JP2014110419A - スピントランスファートルク磁気メモリデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的なＳＴＴ磁気メモリデバイスを提供する。
【解決手段】トポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の交互配列した層を含む第１層構造（６）および第２層構造（７）と、第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に挟まれ、デバイスの値を表す磁化方向を有する磁気材料（２）とを備え、第１層構造（６）および第２層構造（７）の各トポロジカル絶縁体層（４）は、磁気材料と直接接触しているスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）が開示される。
【選択図】図１

Description

本開示は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）磁気メモリデバイス、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）磁気メモリデバイスの製造方法、およびスピントランスファートルク（ＳＴＴ）磁気メモリデバイスの動作方法に関する。

ＳＴＴ磁気メモリは、当業者に既に知られている。例えば、国際公開第２０１１０７５２５７Ａ１号は、スピン偏極した電子流のソースと、メモリのビット値を表す磁化方向を有する磁気材料とを備えたスピントランスファートルク磁気メモリを記載している。スピン偏極した電子流のソースは、磁化層の形態であって、固定層と称され、そこをスピン偏極した電子流が通過する。磁気材料は、フリー層と称される隣の磁気層の形態である。スピン偏極した電子流のソースおよび磁気材料は、磁化方向において、スピン偏極した電子のスピンによって生ずるトルクによって、スピン偏極した電子のスピンの移行(transfer)を介して、磁気材料の磁化方向が制御可能なように互いに電気的に配置される。こうした構成は、磁化層から到来するスピン偏極した電子流が隣の磁気層を通過するようにすることによって達成される。

しかしながら、スピン偏極した電子流の生成は、国際公開第２０１１０７５２５７Ａ１号に記載されているように、不充分であった。所望のスピンを有していない電子が固定層によって反射され、これは、固定層によって反射されたスピン偏極なしの電流の電子の約半分に対応する。電子の半分が固定層によって反射されるため、比較的大きな抵抗が固定層によって生成され、その結果、スピン偏極した電子流の生成がかなり非効率である。

従って、本開示の目的は、より効率的なＳＴＴ磁気メモリデバイスを提供することである。

第１発明態様によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスが開示される。

スピントランスファートルク磁気メモリデバイスは、第１層構造と、第２層構造とを備える。層構造は、トポロジカル(topological)絶縁体層および絶縁体層の交互配列した層を含む。該デバイスはさらに、第１層構造と第２層構造との間に挟まれ、デバイスの値を表す磁化方向を有する磁気材料を備える。第１層構造および第２層構造の各トポロジカル絶縁体層は、磁気材料と直接接触している。

異なる実施形態によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスは、第１層構造と第２層構造との間に電圧を印加するために、第１層構造への第１電気コンタクトと、第２層構造への第２電気コンタクトとをさらに備える。

異なる実施形態によれば、第１電気コンタクトおよび第２電気コンタクトは、それぞれ複数の第１トポロジカル電気コンタクトおよび第２トポロジカル電気コンタクトを備え、第１トポロジカル電気コンタクトおよび第２トポロジカル電気コンタクトは、それぞれ他の第１電気コンタクトおよび第２電気コンタクトから隔離され、第１層構造および第２層構造それぞれのトポロジカル絶縁体層と接続されている。

異なる実施形態によれば、第１層構造、第２層構造および磁気材料は、磁化方向において、スピン偏極した電子のスピンによって生ずるトルクによって、スピン偏極した電子のスピンの移行(transfer)を介して、磁気材料の磁化方向が制御可能なように互いに電気的に配置される。スピン偏極した電子流が、第１層構造と第２層構造との間に電圧を印加することによって、トポロジカル絶縁体層の表面に沿って発生する。

異なる実施形態によれば、スピン偏極した電子のスピンは、スピン偏極した電子流の方向に対して直交する方向にある。

異なる実施形態によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスは、第１層構造と第２層構造との間に電圧を印加して、印加電圧に関連して磁気材料の磁化方向を制御するための電圧印加手段をさらに備える。

