JP2021034480A

JP2021034480A - 磁気記録デバイス

Info

Publication number: JP2021034480A
Application number: JP2019151364A
Authority: JP
Inventors: ナムハイファム; Nam Hai Pham; フィンズィカングエン; Duy Khang Nguyen Huynh; 孝典白倉; Takanori SHIROKURA
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-03-01

Abstract

【課題】高いＵＭＲ比を有する磁気記録デバイスを提供する。【解決手段】磁気記録デバイス３００は、記憶セル３０２を備える。記憶セル３０２は、非磁性層３１４と、非磁性層３１４に接合されたデータの記録を行う強磁性層３１２とを含む積層構造３１０を有する。強磁性層３１２は、非磁性層３１４のスピンホール効果によって注入される純スピン流の量子化軸と平行な磁化容易軸を有する。注入される純スピン流のスピン軌道トルクによる強磁性層の磁化反転が、データ書き込みに用いられ、強磁性層中のマグノン励起・吸収とスピン無秩序散乱によるＵＭＲ（一方向性磁気抵抗）効果が読み出しに用いられる。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気記録デバイスに関する。

ＩＴ機器の待機電力を削減するため、磁気抵抗効果を利用した不揮発性メモリである磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が注目されている。ＭＲＡＭの記録セルは絶縁層を２種類の強磁性層で挟んだ３層構造からなる。２種の強磁性層のうち、磁化の向きが固定されている層を固定層、磁化の向きが可変な層を自由層と呼び、自由層の磁化の向きを制御することでデータを記録する。

データの書込みにはスピン流が用いられており、スピン流の生成方式は２種類に大別される。１つ目は、固定層に電流を印加してスピン流を生成するスピントランスファートルク（ＳＴＴ）方式である。２つ目は、自由層に別途接合されたスピン流源に電流を印加してスピンホール効果によるスピン流を生成するスピン軌道トルク（ＳＯＴ）方式である。スピン流源層はスピン軌道相互作用の強い材料で構成され、重金属（ＨＭ）やトポロジカル絶縁体（ＴＩ）が候補となっている。ＳＴＴ方式は二端子回路として動作するが、ＳＯＴ方式は基本的に三端子回路である。したがって、ＳＯＴ方式は周辺回路が複雑化するという欠点がある。しかし、ＳＯＴ方式はＳＴＴ方式よりも書込み時間が１桁程度短くできること、またスピン流生成効率が高い材料をスピン注入源に利用できるため、書込み時の消費エネルギーを抑えられるという利点がある。

一方、データの読出しには、ＳＴＴ方式、ＳＯＴ方式ともにトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用する。ＴＭＲ効果により、各層の磁化が平行なとき記録セルの抵抗値は最小、反平行なとき最大となる。各層の磁化が平行から反平行に変化した際の抵抗変化率はＴＭＲ比と呼ばれており、ＴＭＲ比が大きいほどデータの読出しが容易となる。したがって、ＳＴＴ方式、ＳＯＴ方式ともに大きなＴＭＲ比が求められる。

大きなＴＭＲ比を得るためには、２種の強磁性層と絶縁層の材料の組み合わせが重要である。大きなＴＭＲ比が得られる材料の組み合わせとして、両強磁性層にＣｏＦｅＢ（ホウ素をドープした鉄コバルト合金）を、絶縁層に、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いるものが知られている。しかし、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＳＯＴ−ＭＲＡＭのさらなる高性能化が求められる中で、ＣｏＦｅＢとＭｇＯの組み合わせを超える実用的な材料は発見されていない。したがって、ＴＭＲ効果を用いるＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＳＯＴ−ＭＲＡＭは、材料自由度が著しく低いという問題がある。

また、書込み電流の低減およびデータの熱揺らぎ耐性を向上させるため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＳＯＴ−ＭＲＡＭの両強磁性層は垂直磁化を有することが望ましい。しかし、非特許文献１にあるように、大きなＴＭＲ比と垂直磁化を両立するためにはＳＴＴ方式で３０層、ＳＯＴ方式ではそれにスピン流源層を加えた３１層の複雑な積層構造をとる必要がある。さらに、各層はオングストロームオーダーでの精密な膜厚制御が要求されるため、歩留の低下や製造コストの増加が問題となる。

ＵＳ２０１８−０１６６５００Ａ１国際公開ＷＯ２０１８−２０４７８５Ａ１

２０１４ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ，ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，ＣＡ，２０１４，ｐｐ．３３．２．１−３３．２．４．ＮａｔｕｒｅＰｈｙｓｉｃｓ１１，５７０（２０１５）. ＴｈｉｎＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ２１６，１６２（１９９２）．ＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒ１２１，０８７２０７（２０１８）.

ＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＳＯＴ−ＭＲＡＭにおける材料自由度の低下や、構造の複雑化という問題点は、データの読出しにＴＭＲ効果を利用することに起因している。これら問題点を解決するため、データの読出しにＴＭＲ効果を用いない新たな磁気記録デバイスが提案された（特許文献１）。特許文献１の記録セルは強磁性層とスピン軌道相互作用の強い材料からなる非磁性層の２層からなり、データは磁性層の磁化の向きとして記録される。非特許文献１のデバイスは、物理的に直接接触していない複数の強磁性層を備えることにより多値化が可能である（特許文献２）。データの書込みはＳＯＴ−ＭＲＡＭと同様、非磁性層のスピンホール効果によって注入される純スピン流により行う。一方、データの読出しには、界面のスピン散乱に起因した一方向性磁気抵抗（ＵＭＲ）効果を用いる。本明細書では、界面のスピン散乱に起因したＵＭＲ効果を界面スピン散乱ＵＭＲ効果と呼称する。

図１（ａ）、（ｂ）は、界面スピン散乱ＵＭＲ効果の原理を示す図である。非特許文献２で報告されているように、界面スピン散乱ＵＭＲ効果は強磁性層１１１と非磁性層１１０の接合界面で起こる。非磁性層１１０に電流を印加すると、スピン軌道相互作用により非磁性層表面にスピン蓄積１１３、１１４が生じる。このとき、強磁性層１１１と非磁性層１１０の界面スピン蓄積１１３のスピン偏極方向と、強磁性層１１１の磁化Ｍの相対角度に応じて、界面における伝導電子１１２の散乱確率が変化する。

図１（ａ）では、強磁性層１１１の磁化Ｍは、紙面手前方向を向いており、図１（ｂ）では、磁化Ｍは紙面奥行き方向を向いている。また図１（ａ）、（ｂ）ともに、界面スピン蓄積１１３の磁気モーメントは、紙面手前方向を向いている。

図１（ａ）に示すように、蓄積スピン１１３の磁気モーメントの向きと、強磁性層１１１の磁化Ｍの向きが平行なとき、散乱確率が低くなる。反対に、図１（ｂ）に示すように、反平行なとき散乱確率が高くなる。この界面での散乱確率の変化は、記録セルの抵抗値の変化として現れる。したがって、界面スピン散乱ＵＭＲ効果を用いて、強磁性層１１１の磁化の向きを抵抗値として読み出すことができる。

特許文献１の記憶セルは強磁性層と非磁性層の積層構造であり、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＳＯＴ−ＭＲＡＭの構造よりも非常に簡便である。また、ＳＯＴ方式と同様の磁化反転方式を二端子回路で動作可能である。さらに、特許文献１や非特許文献２で報告されているように、強磁性層と非磁性層の材料として様々な組み合わせが可能であり、材料自由度が高い。

しかし、界面スピン散乱ＵＭＲ効果には抵抗変化が極めて小さいという欠点がある。抵抗の最大値と最小値の変化率であるＵＭＲ比は０．００５％程度であり、実用化に必要な抵抗変化率である１％よりも３桁程度小さい（非特許文献３）。したがって、界面スピン散乱ＵＭＲ効果は実用的ではなく、異なる機構に起因したＵＭＲ効果の利用が不可欠である。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高いＵＭＲ比を有する磁気記録デバイスの提供にある。

本発明のある態様は磁気記録デバイスに関する。磁気記録デバイスは、抵抗率の高い強磁性体からなる強磁性層と、抵抗率が高く強いスピン軌道相互作用を有する非磁性体からなる非磁性層の積層構造を備える。データは強磁性層の磁化の向きで記録される。データの書込みは、強磁性層に接合された非磁性層からのスピン注入により生じるＳＯＴで行われる。一方、データの読出しには、強磁性体中のマグノンによるスピン無秩序散乱に起因したＵＭＲ効果を利用する。本明細書では、強磁性体中のマグノンによるスピン無秩序散乱に起因したＵＭＲ効果を、「マグノンＵＭＲ効果」と呼称する。

