CN112640088A - 自旋电子器件、磁存储器以及电子设备 - Google Patents

自旋电子器件、磁存储器以及电子设备 Download PDF

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Abstract

提供自旋电子器件、磁存储器以及电子设备，能够在不依赖于特定材料的情况下生成大自旋流。自旋电子器件(1)具有导电层(2)、载流子迁移率或电导率比导电层(2)低的导电层(3)、以及导电层(2、3)之间的边界区域(4)。边界区域(4)具有载流子迁移率或电导率的梯度，通过由该梯度产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流。

Description

自旋电子器件、磁存储器以及电子设备
技术领域
本公开涉及自旋电子器件、磁存储器以及电子设备。本申请主张基于2018年9月5日申请的日本申请第2018-165900号的优先权，援引了所述日本申请中记载的全部记载内容。
背景技术
在非专利文献1、2中，公开了源于磁性体的磁化运动的自旋的扩散运动有关的研究。另外，在非专利文献3、4中，公开了在铂(Pt)等贵金属中上自旋和下自旋相互逆向散射的相对论效应有关的研究。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Mizukami et al.，“The study on ferromagnetic resonancelinewidth for NM/80NiFe/NM(NM＝Cu，Ta，Pd and Pt)films”，Japanese Journal ofApplied Physics，40(2A)，p.580，(2001)
非专利文献2：Urban et al.，“Gilbert Damping in Single and MultilayerUltrathin Films：Role of Interfaces in Nonlocal Spin Dynamics”，Physical ReviewLetters，Volume87，217204，(2001)
非专利文献3：Kato et al.，“Observation of the spin Hall effect insemiconductors”，Science，Volume 306，pp.1910-1913(2004)
非专利文献4：Kimura et al.，“Room-temperature reversible spin Halleffect”，Physical Review Letters，Volume 98，156601(2007)
非专利文献5：Chen et al.，“Spin-torque and spin-Hall nano-oscillators”，Proceedings，IEEE，Volume 104，pp.1919-1945(2016)
非专利文献6：An et al.，“Spin-torque generator engineered by naturaloxidation of Cu”Nature Communications，7，13069(2016)
发明内容
发明要解决的课题
自旋流是不伴随电荷的自旋角动量流，可以广泛地用于各种自旋电子器件的控制。由于不伴随电荷，所以不产生焦耳热，能够显著降低电子器件的能量消耗。此外，自旋流比奥斯特磁场更有效地带来磁化转矩。自旋流具有使直接面对微细化带来的高性能化的原理上的界限的晶体管、随机存取存储器、逻辑运算元件之类的电子器件的性能飞跃性地提高的可能性。
现有的自旋流生成理论是以物质中存在的自旋轨道相互作用(Spin OrbitInteraction；SOI)为基础的。已知SOI是物质固有的现象，在铂、钽、钨或铋之类的原子序号大的稀有金属中增强。因此，使用材料受到限制而成为抑制自旋流强度进一步提高的主要原因。
本公开的目的在于，提供能够在不依赖于特定材料的情况下生成大自旋流的自旋电子器件、磁存储器以及电子设备。
用于解决课题的手段
一个实施方式的自旋电子器件具有如下的区域：该区域具有载流子迁移率或电导率的梯度，通过由该梯度产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流。通常，在对含有自由电子的材料施加了电压的情况下，若着眼于一个电子，则电子一边与位于材料中的散射体碰撞一边反复加速、减速，一边锯齿状地运动一边在材料中向电压施加方向行进。当在时间和空间上以大比例观察时，可以理解为电子组沿一个方向同样地迁移。由该电子的流动引起的电荷的迁移产生电流。
当对具有载流子迁移率或电导率的梯度的区域施加电压时，电子一边与散射体碰撞一边行进，但在载流子迁移率或电导率高的区域中迁移的电子的迁移速度比在载流子迁移率或电导率低的区域中迁移的电子的迁移速度快。即，在具有载流子迁移率或电导率的梯度的区域中，与载流子迁移率或电导率一样的通常的材料中不同，产生电子的迁移速度不一样的分布。此时，当着眼于该区域中的微小区域时，可认为在该微小区域中，电子的速度场(矢量场)由于电子的迁移速度的不同而旋转。该速度场的旋转的大小也可以理解为涡度。由于该速度场的旋转，在该区域中的多个电子流中存在“角动量”。该角动量被转换为一个方向的自旋(上自旋或下自旋)，上自旋和下自旋的平衡状态被打乱，上自旋和下自旋的相对分布产生偏差。其结果是，在消除分布偏差的方向上产生自旋流。
根据本发明人的见解，通过以上作用，能够生成例如与基于SOI的情况相同程度以上的大自旋流。并且，上述作用仅通过形成载流子迁移率或电导率的梯度即可显现，不需要产生SOI的贵金属(例如Pt)等特别的材料。因此，不论SOI的大小如何，都能够将铜(Cu)、铝(Al)、铁(Fe)、铂(Pt)之类的金属、氧化铟(In2O3)等导电性氧化物、氮化钛(TiN)等导电性氮化物、聚乙炔等导电性高分子以及硅(Si)等半导体用于自旋流生成。即，根据上述的自旋电子器件，能够在不依赖于磁性或SOI的有无的情况下生成自旋流。
上述自旋电子器件还可以具有第1导电层和载流子迁移率或电导率比第1导电层低的第2导电层，上述区域是第1导电层与第2导电层的边界区域。在载流子迁移率或电导率互不相同的第1和第2导电层的边界区域中，通过原子的扩散等，自然形成载流子迁移率或电导率的梯度。因此，根据该自旋电子器件，能够容易地实现具有载流子迁移率或电导率的梯度的区域。
上述自旋电子器件可以不具有与第1导电层相邻的铁磁性层。根据上述自旋电子器件，通过上述作用，即使不具有铁磁性层也能够生成自旋流。
