CN109427959A - 自旋轨道转矩磁性器件以及自旋电流磁性层叠体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自旋轨道转矩磁性器件。本发明一实施例的磁性器件包括：自旋电流图案，配置于基板上，通过面内电流生成垂直于配置平面的自旋电流；以及自由磁性层，以与上述自旋电流图案相接触的方式配置，具有通过上述自旋电流进行磁化反转的垂直磁各向异性。上述自旋电流图案包括：第一非磁性导电层；第二非磁性导电层，以与上述第一非磁性导电层对齐的方式配置；以及磁性层，介于上述第一非磁性导电层与上述第二非磁性导电层之间，与上述第一非磁性导电层对齐，具有垂直磁各向异性。

Description

自旋轨道转矩磁性器件以及自旋电流磁性层叠体
技术领域
本发明涉及自旋轨道转矩磁性器件以及自旋电流磁性层叠体，更详细地，涉及利用异质晶格结构增加自旋轨道转矩的自旋轨道转矩磁性器件以及自旋电流磁性层叠体。
背景技术
最近，自旋轨道耦合(spin-orbit coupling)以生成自旋轨道转矩(spin-orbittorque)而周知。即，自旋轨道耦合生成自旋霍尔效果，这种自旋霍尔效果生成自旋轨道转矩。
产生自旋轨道转矩的状况为如Fe、Co、Ni的自由磁性层配置在如Pt、Ta、W的非磁性层上的结构。上述非磁性层通过面内电流(In-Plane Current)产生自旋霍尔效果。若向上述非磁性层注入面内电流，则通过自旋霍尔效果具有特定方向自旋的电子向上述自由磁性层注入。上述自旋电流对上述自由磁性层的磁化方向进行开关切换动作。
具有垂直磁各向异性的磁性层即使器件尺寸变小也可很好地维持磁化状态，因此有利于高集成化。但是，需要即使在低的注入电流中也可执行磁性层的磁化反转的可以增加自旋轨道耦合的结构及方法。
发明内容
本发明所要实现的技术目的在于，提供增加自旋轨道转矩的自旋轨道转矩磁性器件。
本发明所要实现的技术目的在于，提供具有垂直磁各向异性且呈现大的自旋轨道耦合特性的磁性器件。
本发明的磁性器件包括：自旋电流图案，配置在基板上，通过面内电流生成垂直于配置平面的自旋电流；以及自由磁性层，以与上述自旋电流图案相接触的方式配置，具有通过上述自旋电流进行磁化反转的垂直磁各向异性。上述自旋电流图案包括：第一非磁性导电层；第二非磁性导电层，以与上述第一非磁性导电层对齐的方式配置；以及磁性层，介于上述第一非磁性导电层与上述第二非磁性导电层之间，与上述第一非磁性导电层对齐，具有垂直磁各向异性。上述磁性层被上述第一非磁性导电层及上述第二非磁性导电层引起拉伸应变(tensile strain)，上述磁性层具有晶体结构，上述磁性层的基准晶格常数小于上述第一非磁性导电层或小于上述第二非磁性导电层的晶格常数，与上述磁性层的表面平行的长度方向的变形率可以为9％以上，上述表面以上述磁性层的基准晶格常数(referencebulk lattice constant)与上述磁性层的薄膜晶格常数(thin film lattice constant)之比设置。
在本发明中，上述磁性层通过利用氢离子辐照(Hydrogen ion irradiation)对非磁性氧化物层进行还原来形成，上述磁性层通过上述氢离子辐照从非磁性体相变为强磁性体，上述磁性层的晶格常数可维持为上述第一非磁性导电层的晶格常数。
在本发明中，上述非磁性氧化物层可以为Co3O4，上述磁性层可以为Co。
在本发明中，上述磁性层可处于假晶(pseudomorphic)外延(epitaxial)状态，以与上述第一非磁性导电层及上述第二非磁性导电层的晶格常数一致。
在本发明中，上述磁性层的的厚度可以为0.2nm至0.6nm。
在本发明中，本发明的自旋轨道转矩磁性器件还可包括：固定磁性层，以对齐的方式配置于上述自由磁性层；以及隧道绝缘层，以对齐的方式配置于上述自由磁性层，介于上述自由磁性层与上述固定磁性层之间。
在本发明中，上述第一非磁性导电层及上述第二非磁性导电层可以为Pd，上述磁性层可以为Co。
在本发明中，上述自旋电流图案还可包括交替配置于上述第一非磁性导电层与上述磁性层之间的至少一对辅助非磁性导电层及辅助磁性层。上述辅助非磁性导电层和上述辅助磁性层可提供多层薄膜结构。
