５であり、これに代えてトンネル接合可能な絶縁層を用いてもよい。このような構成ではスピン偏極部のスピンを固定してスピン注入し、ＳｙＡＦの磁化反転ができる。

次に、第３の実施の形態を説明する。図４は第３の実施形態のスピン注入デバイスを示す概略図である。図４を参照すると、このスピン注入デバイス１４は、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とからなるスピン偏極部９と、強磁性固定層に接して設けられる注入接合部となる非磁性層７と、非磁性層７上に強磁性フリー層２７及び非磁性層２８からなる二層構造を備えている。
スピン注入部１は、スピン偏極部９と注入接合部７とからなっていて、スピン偏極部９において、強磁性固定層２６に反強磁性層２１を近接させることで強磁性固定層２６のスピンを固定している。
また、注入接合部７はスピン保存伝導可能なＣｕなどの非磁性金属層２５であり、これに代えてトンネル接合可能な絶縁層１２を用いてもよい。

第３実施形態のスピン注入デバイス１４が図３に示したスピン注入デバイスと異なるのは、ＳｙＡＦ３の代りに強磁性フリー層２７及び非磁性層２８を備えていることである。非磁性層２８は強磁性フリー層２７との界面において、多数（マジョリティ）スピンを反射させ、少数（マイノリティ）スピンを透過させるために設けている。したがって、非磁性層２８の膜厚は、少数スピンがスピンを保存したまま動ける距離、すなわちスピン拡散長以内にしておけばよい。
ここで、強磁性フリー層２７としてはＣｏまたはＣｏ合金を用いることができる。非磁性層２８としては、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈが利用可能であり、特にＲｕを用いるのが好適である。また、Ｒｕのスピン拡散長は１４ｎｍであることが知られており、Ｒｕの膜厚は０．１ｎｍ〜２０ｎｍとすればよい。以下、強磁性フリー層２７にＣｏまたはＣｏ合金を用い、非磁性層２８にＲｕを用いるとして説明する。

図５は上記第３の実施形態のスピン注入デバイス１４の磁化反転を説明する模式図である。図５において、強磁性固定層２６から強磁性フリー層２７へ電子が注入されると、多数スピン電子１７が強磁性フリー層２７の磁化を強磁性固定層２６の磁化に揃うようにトルク１８を与える。この際、ＣｏまたはＣｏ合金２７とＲｕ２８の界面においては、多数スピン電子が強く散乱（反射）され、少数スピン電子はあまり散乱を受けない（透過）ことが知られている。
したがって、図５に示すように、ＣｏまたはＣｏ合金２７とＲｕ２８の界面において反射された多数スピン電子１９は、ＣｏまたはＣｏ合金２７の膜厚がスピン伝導が保存される程度に薄ければ、この反射された多数スピン電子１９も強磁性フリー層２７に同様のトルク１８’を与える。これにより、実質的に強磁性フリー層２７のトルクが増大し、強磁性固定層２６の磁化と同じ向きになる。

一方、電流の向きを逆に与え、Ｒｕ層２８からＣｏまたはＣｏ合金２７側に電子を注入すると、多数スピン電子はＣｏまたはＣｏ合金２７とＲｕ２８の界面で反射され、少数スピン電子だけがＣｏまたはＣｏ合金からなる強磁性フリー層２７に注入され、この少数スピン電子が強磁性フリー層２７のスピンにトルクを与え、そのスピンを同じ向き、つまり下向きにそろえようとする。これにより、強磁性フリー層２７の少数スピン電子によるトルクが増大し、強磁性フリー層２７のスピンは強磁性固定層２６の磁化と反平行になる。 このように本発明のスピン注入デバイス１４によれば、非磁性層２８の挿入により、スピン偏極部９のスピンを固定してスピン注入し、強磁性フリー層２７の磁化反転を従来のスピン注入磁化反転よりも低い電流密度で行うことができる。

さらに、第４の実施の形態のスピン注入デバイスを図６を参照して説明する。この実施形態のスピン注入デバイス１６が図４に示したスピン注入デバイス１４と異なるのは、非磁性層２８上にさらに強磁性固定層２９を備えている点にある。他の構成は図４に示すスピン注入デバイス１４と同じであるので説明は省略する。
ここで、強磁性フリー層２７及び強磁性固定層２９は、ＳｙＡＦ３のようにそれらの磁化が反平行とならないように、かつ、スピン保存伝導が生起するように非磁性層２８の膜厚を決めればよい。したがって、強磁性フリー層２７及び強磁性固定層２９としてＣｏまたはＣｏ合金を、非磁性層２８としてＲｕを用いた場合には、Ｒｕの厚さは、ＳｙＡＦ３とならないように、２〜２０ｎｍ程度とすればよい。