在上述自旋电子器件中，第2导电层可以包含构成第1导电层的材料的氧化物。由此，能够容易地形成载流子迁移率或电导率比第1导电层低的第2导电层。在该情况下，第1导电层可以主要含有铜，第2导电层可以主要含有氧化铜。
在上述自旋电子器件中，第2导电层也可以由除构成第1导电层的材料的氧化物之外的其他材料构成。即使在这种情况下，也可以获得上述自旋流生成作用。
上述自旋电子器件可以通过由电子的速度场的旋转产生的角动量来生成自旋流。因此，能够如上所述产生自旋流。
一个实施方式的磁存储器具有：第1铁磁性层；非磁性层，其设置在第1铁磁性层上；第2铁磁性层，其设置在非磁性层上；第1导电层，其设置在第2铁磁性层上；以及第2导电层，其设置在第1导电层上，并且所述第2导电层的载流子迁移率或电导率低于第1导电层，第1导电层与第2导电层的边界区域在层叠方向上具有载流子迁移率或电导率的梯度，通过由该梯度产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流，使用自旋流对第2铁磁性层的磁化的方向进行控制，从而存储信息。该磁存储器具有上述自旋电子器件的结构。因此，能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流。
另一个实施方式的自旋电子器件具有第1导电层和载流子迁移率或电导率比第1导电层低的第2导电层，通过由第1导电层与第2导电层的边界处的载流子迁移率或电导率的变化产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流。即使在载流子迁移率或电导率不连续地变化的情况下，电子的速度场也由于电子的迁移速度的不同而旋转。通过该速度场的旋转，在电子流中产生“角动量”，通过上述作用产生自旋流。因此，在该自旋电子器件中也能够生成大自旋流。并且，该作用仅通过使载流子迁移率或电导率不连续地变化即可显现，不需要产生SOI的贵金属等特别的材料。
另一个实施方式的磁存储器具有：第1铁磁性层；非磁性层，其设置在第1铁磁性层上；第2铁磁性层，其设置在非磁性层上；第1导电层，其设置在第2铁磁性层上；以及第2导电层，其设置在第1导电层上，并且第2导电层的载流子迁移率或电导率低于第1导电层，通过由第1导电层与第2导电层的边界处的载流子迁移率或电导率的变化产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流，使用自旋流对第2铁磁性层的磁化的方向进行控制，从而存储信息。该磁存储器具有上述自旋电子器件的结构。因此，能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流。
一个实施方式的电子设备搭载有1个以上的上述任意的磁存储器。该电子设备具有上述自旋电子器件的结构。因此，能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流。
一个实施方式的自旋转矩振荡元件具有：铁磁性层；第1导电层，其设置在铁磁性层上；以及第2导电层，其设置在第1导电层上，并且第2导电层的载流子迁移率或电导率比第1导电层低，第1导电层与第2导电层的边界区域在层叠方向上具有载流子迁移率或电导率的梯度，通过由该梯度产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流，使用自旋流对铁磁性层的磁化的方向振动，从而产生交流磁场。该自旋转矩振荡元件具有上述自旋电子器件的结构。因此，能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流。
发明效果
根据本公开的自旋电子器件、磁存储器以及电子设备，能够在不依赖于特定材料的情况下生成大自旋流。同样，根据本公开的自旋转矩振荡元件，能够在不依赖于特定材料的情况下生成大自旋流。
附图说明
图1是示出第1实施方式的自旋电子器件1的结构的立体图。
图2是示出层叠方向上的器件1的载流子迁移率的变化的曲线图。
图3的(a)部分和(b)部分是示出在与层叠方向交叉的方向上施加电压时在器件1的内部迁移的电子的速度的示意图。
图4是作为参考例而示出基于瑞利波的自旋流的生成机制的示意图。
图5的(a)部分是示出为了实验而准备的试料S1的层构造的图。图5的(b)部分是示出为了实验而准备的试料S2的层构造的图。
图6的(a)部分是示出为了实验而准备的试料S3的层构造的图。图6的(b)部分是示出为了实验而准备的试料S4的层构造的图。
图7是示出霍尔条20的外观的立体图。
图8是概略地示出从电流向自旋流的转换有关的实验的设定的图。
图9是示出评价了转换效率θJcJs的结果的图表。
图10的(a)部分是示出试料S1、S2中的R2x的电流依赖性的曲线图。图10的(b)部分是示出试料S3、S4中的R2x的电流依赖性的曲线图。
图11是概略地示出用于测定从直流自旋流向直流电流的转换效率的结构的图。
图12是示出评价了转换效率θJsJc的结果的图表。
图13的(a)部分是概念性地示出试料S1的Pt层中的从电流Jc向自旋流Js的转换的情形的概念图。图13的(b)部分是概念性地示出试料S1的Pt层中的从自旋流Js向电流Jc的转换的情形的概念图。
图14的(a)部分是概念性地示出试料S3的Cu层和Cu2O层(特别是这些层间的边界区域)中的从电流Jc向自旋流Js的转换的情形的图。图14的(b)部分是概念性地示出试料S3的Cu层和Cu2O层中的从自旋流Js向电流Jc的转换的情形的图。
图15是示出试料S3的层构造的概略模型的图。
图16是示出第2实施方式的磁存储器30的结构的立体图。
图17的(a)部分和(b)部分是示出存储元件Mi、j的结构的剖视图。
图18是示出Au、Ag、Al、Cu、Pt、Ta、W、Bi3Se2、BiSb的电导度σ和自旋空穴传导度σSH的关系的曲线图。
图19的(a)部分是示意地示出导电层2和3以及边界区域4附近的原子构造的图。图19的(b)部分是示出厚度方向上的电导度σ的变化的曲线图。
图20是示出在表面形成有氧化膜的铜膜(Cu*)以及Pt中的从电流向自旋流的转换效率及从自旋流向电流的转换效率的曲线图。
图21是示出表示摩擦大小的吉尔伯特(Gilbert)阻尼常数α与外部磁场μ0H的关系的曲线图。
图22是示出一个变形例的自旋电子器件1A的结构的立体图。
图23是示出层叠方向上的器件1A的迁移率的变化的曲线图。
图24是示出在与层叠方向交叉的方向上施加电压时在器件1A的内部迁移的电子的速度的示意图。
图25是示出表面氧化后的铜薄膜中的自旋流强度与氧化时间的关系的曲线图。
图26的(a)部分是示出深度方向上的氧原子的分布与氧化时间的关系的曲线图。
