JP2017112365A - スピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力でより安定且つ高速で動作可能な新規なスピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置を提供する。【解決手段】常磁性体層１３と、常磁性体層１３の表面に形成され、常磁性体層１３の表面電場を変調する自己組織化単分子膜１４とを備える。また、常磁性体層１３と、常磁性体層１３の表面に形成され、常磁性体層１３の表面電場を変調する自己組織化単分子膜１４とを備える記憶素子を複数個配列して記憶装置を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、スピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置に関する。

近年、電子のスピンの自由度を利用したスピントロニクスが注目を集めており、省エネルギーなスピントロニクスデバイスを実現するために、スピン流を用いた磁化の制御手法に関する研究が進められている。例えば、強磁性金属層と常磁性金属層との界面において、常磁性金属層で生成されたスピン流を利用した強磁性金属層の磁気的状態の制御手法が提案されている（特許文献１参照。）。

国際公開第２００８／１２３０２３号公報

低消費電力でより安定且つ高速で動作するスピントロニクスデバイスの実現には、物質中のスピン軌道相互作用に由来する電流−スピン流変換効率の増大が必要不可欠であり、様々な物質群における物質探索が進められている。

本発明は、低消費電力でより安定且つ高速で動作可能な新規なスピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、（ａ）常磁性体層と、（ｂ）常磁性体層の表面に形成され、常磁性体層の表面電場を変調する自己組織化単分子膜とを備えるスピントロニクスデバイスであることを要旨とする。

本発明の他の態様は、（ａ）常磁性体層と、（ｂ）常磁性体層の表面に形成され、常磁性体層の表面電場を変調する自己組織化単分子膜とを備える記憶素子を複数個配列した記憶装置であることを要旨とする。

本発明によれば、低消費電力でより安定且つ高速で動作可能な新規なスピントロニクスデバイス及びこれを用いた記憶装置を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るスピントロニクスデバイスの一例を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。 図２（ａ）は、１−オクタデカンチオールの分子構造を示し、図２（ｂ）は、２−（ヘプタデカフルオロオクチル）エタンチオールの分子構造を示す。 常磁性体層表面に自己組織化単分子膜が吸着する様子を説明するための概略図である。 正スピンホール効果を説明するための概略図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ラシュバ効果を説明するための概略図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、スピン流の電気的検出方法を説明するための概略図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、スピン流の電気的検出結果を表すグラフである。 図８（ａ）は、スピンホール効果を介した磁気緩和変調の測定方法を説明するための概略図であり、図８（ｂ）は、スピンホール効果を介した磁気緩和変調の測定結果を表すグラフである。 スピンホール効果を介した磁気緩和変調の原理を説明するための概略図でる。 図１０（ａ）は、電流の向きによるピーク間線幅の差の電流の絶対強度依存性を表すグラフであり、図１０（ｂ）は、電流の向きによるピーク間高さの差の電流の絶対強度依存性を表すグラフである。 図１１（ａ）は、電流の向きによるピーク間線幅の差の電流の絶対強度依存性を表すグラフであり、図１１（ｂ）は、電流の向きによるピーク間高さの差の電流の絶対強度依存性を表すグラフである。 本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る試料に印加する電流値と、磁気共鳴信号のピーク間線幅を正規化した値との関係を表すグラフである。 本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る大気中光電子分光測定装置の概略図である。 本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る試料の仕事関数の測定結果を表すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る記憶装置の一例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る記憶素子の一例を示す断面図である。 図１７（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る記憶素子の磁化が平行状態である場合を示す断面図であり、図１７（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る記憶素子の磁化が反平行状態である場合を示す断面図である。 本発明のその他の実施形態に係るスピントロニクスデバイスの一例を示す断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を貼付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下に示す第１及び第２の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

また、本明細書において、「上側」「下側」等の「上」「下」の定義は、図示した断面図上の単なる表現上の問題であって、例えば、スピントロニクスデバイスの方位を反時計回りに９０°変えて観察すれば「上」「下」の称呼は、「左」「右」になり、１８０°変えて観察すれば「上」「下」の称呼の関係は逆になることは勿論である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るスピントロニクスデバイスは、図１に示すように、支持基板１１と、支持基板１１の表面に配置された強磁性体層１２と、強磁性体層１２の表面に配置された常磁性体層１３と、常磁性体層１３の表面に自発的に単分子層として規則的に化学吸着し、常磁性体層１３の表面電場を変調する自己組織化単分子膜（self assembled monolayer；ＳＡＭ）１４とを備える。

