JP2019016673A - 磁気メモリ素子及び該磁気メモリ素子に用いる磁性材料 - Google Patents

Abstract

【課題】情報の書き込み速度が速く、且つ消費電力が小さい磁気メモリ素子を提供する。【解決手段】磁気メモリ素子１０は、第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得る反強磁性体から成る記録部（記録層１１）と、前記記録部に接して、又は該記録部との間に導電性部材を介して設けられた、スピンホール効果を有する物質から成るスピン流生成部（第１スピン流生成部１２１、第２スピン流生成部１２２）と、前記スピン流生成部に、前記第１方向に垂直な電流を流す第１電流導入部１３１と、前記スピン流生成部に、前記第２方向に垂直な電流を流す第２電流導入部１３２とを備える。第１電流導入部又は第２電流導入部からスピン流生成部に電流を流すだけで記録部に情報を記録することができるため、情報の書き込み速度が速く、且つ消費電力が小さい。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気的状態によって情報を記録する磁気メモリ素子、及び該磁気メモリ素子に用いる磁性材料に関する。

近年、情報爆発と呼ばれる情報量の飛躍的な増加に伴って、高密度・低消費電力の記憶装置（メモリ）が必要とされている。現在、高密度・低消費電力のメモリとしてフラッシュメモリが広く用いられている。しかし、フラッシュメモリは、動作原理上、電子が酸化膜を貫通するため、酸化膜の劣化により書き込み可能回数が限られるうえに、情報の書き込み速度も遅くなる、という物理的限界がある。

このようなフラッシュメモリを置き換えることが期待される次世代のメモリとして、書き換え可能な磁気メモリ（MRAM、以下では「磁気メモリ」とする）素子が提案されている。磁気メモリ素子では一般に、磁性体を特定の方向に磁化させることによりデータを書き込み、磁性体に電流を流した際に磁化の方向によって電気抵抗の大きさが異なること（磁気抵抗効果）を利用してデータを読み出す。磁気メモリ素子は、このような動作原理によってフラッシュメモリよりも劣化が生じ難いため、書き込み可能回数を多くすることができる。

従来より開発が進められている磁気メモリ素子では、多くの場合、強磁性体が用いられている。強磁性体は、それを構成する各原子が有するスピンが同じ方向に揃うことにより、全体として一方向に磁気モーメントを有する。このような強磁性体を用いた磁気メモリ素子では、記録ビット毎に磁気モーメントを特定の一方向に揃えることにより、各記録ビットにデータを記録してゆく。しかしながら、強磁性体では一方向に揃った磁気モーメントによって磁界が生成されるため、記録ビットを近づけすぎると、隣接する記録ビットからの磁界の影響を受けて磁気モーメントの向きが変化してしまうおそれがある。そのため、強磁性体を用いた磁気メモリ素子は記録ビットを高密度化することが難しい。

それに対して特許文献１には、反強磁性体から成る材料を記録ビットに用いた磁気メモリ素子が記載されている。反強磁性体は、ネール温度T_Nと呼ばれる相転移温度よりも低温において、それを構成する各原子が有するスピンが、隣接する原子のスピンと互いに逆方向を向くという磁気的特性（反強磁性）を有し、ネール温度T_Nよりも高温では常磁性である。特許文献１に記載の磁気メモリ素子では、記録ビット毎にスピンを90°異なる2つの方向のいずれかに向けることにより、「0」及び「1」の2値のいずれかを書き込む。反強磁性体では全体としては磁気モーメントを有しないため、反強磁性体を用いた磁気メモリ素子は隣接する記録ビット同士で悪影響を及ぼすことがなく、記録ビット間の距離を小さくすることができるため、記録ビットを高密度化することができるという特長を有する。

特開2015-115603号公報

特許文献１に記載の磁気メモリ素子では、まず、ネール温度T_Nよりも高い温度に加熱することによって常磁性としたうえで、所定の方向に磁界を印加しつつネール温度T_N以下の温度に冷却することで、原子のスピンが該磁界の方向に垂直な方向を向いた反強磁性の状態にすることにより、情報の書き込みを行う。特許文献１に記載の磁気メモリ素子は、このように加熱及び冷却の操作を行う必要があるため、情報の書き込み速度を速くすることができないうえに、加熱及び冷却に要する消費電力が大きいという欠点を有する。

本発明が解決しようとする課題は、情報の書き込み速度が速く、且つ消費電力が小さい磁気メモリ素子、及び該磁気メモリ素子に用いる磁性材料を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る磁気メモリ素子の第１の態様は、
a) 第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得る反強磁性体から成る記録部と、
b) 前記記録部に接して、又は該記録部との間に導電性部材を介して設けられた、スピンホール効果を有する物質から成るスピン流生成部と、
c) 前記スピン流生成部に、前記第１方向に垂直な電流を流す第１電流導入部と、
d) 前記スピン流生成部に、前記第２方向に垂直な電流を流す第２電流導入部と
を備えることを特徴とする。

第１の態様の磁気メモリ素子は、反強磁性体から成る記録部に接して、又は該記録部との間に導電性部材を介して、スピン流生成部が設けられている。スピン流生成部はスピンホール効果を有する物質から成り、そこに電流を流すことにより、スピンホール効果によりスピン流が形成される。ここでスピンホール効果とは、金属又は半導体等の自由電子を有する物質中に電流を流したときに、スピン軌道相互作用の効果によって、上向きスピンを有する電子と下向きスピンを有する電子が電流に垂直な方向に分離される現象をいう。このとき、電子スピンが電流に垂直な方向に移動する（流れる）ことから、この電子スピンの流れをスピン流と呼ぶ。スピン流生成部にこのようなスピン流が生じると、特定の向きのスピンを有する電子が記録部又は導電性部材と記録部の境界に向かって移動し、記録部の反強磁性体のうちスピン流生成部の近傍にある原子のスピンに、電流に垂直な特定の方向の電子スピンに平行となるように回転させるトルクが生じる。このトルクによってスピン流生成部の近傍のスピンの向きが変わると、隣接原子間のスピンを逆向きにする相互作用により、記録部の反強磁性体中にあるその他のスピンの向きも変わる。

