JP6926666B2 - スピン流磁化反転素子 - Google Patents
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Description
本発明は、スピン流磁化反転素子に関する。
磁気抵抗効果素子として強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。一般に、ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子と比較して素子抵抗は高いが、磁気抵抗（ＭＲ）比は大きい。これらの磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として注目されている。
ＭＲＡＭは、非磁性層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化すると素子抵抗が変化するという特性を利用して、データを読み書きする。ＭＲＡＭの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式や磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用して書き込み（磁化反転）を行う方式が知られている。
ＳＴＴを用いた磁気抵抗効果素子の磁化反転は、エネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がある。また磁化反転をさせるために必要な反転電流密度も大きい。 ＴＭＲ素子の長寿命の観点からはこの反転電流密度は低いことが望ましい。この点は、ＧＭＲ素子についても同様である。
そこで近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を誘起し、ＳＯＴによる磁化反転をひき起こす。純スピン流は上向きスピンの電子と下向きスピン電子が同数で互いに逆向きに流れることで生み出されるものであり、電荷の流れは相殺されている。そのため磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いることで磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
非特許文献１に記載のスピン軌道相互作用を利用した磁化反転は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要はない点で優れている。しかしながら、磁化反転に必要な磁化をスピン流により充分注入するためには、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に、大きな電流密度の電流を流す必要がある。大きな電流密度の電流は、熱を生み出し、エネルギー効率を低下させる。また発生した熱等の外因は、強磁性金属層の磁化の安定性を低下させる原因となりうる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、低電流で駆動できるスピン流磁化反転素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、強磁性金属層の近傍に強磁性電極層を設けることで、スピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）に加えて、強磁性電極層から流れるスピン偏極電流により拡散する偏極スピンを利用することで、強磁性金属層の磁化の向きを容易に変えることができることを見出した。すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかるスピン流磁化反転素子は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層の一面に形成されたスピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線のいずれかの面の、前記積層方向からの平面視において前記強磁性金属層の外側に形成された強磁性電極層と、を備え、前記強磁性金属層の磁化の向きは、前記スピン軌道トルク配線におけるスピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルク、及び、前記強磁性電極層から拡散するスピンの影響、により可変である。
（２）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性電極層と前記強磁性金属層との距離は、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長の５倍以内であってもよい。
（３）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子は、前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層と反対側の面に前記強磁性電極層を備える場合、前記積層方向からの平面視において前記強磁性電極層と前記強磁性金属層とが重畳する部分を有してもよい。
（４）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性電極層から拡散するスピンの偏極方向と、前記スピン軌道相互作用により前記スピン軌道トルク配線と前記強磁性金属層との界面に蓄積するスピンの方向とが、一致していてもよい。
（５）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線との間に、絶縁性を有するバリア層を有してもよい。
（６）上記の態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性の重金属を含んでいてもよい。
（７）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層の磁化方向と前記強磁性電極層の磁化方向とが、平行又は反平行であってもよい。
（８）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性電極層が、前記積層方向からの平面視において前記強磁性金属層の外側に複数存在してもよい。
（９）上記態様にかかるスピン流磁化反転素子において、前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、前記スピン軌道トルク配線側から順に、非磁性層と、第２強磁性金属層と、をさらに有してもよい。
上記態様にかかるスピン流磁化反転素子によれば、低電流でも強磁性金属層の磁化方向を変更できる。
以下、各実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。図１に示すように、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０と、強磁性電極層３０とを備える。
