JP2013069755A

JP2013069755A - スピントルク発振素子

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Publication number: JP2013069755A
Application number: JP2011205780A
Authority: JP
Inventors: To Yo; 涛楊; Kiwamu Kudo; 究工藤; Tsurumi Nagasawa; 鶴美永澤; Hirofumi Shuto; 浩文首藤; Toshie Sato; 利江佐藤; Koichi Mizushima; 公一水島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: US20130069730A1; US8947170B2; JP5665706B2

Abstract

【課題】素子の発振を安定化させることができる。
【解決手段】本実施形態に係る磁気記録媒体は、非磁性部、１以上の第１磁性部および第２磁性部を含む。非磁性部は、非磁性体で形成される。１以上の第１磁性部は、前記非磁性部に接続され、電流を伴わない電子スピンの流れを示す純スピン流を発生する。第２磁性部は、前記第１磁性部との間の距離が、前記非磁性部において電子スピンの偏極が保持される距離を示すスピン拡散長以下となるように前記非磁性体に接続され、前記純スピン流により発振する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、純スピン流により発振するスピントルク発振素子に関する。

微細磁性体におけるスピントランスファ効果を利用した電流磁化反転が、磁性メモリの書き込み方法として提案され、スピントランスファ効果を用いた書き込み方式の製品開発が行われている。同様に、スピントランスファ効果を利用して数ＧＨｚから数十ＧＨｚの磁化の歳差運動を実現するスピントルク発振素子についても、次世代大容量ハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）における再生および書き込みヘッド、通信などへの応用が提案されている。
例えば、ＨＤＤの再生および書き込みヘッドに関する応用としては、スピントルク発振素子により高周波磁場を記録媒体に印加し、誘起される磁気共鳴を利用して媒体へエネルギーを注入し、書き込み磁界を下げるという記録方式がある。

S. I. Kiselev, J. C. Sankey, I. N. Krivorotov, N. C. Emley, R. J. Schoelkopf,R. A. Buhrman, and D. C. Ralph, Nature 425, 380(2003).

しかし、スピントルク発振素子をデバイスに応用する際には、スピントルク発振素子が安定して発振することが求められる。伝導電子によるスピントランスファ効果を用いて磁化の歳差運動を励起するスピントルク発振素子においては、電流による発熱、非均一磁区構造などの影響があり、安定的な発振を得るのは難しい。すなわち、スピン流を作るために発振素子に印加した電流により、ジュール熱と電流磁場とが発生し、これらが磁化の運動と磁区構造とに影響する。また、現状のスピントルク発振素子は、スピン流を作る磁性層、発振層、およびその間の非磁性中間層から構成される積層構造であり、非磁性中間層の厚さは一般に数ｎｍしかないため、磁性層からの静磁的な相互作用が発振層に働き、発振素子の発振状態に影響を及ぼしてしまう。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、安定して発振するスピントルク発振素子を提供することを目的とする。

本実施形態に係るスピントルク発振素子は、非磁性部、１以上の第１磁性部および第２磁性部を含む。非磁性部は、非磁性体で形成される。１以上の第１磁性部は、前記非磁性部に接続され、電流を伴わない電子スピンの流れを示す純スピン流を発生する。第２磁性部は、前記第１磁性部との間の距離が、前記非磁性部において電子スピンの偏極が保持される距離を示すスピン拡散長以下となるように前記非磁性体に接続され、前記純スピン流により発振する。

本実施形態に係るスピントルク発振素子を示す図。本実施形態に係るスピントルク発振素子における、スピン蓄積とスピン流発生との一例を示す図。スピントルク発振素子における、微細磁性体の磁化容易軸と微細磁性体の磁化困難軸とが平行する場合の発振状態の一例を示す図。スピントルク発振素子を用いた磁気再生ヘッドの一例を示す図。