次に、上記第４の実施形態のスピン注入デバイス１６の動作について説明する。
図６において、強磁性固定層２６から強磁性フリー層２７へ電子が注入された場合には、第３実施形態のスピン注入デバイス１４と同様に、ＣｏまたはＣｏ合金からなる強磁性フリー層２７の磁化は、強磁性固定層２６の磁化と同じ向きになる。

一方、電流の向きを逆に与えた場合を、図７を参照して説明する。
図７は、第４実施形態のスピン注入デバイス１６の磁化反転を説明する模式図である。図７において、強磁性固定層２９から強磁性フリー層２７へ電子が注入されると、多数スピン電子３７が強磁性固定層２９とＲｕ層２８の界面で強く反射され、強磁性フリー層２７へは到達しない。この際、ＣｏまたはＣｏ合金２７の膜厚がスピン伝導が保存される程度に薄ければ、少数スピン電子３９は散乱を受けないので強磁性フリー層２７に到達し、強磁性フリー層２７のスピンを揃えるようにトルク３８を与える。したがって、強磁性フリー層２７の磁化は、強磁性固定層２６とは反平行となる。これにより、Ｒｕ層２８がない場合よりも、多数スピン電子３７が強磁性フリー層２７に到達しなくなり、より小さい電流密度で磁化反転ができる。
このように、本実施形態のスピン注入デバイス１６によれば、スピン偏極部９のスピンを固定してスピン注入し、ＳｙＡＦ３の代りに用いる強磁性フリー層２７、非磁性層２８，強磁性固定層２９において、強磁性フリー層２７の磁化反転を低電流密度で行うことができる。

上記スピン注入デバイスにおいて、強磁性フリー層２７の磁化反転が起こるとき、強磁性固定層２６の磁化と平行又は反平行となることにより、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とＣｕなどの非磁性金属層２５からなる注入接合部７と強磁性フリー層２７とを含む層構造は、ＣＰＰ型の巨大磁気抵抗効果素子と同じように、巨大磁気抵抗効果が生じる。 また、非磁性層７がトンネル接合可能な絶縁層１２である場合に強磁性フリー層２７の磁化反転が起こると、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とトンネル接合可能な絶縁層１２と強磁性フリー層２７とを含む層構造は、ＣＰＰ型のトンネル磁気抵抗効果素子と同じように、トンネル磁気抵抗効果が生じる。

次に、本発明のスピン注入磁気装置について説明する。図８は本発明のスピン注入磁気装置の概略図である。スピン注入磁気装置３０は、フリー層としたＳｙＡＦ３と、強磁性層３２及び反強磁性層３４からなる固定層３１とが、絶縁層３３でトンネル接合した強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子３６であって、このＭＴＪ素子３６に強磁性層であるフリー層を磁化反転させるためのスピン注入部１を備えている。スピン注入部１は注入接合部をトンネル接合可能な絶縁層１２にしたものである。

このようなスピン注入磁気装置では、強磁性層２３から絶縁層１２を介してＳｙＡＦ３にスピン注入すると、このＳｙＡＦ３の磁化が反転する。このＳｙＡＦ３であるフリー層の磁化が↑又は↓に反転して固定層３１の磁化と平行又は反平行となることにより、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が出現する。したがって、このスピン注入磁気装置３０は、より小さな電流密度でスピン注入によるフリー層の磁化反転を起こすことができる。

上記スピン注入磁気装置において、ＳｙＡＦ３を、図４に示した第３実施形態のスピン注入デバイス１４の強磁性フリー層２７及び強磁性自由層上に設ける非磁性層２８からなる二層構造に代えた構成としてもよい。
また、上記スピン注入磁気装置において、ＳｙＡＦ３を、図６に示した第４実施形態のスピン注入デバイス１６の強磁性フリー層２７、非磁性層２８、非磁性層上に設ける強磁性層２９からなる三層構造に代えた構成としてもよい。

