CN117178372A - 电子器件、其制造方法及其使用方法 - Google Patents

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山根结太
家田淳一
尹注锳
阵内佛霖
金井骏
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Abstract

本发明的目的在于提供一种电子器件，其不需要外部磁场，且可作为可输出较大的读出信号的随机数生成元件、存储器元件而使用，并且，还可作为具备输出/输入频率的可变性的振荡/检波元件而使用。一种电子器件，其特征在于，具备本体、输入端子及输出端子，所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序在层叠方向上层叠自旋转矩生成层与非线性反铁磁性层而构成的，所述输入端子配置在与所述自旋转矩生成层的层叠面平行的任意一方向的两端，所述非线性反铁磁性层在所述任意的一方向与所述层叠方向所成的平面中具有非线性磁秩序。

Description

电子器件、其制造方法及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种电子器件、其制造方法及其使用方法。
背景技术
磁性材料的磁秩序在传统上由磁场控制，但近年来，伴随着同时利用电子所持有的电性质(电荷)及磁性质(自旋)的自旋电子学技术的发展，对通过电流控制磁性材料的磁秩序进行了各种尝试。该现象是通过构成磁秩序的磁矩与传导电子的自旋之间的角动量的授受而导致的，将导入电流时作用于磁秩序之转矩称为自旋转移矩(Spin-TransferTorque:STT)，或简称为自旋转矩。
根据非专利文献1，首次报告了有关由自旋转移矩引起的铁磁性体的磁秩序即磁化的方向的反转的实验结果。该现象被称为自旋转移矩诱导磁化反转等。自旋转移矩磁化反转能够用于将信息写入磁阻随机存取存储器(Magnetoresistive Random AccessMemory:MRAM)的方法。该技术开始作为STT-MRAM而实用化。
接着，非专利文献2中，报告了通过稳定的(直流的)自旋转移矩能够诱导铁磁性体的磁化在一定周期内的振动。该现象称为自旋转矩振荡(Spin-torque oscillation)等。其特征在于，导入直流电流时输出交流电压。
关于该自旋转矩振荡现象，已知存在多个自旋转移矩所作用的铁磁性体，当它们接近时，或电连接时，以同相位振动(同步：Synchronization)，在较窄的频率范围内输出较大振幅的交流电压。非专利文献3报告了其实验结果。一般来说，振荡元件、振荡电路中的输出振幅强度与振荡频率的半宽度之比被称为Q值，但通过同步现象，导致该Q值增大，即作为振荡元件的性能得到提高。
并且，还已知作为自旋转矩振荡的反效果，在使以一定周期振动的自旋转移矩作用于铁磁性体的磁化时，在某一特定频率中铁磁性体的磁化共振运动，输出直流电压。非专利文献4报告了其实验结果。该现象称为自旋转矩铁磁性共振(Spin-torqueferromagnetic resonance)等。其特征在于，导入交流电流时输出直流电压。
关于自旋转矩振荡及其同步现象、以及自旋转矩铁磁性共振等现象，期待应用于电磁波的收发等通信技术、雷达、无损检查、电子电路的时钟、硬盘驱动器中的微波辅助磁记录、能量采集、脑型计算机等，从而进行积极的研究开发。这些技术与现有技术相比，具有能够以较小的面积实现相同的功能，且可以以低成本进行制造等优点。
此外，还提出利用了铁磁性体的磁化的自旋转矩磁化反转概率或热波动的随机数产生器，并进行研究开发。关于所输出的随机数，由于是真物理随机数，因此无法进行预测，并且具有能够将其通过微细的元件来实现的优点。除了安全技术以外，如非专利文献5所示，近年来还证实了应用于非传统型的计算技术的可能性，并进行研究开发。
然而，在具有磁秩序的磁性体中，存在通过自旋平行排列(或具有平行成分而排列)而自发显现净磁化的铁磁性体，除此之外，存在通过相邻的自旋在相互抵消的方向上排列而不具有净磁化的反铁磁性体。进而，若将该反铁磁性体更详细地进行分类，则存在通过相邻的自旋在相互反平行方向上排列而净磁化成为零的线性反铁磁性体及通过3个以上的相邻自旋非线性排列而净磁化成为零(或几乎为零)的非线性反铁磁性体。
以往，认识到反铁磁性体不具有净(宏观的)磁化，因此不易根据角动量守恒定律来控制电磁秩序，但在非专利文献6中，示出通过使用通过量子相对论效果显现的自旋转移矩即自旋轨道矩而能够90度旋转线性反铁磁性体的磁秩序(核矢量)。
接着，通过非专利文献7，示出了同样地使用自旋轨道矩而能够180度反转非线性反铁磁性体的各副晶格的磁矩。但是，关于非专利文献7中所示的非线性反铁磁性体的磁秩序的电流控制，是构建了元件的结构和对元件的控制的，以使能够实现实际上与铁磁性体的磁秩序的电流控制相同的作用机制，并且其并不利用非线性反铁磁性体所持有的特有行为。除此之外，关于非专利文献7中所示的电流控制，虽然省略其理由，但以在稳定的磁场的存在下存在为前提。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：E.B.Myers,D.C.Ralph,J.A.Katine,R.N.Louie,and R.A.Buhrman,“Current-Induced Switching of Domains in Magnet ic Multilayer Devices,”Science,vol.285,pp.867-870(1999).
非专利文献2：S.I.Kiselev,J.C.Sankey,I.N.Krivorotov,N.C.Emley,R.J.Schoelkopf,R.A.Buhrman,and D.C.Ralph,“Microwav e oscillations of ananomagnet driven by a spin-polarized current,”Nature,vol.425,pp.380-383(2003).
非专利文献3：S.Kaka,M.R.Pufall,W.H.Rippard,T.J.Silva,S.E.Russek,andJ.A.Katine,“Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators,”Nature,vol.437,pp.389-392(2005).
非专利文献4：A.A.Tulapurkar,Y.Suzuki,A.Fukushima,H.Kubot a,H.Maehara,K.Tsunekawa,D.D.Djayaprawira,N.Watanabe,and S.Yuasa,“Spin-torque diode effectin magnetic tunnel junctions,”Nature,vol.438,pp.339-342(2005).
