JP4934582B2 - スピンホール効果素子を用いた磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、スピンホール効果素子を利用した磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気メモリに関するものである。

電子は電気伝導を荷う電荷に加え、磁性を荷うスピン、さらに電子の空間的広がりを意味する軌道の３つの内部自由度をもち、それらの相互作用が物質に新たな特性をもたらすことが明らかになってきた。近年、電子が持っている電荷を活用した半導体デバイスに替わり、従来のエレクトロニクスでは考慮されてこなかった電子の持つ内部自由度を制御して新しい機能を発現させるために、磁性と伝導の相関から得られる電子スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス材料及び素子の開発に注目が集まっている(非特許文献１)。電子スピンやスピン軌道の情報は、空間的には、距離Lとスピンの拡散長λの比に依存し、exp(−L/λ)に従って指数関数的に減衰する。従って、電子スピンやスピン軌道の性質が発揮される空間スケールはスピン拡散長と同程度である制約があるが、微細加工技術の発展に伴い、スピンの拡散長λ程度の磁性ナノ構造系において、スピン注入を用いたトンネル磁気抵抗素子として、スピン注入素子が提案されている（非特許文献２）。

特許文献１には、半導体と、絶縁層（Ａｌ２Ｏ３）と、強磁性層（ＮｉＦｅ）の積層構造において、半導体に磁場あるいは電磁場が印加されたとき、強磁性層から半導体に注入されるスピン分極電子によるホール電圧を検出する発明が開示されている。

米国特許第６４０３９９９号明細書 Spin Dependent Transport in Magnetic Nanostructures, edited by S. Maekawa and T.Shinjo (Taylor Francis, New York, 2002). F. E. Jedema et al., "Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｉｎ ａ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ"， 2002， Ｎａｔｕｒｅ，Vol. 416， ｐ． 713

上述の非特許文献２に記載されている素子は、金属や半導体に外部磁界を印加したときに、その抵抗が変化する磁気抵抗効果に基づくものである。より大きな磁気抵抗を得るために、ＧＭＲ効果素子では強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる積層構造を、ＴＭＲ素子では強磁性層／絶縁体層／強磁性層の順に積層した積層構造を有している。この磁性多層膜構造においては、メモリ、センサ利用上、信号としての読み出し経路中に複数の磁性層が存在するため、磁性層の磁化の熱揺らぎが引き起こすマグノイズの影響が増大し、感度向上を困難にする原因であった。

特許文献１には、強磁性層から半導体に注入されるスピン分極電子によるホール電圧を検出する方法についての記載はあるが、外部磁場により強磁性層が磁化された向きを検出するための構成あるいは方法についての開示はない。

本発明の目的は、スピンホール効果素子の強磁性層を一層にすることにより熱揺らぎを低減し、高感度な信号検出を実現する磁気センサを提供することである。
本発明の他の目的は、スピンホール効果素子を用いて外部磁場の方向を信号として検出する磁気ヘッドを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、スピンホール効果素子の強磁性層の磁化方向を反転させることにより信号を記録する磁気メモリを提供することである。

まず、スピンホール効果の原理について説明する。非磁性金属や半導体に電荷電流を流すと、スピン・軌道相互作用によって上向き電子と下向き電子が非磁性体中で逆方向に曲げられるスピンホール効果が生じる。この結果、スピンの向きと電流方向のなす平面の法線方向にスピン流が発生し、非磁性金属や半導体の試料端にスピン蓄積をもたらす（電荷電流誘起スピンホール効果）。本発明は、このような電荷電流を誘起するスピンホール効果素子を用いて、以下のような磁気センサ、磁気ヘッド、磁気メモリを構成する。

本発明の代表的な磁気センサは、非磁性体スピンホール効果層，非磁性絶縁体層，強磁性層が積層された積層膜と、非磁性体スピンホール効果層の側面に接続された非磁性体端子対と、積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段とを備え、非磁性体スピンホール効果層の厚みは、非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の２倍よりも薄く、外部磁場により磁化された強磁性層の磁化の向きを、非磁性体端子対の両端に生じる電圧の極性によって検出することを特徴とする。

本発明の代表的な磁気ヘッドは、非磁性体スピンホール効果層，非磁性絶縁体層，強磁性層が積層された積層膜と、非磁性体スピンホール効果層の側面に接続された非磁性体端子対と、積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段と、積層膜の両側面に設けられた磁気シールドとを備え、非磁性体スピンホール効果層の厚みは、非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の２倍よりも薄く、強磁性層の磁化の向きを非磁性体端子対の両端に生じる電圧の極性によって検出することにより、強磁性層に印加された外部磁場の方向を検出することを特徴とする。

本発明の代表的な磁気メモリは、非磁性体スピンホール効果層，非磁性絶縁体層，磁性層が積層された積層膜と、非磁性体スピンホール効果層の側面に接続された非磁性体端子対と、積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段と、非磁性体端子対間に電流を印加する手段とを備え、非磁性体スピンホール効果層の厚みは、非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の２倍よりも薄く、非磁性体端子対間に印加する電流の極性によって、前記強磁性層の磁化の向きを反転させることを特徴とする。