異なる実施形態によれば、磁気材料の磁化方向の制御性は、第１層構造と第２層構造との間に印加される電圧と関連付けられる。

異なる実施形態によれば、磁気材料は、強磁性体(ferromagnet)である。より好ましい実施形態によれば、磁気材料は、軟磁性材料である。異なる実施形態によれば、磁気材料は、半水素化グラフェンシートとしても知られているグラフォン(graphone)を含む。本開示のより好ましい実施形態によれば、トポロジカル絶縁体層の厚さは、スピン偏極した電子の電流密度をさらに増加させるように制限される。

異なる実施形態によれば、トポロジカル絶縁体層は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３，Ｂｉ_２Ｔｅ_３，Ｓｂ_２Ｔｅ_３のいずれか１つまたは組合せを含む。

本開示の好ましい実施形態によれば、絶縁体層は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯ_２であるが、これに限定されない。

異なる実施形態によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスは、磁気エレメントの磁化方向に基づいてデバイスの値を決定するための読み取り配置をさらに備える。異なる実施形態によれば、この値は、デジタル値またはアナログ値でもよい。

他の発明態様によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの製造方法が開示される。

該方法は、トポロジカル絶縁体層および絶縁体層の交互配列した層を備えた層構造を用意するステップと、トポロジカル絶縁体層および絶縁体層の一部を磁気材料で置換し、これにより磁気材料の一方の側に位置決めされ、磁気材料との界面を有する第１層構造を規定し、そして、磁気材料の他方の側で第１層構造とは反対側に位置決めされ、磁気材料との界面を有する第２層構造を規定するステップと、第１層構造のトポロジカル絶縁体層への第１電気コンタクトおよび第２層構造のトポロジカル絶縁体層への第２電気コンタクトを用意するステップとを含む。

スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの製造方法の異なる実施形態によれば、層構造のトポロジカル絶縁体層および絶縁体層の一部を磁気材料で置換するステップは、層構造のトポロジカル絶縁体層および絶縁体層の一部を除去し、これにより空洞を残し、この空洞を磁気材料で充填することを含む。

他の発明態様によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの動作方法が開示される。

この動作方法は、トポロジカル絶縁体層および絶縁体層の交互配列した層を備えた第１層構造および第２層構造を用意するステップと、第１層構造と第２層構造との間に挟まれた、任意の初期状態に向いた制御可能な磁化を有する磁気材料を用意するステップと、第１層構造と第２層構造との間に電圧を印加し、これによりトポロジカル絶縁体層の表面に沿ってスピン偏極した電子流を発生するステップであって、スピン偏極した電子のスピンは、スピン偏極した電子流に対して直交した向きであり、これによりスピン偏極した電子は、スピントルクを磁気層の磁化に作用させ、これにより磁気材料の磁化方向を、スピン偏極した電子のスピンの方向に向いた第２状態に制御するようにしたステップと、印加電圧に応じて、磁気材料の磁化方向の第２状態を決定するステップと、決定した磁化方向の第２状態に基づいて値を決定するステップと、を含む。

スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの動作方法の実施形態によれば、第１層構造と第２層構造との間に電圧を印加するステップは、第１層構造のトポロジカル絶縁体層の各々と第２層構造のトポロジカル絶縁体層との間に独立した電圧を印加することを含む。

スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの動作方法の実施形態によれば、磁気材料の磁化方向の任意の初期状態は、スピン偏極した電子のスピンに対して反平行であり、磁気材料の磁化方向の第２状態は、スピン偏極した電子のスピンに対して平行である。

スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの動作方法の実施形態によれば、値を決定するステップは、デジタル値を決定すること、またはアナログ値を決定することを含んでもよい。

他の発明態様によれば、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスのためのトポロジカル絶縁体層の使用が開示される。

好ましい実施形態によれば、スピントランスファートルク磁気メモリでのトポロジカル絶縁体層の使用は、磁気メモリの磁気材料の磁化方向を制御することを含む。磁化方向は、磁気メモリのビットの値を表す。トポロジカル絶縁体層の表面に沿って電界を印加することによって、スピン偏極した電子流がトポロジカル絶縁体層の表面に沿って発生する。トポロジカル絶縁体層および磁気材料は、磁化方向において、スピン偏極した電子のスピンによって生ずるトルクによって、スピン偏極した電子のスピンの移行(transfer)を介して、磁気材料の磁化方向が制御可能なように互いに配置される。