この現象を利用して、異なる２値のうちのいずれかを情報として記録部に記録する。すなわち、スピン流生成部に第１方向に垂直、及び第１方向に非平行な第２方向に垂直、という異なる２方向のいずれかの電流を流すことで、記録部の反強磁性体のスピンを第１方向及び第２方向のいずれかに向ける。この記録部の反強磁性体のスピンの向きが、記録される情報に対応する。

このように情報が記録された記録部では、２点間の電気抵抗が記録部内のスピンの向きによって異なる。そのため、この電気抵抗を測定することにより、記録部に記録された情報を読み出すことができる。それら２点の位置は、記録部内であれば任意である。

記録部には、第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得る種々の反強磁性体を用いることができる。例えば、NiOは、図１に示すように立方晶であるNaCl型の結晶構造を有し、同一の(111)面内にあるNi原子のスピン同士では同じ向きとなり、隣接する(111)面間のNi原子のスピン同士では逆向きとなる反強磁性体である。NiOの(111)面は「磁化容易面」と呼ばれ、スピンが(111)面内の少なくとも2方向を向き得ることから、該少なくとも2方向において反強磁性となり得る。CoOもNiOと同様の結晶構造及び反強磁性状態を取るが、NiOの方が、ネール温度T_Nが室温よりも十分に高い525K（252℃）であるという点で望ましい（CoOのネール温度：291K(18℃)）。

スピン流生成部の材料には、スピンホール効果が生じる種々の材料を用いることができる。そのような材料として、Pt（白金）、Ta（タンタル）、W（タングステン）、Ir（イリジウム）、Au（金）、Bi（ビスマス）等が知られている。これらの材料はいずれも、5d軌道の電子が電気伝導を担う導電性材料である。5d軌道の電子は、s軌道や3d又は4d軌道の電子よりも軌道角運動量が大きいことからスピン軌道相互作用の影響を受け易く、それによってスピンの向きに依存した異なる方向に散乱されやすい。そのため、上掲の各材料はスピンホール効果によるスピン流が形成され易い。また、4d軌道の電子が電気伝導を担うRu（ルテニウム）やPd（パラジウム）をスピン流生成部の材料として用いることもできる。あるいは、ここで挙げた元素のうちの2種以上から成る合金をスピン流生成部の材料として用いてもよい。

第１の態様の磁気メモリ素子によれば、第１電流導入部又は第２電流導入部からスピン流生成部に電流を流すだけで記録部に情報を記録することができるため、特許文献１に記載の磁気メモリ素子よりも情報の書き込み速度が速く、且つ消費電力が小さい。

第１の態様の磁気メモリ素子において、
前記スピン流生成部は前記記録部を挟んで2個設けられ、
前記第１電流導入部は該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第１方向に垂直な電流を流すように設けられ、
前記第２電流導入部は該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第２方向に垂直な電流を流すように設けられている
ことが望ましい。

このように記録部を挟んでスピン流生成部を2個設け、それら2個のスピン流生成部にそれぞれ第１方向に垂直又は第２方向に垂直な電流を流すことにより、記録部では、スピン流生成部のうち記録部の近傍を流れる電子スピンは、2個のスピン流生成部で互いに逆方向を向く。これにより、記録部の反強磁性体のスピンは、一方のスピン流生成部の近傍と他方のスピン流生成部の近傍で互いに逆方向にトルクを受けるが、記録部全体では隣接原子間のスピンが逆向きとなる反強磁性状態が形成される。このように記録部を挟んだ両側から記録部の反強磁性体のスピンにトルクを付与することにより、記録部の反強磁性体のスピンの向きをより高速で変更することができ、情報の書き込みをより高速化することができる。

第１の態様の磁気メモリ素子では第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得る反強磁性体から成る記録部を用いるが、このような反強磁性体の代わりに、第１方向と第２方向の少なくとも2方向を取り得る（巨視的な）第１磁気モーメントを有する第１磁性体層と、前記第１磁気モーメントに平行且つ逆向きである（巨視的な）第２磁気モーメントを有する第２磁性体層を積層した積層体を用いることができる。

すなわち、本発明に係る磁気メモリ素子の第２の態様は、
a) 第１方向と第２方向の少なくとも2方向を取り得る第１磁気モーメントを有する第１磁性体層と、前記第１磁気モーメントに平行且つ逆向きの第２磁気モーメントを有する第２磁性体層を積層した積層体から成る記録部と、
b) 前記記録部に接して、又は該記録部との間に導電性部材を介して設けられた、電流が流れることでスピンホール効果によるスピン流が形成されるスピン流生成部と、
c) 前記スピン流生成部に前記第１方向に垂直な方向の電流を流す第１電流導入部と、
d) 前記スピン流生成部に前記第２方向に垂直な方向の電流を流す第２電流導入部と
を備えることを特徴とする。

第２の態様の磁気メモリ素子では、スピン流生成部に第１電流導入部から第１方向に垂直な方向の電流を流すと、この電流の電子スピンから記録部の第１磁気モーメントがトルクを受け、第１磁気モーメントが電流の電子スピンに平行である第１方向を向く。また、第２磁気モーメントは、第１磁気モーメントに平行且つ逆向きの方向を向く。同様の作用により、スピン流生成部に第２電流導入部から第２方向に垂直な方向の電流を流すと、第１磁気モーメントは第２方向を向き、第２磁気モーメントは第１磁気モーメントに平行且つ逆向きの方向を向く。