非专利文献5：W.A.Borders,A.Z.Pervaiz,S.Fukami,K.Y.Cams ari,H.Ohno,andS.Datta,“Integer factorization using stochastic magnetic tunnel junctions,”Nature,vol.573,pp.390-393(2019).
非专利文献6：P.Wadley,B.Howells,J.Zelezny,C.Andrews,V.Hills,R.P.Campion,V.Novak,K.Olejnik,F.Maccherozzi,S.S.Dhe si,S.Y.Martin,T.Wagner,J.Wunderlich,F.Freimuth,Y.Mokrouso v,J.Kunes,J.S.Chauhan,M.J.Grzybowski,A.W.Rushforth,K.W.Edmonds,B.L.Gallagher,T.Jungwirth,“Electrical switching ofan antiferromagnet,”Science,vol.351,pp.587-590(2016).
非专利文献7：H.Tsai,T.Higo,K.Kondou,T.Nomoto,A.Sakai,A.Kobayashi,T.Nakano,K.Yakushiji,R.Arita,S.Miwa,Y.Otani and S.Nakatsuji,“Electricalmanipulation of a topological antiferrom agnetic state,”Nature,vol.580,pp.608-613(2020).
发明内容
发明要解决的技术课题
如上所述，磁性体的磁秩序的电流控制有各种各样的种类，利用了它们的存储器元件、随机数生成元件、振荡元件、检波元件等被提出和证实，也实现了一部分的实用化。另一方面，这些现有技术中也存在几个课题。
首先，使用铁磁性体的元件在任何情况下都具有宏观磁化，因此特性相对于外部磁场发生变化，因此在对磁场噪声的耐性这一点上存在课题。除此之外，通过使用了铁磁性体的自旋转矩振荡输出的交流电压的频率、及自旋转矩铁磁性共振中发生共振的输入交流电流的频率被铁磁性材料的磁特性和从外部施加的磁场固定。换言之，为了进行频率的可变控制，除了控制外部磁场外没有其他方法，但无法避免用于设置施加外部磁场的机构的制造成本和尺寸的增大，并且不易按照要求规格进行控制。实质上，没有频率的可变性。
并且，铁磁性体中的自旋转矩振荡(非专利文献2)、自旋转矩铁磁性共振(非专利文献4)、及非线性反铁磁性体的磁矩的反转(非专利文献7)均需要从外部施加稳定的磁场，以便进行稳定的动作，但这在实用上并不优选。
另一方面，线性反铁磁性体的核矢量的旋转(非专利文献6)并不需要外部磁场，但根据状态的传导特性的变化较小，在产生足够的输出信号这一点上存在课题。
本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种电子器件，其不需要外部磁场，且可作为可输出较大的读出信号的随机数生成元件、存储器元件而使用，并且，也能够作为具备输出/输入频率的可变性的振荡/检波元件而使用。
用于解决技术课题的手段
本发明的电子器件至少具备以下构成。
其特征在于，具备本体、输入端子及输出端子，所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序在层叠方向上层叠自旋转矩生成层与非线性反铁磁性层而构成的，所述输入端子配置在与所述自旋转矩生成层的层叠面平行的任意一方向的两端，所述非线性反铁磁性层在所述任意的一方向与所述层叠方向所成的平面中具有非线性磁秩序。
并且，本发明的电子器件至少具备以下构成。
其特征在于，具备本体、第1端子及第2端子，所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序层叠自旋转矩生成层与非线性反铁磁性层而构成的，所述自旋转矩生成层具有实质上固定的磁结构，作为其有效磁化方向定义磁化方向，所述中间层由非磁性材料形成，所述非线性反铁磁性层在与所述磁化方向正交的平面中具有非线性磁秩序，所述自旋转矩生成层中，与所述中间层相反的一侧的面连接于所述第1端子，所述非线性反铁磁性层中，与所述中间层相反的一侧的面连接于所述第2端子。
如在后面详细所述，这些电子器件的发明在利用作为非线性反铁磁性体所持有的特有的行为的手性自旋结构的动力学的观点上，能够称为技术上密切相关的发明、具有对应的特别的技术特征的一组发明。
并且，本发明的电子器件的制造方法至少具备以下构成。
其特征在于，包括如下工序：将基板搭载在载台、在基板上堆积自旋转矩生成层、在所述载台的表面保持300度以上的状态下堆积非线性反铁磁性层、进行热处理以使所述基板加热到300度以上、进行微细加工。
进而，本发明的电子器件的使用方法至少具备以下构成。
其特征在于，通过在输入端子之间导入直流电流而用作振荡元件，通过在输入端子之间导入交流电流而用作检波元件，通过在输入端子之间输入脉冲宽度为10纳秒以上的脉冲电流而用作随机数生成元件，或者，通过在输入端子之间输入脉冲宽度为0.1纳秒以上且2纳秒以下的脉冲电流而用作存储器元件。
发明效果
本发明所涉及的电子器件在无磁场中进行动作，因此解决了使用以往铁磁性体、线性反铁磁性体、非线性反铁磁性体的振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件所具有的课题。并且，由于本发明所涉及的电子器件的特性相对于外部磁场不容易产生变化，因此解决了使用以往铁磁性体或非线性反铁磁性体的振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件所具有的课题。
并且，将本发明所涉及的电子器件作为振荡元件而使用时，输出的交流信号的频率可以调制，因此解决了使用以往铁磁性体的振荡元件所具有的课题。