本发明的自旋轨道转矩磁性器件包括：自旋电流图案，配置在基板上，通过面内电流生成垂直于配置平面的自旋电流；以及自由磁性层，以与上述自旋电流图案相接触的方式配置，通过上述自旋电流进行磁化反转，上述自由磁性层包括相互交替配置的多层薄膜结构的磁性层及非磁性导电层，上述磁性层具有垂直磁各向异性，通过上述自旋电流进行磁化反转，上述磁性层被上述非磁性导电层引导而引起拉伸应变。以上述磁性层的基准晶格常数与上述磁性层的薄膜晶格常数之比确定的长度方向的变形率可以为9％以上。
在本发明中，上述磁性层通过利用氢离子辐照对非磁性氧化物层进行还原来形成，上述磁性层通过上述氢离子辐照从顺磁性体相变为强磁性体，上述磁性层的晶格常数可维持为上述非磁性导电层的晶格常数。
在本发明中，上述非磁性氧化物层可以为Co3O4，上述磁性层可以为Co。
在本发明中，上述磁性层可处于假晶外延状态，以与上述非磁性导电层的晶格常数一致。
在本发明中，上述磁性层的厚度可以为0.2nm至0.6nm。
在本发明中，本发明的自旋轨道转矩磁性器件还可包括：固定磁性层，以对齐的方式配置于上述自由磁性层；以及隧道绝缘层，以对齐的方式配置于上述自由磁性层，介于上述自由磁性层与上述固定磁性层之间。在本发明的实施例中，上述非磁性导电层可以为Pd，上述磁性层可以为Co。
本发明提供了一种自旋电流磁性层叠体，通过自旋轨道耦合生成垂直于面外的自旋电流，其特征在于，包括：第一非磁性导电层；以及第一非磁性导电层上的磁性层，其中，磁性层的厚度小于第一非磁性导电层的厚度，以磁性层的基准晶格常数与磁性层的薄膜晶格常数之比确定的磁性层以与磁性层的表面平行的长度方向的6％以上的变形率被拉伸应变。
本发明提供的自旋电流磁性层叠体，其特征在于，以9％以上的变形率被拉伸应变。
发明的作用与效果
本发明的的磁性器件的自旋轨道转矩通过非磁性导电层和通过引导而引起拉伸应变的磁性层的层叠结构，提供大的横向有效磁场及纵向有效磁场，通过增加自旋电流的大小及效率，从而在驱动基于自旋轨道转矩的磁性存储器件时，减少耗电，可执行可靠的信息的记录及消除工作。
并且，上述磁性器件具有大的垂直磁各向异性，因此有利于集成化及缩放。
附图说明
图1为说明本发明一实施例的自旋轨道转矩磁性器件的立体图。
图2为示出图1中的自旋轨道转矩磁性器件的结晶特性的图。
图3为说明本发明一实施例的自旋轨道转矩磁性器件的剖视图。
图4为图3中的自旋轨道转矩磁性器件内的磁性体Co的X射线吸收光谱(XAS，X-rayabsorption spectroscopy)结果。
图5为示出图3中的自旋轨道转矩磁性器件内的磁性体Co的自旋矩(ms)对比轨道矩(mo)的比(mo/ms)的结果。
图6为示出根据常规多层薄膜结构的第一试样的外部磁场的高频信号的结果。
图7为示出本发明一实施例的多层薄膜结构中的外部磁场的高频信号的结果。
图8为示出磁性层根据本发明一实施例的自旋电流的注入进行磁化反转的概率的结果。
图9为示出所生成的自旋电流使磁性层进行磁化反转(开关动作)的磁光克尔效应(MOKE，Magneto-optic Kerr effect)图像。
图10为示出本发明另一实施例的磁性器件的立体图。
附图标记的说明
110：基板
120：自旋电流图案
130：自由磁性层
140：隧道绝缘层
150：固定磁性层
具体实施方式
本发明的发明人曾将论文“低能质子还原纳米磁性纳米结构的研究(Nanoscalepatterning ofcomplex magnetic nanostructures by reduction with low-energyprotons)”发布于自然纳米技术(NATURE NANOTECHNOLOGY)，VOL7，september，2012，page367。在此论文中报告低能质子辐照生成还原[Co3O4/Pd]n非磁性氧化物的[Co/Pd]10强磁性金属。所还原的[Co/Pd]n超晶格(superlattice)呈现大于常规金属[Co/Pd]n超晶格的垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy。
根据本发明的一实施例，我们通过追加研究确认所还原的[Co/Pd]n超晶格提供大自旋轨道转矩。
根据本发明的一实施例，所还原的[Co/Pd]n超晶格结构的自旋轨道转矩相比于常规[Co/Pd]n超晶格结构大数十倍。这种自旋轨道转矩在所还原的[Co/Pd]n超晶格结构中被应变引起。