支持基板１１としては、例えばシリコン（Ｓｉ）基板やサファイヤ基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、ガラス基板等が使用可能である。強磁性体層１２の材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ツンデレビウム（Ｔｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）若しくはツリウム（ＴＭ）等の単体金属、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、Ｆｅ−Ｃｏ、ネオジウム鉄ボロン（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−アルミニウム（Ａｌ）若しくはサマリウムコバルト（ＳＭＣｏ_５）等の合金、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）、又は四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）若しくはγ−Ｆｅ_２Ｏ_３等の酸化鉄等が使用可能である。

常磁性体層１３の厚さは例えば１ｎｍ〜２ｎｍ程度である。常磁性体層１３の材料としては、より強いスピン軌道相互作用を有する金属が好ましい。常磁性体層１３の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）等が使用可能である。

自己組織化単分子膜１４の厚さは例えば１ｎｍ〜３ｎｍ程度であり、自己組織化単分子膜１４を構成する分子層の厚さを変えることにより適宜調整可能である。自己組織化単分子膜１４の材料としては、チオール基（Ｒ−ＳＨ）又はジスルフィド基（Ｒ−Ｓ−Ｓ−Ｒ´）等を含む有機硫黄（Ｓ）化合物、有機セレン分子（Ｒ−ＳｅＨ）を含む有機セレン（Ｓｅ）化合物、有機テルル分子（Ｒ−ＴｅＨ）を含む有機テルル（Ｔｅ）化合物、イソニトリル（Ｒ−ＮＣ）を含むニトリル化合物又はモノアルキルシラン（Ｒ−ＳｉＨ_３）を含むシラン化合物等が挙げられる。チオール基を含むＳ化合物としては、例えば図２（ａ）に示す一般式で表される１−オクタデカンチオール（ＳＨ−Ｃ_１８Ｈ_３７）や、図２（ｂ）に示す一般式で表される２−（ヘプタデカフルオロオクチル）エタンチオール（ＳＨ−Ｃ_１０Ｈ_４Ｆ_１７）が挙げられる。

例えば、自己組織化単分子膜１４がチオール基を含む場合には、図３に示すように、チオール基が常磁性体層１３を構成する金属と強く結合する。自己組織化単分子膜１４を構成する炭素鎖の間隔Ｗはファンデルワールス力Ｆにより制御されて、自発的に炭素鎖が規則正しく単分子層として配列され、集積する。

本発明の第１の実施形態に係るスピントロニクスデバイスは、スピン角運動量の流れであるスピン流を利用して動作する。スピン流は磁化と相互作用する性質を有し、原理的にジュール熱を伴わない。

ここで、スピンホール効果について説明する。正スピンホール効果は、図４に示すように、常磁性体層１３等のスピン軌道相互作用を有する物質中に電流Ｊｃが流れると、スピン軌道相互作用の効果でアップスピンの電子ｅ１とダウンスピンの電子ｅ２が矢印で示すように分離して曲がり、電流Ｊｃの流れる方向と直交する方向にスピン流Ｊｓが流れる現象である。更に、スピンホール効果と逆の現象として、スピン流Ｊｓが流れると起電力が発生し、スピン流Ｊｓの流れる方向と直交する方向に電流Ｊｃが流れる逆スピンホール効果も知られている。

スピン軌道相互作用Ｈ_ＳＯは、式（１）で与えられる。

ここで、η_ＳＯはスピン注入効率、σはパウリ行列ベクトル、∇Ｖ_ｉｍｐ（ｒ）はポテンシャル勾配、ｐは電子の運動量である。スピン軌道相互作用Ｈ_ＳＯを介したスピン流Ｊ_Ｓから電流Ｊ_Ｃへの変換は、式（２）で表すことができる。