上記構成によれば、スピンホール効果をもたらすスピン・軌道相互作用の強い非磁性材料からなるスピンホール効果層を用いることで、スピン蓄積による検出の代わりに電荷蓄積による検出ができ、また、一層の強磁性層により非磁性体スピンホール効果層へのスピン注入が可能となる。したがって、従来よりも熱揺らぎが低減し、高感度な信号検出を実現することができる。

まず、本発明におけるスピンホール効果素子の構成及び作用を説明する。図３(a)に示されるように、スピンホール効果素子５０は、強磁性層１１と非磁性体スピンホール効果層１３が、非磁性絶縁体中間層１２を介して接した積層膜で構成される。非磁性体スピンホール効果層１３は、図３(b)の素子立体図に示されるように、その相対する２つの側面において非磁性体端子（電極端子）１４１及び１４２と接する構造を備えるものである。電極端子１４１及び１４２は非磁性体スピンホール効果層１３とオーミック接続されているが、図４(a)に示すように電極端子１４１及び１４２を絶縁体等の高抵抗膜１４１１及び１４２１を用いたトンネル接合を介して接触させる構造を備えたスピンホール効果素子５１を用いることで最終的な出力を高めることが可能である。また、積層膜の形状は図３に限らず、図４(b)、及び図４(c)のように非磁性体スピンホール効果層１３の長さが強磁性層１１及び非磁性絶縁体中間層１２の長さと異なっても良い。

また、スピン流は、距離Lとスピンの拡散長λに関してexp(−L/λ)に従って指数関数的に減衰するため、λの２倍より長い距離では、スピン流は1/3より小さくなる。本発明におけるスピンホール効果素子５０，５１，５０１，５１１においては、スピンホール効果層となる非磁性体１３の厚みは、非磁性体１３を構成する材料のスピン拡散長λの２倍よりも薄いことを特徴とする。

さらに、従来の強磁性固定層を用いたスピントロニクス技術においては、ターゲットとする強磁性層に加えて、読み出し及び書き込み動作を遂行するための別の強磁性層を必要とする。このため、磁化の熱揺らぎに起因するマグノイズの発生源が２箇所以上存在することになる。マグノイズの低減のためには、素子構成要素としての強磁性層を可能な限り減らすことが望ましい。そこで、本発明におけるスピンホール効果素子においては、強磁性層が１箇所（１層）のみで構成されるものである。

本発明におけるスピンホール効果素子において、強磁性層１１を構成する材料は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ、Ｍｎあるいは、これらの元素を少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物からなる材料によってなる。また、非磁性絶縁体中間層１２は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ，ＳｉＯ_２，ＨｆＯ_２、Ｚｒ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜である。好ましくは、強磁性層１１にＣｏＦｅＢを、非磁性絶縁体中間層１２にＭｇＯを用いる。

金属においては、スピンホール効果を引き起こすスピン軌道相互作用ハミルトニアンは、原子番号Ｚ、軌道角運動量ベクトルΙ、スピンｓを用いて次の式（１）で表される。

ここで、m_eは電子の質量、μ₀ は真空の透磁率、ｈはディラック定数、eは電気素量を表す。式（１）が示すように、スピン軌道相互作用は原子番号に比例する。従って、強いスピン軌道相互作用による顕著な電荷蓄積効果を実現するためには、原子番号の大きな非磁性体を材料に用いることが必要となる。また、金属のスピン拡散長が0.1〜0.01μｍであるのに対し、半導体においては、スピン拡散長λが１μｍ程度にもなり、スピン偏極がマクロスケールにわたって保たれることが知られている。このことは、スピンホール効果層の厚みに関して許容範囲を広げられるメリットがある。さらに、不純物のない半導体におけるスピンホール効果においては、普遍的なスピンホール伝導度が存在することが理論的に示されており、しかも、ゼロギャップ半導体(HgTe,HgSe等)，ナローギャップ半導体(PbTe,PbSe,PbS等)においては、ドープしない縦方向の電気伝導度がゼロでもスピンホール効果が現れることが報告されている。従って、クリーンな半導体においては、スピンホール係数が著しく増大する。