図１は、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子を模式的に示した斜視図である。図１に示すように、第１実施形態にかかるスピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０と、スピン軌道トルク配線２０と、強磁性電極層３０とを備える。
以下、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する面内方向であって第１の方向と直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向とする。
スピン流磁化反転素子１００は、磁気抵抗効果素子１０の強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きが変化することで動作する。強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きは、強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０のｘ方向の一端との間に電流を流すことで変化する。
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、強磁性金属層１と、非磁性層２と、第２強磁性金属層３と、をスピン軌道トルク配線２０側から順に有する。磁気抵抗効果素子１０は、強磁性金属層１の磁化Ｍ１と第２強磁性金属層３の磁化Ｍ３との相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
磁気抵抗効果素子１０は、強磁性金属層１と、非磁性層２と、第２強磁性金属層３と、をスピン軌道トルク配線２０側から順に有する。磁気抵抗効果素子１０は、強磁性金属層１の磁化Ｍ１と第２強磁性金属層３の磁化Ｍ３との相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
磁気抵抗効果素子１０が保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）の場合、第２強磁性金属層３の保磁力は強磁性金属層１の保磁力よりも大きくする。磁気抵抗効果素子１０が、交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）の場合には、第２強磁性金属層３の強磁性金属層１と反対側に反強磁性層を積層し、反強磁性層との交換結合によって第２強磁性金属層３の磁化方向を固定する。
磁気抵抗効果素子１０の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。各層は複数の層からなるものでもよいし、上述の層以外の層を備えてもよい。磁気抵抗効果素子１０において、強磁性金属層１は自由層や記録層などと呼ばれ、第２強磁性金属層３は固定層や参照層などと呼ばれる。
強磁性金属層１及び第２強磁性金属層３は、公知のものを用いることができる。例えば、強磁性金属層１及び第２強磁性金属層３として、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
強磁性金属層１及び第２強磁性金属層３には、ホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金はスピン分極率が理論的には１であり、より高い出力が得られる。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどがホイスラー合金として挙げられる。
また磁気抵抗効果素子１０が交換バイアス型の場合、第２強磁性金属層３の強磁性金属層１と反対側に反強磁性層を積層してもよい。第２強磁性金属層３の保磁力は、反強磁性層の磁化と反強磁性カップリングすることで大きくなる。反強磁性層には、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等の反強磁性材料を用いることができる。また第２強磁性金属層３の漏れ磁場を強磁性金属層１に影響させないようにするため、磁気抵抗効果素子１０をシンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
非磁性層２は絶縁体でも、半導体でも、金属でもよい。非磁性層２が絶縁体からなる場合、磁気抵抗効果素子１０は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子となり、非磁性層２が半導体もしくは金属からなる場合、磁気抵抗効果素子１０は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子となる。
非磁性層２には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層２が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ−ＢＮ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ、ＢａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、ＭＲ比を大きくすることができる。またＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇ、Ａｌの一部もしくはすべてが、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ等に置換された材料等も非磁性層２として用いることができる。
一方で非磁性層２が金属からなる場合、その材料としてＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
磁気抵抗効果素子１０は、これらの層以外にその他の層を有していてもよい。例えば、強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２０との界面に下地層を設けてもよい。また第２強磁性金属層３の非磁性層２と反対側の面にキャップ層を設けてもよい。下地層は、強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２０との格子整合性を向上させる。キャップ層は、磁気抵抗効果素子１０の格子歪を緩和し、磁気抵抗効果素子１０を構成する原子の拡散を抑制する。
また下地層は、絶縁性を有するバリア層でもよい。バリア層が存在すると、強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２０との界面に蓄積するスピン量が増える。界面に蓄積したスピンは、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きを変化させる。