スピントランスファ効果を用いた磁化の励起は、１９９６年に理論的に予測され、この予測に基づいて、電流による微細磁性体の磁化反転および歳差運動が実験的に観察されている。伝導電子が磁性体を流れる時、電子のスピンが磁性体の磁化方向に揃うことにより、スピン角運動量の流れが発生する（これをスピン流と呼ぶ）。スピン流が磁化方向の異なる磁性層に流れ込む場合、電子のスピン角運動量が磁性体に伝わることにより、磁性層の磁化にトルクをもたらす。その結果、磁化の反転または歳差運動が引き起こされる。
上述のように、この磁化の歳差運動による発生した高周波磁界を用いることで、現在使用されている書き込みヘッドでは対応できないような媒体材料、例えばＨＤＤの高記録密度化に応じて熱安定性を保つために磁気異方性が高められた媒体材料にも書き込みを行なうことができる。
さらに、ＨＤＤの大容量化の次の技術として、３次元（多層）磁気記録が注目されている。層を選択した再生および書き込みには、スピントルク発振素子を使う磁気ヘッドが有力である。また、通信応用に関しては、巨大磁気抵抗およびトンネル磁気抵抗（ＧＭＲ／ＴＭＲ）効果によって、スピントルク発振素子の抵抗が磁化の歳差運動の周期で変化する現象を利用し、高周波信号を発生する素子として用いることが想定される。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るスピントルク発振素子について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
本実施形態に係るスピントルク発振素子について図１を参照して説明する。
本実施形態に係るスピントルク発振素子１００は、第１微細磁性体１０１（第１磁性部ともいう）、第２微細磁性体１０２（第２磁性部という）および非磁性細線１０３（非磁性部ともいう）を含む。また、第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３とに電流源１０４が接続され、第２微細磁性体１０２と非磁性細線１０３とに電圧計１０５が接続される。
第１微細磁性体１０１は、例えば磁性細線または磁性ドットの形状を有する磁性体であり、スピン注入のために用いられる。スピン注入は、後述の電流源１０４から電流１２１が印加され、磁性体の磁化によって電子のスピンが揃えられ（スピン偏極と呼ぶ）、このスピン偏極した電流が磁化を持たない非磁性金属や半導体に注入されることを示す。

第２微細磁性体１０２は、例えば磁性ドットの形状を有する磁性体であり、スピン流１２２が流されることにより発振し、スピン検出用および発振体として用いられる。第１微細磁性体１０１および第２微細磁性体１０２は、例えばＮｉＦｅ合金で形成されればよい。
非磁性細線１０３は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇなどスピン拡散長の長い材料で形成され、第１微細磁性体１０１および第２微細磁性体１０２にそれぞれ導通可能に接続される。スピン拡散長は、スピン偏極が保持される距離を示す。
電流源１０４は、素子を発振させるために非磁性細線１０３に電流１２１を印加する。電流１２１は、非磁性細線１０３から第１微細磁性体１０１に流れる。
電圧計１０５は、第２微細磁性体１０２における電圧の変化を読み取ることで、外部にある他の磁性体の磁化方向（例えば、磁気記録媒体の記録層の磁化方向）を読み取る。
第１微細磁性体１０１の磁化１４１と第２微細磁性体１０２の磁化１４２とは、互いの磁化の向きが反対方向を向く反平行に配置される。なお、電流を流す方向を逆にすれば、第１微細磁性体１０１の磁化１４１と第２微細磁性体１０２の磁化１４２とを平行配置にしてもよい。
また、第１微細磁性体１０１の磁化しやすい方向を示す磁化容易軸１８１は、界面に平行であり、２微細磁性体１０２の磁化しにくい方向を示す磁化困難軸１８２は界面に垂直となる。

ここで、第１微細磁性体１０１、第２微細磁性体１０２および非磁性細線１０３の寸法、および、第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２との間隔は、スピンの緩和を抑制するため、非磁性細線１０３のスピン拡散長の数分の１程度とすることが望ましい。第１微細磁性体１０１が細線で形成される場合、寸法とは細線の幅を示し、スピンの緩和とは、スピン偏極が保持されなくなることを示す。

次に、本実施形態に係るスピントルク発振素子１００における、非局所スピン注入の手法を用いた、純スピン流の生成について図２を参照して説明する。
図２（ａ）から（ｃ）は、第１微細磁性体１０１、第２微細磁性体１０２および非磁性細線１０３のいずれかの接合面の界面と、界面付近における電流およびスピン流の流れとを示す。

電流１２１が非磁性細線１０３から第１微細磁性体１０１に流れるとき、電子は第１微細磁性体１０１から非磁性細線１０３に流れ込み、スピン流１２２が電流１２１の流れる向きと反対方向に流れる。このとき、磁性体での電子のスピン依存散乱効果により、界面付近では第１微細磁性体１０１の磁化１４１の磁化方向と同じ向きのスピンを持つ電子（以下、スピンアップ電子（ｅ^↑）と呼ぶ）の数が、第１微細磁性体１０１の磁化Ｍ１１４１の方向と反対向きのスピンを持つ電子（以下、スピンダウン電子（ｅ^↓）と呼ぶ）の数より多くなる。この結果、図２（ａ）に示されるように、スピンアップ電子（ｅ^↑）の電気化学ポテンシャル（Electrochemical potential）（μ_↑）が高まり、スピンダウン電子（ｅ^↓）の電気化学ポテンシャル（μ_↓）は低下する。このように電子スピンのバランスが崩れることをスピン蓄積と呼ぶ。なお、反対に、電流が第１微細磁性体１０１から非磁性細線１０３に流れる場合は、スピンダウン電子（ｅ^↓）が蓄積されることとなる。