第１の態様の磁気メモリと同様の理由により、第２の態様の磁気メモリ素子においても、スピン流生成部、第１電流導入部及び第２電流導入部は２個ずつ設けられていることが望ましい。すなわち、第２の態様の磁気メモリ素子において、
前記スピン流生成部は前記記録部を挟んで2個設けられ、
前記第１電流導入部は該２個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第１方向に垂直な電流を流すように設けられ、
前記第２電流導入部は該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第２方向に垂直な電流を流すように設けられている
ことが望ましい。

前記積層体として、以下の磁性材料を用いることができる。本発明に係る磁性材料は、
a) Co（コバルト）及びGd（ガドリニウム）から成るCoGd合金であって、Coの原子含有率が80％以上である第１磁性体層と、
b) CoGd合金であって、Coの原子含有率が72％以下である第２磁性体層と
を積層したものであることを特徴とする。

CoGd合金では、Co原子とGd原子の間に、それらが有するスピンが互いに逆方向に向く相互作用が生じる。また、CoGd合金内のGdのスピンはCoのスピンよりも大きい。これらの理由により、CoGd合金では、Coの原子含有率が76％であるときを境界として、CoGd合金の磁気モーメントがCoの磁気モーメントと平行になるか、Gdの磁気モーメントと平行になるかが変わる。これを利用して、本発明に係る磁性材料では、Coの原子含有率が80％以上であるCoGd合金から成る第１磁性体層と、Coの原子含有率が72％以下であるCoGd合金から成る第２磁性体層を積層させることにより、第１磁性体層と第２磁性体層の磁気モーメントが互いに逆向きとなる、いわば人工的な反強磁性体が構成される。

第１磁性体層のCoの原子含有率は80〜90％であることが望ましく、一例では83％である。第２磁性体層のCoの原子含有率は55〜72％であることが望ましく、一例では62％である。

本発明により、情報の書き込み速度が速く、且つ消費電力が小さい磁気メモリ素子、及び該磁気メモリ素子に用いる磁性材料が得られる。

本発明に係る第１実施形態の磁気メモリ素子において記録部に用いられる反強磁性の一例であるNiOの結晶構造及び反強磁性状態におけるスピンの向きを示す斜視図。 本発明に係る第１の態様の磁気メモリ素子の一実施形態（第１実施形態）を示す概略構成を示す(a)側面図及び(b)上面（下面）図。 第１実施形態の磁気メモリ素子の動作を示す概念図であって、(a)「1」の書き込み、(b)「0」の書き込み、(c)「1」の読み出し、及び(d)「0」の読み出しを示す図。 第１実施形態の磁気メモリ素子の具体例を示す斜視図。 第１実施形態の具体例の磁気メモリ素子における(a)「1」の書き込み、(b)「0」の書き込み、(c)「1」の読み出し、及び(d)「0」の読み出しを示す図。 第１実施形態の具体例の磁気メモリ素子における電流の電子スピン及び反強磁性体のスピン、並びに反強磁性体のスピンに作用するトルクの方向を示す図。 (a)電流に対する反強磁性体のスピンの成す角度とホール抵抗の関係を計算で求めたグラフ、及び(b)前記角度と記録層の電気抵抗の関係を計算で求めたグラフ。 第１実施形態の具体例の磁気メモリ素子及び比較例の素子につき、情報の書き込み及び読み出しを行った実験の結果を示すグラフ。 第１実施形態の具体例の磁気メモリ素子につき、外部磁界の影響を測定した実験の結果を示すグラフ。 第１実施形態の磁気メモリ素子の変形例を示す図。 本発明に係る第２の態様の磁気メモリ素子の一実施形態（第２実施形態）を示す概略構成を示す側面図。 第２の態様の磁気メモリ素子における、(a)第１磁性体層の磁気モーメントの状態、及び(b)第２磁性体層の磁気モーメントの状態の例を示す図。 第２実施形態の磁気メモリ素子の動作を示す概念図であって、(a)「1」の書き込み、(b)「0」の書き込み、(c)「1」の読み出し、及び(d)「0」の読み出しを示す図。 第２実施形態の磁気メモリ素子の具体例を示す斜視図。 第２実施形態の具体例の磁気メモリ素子につき、情報の書き込み及び読み出しを行った実験の結果を示すグラフ。 第２実施形態の具体例の磁気メモリ素子につき、外部磁界の印加によるホール抵抗への影響を測定した結果を示すグラフ。 第２実施形態の具体例の磁気メモリ素子に対して、同値の書き込みを繰り返した結果を示すグラフ。 第２実施形態の磁気メモリ素子の変形例を示す図。

図１〜図１８を用いて、本発明に係る磁気メモリ素子及び磁性材料の実施形態を説明する。

(1) 第１実施形態の磁気メモリ素子
(1-1) 第１実施形態の磁気メモリ素子の構成
図２は、上記第１の態様である第１実施形態の磁気メモリ素子１０の構成を示す概略図である。この磁気メモリ素子１０は、記録層（記録部）１１と、記録層１１に接して該記録層１１の上下を挟むように設けられた第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２（前述の２個のスピン流生成部に相当）を有する。

記録層１１は反強磁性体から成る。第１実施形態で用いる記録層１１の反強磁性体には、例えば前述のNiOのように、第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得るものを用いる。NiOを用いる場合には、磁化容易面である(111)面が記録層１１に平行になるようにする。第１方向と第２方向は、図２に示すように、記録層１１に平行な面内で直交する、すなわち互いに90°異なる方向とすることが望ましい。これにより、後述のように反強磁性体のスピンが第１方向又は第２方向に平行に向くことで記録層１１に記録された「0」又は「1」の情報を電気抵抗又はホール抵抗で読み出す際に、電流を第１方向と第２方向のいずれか一方に対して電気抵抗では平行（他方に対して垂直）に流し、ホール抵抗では+45°（他方に対して-45°）の方向に流すことで、「0」と「1」の電気抵抗又はホール抵抗の差を最大にすることができる。あるいは、第１方向と第２方向は、記録層１１に平行な面内で90°以外の角度（例えば60°や120°）で異なる方向としてもよい。さらには、第１方向及び第２方向は、記録層１１に垂直以外の方向であれば、記録層１１に平行でなくてもよい。