下地層又はバリア層は、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１へ伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。そのためスピン拡散長が長い物質（例えば、スピン拡散長が１００ｎｍ以上）を下地層又はバリア層に用いることが好ましい。
また下地層又はバリア層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２０から伝播するスピンを強磁性金属層１に十分伝えることができる。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性金属層１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性金属層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性金属層１のｚ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性金属層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
スピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道相互作用に由来するスピンにより強磁性金属層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。スピン軌道相互作用に由来するスピンは、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れることによって生じるスピンホール効果及び異種元素界面間での界面ラシュバ効果によって発生する。
まずスピンホール効果について説明する。スピンホール効果は、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。図２は、図１に示すスピン流磁化反転素子１００のスピン軌道トルク配線２０をｘ方向に沿って切断した断面図である。図２に基づいてスピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムを説明する。
図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを流すと、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数は等しい。第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。すなわち、スピン軌道トルク配線２０内において、電荷の正味の流れとしての電流はゼロであり、この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
非磁性体中に電流を流した場合と同様に、強磁性体中に電流を流した場合及び流れる電流がスピン偏極電流の場合でも、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とは互いに反対方向に曲げられる。一方で、強磁性体中又は流す電流がスピン偏極電流の場合は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２のいずれかが多い状態となっている。すなわち、スピン軌道トルク配線２０内に生じるのはスピン流であり、電荷の正味の流れを有する（電圧が生じる）。
例えば図２に示すように、スピン流が生じているスピン軌道トルク配線２０のｚ方向の一面に強磁性金属層１を接合すると、上方向に曲げられた第１スピンＳ１が強磁性金属層１に拡散して流れ込む。
次いで、界面ラシュバ効果について説明する。界面ラシュバ効果は、異種元素間の界面の影響を受けて、スピンが所定の方向に配向しやすくなり、所定の方向に配向したスピンが界面近傍に蓄積する現象をいう。
図２において強磁性金属層１とスピン軌道トルク配線２０の界面は異種元素間の界面に対応する。そのため、スピン軌道トルク配線２０の強磁性金属層１側の面には所定の方向に配向したスピンが蓄積する。蓄積したスピンは、エネルギー的な安定を得るために、強磁性金属層１側に拡散し流れ込む。
スピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道相互作用により強磁性金属層１へ注入するためのスピンを生成する材料により構成される。スピン軌道トルク配線２０を構成する材料は、単体の元素からなる材料に限らない。
スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線２０は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
非磁性の重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。非磁性の重金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。スピン軌道トルク配線２０は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、スピン流ＪＳが発生しやすい。
またスピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線２０のスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線２０は、反強磁性金属だけからなってもよい。
スピン軌道相互作用は、スピン軌道トルク配線２０を構成する物質の固有の内場によって生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線におけるスピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
またスピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質には内部磁場のようにスピン軌道相互作用が生じる。その結果、外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れによりスピン流を高効率に生成することができる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
＜強磁性電極層＞
強磁性電極層３０は、スピン軌道トルク配線２０の一面に形成されている。図１及び図２では、磁気抵抗効果素子１０が積層する面と同一面に強磁性電極層３０を形成している。一方で図３及び図４に示すように、強磁性電極層３０は磁気抵抗効果素子１０と反対側の面に形成してもよい。