图26的(b)部分是示出深度方向上的电导度的分布与氧化时间的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对基于本公开的自旋电子器件、磁存储器以及电子设备的实施方式进行详细说明。另外，在附图的说明中，对相同要素标注相同标号并省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是示出本公开的第1实施方式的自旋电子器件1(以下，简称为器件1)的结构的立体图。如图1所示，该器件1具有导电层2(第1导电层)和导电层3(第2导电层)。导电层2的构成材料例如是Cu、Al、Fe、Pt、Au、Ag之类的金属或Si、Ge之类的半导体、SiGe或AlGaAs之类的化合物半导体、In2O3等导电性氧化物、TiN等导电性氮化物、聚乙炔等导电性高分子或者它们的组合。导电层2的厚度例如处于0.1～1000nm的范围内，导电层3的厚度例如处于0.1～1000nm的范围内。
构成导电层3的材料的载流子迁移率(以下，简称为迁移率)低于构成导电层2的材料的迁移率。导电层3可以是构成导电层2的材料的氧化物。即，在导电层2主要含有铜(Cu)的情况下，导电层3可以主要含有氧化铜(Cu2O、CuO、Cu2O3、Cu4O3、Cu3O、Cu4O或者它们的混合体)。在一个实施例中，导电层2由铜构成，导电层3由氧化铜构成。另外，在导电层2主要含有铝(Al)的情况下，导电层3也可以主要含有氧化铝(Al2O3)。在一个实施例中，导电层2由铝构成，导电层3由氧化铝构成。导电层3可以通过氧化导电层2的表面来形成。导电层3可以是在导电层2的表面形成的自然氧化膜。
器件1还具有边界区域4。边界区域4是存在于导电层2与导电层3的边界的层状的区域。当宏观地观察时，导电层2和导电层3相互接触，但当微观地观察时，由于原子的扩散而在导电层2与导电层3之间形成厚度微小的边界区域4。边界区域4的厚度例如比0nm大且为100nm以下。边界区域4的厚度可以是例如几埃之类的非常接近0的值。在边界区域4中，导电层2的构成材料和导电层3的构成材料混合在一起。在边界区域4中，越接近与导电层2的界面，导电层2的构成材料的比例越大，越接近与导电层3的界面，导电层3的构成材料的比例越大。
图2是示出层叠方向上的器件1的迁移率的变化的曲线图。在图2中，范围D2相当于导电层2，范围D3相当于导电层3，范围D4相当于边界区域4。
如图2所示，构成导电层3的材料的迁移率μ3低于构成导电层2的材料的迁移率μ2。导电层2的迁移率μ2例如比0大且为50000cm2/Vs以下，导电层3的迁移率μ3例如比0大且为50000cm2/Vs以下。并且，这些迁移率之比(μ2/μ3)的下限例如为10。另外，比(μ2/μ3)的上限值例如为100000，但从生成自旋流的观点来看也可以大于100000。边界区域4的载流子迁移率具有梯度，从与导电层2的界面到与导电层3的界面连续地变化。边界区域4中的迁移率的变化率在厚度方向上可以是恒定的，也可以是不恒定的。例如，与靠近导电层2、3的区域相比，位于导电层2、3的中间的区域中的迁移率的变化率可以变大。迁移率的变化起因于构成边界区域4的材料的比例的变化。
图3的(a)部分和(b)部分是示出在与层叠方向交叉的方向上施加电压时在器件1的内部迁移的电子的速度的示意图。图3的(a)部分表示器件1的整体，图3的(b)部分将边界区域4附近放大而示出。图中的箭头A2表示导电层2中的电子的迁移，箭头A3表示导电层3中的电子的迁移，箭头A4表示边界区域4中的电子的迁移。各箭头A2～A4的长度表示电子的迁移速度，箭头越长，电子的迁移速度越大。另外，在对含有自由电子的材料施加了电压的情况下，各电子一边与位于材料中的散射体碰撞一边反复加速、减速，一边锯齿状地运动一边在材料中沿电压施加方向行进。当在时间和空间上以大比例观察时，可以理解为电子组沿一个方向同样地迁移。图3的箭头A2～A4表现这样的电子组的同样的迁移。
在迁移率高的导电层2中迁移的电子的迁移速度比在迁移率低的导电层3中迁移的电子的迁移速度快。因此，箭头A2比箭头A3长。另一方面，在边界区域4中，与迁移率相同的导电层2、3不同，产生电子的迁移速度不相同的分布。在本实施方式中，边界区域4中的迁移率具有梯度，迁移率以在与导电层2的界面附近大而在与导电层3的界面附近小的方式连续地变化。因此，如图3的(b)部分所示，边界区域4中的电子的迁移速度以在与导电层2的界面附近快而在与导电层3的界面附近慢的方式连续地变化。另外，边界区域4中的电子的迁移速度的变化率在厚度方向上可以是恒定的，也可以是不恒定的。例如，与靠近导电层2、3的区域相比，位于导电层2、3的中间的区域中的迁移速度的变化率可以变大。这样的迁移速度的变化也起因于构成边界区域4的材料的比例的变化。
对器件1中的自旋流生成作用进行说明。图4是作为参考例而示出基于瑞利波的自旋流的生成机制的示意图。瑞利波是声波的一种，是固体的弹性变形以波的形式在表面传播的现象。当在压电体的表面使一对梳齿型电极对置配置并在这些梳齿型电极间施加高频电压时，在压电体的表面产生瑞利波。当在瑞利波的行进方向上形成金属覆膜102时，瑞利波在金属覆膜102的表面102a上传播。此时，在金属覆膜102的表面102a附近的剖面中，金属覆膜102中的晶格点Q以椭圆状进行旋转运动。另外，图中的2个圆C1、C2分别表示代表性的2个晶格点Q1、Q2的轨迹。这意味着金属覆膜102中的各晶格点Q具有角动量。其旋转频率达到几GHz。根据角动量守恒定律，力学性的旋转运动被转换为电子自旋，由于所谓的伯内特(burnet)效应，上述的角动量被转换为一个方向的电子自旋(上自旋或下自旋)。通常，在顺磁性体中，从局部来看，自旋方向彼此相反的上自旋和下自旋的数量彼此相等。但是，当一方的电子自旋的数量增加时，该平衡状态被打乱，产生上自旋和下自旋的浓淡差异。即，产生与一方的自旋相比另一方的自旋较多的区域。此时，为了保持上自旋和下自旋的平衡状态，自旋向消除浓淡差异的方向迁移。这就是自旋流。但是，由于不伴随电荷的迁移，所以电流不流动。
本实施方式的自旋流的产生也可以与该机理同样地进行说明。当着眼于边界区域4的微小区域时，可以认为电子的速度场(矢量场)由于电子的迁移速度的不同而旋转(图3的(b)部分的箭头Ar)。该速度场的旋转Ar的大小也可以理解为涡度。由于该速度场的旋转Ar，在边界区域4中的多个电子流中存在角动量。并且，该角动量被转换为一个方向的电子自旋(上自旋或下自旋)。由此，上自旋和下自旋的平衡状态被打乱，上自旋和下自旋的相对分布产生偏差。其结果是，在消除分布偏差的方向(即，从边界区域4朝向导电层2的方向)上产生自旋流。