第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２はいずれも、電流が流れることでスピンホール効果によるスピン流が形成される材料から成る。そのような材料として、Pt、Ta、W等を用いることができる。

第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２にはそれぞれ、第１方向に垂直な電流を該層に平行に流す第１電流導入部１３１と、第２方向に垂直な電流を該層に平行に流す第２電流導入部１３２が設けられている。また、記録層１１には、該層に平行な所定の１方向（電気抵抗測定方向）の電気抵抗を測定する磁気抵抗効果測定部１４が設けられている。なお、磁気抵抗効果測定部１４は、それによって直接測定する物理量が電気抵抗であるものの、ここでは記録層１１内の反強磁性体の磁化の方向の相違によって電気抵抗の値が相違する磁気抵抗効果を利用して、電気抵抗の値から磁化の方向を検出することから、かかる名称を付している。電気抵抗測定方向は、該電気抵抗測定方向と第１方向の成す角度と、該電気抵抗測定方向と第２方向の成す角度が異なっていればよい。図２の例では、電気抵抗測定方向は第１方向（第２方向に垂直な方向）としている。

磁気抵抗効果測定部１４は、記録層１１の電気抵抗を測定する代わりに、電気抵抗と同様に磁気抵抗効果によって反強磁性体の磁化（スピン）の方向に依存した値が得られる、ホール効果により生じる電圧を測定するものであってもよい。

(1-2) 第１実施形態の磁気メモリの動作
図３を用いて、第１実施形態の磁気メモリ素子１０の動作を説明する。なお、図３では、図面を簡素化して分かり易くするために、第１電流導入部１３１及び第２電流導入部１３２の構成の代わりに、第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２に流す電流I_wの方向を示す。図３に示した例では、磁気メモリ素子１０は、記録層１１の反強磁性体のスピンS_AFが第１方向に平行である場合と、第２方向に平行である場合により、異なる２値を記録する。ここでは、反強磁性体のスピンS_AFが第１方向に平行である場合を「1」、第２方向に平行である場合を「0」と規定する。

(1-2-1) 「1」の書き込み（図３(a)）
記録層１１に「1」を書き込むときには、第１電流導入部１３１により、第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２に、第１方向に垂直な電流を該層に平行に流す。これにより、第１スピン流生成層１２１では記録層１１との境界に向かって、第１方向に平行な１方向を向いた電子スピンS_iを有する電子が移動するスピン流が生成される。これにより、記録層１１では、第１スピン流生成層１２１の近傍において、前記スピン流が有する電子スピンS_iと同じ向きに反強磁性体のスピンS_AFを向けようとするトルクが該スピンS_AFに生じる。一方、第２スピン流生成層１２２では記録層１１との境界に向かって、第１方向に平行であって第１スピン流生成層１２１の電子スピンS_iとは逆向きの電子スピンS_iを有する電子が移動するスピン流が生成され、該電子スピンS_iと同じ向きに反強磁性体のスピンS_AFを向けようとするトルクが、第２スピン流生成層１２２の近傍の記録層１１において反強磁性体のスピンS_AFに生じる。こうして、第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２の近傍でスピンS_AFが第１方向に平行な方向を向くことで、記録層１１内の他のスピンS_AFも、隣接するスピンS_AFとの相互作用によって、第１方向に平行であって隣接するスピンS_AF同士が逆向きとなるように、向きを変える。以上のように、記録層１１に、反強磁性体のスピンS_AFが第１方向に平行である、「1」を示す情報が書き込まれる。

(1-2-2) 「0」の書き込み（図３(b)）
記録層１１に「0」を書き込むときには、第２電流導入部１３２により、第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２に、第２方向に垂直な電流を該層に平行に流す。これにより、第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２ではそれぞれ、第２方向に平行であって、これら２つの層では互いに逆向きである１方向を向いた電子スピンS_iを有する電子が記録層１１との境界に向かって移動するスピン流が生成される。記録層１１では、第１スピン流生成層１２１及び第２スピン流生成層１２２の近傍においてそれぞれ反強磁性体のスピンS_AFに、前記スピン流が有する電子スピンS_iと同じ向きに反強磁性体のスピンS_AFを向けようとするトルクが生じ、該スピンS_AFが該方向に向きを変える。記録層１１内の他のスピンS_AFも、隣接するスピンS_AFとの相互作用によって、第２方向に平行であって隣接するスピンS_AF同士が逆向きとなるように、向きを変える。以上のように、記録層１１に、反強磁性体のスピンS_AFが第２方向に平行である、「0」を示す情報が書き込まれる。

(1-2-3) 情報の読み出し（図３(c), (d)）
記録層１１に記録された情報を読み出す際には、磁気抵抗効果測定部１４によって、前記電気抵抗測定方向に生じる記録層１１の電気抵抗を測定する。電気抵抗は、通常と同様に、電気抵抗測定方向に電流を流しながら記録層１１の両端の電圧を電圧計で測定し、電圧値を電流値で除することにより得ることができる。情報が「1」のときには、電流が反強磁性体のスピンS_AFに平行である（図３ (c)）ことから、電流の電子がスピンS_AFから散乱を受けて電気抵抗の値が高くなるのに対して、記録層１１に書き込まれた情報が「0」のときには、電流が反強磁性体のスピンS_AFに垂直である（図３ (d)）ことから、電流の電子がスピンS_AFからほとんど散乱を受けず、電気抵抗が高くならない。このように、情報が「0」のときと「1」のときの電気抵抗の値の相違により、記録層１１に記録された情報を読み出すことができる。なお、ここでは電気抵抗を測定することで情報を読み出すことを説明したが、電気抵抗の代わりにホール効果により生じる電圧を測定する方法の例を後述する。