本発明のスピンホール素子において、スピンホール効果層となる非磁性体１３には、配線（ビット線、ワード線を含む）に用いられるＣｕより大きな原子番号を有する非磁性体、または、以下の化合物半導体、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）、アルミニウム砒素（AlAs）、インジウムガリウム砒素（InGaAs）、インジウムガリウム窒素−ガリウム窒素超格子（InGaN/GaN）、テルル化水銀（HgTe）、セレン化水銀（HgSe）、β-硫化水素（β-HgS）、α鈴（α-Sn）、テルル化鉛（PbTe）、セレン化鉛（PbSe）、 硫化鉛（PbS）、または、ガリウム砒素系半導体（GaAs-based semiconductor）が用いられる。また、非磁性体スピンホール効果層１３の厚みは、金属を用いた場合は、金属のスピン拡散長である0.1〜0.01μｍの２倍（0.2〜0.02μｍ）よりも薄く、半導体を用いた場合は、半導体のスピン拡散長である約１μｍの２倍（約２μｍ）よりも薄く形成される。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。
＜実施例１＞
図１(a)に上記スピンホール素子を用いた、実施例１による磁気センサの構成を示す。実施例１による磁気センサ１００においては、スピンホール効果層となる非磁性体１３には、不純物のない半導体、ゼロギャップ半導体、またはナローギャップ半導体を用いる。また、磁気センサ１００は、強磁性層１１から非磁性体スピンホール効果層１３に注入されたスピン流の電荷蓄積を利用した磁化検出機能を有する。

図１(a)に示すように、スピンホール効果素子５０の積層膜に、膜厚方向に電流を印加する電流源１６1を接続し、強磁性層１１から非磁性体スピンホール効果層１３へと電流を流す。また、２つ電極端子１４１及び１４２間に誘起される電圧を電圧計１８により検出する。図１(b)は図１(a)で示した外部回路との接続によるスピン流の振る舞いを示す。点線の矢印は白丸で示す電子２２の流れる向きをそれぞれ表し、電子２２に付随する矢印はスピンの向きを表す。また、太い矢印２１は強磁性層１１の磁化の向きを表す。膜厚方向に電流を流すことにより、強磁性層１１の磁化方向にスピンの量子化軸が揃った電子が絶縁体層１２を通ってスピンホール効果層である非磁性体１３に流入する。流入した電子２２はスピンホール効果により、量子化軸の向き（+ｙ-方向）と流入方向（＋ｚ-方向）で構成される平面（ｙｚ-平面）の法線方向（＋ｘ-方向）に曲げられる。この結果、電子は電極端子１４１の端に蓄積し、電極端子１４１及び１４２間に電圧が誘起される。強磁性層１１の磁化極性が逆になると、非磁性体スピンホール効果層１３中で電子は逆向きに曲げられる。その結果、電極端子１４１及び１４２間に誘起される電圧の極性も逆になる。これにより、強磁性層１１における磁化の向きを検出できる。また、図４(a)のように電極端子１４１及び１４２と非磁性体スピンホール効果層１３の接合を高抵抗膜1411及び1421によるトンネル接合とすることで、電極端子１４１及び１４２間に誘起される電圧がより高出力となる。

図２(ｂ)は、磁気センサ１００を構成するスピンホール効果素子５０の電気化学ポテンシャル(ECP)のx方向分布を示すシミュレーション結果である。具体的には、図２(a)に示すように座標を入れたときに、+y-方向に磁化された幅100nm,長さ100nm,厚さ20nmのパーマロイ膜(Py)１１から幅100nm,長さ100nm,厚さ40nm酸化マグネシウム膜１２を介した100nm×100nmの接合面を通して、0.11μＡ/ｃｍ^２ のスピン流４０を注入した場合の幅100nm,長さ100nm,厚さ20nmの銅(Cu)電極端子１４１及び１４２をx方向の両側面に接合した幅100nm,長さ100nm,厚さ20nmのプラチナ膜(Pt)１３における電気化学ポテンシャル(ECP)のx方向分布を示すシミュレーション結果である。ECPは電圧に対応する。

シミュレーションは絶対零度（Ｔ＝０Ｋ）における結果であり、系の温度依存性は磁性体、非磁性体のスピン拡散長を通じて考慮される。つまり、Py、Pt、Cuのスピン拡散長は、それぞれ低温で見積もられた値、30nm, 14nm, 500nmとした。Pt層１３におけるスピンホール効果が誘起した電荷蓄積によって、Cu電極端子１４１と１４２間に0.16μＶの電位差が誘起される。またCu電極端子１４１及び１４２との接合にアモルファスアルミナ（AlOx）1411及び1421を介したトンネル接合を用いると、Cu電極端子１４１と１４２間の出力電圧は、Cu/Ptの抵抗をR_Cu／Pt及びAlOxの抵抗R_AlOをとした場合、約R_AlO/R_Cu倍となる。

サイエンス、297巻、234ページによると、AlOx膜の膜厚を１２オングストロームから２４オングストロームに変化させることで、AlOx膜のトンネル抵抗の抵抗面積RAが100Ωμｍ^２から７×10^７Ωμｍ^２まで変化することが報告されている。シミュレーションにおけるプラチナ膜１３とCu電極端子またはAlOx膜との接合面積S_Ａは20ｎｍ×100ｎｍであり、１２オングストロームの厚さ分のAlOx膜の抵抗は5×10^４Ω、Cuの抵抗は1.26×10^−３Ω、２４オングストロームのAlOx膜の抵抗は3.5×10^１０Ω、Cuの抵抗は2.52×10^−２Ωとなる。従って、１２オングストロームのAlOx膜を用いてトンネル接合を形成することにより、R_AlO/R_Cu〜2×10^６となり高出力の信号検出が可能となる。