このように本発明のスピン注入磁気装置は、超ギガビット大容量・高速・不揮発メモリに利用可能になる。

このようなスピン注入磁気装置では、フリー層のＳｙＡＦをトンネル接合可能な絶縁膜で挟み又は覆って、このＳｙＡＦに対応する部分のスピン注入部でワード線として結合して微細加工し、固定層側の強磁性層にビット線を連結して微細加工することにより、ＭＲＡＭやスピン注入磁気メモリ装置の基本構造とすることができる。
ここで、フリー層はＳｙＡＦの他には、強磁性フリー層２７及び非磁性層２８からなる二層構造または強磁性フリー層２７、非磁性層２８、非磁性層上に設ける強磁性層２９からなる三層構造を用いることができる。

次に、本発明のスピン注入デバイスやスピン注入磁気装置に用いることができる磁性薄膜について説明する。
図９は、本発明に用いることができる磁性薄膜の断面図である。図９に示すように、磁性薄膜４１は、基板４２上に、室温においてＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３を配設している。ここで、０≦ｘ≦１である。
Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３は、室温で強磁性であり、電気抵抗率が１９０μΩ・ｃｍ程度であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２₁ ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を有している。
さらに、上記Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３を配設した基板を加熱することで、スピン分極率の大きいＬ２₁ 構造のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３が得られやすい。ここで、基板４２上のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上１μｍ以下であればよい。

図１０は、本発明に用い得る磁性薄膜の変形例の断面図である。本発明に用いる磁性薄膜４５は、図９の磁性薄膜４１の構造において、さらに基板４２とＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３との間にバッファー層４４が挿入されている。バッファー層４４を挿入することで、基板４１上のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３の結晶性をさらによくすることができる。

上記磁性薄膜４１，４５に用いる基板４２は、熱酸化Ｓｉ、ガラスなどの多結晶、ＭｇＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＧａＡｓなどの単結晶を用いることができる。また、バッファー層４４としては、Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｂ，Ｎｉ，Ｔａ，ＮｉＦｅなどを用いることができる。
上記Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３の膜厚は、１ｎｍ以上で１μｍ以下であればよい。この膜厚が１ｎｍ未満では実質的に後述するＬ２₁ ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が１μｍを超えるとスピン注入デバイスとしての応用が困難になり好ましくない。

次に、上記構成の磁性薄膜の作用を説明する。
図１１は、磁性薄膜に用いるＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）の構造を模式的に説明する図である。図に示す構造は、ｂｃｃ（体心立方格子）の慣用的単位胞の８倍（格子定数で２倍）の構造を示している。
Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x ＡｌのＬ２₁ 構造においては、図９のＩの位置にＦｅとＣｒが組成比としてＦｅ_x Ｃｒ_1-x （ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置され、IIの位置にＡｌ、III とIVの位置にＣｏが配置される。
また、Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x ＡｌのＢ２構造においては、図９のＩの位置とIIの位置に、ＦｅとＣｒとＡｌが不規則に配列される構造となる。この際、ＦｅとＣｒの組成比は、Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x （ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置される。
さらに、Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x ＡｌのＡ２構造においては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｒおよびＡｌが不規則に置換した構造となる。この際、ＦｅとＣｒの組成比は、Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x （ここで、０≦ｘ≦１）となるように配置される。

次に、上記構成の磁性薄膜４１，４５の磁気的性質を説明する。
上記構成のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜４３は、室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくＬ２₁ ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜が得られる。
さらに、上記構成のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３（ここで、０≦ｘ≦１）は膜厚が数ｎｍ程度の非常に薄い膜においてもＬ２₁ ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造が得られる。
ここで、Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）薄膜のＢ２構造は、従来得られていない特異な物質である。Ｂ２構造は、Ｌ２₁ 構造と類似しているが、異なるのはＬ２₁ 構造では、Ｃｒ（Ｆｅ）とＡｌ原子が規則的に配置しているのに対し、Ｂ２構造は、不規則に配列していることである。また、Ａ２構造は、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｒおよびＡｌが不規則に置換した構造となる。これらの違いはＸ線回折で測定することができる。
上記Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜４３の組成ｘにおいて、０≦ｘ≦０．８の範囲内では、特に、基板を加熱することなくＬ２₁ ，Ｂ２の何れか一つの構造を得ることができる。また、０．８≦ｘ≦１．０では、Ａ２構造が得られる。
また、組成ｘにおいて、０≦ｘ≦１の範囲内で、加熱した基板上のＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜の成膜や、基板を加熱することなく成膜した後の熱処理などにより、Ｌ２₁ またはＢ２構造が得られる。