并且，将本发明所涉及的电子器件作为检波元件而使用时，能够检测的交流信号的频率可以调制，解决了使用以往铁磁性体的检波元件所具有的课题。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的电子器件的第1实施例(基本结构)的示意图。
图2是用于说明六方晶材料的晶面的称呼的示意图。
图3是用于说明形成在D019-Mn3Sn的C面的Kagome晶格及形成在该Kagome晶格的手性自旋结构的示意图。
图4是用于说明本发明所涉及的电子器件的动作原理的示意图。
图5是用于说明本发明所涉及的电子器件作为振荡元件的使用方法的示意图。
图6是用于说明本发明所涉及的电子器件作为检波元件的使用方法的示意图。
图7是用于说明本发明所涉及的电子器件作为随机数生成元件的使用方法的示意图。
图8是用于说明本发明所涉及的电子器件作为存储器元件的使用方法的示意图。
图9是第1实施例的特性(数值模拟)的说明图。
图10是第1实施例的特性(实验结果)的说明图。
图11是用于说明本发明的第2实施例的结构的示意图。
图12是用于说明本发明的第3实施例的结构的示意图。
图13是用于说明本发明的第4实施例的结构的示意图。
图14是用于说明本发明的第5实施例的结构的示意图。
图15是用于说明本发明的第6实施例的结构的示意图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的电子器件进行说明。另外，需要注意的是，附图为以说明为目的所制作的概念图，而不一定表示所实施的原有方式。
(第1实施例：电子器件的基本结构)
图1是示意地表示本发明所涉及的电子器件1的基本结构的图，能够称为第1实施例。(A)为立体图，(B)为俯视图，(C)为剖视图。以下，利用图1所示的X,Y,Z正交座标轴来进行说明。Z轴为基板垂直方向，X-Y轴在基板面内。
本发明所涉及的电子器件1至少具备自旋转矩生成层11及非线性反铁磁性层12。自旋转矩生成层11及非线性反铁磁性层12在Z轴方向上层叠。另外，图1中自旋转矩生成层11配置在下侧即基板侧，但该顺序也可以相反。并且，图1中，自旋转矩生成层11和非线性反铁磁性层12相邻设置，但也可以不一定相邻，只要不损害本发明的技术思想，也可以在其之间以调整动作特性为目的插入调整层等其他层。
图1中，自旋转矩生成层11至少在基板面内具有向第1方向延伸的形状，其两端连接于第1输入端子Tx1和第2输入端子Tx2。另外，图1中第1方向为X方向。并且，图1所示的实施方式中，自旋转矩生成层11图案形成为十字形状，Y方向的两端连接于第1输出端子Ty1、第2输出端子Ty2。另外，如后所述，从第1输出端子Ty1和第2输出端子Ty2产生成为正负对的输出信号，因此优选这些端子在元件的外部连接于差分放大器。
图1所示的实施方式中，在图案形成为十字形状的自旋转矩生成层11的交叉点上设置有非线性反铁磁性层12。非线性反铁磁性层12具有圆柱状的形状。自旋转矩生成层11的宽度W优选为20nm至400nm，长度L优选为60nm至1000nm。并且，非线性反铁磁性层12的直径D优选为20nm至500nm(20nm至200nm更为佳)。并且W与D之差优选为50nm以下。另外，关于确定D的优选的设计范围的物理因素将在后面叙述。图1中，非线性反铁磁性层12的平面形状成为圆形，但实际上并不限于此。例如其平面形状也可以为正方形。在正方形的情况下，其一边的长度的优选的设计范围与上述D的优选的设计范围相同。
虽然在图1中未示出，但以自旋转矩生成层11或非线性反铁磁性层12的结晶取向的控制或者与基板的密接性得到提高为目的，可以在层叠结构的下侧设置有基底层、种子层、缓冲层，并且从微细加工制程中保护材料的观点出发，可以在层叠结构的上侧设置有盖层。另外，图1所示的实施方式中，自旋转矩生成层11被延伸成在十字形上，以便容易理解输入端子和输出端子，但也可以限制在与非线性反铁磁性层12相同程度的宽度。关于这种情况，在形成有磁秩序的面与电流方向之间的关系中更加深入理解，但对此将在后面叙述。
(应设定的磁秩序及用于提供该磁秩序的非线性反铁磁性层的材料)
接着，对用于图1所示的实施方式中的自旋转矩生成层11、非线性反铁磁性层12的材料进行说明。首先，对能够用于非线性反铁磁性层12的材料进行说明。非线性反铁磁性层12由具有非线性(NonCollinear)的磁秩序的物质形成。作为代表例，例示有具有D019有序结构的Mn3Sn合金、Mn3Ge合金、及具有L21有序结构的Mn3Ir合金、Mn3Pt合金等非线性反铁磁性体。如后述，这些物质具有Kagome晶格，在Kagome面中形成有非线性磁秩序。
图1所示的实施方式中，在层叠方向即Z方向与第1方向即X方向所成的平面即X-Z平面中，非线性反铁磁性层12需要具有非线性磁秩序。作为一例以D019-Mn3Sn为例，对此进行详细说明。D019有序结构为如图2所示的六方晶中已确定占据各位点的元素的有序结构。作为六方晶的面的称呼，将3轴标记中的(001)面称为C面，将(110)面称为A面，将(100)面称为M面，并在图2中，并列示出三者的关系。进而，关于4轴标记中的C面、A面、M面所表示的面，也记载在图2中。D019-Mn3Sn中，C面成为Kagome面，在此形成有作为非线性磁秩序的手性自旋结构。因此将D019-Mn3Sn用于非线性反铁磁性层12时，需要具有C轴相对于X-Z平面正交的成分，优选适宜地正交。另外，无需在非线性反铁磁性层12内的全区域中实现这种取向，只要优先取向满足上述条件即可。
图3中，示出D019-Mn3Sn的Kagome晶格中能够获得的具体的手性自旋结构。图中，空心粗箭头和涂黑的粗箭头分别表示位于不同层的Mn原子的磁矩的稳定方向。并且，细箭头表示在这种磁秩序状态下观测到的微小的磁化(弱铁磁性的磁化矢量)的方向。整体上即3维的所有方向上，在具有足够的长度的状态下，图3的(A)～(F)所示的6个状态能量退化。