続いて図２（ｂ）に示されるように、電子は電気化学ポテンシャルの高い場所から電気化学ポテンシャルの低い場所へと拡散するので、スピンアップ電子（ｅ^↑）が非磁性細線１０３の電流１２１が流れていない部分にも流れる。それに伴って、スピンアップ電子（ｅ^↑）と向きが同じスピン流１２２が発生する。同時に、非磁性細線１０３の電流１２１が流れていない部分から、スピンダウン電子（ｅ^↓）が第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３との界面（以下、第１界面１６１ともいう）とに流れ、向きがスピンダウン電子（ｅ^↓）と同じ向きのスピン流１２２が発生する。スピンダウン電子とスピンアップ電子とは互いに反対方向を流れるので電流として打ち消され、非磁性細線１０３と第２微細磁性体１０２との界面（以下、第２界面１６２ともいう）に向かう方向に電流１２１は流れない。
一方、スピン流１２２は、スピンの向きと流れ方向の両方がともに反対であるため、打ち消されずに足し合わせることになる。つまり、電流１２１が流れる第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３との第１界面１６１から、電流が流れていない第２微細磁性体１０２と非磁性細線１０３との第２界面１６２方向へと電流が伴わないスピン流、すなわち純スピン流が流れる。上述した手法を非局所スピン注入と呼ぶ。

非磁性細線１０３は、スピン拡散長の長い材料であるので、非磁性細線１０３を流れるスピン流１２２の緩和が小さい。そのため、図２（ｃ）に示されているように、第１界面１６１から非磁性細線１０３のスピン拡散長以内の距離で離れた第２界面１６２にもスピン蓄積を発生させることができる。スピンアップ電子（ｅ^↑）の数がスピンダウン電子（ｅ^↓）の数よりも多いので、拡散により、第２界面１６２から第２微細磁性体１０２にスピンアップ電子（ｅ^↑）が流れ込み、第２微細磁性体１０２から第２界面１６２にスピンダウン電子（ｅ^↓）が流れ出す。すなわち、純スピン流は第２微細磁性体１０２にも流れ込み、第１微細磁性体１０１の磁化Ｍ１１４１と第２微細磁性体１０２の磁化Ｍ２１４２との向きが一致していない場合、スピントランスファ効果が働く。このとき、第２微細磁性体１０２に流れ込むスピンアップ電子のスピンの向きにより、第２微細磁性体１０２の磁化の方向に近づく際、第２微細磁性体１０２の磁化にスピン角運動量が伝わってトルクをもたらし、磁化Ｍ２１４２の歳差運動、つまり発振を励起する。第２微細磁性体１０２の磁化Ｍ２１４２が歳差運動をしている場合、電気化学ポテンシャルが発振周波数で変動する。非磁性細線１０３の電気化学ポテンシャルが変動しないため、第２微細磁性体１０２と非磁性細線１０３との間の電圧（出力電圧）が第２微細磁性体１０２の電気化学ポテンシャルの変動を反映して、同じ周波数で変動する。
このように、第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２との距離を、第２微細磁性体１０２が発振可能な距離、かつ磁性体の静磁的な相互作用を低減する距離に離すことができ、第２微細磁性体１０２を安定して発振させることができる。

なお、電流源１０４から電流を流す際に、第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３とにそれぞれ金などのスピン緩和の強い材料から作製されるリード線を接続する。非磁性細線１０３にリード線を接続する位置が界面に近い位置である場合、第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３との第１界面にスピン蓄積がなされていればスピンがリード線に吸収されるので、第１界面に蓄積されるスピンが減少してしまう。そのため、非磁性細線１０３にリード線を接続する位置は、第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３との第１界面から非磁性細線１０３のスピン拡散長以上離れることが望ましい。
また同様に、出力電圧を測る際にも、第２微細磁性体１０２と非磁性細線１０３とにそれぞれ金などのスピン緩和の強い材料から作製されるリード線を接続する。非磁性細線１０３にリード線を接続する位置は、スピンがリード線に吸収されてしまわないように、第２微細磁性体１０２と非磁性細線１０３との第２界面から非磁性細線１０３のスピン拡散長以上離れることが望ましい。
さらに、スピントランスファ効果は界面付近で起きるので、第２微細磁性体１０２を発振させるために、第２界面に垂直する方向の寸法を数ｎｍ程度に抑える必要がある。この場合、第２微細磁性体１０２の磁化困難軸１８２が界面に対して垂直方向となる。