上記構成の磁性薄膜４１，４５がハーフメタルであることを実験的に明らかにすることは難しいが、定性的にはトンネル接合を有するトンネル磁気抵抗効果素子を作製し、それが１００％を超えるような非常に大きなＴＭＲを示す場合にはハーフメタル的と考えることができる。
絶縁膜の片側にＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜４３を強磁性層として用い、絶縁膜の他方の強磁性層にスピン分極率が０．５のＣｏＦｅ合金を用いてトンネル磁気抵抗効果素子を作製した結果、１００％を超える大きなＴＭＲを得た。

これは（１）式から考えて、Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜４３が、Ｐ＝０．７以上のスピン分極率をもつことを示している。このような大きなＴＭＲを得ることができたのは、Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜３が大きなスピン分極率を有していることのほかに、室温でＬ２₁ ，Ｂ２，Ａ２構造の何れか一つの構造が得られるという発見に基づく。
これにより、磁性薄膜４１，４５によれば、基板を加熱する必要がなく、Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）薄膜４３が１ｎｍ以上の厚みで強磁性特性を得ることができる。これは、表面が酸化したり表面粗さが増大したりすることがなく、トンネル接合の界面をクリーンでかつシャープに作製することができたことにより、大きなスピン分極率とトンネル磁気抵抗効果素子において大きなＴＭＲを得ることができるものと推察される。

上記磁性薄膜４１，４５は、本発明のスピン注入デバイスに用いるＳｙＡＦ３の第１及び第２の磁性層、あるいは、スピン注入部の強磁性層９などに用いることができる。また、磁性薄膜４１，４５は、本発明のスピン注入デバイス１４，１６に用いる反強磁性層２１と強磁性固定層２６とＣｕなどの非磁性金属層２５と強磁性フリー層２８とからなる層構造であるＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子構造や、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とトンネル接合可能な絶縁層１２と強磁性フリー層２８とからなる層構造であるトンネル磁気抵抗効果素子構造に用いることができる。さらに、本発明のスピン注入磁気装置に用いるＭＴＪ素子あるいはトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性層に用いることができる。

次に、実施例１について説明する。実施例１は、図４に示すスピン注入デバイス１４の構造に相当するものである。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を順にスパッタした。
ここで、熱酸化Ｓｉ基板上及びその最上層のＴａとＣｕからなる層は電極となる層である。ＩｒＭｎ層及びＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層は、それぞれ、反強磁性層２１及び強磁性固定層２６からなるスピン偏極部９である。Ｃｕは注入接合部７である。Ｃｏ合金のＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀及びＲｕは非磁性層７のＣｕ上に配設した強磁性フリー層２７及び非磁性層２８である。
次に、この膜を電子ビームリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて微細加工し、図４に示すようなスピン注入デバイス１４を作製した。素子サイズは３００×１００ｎｍ² である。

図１２は室温における実施例１のスピン注入デバイス１４のスピン注入磁化反転を示す図である。図において、横軸は、強磁性フリー層２７から強磁性固定層２６への電流を正方向としたときのスピン注入デバイス電流（ｍＡ）を示し、縦軸はそのときの抵抗（Ω）を示している。最初に、スピン注入デバイス１４に外部磁界Ｈを印加して、反平行状態、すなわち高抵抗の初期状態とした。このときの外部磁界Ｈは、５０Ｏｅ（エルステッド）である（図１２のＡ参照）。
図から明らかなように、Ａに示す微小電流の高抵抗状態から、正の向きにＢで示す約５ｍＡまで電流を流していくと抵抗が急激に減少し、磁化反転していることが分かる。さらに、電流を２０ｍＡまで増加してもこの低抵抗状態が保持されていることが分かる（図１２のＢ〜Ｃ参照）。
次に、電流を減少し、さらに負の方向に印加すると、約−７．５ｍＡまでは低抵抗を保持する（図１２のＣ〜Ｄ参照）。それ以上の負電流を印加すると再び高抵抗状態になり、磁化反転することが分かる（図１２のＥ〜Ｆ参照）。この磁化反転に要する電流密度は、２．４×１０⁷ Ａ／ｃｍ² であり、後述する比較例に比べ約１／１０となった。また、磁気抵抗（ＭＲ）は図示するように０．９７％であり、後述する比較例のスピン反転構造における磁気抵抗と同じ値が得られた。
これにより、実施例１のスピン注入デバイス１４においては、それに流す電流の向きを変えて、強磁性フリー層２７の磁化反転を発現させることで、その抵抗を変化させることができる。