強磁性電極層３０は、スピン軌道トルク配線２０の一面に形成されている。図１及び図２では、磁気抵抗効果素子１０が積層する面と同一面に強磁性電極層３０を形成している。一方で図３及び図４に示すように、強磁性電極層３０は磁気抵抗効果素子１０と反対側の面に形成してもよい。
強磁性電極層３０は、ｚ方向からの平面視において強磁性金属層１の外側に形成されている。強磁性電極層３０は、一つに限られず、複数形成されていてもよい。
強磁性電極層３０と強磁性金属層１との距離は、スピン軌道トルク配線２０のスピン拡散長の５倍以内であることが好ましく、３倍以内であることが好ましく、１倍以内であることがより好ましい。詳細は後述するが、強磁性電極層３０と強磁性金属層１との距離がこの範囲内であれば、強磁性電極層３０から拡散した偏極スピンＳ３は強磁性金属層１の磁化Ｍ１に充分な影響を与えることができる。ここで強磁性電極層３０と強磁性金属層１との距離とは、強磁性電極層３０の強磁性金属層１側の端部と、強磁性金属層１の強磁性電極層３０側の端部と、の距離を意味する。
また図４に示すように、スピン軌道トルク配線２０の強磁性金属層１と反対側の面に強磁性電極層３０を備える場合は、積層方向からの平面視において強磁性電極層３０と強磁性金属層１とが重畳する部分を有してもよい。すなわち、強磁性電極層３０と強磁性金属層１との距離は、スピン軌道トルク配線２０のスピン拡散長の５倍以内であれば、平面視重なっていてもよい。
強磁性電極層３０には、強磁性金属層１や第２強磁性金属層３と同様の物質を用いることができる。例えば、強磁性電極層３０としてＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。
強磁性電極層３０は、強磁性体であり磁化Ｍ３０を有する。磁化Ｍ３０の向きは、強磁性金属層１の磁化Ｍ１と平行又は反平行であることが好ましい。強磁性電極層３０の磁化Ｍ３０により偏極した偏極スピンＳ３は、スピン軌道トルク配線２０内を拡散し、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の配向状態に作用する。そのため、磁化Ｍ３０の向きを磁化Ｍ１の向きと平行又は反平行とすることで、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
また強磁性電極層３０と強磁性金属層１との間には、漏れ磁場を遮断する手段を有していてもよい。漏れ磁場を遮断する一つの手段として、強磁性電極層３０と強磁性金属層１との間に金属膜を設けることができる。
（スピン流磁化反転素子の動作）
次いで、スピン流磁化反転素子１００の動作について説明する。図２に示すように、スピン流磁化反転素子１００の強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０の一端との間に電流Ｉを流す。スピン軌道トルク配線２０の一端は、強磁性電極層３０から見て磁気抵抗効果素子１０を挟んだ端部であり、電流Ｉは磁気抵抗効果素子１０の下方を流れる。
次いで、スピン流磁化反転素子１００の動作について説明する。図２に示すように、スピン流磁化反転素子１００の強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０の一端との間に電流Ｉを流す。スピン軌道トルク配線２０の一端は、強磁性電極層３０から見て磁気抵抗効果素子１０を挟んだ端部であり、電流Ｉは磁気抵抗効果素子１０の下方を流れる。
スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉが流れると、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる。その結果、スピン流Ｊｓがｚ方向に生じる。
スピン軌道トルク配線２０のｚ方向には、磁気抵抗効果素子１０が配設されている。スピン軌道トルク配線２０と磁気抵抗効果素子１０の界面では、界面ラシュバ効果によりスピンが蓄積する。また蓄積したスピンの一部は、スピン流Ｊｓによってスピン軌道トルク配線２０から磁気抵抗効果素子１０の強磁性金属層１に注入される。蓄積したスピン及び注入されるスピンは、強磁性金属層１の磁化Ｍ１にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。
また電流Ｉは、強磁性電極層３０を通過してスピン軌道トルク配線２０内を流れる。そのため、局在スピンである強磁性電極層３０の磁化Ｍ３０によって伝導電子のスピンが揃えられ、電流Ｉはスピン偏極する。偏極スピンＳ３は、強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０の界面からスピン軌道トルク配線２０内に拡散する。
スピンの拡散は等方的であり、強磁性電極層３０を中心に偏極スピンＳ３は同心円状に拡散する。この拡散した偏極スピンＳ３の一部は、強磁性金属層１の下方まで到達し、強磁性金属層１の磁化Ｍ１に影響を及ぼす。拡散した偏極スピンＳ３が強磁性金属層１まで充分到達するためには、強磁性電極層３０と強磁性金属層１との距離は、上述の範囲内であることが好ましい。
図２において、スピン偏極電流によりスピン軌道トルク配線２０内に拡散する偏極スピンＳ３の偏極方向と、スピン軌道相互作用によりスピン軌道トルク配線２０と強磁性金属層１との界面に蓄積する第１スピンＳ１の配向方向とは一致している。偏極スピンＳ３の偏極方向と第１スピンＳ１の配向方向との関係は、スピン軌道トルク配線２０の材料種、強磁性電極層３０の磁化Ｍ３０の配向方向を変えることで自由に設定できる。
ここで、偏極スピンＳ３の偏極方向と第１スピンＳ１の配向方向とが一致しているとは、スピンのベクトルの主方向が一致していることを意味し、完全一致している場合に限られない。偏極スピンＳ３の偏極方向と第１スピンＳ１の配向方向とが一致することで、第１スピンＳ１に偏極スピンＳ３が重畳される。
すなわち、スピン軌道トルク配線２０におけるスピン軌道相互作用により生じた界面ラシュバ効果及び純スピン流による影響と強磁性電極層３０を介したスピン偏極電流によるスピン拡散の影響とが重畳して加わり、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の配向方向が変化する。
強磁性金属層１の磁化Ｍ１の配向方向を、強磁性電極層３０の磁化Ｍ３０と反対方向に向ける場合は、電流Ｉの流れ方向を逆転させる。
図５は、非磁性電極層３１を用いたスピン流磁化反転素子１０１の断面模式図である。図５に示すスピン流磁化反転素子１０１は、電極が強磁性電極層３０であるか非磁性電極層３１であるかと言う点で、図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図５に示すスピン流磁化反転素子１０１は、非磁性電極層３１を用いているため、スピン偏極電流によるスピン拡散は生じない。そのため、強磁性金属層１の磁化Ｍ１は、スピン軌道トルク配線２０におけるスピン軌道相互作用により生じた界面ラシュバ効果及び純スピン流によるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）のみで磁化反転させる必要がある。