上記のとおり、実施例１の磁気センサによれば、一層の強磁性層により非磁性体スピンホール効果層へのスピン注入が可能となる。したがって、従来よりも熱揺らぎが低減し、高感度な信号検出を実現することができる。

＜実施例２＞
図５(a)に、図４(a)のスピンホール効果素子５１を適用した、実施例２による垂直媒体の磁区境界を検知する磁気再生ヘッドの構成例を示す。磁気再生ヘッド（磁気ヘッド）２００は、基板及び下地材料等からなる基体１０１上に、幅100nm,長さ100nm,厚さ40nmの非磁性Pt層１３が形成され、その上に幅100nm,長さ100nm,厚さ60nmの非磁性絶縁体MgO層１２を介して幅100nm,長さ100nm,厚さ40nmの強磁性CoFe層１１が形成されている。Pt層１３の側面には、幅100nm,長さ100nm,厚さ40nmの銅(Cu)電極端子１４１及び１４２がアモルファスアルミナ（AlOx）1411及び1421を介したトンネル接合により形成されている。シールド６１は、Cu電極端子間方向に平行で、かつ、媒体３１の磁区の境界に平行に、CoFe/MgO/Pt積層膜の側面に形成されている。強磁性CoFe層１１は、図５(b)及び図５(c)に示すように、垂直磁気媒体３１表面に近い位置に積層膜上面に対面するように配置される。図５(b)及び図５(c)では、説明を簡単にするために、シールド６１及び基体１０１は省いてある。図５(b)中の記号３２及び図５(c)中の矢印３２は同一で、磁区境界に発生する漏れ磁場の向きを示す。また、図５(c)中の矢印３３は垂直媒体３１の磁区の磁化の向きを、図５(b)中の記号２１及び図５(c)中の矢印２１は同一で、磁化された強磁性ＣｏＦｅ層１１の磁化の向きを示す。媒体３１の磁区境界を強磁性CoFe層１１で積層膜上面より検知し、磁化された強磁性CoFe層１１を非磁性Pt層１３における電荷蓄積により検出する。

図６に、図４(c)のスピンホール効果素子５１１を適用した垂直媒体の磁区境界を検知する磁気ヘッド２００の別の構成例を示す。基板及び下地材料等からなる基体１０１上に、幅500nm,長さ700nm,厚さ100nmの非磁性半導体GaAs層１３が形成され、その上に幅500nm,長さ500nm,厚さ１0nmの非磁性絶縁体MgO層１２を介して幅500nm,長さ500nm,厚さ40nmの強磁性CoFeB層１１が形成されている。GaAs層１３の側面には、幅500nm,長さ300nm,厚さ100nmの銅(Cu)電極端子１４１及び１４２がアモルファスアルミナ（AlOx）1411及び1421を介したトンネル接合により形成されている。シールド６１はCoFeB/MgO/GaAs積層膜の側面に沿って、Cu電極端子間方向に平行で、かつ、媒体３１の磁区の境界に平行に形成されている。強磁性CoFeB層１１は、図６(b)及び図６(c)に示すように、垂直磁気媒体３１表面に近い位置に積層膜側面が媒体３１と対面するよう配置される。説明の簡単化ために、シールド６１及び基体１０１は省いてある。図６(b)中の記号３２、及び、図６(c)中の矢印３２は同一で、磁区境界に発生する漏れ磁場の向きを、図６(c)中の矢印３３は垂直媒体の磁区の磁化の向きを示す。また、図６(b)中の記号２１及び図６(c)中の矢印２１は同一で、磁化された強磁性CoFeB層１１の磁化の向きを示す。媒体３１の磁区境界の漏れ磁場を強磁性CoFeB層１１が積層膜側面から検知し、強磁性CoFeB層１１の磁化を非磁性GaAs層１３における電荷蓄積により検出する。

図７に、図４(b)のスピンホール効果素子５０１を適用した、垂直媒体の磁化の向きを直接検知する磁気ヘッド２００のさらに別の構成例を示す。基板及び下地材料等からなる基体１０１上に、幅200nm,長さ500nm,厚さ10nmの非磁性Au層１３が形成され、その上に幅200nm,長さ300nm,厚さ20nmの非磁性絶縁体MgO層１２を介して幅200nm,長さ300nm,厚さ20nmの強磁性FePt層１１が形成されている。Au層１３の側面には、幅200nm,長さ300nm,厚さ10nmの銅(Cu)電極１４１及び１４２が形成されている。シールド６１は、Cu電極端子間方向に垂直に、かつ、媒体３１の磁区の境界に平行にFePt /MgO/Au積層膜の側面に沿って形成されている。強磁性FePt層１１は、図７(b)及び図７(c)に示すように、垂直磁気媒体３１表面に近い位置に積層膜側面が媒体３１と対面し、Cu電極端子間は媒体の磁区の並ぶ方向と平行になるよう配置される。説明の簡単化ために、シールド６１及び基体１０１は省いてある。図７(b)中の矢印付記号３３及び図７(c)中の矢印３３は同一で、垂直媒体の磁区の磁化の向きを示す。また、図７(b)中の記号２１及び図７(c)中の矢印２１は同一で、磁化された強磁性FePt層１１の磁化の向きを示す。媒体３１の磁化を直接強磁性FePt層１１が積層膜側面から検知し、強磁性HePt層１１の磁化を非磁性Au層１３における電荷蓄積により検出する。