如后述的实施例所示，通过以上作用，能够生成与基于自旋轨道相互作用(SOI)的情况相同程度以上的大小的自旋流。另外，在基于现有的SOI的自旋流的生成中，需要产生SOI的贵金属(例如Pt)等特别的材料，但上述作用仅通过形成迁移率的梯度即可显现，不需要Pt等特别的材料。因此，可以使用仅具有少量SOI的Cu或Al之类的非磁性金属、甚至Si等半导体。即，根据本实施方式的器件1，能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流。
另外，如本实施方式那样，器件1也可以具备导电层2和具有比导电层2低的迁移率的导电层3。在位于迁移率互相不同的导电层2与导电层3之间的边界区域4中，如图2所示，通过原子的扩散等自然地形成迁移率的梯度。因此，通过器件1具有导电层2、3，能够容易地实现具有迁移率的梯度的区域。
另外，器件1也可以不具有与导电层2相邻的铁磁性层。根据器件1，通过上述作用，即使不具有铁磁性层也能够生成自旋流。
另外，如本实施方式那样，导电层3也可以包含构成导电层2的材料的氧化物。由此，能够容易地形成具有比导电层2低的迁移率的导电层3。但是，本实施方式不妨碍导电层3由除了构成导电层2的材料的氧化物以外的其他材料(异种材料)构成。即使在这样的情况下，只要能够在导电层2与导电层3之间形成边界区域4，就能够得到上述的自旋流的生成作用。
另外，迁移率与电导率具有正相关性。即，表示为
(迁移率)＝(电导率)/(电荷×载流子密度)。
因此，在本说明书的说明中，迁移率可以被替换为电导率。
(实施例1)
为了确认上述理论，对本发明人所进行的实验进行说明。另外，下述实验全部是在室温环境下进行的。图5和图6是示出为了实验而准备的试样的层构造的图。图5的(a)部分所示的试样S1具有作为铁磁性层的NiFe层和设置在NiFe层上的产生SOI的作为贵金属的Pt层的层叠构造。图5的(b)部分所示的试料S2具有Pt层和设置在Pt层上的NiFe层的层叠构造。图6的(a)部分所示的试料S3具有NiFe层、设置在NiFe层上的仅产生少量SOI的Cu层、以及形成在Cu层的表面上的作为氧化膜的Cu2O层的层叠构造。图6的(b)部分所示的试料S4具有Cu层和设置在Cu层上的NiFe层的层叠构造。另外，NiFe层的厚度为5nm，Pt层的厚度为10nm。另外，在图6的(a)部分中，使Cu层与Cu2O层合在一起的厚度为10nm，在图6的(b)部分中，使Cu层的厚度为10nm。Cu2O层是通过将Cu层的表面在室温下暴露于大气中40个小时而形成的。
首先，为了调查电流与自旋流的相互转换，分别使用试料S1～S4制作了霍尔条。图7是示出霍尔条20的外观的立体图。第1层21在试料S1、S3中为NiFe层，在试料S2中为Pt层，在试料S4中为Cu层。另外，第2层22在试料S1中为Pt层，在试料S3中为Cu层和Cu2O层，在试料S2、S4中为NiFe层。霍尔条20的长度Lh为20μm，宽度W为8μm。另外，为了容易理解，在图7中一并示出xyz正交坐标系。x轴沿着霍尔条20的长度方向，y轴沿着霍尔条20的宽度方向，z轴沿着霍尔条20的层叠方向。在该实验中，对霍尔条20施加了外部磁场Hdc。外部磁场Hdc沿着xy平面，外部磁场Hdc与x轴的角度是φ。此外，在各霍尔条20的表面上形成由SiO2构成的厚度70nm的绝缘膜，在其上形成由厚度5nm的Ti层和厚度100nm的Au层构成的共面传输线路。
<从电流向自旋流的转换>
发明人使用该霍尔条20对从电流向自旋流的转换进行了实验。图8是概略地示出其结构的图。另外，图8示出了试样S1、S3的情况，但试样S2、S4也同样如此。在霍尔条20上连接锁相放大器23，使霍尔条20产生交流电流Jc，并且测定长度方向(x方向)上的电阻的二次谐波成分R2x。将电流Jc的频率设为137Hz。另外，沿y方向施加外部磁场Hdc，使磁通密度μ0Hy的大小为-300mT～300mT。R2x的大小包含由于在第1层21与第2层22的界面处产生的自旋累积而增加的电阻成分。分别基于R2x来评价试样S1～S4中的从电流向自旋流的转换效率θJcJs。
图9是示出评价了试样S1～S4中的θJcJs的结果的图表。Sam.1～Sam.4分别相当于试样S1～S4。另外，Cu*表示存在氧化层的Cu。括号内的数值表示厚度(单位：nm)。发明人为了评价转换效率θJcJs，测定了单轴性自旋霍尔磁阻(Undirectional Spin-HallMagnetroresistance；USMR)的值。另外，USMR是通过第1层21与第2层22的界面处的自旋累积而产生的磁阻，与第2层22产生的自旋流成比例。因此，根据作为电流函数的USMR的斜率，能够评价从电流向自旋流的转换效率。
为了根据这些R2x的值来决定试样S1～S4中的转换效率θJcJs的大小，调查了R2x的电流依赖性。图10的(a)部分所示的曲线G11、G12分别表示试料S1、S2各自的R2x的电流依赖性。另外，图10的(b)部分所示的曲线G21、G22分别表示试料S3、S4各自的R2x的电流依赖性。图10的(a)部分、(b)部分的曲线的斜率表示转换效率θJcJs。
如图10的(a)部分所示，在试料S1、S2中，当Pt层和NiFe层的层叠顺序颠倒时，R2x的符号反转，但无论层叠顺序如何，R2x的大小都与电流成比例。其结果是，当Pt层和NiFe层的层叠顺序颠倒时，注入到NiFe层的自旋流的自旋极化发生切换。此外，界面处的自旋累积线性地依赖于电流。这是因为由Pt的自旋霍尔效应(Spin Hall Effect：SHE)产生的自旋流的大小与电流成比例。其结果是，R2x相对于电流线性地增加。
另外，如图10的(b)部分所示，试料S3中的R2x的值相对于电流线性地增加，但另一方面，无论电流如何，试料S4中的R2x的值都是极小的。其结果表明，Cu层与其氧化层的层叠构造能够生成自旋流，仅不存在氧化层的Cu层的结构不能生成自旋流。当根据R2x来计算转换效率θJcJs时，在Pt中为0.064，在存在氧化层的Cu中为0.039。应注意的是，在Pt和存在氧化层的Cu中，转换效率θJcJs为相同的数量级(位数)。另外，氧化铜的转换效率的相对大小与非专利文献6中的记载大致相等，但在非专利文献6中，为了生成不是直流而是交流的自旋流，对几GHz的频率下的自旋转矩FMR(ST-FMR)进行计测。
<从自旋流向电流的转换>
通过自旋注入而产生的直流自旋流向直流电流的转换可以使用试样中的逆自旋霍尔效应(逆SHE)进行评价。由于铁磁性层中的铁磁性共振(FMR)的激励，自旋在铁磁性层与非磁性层之间的界面上累积。自旋流随后被注入到非磁性层。通过非磁性层的逆SHE，自旋流被转换为直流电流。在该实验中，与沿着x方向的自旋极化相伴的直流自旋流被转换为电流，沿着y方向产生霍尔电压Vy。
预想由逆SHE实现的霍尔电压Vy的极性在试样S1和试样S3中相同。这是因为，如图9所示，使用USMR测定的从电流向自旋流的转换效率的符号在试样S1、S3中均为正。为了排除试样间的偏差，使用同一试样来测定USMR和逆SHE。