本発明によれば、高いＵＭＲ比を有する磁気記録デバイスを提供できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、界面スピン散乱ＵＭＲ効果の原理を示す図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、マグノンＵＭＲ効果の原理を説明する図である。実施の形態に係る磁気記録デバイスを示す図である。２ビットセルを有する磁気記録デバイスを示す図である。図５（ａ）、（ｂ）は、作製したサンプルの構造を示す図である。図６（ａ）、（ｂ）は、図５（ａ）、（ｂ）の２つのサンプルについて、マグノンＵＭＲ効果によるＵＭＲ比を測定した結果を示す図である。評価に用いた測定回路の回路図である。図８（ａ）、（ｂ）は、図５（ａ）、（ｂ）の２つのサンプルにおけるＵＭＲ比の温度依存性および電流密度Ｊ依存性を示す図である。

（マグノンＵＭＲ効果の原理）
図２（ａ）〜（ｃ）は、マグノンＵＭＲ効果の原理を説明する図である。マグノンＵＭＲ効果は、図２（ａ）には、強磁性層２１２と非磁性層２１４の積層構造２１０が示される。マグノンＵＭＲ効果は、（i）非磁性層２１４と強磁性層２１２の界面２１６におけるマグノンの励起・吸収と、（ii）強磁性層２１２の内部２１８におけるマグノンによる伝導電子のスピン無秩序散乱の複合的な現象として把握される。図２（ｂ）、（ｃ）には、界面２１６と、強磁性層２１２の内部２１８の様子が拡大して示される。

本明細書では、多数キャリアが電子の場合を例にとり単に伝導電子と称する、本発明の多数キャリアは電子に限定されるものではなく、正孔であってもよく、この場合、マグノンと正孔のスピン無秩序散乱が重要となる。

図２（ｂ）、（ｃ）を参照して、界面２１６におけるマグノンの励起・吸収について説明する。非磁性層２１４に電流を印加すると強磁性層２１２にスピン２２０が注入される。注入スピン２２０の向きは、電子の磁気モーメント２２２と同じ向きに定義した。このとき、強磁性層２１２の磁化Ｍの微視的構成要素である局在電子の磁気モーメント２２２は注入スピン２２０と相互作用し、角運動量の交換を起こす。この角運動量交換により、磁気モーメント２２２の揺らぎの増大・減少が起こる。磁気モーメント２２２の揺らぎの量子はマグノンである。従って、磁気モーメント２２２の揺らぎの増大はマグノン励起に対応し、揺らぎの減少はマグノン吸収に対応する。

図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、マグノンの励起・吸収確率は注入スピン２２０と磁気モーメント２２２の相対角度に依存する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、注入スピン２２０と磁気モーメント２２２が平行なときマグノン吸収確率が励起確率よりも大きくなり、図２（ｃ）に示すように、反平行なときマグノン励起確率が吸収確率よりも大きくなる。つまり、スピン２２０と磁気モーメント２２２が平行なときはマグノンが少なくなり、反平行なときマグノンが多くなる。つまり強磁性層２１２における磁化Ｍ（磁気モーメント２２２）の向きを変化させることにより、マグノンの量を制御できる。

次に、強磁性層２１２の内部２１８のマグノンによる伝導電子２２４のスピン無秩序散乱について説明する。強磁性層２１２内部を流れる伝導電子２２４は、ｓ、ｐ−ｄまたはｓ、ｐ−ｆ交換相互作用により、磁気モーメント２２２の向きに依存したスピン無秩序散乱を受ける。このとき、伝導電子２２４は、マグノンが多いほど磁気モーメント２２２から大きな散乱を受けるため、抵抗が高くなる。上述のようにマグノンの多寡は注入スピン２２０と磁気モーメント２２２の平行・反平行で決まる。したがって、注入スピン２２０の向きを固定し、磁化Ｍ（磁気モーメント２２２）の向きを制御することで、スピン無秩序散乱の大小を変化させ、抵抗値を制御するができる。つまり磁化Ｍの向きを、抵抗値に変換できる。