并且，已知Mn3AN(A＝Ga,Ni-Cu)等也在室温下形成非线性磁秩序，并且能够用于非线性反铁磁性层12。另外，严格意义上，非线性反铁磁性层12的磁秩序不一定必须具有非线性磁秩序，只要导电特性根据其状态产生较大的变化，则能够适用本发明。作为具体例，例示有RuO2。RuO2具有线性的磁秩序，但对称性被结晶结构破坏，显现出由此引起的霍尔效应(结晶霍尔效应)。
(自旋转矩生成层的材料)
接着，对能够用于自旋转矩生成层11的材料进行说明。图1所示的实施方式中，自旋转矩生成层11需要为电流在第1输入端子Tx1与第2输入端子Tx2之间流动时自旋转矩作用于非线性反铁磁性层12的材料。作为一例，例示有Hf、Ta、W、Pt、Ir等重金属(5d过渡金属)及由它们组成的合金或层叠膜。作为另一例，还例示有Bi与Se的化合物、Bi与Sb的化合物等拓扑绝缘体。自旋转矩的显现机构具有任意性，可以是自旋转矩生成层11的内部的自旋霍尔效应或者自旋转矩生成层11与非线性反铁磁性层12的界面中的Rashba-Edelstein效应，而且，也可以基于由自旋转矩生成层的拓扑带结构引起的传导电子的动量矢量(或波矢量)与自旋的键合。
图4中，示出作用于非线性反铁磁性层12的自旋转矩的起源为自旋转矩生成层11中的自旋霍尔效应时的电流与自旋流的关系。在这种情况下，若向X方向导入自旋转矩生成层11中流动的电流ICharge，则在Z方向上产生自旋的流动即自旋流ISpin。该自旋流ISpin进入非线性反铁磁性层12的内部，对非线性磁秩序施加转矩。本发明中，利用由此诱导的非线性磁秩序的动力学。另外，承担由自旋霍尔效应产生的自旋流的传导电子具有Y方向的自旋极化。根据在此使用的自旋转矩生成层11的种类，自旋极化的符号发生变化，但即使是产生任何符号的自旋极化的材料，本发明也能够实施。
(电子器件的使用方法的概略)
接着，关于本发明所涉及的电子器件1的使用方法，关于作为振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件而使用的情况，以该顺序进行说明。在作为任意元件使用的情况下，共通之处在于，在第1输入端子Tx1与第2输入端子Tx2之间导入电流时利用由非线性反铁磁性层12内的非线性磁秩序诱导的动力学。另外，在此利用的动力学与以往报告的铁磁性体、线性反铁磁性体、非线性反铁磁性体的动力学不同，通过本发明的发明者们的实验而发现。该动力学是先前提到的要后述的形成有磁秩序的面与电流方向的关系，但由此可以理解自旋转矩生成层11不一定必须延伸成在十字形上，即使是与非线性反铁磁性层12相同程度的宽度也足够。
图5是表示作为振荡元件动作的状态的图。从上开始依次示意地表示输入信号的时间变化、输出信号的时间变化及手性自旋结构的时间变化。作为振荡元件使用时，在第1输入端子Tx1与第2输入端子Tx2之间导入直流电流。电流的符号可以为正，也可以为负。此时，输入的电流的大小为某一阈值以上时，从第1输出端子输出的电压、或从第2输出端子输出的电压、或者从第1输出端子输出的电压与从第2输出端子输出的电压之间的差以恒定频率振动。即输出交流电压。图5的中段中，由虚线的长方形包围的部分中的手性自旋结构的时间变化图示在下段，诱导出弱铁磁性的磁化沿顺时针或逆时针稳定地旋转的运动。图中，示出弱铁磁性的磁化以时钟指针的11点、1点、3点、5点、7点、9点、11点、1点、…的顺序旋转的状态。旋转的方向取决于自旋转矩的符号。只要导入直流的输入电流，则该旋转就会继续，并且，不需要来自外部的磁场。这是表示本发明的电子器件的有利性的特征。通过如此在第1输入端子与第2输入端子之间导入直流电流，能够从第1、第2输出端子取出交流电压。另外，产生的交流电压的频率取决于用于非线性反铁磁性层12的材料的磁各向异性、dzialoshinski-moriya相互作用常数及导入的直流电流。
图6是表示作为检波元件动作的状态的图。从上开始依次示意地表示输入信号的时间变化、输出信号的时间变化及手性自旋结构的时间变化。作为检波元件使用时，在第1输入端子Tx1与第2输入端子Tx2之间导入交流电流。此时，当交流电流的振幅在某个一定值以上，且频率满足某一条件时，如图6的下段所示，重复手性自旋结构及其随附的弱铁磁性的磁化的顺时针、逆时针方向的运动。图中，示出以11点、1点、3点、5点、3点、1点、11点、1点、3点、…的顺序振动的状态。实际上，即使在1点、3点、5点、3点、1点、3点、5点、3点、…的顺序等振幅较小的范围内，本发明也能够实施。通过手性自旋结构进行这种运动，霍尔电阻以与输入的交流电流相同的频率振动。由此，获得直流的输出电压。输出电压的符号在第1输出端子和第2输出端子相反。从而，通过将第1输出端子和第2输出端子连接于差分放大器而能够获得更大的信号。该动作也不需要来自外部的磁场的施加，且有利。
图7是表示作为随机数生成元件动作的状态的图。从上开始依次示意地表示输入信号的时间变化、弱铁磁性的磁化的法向成分的时间变化及手性自旋结构的时间变化。在随机数生成元件中，手性自旋结构中诱导的动力学与利用图5说明的振荡元件相同。本发明所涉及的电子器件中，振幅为某个一定值以上，且导入较长的脉冲宽度的脉冲电流，则能够缓和手性自旋结构的旋转的相位，从而无法预测最终状态。作为随机数生成元件利用时，利用这种情况。一般，每次诱导磁性体的动力学时的相位的相关性在室温下10周期左右就会消失。如后所述，在现实的输入电流的强度下诱导的手性自旋结构的运动的1周期时间大约在0.2纳秒以上且4纳秒以下的范围，典型地为1纳秒。从而，虽然也取决于使用的材料或输入的脉冲电流的强度，但通过输入脉冲宽度为10纳秒以上的矩形的脉冲电流，引起10次以上的手性自旋结构的旋转，从而无法预想最终状态。即，随后通过用某种方法读取手性自旋结构的状态，能够取出真物理随机数。另外，图7中示出导入有矩形且正的脉冲电流的情况，但脉冲宽度的形状和符号具有任意性。例如可以是梯形的脉冲，并且也可以是正负振动的猝发脉冲。