図８に、上記実施例２による磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置の概略構成を示す。磁気ディスク装置は、同心円状のトラックを有する磁気ディスク1601と、磁気ディスク1601を回転軸1602によって支持し、回転させる駆動用モータ1603と、磁気ディスク1601に対してデータの記録あるいは再生を行う磁気ヘッド1610を搭載するスライダ1606と、スライダ1606を支持し、磁気ヘッド1610を磁気ディスク1601上の所定トラックへ移動させるアクチュエータ手段1611と、磁気ヘッド1610が読み取り／書き込みするデータの送受信を行うデータ再生／複合系1613とアクチェータ手段1611および駆動用モータ1603を制御する制御手段1614を含む制御部1612とで構成される。磁気ヘッド1610は再生ヘッドとして上記実施例２による磁気再生ヘッド２００を含んでいる。

磁気ディスク1601が回転すると同時に、スライダ1606がディスク表面を移動することによって、目的とするデータが記録されている所定トラック位置へアクセスされる。スライダ1606は、サスペンション1607によってアーム1608に取り付けられる。サスペンション1607はわずかな弾力性を有し、スライダ1606を磁気ディスク1601に密着させる。アーム1608はアクチュエータ1611に取り付けられている。アクチュエータ1611は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）で構成されている。ＶＣＭ1611は固定された磁界中に置かれた移動可能なコイルからなり、コイルの移動方向及び移動速度等は、制御手段1614からライン1604を介して与えられる電気信号によって制御される。

磁気ディスク装置の動作中、磁気ディスク1601の回転によってスライダ1606とディスク表面の間に空気流によるエアベアリングが生じ、それがスライダ1606を磁気ディスク1601の表面から浮上させる。従って、磁気ディスク装置の動作中、エアベアリングはサスペンション1607のわずかな弾性力とバランスをとり、スライダ1606は磁気ディスク表面にふれずに、かつ磁気ディスク1601と一定間隔を保って浮上するように維持される。通常、制御手段1612はロジック回路、メモリ、及びマイクロプロセッサなどから構成される。そして、制御手段1612は、各ラインを介して制御信号を送受信し、かつ磁気ディスク装置の種々の構成手段を制御する。例えば、モータ1603はライン1605を介し伝達されるモータ駆動信号によって制御される。アクチュエータ1611はライン1604を介したヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって、その関連する磁気ディスク1601上の目的とするデータトラックへ選択されたスライダ1606を最適に移動、位置決めするように制御される。そして、データ再生／複合系1613は、磁気ヘッド1610が磁気ディスク1601のデータを読み取り変換した電気信号を、ライン1609を介して受信し解読する。また、磁気ディスク1601にデータとして書き込むための電気信号を、ライン1609を介して磁気ヘッド1610に送信する。すなわち、データ再生／複合系1613は、磁気ヘッド1610が読み取りまたは書き込みする情報の送受信を制御している。

なお、上記の読み取り、書き込み信号は、磁気ヘッド1610から直接伝達される手段も可能である。また、制御信号として例えばアクセス制御信号及びクロック信号などがある。更に、磁気ディスク装置は複数の磁気ディスクやアクチュエータ等を有し、アクチュエータが複数の磁気ヘッドを有してもよい。また、媒体は図に示されるように円盤型の磁気媒体が回転し、磁気ヘッドがアクセスするタイプ以外に、固定した媒体上に多数の磁気ヘッドが同時並行にスキャンするような機構のものも同様に有効である。このような複数の機構を兼ね備えることによって、いわゆるディスクアレイ装置を形成することが可能である。

＜実施例３＞
図９(a)に、図３(a)に示したスピンホール効果素子５０を用いた、実施例３による磁気メモリ素子の基本構成を示す。磁気メモリ素子３００は、非磁性体スピンホール効果層１３に印加された電荷流に基づく強磁性層１１へのスピン注入機能を有する。図９(a)に示すように、スピンホール効果素子５０の積層膜において、電極端子１４１から電極端子１４２に電流を印加する電流源１６２を接続し、電極端子１４1から非磁性体スピンホール効果層１３へと電流を流す。