第１微細磁性体１０１の磁化容易軸と第２微細磁性体１０２の磁化困難軸とが平行する場合の一例を図３に示す。スピントルク発振素子３００の構成は、図１に示すスピントルク発振素子１００と同様の構成であるが、第１微細磁性体１０１の磁化容易軸３０１と第２微細磁性体１０２の磁化困難軸３０２との方向が同一となり、磁化Ｍ１１４１および磁化Ｍ２１４２の向きが互いに垂直となる。
図３に示すように、第１微細磁性体１０１の磁化容易軸３０１と第２微細磁性体１０２の磁化困難軸３０２とが平行する場合、第２微細磁性体１０２の発振（歳差運動）の軸は磁化困難軸３０２と同一となる。この場合、電流の調節によって、発生する高周波磁界の強度と周波数を大きさとを容易に調節することができる。

次に、図１に示すスピントルク発振素子１００を、イオンミリング、電子ビームリソグラフィーなどの微細加工手法を用いて、シリコン基板上に作製した場合の実施例について説明する。
保磁力の差を付けるため、第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２とは、それぞれ厚さが２０ｎｍと４ｎｍとのＮｉＦｅ合金により設計される。第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２とは形状磁気異方性を有し、両者（第１微細磁性体１０１および第２微細磁性体１０２）の磁化容易軸が平行であり、厚さ方向と垂直する面内にある。また、第２微細磁性体１０２を発振させるために、第２微細磁性体１０２の厚さを４ｎｍとする。非磁性細線１０３は、幅１５０ｎｍ、厚さ６０ｎｍのＣｕ細線である。また、第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２との間隔ａは約２５０ｎｍと設定する。
また、非磁性細線１０３の幅も第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３との間隔も、非磁性細線１０３（Ｃｕ）のスピン拡散長（１０００ｎｍ）よりも十分小さい。よって、スピン流が第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３との第１界面から第２微細磁性体１０２と非磁性細線１０３との第２界面に流れる場合は、スピン流全体のうち２５％が損失となるが、７５％のスピン流を確保することができる。

続いて、上述したスピントルク発振素子のスピン注入の効率について説明する。
第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２との磁化容易軸の方向に外磁界を掃引させ、非磁性細線１０３から微細磁性体１０１に１ｍＡ電流を流す。そして、第１微細磁性体１０１と第２微細磁性体１０２との磁化方向が平行から反平行に変わる際の出力電圧を測定した結果、約４μＶの出力電圧変化が得られる。この結果により、第２微細磁性体１０２に流れ込むスピン流は式（１）で見積もられる。

ここで、Ｒ_Ｓは材料のスピン抵抗であり、Ｐは材料のスピン分極率、ｔは第２微細磁性体１０２の厚さ、λは材料のスピン拡散長、ＰｙはＮｉＦｅ合金、Ａｕは第２微細磁性体１０２と接続されるリード線、Ｉ_ｄｃは非磁性細線１０３から第１微細磁性体１０１に流れる電流である。
式（１）により、非磁性細線１０３から第１微細磁性体１０１に１０ｍＡの電流を流す場合、第２微細磁性体１０２に約６×１０^１０Ａ／ｍ^２のスピン流が流れ込むことが理解できる。これは、スピントルクによる磁化発振に必要なスピン流密度と同レベルである。すなわち、図１に示すスピントルク発振素子１００において、非局所スピン注入の手法を用いることで、第２微細磁性体１０２の歳差運動により磁性体を発振させることができる。