图8是表示作为存储器元件动作的状态的图。从上开始依次示意地表示输入信号的时间变化、弱铁磁性的磁化的时间变化及手性自旋结构的时间变化。存储器元件的动作方法类似于使用图7说明的随机数生成元件，但不同之处在于脉冲宽度极短，且在能够充分控制最终状态的范围内。例如，通过导入1周期的一半的脉冲宽度的脉冲电流，能够如下切换状态，即11点切换成5点，1点切换成7点。图8表示从11点切换成5点的例。如上所述1周期的时间在0.2纳秒以上且4纳秒以下的范围内，因此输入脉冲电流的脉冲宽度优选为0.1纳秒以上且2纳秒以下。另外，在存储器元件的情况下，肘节动作即存储信息必须在0与1之间被改写，因此进行信息的写入之前进行读出动作，只有在与想要存储的信息不同的情况下，进行写入动作。
(电子器件的动作原理)
对成为迄今为止所说明的现象的基础的动作原理进行说明。具体而言，通过对本发明的发明者们所发现的自旋转矩作用于手性自旋结构时诱导的动力学进行说明，对本发明所利用的现象的基础、换言之专利法上的自然法则进行叙述。
如使用图3的说明，例如是D019有序结构的Mn3Sn，则C面(001面)组成Kagome晶格，形成有6个能量等效的非线性磁秩序(正在退化)。另外，如M面取向膜、A面取向膜，在C轴朝向膜面内方向的薄膜的情况下，在图3的(A)、(B)、(D)及(E)与(C)及(F)之间解决退化，能级也分裂成4:2。在这种情况下，(A)、(B)、(D)、(E)的内部能量实质上也相等。在此(A)、(B)与(D)、(E)中贝里曲率的膜面垂直成分的符号不同，因此能够经由异常霍尔效应等进行电区别。
现在，考虑自旋转矩作用于该Kagome晶格的情况。在此，具体地如图4所示，考虑自旋转矩的起源为自旋转矩生成层11中的自旋霍尔效应的情况。此时，在Z方向上产生自旋流ISpin，在非线性反铁磁性层12注入有Y方向上极化的电子自旋。如此，通过自旋转移矩，手性自旋结构的各位点的磁矩首先向Y方向上升，接着在Kagome面(X-Z面)上旋转。此时，重要的点在于，各位点的磁矩的旋转方向完全相同。作为结果，若自旋转矩的符号为恒定，则继续向同一方向的旋转，若自旋转矩的符号正负振动，则手性自旋结构也相应地重复顺时针、逆时针的运动。这种动力学通过后述的发明者们的计算和实验变得明确，由此实现的振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件与利用迄今为止报告的铁磁性体或线性反铁磁性体及非线性反铁磁性体的动力学的元件完全不同。尤其，应注意的是，应与非专利文献7中所示的仅在使用非线性反铁磁性体的点上相通的技术进行严格区分。
用于在手性自旋结构中诱导旋转运动的自旋转矩的大小具有阈值，这取决于用于非线性反铁磁性层12的材料的特性，具体而言磁各向异性、dzialoshinski-moriya相互作用等。另一方面，每个电流显现的自旋转矩的大小取决于用于自旋转矩生成层11的材料。并且，手性自旋结构的旋转运动的速度取决于非线性反铁磁性层12的特性及施加的自旋转矩的大小。另外，上述说明中，叙述了自旋转矩以角动量的转移的形式隔热地起作用(称为Anti-damping torque、Slonczewski-like torque等)的情况的描像，但通过电流作用于手性自旋结构的各位点的磁矩的转矩也可以是有效磁场(称为Field-like torque等)。
从上述说明可知，本发明基于非线性反铁磁性层12中的手性自旋结构的动力学，从而非线性反铁磁性层12优选具有单一的磁区(Singledomain)。从发明者们的实验明确了表示非线性反铁磁性的已D019规则化的Mn3Sn薄膜的磁区的尺寸为200nm左右。由此，非线性反铁磁性层12的直径D优选200nm以下。然而，实际上非线性反铁磁性体的磁区的尺寸能够根据使用的材料或薄膜的堆积方法、基板等而发生变化，与此对应地非线性反铁磁性层12的直径D的较佳的设计范围也能够发生变化。
(第1实施例的制造方法及动作验证)
通过示出有关自旋转矩作用于非线性反铁磁性体的手性自旋结构时诱导的动力学的发明者们的数值模拟结果及实验结果，对第1实施例进行更具体的说明。
图9(A)是发明者们所进行的自旋转矩作用于手性自旋结构时的弱铁磁性的磁矩的膜面垂直方向成分的时间变化的数值模拟的结果。根据Landau-Lifshitz-Gilbert方程式，对Kagome晶格的3个亚晶格进行了时间演化计算。材料的参数是模拟D019-Mn3Sn而设定的，假设Kagome面在X-Z面上，对此注入Y方向的自旋时以Anti-damping torque的形式施加转矩。并且，关于输入的电流的电流密度与自旋转矩的换算，是利用作为自旋转矩生成层使用了W、Pt时预测到的变换系数来进行的。示出关于电流密度为2.1MA/cm2、2.5MA/cm2及2.9MA/cm2这3种情况的计算结果。电流在8纳秒到30纳秒之间被导入。电流密度为2.1MA/cm2的情况下，不会引起显著的变化，相对于此2.5MA/cm2及2.9MA/cm2的情况下，弱铁磁性的磁矩振动，从而可知电流密度越大，振动的周期越短。图9(B)中示出以如图9(A)所示的要领进行计算之后，对导入了振动频率的输入电流的电流密度进行了绘制的结果。可知振动在某一阈值以上被诱导，其振动频率逐渐接近通过原点的一次函数。在更广泛的范围进行计算的结果，可知在可导入的现实电流密度的范围内，振动的频率大约在250MHz至5GHz的范围内发生变化。作为该倒数的4ns至0.2ns对应于上述手性自旋结构的旋转周期，由此决定用于存储器元件或随机数生成元件的输入脉冲电流的脉冲宽度。
如此用一个元件在无需施加外部磁场等的情况下改变振动的频率，这是在使用了以往铁磁性体的振荡元件中没有的值得一提的特征，由此提供本发明的输出频率可变的振荡元件及能够检波的频率可变的检波元件。