图11是概略地示出该测定系统的图。将具有20dBm的屈光力的微波施加到在霍尔条20上制作的共面传输线路上，在NiFe层(第1层21)的双箭头F的方向上产生交流磁场。通过使微波的频率与NiFe的强磁性共振的频率一致，使NiFe层产生强磁性共振。微波的频率为4GHz～12GHz。此时，同时使外部磁场Hdc的方向与x轴平行。在这种情况下，通过自旋泵浦(Spin Pumping；SP)效应产生与从NiFe层(第1层21)沿着-x方向(箭头B)向另一层(第2层22)的自旋极化相伴的直流的自旋流Js。此时，通过其他层的SOI，自旋流Js被转换为电流Jc，电流Jc在宽度方向(y轴方向)上产生霍尔电压。使用电压计25测定该霍尔电压Vy。然后，基于霍尔电压Vy来评价试料S1～S4中的从自旋流向电流的转换效率θJsJc。图12是示出评价了试样S1～S4中的从自旋流向电流的转换效率θJsJc的结果的图表。
<考察>
对图9和图12进行比较，在试样S1、S2、S4中，θJcJs与θJsJc大致相等。这意味着从电流向自旋流的转换和从自旋流向电流的转换互相相反。而且，该结果与现有的SOI带来的自旋流生成现象的特征一致。与此相对，在试样S3中，θJcJs为θJsJc的大约9.75倍大。这意味着从电流向自旋流的转换和从自旋流向电流的转换并非互相相反。在上述的实施例中，通过利用USMR，证明了铜与氧化铜的层叠构造中的直流自旋流的产生。在非专利文献6中，叙述了铜与氧化铜的层叠构造中的交流自旋流的生成起因于整体的SHE。这是因为通过实验得到的拉什巴(Rashba)效应与对金属已知的值相比极大。实际上，通过实验示出了表面氧化铜的SOI是与Au的SOI相同的程度，是Pt的SOI的四分之一左右。但是，图9和图12所示的结果表明，在表面氧化铜中产生的自旋流不是基于相反的SOI，而是起因于不相反的机理。
作为不相反的自旋流生成机制之一的可能性，存在自旋/涡度耦合(spin-vorticity coupling；SVC)。SVC是将机械旋转引起的巨大的角动量转换为微小的自旋角动量的作用。特别是，固体或液体的机械旋转可以是自旋累积的源。实际上，SVC进行的自旋流的生成是利用液体水银的紊流或Cu膜表面的瑞利波来实现的(参照图4)。在这些系统中，由晶格的运动引起的涡度场作为有效磁场对电子自旋产生影响，通过SVC，沿着涡度的梯度产生自旋流。即使在厚度方向上具有载流子迁移率大的梯度的表面氧化铜中也由电流生成涡度的梯度，从而产生自旋流。
图13和图14是概念性地示出电流和自旋流的相互转换的情形的图。图13的(a)部分示出试料S1的Pt层中的从电流Jc向自旋流Js的转换的情形。图13的(b)部分示出试料S1的Pt层中的从自旋流Js向电流Jc的转换的情形。图14的(a)部分示出试料S3的Cu层和Cu2O层(特别是这些层间的边界区域)中的从电流Jc向自旋流Js的转换的情形。图14的(b)部分示出试料S3的Cu层和Cu2O层中的从自旋流Js向电流Jc的转换的情形。另外，在附图中，S表示电子自旋。另外，电流Jc的箭头大小表示电子的迁移速度。图14的(a)部分所示的圆形的箭头表示电子的流动的涡度V(即电子的速度场的旋转)。
图14的(a)部分所示的涡度V是由于Cu层和Cu2O层的边界区域中的不均匀的迁移率而使电子的迁移速度的分布在空间上不均匀而产生的。这样，电流Jc通过SVC转换为沿着涡度梯度的自旋流Js。另外，如图14的(b)部分所示，即使对Cu层和Cu2O层的边界区域以与迁移率的梯度平行的方式注入自旋流Js，也不会产生电子流的涡度V，因此自旋流Js不会转换为电流Jc。
图15是示出试料S3的层构造的概略模型的图。如上所述，试料S3具有设置在NiFe层上的Cu层和设置在Cu层上的Cu2O层。另外，在该模型中，Cu层的厚度为4nm，包含边界区域的Cu2O层的厚度为6nm。在图15中，还示出了表示厚度方向(z方向)上的迁移率的变化的曲线。从该曲线可知，Cu2O层的迁移率μCu2O比Cu层的迁移率μCu小。而且，在Cu层与Cu2O层的边界区域中，迁移率连续变化。边界区域的厚度D例如小于6nm。这种迁移率的连续变化由Cu原子和O原子的相互扩散产生。这里，假设迁移率在厚度方向(z方向)上平滑地变化，将μ(z)为表示为
Figure BDA0002959779840000131
此时，转换效率θJcJs由下述的数学式(1)给出。
Figure BDA0002959779840000132
其中，l是铜中的电子的平均自由行程，L＝D/2。另外，假设比边界区域靠上的Cu2O层为理想的绝缘体。
从数学式(1)可知，L越小(即边界区域越薄)，得到越大的转换效率θJcJs。例如，在室温下的铜的典型值即L＝3nm且l＝2.8nm的情况下，转换效率θJcJs为0.044。
如上所述，在迁移率有变化的区域内，通过来自电子流的涡度(即电子流的速度场的旋转)角动量的转换，生成自旋流。这种自旋流的生成方法不需要铁磁性材料或具有大SOI的材料，能够提高自旋电子器件的材料选择的自由度。
(第2实施方式)
图16是示出本公开的第2实施方式的磁存储器30的结构的立体图。该磁存储器30是磁随机存取存储器，具有第1实施方式的器件1。具体地说，磁存储器30具有在行方向(s方向)和列方向(t方向)上呈矩阵状配置的存储元件(存储单元)M1，1～MI，J。另外，在附图中，作为代表，示出了存储元件Mi，j、Mi，(j+1)、M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)(i＝1，2，……，I-1，j＝1，2，……，J-1)。
图17的(a)部分是示出存储元件Mi，j的结构的剖视图。存储元件Mi，j是巨磁阻(GMR)元件或者隧道磁阻(TMR)元件，具有第1铁磁性层(固定层)31、设置在铁磁性层31上的非磁性层32、设置在非磁性层32上的第2铁磁性层(活动层)33以及设置在铁磁性层33上的器件1。器件1具有与第1实施方式相同的结构。即，器件1具有设置在铁磁性层33上的导电层2、设置在导电层2上的导电层3以及形成在导电层2、3之间的边界区域。导电层2、3的结构与第1实施方式相同，导电层3的迁移率比导电层2的迁移率低。而且，导电层2与导电层3的边界区域在层叠方向上具有迁移率的梯度。通过由该迁移率的梯度产生的电子的速度场的旋转，在器件1中生成自旋流。在导电层2上配置有一对电极35、36。电极35、36相互隔开间隔地排列。在铁磁性层31的下方配置有电极37。
另外，图16所示的其他存储元件Mi，(j+1)、M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)也同样如此，是具有与图17的(a)部分所示的存储元件Mi，j相同的结构的GMR元件或TMR元件。