本開示の実施形態の利点は、層構造に起因して、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスのためのスピン偏極した電子流を供給できる全体表面積を増加させることができ、磁気材料の磁化方向の改善した制御をもたらすことである。

本開示の実施形態の利点は、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの強磁性体材料のより良好な磁気特性に起因して、より良好なスピントランスファートルクを提供できることである。いずれの理論にも拘束されたくはないが、改善したＳＴＴは、強磁性体のスピン関連の態様に関連するものと考えられる。

本開示の実施形態の利点は、軟磁性材料における磁化方向の磁化は、例えば、硬磁性材料よりも比較的容易に制御できることである。

本開示の実施形態の利点は、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの磁気材料が比較的薄いため、スピン偏極した電子流と磁気材料の磁化方向との相互作用が改善できることである。

本開示の実施形態の利点は、先行技術のスピントランスファートルク磁気メモリデバイスで使用されているように、スピン偏極した到来する電子にとって硬磁性材料を使用する要求が存在しないことである。硬磁性材料の使用は、スピン電子の一部が反射することに起因して、電流がスピンフィルタ除去されるという短所を有する。間違ったスピン偏極を有する電子の反射は、本請求項と比較して、より大きな抵抗をもたらす。

本開示の実施形態の利点は、スピン偏極した電子流は、後方散乱（硬磁性材料を使用した場合に存在する）の欠如に起因して、準非散逸性(quasi dissipationless)であることである。

本開示の実施形態の利点は、費用効果があり、簡単な製造設計を有するスピントランスファートルク磁気メモリデバイスが提案されることである。

本開示の実施形態の利点は、広範囲の応用が、例えば、信号画像処理などのデジタル応用およびアナログ応用の両方にとって可能であることである。

本開示について、下記の説明および添付図面を用いてさらに説明する。

第１発明態様に係るスピントランスファートルク磁気メモリデバイスの３次元（３Ｄ）概略図を示す。 異なる実施形態に係るスピントランスファートルク磁気メモリデバイスの概略側面図を示す。 異なる実施形態に係るスピントランスファートルク磁気メモリデバイスの概略側面図を示す。 スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの３次元（３Ｄ）概略図およびある実施形態に係るデバイスの動作方法を示す。 スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの概略側面図およびある実施形態に係るデバイスの動作方法を示す。 図６ａ〜図６ｃは、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの平面図およびある実施形態に係るデバイスの動作方法を示す。 図７ａ〜図７ｃは、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの平面図およびある実施形態に係るデバイスの動作方法を示す。 ある実施形態に係るスピントランスファートルク磁気メモリデバイスの応用の概略説明を示す。

下記の詳細な説明において、多数の具体的な詳細を説明して、本開示の完全な理解および特定の実施形態においてどのように実施できるかを提供している。しかしながら、本開示は、これらの具体的な詳細が無くても実施できることは理解されよう。他の例では、本開示を曖昧にしないように、周知の方法、手順および手法は詳細に記載していない。本開示は、一定の図面を参照して特定の実施形態に関して説明しているが、本開示はこれに限定されない。ここに含まれ記載した図面は、概略的であり、本開示の範囲を限定していない。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがあることに留意する。

本開示は、特定の実施形態について一定の図面を参照して説明するが、本開示はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。寸法および相対寸法は、本開示の実際の具体化に必ずしも対応していない。

さらに、説明および請求項での用語、「第１」、「第２」、「第３」などは、類似の要素を区別するための使用しており、必ずしも連続順または時間順を記述するためではない。用語は、適切な状況下で交換可能であり、本開示の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能である。

さらに、説明および請求項の中の用語「上(top)」、「下(bottom)」、「の上に(over)」、「の下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本開示の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であることを理解すべきである。

請求項で用いた用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された要素またはステップに限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していない。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。

（ｘ，ｙ，ｚ）座標系を参照しているが、これは説明目的に過ぎず、座標は交換可能であることを当業者は理解すべきである。

トポロジカル(topological)絶縁体層は、バルク中の半導体性または絶縁性の材料であって、トポロジカル的に保護された表面状態を有する。表面状態は、金属的であり、ディラックコーン(Dirac cone)エネルギー分散関係を有する。特に言及していなければ、トポロジカル絶縁体は、その内部では絶縁体として振る舞うが、その境界／表面で電荷の移動を許容する材料である。トポロジカル絶縁体の一例が、テルル化ビスマスまたはセレン化ビスマスである。