图10是表示发明者们所进行的实验结果的图。用于本实验的层叠膜堆积在MgO(110)基板上。膜构成从基板侧开始为W(3nm)、Ta(1nm)、Mn3Sn(8.3nm)、Pt(4nm)。Wa/Ta层相当于自旋转矩生成层11，Mn3Sn相当于非线性反铁磁性层12。并且Pt相当于稍后在第3实施例中叙述的第2自旋转矩生成层13。另外，确认到W层的膜厚在1～10nm、Ta层在0.5～3nm的范围进行变更也能够得到相同的特性。并且确认到即使Mn3Sn的膜厚厚到50nm左右也能够得到相同的特性。各层的堆积通过DC磁控溅射法进行，在装置的载台上搭载基板，接着堆积各层。另外Mn3Sn层成膜时，载台被加热到400度。该载台的温度优选设定为300度以上，更优选设定在350度至500度的范围内。并且，从另一实验已知堆积W层、Ta层时也优选加热载台。包含Mn3Sn的层叠膜的堆积后在500度下进行了1小时热处理。该热处理的温度也优选设定为300度以上，更优选设定在350度至600度的范围内。从X射线衍射和剖面电子显微镜观察确认到Mn3Sn进行D019规则，并进行M面取向。并且，关于其结晶取向的方位关系，是MgO基板的[001]方向与Mn3Sn的[0001]方向平行。堆积薄膜后利用光刻、氩离子铣削等进行了微细加工。
图10(A)中示出所测定的元件的扫描电子显微镜图像及测定电路。为了在该元件中进行简单的实验，自旋转矩生成层11和非线性反铁磁性层12图案形成为相同的形状，照片的正中间的十字部分相当于该区域。左右端子相当于第1输入端子Tx1、第2输入端子Tx2，上下端子相当于第1输出端子Ty1、第2输出端子Ty2。另外，连结第1输入端子Tx1与第2输入端子Tx2的线段形成为与MgO基板的[001]方向正交的方向，连结第1输出端子Ty1与第2输出端子Ty2的线段以与MgO基板的[001]方向平行的方式形成。并且，为了简化试样制作制程，自旋转矩生成层11的宽度W设为10μm，向输出端子侧延伸的霍尔探头的宽度设为3μm。从而，成为测定非线性反铁磁性层12的10×3μm2的区域的手性自旋结构的状态的结构。如前述，由于磁区的尺寸为200nm，因此这是包含多个磁区的尺寸。
图10(B)中示出沿垂直方向扫描磁场时的霍尔电阻的变化。在负(正)的磁场下表示较高(低)的霍尔电阻值，这意味着霍尔效应来源于Mn3Sn的手性自旋结构的波数空间中的拓扑，由此能够确认Mn3Sn形成如图3所示的手性自旋结构。
图10(C)中，示出使用垂直方向的磁场将手性自旋结构的弱铁磁性的磁化沿上方向、下方向进行初始化之后，沿正方向、负方向导入脉冲宽度100msec的电流脉冲之后测定霍尔电阻时的霍尔电阻与施加电流(密度)的关系。如前述，该试样中同时测定多个磁区，因此它们的总计反映在测定结果。观察附图可知，在某一阈值以上霍尔电阻值过渡到正中间附近。这能够理解为多个磁区与100msec的手性自旋结构的动力学的周期相比在充分长的时间内被乱杂化，施加电流脉冲后各个磁区稳定于6个稳定状态中的任一状态，作为其平均观测了正中间附近的霍尔电阻值。
以上，关于图1所示的第1实施例，叙述了动作原理之后，对使用条件等进行了说明，但通过使图1所示的结构变形，能够更有效地利用本发明的电子器件。当然，这些方式也属于本发明的实施例。以下，对第2至第6实施例进行说明。另外，附记在标题上的明显地表示各个实施例的特征性质或特征结构。
(第2实施例：同步利用)
图11是示意地表示第2实施例的结构的X-Y俯视图。第2实施例在作为振荡元件、检波元件而使用时是有效的。第2实施例中，设置有多个非线性反铁磁性层12的圆点，且这些圆点被电连接。随着设置有多个的非线性反铁磁性层12的圆点中的手性自旋结构的运动，输出高频的电信号。输出的高频的电信号到达其他非线性反铁磁性层12的圆点。这些复合作用的结果，也在非线性反铁磁性体的手性自旋结构中诱导与基于非专利文献3中报告的铁磁性体的磁化的相位的锁定的同步振荡相同的现象。由此，若是振荡元件，则频谱较细且强度较强，即输出Q值高的交流电压。并且，若是检波元件，则仅选择性地检测更窄的频率范围的输入信号而能够得到较高的输出信号。
(第3实施例：HM/NCAFM/HM层叠结构)
图12是示意地表示第3实施例的结构的X-Z剖视图。第3实施例对振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件中的任何一个都是有用的。第3实施例中，对于非线性反铁磁性层12，与自旋转矩生成层11相反的一侧的面连接于第2自旋转矩生成层13。关于能够用于第2自旋转矩生成层13的材料，与能够用于前述自旋转矩生成层11的材料相同，因此省略。第2自旋转矩生成层13在导入输入电流时产生作用于非线性反铁磁性层12的自旋转矩，其方向是与自旋转矩生成层11所产生的自旋转矩相同的方向。由此能够使更强的自旋转矩作用于非线性反铁磁性层12的手性自旋结构，从而实现有效动作。
图12中，自旋转矩生成层11、第2自旋转矩生成层13均显现自旋霍尔效应，并且用箭头图示其符号相反时的电流ICharge的方向、自旋流ISpin的方向。如图所示，自旋转矩生成层11、非线性反铁磁性层12、第2自旋转矩生成层13的电传导具有金属性时，输入的电流的一部分在第2自旋转矩生成层13上沿X方向流动。该电流产生自旋流ISpin。若自旋转矩生成层11和第2自旋转矩生成层13的有效自旋霍尔角相反，则同方向极化的电子自旋流入非线性反铁磁性层12，从而有更强的自旋转矩起到作用。因此，若是振荡元件、检波元件，则能够以更低电流、低电压、低电力得到较大的输出信号。并且，若是随机数生成元件、存储器元件，能够以更低电流、低电压、低电力更新状态。另外，利用图10进行说明的实施例中W/Ta相当于自旋转矩生成层11，Pt相当于第2自旋转矩生成层13。已知W/Ta具有负自旋霍尔角，Pt具有正自旋霍尔角，由此设计成较大的转矩作用于Mn3Sn层。
(第4实施例：狭窄结构)
图13是表示第4实施例的结构的X-Y俯视图及X-Z剖视图。迄今为止的实施方式中，示出了如下例，即非线性反铁磁性层12在X-Y面内具有圆形的形状，以落入自旋转矩生成层11内的方式形成，但通过在第4实施例中鑽研形状而非线性反铁磁性层12与自旋转矩生成层11图案形成为相同形状。