根据本发明的一实施例，所还原的[Co/Pd]n超晶格结构具有垂直磁各向异性，以与磁隧道接合的自由磁性层相接触的方式配置，可用作提供面内电流的自旋电流注入层。
根据本发明的一实施例，所还原的[Co/Pd]n超晶格结构具有垂直磁各向异性，可用作磁隧道接合的自由磁性层。
根据本发明的一实施例，形成了自旋轨道耦合大的Co/Pd电子带结构，可通过辐照氢来变化在其内的电荷数，可通过调节费米能级的高低来使自旋霍尔电导率最大化。这无法通过合金或应力等的现有方法实现。根据Phys.Rev.Lett.100，096401Published 3March2008，公开Pt的电子带结构。可知，根据费米能级强度改变自旋霍尔电导率的符号和大小。据此，费米能级对自旋霍尔电导率具有影响。
根据本发明的一实施例，弹性变化的强磁性层可与非磁性层异质接合。氢可调节费米能级的异质接合。自旋霍尔电导率意味着自旋电流，自旋霍尔电导率与自旋轨道转矩成正比。根据本发明的实施例，上述异质接合的弹性变化的强磁性层可增加通过上述非磁性层的自旋轨道耦合来提高自旋电流的密度，由此可提高自旋轨道转矩。以下，参照附图对本发明进行更详细地说明。以下，通过优选实施例对本发明进行更加详细地说明。但是，这些实施例用于具体说明本发明，该领域的普通技术人员可知本发明并不受限于实验条件、物质种类等或限定于此。本发明并不限定于在此说明的实施例，可通过其他方式进行具体化。反而，在此介绍的实施例使公开的内容更彻底完整且使普通技术人员充分地理解本发明的思想。在附图中，结构要素为了明确性而有所夸张。在说明书全文中，相同的附图标记显示相同的结构要素。
图1为说明本发明一实施例的自旋轨道转矩磁性器件的立体图，
图2为示出图1中的自旋轨道转矩磁性器件的结晶特性的图。
参照图1及图2，自旋轨道转矩磁性器件100可用作磁性随机存取存储器(MRAM，magnetic Random access memory)。上述自旋轨道转矩磁性器件100包括：自旋电流图案120，配置在基板110上，通过面内电流Iw生成垂直于配置平面的自旋电流；以及自由磁性层130，以与上述自旋电流图案相接触的方式配置，具有通过上述自旋电流进行磁化反转的垂直磁各向异性。上述自由磁性层130可与隧道绝缘层140及固定磁性层150相结合来提供磁隧道接合101。上述自旋电流图案120包括：上述第一非磁性导电层124；第二非磁性导电层128，以与上述第一非磁性导电层124对齐的方式配置；以及磁性层126，介于上述第一非磁性导电层124与上述第二非磁性导电层128之间，与上述第一非磁性导电层对齐，具有垂直磁各向异性。上述磁性层126被上述第一非磁性导电层124及上述第二非磁性导电层128引导而引起拉伸应变。上述磁性层126可具有晶体结构。上述磁性层126的基准晶格常数可小于上述第一非磁性导电层124或小于上述第二非磁性导电层128的晶格常数。以上述磁性层126的基准晶格常数与上述磁性层的薄膜晶格常数之比确定的与磁性层126的表面平行的长度方向的拉伸变形率(或，晶格变形率)可以为6％以上。优选地，磁性层126的拉伸变形率可以为9％以上。相比于磁性层126的拉伸变形率小于6％的情况，在拉伸变形率为6％以上的情况下，可通过自旋轨道耦合进一步提高相同材料的异质接合的自旋轨道耦合，当变形率为9％以上时，自旋轨道耦合可生成最大自旋电流。上述自旋轨道耦合表示沿着垂直方向与磁性层的表面结合。实质上，在不是金属层的非磁性导电层，例如，Pd及上述非磁性导电层层叠磁性层，例如，Co磁性层的异质接合中，低的自旋轨道耦合将磁性层的拉伸变形率引导至6％以上，可急速增加自旋轨道耦合，在使拉伸变形率为9％以上的情况下，可从所提高的自旋轨道耦合获取最大自旋电流。
在上述第一非磁性导电层124及上述第二非磁性导电层128为Pd且上述磁性层126为Co的情况下，当在111面考虑2×2晶格结构时，上述非磁性导电层128的晶格常数R为0.550nm，上述磁性层126的基准晶格常数R为0.501nm。但是，本发明的上述磁性层126的薄膜晶格常数约为0.550nm。上述磁性层126的薄膜晶格常数可通过氢离子辐照实现。