次に、実施例２について説明する。実施例２は、図６に示すスピン注入デバイス１６の構造に相当するものである。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を順にスパッタした。
ここで、熱酸化Ｓｉ基板上及びその最上層のＴａとＣｕからなる層は電極となる層である。ＩｒＭｎ層及びＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層は、それぞれ、反強磁性層２１と強磁性固定層２６とからなるスピン偏極部９である。Ｃｕは注入接合部７である。Ｃｏ合金のＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀，Ｒｕ，Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀は、それぞれ、非磁性層７のＣｕ上に配設した強磁性フリー層２７，非磁性層２８，強磁性層２９である。

実施例２のスピン注入デバイス１６が実施例１のスピン注入デバイス１４と異なるのは、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀２７上のＲｕ２８の膜厚を０．４５ｎｍから６ｎｍと厚くしたことと、強磁性層２９として膜厚５ｎｍのＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀層２９を設けたことである。
次に、実施例１と同じ方法で、素子サイズが１００×１００ｎｍ² のスピン注入デバイス１６を作製した。

図１３は、室温における実施例２のスピン注入デバイス１６のスピン注入磁化反転を示す図である。図において、横軸は、強磁性フリー層２７から強磁性固定層２６への電流を正方向としたときのスピン注入デバイス電流（ｍＡ）を示し、縦軸はそのときの抵抗（Ω）を示している。高抵抗の初期状態とするために印加した外部磁界Ｈは、１５０Ｏｅである。
図から明らかなように、実施例２のスピン注入デバイス１６は、実施例１のスピン注入デバイス１４と同様に電流が±約０．２ｍＡで抵抗が変化し、磁化反転が発現することが分かる。この磁化反転に要する電流密度は１×１０⁶ Ａ／ｃｍ² となった。この値は、実施例１の約１／２４となり、後述する比較例の約１／２００である。また、磁気抵抗は約１％であり、後述する比較例の磁気抵抗（ＭＲ）と同じ値が得られた。このように、非磁性層２８であるＲｕの膜厚を６ｎｍとすることにより、磁化反転に要する電流密度を低くすることができた。

次に、実施例３について説明する。実施例３は、図８に相当する構造に対するものである。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＣｕ（１００ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（３ｎｍ）をまず作製した。次にこの膜の上に厚さ３ｎｍのＳｉＯ₂ をスパッタし、さらにその上にＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１．５ｎｍ）／ＳｉＯ₂ （３ｎｍ）をスパッタした。次に、上部磁性層として、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を成膜した。

この膜の断面を透過型電子顕微鏡を用いて調べた結果、Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１．５ｎｍ）はＳｉＯ₂ 中に一層だけ層状に分散した粒子状をしており、ＳｉＯ₂ を絶縁マトリックスとする二重トンネル構造であることがわかった。この構造に対して、上下のＣｕとＴａ膜間に電圧を印加して電流を流し、そのときの抵抗を電流を変化させて室温で測定した結果、約０．１ｍＡで抵抗の飛びを観測した。これはＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１ｎｍ）／Ｒｕ（０．４５ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（１．５ｎｍ）ＳｙＡＦの磁化反転に伴うＴＭＲの発現によるものであり、スピン注入によって磁化反転したことを意味している。

（比較例）
次に、比較例について説明する。
比較例は、図１５に示す従来のスピン反転法に用いる三層構造の第１の強磁性層６１上にさらに反強磁性層を設けた構造である。すなわち、実施例１のスピン注入デバイス１４においてＲｕ層のない構造として、熱酸化Ｓｉ基板上にＴａ（２ｎｍ）／Ｃｕ（２０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）を順にスパッタした。次に、実施例１と同じ方法で、素子サイズを３００×１００ｎｍ² とした。