以上がマグノンＵＭＲ効果の原理である。このマグノンＵＭＲ効果の原理により、マグノンＵＭＲ効果で１％を超える大きなＵＭＲ比を実現するためには、以下の３つの設計指針に則り材料を設計すればよい。

（１）第１指針
１つ目は、強磁性層２１２内部でのスピン無秩序散乱を大きくするため、強磁性層材料としてｓ、ｐ−ｄまたはｓ、ｐ−ｆ交換相互作用の強い高抵抗な強磁性材料を採用するという点である。

（２）第２指針
２つ目は、強磁性層２１２のマグノン励起効率を高めるため、非磁性層２１４にスピン流生成効率の高い材料を採用するという点である。

（３）第３指針
３つ目は、非磁性層２１４から強磁性層２１２へのスピン注入効率を高めるため、非磁性層２１４と強磁性層２１２との抵抗率を近づけるという点である。指針３より、強磁性層２１２は高抵抗材料であるから、非磁性層２１４も高抵抗でなければならない。ここで、非磁性層２１４の抵抗率は材料選択や成膜時の成膜条件、たとえば基板温度やスパッターの圧力などの制御により調整される。

（磁気記録デバイスの構成）
（実施例１）
図３は、実施の形態に係る磁気記録デバイス３００を示す図である。磁気記録デバイス３００は、記憶セル３０２および外部回路３０４を備える。記憶セル３０２は、強磁性層３１２と非磁性層３１４の２層の積層構造３１０を備える。積層構造３１０は図２の積層構造２１０に対応する。

記憶セル３０２は２端子セルであり、１ビットの情報を保持可能である。実際には磁気記録デバイス３００は、複数の記憶セル３０２を備え、多ビットの情報を記憶可能である。外部回路３０４は、記憶セル３０２と電気的に接続され、記憶セル４０２にデータを書き込み、またデータを読み出し可能に構成される。

強磁性層３１２は、非磁性層３１４から注入されるスピンの偏極方向と平行な磁化容易軸を有する。書込みおよび読出しのために印加された電流は、非磁性層３１４と強磁性層３１２の双方に分流される。

外部回路３０４は、強磁性層３１２の磁化反転に必要なしきい値電流以上の書き込み電流を記憶セル３０２に印加することにより、データの書込みを行う。このデータ書き込みは、非磁性層３１４から強磁性層３１２へのスピン注入により生じるＳＯＴで行われる。

また外部回路３０４は、しきい値電流以下の読み出し電流を記憶セル３０２に印加し、マグノンＵＭＲ効果により強磁性層３１２の磁化の向きに応じた抵抗値を検出することにより、データ読み出しを行う。マグノンＵＭＲ効果により読み出されたデータは、外部回路３０４で増幅されうる。

１％を超える大きなＵＭＲ比を実現するために、磁気記録デバイス３００は上述の指針にもとづいて、以下のように構成するとよい。

非磁性層３１４は、（i）強いスピン軌道相互作用を有するＰｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち１つまたは複数からなる金属Ｘ、または（ii）金属Ｘと、Ｎ，Ｐ，Ｏ，Ｓの１つまたは複数、Ｖ属、ＶＩ属元素のいずれかとの化合物から構成されてもよい。あるいは非磁性層３１４は、（iii）Ｂｉ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つまたは複数を構成元素に含むトポロジカル絶縁体で構成されてもよい。

また強磁性層３１２は、（i）３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち１つまたは複数からなる金属Ｙ、または（ii）金属Ｙと、Ｎ，Ｐ，Ｏ，Ｓの１つまたは複数、Ｖ属、ＶＩ属元素のいずれかとの化合物から構成されてもよい。あるいは強磁性層３１２は、（iii）ＩＶ族、ＩＩ−Ｖ族、Ｉ−ＶＩ族半導体に３ｄ元素を１つまたは複数添加した強磁性半導体で構成されてもよい。

また非磁性層３１４の抵抗率は、成膜温度、成膜圧力、成膜速度、基板バイアス電圧のうち、１つまたは複数を組み合わせることにより、強磁性層３１２の抵抗率と同じオーダーに調整される。たとえば強磁性層３１２の抵抗率と非磁性層３１４の抵抗率の比が０．２〜５倍の範囲に含まれる場合に、同じオーダーであるといえる。