次に、本実施形態に係るスピントルク発振素子１００の実装例について図４を参照して説明する。
図４は、スピントルク発振素子１００を用いた磁気再生ヘッド４００を示す図である。磁気再生ヘッド４００は、第１微細磁性体１０１−１および第１微細磁性体１０１−２、第２微細磁性体１０２、非磁性細線１０３、シールド４０１、絶縁体４０２およびリード線４０３を含む。
シールド４０１および絶縁体４０２は、一般的な材料を用いればよいため、ここでの説明は省略する。
リード線４０３は、上述のように、金（Ａｕ）などのスピン緩和が強い材料により形成される。
スピン注入の効率を高めるため、磁化方向が反平行の２つの第１微細磁性体１０１−１と１０１−２とを用い、非磁性細線１０３を挟むように第１微細磁性体１０１−１と１０１−２とを接続する。図４に示すように、電流Ｉ_ｄｃを流して、第２微細磁性体１０２を発振させる場合、出力電圧が磁化の発振周波数で変動し、高周波信号が生成される。記録媒体からの漏れ磁場が微細磁性体１０２に印加する場合、この高周波信号の周波数または振幅が変化する。この変化を検出することによって、記録された情報を再生することができる。

また、２つの第１微細磁性体１０１−１と１０１−２との磁化の向きを反平行にするために、２つの第１微細磁性体１０１の保磁力を異なる値にする。または、反強磁性体を使って、反平行にする。上述のように、電子が非磁性細線１０３から第１微細磁性体１０１に流れる場合と、電子が第１微細磁性体１０１から非磁性細線１０３に流れる場合では、第１界面で蓄積されるスピンの向きが反対になる。また、第１微細磁性体１０１の磁化の向きが反転すると、第１界面で蓄積されるスピンの向きも反転する。よって、電流が第１微細磁性体１０１−１から非磁性細線１０３に流れる場合、非磁性細線１０３から第１微細磁性体１０１−１と磁化の向きが反平行である第１微細磁性体１０１−２に流れる場合、２つの第１微細磁性体１０１と非磁性細線１０３とのそれぞれの界面において、スピンアップ電子（ｅ^↑）が蓄積されることになる。よって、第１界面が１つである場合のスピン蓄積よりも略２倍のスピンが蓄積されることになるので、第２微細磁性体１０２に流れるスピン流も略２倍に増やすことができる。言い換えれば、第２微細磁性体１０２を発振させるために必要な電流を減らすことができ、この電流の減少に伴い、第２微細磁性体をより安定して発振させることができる。

以上に示した本実施形態に係るスピントルク発振素子によれば、非局所スピン注入の手法を用いて電流が伴わない純スピン流を利用することにより、スピントルク発振素子の微細磁性体の発振を励起しつつ、ジュール熱、電流磁場など電流から生じる悪影響を避けることができる。さらに、スピン流を生成する微細磁性体と発振する微細磁性体（発振素子）との距離を十分長くとることで、磁性体の静磁的な相互作用を低減することができ、発振素子の発振を安定化させることができる。

１００，３００・・・スピントルク発振素子、１０１，１０１−１，１０１−２・・・第１微細磁性体、１０２・・・第２微細磁性体、１０３・・・非磁性細線、１０４・・・電流源、１０５・・・電圧計、１２１・・・電流、１２２・・・スピン流、１４１・・・磁化Ｍ１、１４２・・・磁化Ｍ２、１８１，３０１・・・磁化容易軸、１８２，３０２・・・磁化困難軸、４００・・・磁気再生ヘッド、４０１・・・シールド、４０２・・・絶縁体、４０３・・・リード線。

Claims

非磁性体で形成される非磁性部と、
前記非磁性部に接続され、電流を伴わない電子スピンの流れを示す純スピン流を発生する１以上の第１磁性部と、
前記第１磁性部との間の距離が、前記非磁性部において電子スピンの偏極が保持される距離を示すスピン拡散長以下となるように前記非磁性体に接続され、前記純スピン流により発振する第２磁性部と、を具備するスピントルク発振素子。
前記第１磁性部を２つ具備する場合、２つの該第１磁性部の磁化の向きを反平行とし、かつ前記非磁性部を挟むように２つの該第１磁性部を接続することを特徴とする請求項１に記載のスピントルク発振素子。
前記第１磁性部および前記第２磁性部は、前記第１磁性部が磁化しやすい方向を示す磁化容易軸と前記第２磁性部が磁化しにくい方向を示す磁化困難軸とが平行となるように配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピントルク発振素子。
前記第１磁性部に電流を印加するための第１リード線と、前記第２磁性部からの出力信号を測定するための第２リード線とがそれぞれ前記非磁性部に接続される場合、該第１リード線および該第２リード線はそれぞれ、前記第１磁性部と前記非磁性部との第１界面および前記第２磁性部と該非磁性部との第２界面から、該第１リード線および該第２リード線が接続される材料のスピン拡散長以上離れて接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスピントルク発振素子。