上述磁性层126可通过氢离子辐照还原提供作为出发物质的氧化物层。上述氧化物层可以为非磁性体或顺磁性体。上述氧化物层的晶格常数大于所还原的磁性层126的晶格常数。通过从非磁性氧化物层形成磁性层126来抑制对该磁性层126下方的第一非磁性层导电层124起作用的压缩应力的产生，从而可实质上维持第一非磁性导电层124的晶格。由此，如上所述，使所还原的磁性层126的拉伸变形率维持在6％以上，优选地，维持在9％以上，对于磁性层126的表面沿着垂直方向更加强地生成自旋轨道耦合，并可促进自旋电流的生成。向磁性层126引导的拉伸应变为改变原子间的距离的物理现象，提供变化多个原子的多个电子(electrons)之间的相互作用的大小的直接原因。由此，可调节通过多个电子之间的相互作用决定的自旋轨道耦合及电子带结构(electronic band structure)等。由此，根据本发明的实施例，通过增加拉伸应变来增加自旋轨道耦合，尤其，根据本发明的实施例，在非磁性体和所还原的磁性层形成的表面中垂直方向的自旋轨道耦合大大增加，通过增加垂直方向的自旋电流来增加自旋轨道转矩。但是，这种说明仅为例示，本发明并不限定于此，还可进行其他理论说明。
在一实施例中，非磁性氧化物层的晶格常数可以为0.570nm，所还原的磁性层126的晶格常数，即，薄膜晶格常数可以为0.550nm。
上述非磁性或顺磁性氧化物层通过氢离子辐照被还原来相变为强磁性体的磁性层126，磁性层126的薄膜晶格常数可维持为上述第一非磁性导电层124的晶格常数。在一实施例中，非磁性氧化物层可以为Co3O4，由此还原而提供的磁性层126可以为Co。上述非磁性氧化物层通过氢离子辐照被还原来相变为强磁性的Co薄膜，薄膜晶格常数可实质上维持上述第一非磁性导电层的晶格常数。在上述氢离子辐照工序中，离子能可以为数keV(千电子伏)以下。优选地，上述离子能可以为300eV至500eV。由此，上述非磁性氧化物可从非磁性体或顺磁性体相变为金属状态的强磁性体。并且，进行相变的同时表达垂直磁各向异性。并且，在上述氢离子辐照之后，所还原的Co层与Pd层之间的表面维持原来的状态。
上述磁性层及上述第一非磁性导电层可包含氢。上述氢可通过调节上述磁性层和上述第一非磁性导电层的费米能级来增加自旋轨道转矩或自旋霍尔电导率。
上述自旋电流图案120还可包括籽晶层121。上述籽晶层121(seed layer)为Ta，能够以第一非磁性导电层124以结晶状态蒸镀的方式提供表面状态。
上述磁隧道接合101可包括上述自由磁性层130、固定磁性层150以及配置于上述自由磁性层与上述固定磁性层之间的隧道绝缘层140。为了增加隧道磁电阻(TMR)，上述磁隧道接合可具有CoFeB/MgO/CoFeB结构。例如，上述自由磁性层130及固定磁性层150可以为CoFeB，隧道绝缘层可以为MgO。上述自由磁性层130及上述固定磁性层150可具有垂直磁各向异性。在上述自旋电流图案120产生的自旋电流对上述磁性层126进行开关动作的同时可对上述自由磁性层130进行开关动作。为了利用上述自旋轨道转矩对上述自由磁性层130进行稳定地开关动作，可在上述自旋电流图案的配置平面内输入垂直于上述自旋电流图案的表面方向的外部磁场(Hext)。
根据本发明的所变形的实施例，上述磁性层126可处于假晶外延状态，来与上述第一非磁性导电层及上述第二非磁性导电层的晶格常数一致。例如，上述第一非磁性导电层124以结晶状态蒸镀，上述磁性层126可利用如分子束外延(molecular beam epitaxy)的蒸镀方式以假晶外延状态蒸镀，来维持上述第一非磁性导电层124的晶格常数。
记录于上述磁隧道接合101的上述自由磁性层130的数据可通过读取电流辨别，上述读取电流通过与上述固定层150相连接的端子流动。
再次参照图2，(a)部分示出Co3O4/Pd超晶格结构。(b)部分示出通过氢离子辐照辐照的(irradiated)Co/Pd超晶格结构(称为irradiated)。黑色圆表示Co原子，白色圆表示氧原子。(c)部分为二维2×2单位网格的概念图。(d)部分为示出参考(reference)超晶格的表面状态的概念图。(e)部分为示出所辐照的超晶格结构(irradiated)的表面状态的概念图。(f)部分示出根据钴的厚度的参考超晶格结构(称为(reference)和所辐照的超晶格中的应变变化。
线A显示在作为磁性层的Co层产生的拉伸应变为6％以上的情况，线B显示应变为9％以上的情况。此时，Co层的厚度在0.2nm至0.6nm的范围内。若Co层的厚度，即，磁性层的厚度超过0.6nm，则在参考超晶格和所辐照的超晶格中产生应变缓和，由此可减少自旋轨道耦合特性。