次に、ラシュバ効果について説明する。ラシュバ効果は、２次元電子系に電界を印加した際に生じるスピン軌道相互作用のことである。図５（ａ）に示すように、常磁性体層１３表面に電場Ｅを印加すると、常磁性体層１３表面において、ポテンシャル勾配（電界）∇Ｖ中を電子が運動し、電子の運動量

が発生する方向と直交する方向に実効的な磁場∇Ｖ×ｐが発生する。ここで、

で、ｈはプランク定数であり、ｋは面内での波数ベクトルである。

図５（ｂ）に示すように、常磁性体層１３上に自己組織化単分子膜１４が形成されている場合、常磁性体層１３と自己組織化単分子膜１４の界面において、ラシュバ効果によりスピン蓄積１８が生じる。ラシュバ効果を考慮すると、スピン軌道相互作用Ｈ_ＳＯは、式（３）で与えられる。

ここで、ｐは電子の運動量、ｍ_０は自由電子の質量、ｃは光速、σはパウリ行列ベクトル、Ｅは電場である。即ち、スピン軌道相互作用Ｈ_ＳＯの大きさは電場Ｅによって制御可能である。本発明の第１の実施形態に係るスピントロニクスデバイスにおいては、図１に示すように常磁性体層１３上に自己組織化単分子膜１４を形成し、このラシュバ効果を利用して電場Ｅを制御することで、スピンホール効果と同様のトルクを発生させることができる。

次に、逆スピンホール効果を利用したスピン流の検出方法の一例を説明する。図６（ａ）に示すように、Ｐｔからなる常磁性体層１３と、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性体層１２とを積層した試料を作製して、常磁性体層１３の両端に電位差計１７を接続する。そして、強磁性体層１２に固有の磁気共鳴周波数近傍のマイクロ波を強磁性体層１２に印加することにより磁場Ｈを発生させる。

図６（ｂ）に示すように、強磁性体層１２の磁化Ｍが歳差運動し、常磁性体層１３中のスピンの向きσは磁場Ｈと平行な方向となり、磁場Ｈと直交する方向にスピン流Ｊｓが流れる。そして、逆スピンホール効果により、スピン流Ｊｓの方向と直交する方向に電場Ｅ_ＩＳＨＥが発生するので、常磁性体層１３の両端において電位差が発生する。この電位差を電位差計１７により検出することにより、スピン流の有無を検出可能である。

図７（ａ）は逆スピンホール効果による電流Ｉの磁場Ｈでの微分値を示し、図７（ｂ）は、電位差計１７により検出した電位差Ｖを示す。図７（ａ）において、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料のデータと併せてＮｉ_８１Ｆｅ_１９の単層構造のデータも示すが、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料の強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅Ｗが、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の単層構造の試料よりも広がっている。図７（ｂ）に示すように、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料の実験値とローレンツ力の理論値とは略一致する。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示した測定結果から、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料においてスピン流が検出されたことが分かる。

次に、スピンホール効果を介した磁気緩和変調について説明する。図８（ａ）に示すように、Ｐｔからなる常磁性体層１３と、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性体層１２とを積層した試料を作製する。そして、強磁性体層１２に磁気共鳴周波数近傍のマイクロ波を印加しながら、常磁性体層１３に電流Ｊｃを磁場方向と垂直（θ＝９０°）及び平行（θ＝０°）のそれぞれの方向において双方向に流したときの強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅をそれぞれ測定した。

図８（ｂ）において、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料のデータと併せて、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の単層構造のデータも示すが、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層体の試料の強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅Ｗが、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の単層構造の試料よりも広がっており、Ｐｔ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料においてスピン流が検出されたことが分かる。

図９を用いて、スピンホール効果を介した磁気緩和変調の原理を説明する。図９に示すように、磁化Ｍは歳差運動し、スピントルクＴ_ｓｐｉｎが発生するとともに、スピントルクＴ_ｓｐｉｎとは逆向きに緩和トルクＴ_{ｄａｍｐｉｎｇ}が発生する。常磁性体層１３中に電流Ｊｃを流すと、スピンホール効果により、電流Ｊｃに直交する方向にスピン流Ｊｓが発生して強磁性体層１２に注入される。このとき、スピン流Ｊｓにおけるスピンの向きσは電流Ｊｃ及びスピン流Ｊｓの双方に対して直交する向きとなり、強磁性体層１２の磁化Ｍの方向を変換するように作用して、磁気緩和が変調される。