図１４は、室温における比較例の（ａ）磁気抵抗曲線と、（ｂ）スピン注入磁化反転を示す図である。図１４（ａ）において、横軸は印加する磁界（Ｏｅ）であり、縦軸は抵抗（Ω）である。素子電流は１ｍＡである。磁気抵抗は、外部磁界が０（図１４（ａ）のＧ参照）からスイープして測定した。
図１４（ａ）から明らかなように、比較例の磁気抵抗（ＭＲ）は１．１％と、従来報告された値と同じ値であることが分かる。また、図１４（ｂ）において、横軸は、第２の強磁性層６３から第１の強磁性層６１へ電流を流した場合を正方向とした電流（ｍＡ）を示し、縦軸はそのときの抵抗（Ω）を示している。図１４（ｂ）から明らかなように、電流がほぼ０から矢印の方向に電流を正から負にすることで、実施例１と同様に磁化反転が発現した（図１４（ｂ）のＫ〜Ｌ参照）。磁気抵抗は０．９８％で、磁化反転に要する電流密度は２．４×１０⁸ Ａ／ｃｍ² であった。

次に、実施例及び比較例の比較について説明する。
実施例においては、磁化反転に要する電流密度が、比較例よりも低下した。特に、実施例２のようにＲｕ層２８の膜厚を２〜２０ｎｍの範囲内とすれば、磁化反転に要する電流密度が１×１０⁶ Ａ／ｃｍ² となり、従来例の１／１０の値に低減化できることが分かった。

本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態のスピン注入デバイスの概念図であり、（ａ）はＳｙＡＦのスピンが下向きの状態、（ｂ）はスピン注入によりＳｙＡＦのスピンが上向きになった状態を示す概念図である。 注入接合部が非磁性絶縁層である第１の実施形態のスピン注入デバイスの概略図である。 本発明のスピン注入デバイスの第２の実施形態を示す概略図である。 本発明のスピン注入デバイスの第３の実施形態を示す概略図である。 第３の実施形態のスピン注入デバイスの磁化反転を説明する模式図である。 本発明のスピン注入デバイスの第４の実施形態を示す概略図である。 第４の実施形態のスピン注入デバイスの磁化反転を説明する模式図である。 本発明のスピン注入磁気装置の概略図である。 本発明に用いることができる磁性薄膜の断面図である。 本発明に用いることができる磁性薄膜の変形例の断面図である。 磁性薄膜に用いるＣｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ（ここで、０≦ｘ≦１）の構造を模式的に説明する図である。 室温における実施例１のスピン注入デバイスのスピン注入磁化反転を示す図である。 室温における実施例２のスピン注入デバイスのスピン注入磁化反転を示す図である。 室温における比較例の（ａ）磁気抵抗曲線と、（ｂ）スピン注入磁化反転を示す図である。 従来のスピン磁化反転の原理を示す概略図である。

符号の説明

１： スピン注入部
２： 非磁性層
３： ＳｙＡＦ
４： 第１の磁性層
６： 第２の磁性層
７： 注入接合部
９： スピン偏極部
１０，１４，１６： スピン注入デバイス
１２： 非磁性絶縁層
１７，３７： 多数スピン電子
１８，１８’，３８： トルク
１９： ＣｏまたはＣｏ合金とＲｕの界面において反射された多数スピン電子
２１： 反強磁性層
２３： 強磁性層
２５： 非磁性金属層
２７： 強磁性自由層
２８： 強磁性自由層上に設ける非磁性層
２９： 非磁性層上に設ける強磁性層
３０： スピン注入磁気装置
３１： 固定層
３２： 強磁性層
３３： 絶縁層
３６： ＭＴＪ素子
３９： 少数スピン電子
４１，４５： 磁性薄膜
４２： 基板
４３： Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌ薄膜
４４： バッファー層

Claims (7)