スピン軌道トルクのみで磁化反転させるためには、スピン軌道トルク配線２０に流す電流の電流密度を高くする必要がある。多くの電流を流すことは、エネルギー効率の面において好ましくない。またスピン軌道トルク配線２０が電流により発熱することで、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の安定性が低下する恐れもある。
これに対し図２に示すスピン流磁化反転素子１００は、スピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルクと強磁性電極層３０から拡散したスピン流によって、強磁性金属層１の磁化Ｍ１を回転させる。すなわち、強磁性電極層３０から拡散したスピン流の影響を利用する分だけスピン軌道トルク配線２０に流す電流量を低減できる。
本実施形態は、必ずしも上記構成に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
「第２実施形態」
図６は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図６に示すスピン流磁化反転素子１０２は、強磁性電極層３０’の磁化Ｍ３０’の配向方向が、図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図６は、第２実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図６に示すスピン流磁化反転素子１０２は、強磁性電極層３０’の磁化Ｍ３０’の配向方向が、図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図６に示すスピン流磁化反転素子１０２は、磁化Ｍ３０’の配向方向が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と反対であるため、スピン偏極電流によりスピン軌道トルク配線２０内に拡散する偏極スピンＳ３’の偏極方向も図２に示すスピン流磁化反転素子１００と反対である。すなわち、偏極スピンＳ３’の偏極方向と、スピン軌道相互作用によりスピン軌道トルク配線２０と強磁性金属層１との界面に蓄積する第１スピンＳ１の方向とが、反対である。
この場合、偏極スピンＳ３’によりスピン軌道トルク配線２０の磁気抵抗効果素子１０が積層されていない面（−ｚ方向の面）に蓄積される第２スピンＳ２の量が増加する。スピン軌道トルク配線２０は、平衡状態を保とうとするため、スピン流Ｊｓが増大し、強磁性金属層１に注入されるスピン量が増加する。
「第３実施形態」
図７は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図７に示すスピン流磁化反転素子１０３は、強磁性電極層が磁気抵抗効果素子１０の側方に複数設けられている点が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図７は、第３実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図７に示すスピン流磁化反転素子１０３は、強磁性電極層が磁気抵抗効果素子１０の側方に複数設けられている点が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図７に示すスピン流磁化反転素子１０３は、磁気抵抗効果素子１０の−ｘ方向側方に強磁性電極層３０と、＋ｘ方向側方に第２強磁性電極層３２とを備える。磁気抵抗効果素子１０の磁化Ｍ３０の配向方向と第２強磁性電極層３２の磁化Ｍ３２の配向方向とは同一である。
図７に示すようにスピン流磁化反転素子１０３では、強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０との一端の間（電流Ｉ１）、及び、第２強磁性電極層３２とスピン軌道トルク配線２０との一端の間（電流Ｉ２）に電流を流す。図２に示すスピン流磁化反転素子１００と同様に、電流Ｉ１により偏極スピンＳ３はスピン軌道トルク配線２０内に拡散すると共に、スピン流Ｊｓを生み出す。一方で、電流Ｉ２により偏極スピンＳ４はスピン軌道トルク配線２０内に拡散する。
偏極スピンＳ４の拡散は等方的であるため、偏極スピンＳ４の一部は強磁性金属層１まで到達する。すなわち、図７に示すスピン流磁化反転素子１０３は、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の磁化回転に偏極スピンＳ４による影響をさらに加えることができる。
第２強磁性電極層３２と強磁性金属層１との距離は、スピン軌道トルク配線２０のスピン拡散長の５倍以内であることが好ましく、３倍以内であることが好ましく、１倍以内であることがより好ましい。
「第４実施形態」
図８は、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図８に示すスピン流磁化反転素子１０４は、強磁性電極層が磁気抵抗効果素子１０の側方に複数設けられている点が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図８は、第４実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図８に示すスピン流磁化反転素子１０４は、強磁性電極層が磁気抵抗効果素子１０の側方に複数設けられている点が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図８に示すスピン流磁化反転素子１０４は、磁気抵抗効果素子１０の−ｘ方向側方に強磁性電極層３０と、＋ｘ方向側方に第３強磁性電極層３３とを備える。磁気抵抗効果素子１０の磁化Ｍ３０の配向方向と第３強磁性電極層３３の磁化Ｍ３３の配向方向とは異なる。この点が、図７に示すスピン流磁化反転素子１０３と異なる。
図８に示すようにスピン流磁化反転素子１０４では、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きを強磁性電極層３０と同一方向に向ける際に、強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０との一端の間に電流Ｉ１を流す。図２に示すスピン流磁化反転素子１００と同様に、電流Ｉ１により偏極スピンＳ３はスピン軌道トルク配線２０内に拡散すると共に、スピン流Ｊｓを生み出す。