図１０（ａ）の縦軸に示すＷ（Ｊｃ）は、電流Ｊｃを流した場合の強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅であり、Ｗ（−Ｊｃ）は、逆方向に電流Ｊｃを流した場合の強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅である。このＷ（Ｊｃ）は、スピン注入したときの緩和パラメータαと比例関係にあるので、Ｗ（Ｊｃ）−Ｗ（−Ｊｃ）のグラフから緩和パラメータαの変化を求めることができる。図１０（ｂ）の縦軸に示すＳ（Ｊｃ）は、電流Ｊｃを流した場合の強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間の高さであり、Ｓ（−Ｊｃ）は、逆方向に電流Ｊｃを流した場合の強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間の高さである。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）から、電流方向が磁場方向と垂直な場合（θ＝９０°）には、電流の向きによる差があり、電流の方向に対して非対称性を示していることから、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性体層１２の磁気緩和が変調を受けたことが分かる。一方、電流方向が磁場方向と平行な場合（θ＝０°）には、電流の向きによる差はほとんどなく、電流の方向に対して対称性を示していることから、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性体層１２の磁気緩和が変調を受けていないことが分かる。

更に、Ｐｔよりもスピンホール効果の小さいＣｕからなる常磁性体層１３と、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性体層１２とを積層した試料と、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９からなる強磁性体層１２の単層構造の試料を作製し、磁場方向と垂直方向（θ＝９０°）に電流を流し、マイクロ波を印加した結果を図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、Ｃｕ／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の積層構造の試料及びＮｉ_８１Ｆｅ_１９の単層構造の試料のいずれも、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９の磁気緩和の変調は起こらなかった。

＜第１の実施例＞
本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクスデバイスの第１の実施例として、厚さ８ｎｍのＮｉＦｅからなる強磁性体層１２と、厚さ２ｎｍのＰｔからなる常磁性体層１３と、２−（ヘプタデカフルオロオクチル）エタンチオールからなる自己組織化単分子膜１４とを積層した試料を作製した。更に、ＮｉＦｅからなる強磁性体層１２と、Ｐｔからなる常磁性体層１３とを積層し、常磁性体層１３上には自己組織化単分子膜１４を形成していない点が第１の実施例とは異なる比較例を作製した。そして、磁気共鳴周波数近傍のマイクロ波を印加して、第１の実施例及び比較例の常磁性体層１３に電流を流したときの強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅Ｗをそれぞれ測定した。

図１２に測定結果を示す。図１２の横軸は電流値Ｉを示し、縦軸は、強磁性共鳴（ＦＭＲ）信号のピーク間線幅Ｗを、電流を流さないときのピーク間線幅を基準として正規化した値を示す。図１２に示すように、第１の実施例の測定結果を示す直線の傾きが比較例よりも２倍程度大きくなり、第１の実施例においては、常磁性体層１３上に自己組織化単分子膜１４を形成することにより、磁気緩和変調効果が比較例に対して２倍程度増大したことが分かる。

＜第２の実施例＞
本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクスデバイスの第２の実施例として、常磁性体層１３上に自己組織化単分子膜１４が設けられた実施例Ａ，Ｂ，Ｃを作製した。実施例Ａとして、Ｐｔからなる常磁性体層１３と、１−オクタデカンチオール（ＯＤＴ）からなる自己組織化単分子膜１４とを積層した試料を作製した。実施例Ｂとして、Ｐｔからなる常磁性体層１３と、１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデカンチオール（ＰＦＤＴ）からなる自己組織化単分子膜１４とを積層した試料を作製した。実施例Ｃとして、Ｐｔからなる常磁性体層１３と、４−（ジメチルアミノ）ベンゼンチオール（ＤＡＢＴ）からなる自己組織化単分子膜１４とを積層した試料を作製した。更に、実施例Ａ，Ｂ，Ｃと比較するため、比較例Ａとして、Ｐｔからなる常磁性体層１３の単層構造の試料を用意した。更に、比較例Ｂとして、Ｐｔからなる常磁性体層１３の単層構造をエタノールに浸漬させた試料を用意した。