第4实施例中，在非线性反铁磁性层12中形成有狭窄部12A。狭窄部12A与其他区域相比，宽度变窄，因此在第1输入端子Tx1与第2输入端子Tx2之间导入电流时，电流密度变高。由此，仅在狭窄部12A诱导手性自旋结构的动力学，在其他区域什么都没有发生。从而，若狭窄部12A足够小，则实质上能够用电流控制单一磁区(Singledomain)。因此，狭窄部12A中的非线性反铁磁性层12的线宽优选200nm以下。
第4实施例能够同时图案形成非线性反铁磁性层12和自旋转矩生成层11，因此能够减少步骤数量，且削减制造成本。另外，实际上本质是在狭窄部12A中引起电流密度的集中，在这种意义上，自旋转矩生成层11与非线性反铁磁性层12也可以不一定具有相同的形状。
(第5实施例：TMR读出)
图14是表示第5实施例的结构的X-Y-Z立体图、X-Y俯视图、X-Z剖视图。迄今为止的实施方式中，示出了如下形态，即主要利用经由异常霍尔效应能够对非线性反铁磁性层12的手性自旋结构的状态进行电检测的情况，设置有第1输出端子Ty1、第2输出端子Ty2，但第5实施例中，应利用隧道磁阻效应来检测非线性反铁磁性层12的手性自旋结构的状态，并在此设置唯一的输出端子。该实施例主要在随机数生成元件、存储器元件中有效。
第5实施例中，对于非线性反铁磁性层12在与自旋转矩生成层11相反的一侧的面的一侧连接设置有隧道阻挡层14，及对于隧道阻挡层14在与非线性反铁磁性层12相反的一侧的面相邻设置有参考层15。隧道阻挡层14主要能够使用MgO、Al2O3等绝缘体。参考层15由磁性材料构成，可以使用铁磁性体，也可以使用非线性反铁磁性体。另外用于参考层15的磁性材料的磁结构实质上是被固定的。并且图14中从基板侧依次设置有自旋转矩生成层11、非线性反铁磁性层12、隧道阻挡层14、参考层15，但该顺序也可以相反。通过非线性反铁磁性层12、隧道阻挡层14、参考层15形成有磁隧道接合。并且通过该磁隧道接合中的隧道磁阻效应来检测非线性反铁磁性层12的状态。与利用异常霍尔效应的方式相比能够在节省面积的情况下形成，并且一般隧道磁阻效应可得到比异常霍尔效应更大的电信号的输出，因此能够读出稳定的状态。另外，非线性反铁磁性层12和隧道阻挡层14在图14中相邻形成，但也可以不一定相邻，以提高基于隧道磁阻效应的读出特性等为目的，可以在非线性反铁磁性层12与隧道阻挡层14之间插入铁磁性层。另外为了利用隧道磁阻效应进行读取，参考层15中与隧道阻挡层14相反的一侧的面连接于隧道电极端子T_mtj。
然而，迄今为止说明的第2实施例至第5实施例为如下形态，即作为作用于非线性反铁磁性层12中的非线性的磁结构的自旋转矩的产生源的自旋转矩生成层11相邻设置在非线性反铁磁性层12，通过来源于自旋霍尔效应等自旋·轨道相互作用的现象来产生自旋流。即，这些实施例均附属于第1实施例。关于该第1实施例，对可以设置有调整层的意旨进行了说明，但本发明的发明者们也获得了不是为了调整而是在更积极的意义上设置中间层的有利方式。以下，对这种方式进行说明。
(第6实施例：自旋注入型)
图15是表示第6实施例的结构的X-Y-Z立体图、X-Z剖视图。第6实施例中，与非线性反铁磁性层12相邻而设置有中间层16，与中间层16相邻而在与非线性反铁磁性层12相反的一侧的面设置有自旋转矩生成层11，通过贯通该3层的电流来产生自旋极化电流，利用该自旋极化电流作用于非线性反铁磁性层12的非线性磁秩序。自旋转矩生成层11和非线性反铁磁性层12中的任一个连接于第1端子Tz1，另一个连接于第2端子Tz2。图15中，自旋转矩生成层11连接于第1输入端子Tz1，非线性反铁磁性层12连接于第2输入端子Tz2，但该关系中具有任意性。此外，图15中从基板侧依次以非线性反铁磁性层12、中间层16、自旋转矩生成层11的顺序层叠，但该顺序也可以相反。
第6实施例中通过在第1端子与第2端子之间导入输入电流而使其动作。中间层16由非磁性材料构成。可以是Au、Ag、Cu、Ru等金属，也可以是MgO、Al2O3等绝缘体。自旋转矩生成层11需要是导入电流时能够使其自旋极化的材料。例如铁磁性体具有其功能。当自旋转矩生成层11由铁磁性体构成时，其磁化M的方向实质上固定为第2方向。图15中第2方向成为Y方向。并且，非线性反铁磁性层12在与第2方向正交的平面(图15中X-Z平面)具有非线性磁秩序。
对第6实施例中的动作原理进行说明。第6实施例中，输入电流在第1端子Tz1与第2端子Tz2之间被导入。若是振荡元件则是直流电流，若是检波元件则是交流电流，若是随机数生成元件则是较长的脉冲电流，若是存储器元件则是足够短的脉冲电流，这一点与迄今为止的实施方式相通。第6实施例中，其特征在于，通过电流通过自旋转矩生成层11，向非线性反铁磁性层12注入自旋极化的电流。作为一例，如图15所示，从基板侧以第2端子Tz2、非线性反铁磁性层12、中间层16、自旋转矩生成层11、第1端子Tz1的顺序设置，考虑使电流从第2端子Tz2流向第1端子Tz1的情况。此时，传导电子从第1端子Tz1流向第2端子Tz2。该电流通过自旋转矩生成层11时，与自旋转矩生成层11的磁化相互作用，并沿Y方向自旋极化。该自旋极化的电子经由中间层16流入非线性反铁磁性层12。然后，如使用图5～图8的说明，在非线性反铁磁性层12中引起形成在X-Z平面的手性自旋结构的旋转。
另外，自旋转矩生成层11不一定必须是铁磁性体，只要用于产生自旋极化电流的有效磁化朝向第2方向即可。该有效磁化也能够通过波数空间的拓扑而诱导。
并且，第6实施例中，输出信号的取出方法及输出端子的设置方法中具有任意性。例如与使用图1进行说明的第1实施例相同地利用异常霍尔效应而得到输出时，对于非线性反铁磁性层12在膜面内沿一方向(例如X方向)使电流流动，作为在与其正交的方向(例如Y方向)上产生的电压能够取出输出信号。在这种情况下，以连接于非线性反铁磁性层12的形式用于取出输出信号的电流输入端子对及输出端子对以正交的形式进行设置。另一方面，与使用图14进行说明的第5实施例相同地利用隧道磁阻效应而进行输出时，第1端子Tz1和第2端子Tz2直接成为输出端子。