一方で、強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きを強磁性電極層３０と反対方向に向ける際に、第３強磁性電極層３３から強磁性電極層３０に向けて電流Ｉ３を流す。電流Ｉ３により偏極スピンＳ５はスピン軌道トルク配線２０内に拡散すると共に、スピン流Ｊｓを生み出す。この際、電流Ｉ３は電流Ｉ１と流れ方向が異なるため、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２の蓄積方向は反対となる。
磁気抵抗効果素子１０の側方に、異なる方向に配向した強磁性電極層を設けることで、何れの方向に強磁性金属層１の磁化Ｍ１の向きを配向させる際にも偏極スピンＳ３，Ｓ５の影響を加えることができる。
第３強磁性電極層３３と強磁性金属層１との距離は、スピン軌道トルク配線２０のスピン拡散長の５倍以内であることが好ましく、３倍以内であることが好ましく、１倍以内であることがより好ましい。
「第５実施形態」
図９は、第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図９に示すスピン流磁化反転素子１０５は、強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０との一端の間（電流Ｉ１）、及び、スピン軌道トルク配線２０の両端の間（電流Ｉ４）に電流を流している点が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図９は、第５実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図９に示すスピン流磁化反転素子１０５は、強磁性電極層３０とスピン軌道トルク配線２０との一端の間（電流Ｉ１）、及び、スピン軌道トルク配線２０の両端の間（電流Ｉ４）に電流を流している点が図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
電流Ｉ１と電流Ｉ４を分けることで、強磁性金属層１の磁化Ｍ１を回転させる際に、スピン軌道トルク配線２０におけるスピン軌道相互作用による寄与と、強磁性電極層３０から拡散するスピンによる寄与とを分離できる。
「第６実施形態」
図１０は、第６実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図１０に示すスピン流磁化反転素子１０６は、非磁性層２、第２強磁性金属層３が無い点が、図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
図１０は、第６実施形態にかかるスピン流磁化反転素子の断面を模式的に示した図である。図１０に示すスピン流磁化反転素子１０６は、非磁性層２、第２強磁性金属層３が無い点が、図２に示すスピン流磁化反転素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付している。
非磁性層２及び第２強磁性金属層３が無くても、スピン流磁化反転素子１０６は例えば、ＡＭＲ（磁気異方性）センサ、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した素子等として機能する。
上述のように、本実施形態にかかるスピン流磁化反転素子は、スピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルクと強磁性電極層３０から拡散したスピン流によって、強磁性金属層１の磁化Ｍ１を回転させる。すなわち、強磁性電極層３０から拡散したスピン流の影響を利用する分だけスピン軌道トルク配線２０に流す電流量を低減できる。
１…強磁性金属層、２…非磁性層、３…第２強磁性金属層、１０…磁気抵抗効果素子、２０…スピン軌道トルク配線、３０，３０’…強磁性電極層、３１…非磁性電極層、３２…第２強磁性電極層、３３…第３強磁性電極層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６…スピン流磁化反転素子、Ｍ１，Ｍ３，Ｍ３０，Ｍ３０’ ，Ｍ３２，Ｍ３３…磁化、Ｓ１…第１スピン、Ｓ２…第２スピン、Ｓ３，Ｓ３’，Ｓ４，Ｓ５…偏極スピン、Ｊｓ…スピン流、Ｉ，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４…電流
Claims (8)
- 強磁性金属層と、
前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層の一面に形成されたスピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線の前記強磁性金属層が形成された面と反対側の面に形成された強磁性電極層と、を備え、
前記強磁性電極層は、前記積層方向からの平面視において、前記強磁性金属層の外側に形成された部分と、前記強磁性金属層と重畳する部分とを有し、
前記強磁性金属層の磁化の向きは、前記スピン軌道トルク配線におけるスピン軌道相互作用により生じるスピン軌道トルク、及び、前記強磁性電極層から拡散するスピンの影響、により可変である、スピン流磁化反転素子。 - 前記積層方向からの平面視において、前記強磁性電極層と前記強磁性金属層との距離は、前記スピン軌道トルク配線のスピン拡散長の５倍以内である、請求項１に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記強磁性電極層から拡散するスピンの偏極方向と、前記スピン軌道相互作用により前記スピン軌道トルク配線と前記強磁性金属層との界面に蓄積するスピンの方向とが、一致している、請求項１又は２に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記強磁性金属層と前記スピン軌道トルク配線との間に、絶縁性を有するバリア層を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記スピン軌道トルク配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の非磁性の重金属を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記強磁性金属層の磁化方向と前記強磁性電極層の磁化方向とが、平行又は反平行である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記強磁性電極層が、前記積層方向からの平面視において前記強磁性金属層の外側に複数存在する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、前記スピン軌道トルク配線側から順に、非磁性層と、第２強磁性金属層と、をさらに有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子。
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