图3为说明本发明一实施例的自旋轨道转矩磁性器件的剖视图。
参照图3，自旋电流图案220包括：籽晶层221，配置于基板110；第一非磁性导电层222，配置于上述籽晶层221；第二非磁性导电层228；以及磁性层226，配置于上述第一非磁性导电层和上述第二非磁性导电层。
上述自旋电流图案220还可包括交替配置于上述第一非磁性导电层222与上述磁性层22之间的至少一对辅助非磁性导电层223a及辅助磁性层224a。上述辅助非磁性导电层223a～223n和上述辅助磁性层224a～224n可提供多层薄膜结构。上述辅助磁性层或上述磁性层被相邻的非磁性导电层引起拉伸应变。由此，以上述辅助磁性层224a～224n及磁性层226的基准晶格常数与上述磁性层的薄膜晶格常数之比确定的与磁性层的表面平行的长度方向的变形率可以为6％以上，优选地，可以为9％以上。
上述辅助磁性层224a～224n及上述磁性层226通过低能氢离子辐照从非磁性氧化物层相变为强磁性体，晶格常数可维持上述第一非磁性导电层222的值。由此，上述辅助磁性层或上述磁性层在面内(in plane)被拉伸应变，可示出以面外垂直方向(out ofplane)增加的自旋轨道耦合强度。
上述自旋电流图案220可以为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[Reduced Co(0.4nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)。籽晶层221可以为Ta(4nm)，第一非磁性导电层222可以为Pd(3nm)，第二非磁性导电层可以为Pd(2nm)，磁性层226可以为所还原的Co(0.4nm)。辅助磁性层224a～224n和辅助非磁性导电层223a～223n可以为所还原的Co(0.4nm)/Pd(1nm)。
图4为图3的自旋轨道转矩磁性器件内的磁性体Co的X射线吸收光谱结果。
参照图4，X射线吸收光谱数据正规化为钴(Co)的L3edge。
第一试样(参照Metallic)为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[metallic Co(0.4nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)结构。本发明一实施例的第二试样(参照Reduced)为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[Reduced Co(0.4nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)。第三试样(参照Oxidic)为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[Co3O4(0.6nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)。上述第一试样直接蒸镀了Co。上述第三试样直接蒸镀了Co3O4。第二试样以500eV的1.48×1017/cm2的剂量(dose)通过氢离子辐照(500eV)还原了Co3O4层。
根据X射线吸收光谱结果，无法区分具有金属钴(Co)的第一试样和具有所还原的钴(Co)的第二试样。
图5为示出图3中的自旋轨道转矩磁性器件的自旋矩对比轨道矩的比的结果。参照图5，使用X射线磁圆二色性(x-ray magnetic circular dichroism，XMCD)沿着垂直方向进行检测。第一试样(称为MSL)具有Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[metallic Co(tCo)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)结构。本发明一实施例的第二试样(称为RSL)为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[Reduced Co(tCo)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)。相对于第二试样的正规化的自旋矩的轨道矩相比于第一试样在0.6nm以下的Co厚度中增加约30％。这种相对于自旋矩的轨道矩的增加应解释为增加具有异质接合的磁性体表面的垂直方向自旋轨道耦合。