また強磁性層３１２の磁化容易軸は、形状磁気異方性、一軸結晶磁気異方性および、磁場中成膜、磁場中アニール、斜め蒸着による誘導磁気異方性のうち、１つまたは複数を組み合わせることにより、非磁性層３１４のスピン軌道相互作用により注入されるスピン流の量子化軸と平行に調整される。

（実施例２）
図４は、２ビットセルを有する磁気記録デバイス４００を示す図である。磁気記録デバイス４００は、二端子の記憶セル４０２および外部回路４０４を備える。記憶セル４０２は、２ビットに多値化されており、非磁性層４１４と強磁性層４１２、４１６からなる積層構造４１０を有する。外部回路４０４は、記憶セル４０２と電気的に接続され、記憶セル４０２にデータを書き込み、またデータを読み出し可能に構成される。

ここで、強磁性層４１２と強磁性層４１６は磁化反転に必要なしきい値電流Ｉｔｈ１，Ｉｔｈ２が異なるように設計される。ここではＩｔｈ１＞Ｉｔｈ２とする。強磁性層４１２、４１６は、非磁性層４１４から注入されるスピンの偏極方向と平行な磁化容易軸を有する。

書込みおよび読出しのために印加された電流は、非磁性層４１４と強磁性層４１２、４１６に分流される。

外部回路４０４は、データの書込みは、強磁性層４１２、４１６のしきい値電流Ｉｔｈ１，Ｉｔｈ２（Ｉｔｈ１＞Ｉｔｈ２）が異なることを利用し、複数の強磁性層４１２，４１６に選択的にデータを書き込む。すなわち書き込み電流Ｉｗが、Ｉｗ＞Ｉｔｈ１＞Ｉｔｈ２のとき、強磁性層４１２,４１６の磁化が反転し、書き込み電流Ｉｗが、Ｉｔｈ１＞Ｉｗ＞Ｉｔｈ２のとき、強磁性層４１６の磁化のみが反転する。

データの読出しは、強磁性層４１２、４１６のしきい値電流Ｉｔｈ１，Ｉｔｈ２以下の読み出し電流Ｉｒを記憶セル４０２に印加し、マグノンＵＭＲ効果により強磁性層４１２、４１６の磁化の向きに応じた抵抗値を検出することにより、データ読み出しを行う。マグノンＵＭＲ効果により読み出されたデータは、外部回路４０４で増幅されうる。

ここでは２ビットセルを説明したが、しきい値電流の異なる複数ｎ個（ｎ≧２）の強磁性層を接合することで、１つの記憶セルあたりｎビットに多値化できる。ただし、ｎは整数であり、すべての強磁性層は非磁性層から注入されるスピンの偏極方向と平行な磁化容易軸を有する。強磁性層のしきい値電流は、各磁性層の膜厚、材料を変えることで制御することができる。

図４では、非磁性層４１４の異なる面（上面と下面）に、２つの強磁性層４１２、４１６が接合されているが、その限りでなく、非磁性層４１４の同一面上に、複数ｎ個の強磁性層を配置してもよい。この場合において、各強磁性層同士は物理的に非接触とされる。なお、各磁性層の形状は直方体に制限されない。

図４の磁気記録デバイス４００についても、１％を超える大きなＵＭＲ比を実現するために、上述の指針にもとづいて構成される。

非磁性層３１４は、（i）強いスピン軌道相互作用を有するＰｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち１つまたは複数からなる金属Ｘ、または（ii）金属Ｘと、Ｎ，Ｐ，Ｏ，Ｓの１つまたは複数、Ｖ属、ＶＩ属元素のいずれかとの化合物（たとえばＰｔＯ）で構成されてもよい。あるいは非磁性層３１４は、（iii）Ｂｉ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つまたは複数を構成元素に含むトポロジカル絶縁体（たとえばＢｉＳｂ）で構成してもよい。

また強磁性層３１２は、（i）３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち１つまたは複数からなる金属Ｙ、または（ii）金属Ｙと、Ｎ，Ｐ，Ｏ，Ｓの１つまたは複数、Ｖ属、ＶＩ属元素のいずれかとの化合物で構成されてもよい。あるいは強磁性層３１２は、（iii）ＩＶ族、ＩＩ−Ｖ族、Ｉ−ＶＩ族半導体に３ｄ元素を１つまたは複数添加した強磁性半導体で構成してもよい。