(1-3) 第１実施形態の磁気メモリの具体例
図４に、第１実施形態の具体例である磁気メモリ素子１０Ａの斜視図で示す。この磁気メモリ素子１０Ａは、記録層（記録部）１１Ａと、記録層１１Ａに接して該記録層１１Ａの上下を挟むように設けられた第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａを有する。記録層１１Ａ、第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａはいずれも「＋」形の形状を呈している。記録層１１Ａの材料はNiOであり、第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａの材料はPtである。

記録層１１Ａ、第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａの「＋」形の中心から延びる4本の「腕」の各先端には、リード線を接続する端子が設けられている。各端子はいずれも、記録層１１Ａ、第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａの全ての層に電気的に接触している。それら各端子のうちの１つを第１端子１５１、第１端子１５１に対向する端子を第２端子１５２、第１端子１５１の左隣の端子を第３端子１５３、第１端子１５１の右隣であって第３端子１５３に対向する端子を第４端子１５４と呼ぶ。これら４つの端子はいずれも、前記第１電流導入部及び前記第２電流導入部の一部としての機能を有する。

図５〜図７を用いて、磁気メモリ素子１０Ａの動作を説明する。この磁気メモリ素子１０Ａでは、記録層１１Ａの「＋」形において第１端子１５１から第２端子１５２に向かう軸をx軸として（図５(a)参照）、反強磁性体のスピンS_AFは該x軸に対して+45°傾斜した第１方向と、-45°傾斜した第２方向のいずれかに平行となる。ここでは、反強磁性体のスピンS_AFが第１方向に平行である場合を「1」、第２方向に平行である場合を「0」と規定する。

磁気メモリ素子１０Ａに「1」を書き込む際には、第２端子１５２及び第３端子１５３が正、第１端子１５１及び第４端子１５４が負になるように直流電源の電極を接続することにより、第１方向に垂直（第２方向に平行）な電流I_wを第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａに流す（図５(a)）。ここで、第１端子１５１〜第４端子１５４は記録層１１Ａにも接続されているが、記録層１１Ａの材料であるNiOが半導体であって第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａの材料であるPtよりも電気抵抗が十分に大きいため、記録層１１Ａには電流はほとんど流れない。このように第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａに、第１方向に垂直な電流が流れることにより、第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａには、第１方向に平行な電子スピンS_iが記録層１１Ａとの境界に向かって流れるスピン流が形成される。これにより、記録層１１Ａの反強磁性体のスピンS_AFは、第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａの境界付近において電子スピンS_iからトルクを受けて（図６）第１方向に向き（図６では、第１方向に向く前の反強磁性体のスピンS_AFの向きを示している）、その他の反強磁性体のスピンS_AFは、隣接するスピンS_AFとの相互作用によって、第１方向に平行であって隣接するスピンS_AF同士が逆向きとなる。

磁気メモリ素子１０Ａに「0」を書き込む際には、第２端子１５２及び第４端子１５４が正、第１端子１５１及び第３端子１５３が負になるように直流電源の電極を接続することにより、第２方向に垂直（第１方向に平行）な電流I_wを第１スピン流生成層１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２Ａに流す（図５(b)）。これにより、記録層１１Ａの反強磁性体のスピンS_AFは、第２方向に平行であって隣接するスピンS_AF同士が逆向きとなる。

次に、磁気メモリ素子１０Ａにおいて記録層１１Ａに記録された情報の読み出しについて説明する。情報の読み出しの際には、書き込みのときの電流I_wよりも小さい電流I_rを第１端子１５１から第２端子１５２に向かって流し、ホール効果によって第３端子１５３と第４端子１５４の間に発生する電圧Vを測定する（図５(c), (d)）。電圧Vを電流I_rで除したホール抵抗R_Hallは、記録層１１Ａの反強磁性体のスピンS_AFの向きに依存して異なる値となる。本発明者が計算で求めたところ、図７(a)に示すように、電流I_rとスピンS_AFの成す角度が45°、すなわちスピンS_AFが第１方向を向いているときと、該角度が135°、すなわちスピンS_AFが第２方向を向いているときでは、ホール抵抗R_Hallは互いに絶対値が同じであって正負が逆になる。従って、このホール抵抗R_Hallの値を求めることによって、記録層１１Ａに記録された情報が「0」であるか「1」であるかを読み出すことができる。

なお、図７(b)に示すように、記録層１１Ａの電気抵抗は、電流I_rとスピンS_AFの成す角度が0°のときに最大、90°のときに最小となり、該角度が45°のときと135°のときには同じ値になる。また、ホール抵抗R_Hallは、電流I_rとスピンS_AFの成す角度が0°のときと90°のときには同じ値になる。従って、図２に示した構成では記録層１１Ａの電気抵抗により記録を読み出し、図４に示した構成ではホール抵抗R_Hallにより記録を読み出すことが適切である。