在图17的(a)部分所示的存储元件Mi，j中，存储与铁磁性层31、33的相对磁化M1、M2的方向相对应的信息。作为铁磁性层31、33的材料，例如采用NiFe。铁磁性层31、33可以由相互不同的材料构成，也可以由相同的材料构成。铁磁性层31的磁化M1是固定的，而铁磁性层33的磁化M2是可变的。作为非磁性层32的材料，除了Cu等非磁性金属以外，例如还可以使用氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)等绝缘体。
再次参照图16。在第j行配置字线WLj，在第(j+1)行配置字线WLj+1。在第i列配设3条位线BLAi、BLBi、BLCi，在第(i+1)列配设3条位线BLAi+1、BLBi+1、BLCi+1。这样，在每行至少配置1条字线，在每列至少配置3条位线。另外，在各存储元件Mi，j、Mi，(j+1)、M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)上连接有一对选择晶体管STA和STB。选择晶体管STA的一个电流端子与电极35连接，选择晶体管STB的一个电流端子与电极36连接。与第i列的存储元件Mi，j、Mi，(j+1)连接的选择晶体管STA、STB的另一个电流端子分别与位线BLAi、BLBi连接。与第(i+1)列的存储元件M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)连接的选择晶体管STA、STB的另一个电流端子分别与位线BLAi+1、BLBi+1连接。与第j行的存储元件Mi，j、M(i+1)，j连接的选择晶体管STA、STB的各控制端子与字线WLj连接。与第(j+1)行的存储元件Mi，(j+1)、M(i+1)，(j+1)连接的选择晶体管STA、STB的各控制端子与字线WLj+1连接。
另外，第i列的存储元件Mi，j、Mi，(j+1)的电极37与位线BLCi连接。第(i+1)列的存储元件M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)的电极37与位线BLCi+1连接。字线WLj、WLj+1、位线BLAi、BLAi+1、BLBi、BLBi+1、BLCi以及BLCi+1与省略了图示的控制电路连接。
在存储元件Mi，j、Mi，(j+1)、M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)的写入时，通过与所选择的存储元件(这里为存储元件Mi，j)对应的字线WLj使该行的选择晶体管STA、STB导通，使该列的位线BLAi、BLBi在电极35与电极36之间流过电流，由此在存储元件Mi，j的器件1中产生自旋流Js。该自旋流Js与铁磁性层33的磁化M2相互作用，并且引起相对于磁化M2的自旋角动量的交接。其结果是，铁磁性层33的磁化M2反转。
存储元件Mi，j、Mi，(j+1)、M(i+1)，j、M(i+1)，(j+1)利用GMR效应或TMR效应读出信息。即，通过与所选择的存储元件(这里为存储元件Mi，j)对应的字线WLj使该行的选择晶体管STA、STB导通，通过该列的位线BLAi、BLBi、BLCi在电极35、36与电极37之间流过电流。如图17的(a)部分所示，在铁磁性层31和33的磁化处于平行状态时，通过铁磁性层31、非磁性层32以及铁磁性层33的纵向的电流路径是相对较低的电阻，经由位线BLAi、BLBi、BLCi读出例如“1”。另一方面，如图17的(b)部分所示，当铁磁性层33的磁化方向反转而使铁磁性层31和33的磁化处于反平行状态时，通过铁磁性层31、非磁性层32以及铁磁性层33的纵向的电流路径是相对较高的电阻，经由位线BLAi、BLBi、BLCi读出例如“0”。
根据本实施方式的磁存储器30，通过能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流的器件1来生成自旋流，该自旋流与铁磁性层33的磁化相互作用，能够对铁磁性层33的磁化方向进行控制。
另外，本实施方式的磁存储器30可适用于各种电子设备。即，电子设备也可以搭载一个以上的磁存储器30。作为电子设备，存在搭载有多个磁存储器30的存储板、搭载有多个磁存储器30或存储板的电子部件、搭载有磁存储器30或存储板或电子部件的家电产品、个人计算机、智能手机、车载设备、测定设备、控制设备等需要存储器的设备。
另外，根据本实施方式的磁存储器30，能够起到以下的新效果。
(1)电导度的改善
由源于自旋轨道相互作用(SOI)的自旋霍尔效应产生的自旋流生成的效率由自旋空穴传导度σSH表示。当对电压V乘以电导度σ时，得到电流密度(欧姆定律)，与此相同，当对电压V乘以自旋空穴传导度σSH时，得到自旋流密度。自旋空穴传导度σSH越大，用于产生磁存储器的位改写所需的自旋流的电压V越小。位改写的消耗能量与电压V的平方成比例，因此自旋空穴传导度σSH越大，越能减小位改写的消耗能量。
这里，图18是根据自旋空穴传导度σSH和电导度σ将各种材料绘制起来而得的曲线图。在图18中，纵轴表示将自旋空穴传导度σSH除以h/(4πe)(这里h是普朗克常数，e是基本电荷量)而得到的值(单位：西门子·m-1)，横轴表示电导度σ(单位：西门子·m-1)。如图18所示，通常在电导度σ大的Cu或Ag之类的金属中，自旋空穴传导度σSH小。另外，自旋空穴传导度σSH大的BiSb等拓扑绝缘体的电导度σ小。当将电导度σ小的材料作为磁存储器的自旋流发生源时，磁存储器的各位的布线电阻变大，产生信号的延迟及衰减、信号波形的变形、消耗电力的增大、电磁波的辐射等，妨碍高速且省电的动作。与此相对，在本实施方式中，通过进行基于全新的原理的自旋流生成，使用Al、Cu以及Ag之类的电导度σ大但物质固有的自旋空穴传导度σSH小的材料，能够产生大的自旋流。
图19的(a)部分是示意地示出导电层2和3以及边界区域4附近的原子构造的图。在该图中，范围D2相当于导电层2，范围D3相当于导电层3，范围D4相当于边界区域4。并且，在该图中，示意性地示出了构成导电层2的原子41和构成导电层2的原子42。如该图所示，在边界区域4中，构成导电层2的原子41和构成导电层3的原子42相互扩散，越接近导电层2，原子41的比例越高，越接近导电层3，原子42的比例越高。图19的(b)部分是表示厚度方向上的电导度σ的变化的曲线，横轴表示电导度σ，纵轴表示与(a)部分对应的厚度方向位置。