図９(b)は図９(a)で示した外部回路との接続によるスピン流の振る舞いを示す。点線の矢印は白丸で示す電子２２の流れる向きをそれぞれ表し、電子２２に付随する矢印はスピンの向きを表す。また、太い矢印２１は強磁性層１１の磁化の向きを表す。電流源１６２より非磁性体スピンホール効果層１３に電流を印加すると電子は＋x方向に流れる。電子２２及び２３はスピンホール効果により、スピンの量子化軸（スピンの向き）と電子の流れる方向のなす平面の法線方向に曲げられる。この結果、アップスピンを付随する電子とダウンスピンを付随する電子は逆方向に曲げられることになる。スピンホール効果では、電子の流れる方向成分（x方向成分）は仕事をしないので、量子化軸が面内にある場合y方向成分のみを考慮すればよいことになる。面内に量子化軸を持つと考えて、図９(b)においてスピンの向きが±y方向とすると、アップスピン電子（＋y方向）とダウンスピン電子（−y方向）は、ｚ方向に関して逆向きにその流れが曲げられ、アップスピン電子（＋y方向）のみが＋z方向に流れる。

その結果、アップスピン電子が非磁性絶縁体層１２を通って強磁性層１１に流入する。強磁性層１１に流入したアップスピン電子（＋y方向）は、強磁性層１１における局在電子のスピンの向きをトルク移送によって＋y方向に回転させる。この結果、図９(b)の太い矢印２１に示すように、太い白抜き矢印から黒矢印へと強磁性層１１における磁化の向きを＋y方向に磁化を揃える。一方、電極端子１４１と１４２の間の電圧極性が逆になると、非磁性体スピンホール効果層１３中で電子は逆向きに曲げられ、ダウンスピン電子の強磁性層１１への流入が起こり、強磁性層１１における磁化の向きを−y方向に揃える。これにより、電流印加による強磁性層１１への±y方向に磁化の書き込みが可能となる。

図１０(a)は、磁気メモリ素子３００を構成するスピンホール効果素子５０における、アップスピンとダウンスピンの電気化学ポテンシャルの差（ΔECP）のz方向分布を示すシミュレーション結果である。図１０(b)は磁気メモリ素子３００の断面図である。この磁気メモリ素子３００は、スパッタ装置を用いて、MgO(001) 単結晶基板上にPy（20nm）/MgO（40nm）/Pt（20nm）積層膜を成膜して形成される。この積層膜を電子線リソグラフィ技術により幅100nm,長さ100nmに成型し、幅100nm,長さ100nm,厚さ20nmのCu電極端子１４１及びCu電極端子１４２をPt層１３の側面に接続する。スピンホール効果素子５０について、図１０(b)に示すように座標を入れたときに、電極端子１４１から電極端子１４２に100μAの電流４１を印加すると、図１０(a)に示すように、積層膜において、アップスピンとダウンスピンの電気化学ポテンシャルの差（ΔECP）のz方向分布が見られる。ΔECPの傾きはPy層１１に流入するスピン流の大きさに比例する。MgO層１２を通してPy層１１に、平均して3.84×10^７A/cm² のスピン流が注入されることを示している。Pt層１３に印加された電荷流がスピンホール効果によって強磁性Py層１１へのスピン注入を誘起することがわかる。また、フィジカル・レビュー・レターズ、９６巻、０３７２０１-1−０３７２０１-4頁（２００６）に開示されるように「非局所スピンバルブ」と呼ばれるデバイス構造を用い、スピン流のみによるスピントルク磁化反転が試みられているが、そのときの臨界電流密度の値は、スピン流を運ぶ非磁性体部分で約２×10^７A/cm2程度になっており、シミュレーション結果から得られたスピン流の値と比較すると、Py層１１へのスピン注入によってPy層１１の磁化の向きを＋y方向に書き換えることが可能である。

次に、積層膜の上面及び下面と接触する電極端子を外部に設け、+y-方向に磁化されている積層膜の膜厚方向にPy層からPt層へ、0.55μＡ/ｃｍ^２ のセンス電流を印加する。Py層におけるスピン偏極率を0.2として、図２(a)のように0.11μＡ/ｃｍ^２のスピン流４０がPt層に注入される。図２(b)に示した電極端子１４１及び１４２を含めたPt層１３におけるECPのx方向分布を示すシミュレーション結果の通り、電極端子１４1と１４２間に0.16μＶの電位差が誘起される。

デバイスの寸法は、上記した値に限るものではない。電荷蓄積領域であるPt層はスピン拡散長が20nmなので、デバイス寸法がその値の２倍より小さい範囲であれば、比較的効率よくスピン流を運ぶことができる。また、スピンホール効果層に異なる材料を用いた場合でも、その材料のスピン拡散長の２倍より小さいデバイス寸法とすれば効果は同じである。強磁性層は、そのスピン拡散長より大きなデバイス寸法とすれば、より効果的なスピンの注入、吸出しを行うことができる。また、トンネル障壁の材料にMgO絶縁体を用いた場合、整合界面を形成するという観点から強磁性層はCoFeおよびCoFeBが好ましい。