图6示出比较例的根据参考多层薄膜结构(称为MSL)的第一试样的外部磁场的高频信号的结果。图7为示出本发明一实施例的多层薄膜结构(称为RSL)中的外部磁场的高频信号的结果。
参照图6，第一试样(称为MSL)为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[metallic Co(0.4nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)结构。
x轴为平行于自旋电流图案的表面自旋电流图案的延伸方向，y轴为垂直于除自旋电流图案的配置平面之外的x轴的方向。自旋轨道转矩可包括类场力矩(field-liketorque)或称为横向力矩(transverse torque)的阻尼力矩(damping-like torque)或称为纵向力矩(longitudinal torque)的扭矩。
有效磁场可通过下述式算出。
数学式1
其中，Vf为第一高频成分的振幅，V2f为第二高频成分的振幅。类场力矩与横向有效磁场(Transverse effective field；ΔHT)成正比，阻尼力矩与纵向有效磁场(longitudinal effective field；ΔHL)成正比。在第一试样中，ΔHL＝62Oe，ΔHT＝23Oe。面内电流密度为2.07×107A/cm2。
参照图7，第二试样为Si基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[reduced Co(0.5nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)结构。在第二试样中，ΔHL＝4300Oe，ΔHT＝-360Oe。面内电流密度为1.19×107A/cm2。第二试样的有效磁场相比于第一试样增加约数十倍。
自旋轨道转矩的表面相互对称，因此，经预测，在超晶格结构相互抵消。但是，与预测不同地，根据第二试样的实验结果，自旋轨道转矩在具有所还原的钴的超晶格结构中显著增加。
表1
ΔH<sub>L</sub>/J<sub>C</sub> ΔH<sub>T</sub>/J<sub>C</sub>
[MetallicCo/Pd]<sub>10</sub> 16.710<sup>-6</sup> 2.3×10<sup>-6</sup>
[ReducedCo/Pd]<sub>10</sub> 268.1×10<sup>-6</sup> 35.8×10<sup>-6</sup>
每个电流密度可生成的ΔHT或ΔHL相比于第一试样([Metallic Co/Pd])在第二试样([Reduced Co/Pd])中显著高。
[reduced Co/Pd]n结构产生高的自旋轨道转矩。并且，自旋轨道耦合大的[reduced Co/Pd]n电子带结构可通过辐照氢来改变Co/Pd内的电荷数。通过调节上述氢的浓度来调节费米能级的高低，可使自旋霍尔电导率最大化。通常，上述费米能级以对自旋霍尔电导率具有影像而周知(Phys.Rev.Lett.100，096401 Published 3 March 2008)。
图8为示出本发明一实施例的自旋电流图案的磁化反转的结果。
参照图8，试样为基板/Ta(4nm)/Pd(3nm)/[reduced Co(0.5nm)/Pd(1nm)]10/Pd(2nm)结构。为了检测，每秒输入10nsec的电流脉冲。外部磁场Hz几乎垂直地向自旋电流图案的配置平面输入，外部磁场Hz的强度以与磁性层的初始磁化方向平行(a)或反平行(b)的方式输入。外部磁场Hz为了去除热辅助开关(thermally assisted switching)而输入。
在外部磁场Hz与初始磁化方向平行(parallel)的情况下，当输入电流密度为3.0×1011A/cm2时，开始对磁化反转进行开关动作，当输入电流密度为5.0×1011A/cm2时，完美地执行磁化反转的开关动作。随着外部磁场的强度增加，开关电流密度也增加。
在外部磁场Hz与初始磁化方向发平行(anti-parallel)的情况下，相比于开关电流平行的情况增加。