そして、大気中光電子分光測定装置を用いて、大気中光電子分光測定法により実施例Ａ，Ｂ，Ｃ及び比較例Ａ，Ｂの表面の仕事関数を測定した。仕事関数はスピン流変換効率（ラシュバ効果）と相関があり、仕事関数が大きいほど電流−スピン流の相互変換効率が高くなる。したがって、自己組織化単分子膜１４の材料を、常磁性体層１３と自己組織化単分子膜１４との積層構造に対して大気中光電子分光法により測定される仕事関数が、常磁性体層１３単体に対して大気中光電子分光法により測定される仕事関数よりも大きくなる材料から選択することにより、自己組織化単分子膜１４の材料としてスピン流変換効率の高い良好な材料を採用することができる。

大気中光電子分光測定装置は、例えば図１３に示すように、重水素ランプ１、分光器２、光ファイバ３、ステージ４、オープンカウンタ５、及び制御装置６を備える。大気中光電子分光測定法では、実施例Ａ，Ｂ，Ｃ及び比較例Ａ，Ｂに対応する試料７がステージ４に載置される。そして、重水素ランプ１から発生した紫外線が、分光器２で分光（波長選択）され、エネルギー走査範囲４ｅＶ〜６ｅＶで、光ファイバ３を介して大気中で試料７の表面に照射される。紫外線のエネルギーが所定値以上となると、光電効果により試料７の表面から光電子８が放出される。この光電子８をオープンカウンタ５が計数し、計数結果に基づいて制御装置６により試料７の表面の仕事関数が演算される。第２の実施例では、大気中光電子分光測定装置として、理研計器株式会社製のＡＣ−２を使用した。

図１４に、大気中光電子分光測定法による測定結果を示す。図１４において、各種プロットは測定値であり、破線はプロットを近似線で結んだものである。図１４の横軸は励起エネルギーを示し、縦軸は単位光量子当りの光電子収率の０．５乗を示す。プロファイルの立ち上がり部分の励起エネルギー（光電子の放出が始まるエネルギー）が仕事関数に相当する。実施例Ｂでは、比較例Ａ，Ｂに対して仕事関数が増大していることが分かる。一方、実施例Ａ，Ｃでは、比較例Ａ，Ｂに対して仕事関数が減少していることが分かる。したがって、Ｐｔからなる常磁性体層１３に積層する自己組織化単分子膜１４としては、実施例Ｂで用いた１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデカンチオール（ＰＦＤＴ）が、スピン流変換効率の高い良好な材料であることが分かる。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係るスピントロニクスデバイスによれば、常磁性体層１３上に自己組織化単分子膜１４を形成することにより、自己組織化単分子膜１４と常磁性体層１３との界面においてラシュバ効果によりスピン蓄積１８が生じ、常磁性体層１３の表面の電場が変調される。この結果、電流−スピン流の相互変換効率を向上させることができ、省電力化を図ることができる。例えば、自己組織化単分子膜１４を形成しない場合と比較して２倍以上のスピン軌道トルクを実現可能となる。

本発明の実施形態に係るスピントロニクスデバイスの製造方法の一例としては、支持基板１１上に、スパッタ法、めっき法、有機金属塗布熱分解（ＭＯＤ）法、ゾル−ゲル法、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法等により強磁性体層１２及び常磁性体層１３を順次積層した積層体を作製する。そして、例えばチオール誘導体をエタノール等の溶媒に溶解させたチオール溶液中に、積層体を数分間〜数時間程度浸漬することにより、常磁性体層１３上にチオール基を化学吸着させて自己組織化単分子膜１４を形成する。チオール誘導体の温度、浸漬時間、浸漬温度、溶媒の種類等は適宜設定可能である。この結果、図１に示したスピントロニクスデバイスが完成する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態においては、スピントロニクスデバイスを適用した記憶装置（磁気ランダムアクセスメモリ）を説明する。本発明の第２の実施形態に係る記憶装置は、図１５に示すように、行方向（ｘ方向）及び列方向（ｙ方向）にマトリクス状に配置された記憶素子（メモリセル）Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}を有する（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）。なお、説明の便宜上、図１５ではｎ×ｍマトリクス中の２×２に配列された記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}を示しているが、実際にはｎ，ｍ＝１０^３〜１０^５等の多数の記憶素子が配列される。