1. 単層の強磁性層からなり磁化方向が固定されているスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成され第１の非磁性層からなる注入接合部とを有するスピン注入部と、
   上記注入接合部上に形成されるＳｙＡＦと、を備え、
   上記ＳｙＡＦは、第１の磁性層と該第１の磁性層上に形成される第２の非磁性層と該第２の非磁性層上に形成される第２の磁性層とからなり、該第１の磁性層と該第２の磁性層とは磁化の大きさが異なり、且つ、該第２の非磁性層を介して磁気的に反平行に結合しており、
   上記第１の非磁性層は、絶縁層からなり、
   上記第２の非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ及びＲｈの何れかでなり、
   上記ＳｙＡＦの磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、下記式（１）で表され、
   上記ＳｙＡＦの上記第１の磁性層と上記第２の磁性層の磁化は、下記式（１）においてＭ₁ｔ₁とＭ₂ｔ₂との大きさが異なるようにされ、
   上記第１の磁性層と上記第２の磁性層は、単磁区構造とするためにアスペクト比ｋが２以下とされており、
   上記スピン偏極部の強磁性層、上記ＳｙＡＦの第１の磁性層及び上記ＳｙＡＦの第２の磁性層の何れかは、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ ₂ Ｆｅ _x Ｃｒ _1-x Ａｌ（０≦ｘ≦１）からなり、
   外部磁界を印加しないで、且つ、上記スピン偏極部と上記第２の磁性層との間に電流を流してスピン偏極電子を注入することで、上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転する、スピン注入デバイス。
   Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／ΔＭ＋Ｃ（ｋ）（ｔ₁＋ｔ₂）ΔＭ／ｗ （１）
   ここで、ΔＭ＝（ｔ₁＋ｔ₂）／（Ｍ₁ｔ₁−Ｍ₂ｔ₂）である。
   Ｋｕは一軸磁気異方性、Ｃ（ｋ）はアスペクト比ｋに依存する反磁界係数、ｗはＳｙＡＦの幅である。ｔ₁、ｔ₂は、それぞれ上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の厚さである。Ｍ₁、Ｍ₂は、それぞれ上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の飽和磁化である。
2. 前記スピン注入部の注入接合部が、トンネル接合可能であることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入デバイス。
3. 前記スピン偏極部と前記第２の磁性層との間に流す電流が、１ｍＡ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入デバイス。
4. 前記スピン注入部のスピン偏極部において、前記強磁性層の前記第１の非磁性層に接していない面に該強磁性層のスピンを固定する反強磁性層がさらに設けられていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のスピン注入デバイス。
5. 単層の強磁性層からなり磁化方向が固定されているスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成される第１のトンネル絶縁層からなる注入接合部とを有するスピン注入部と、
   上記注入接合部上に形成されるＳｙＡＦと、
   上記ＳｙＡＦ上に形成される第２のトンネル絶縁層と、
   上記第２のトンネル絶縁層上に形成され磁化が上記スピン偏極部と同一方向の単層の強磁性固定層と、を備え、
   上記ＳｙＡＦは、第１の磁性層と該第１の磁性層上に形成される非磁性層と該非磁性層上に形成される第２の磁性層とからなり、該第１の磁性層と該第２の磁性層とは磁化の大きさが異なり、且つ、該非磁性層を介して磁気的に反平行に結合しており、
   上記ＳｙＡＦの非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ及びＲｈの何れかでなり、
   上記ＳｙＡＦの磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、下記式（１）で表され、
   上記ＳｙＡＦの上記第１の磁性層と上記第２の磁性層の磁化は、下記式（１）においてＭ₁ｔ₁とＭ₂ｔ₂との大きさが異なるようにされ、
   上記第１の磁性層と上記第２の磁性層は、単磁区構造とするためにアスペクト比ｋが２以下とされており、
   上記スピン偏極部の強磁性層、上記ＳｙＡＦの第１の磁性層及び上記ＳｙＡＦの第２の磁性層の何れかは、Ｂ２またはＡ２の結晶構造を有しているＣｏ ₂ Ｆｅ _x Ｃｒ _1-x １−ｘＡｌ（０≦ｘ≦１）からなり、
   外部磁界を印加しないで、且つ、上記スピン偏極部と上記強磁性固定層との間に電流を流してスピン偏極電子を注入することで、上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の磁化が反平行状態を維持したまま磁化反転する、スピン注入磁気装置。
   Ｈｓｗ＝２Ｋｕ／ΔＭ＋Ｃ（ｋ）（ｔ₁＋ｔ₂）ΔＭ／ｗ （１）
   ここで、ΔＭ＝（ｔ₁＋ｔ₂）／（Ｍ₁ｔ₁−Ｍ₂ｔ₂）である。
   Ｋｕは一軸磁気異方性、Ｃ（ｋ）はアスペクト比ｋに依存する反磁界係数、ｗはＳｙＡＦの幅である。ｔ₁、ｔ₂は、それぞれ上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の厚さである。Ｍ₁、Ｍ₂は、それぞれ上記第１の磁性層及び上記第２の磁性層の飽和磁化である。
6. 前記スピン注入部のスピン偏極部において、前記強磁性層の前記第１のトンネル絶縁層に接していない面に該強磁性層のスピンを固定する反強磁性層が接してさらに設けられていることを特徴とする、請求項５に記載のスピン注入磁気装置。
7. 前記スピン注入部をワード線としたことを特徴とする、請求項５又は６に記載のスピン注入磁気装置。

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