图9为示出自旋电流图案的磁化反转的磁光克尔效应(Magneto-optic Kerreffect)图像。
参照图9，在外部磁场Hz为10mT的情况下，以10nsec的电流脉冲执行磁化反转。
图10为示出本发明另一实施例的磁性器件的立体图。
参照图10，自旋轨道转矩磁性器件300包括：自旋电流图案320，配置于基板110上，通过面内电流Iw生成垂直于配置平面的自旋电流；以及自由磁性层330，以与上述自旋电流图案320相接触的方式配置，通过上述自旋电流进行磁化反转。上述自由磁性层330包括：多层薄膜结构的磁性层326，以相互交替的方式配置；以及非磁性导电层324。上述磁性层326具有垂直磁各向异性，通过上述自旋电流进行磁化反转，上述磁性层326被上述非磁性导电层324而引起拉伸应变。以上述磁性层326的基准晶格常数与上述磁性层的薄膜晶格常数之比确定的长度方向的变形率为9％以上。上述磁性层326配置于多个上述非磁性导电层之间来被拉伸应变。
面内电流Iw沿着上述自旋电流图案320的延伸方向流动，通过上述面内电流处置于配置平面的自旋电流向上述自由磁性层330输入。由此，上述自旋电流对上述自由磁性层的磁化方向进行开关动作。上述自旋电流图案320可包括籽晶层321以及自旋电流非磁性导电层322。上述籽晶层321可以为Ta，上述自旋电流非磁性导电层322可以为Pd。
上述磁性层326可通过氢离子辐照还原非磁性氧化物层。上述磁性层326通过上述氢离子辐照从顺磁性体相变为强磁性体，上述磁性层的薄膜晶格常数可维持为上述非磁性导电层324的晶格常数。上述非磁性氧化物层可以为Co3O4，上述磁性层326可以为Co。上述非磁性氧化物通过氢离子辐照还原来相变为Co薄膜，薄膜晶格常数可实质上维持上述上述非磁性导电层324的晶格常数。在上述氢离子辐照工序中，离子能可以为数keV(千电子伏)以下。优选地，上述离子能可以为300eV至500eV。
上述磁性层326及上述非磁性导电层324可包含氢。上述氢可通过调节上述磁性层和上述非磁性导电层的费米能级增加自旋轨道转矩或自旋霍尔电导率。
上述磁隧道接合301可包括上述自由磁性层330、固定磁性层150以及配置于上述自由磁性层与上述固定磁性层之间的隧道绝缘层140。上述自由磁性层330及固定磁性层150可具有垂直磁各向异性。外部磁场Hext可提供上述自由磁性层330的稳定地开关动作。
以上示出并说明了本发明的特定优选实施例，本发明并不限定于这种实施例，包括所有本发明所属技术领域的普通技术人员可在不超过发明要求保护范围所请求的本发明的技术思想的范围内实施的各种方式的实施例。

Claims (20)

1.一种自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于，包括：
自旋电流图案，通过面内电流生成垂直于配置平面的自旋电流；以及
自由磁性层，以与所述自旋电流图案相接触的方式配置，具有通过所述自旋电流进行磁化反转的垂直磁各向异性，
其中，所述自旋电流图案包括：
第一非磁性导电层；
第二非磁性导电层，与所述第一非磁性导电层相向配置；以及
磁性层，介于所述第一非磁性导电层与所述第二非磁性导电层之间，基于所述第一非磁性导电层来使原子排列对齐，具有垂直磁各向异性，
所述磁性层被所述第一非磁性导电层及所述第二非磁性导电层引起拉伸应变。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层的基准晶格常数小于所述第一非磁性导电层或小于所述第二非磁性导电层的晶格常数，
以所述磁性层的基准晶格常数与所述磁性层的薄膜晶格常数的比确定的与所述磁性层的表面平行的长度方向的变形率为6％以上。
3.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层通过利用氢离子辐照对非磁性氧化物层进行还原来形成，
所述磁性层的晶格常数维持为所述第一非磁性导电层的晶格常数。
4.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层及所述第一非磁性导电层包含氢，
所述氢调节所述磁性层和所述第一非磁性导电层的费米能级。