次に、図１１を参照して、図１０に示した磁気メモリ素子をX-Yマトリクス状に配列した例として縦２列、横２列の場合の固体メモリについて説明する。図１１では、ビットライン310₁、ビットライン310₂と、ワードライン311₁、ワードライン311₂、ワードライン312₁、ワードライン312₂、ワードライン313₁、ワードライン313₂との交点に図１０に記載の磁気メモリ素子が配置されている。ワードラインは一つのメモリ素子に対し３つ設けられている。318はビットラインのデコーダ、319はワードラインのデコーダである。デコーダ318および319が書き込みあるいは読み出しのアドレス指定に対応して、ビットラインおよびワードラインの一つが選択され、ゲートが開きソースから磁気メモリ素子300に電流が供給される。なお、ワードラインはMOS-FET317のゲートの開閉により、データライン314に選択的に接続される。315は電源線である。

最初に磁気メモリ素子300₁₁の書き込みを例にとる。まず、書き込みアドレスを指定する318のデコーダにより、ビットライン310₁に通電し、電極１４１付近のゲートを開く。書き込みアドレスを指定する319₂のデコーダにより316₁₁、316₁₂のいずれかのゲートを開くことにより、第１のワードライン311_１は正、負バイアスの２本の電源線315₁、315₂いずれかに接続される。正バイアスの電源線315₁を選択した時は317₁₁のゲートを、負バイアスの電源線315₂を選択した時は317₁₃のゲートを開き、逆バイアスの電源線と第２のワードライン312_１の接続を行う。

次に磁気メモリ素子300₁₁の読み出しを例にとる。非磁性体スピンホール効果層１３は接地されているので、読み出しアドレスを指定する319₂のデコーダにより320₁のゲートを開くことにより電源線315₂に接続される。読み出しアドレスを指定する318のデコーダにより、ビットライン310₁に通電し、電極１４１付近のゲートを開く。読み出しアドレスを指定する319₁のデコーダにより317₁₂のゲートを開くことにより、データライン314に接続された抵抗を読み出す。

図１２は、図１０(a)の磁気メモリ素子をシリコン基板上に実装した例を示す模式図である。シリコン基板120の上に、MOS−FETを形成する。図中の111、112はそれぞれMOS−FETのソース、ドレインである。第１のワードライン312、MOS−FETの酸化膜113、ドレインへの配線114を作成する。図中の310はビットラインを表す。強磁性層１１、非磁性中間層１２、非磁性スピンホール効果層１３、電極端子１４１及び１４２、第２のワードライン312、第３のワードライン313を形成する。これらはすべて半導体分野で常用されるリソグラフィ技術により形成する。ビットライン310と、第１のワードライン311、第２のワードライン312、第３のワードライン313とはX-Yマトリクス状に形成される。図１２は１メモリ素子のみを示すが、これがX-Yマトリクス状にシリコン基板120上に形成される。ビットライン、ワードラインの配線材料にはCuを用いた。

実施例１による磁気センサを示す図であり、(a)は磁気センサの構成図、(b)はスピンホール効果素子部分の斜視図である。 実施例１による磁気センサのスピンホール効果による電荷蓄積のシミュレーション結果を示す図であり、(a)は計算対象の模式図、(b)はx方向の電気化学ポテンシャルの空間分布を示す図である。 本発明に係るスピンホール効果素子の基本構造を示す図であり、(a)は平面構造図、(b)はその斜視図である。 本発明に係るスピンホール効果素子の他の例を示す平面構造図である。 実施例２による磁気再生ヘッドの構成例を示す図であり、(a)はヘッド部分の斜視図、(b)は記録媒体を含めた断面図、(c)はその斜視図である。 磁気再生ヘッドの他の構成例を示す図であり、(a)はヘッド部分の斜視図、(b)は記録媒体を含めた断面図、(c)はその斜視図である。 磁気再生ヘッドの他の構成例を示す図であり、(a)はヘッド部分の斜視図、(b)は記録媒体を含めた断面図、(c)はその斜視図である。 実施例２による磁気再生ヘッドを搭載する磁気ディスク装置の概略構成図である。 実施例３による磁気メモリ素子の図であり、(a)は電流印加手段を含めた平面構造図、(b)はその斜視図である。 実施例３による磁気メモリ素子のスピンホール効果によるスピン注入シミュレーションの結果を示す図であり、(a)はｚ方向のアップスピンとダウンスピンの電気化学ポテンシャルの差の空間分布を示す図、(b)は磁気メモリ素子の平面構造図である。 図１０に示した磁気メモリ素子をX-Yマトリクス状に配列した固体メモリを示す図である。 図１０に示した磁気メモリ素子を用いた固体メモリをシリコン基板上に実装した例を示す図である。

符号の説明

１１…強磁性層、１２…非磁性中間層、１３…非磁性体スピンホール効果層、
１８…電圧計、２１…強磁性層の磁化方向、２２…アップスピン電子、
２３…ダウンスピン電子、３１…垂直磁気媒体、３２…漏れ磁場、３３…媒体の磁化方向、４０…スピン流、５０，５１，５０１，５１１…スピンホール効果素子、６１…シールド、１００…磁気センサ、１０１…基板、１４１，１４２…電極端子（非磁性体端子）、
１６１…膜厚方向の電流源、１６２…非磁性体への電流源、２００…磁気再生ヘッド、
３００…磁気メモリ素子、１４１１，１４２１…高抵抗層。