行方向に配列された記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}にはワード線ＷＬ_ｊがそれぞれ接続され、行方向に配列された記憶素子Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}にはワード線ＷＬ_ｊ＋１がそれぞれ接続されている。列方向に配列された記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}にはビット線ＢＬ_ｉがそれぞれ接続され、列方向に配列された記憶素子Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}にはビット線ＢＬ_ｉ＋１がそれぞれ接続されている。

各記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}には選択トランジスタＳＴ_ｉｊ，ＳＴ_{ｉ，（ｊ＋１）}，ＳＴ_{（ｉ＋１），ｊ}，ＳＴ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}がそれぞれ接続されている。選択トランジスタＳＴ_ｉｊ，ＳＴ_{ｉ，（ｊ＋１）}のゲートには制御線ＣＬ_ｉがそれぞれ接続され、選択トランジスタＳＴ_{（ｉ＋１），ｊ}，ＳＴ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}のゲートには制御線ＣＬ_ｉ＋２がそれぞれ接続されている。ワード線ＷＬ_ｊ，ＷＬ_ｊ＋１、制御線ＣＬ_ｉ，ＣＬ_ｉ＋１、ビット線ＢＬ_ｉ，ＢＬ_ｉ＋１は図示を省略した制御回路に接続される。

記憶素子Ｍ_ｉｊは、図１６に示すように、第１の強磁性体層（固定層）２１と、第１の強磁性体層２１の表面に配置された非磁性体層２２と、非磁性体層２２の表面に配置された第２の強磁性体層（可動層）２３と、第２の強磁性体層２３の表面に配置された常磁性体層２４と、常磁性体層２４の表面に形成された自己組織化単分子膜２５とを備える巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子である。常磁性体層２４上には、ワード線ＷＬ_ｊに接続される電極２６が配置されている。第１の強磁性体層（固定層）２１の裏面には、ビット線ＢＬ_ｉに接続される電極２７が配置されている。

なお、図１５に示した他の記憶素子Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}も、図１６に示した記憶素子Ｍ_ｉｊと同様の構成を有するＧＭＲ素子である。また、図１５に示した記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}は、図１６に示した記憶素子Ｍ_ｉｊの第１の強磁性体層２１、非磁性体層２２及び第２の強磁性体層２３の部分を模式的に示している。

図１６に示した記憶素子Ｍ_ｉｊには、第１の強磁性体層２１及び第２の強磁性体層２３の相対的な磁化の向きに応じた情報が記憶される。第１及び第２の強磁性体層２１，２３としては、本発明の第１の実施形態に係る強磁性体層１２と同様の材料が使用可能である。第１及び第２の強磁性体層２１，２３としては、互いに異なる材料を使用してもよく、同じ材料を使用してもよい。第１の強磁性体層２１は磁化が固定されており、第２の強磁性体層２３の磁化は可変である。

非磁性体層２２の材料としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の絶縁体が使用可能である。常磁性体層２４としては、本発明の第１の実施形態に係る常磁性体層１３と同様の材料が使用可能である。自己組織化単分子膜２５の材料としては、本発明の第１の実施形態に係る自己組織化単分子膜１４と同様の材料が使用可能である。

本発明の第２の実施形態に係る記憶装置の記憶素子Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}は、ＧＭＲ効果を利用して情報を記憶する。書き込み時には、選択された記憶素子（ここでは記憶素子Ｍ_１１とする）に対応したビット線ＢＬ_ｉとワード線ＷＬ_ｊに電流を流して有効磁場を発生させ、記憶素子Ｍ_ｉｊの常磁性体層２４にスピン流が発生する。このスピン流が、第２の強磁性体層２３の磁化と相互作用し、磁化に対するスピン角運動量の受け渡しが起こる。この結果、第２の強磁性体層２３の磁化が反転する。