5.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述非磁性氧化物层为Co3O4，所述磁性层为Co。
6.根据权利要求3所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层处于假晶外延状态，以与所述第一非磁性导电层及所述第二非磁性导电层的晶格常数一致。
7.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层的厚度为0.2nm至0.6nm。
8.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于，还包括：
固定磁性层，与所述自由磁性层相向配置；以及
隧道绝缘层，介于所述自由磁性层与所述固定磁性层之间。
9.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述第一非磁性导电层及所述第二非磁性导电层为Pd，
所述磁性层为Co。
10.根据权利要求1所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述自旋电流图案还包括交替配置在所述第一非磁性导电层与所述磁性层之间的至少一对辅助非磁性导电层及辅助磁性层，
所述辅助非磁性导电层和所述辅助磁性层具有多层薄膜结构。
11.一种自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于，包括：
自旋电流图案，配置于基板上，通过面内电流生成垂直于配置平面的自旋电流；以及
自由磁性层，以与所述自旋电流图案相接触的方式配置，通过所述自旋电流进行磁化反转，
其中，所述自由磁性层包括相互交替配置的多层薄膜结构的磁性层及非磁性导电层，
所述磁性层具有垂直磁各向异性，通过所述自旋电流进行磁化反转，
所述磁性层被所述非磁性导电层引导而引起拉伸应变。
12.根据权利要求11所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层的基准晶格常数小于所述第一非磁性导电层或小于所述第二非磁性导电层的晶格常数，
以所述磁性层的基准晶格常数与所述磁性层的薄膜晶格常数之比确定的与所述磁性层的表面平行的长度方向的变形率为6％以上。
13.根据权利要求11所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层通过对氧化物层进行还原来形成，
所述磁性层的晶格常数维持为所述非磁性导电层的晶格常数。
14.根据权利要求13所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层及所述非磁性导电层包含氢，
所述氢调节所述磁性层和所述非磁性导电层的费米能级。
15.根据权利要求13所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述氧化物层为Co3O4，
所述磁性层为Co。
16.根据权利要求13所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层处于假晶外延状态，以与所述非磁性导电层的晶格常数一致。
17.根据权利要求11所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于：
其中，所述磁性层的厚度为0.2nm至0.6nm。
18.根据权利要求11所述的自旋轨道转矩磁性器件，其特征在于，还包括：
固定磁性层，配置在所述自由磁性层上；以及
隧道绝缘层，以对齐的方式配置在所述自由磁性层上，介于所述自由磁性层与所述固定磁性层之间。
19.一种自旋电流磁性层叠体，通过自旋轨道耦合生成垂直于面外的自旋电流，其特征在于，包括：
第一非磁性导电层；以及
所述第一非磁性导电层上的磁性层，
其中，所述磁性层的厚度小于所述第一非磁性导电层的厚度，
以所述磁性层的基准晶格常数与所述磁性层的薄膜晶格常数之比确定的所述磁性层以与所述磁性层的表面平行的长度方向的6％以上的变形率被拉伸应变。
20.根据权利要求19所述的自旋电流磁性层叠体，其特征在于，以9％以上的所述变形率被拉伸应变。
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