磁化された材料の磁化は、単位体積当りの磁気モーメントの局所値であり、通常、Ｍで表記し、単位はＡ／ｍである。

本開示の構成において、電子の動きとスピンとの間の関係に起因して、トポロジカル絶縁体の表面に沿って電界を印加することによって、スピン偏極した電子流がトポロジカル絶縁体の表面に沿って発生するため、スピン偏極した電子流がより効率的な方法で生成できることが判明した。

さらに、トポロジカル絶縁体の表面に沿って電子の輸送が非散逸性であり、例えば、得られるメモリに関連したインピーダンスおよび、例えば、ジュール発熱をさらに低下させ、例えば、メモリを動作させるのに要するエネルギーを低減することが判明した。

さらに、スピン偏極した電子流のソースは、トポロジカル絶縁体の表面に沿って電界を印加することによって、スピン偏極した電子流がトポロジカル絶縁体の表面に沿って発生するように設けられたトポロジカル絶縁体を備える。

図１は、本開示に係るスピントランスファートルク（ＳＴＴ）磁気メモリデバイスの３次元（３Ｄ）概略図を示す。

スピントランスファートルク磁気メモリデバイス１は、第１層構造６と、第２層構造７とを備え、両者の間に磁気材料２が挟まれている。第１層構造６および第２層構造７は、トポロジカル絶縁体層４および絶縁体層５の交互配列した層を備える。

磁気材料２は、磁化Ｍ_ｉｎｉｔの任意の初期状態、即ち、任意の初期の方向および大きさを持つ磁化Ｍ_ｉｎｉｔを有する。磁気材料２の磁化Ｍ_ｉｎｉｔの方向は、表面方向と平行である。図１において、磁気材料２の磁化Ｍ_ｉｎｉｔの方向は、（ｘ，ｚ）面内にあり、ｚ方向（即ち、層構造６，７と磁気材料２との間にある界面６１，７１の方向）と平行である。しかしながら、磁気材料２の磁化Ｍ_ｉｎｉｔの方向は、この方向に限定されず、（ｘ，ｚ）面内にある他の方向（例えば、層構造６，７と磁気材料２との間にある界面１０に対して直交またはある角度である）に向いてもよい。

第１層構造６、第２層構造７および磁気材料２は、第１層構造６および第２層構造７のトポロジカル絶縁体層４の各々が磁気材料２と接触するように配置される。「接触する」とは、第１層構造６および第２層構造７のトポロジカル絶縁体層４と磁気材料２との間に直接の物理接触があることを意味する。こうして第１層構造６と磁気材料２との間に第１界面６１が存在し、第２層構造７と磁気材料２との間に第２界面７１が存在する。好ましくは、絶縁体層５も磁気材料と直接接触している。（ｘ，ｙ，ｚ）座標を参照した場合、好ましくは、第１層構造６と磁気材料２との間に第１界面６１が存在し、第１界面６１は（ｙ，ｚ）面内にあり、そして、第２層構造７と磁気材料２との間に第２界面７１が存在し、第２界面７１は第１界面６１と平行である（即ち、（ｙ，ｚ）面内にある）。

磁気材料２は、好ましくは、導電性であり、第１層構造６および第２層構造７と電気的に接続されている。

磁気材料２は、好ましくは、軟強磁性材料、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、ホイスラー(Heusler)合金、強磁性酸化物である。軟磁性材料とは、比較的容易に磁化され消磁される磁性材料である。軟磁性材料は、約５Ｏｅ未満の低い保磁力(coercivity)を有する。

磁気材料２はまた、グラフォン(graphone)（半水素化グラフェンとしても知られている）を含んでもよい。

図１〜図８は、磁気材料２が略ビーム形状であることを示す。しかしながら、こうした構成は本発明にとって重大でなく、磁気材料２は、想定した構成について当業者が適切であろうと考える任意の形状および寸法を有することができる。