(对现有技术的有利效果)
关于对本发明的现有技术的有利效果，例如，举出作为振荡元件的使用为例，如从基于CMOS的振荡元件、称为晶体振子的熟知的元件并且从还包含铁磁性体等且广泛利用自旋电子学技术的情况所得到的第一级中的优点、进而从本发明的特征构成所得到的第二级中的优点，在两个级中掌握，则能够更好地理解其优越性。
第一级中，能够将元件尺寸压倒性地减小为现有技术的1/1000以下，并且，还能够压倒性地减小导入的电流。第二级中，举出能够在较宽的磁场范围稳定地使用，且不需要用于施加磁场的特别的手段，这如已说明的那样，与频率可变性也有关联。
综上所述，本发明的效果是能够实现具备集成度、节能、稳定性、频率可变性等高性能及多功能的电子器件。
以上，关于本发明所涉及的实施方式的电子器件，参考附图进行了详述，但具体构成并不限于这些实施例，即使是不脱离本发明的要旨的范围的设计变更等也包含在本发明中。例如，关于第2至第6实施例，在不阻碍有关本发明中使用的非线性磁秩序的动力学的机制的范围内，也能够相互组合使用。
尤其，材料或膜厚尺寸等并不是若不限定于在此揭示的例则不显现所期望的功能，只要层叠形成有非线性磁秩序的层与能够显现自旋转矩的层，就能够进行利用。
符号说明
1-电子器件，11-自旋转矩生成层，12-非线性反铁磁性层，12A-狭窄部，13-第2自旋转矩生成层，14-隧道阻挡层，15-参考层，16-中间层。

Claims (15)

1.一种电子器件，其特征在于，具备本体、输入端子及输出端子，
所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序在层叠方向上层叠自旋转矩生成层与非线性反铁磁性层而构成的，
所述输入端子配置在与所述自旋转矩生成层的层叠面平行的任意一方向的两端，
所述非线性反铁磁性层在所述任意的一方向与所述层叠方向所成的平面中具有非线性磁秩序。
2.根据权利要求1所述的电子器件，其特征在于，
所述输出端子配置在与所述自旋转矩生成层的所述任意一方向大致正交的方向的两端。
3.根据权利要求1所述的电子器件，其特征在于，还具备隧道阻挡层及参考层，
所述隧道阻挡层相对于所述非线性反铁磁性层连接于与所述自旋转矩生成层相反的一侧的面，
所述参考层相对于所述隧道阻挡层连接于与所述非线性反铁磁性层相反的一侧的面，
所述输出端子配置于所述参考层。
4.一种电子器件，其特征在于，具备本体、第1端子及第2端子，
所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序层叠自旋转矩生成层、中间层及非线性反铁磁性层而构成的，
所述自旋转矩生成层具有实质上固定的磁结构，作为其有效磁化方向定义磁化方向，
所述中间层由非磁性材料形成，
所述非线性反铁磁性层在与所述磁化方向正交的平面中具有非线性磁秩序，
所述自旋转矩生成层中，与所述中间层相反的一侧的面连接于所述第1端子，
所述非线性反铁磁性层中，与所述中间层相反的一侧的面连接于所述第2端子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电子器件，其特征在于，
所述电子器件作为振荡元件、检波元件、随机数生成元件或存储器元件而使用。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电子器件，其特征在于，
所述自旋转矩生成层包含Ta、W、Hf、Pt、Ir中的任一个。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电子器件，其特征在于，
所述非线性反铁磁性层由包含Mn和Sn的合金、包含Mn和Ge的合金、包含Mn和Ir的合金、包含Mn和Pt的合金中的任一个形成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电子器件，其特征在于，
所述非线性反铁磁性层的直径为200nm以下。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电子器件，其特征在于，
所述非线性反铁磁性层设置有多个，且这些非线性反铁磁性层电连接，
所述电子器件作为振荡元件或检波元件而使用。
10.根据权利要求1至3、5至9中任一项所述的电子器件，其特征在于，还具备第2自旋转矩生成层，
所述第2自旋转矩生成层相对于所述非线性反铁磁性层相邻设置于与所述自旋转矩生成层相反的一侧的面，
所述电子器件作为振荡元件或检波元件而使用。
11.一种权利要求1至10中任一项所述的电子器件的制造方法，其特征在于，包括如下工序：
将基板搭载在载台；
在基板上堆积自旋转矩生成层；
在所述载台的表面保持在300度以上的状态下堆积非线性反铁磁性层；
进行热处理以将所述基板加热到300度以上；及
进行微细加工。
12.一种电子器件的使用方法，是将权利要求1至10中任一项所述的电子器件作为振荡元件而使用的方法，其特征在于，
在输入端子之间导入直流电流。
13.一种电子器件的使用方法，是将权利要求1至10中任一项所述的电子器件作为检波元件而使用的方法，其特征在于，
在输入端子之间导入交流电流。
14.一种电子器件的使用方法，是将权利要求1至10中任一项所述的电子器件作为随机数生成元件而使用的方法，其特征在于，
在输入端子之间输入脉冲宽度为10纳秒以上的脉冲电流。
15.一种电子器件的使用方法，是将权利要求1至10中任一项所述的电子器件作为存储器元件而使用的方法，其特征在于，
在输入端子之间输入脉冲宽度为0.1纳秒以上且2纳秒以下的脉冲电流。
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