図８に、記録層１１Ａの厚みが異なる（10nm、20nm、40nm及び90nm）4種類の磁気メモリ素子１０Ａを作製して「0」又は「1」の情報を書き込んだうえで、ホール抵抗R_Hallの測定（情報の読み出し）を行った実験の結果を示す。この図では併せて、記録層１１Ａ（材料が反強磁性体であるNiO）の代わりに、非磁性であるSiO₂（二酸化シリコン）から成る厚さ10nmの膜を形成した素子についても同様の実験を行った結果を示す。実験では、「1」の情報と「0」の情報を交互に2回ずつ書き込む操作を行い、これら書き込みの操作を1回行う毎に読み出しを6回ずつ行った。図８より、比較例では「1」の書き込みの操作と「0」の書き込みの操作を行ったときの間でホール抵抗の値がほぼ同じ（いずれもほぼ0）であった。それに対して、本実施形態の具体例の磁気メモリ素子１０Ａでは、記録層１１Ａの厚みがいずれの場合においても、「1」の書き込みを行ったときにはホール抵抗が正の値であって、「0」の書き込みを行ったときにはホール抵抗が負の値となった。従って、本実施形態の具体例の磁気メモリ素子１０Ａでは、これらホール抵抗の値によって、記録層１１Ａに書き込まれた情報が「1」であるか「0」であるかを読み出すことができる。

ホール抵抗の値は、記録層１１Ａの厚さが薄いほど、情報が「1」であるときと「0」であるときの差ΔR_Hallが大きくなった。従って、より確実に情報を読み出すために、記録層１１Ａの厚さは薄い方が望ましい。

次に、作製した磁気メモリ素子１０Ａにつき、電流による情報の記録を行うことなく、記録層１１Ａに平行な面内で向きを変えながら外部磁界H_exを印加しつつ、ホール抵抗の値を測定した結果を示す。仮に、この測定によってホール抵抗が前述の情報の読み出しの際の値に近いかそれよりも大きい値となったり、外部磁界H_exの方向によって異なる値となれば、外部磁界H_exが磁気メモリ素子１０Ａの動作に影響を及ぼしてしまうことになる。しかし、図９に示した実験結果によれば、外部磁界H_exが印加されたときのホール抵抗の値は情報の読み出し時よりも十分に小さく、且つ、外部磁界H_exの角度にほとんど依存しない。従って、磁気メモリ素子１０Ａは外部磁界H_exによる攪乱を受け難いといえる。

(1-4) 第１実施形態の磁気メモリの変形例
第１実施形態の磁気メモリは上記の例には限定されない。例えば、記録層１１、１１Ａの材料は、前述のNiOやCoOには限定されず、第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得る反強磁性体であればよい。

また、上記の例では記録層１１、１１Ａを挟むようにスピン流生成層を２層（第１スピン流生成層１２１、１２１Ａ、及び第２スピン流生成層１２２、１２２Ａ）設けたが、スピン流生成層は１層のみであってもよい。記録層１１、１１Ａの表裏両面側から記録層１１、１１Ａの反強磁性体のスピンにトルクを付与することができるという点では、前述の２層のスピン流生成層を設けた方が望ましい。一方、スピン流生成層を１層のみとすることにより、スピン流生成層を設けない記録層１１、１１Ａの面に別の構成要素を加えることができる。

上記の例では記録層１１、１１Ａと第１スピン流生成層１２１、１２１Ａ及び第２スピン流生成層１２２、１２２Ａが接しているが、図１０に示すように、それら記録層とスピン流生成層の間に導電性部材１６１、１６２、１６１Ａ、１６２Ａを介していてもよい。

(2) 第２実施形態の磁気メモリ素子、及び磁性材料の実施形態
(2-1) 第２実施形態の磁気メモリ素子及び磁性材料の構成
図１１は、上記第２の態様である第２実施形態の磁気メモリ素子２０の構成を示す概略図である。この磁気メモリ素子２０は、記録層（記録部）２１と、記録層２１の上下を挟むように設けられた第１スピン流生成層２２１及び第２スピン流生成層２２２を有する。

記録層２１は、第１磁性体層２１１と第２磁性体層２１２を積層した積層体から成る。第１磁性体層２１１は、第１方向と第２方向の少なくとも2方向を取り得る第１磁気モーメントを有する磁性体から成り、第２磁性体層２１２は、第１磁気モーメントに平行且つ逆向きの第２磁気モーメントを有する磁性体から成る。第１磁気モーメントの向きを第１方向から第２方向に変えると、それに従って、第２磁気モーメントの向きも、第１方向に平行であって第１磁気モーメントと逆向きの状態から、第２方向に平行であって第１磁気モーメントと逆向きの状態に変わる。

記録層２１には、本発明に係る磁性材料を用いることができる。この磁性材料において、第１磁性体層２１１には、Co（コバルト）及びGd（ガドリニウム）から成るCoGd合金であって、Coの原子含有率が80％以上である材料から成る磁性体を用いる。第２磁性体層２１２には、CoGd合金であって、Coの原子含有率が72％以下である材料から成る磁性体を用いる。上記2層のCoGd合金中のCoの原子含有率は、第１磁性体層２１１では80〜90％、第２磁性体層２１２では55〜72％であることが望ましい。

CoGd合金は、Coの磁気モーメントとGdの磁気モーメントの大きさが異なり、且つ両者が反平行となるフェリ磁性を有する。第１磁性体層２１１の全体では、Coの原子含有率が、CoGd合金の磁気モーメントがCoの磁気モーメントと平行になるか、Gdの磁気モーメントと平行になるかの境界値である76％よりも大きい80％以上であることにより、第１磁気モーメントM₁はCoの磁気モーメントと同じ向きとなる（図１２(a)）。それに対して第２磁性体層２１２の全体では、Coの原子含有率が前記境界値よりも小さい72％以下であることにより、全体のCoの磁気モーメントがGdの磁気モーメントよりも小さくなるため、第２磁気モーメントはCoの磁気モーメントとは逆向きとなる（図１２(b)）。従って、第１磁性体層２１１と第２磁性体層２１２は、Coの原子含有率を上記の値とすることにより、第１磁気モーメントと第２磁気モーメントが互いに逆向きになる。