第１層構造６および第２層構造７は、好ましくは、トポロジカル絶縁体層４および絶縁体層５の同じ層を備える。第１層構造６および第２層構造７は、最初に共通の層構造を形成し、次に層構造の中間部を除去することによって形成してもよい。中間部の一方の側では第１層構造６が規定される。中間部の他方の側では第２層構造７が規定される。共通の層構造を形成することは、例えば、エピタキシャル成長法、ＭＢＥ，ＡＬＤ，ＣＶＤまたはスパッタリングなどの堆積手法によって、トポロジカル絶縁体層４および絶縁体層５の交互配列した層を成長させることによって行ってもよい。層構造の一部を除去することは、トポロジカル絶縁体層４および絶縁体層５の両方が除去されるようにエッチング手法によって行ってもよい。これにより空洞が生成され、次の処理工程において磁気材料２が充填されることになる。

ある実施形態の利点は、スピントランスファートルク磁気メモリデバイスでは数多くの層が使用でき、これにより電流が軟磁性材料のバルクを浸透可能になることである。スピントランスファートルク磁気メモリデバイスの多数の層（またはトポロジカル絶縁体層４）は、磁気材料２の厚さ、トポロジカル絶縁体層４の厚さおよび絶縁体層５の厚さの関数で選択してもよい。

トポロジカル絶縁体層４は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３，Ｂｉ_ｘＳｂ_１−ｘ，Ｂｉ_２Ｔｅ_３，Ｓｂ_２Ｔｅ_３，α−Ｓｎ，トポロジカル絶縁体として分類されるオールホイスラー型化合物およびハーフホイスラー型化合物，Ａ_２Ｂ_２Ｏ_７タイプのパイロクロア型(pyrochlore)酸化物，Ｇｅ_２Ｓｂ_２Ｔｅ_５，好ましくは、Ｂｉ_２Ｓｅ_３を含んでもよい。

絶縁体層５は、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＧｅＯ_２，ＨｆＯ_２を含んでもよい。層構造の一例が、Ａｌ_２Ｏ_３およびＢｉ_２Ｔｅ_３のスタック、またはＢｉ_２Ｓｅ_３上のＨｆＯ_２のスタックでもよい。

トポロジカル絶縁体層４の厚さは、スピン偏極した電子の電流密度をさらに増加させるように制限される。しかしながら、トポロジカル絶縁体層４の厚さは、充分なバルク材料を必要とするトポロジカル絶縁体効果を減少させるように制限し過ぎるべきではない。トポロジカル絶縁体層４の厚さは、好ましくは１〜１０ｎｍの範囲内である。

絶縁体層５の厚さは、異なるトポロジカル絶縁体層４が互いに隔離されている限りは、関連していない。スケーリング特性について、絶縁体層５の厚さは、好ましくは可能な限り小さく、例えば、２〜１０ｎｍの範囲内である。

例えば、トポロジカル絶縁体層の単位セルの少なくとも６つの層の層構造（例えば、Ｂｉ_２Ｓｅ_３の５〜６個の５原子層の場合）を充分に厚くなるように（少なくともトポロジカル絶縁体層が主としてＢｉ_２Ｓｅ_３を含む場合）設けてもよい。しかしながら、トポロジカル絶縁体層の材料は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３に限定されず、トポロジカル絶縁体層は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３，Ｂｉ_２Ｔｅ_３，Ｓｂ_２Ｔｅ_３のいずれか１つまたは組合せ、あるいは当業者に知られた、適切と思われる任意の他の材料を含んでもよい。

また、電気コンタクトがスピントランスファートルク磁気メモリデバイス１に設けられる。種々の可能性を説明する。

共通の第１電気コンタクト２１（図２に示す）を第１層構造６の（外）側に設けてもよく、これにより第１層構造６のトポロジカル絶縁体層４および絶縁体層５の全てと一緒に電気的に接触する。

共通の第２電気コンタクト２２（図２に示す）を第２層構造７の（外）側に設けてもよく、これにより第２層構造７のトポロジカル絶縁体層４および絶縁体層５の全てと一緒に電気的に接触する。