Claims (15)

1. 非磁性体スピンホール効果層と、強磁性層と、前記非磁性体スピンホール効果層と強磁性層との間に配置された非磁性絶縁体層とを有する積層膜と、
   前記非磁性体スピンホール効果層の側面に接続された非磁性体端子対と、
   前記積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段とを備え、
   前記非磁性体スピンホール効果層の厚みは、該非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の２倍よりも薄く、
   外部磁場により磁化された前記強磁性層の磁化の向きを、前記非磁性体端子対の両端に生じる電圧の極性によって検出することを特徴とする磁気センサ。
2. 請求項１記載の磁気センサにおいて、前記非磁性体スピンホール効果層を構成する材料は、Ｃｕより大きな原子番号を有する非磁性体、またはガリウム砒素（ＧａＡｓ），インジウム砒素（ＩｎＡｓ），アルミニウム砒素（AlAs），インジウムガリウム砒素（InGaAs），インジウムガリウム窒素−ガリウム窒素超格子（InGaN/GaN），テルル化水銀（HgTe），セレン化水銀（HgSe），硫化水素（b-HgS），a鈴（-Sn），テルル化鉛（PbTe），セレン化鉛（PbSe），硫化鉛（PbS）からなる群の中から選択される化合物半導体、またはガリウム砒素系半導体（GaAs-based semiconductor）であることを特徴とする磁気センサ。
3. 請求項２記載の磁気センサにおいて、前記非磁性絶縁体層を構成する材料は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）であることを特徴とする磁気センサ。
4. 請求項３記載の磁気センサにおいて、前記強磁性層を構成する材料は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ、Ｍｎからなる群の中から選択される元素、あるいはこれらの元素を少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物であることを特徴とする磁気センサ。
5. 請求項１記載の磁気センサにおいて、前記強磁性層が外部磁場により磁化される方向は、前記非磁性体端子間方向に垂直な方向であることを特徴とする磁気センサ。
6. 請求項１記載の磁気センサにおいて、前記非磁性体端子対と前記非磁性体スピンホール効果層はトンネル接合されていることを特徴とする磁気センサ。
7. 請求項１記載の磁気センサにおいて、前記非磁性体端子対と前記非磁性体スピンホール効果層の間に高抵抗膜を有することを特徴とする磁気センサ。
8. 請求項６記載の磁気センサにおいて、前記高抵抗膜はＡｌＯ_Ｘであることを特徴とする磁気センサ。
9. 非磁性体スピンホール効果層と、強磁性層と、前記非磁性体スピンホール効果層と強磁性層との間に配置された非磁性絶縁体層とを有する積層膜と、
   前記非磁性体スピンホール効果層の側面に接続された非磁性体端子対と、
   前記積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段と、
   前記積層膜の両側面に設けられた磁気シールドとを備え、
   前記非磁性体スピンホール効果層の厚みは、該非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の２倍よりも薄く、
   前記強磁性層の磁化の向きを前記非磁性体端子対の両端に生じる電圧の極性によって検出することにより、前記強磁性層に印加された外部磁場の方向を検出することを特徴とする磁気ヘッド。
10. 請求項９記載の磁気ヘッドにおいて、前記非磁性体端子対と前記非磁性体スピンホール効果層はトンネル接合されていることを特徴とする磁気ヘッド。
11. 請求項９記載の磁気ヘッドにおいて、前記非磁性体端子対と前記非磁性体スピンホール効果層の間に高抵抗膜を有することを特徴とする磁気ヘッド。
12. 請求項１１記載の磁気センサにおいて、前記高抵抗膜はＡｌＯ_Ｘであることを特徴とする磁気ヘッド。
13. 非磁性体スピンホール効果層と、強磁性層と、前記非磁性体スピンホール効果層と強磁性層との間にある非磁性絶縁体層とを有する積層膜と、
    前記非磁性体スピンホール効果層の側面に接続された非磁性体端子対と、
    前記積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段と、
    前記非磁性体端子対間に電流を印加する手段とを備え、
    前記非磁性体スピンホール効果層の厚みは、該非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の２倍よりも薄く、
    前記非磁性体端子対間に印加する電流の極性によって、前記強磁性層の磁化の向きを反転させることを特徴とする磁気メモリ。
14. 請求項１３記載の磁気メモリにおいて、前記強磁性層にＮｉＦｅ合金を用いることを特徴とする磁気メモリ。
15. 請求項１３記載の磁気メモリにおいて、前記積層膜の膜厚方向に電流を印加する手段により前記積層膜の膜厚方向に電流を印加し、前記非磁性体端子対の両端に生じる電圧の極性を検出することにより、前記強磁性層の磁化の向きを検出することを特徴とする磁気メモリ。

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