第１スピン流生成層２２１及び第２スピン流生成層２２２は、第１実施形態と同様の材料及び形状のものを用いることができる。また、磁気メモリ素子２０にはさらに、第１実施形態と同様の第１電流導入部２３１、第２電流導入部２３２及び磁気抵抗効果測定部２４が設けられている。

(2-2) 第２実施形態の磁気メモリ素子の動作
図１３を用いて、第２実施形態の磁気メモリ素子２０の動作を説明する。
記録層２１に「1」を書き込むときには、第１電流導入部２３１により、第１スピン流生成層２２１及び第２スピン流生成層２２２に、第１方向に垂直な電流を該層に平行に流す（図１３(a)）。これにより、第１スピン流生成層２２１では第１磁性体層２１１との境界に向かって、第１方向に平行な１方向を向いた電子スピンS_iを有する電子が移動するスピン流が生成される。第１磁性体層２１１の第１磁気モーメントM₁は、この電子スピンS_iからトルクを受けて、第１方向に平行な１方向を向く。一方、第２スピン流生成層２２２では第２磁性体層２１２との境界に向かって、第１方向に平行であって、第１磁性体層２１１の第１スピン流生成層２２１の電子スピンとは逆向きの電子スピンS_iを有する電子が移動するスピン流が生成される。第２磁性体層２１２の第２磁気モーメントM₁は、この電子スピンS_iからトルクを受けて、第１方向に平行であって第１磁気モーメントM₁とは逆の方向を向く。以上のように、記録層２１に、第１磁気モーメントM₁と第２磁気モーメントM₁が第１方向に平行であって互いに逆方向を向いた、「1」を示す情報が書き込まれる。

記録層２１に「0」を書き込むときには、第２電流導入部２３２により、第１スピン流生成層２２１及び第２スピン流生成層２２２に、第２方向に垂直な電流を該層に平行に流す（図１３(b)）。すると、電流の向きの相違に伴って電子スピンS_i並びに第１磁気モーメントM₁及び第２磁気モーメントM₁の向きが異なる点の他は、「1」を書き込むときと同じ動作により、記録層２１に、第１磁気モーメントM₁と第２磁気モーメントM₁が第２方向に平行であって互いに逆方向を向いた、「0」を示す情報が書き込まれる。

記録層２１に記録された情報を読み出す際には、磁気抵抗効果測定部１４によって、記録層２１に平行な所定の１方向の電気抵抗を測定する（図１３(c), (d)）。ここで測定される電気抵抗の値の相違により、記録層２１に記録された情報が「1」であるか「0」であるかを読み出す。記録層２１内の磁気モーメント（スピン）の向きによって電気抵抗の値に相違が生じる理由は、第１実施形態の場合と同様である。なお、第２実施形態においても第１実施形態と同様に、電気抵抗の代わりに、ホール効果により生じる電圧を測定してもよい。

(2-3) 第２実施形態の磁気メモリ素子の具体例
図１４に、第２実施形態の具体例である磁気メモリ素子２０Ａの構成を示す。この磁気メモリ素子２０Ａは、記録層１１Ａを、第１磁性体層２１１Ａと第２磁性体層２１２Ａを積層した記録層２１Ａに変更した点を除いて、第１実施形態の具体例である磁気メモリ素子１０Ａと同じ構成を有する。第１磁性体層２１１Ａ及び第２磁性体層２１２Ａの材料はそれぞれ、前述の第１磁性体層２１１及び第２磁性体層２１２の材料と同じである。磁気メモリ素子２０Ａの第１スピン流生成層２２１Ａ、第２スピン流生成層２２２Ａ、第１端子２５１、第２端子２５２、第３端子２５３及び第４端子２５４は、磁気メモリ素子１０Ａの対応する構成要素と符号の末尾を合わせたうえで図１４に示し、それら構成要素の詳細な説明を省略する。なお、第１端子２５１、第２端子２５２、第３端子２５３及び第４端子２５４はいずれも、第１磁性体層２１１Ａ、第２磁性体層２１２Ａ、第１スピン流生成層２２１Ａ及び第２スピン流生成層２２２Ａの全ての層に電気的に接触している。また、磁気メモリ素子２０Ａの動作は、第１実施形態の磁気メモリ素子１０Ａと同様である。

次に、磁気メモリ素子２０Ａを作製して、情報の書き込み及び読み出しの実験を行った結果を示す。この実験では、第１磁性体層２１１Ａの材料にはCo₈₆Gd₁₄のアモルファス合金を用い、第２磁性体層２１２Ａの材料にはCo₆₂Gd₃₈のアモルファス合金を用いた。第１磁性体層２１１Ａ及び第２磁性体層２１２Ａの厚さはいずれも6nmとした。第１スピン流生成層２２１Ａ及び第２スピン流生成層２２２Ａにはいずれも、厚さ4nmのPtを用いた。情報の書き込み及び読み出しには、第１実施形態の磁気メモリ素子１０Ａと同じ方法（図５参照）を用いた。「1」の書き込みを1回行ったうえで読み出しを6回行い、その後「0」の書き込みを1回行ったうえで読み出しを6回行うという操作を繰り返した。実験は、書き込み時の電流I_wにつき、9mA、10mA、12mA、14mA、15mA及び16mAという異なる値でそれぞれ行った。測定時の温度は283K（10℃）であった。

実験結果を図１５に示す。この図では、読み出し時に得られたホール抵抗の値を示している。記録層２１Ａに「1」を書き込んだときにはホール抵抗が正の値を有し、「0」を書き込んだときにはホール抵抗が負の値を有していることから、ホール抵抗の正負より、記録層２１Ａに記録された情報を読み出すことができる。実験に用いた書き込み時の電流I_wの範囲内では、その電流が大きいほど、ホール抵抗の絶対値が大きくなって読み出しが容易となる。