如图19的(b)部分所示，通过金属表面上的氧化、氮化或者在异种物质的边界处使组成具有梯度，使电导度σ在厚度D之间从σH(最大电导度)逐渐变化到σL(最小电导度，σH>σL)。另外，典型地，最大电导度σH是导电层2的电导度，最小电导度σL是导电层3的电导度。此时，边界区域4的中心处的电导度由最大电导度σH和最小电导度σL的平均值(σH+σL)/2给出，因此如果σH比σL大很多，则可以近似为σH/2。另一方面，通过理论计算，由边界区域4的电流涡产生的自旋流的自旋空穴传导度σSH由下述数学式(2)给出。
Figure BDA0002959779840000171
这里，l是流过边界区域4的电子的平均自由行程(碰撞距离)。另外，L＝D/2(D是边界区域4的厚度)。从该数学式可知，边界区域4的自旋空穴传导度σSH与σH成比例。这表示与图18所示的各种材料固有的自旋空穴传导度σSH无关，能够使用电导度σ大的物质生成大自旋流。此外，在上述的数学式(2)中，自旋空穴传导度σSH与L的平方成反比。即，自旋空穴传导度σSH与边界区域4的厚度D的平方成反比。因此，通过减小厚度D，能够在不改变导电层2、3的材料系的情况下提高自旋流生成的效率。基于以上所述，根据通过具有电导率梯度的边界区域4的该梯度产生的电子的速度场的旋转而生成自旋流的本实施方式的磁存储器30，与现有的磁存储器相比，能够显著降低各位的布线电阻，能够抑制信号的延迟和衰减、信号波形的变形、消耗电力的增大、电磁波的辐射等。
(2)磁摩擦的改善
图20是示出在表面形成有氧化膜的铜膜(Cu*)以及Pt中的从电流向自旋流的转换效率(图中的“○”记号)和从自旋流向电流的转换效率(图中的“□”记号)的曲线图。如图20所示，在铜膜(Cu*)中，与Pt不同，几乎不产生从自旋流向电流的逆转换。这是因为，即使在边界区域4中自旋流在电导度σ的梯度方向上流动，也不会产生电流的涡流。
如上所述，磁存储器的位写入是通过铁磁性层33的磁矩的反转而进行的。在磁矩的运动中，摩擦(能量向晶格的释放)起作用，越是该摩擦大的材料，越难以改变磁矩的方向。图21是示出表示摩擦大小的吉尔伯特阻尼常数α与外部磁场μ0H的关系的曲线图。在图21中，横轴表示外部磁场μ0H(单位：mT)，纵轴表示吉尔伯特阻尼常数α。
参照图21，在作为铁磁性体的NiFe单体的情况下，吉尔伯特阻尼常数α是不依赖于磁场的恒定值(0.008左右)，但当将NiFe与Pt接合时，增加到其2倍左右。这是因为，当NiFe的磁矩的方向变化时，作为其反作用，自旋流流出到Pt，该自旋流在Pt中转换(逆自旋霍尔效应)为电流，并产生焦耳热(即，能量释放)。在现有的自旋注入型的磁存储器中，由于将在Pt中产生的自旋流注入铁磁性层来进行位写入，所以需要使Pt与铁磁性层接合。此时，对铁磁性层的磁矩起作用的摩擦增加，因此难以写入。由于越是自旋流生成效率高的材料，越使作为接合对象的铁磁性层的吉尔伯特阻尼常数α增加，所以这成为位写入效率降低的主要原因。与此相对，根据通过边界区域4中的电导率的梯度来生成自旋流的本实施方式的方式，如上所述几乎不产生从自旋流向电流的逆转换，所以可以几乎不增加铁磁性层的吉尔伯特阻尼常数α。在图21中，可知在将表面氧化的铜薄膜(Cu*)与NiFe层接合的情况下，NiFe的吉尔伯特阻尼常数α几乎不增加。
如上所述，根据本实施方式的磁存储器30，能够显著地减小铁磁性层33的磁矩反转时的磁摩擦。因此，能够进一步减小位写入所需的自旋流强度。
现有的自旋注入转矩型的磁存储器(STT-MRAM)中的位改写时的消耗能量为几百(fJ)，另外，对其进行了改良的自旋轨道转矩型的磁存储器(SOT-MRAM)中的位改写时的消耗能量为STT-MRAM的1/20以下，而根据本实施方式的磁存储器30，能够进一步将位改写时的消耗能量降低到SOT-MRAM的1/10以下。另外，在本实施方式的磁存储器30中，各位的结构与SOT-MRAM相同，能够使各位的大小比STT-MRAM(80F2)小很多(例如40F2)。另外，F是最小加工尺寸(minimum feature size)。并且，能够使数据写入时间比STT-MRAM(10ns)小很多(例如1ns以下)，能够使数据改写的循环寿命比STT-MRAM(1012次)多很多(例如1015次)。
(变形例)
在上述各实施方式中，利用存在于导电层2与导电层3之间的边界区域4中的载流子迁移率或电导率的梯度产生自旋流，但即使在边界区域4的厚度无限接近0的情况下(即不存在边界区域4，载流子迁移率或电导率不连续地变化的情况下)，也能够通过该变化产生自旋流。
图22是示出本变形例的自旋电子器件1A的结构的立体图。该器件1A具有导电层2(第1导电层)和导电层3(第2导电层)。导电层2、3的构成材料、迁移率(电导率)以及厚度与第1实施方式相同。但是，在本变形例中，边界区域的厚度无限接近0或不存在。因此，导电层2、3互相接触。
图23是示出层叠方向上的器件1A的迁移率的变化的曲线图。在图23中，范围D2相当于导电层2，范围D3相当于导电层3。与第1实施方式同样，构成导电层3的材料的迁移率μ3比构成导电层2的材料的迁移率μ2低。而且，在本变形例中，由于导电层2、3互相接触(没有边界区域)，所以迁移率以导电层2、3的界面为界不连续地(阶梯状地)变化。
图24是示出在与层叠方向交叉的方向上施加电压时在器件1A的内部迁移的电子的速度的示意图。图中的箭头A2、A3分别表示导电层2、3中的电子的迁移。各箭头A2、A3的长度表示电子的迁移速度，箭头越长，电子的迁移速度越大。
在迁移率高的导电层2中迁移的电子的迁移速度比在迁移率低的导电层3中迁移的电子的迁移速度快。因此，箭头A2比箭头A3长。通过这样的电子的迁移速度的不同，在导电层2、3的界面处，电子的速度场旋转(图24中的箭头Ar)。通过该速度场的旋转Ar，在电子流中存在角动量。并且，该角动量被转换为一个方向的电子自旋(上自旋或下自旋)。由此，上自旋和下自旋的平衡状态被打乱，上自旋和下自旋的相对分布产生偏差。其结果是，在消除分布偏差的方向(即从界面朝向导电层2的方向)上产生自旋流。
在本变形例的器件1A中，也与第1实施方式同样，能够生成大自旋流。此外，该作用仅通过使载流子迁移率或电导率不连续地变化即可显现，不需要产生SOI的贵金属等特别的材料。因此，能够提高自旋电子器件的材料选择的自由度。
另外，也可以将上述第2实施方式的器件1置换为本变形例的器件1A。在该情况下，通过能够在不依赖于特定材料的情况下生成自旋流的器件1A来生成自旋流，该自旋流与铁磁性层33的磁化相互作用，能够对铁磁性层33的磁化方向进行控制。