図１７（ａ）に示すように、第１及び第２の強磁性体層２１，２３の磁化が平行状態にあるとき、第１の強磁性体層２１、非磁性体層２２及び第２の強磁性体層２３を通る縦方向の電流経路は相対的に低抵抗であり、ビット線ＢＬ_ｉを介して例えば「１」が読み出される。一方、図１７（ｂ）に示すように、第２の強磁性体層２３の磁化の向きが反転して、第１及び第２の強磁性体層２１，２３の磁化が反平行状態にあるとき、第１の強磁性体層２１、非磁性体層２２及び第２の強磁性体層２３を通る縦方向の電流経路は相対的に高抵抗であり、ビット線ＢＬ_ｉを介して例えば「０」が読み出される。

本発明の第２の実施形態に係る記憶装置によれば、第２の強磁性体層２３と常磁性体層２４を接合することにより、常磁性体層２４を流れるスピン流が第２の強磁性体層２３の磁化と相互作用し、第２の強磁性体層２３の磁化方向を制御できる。この際、常磁性体層２４の表面に自己組織化単分子膜２５を形成することにより、ラシュバ効果を利用してスピン流を高効率に生成することができ、省エネルギーでの磁化反転が可能となる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の第１の実施形態においては、支持基板１１及び強磁性体層１２を有するスピントロニクスデバイスを説明したが、支持基板１１及び強磁性体層１２は必ずしも有していなくてもよい。例えば図１８に示すように、強磁性体層１２の磁化反転が不要な用途の場合には、強磁性体層１２を有さずに、支持基板１１上に常磁性体層１３が配置されたスピントロニクスデバイスの構造であってもよい。

本発明は、スピン流の自由度をそれぞれ利用する熱電変換素子、マイクロ波発振器、スピントランジスタ及びＭＲＡＭのメモリセル等の種々のスピントロニクスデバイスに利用可能である。

１…重水素ランプ
２…分光器
３…光ファイバ
４…ステージ
５…オープンカウンタ
６…制御装置
７…試料
８…光電子
１１…支持基板
１２，２１，２３…強磁性体層
１３，２４…常磁性体層
１４，２５…自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）
１７…電位差計
１８…スピン蓄積
２２…非磁性体層
ＢＬ_ｉ，ＢＬ_ｉ＋１…ビット線
ＣＬ_ｉ，ＣＬ_ｉ＋１…制御線
Ｍ_ｉｊ，Ｍ_{ｉ，（ｊ＋１）}，Ｍ_{（ｉ＋１），ｊ}，Ｍ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}…メモリセル
ＳＴ_ｉｊ，ＳＴ_{ｉ，（ｊ＋１）}，ＳＴ_{（ｉ＋１），ｊ}，ＳＴ_{（ｉ＋１），（ｊ＋１）}…選択トランジスタ
ＷＬ_ｊ，ＷＬ_ｊ＋１…ワード線

Claims (7)

1. 常磁性体層と、
   前記常磁性体層の表面に形成され、前記常磁性体層の表面電場を変調する自己組織化単分子膜と、
   を備えることを特徴とするスピントロニクスデバイス。
2. 前記常磁性体層の裏面に配置された第１の強磁性体層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のスピントロニクスデバイス。
3. 前記第１の強磁性体層の裏面に配置された非磁性体層と、
   前記非磁性体層の裏面に配置された第２の強磁性体層と、
   を更に備え、
   前記第１及び第２の強磁性体層の磁化の向きに応じた情報が記憶されることを特徴とする請求項２に記載のスピントロニクスデバイス。
4. 前記自己組織化単分子膜の材料は、有機硫黄化合物、有機セレン化合物、有機テルル化合物、ニトリル化合物及びシラン化合物のいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピントロニクスデバイス。
5. 前記自己組織化単分子膜の材料は、前記自己組織化単分子膜と前記常磁性体層との積層構造に対して大気中光電子分光法により測定される仕事関数が、前記常磁性体層単体に対して大気中光電子分光法により測定される仕事関数よりも大きくなる材料から選ばれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピントロニクスデバイス。
6. 前記常磁性体層の材料は、白金、タンタル及びタングステンのいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスピントロニクスデバイス。
7. 常磁性体層と、
   前記常磁性体層の表面に形成され、前記常磁性体層の表面電場を変調する自己組織化単分子膜と、
   を備える記憶素子を複数個配列したことを特徴とする記憶装置。

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