代替として、第１層構造６のトポロジカル絶縁体層４は、個別に接触してもよい（図３に示す）。この場合、異なる電気コンタクト２１１が第１層構造６のトポロジカル絶縁体層４の（外）側に設けられる。こうして異なる電気コンタクト２１１は、互いに（電気的かつ物理的に）隔離される。

代替として、第２層構造７のトポロジカル絶縁体層４は、個別に接触してもよい（図３に示す）。この場合、異なる電気コンタクト２２１が第２層構造７のトポロジカル絶縁体層４の（外）側に設けられる。こうして異なる電気コンタクト２２１は、互いに（電気的かつ物理的に）隔離される。

トポロジカル絶縁体層４に異なる電気コンタクトを個別に設ける利点は、各トポロジカル絶縁体層が別個に動作可能であり、スピントランスファートルク磁気メモリがロジックからアナログ応用に使用できることである。一例についてさらに詳説している（図８）。

図４と図５は、本開示の実施形態に係るスピントランスファートルク磁気メモリ１の３Ｄおよび２Ｄ概略図を示す。

電界を印加することによって、特に言及していない限り、第１層構造６と第２層構造７との間に電圧３０を印加することによって、スピン偏極した電子の流れ（矢印６０，７０ Ｉ）がトポロジカル絶縁体層４の表面に沿って発生する。第１層構造６、第２層構造７および磁気材料２は、磁化方向（矢印８２ Ｍ）において、スピン偏極した電子のスピン（矢印６１，７１ ｓ）によって生ずるトルクによって、スピン偏極した電子のスピンの移行(transfer)を介して、磁気材料２の磁化方向（矢印８２ Ｍ）が制御可能なように互いに電気的に配置される。第１層構造６と第２層構造７との間に電圧３０を印加することによって、スピン偏極した電子流（矢印６０，７０ Ｉ）がトポロジカル絶縁体層４の表面に沿って発生する。

スピン偏極した電子のスピン（矢印６１，７１ ｓ）は、スピン偏極した電子流（矢印６０，７０ Ｉ）の方向に対して直交する方向にある。

磁気材料２の磁化方向（矢印８２ Ｍ）の制御性は、第１層構造と第２層構造との間に印加される電圧に依存している。動作電圧３０は、使用する材料、使用する材料のバンドオフセット、材料の垂直異方性に依存している。

磁気材料２の磁化方向（矢印８２ Ｍ）は、メモリデバイスの値を表す。磁気材料２の磁化方向（矢印８２ Ｍ）に依存して、その値は、ビット値、即ち、０（ゼロ）または１を表すものでもよく、あるいは、値は、ランダム値を表すアナログ値でもよい。

図６ａ〜図６ｃと図７ａ〜図７ｃは、例えば、ゼロを表すビットを書き込んだり、１を表すビットを書き込んだりするための、スピントランスファートルク磁気メモリデバイス１の動作方法の概略図を示す。

この例は、ゼロを表すビットを書き込んだり（図６ａ〜図６ｃ）、１を表すビットを書き込んだり（図７ａ〜図７ｃ）するために、スピントランスファートルク磁気メモリデバイス１においてトポロジカル絶縁体層４の使用を示す。これらの図において、矢印６１，７１ ｓは、スピン偏極した電子の一般的なスピンを表し、矢印６０，７０ Ｉは、電流密度を表し、矢印８２ Ｍは、磁気材料２の磁化を表す。Ｍ_ｉｎｉｔは、磁気材料２の初期の任意の磁化状態、即ち、第１層構造６と第２層構造７との間に電圧を印加していない磁化状態を表す。

第１層構造６と第２層構造７との間に電圧を印加した場合、磁化Ｍの方向は、トルクを誘起するスピン偏極した電子流に起因して制御される。Ｍ_{ｆｉｎａｌ}は、電圧を印加したときの磁気材料２の最終磁化状態を表す。磁化方向は、任意の初期方向Ｍ_ｉｎｉｔから最終方向Ｍ_{ｆｉｎａｌ}に向けて変化できることが判る。Ｍ_{ｆｉｎａｌ}は、ランダムな方向（例えば、磁化Ｍの方向、またはスピン偏極した電子のスピンｓと平行な磁化方向）でもよい。トルクによるスピン偏極した電子のスピンの移行は、磁化Ｍの方向での変化によって例示される。