本发明的自旋电子器件、磁存储器以及电子设备不限于上述实施方式，可以进行其他各种变形。例如，在上述实施方式中，作为第1导电层的构成材料，例示了Cu、Al，作为第2导电层的构成材料，例示了它们的氧化物，但第1导电层也可以是Cu、Al以外的其他金属，第2导电层也可以是它们的氧化物。或者，第1导电层的构成材料是从包含Cu、Al的金属组中选择的1种以上的金属，第2导电层也可以由除了其氧化物以外的其他异种材料构成。或者，第1导电层可以由半导体构成，第2导电层可以由绝缘体构成。这样，导电性有机物、导电性氧化物、导电性氮化物等显示导电性的物质都可以成为第1和第2导电层的对象。
另外，对本发明的优选的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于所述特定的实施方式。即，本发明只不过记载了多个存在的实施例的一部分，只要在能够实现本发明的目的、课题或效果的范围内，即使在实施例中没有直接的记载，当然也能够进行各种变形、变更。特别是，对于实施例中记载的多个结构部或功能，可以变更(追加、删除)其组合。
另外，关于本发明的课题和目的，在“发明所要解决的课题”中进行了总括的记载，但并不限定于此，关于还在实施例中记载的课题和目的，对于各个发明当然是有效的。另外，关于实施例记载的效果，由于是课题或目的的相反，所以即使在此没有直接记载课题或目的，也应该理解其存在。
另外，虽然在实施例中记载了用于达成课题或者目的的发明，但其达成度不一定必须是100％，其根据发明的构成的组合而变化，当然例如即使是10％的达成度，本发明也不应该被否定为未达到目的。
(附带说明)
关于在第1实施方式中所述的通过具有电导率的梯度的区域能够生成自旋流的事实，下面的实验结果也成为明确的根据。图25是示出表面氧化的铜薄膜中的自旋流强度与氧化时间的关系的曲线图。在图25中，横轴表示氧化时间(单位：秒)，纵轴表示与自旋流强度成比例的量ΔR/R。即，R表示在可以忽略自旋流的产生的条件下测定的电阻，ΔR表示由自旋流的产生引起的电阻的变化量。因此，ΔR/R表示由自旋流的产生引起的电阻的变化率。从图25可知，在氧化时间6000秒附近，自旋流强度(自旋流量)极大，当进一步氧化时，氧化时间越长，自旋流强度越逐渐减少。假设氧化铜本身获得生成自旋流的能力，则越进行氧化，自旋流强度越增加。通常，在物质的氧化过程中，首先发生“表面的氧吸附”，在氧充分吸附到整个表面后，发生“氧原子向物质内部的扩散进行”。
图26的(a)部分是示出深度方向上的氧原子的分布与氧化时间的关系的曲线图。图26的(b)部分是示出深度方向上的铜薄膜的电导度的分布与氧化时间的关系的曲线图。在这些图中，横轴表示深度(单位：nm)，(a)部分的纵轴表示氧原子密度，(b)部分的纵轴表示电导度的标准化值(各深度处的铜薄膜的电导度除以无氧化铜的电导度而得到的值)。而且，在各图中，曲线G31、G41表示氧化时间为600秒的情况，曲线G32、G42表示氧化时间为6000秒的情况，曲线G33、G43表示氧化时间为12000秒的情况。
从图26可知，当氧化时间短时，由铜表面上的氧化引起的电导度的降低较小，最大电导度σH与最小电导度σL之差(σH-σL)小。因此，电导度σ的斜率梯度小。随着氧化的进行，电导度σ的倾斜梯度变大，但在氧充分吸附在铜表面上之后，氧扩散向铜内部进行，因此倾斜梯度转变为减少。这样，由氧化时间引起的电导度σ的倾斜梯度的变化趋势与图26所示的由氧化时间引起的自旋流强度的变化趋势相互一致，因此强烈地暗示在具有电导率的梯度的区域中由电流的涡流生成自旋流。
标号说明
1：自旋电子器件；2、3：导电层；4：边界区域；20：霍尔条；21：第1层；22：第2层；23：锁相放大器；25：电压计；30：磁存储器；31、33：铁磁性层；32：非磁性层；35、36、37：电极；102：金属覆膜；102a：表面；Hdc：外部磁场；Jc：电流；Js：自旋流；Q：晶格点；S1～S4：试样；V：涡度。

Claims (11)

1.一种自旋电子器件，其中，
该自旋电子器件具有如下的区域：该区域具有载流子迁移率或电导率的梯度，
通过由所述梯度产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流。
2.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中，
该自旋电子器件还具有：
第1导电层；以及
第2导电层，该第2导电层的载流子迁移率或电导率低于所述第1导电层，
所述区域是所述第1导电层与所述第2导电层的边界区域。
3.根据权利要求2所述的自旋电子器件，其中，
该自旋电子器件不具有与所述第1导电层相邻的铁磁性层。
4.根据权利要求2或3所述的自旋电子器件，其中，
所述第2导电层包含构成所述第1导电层的材料的氧化物。
5.根据权利要求4所述的自旋电子器件，其中，
所述第1导电层主要含有铜，所述第2导电层主要含有氧化铜。
6.根据权利要求2或3所述的自旋电子器件，其中，
所述第2导电层由除构成所述第1导电层的材料的氧化物之外的其他材料构成。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的自旋电子器件，其中，
通过由所述电子的速度场的旋转产生的角动量来生成所述自旋流。
8.一种自旋电子器件，其具有：
第1导电层；以及
第2导电层，该第2导电层的载流子迁移率或电导率低于所述第1导电层，
通过由所述第1导电层与所述第2导电层的边界处的载流子迁移率或电导率的变化产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流。
9.一种磁存储器，其具有：
第1铁磁性层；
非磁性层，其设置在所述第1铁磁性层上；
第2铁磁性层，其设置在所述非磁性层上；
第1导电层，其设置在所述第2铁磁性层上；以及
第2导电层，其设置在所述第1导电层上，并且所述第2导电层的载流子迁移率或电导率低于所述第1导电层，
所述第1导电层与所述第2导电层的边界区域在层叠方向上具有载流子迁移率或电导率的梯度，
通过由所述梯度产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流，使用所述自旋流对所述第2铁磁性层的磁化的方向进行控制，从而存储信息。
10.一种磁存储器，其具有：
第1铁磁性层；
非磁性层，其设置在所述第1铁磁性层上；
第2铁磁性层，其设置在所述非磁性层上；
第1导电层，其设置在所述第2铁磁性层上；以及
第2导电层，其设置在所述第1导电层上，并且所述第2导电层的载流子迁移率或电导率低于所述第1导电层，
通过由所述第1导电层与所述第2导电层的边界处的载流子迁移率或电导率的变化产生的电子的速度场的旋转来生成自旋流，使用所述自旋流对所述第2铁磁性层的磁化的方向进行控制，从而存储信息。
11.一种电子设备，其搭载有一个以上的权利要求9或10所述的磁存储器。
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