次に、磁気メモリ素子２０Ａに対して、電流による情報の記録を行うことなく、外部磁界を第１方向に印加した場合と第２方向に印加した場合に生じるホール抵抗の差ΔR_Hallを、異なる3つの温度T=246K（-27℃）、283K（10℃）及び312K（39℃）でそれぞれ測定した結果を図１６に示す。この結果より、温度が283Kのときには、外部磁界によるホール抵抗の変化がほとんどなく、外部磁界の影響をほとんど受けない。それに対して、温度が246K及び312Kのときには、外部磁界の方向によってホール抵抗の値が変化し、外部磁界の影響を受ける。従って、磁気メモリ素子２０Ａを安定して使用するために、磁気メモリ素子２０Ａの使用時には、温度を283K付近の所定の温度範囲内（例えば278〜288K）に維持するように温度制御を行うことが望ましい。

次に、図１７を用いて、磁気メモリ素子２０Ａに対して、同値（「0」及び「1」のいずれか一方）を繰り返し書き込む実験を行った結果を説明する。この実験では、まず、「0」と「1」を交互に2回ずつ書き込んだ（図１７中のA）後に、「0」を繰り返し27回書き込み（同B）、最後に「1」を繰り返し55回書き込んだ（同C）。書き込みを1回行う毎に、読み出しは6回ずつ行った。なお、図１７では、横軸に読み出し回数を取り、「1」の繰り返しの書き込みに移ったときに横軸の数値を0に戻して描いている。この実験の結果、図１７に示すように、「0」又は「1」を繰り返し書き込む回数を増加させることにより、読み出されたホール抵抗の絶対値が大きくなっている。このような特性を利用して、1個の磁気メモリ素子２０Ａは、「0」及び「1」の2値のみならず、多値のデータを書き込み及び読み出しを行うことも可能である。

第２実施形態の磁気メモリ素子２０、２０Ａにおいても、第１実施形態と同様に種々の変形が可能である。例えば、上記の例では記録層２１、２１Ａと第１スピン流生成層２２１、２２１Ａ及び第２スピン流生成層２２２、２２２Ａが接しているが、図１８に示すように、それら記録層とスピン流生成層の間に導電性部材２６１、２６２、２６１Ａ、２６２Ａを介していてもよい。

１０、１０Ａ、２０、２０Ａ…磁気メモリ素子
１１、１１Ａ、２１、２１Ａ…記録層
１２１、１２１Ａ、２２１、２２１Ａ…第１スピン流生成層
１２２、１２２Ａ、２２２、２２２Ａ…第２スピン流生成層
１３１、２３１…第１電流導入部
１３２、２３２…第２電流導入部
１４、２４…磁気抵抗効果測定部
１５１、２５１…第１端子
１５２、２５２…第２端子
１５３、２５３…第３端子
１５４、２５４…第４端子
１６１、１６２、１６１Ａ、１６２Ａ、２６１、２６２、２６１Ａ、２６２Ａ…導電性部材
２１１、２１１Ａ…第１磁性体層
２１２、２１２Ａ…第２磁性体層

Claims (9)

1. a) 第１方向と第２方向の少なくとも2方向において反強磁性となり得る反強磁性体から成る記録部と、
   b) 前記記録部に接して、又は該記録部との間に導電性部材を介して設けられた、スピンホール効果を有する物質から成るスピン流生成部と、
   c) 前記スピン流生成部に、前記第１方向に垂直な電流を流す第１電流導入部と、
   d) 前記スピン流生成部に、前記第２方向に垂直な電流を流す第２電流導入部と
   を備えることを特徴とする磁気メモリ素子。
2. 前記スピン流生成部が前記記録部を挟んで2個設けられ、
   前記第１電流導入部が該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第１方向に垂直な電流を流すように設けられ、
   前記第２電流導入部が該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第２方向に垂直な電流を流すように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
3. 前記反強磁性体がNiOであることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリ素子。
4. a) 第１方向と第２方向の少なくとも2方向を取り得る第１磁気モーメントを有する第１磁性体層と、前記第１磁気モーメントに平行且つ逆向きの第２磁気モーメントを有する第２磁性体層を積層した積層体から成る記録部と、
   b) 前記記録部に接して、又は該記録部との間に導電性部材を介して設けられた、電流が流れることでスピンホール効果によるスピン流が形成されるスピン流生成部と、
   c) 前記スピン流生成部に前記第１方向に垂直な方向の電流を流す第１電流導入部と、
   d) 前記スピン流生成部に前記第２方向に垂直な方向の電流を流す第２電流導入部と
   を備えることを特徴とする磁気メモリ素子。
5. 前記スピン流生成部が前記記録部を挟んで2個設けられ、
   前記第１電流導入部が該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第１方向に垂直な電流を流すように設けられ、
   前記第２電流導入部が該2個の前記スピン流生成部にそれぞれ、前記第２方向に垂直な電流を流すように設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ素子。
6. 前記積層体が、
   Co及びGdから成るCoGd合金であって、Coの原子含有率が80％以上である第１磁性体層と、
   CoGd合金であって、Coの原子含有率が72％以下である第２磁性体層と
   を積層したものであることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁気メモリ素子。
7. 前記第１磁性体層のCoの原子含有率が80〜90％であり、前記第２磁性体層のCoの原子含有率が55〜72％であることを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。
8. a) Co及びGdから成るCoGd合金であって、Coの原子含有率が80％以上である第１磁性体層と、
   b) CoGd合金であって、Coの原子含有率が72％以下である第２磁性体層と
   を積層したものであることを特徴とする磁性材料。
9. 前記第１磁性体層のCoの原子含有率が80〜90％であり、前記第２磁性体層のCoの原子含有率が55〜72％であることを特徴とする請求項８に記載の磁性材料。

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