電流密度Ｉの方向の変化は、図７ａ〜図７ｃに概略的に示すように、例えば、トポロジカル絶縁体層４の表面に沿ってほぼ反対またはちょうど反対の方向を有する別の電界を印加することによって達成できる。図７ａにおいて、第１層構造６と第２層構造７との間に電圧が印加され、スピン偏極した電子流が矢印６０，７０ Ｉで示す方向に誘起される。スピン偏極した電子のスピン（矢印６１，７１ ｓ）は、電流の方向に対して直交しており、即ち、この例では下向きスピンとなる。初期の磁化Ｍ_ｉｎｉｔは、スピンｓに対して反平行の方向にある。印加電圧に起因して、磁化の方向を制御するように、スピントルクが誘起される。印加電圧（大きさ）に依存して、磁化の方向は、スピンｓと平行な方向Ｍ_{ｆｉｎａｌ}に向けて変化することになる。

図８は、本発明の実施形態に係るスピントランスファートルク磁気メモリデバイスを用いた可能性のある応用の概略例を示す。スピントランスファートルク磁気メモリデバイスが、６つのトポロジカル絶縁体層４を備えた層構造で表現されている。各トポロジカル絶縁体層４は、電圧を印加するための電気コンタクトを有し、スピン偏極した電子流が各トポロジカル絶縁体層６の表面に誘起し得る。本例では６つの異なるセルを用いた概略的なイメージ１００を示す。各セルが、例えば、画素、黒または白（即ち、デジタルの０または１）を表す。より一般的には、各セルが、例えば、ランダム値（即ち、アナログ）を持つ画素を表す。スピントランスファートルク磁気メモリデバイスは、イメージ自体に画素が存在するのと同じように多くのトポロジカル絶縁体層を備え、信号処理システムのように、ＳＴＴ磁気メモリデバイスの使用を可能にする。

画素ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３，ｄ２１，ｄ２２，ｄ２３の各々が、トポロジカル絶縁体層４の各々と接続されている。画素の値に依存して、電圧（画素／セルの値に対応して）Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３が、対応するトポロジカル層に印加される。電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３の各々が、対応するトポロジカル層の表面にスピン偏極した電子流Ｉ１１，Ｉ１２，Ｉ１３，Ｉ２１，Ｉ２２，Ｉ２３を誘起することになる。これによりスピン偏極した電子流Ｉ１１，Ｉ１２，Ｉ１３，Ｉ２１，Ｉ２２，Ｉ２３は、磁気材料２の磁化方向を制御することになり、電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３の各々について、対応する磁化方向Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３が誘起されることになる（スピントルクに起因して）。電圧Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３を印加した後に達成される磁化方向Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３，Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３の各々は、読み出し素子を用いて読み出される。こうしてスピントランスファートルク磁気メモリデバイスは、信号処理システムとして使用できる。

Claims (15)

1. ・トポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の交互配列した層を含む第１層構造（６）および第２層構造（７）と、
   ・第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に挟まれ、デバイスの値を表す磁化方向を有する磁気材料（２）とを備え、
   第１層構造（６）および第２層構造（７）の各トポロジカル絶縁体層（４）は、磁気材料と直接接触している、スピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
2. 第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に電圧を印加するために、第１層構造（６）への第１電気コンタクト（２１）と、第２層構造（７）への第２電気コンタクト（２２）とをさらに備える請求項１記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
3. 第１電気コンタクト（２１）は、複数の第１トポロジカル電気コンタクト（２２１）を備え、
   第２電気コンタクト（２２）は、複数の第２トポロジカル電気コンタクト（２１２）を備え、
   各第１トポロジカル電気コンタクトは、他の第１コンタクトから隔離され、第１層構造（６）のトポロジカル絶縁体層（４）と接続されており、
   各第２トポロジカル電気コンタクトは、他の第２コンタクトから隔離され、第２層構造（７）のトポロジカル絶縁体層（４）と接続されている請求項２記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
4. 第１層構造（６）、第２層構造（７）および磁気材料（２）は、磁化方向において、スピン偏極した電子のスピンによって生ずるトルクによって、スピン偏極した電子のスピンの移行を介して、磁気材料の磁化方向が制御可能なように互いに電気的に配置され、
   スピン偏極した電子流が、第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に電圧を印加することによって、トポロジカル絶縁体層（４）の表面に沿って発生するようにした請求項１〜３のいずれかに記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
5. スピン偏極した電子のスピンは、スピン偏極した電子流の方向に対して直交する方向にある請求項４記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
6. 第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に電圧を印加して、印加電圧に関連して磁気材料（２）の磁化方向を制御するための電圧印加手段をさらに備える請求項４または５記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
7. 磁気材料（２）は、軟磁性材料（２）である請求項１〜６のいずれかに記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
8. トポロジカル絶縁体層（４）は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３，Ｂｉ_２Ｔｅ_３，Ｓｂ_２Ｔｅ_３のいずれか１つまたは組合せを含む請求項１〜７のいずれかに記載のスピントランスファートルク磁気メモリデバイス（１）。
9. スピントランスファートルク磁気メモリデバイスを製造するための方法であって、
   ・トポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の交互配列した層を備えた層構造を用意するステップと、
   ・トポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の一部を磁気材料（２）で置換し、これにより磁気材料（２）の一方の側に位置決めされ、磁気材料（２）との界面（６１）を有する第１層構造（６）を規定し、そして、磁気材料（２）の他方の側で第１層構造（６）とは反対側に位置決めされ、磁気材料（２）との界面（７１）を有する第２層構造（７）を規定するステップと、
   ・第１層構造（６）のトポロジカル絶縁体層（４）への第１電気コンタクト（２１）および第２層構造（７）のトポロジカル絶縁体層（４）への第２電気コンタクト（２２）を用意するステップと、を含む方法。
10. 層構造のトポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の一部を磁気材料（２）で置換するステップは、
    ・層構造のトポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の一部を除去し、これにより空洞を残すことと、
    ・該空洞を磁気材料（２）で充填することと、を含む請求項９記載の方法。
11. 第１電気コンタクト（２１）は、複数の第１トポロジカル電気コンタクト（２２１）を備え、
    各第１トポロジカル電気コンタクト（２２１）は、他のコンタクトから隔離され、第１層構造（６）のトポロジカル絶縁体層（４）と接続されており、
    第２電気コンタクト（２２）は、複数の第２トポロジカル電気コンタクト（２１２）を備え、
    各第２トポロジカル電気コンタクト（２１２）は、他のコンタクトから隔離され、第２層構造（７）のトポロジカル絶縁体層（４）と接続されている請求項９および１０記載の方法。
12. スピントランスファートルク磁気メモリデバイスを動作させるための方法であって、
    ・トポロジカル絶縁体層（４）および絶縁体層（５）の交互配列した層を備えた第１層構造（６）および第２層構造（７）を用意するステップと、
    ・第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に挟まれた、任意の初期状態に向いた制御可能な磁化を有する磁気材料（２）を用意するステップと、
    ・第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に電圧を印加し、これによりトポロジカル絶縁体層の表面に沿ってスピン偏極した電子流を発生するステップであって、スピン偏極した電子のスピンは、スピン偏極した電子流に対して直交した向きであり、これによりスピン偏極した電子は、スピントルクを磁気層の磁化に作用させ、これにより磁気材料（２）の磁化方向を、スピン偏極した電子のスピンの方向に向いた第２状態に制御するようにしたステップと、
    ・印加電圧に応じて、磁気材料（２）の磁化方向の第２状態を決定するステップと、
    ・決定した磁化方向の第２状態に基づいて値を決定するステップと、を含む方法。
13. 第１層構造（６）と第２層構造（７）との間に電圧を印加するステップは、第１層構造のトポロジカル絶縁体層の各々と第２層構造のトポロジカル絶縁体層との間に独立した電圧を印加することを含む請求項１２記載の方法。
14. 磁気材料（２）の磁化方向の任意の初期状態は、スピン偏極した電子のスピンに対して反平行であり、
    磁気材料（２）の磁化方向の第２状態は、スピン偏極した電子のスピンに対して平行である請求項１２または１３記載の方法。
15. 値を決定するステップは、デジタル値を決定することを含む請求項１４記載の方法。

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