また非磁性層４１４の抵抗率は、成膜温度、成膜圧力、成膜速度、基板バイアス電圧のうち、１つまたは複数を組み合わせることにより、強磁性層４１２，４１６の抵抗率と同じオーダーに調整される。

また強磁性層４１２および４１６の磁化容易軸は、形状磁気異方性、一軸結晶磁気異方性および、磁場中成膜、磁場中アニール、斜め蒸着による誘導磁気異方性のうち、１つまたは複数を組み合わせることにより、非磁性層４１４のスピン軌道相互作用により注入されるスピン流の量子化軸と平行に調整される。

（マグノンＵＭＲ効果の評価）
以下、上述の３つの設計指針１〜３のうち、設計指針１の妥当性について説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、設計指針１の妥当性の評価のために作製したサンプルの構造を示す図である。図５（ａ）は、すべての指針を満たすサンプル（ＳａｍｐｌｅＡ）であり、図５（ｂ）は、設計指針３のみ満たさないサンプル（ＳａｍｐｌｅＢ）を示す。

次に、すべての指針を満たすサンプルにおけるマグノンＵＭＲ効果のＵＭＲ比と、指針１、２を満たさない非特許文献４のマグノンＵＭＲ効果のＵＭＲ比を比較し、指針２の影響を補正することで指針１の妥当性を評価した（評価２）。

図５（ａ）、（ｂ）のサンプルＳａｍｐｌｅＡ，ＳａｍｐｌｅＢは、同一のＢｉ_０．９Ｓｂ_０．１（１０ｎｍ）／Ｇａ_０．９１Ｍｎ_０．０９Ａｓ（１０ｎｍ）の積層構造を有しており、設計指針１、２を満たしている。強磁性層ＧａＭｎＡｓはｓ、ｐ−ｄ交換相互作用の強い強磁性半導体であり、非磁性層ＢｉＳｂはスピン流生成効率が高いトポロジカル絶縁体である。

サンプルＳａｍｐｌｅＡとＳａｍｐｌｅＢは、ＢｉＳｂ層の結晶性が異なっており、それにより指針３を満たすか否かが制御されている。作製した２つのサンプルにおいてＧａＭｎＡｓは同品質であり、室温での伝導率は１０^４Ｓ／ｍのオーダーである。

図５（ａ）に示す、指針３を満たす、すなわちすべての指針を満たすサンプルＳａｍｐｌｅＡは、ＢｉＳｂ層が多結晶であり、その室温での伝導率は１．５×１０^４Ｓ／ｍであり、ＧａＭｎＡｓと同じオーダーである。一方、図５（ｂ）に示す、指針３を満たさないサンプルＳａｍｐｌｅＢはＢｉＳｂ層が[００１]配向の単結晶であり、室温での伝導率は２×１０^５Ｓ／ｍとＧａＭｎＡｓよりも１桁伝導率が高くなっており、オーダーが異なっている。

図６（ａ）、（ｂ）は、２つのサンプルについて、マグノンＵＭＲ効果によるＵＭＲ比を測定した結果を示す図である。図６（ａ）にＳａｍｐｌｅＡの、図６（ｂ）にＳａｍｐｌｅＢにおける抵抗変化ΔＲ_ｘｘの磁場Ｈｅｘｔ依存性を示す。ここで、ΔＲ_ｘｘは各磁場における抵抗値Ｒ_ｘｘ（Ｈ_ｅｘｔ）から、平均の抵抗値Ｒ_{ｘｘａｖｅ}を差し引いた値である。

図７は、評価に用いた測定回路の回路図である。図７であり、磁場は＋ｙ方向に、電流は＋ｘ方向に１．６×１０^６Ａ／ｃｍ^２だけ印加した。測定温度は４Ｋである。図７の測定系の場合、ＧａＭｎＡｓ層の磁化がｙ方向にあるときに界面スピン散乱ＵＭＲ効果およびマグノンＵＭＲ効果が最大、最小となる。ｙ方向に印加した外部磁場は、磁化のｙ成分を制御する役割を担っている。図６（ａ）、図６（ｂ）より、磁場の向きに依存した抵抗変化が得られた。このとき、ＳａｍｐｌｅＡおよびＳａｍｐｌｅＢにおけるＵＭＲ比＝ΔＲ_ｘｘ／Ｒ_{ｘｘ-ａｖｅ}の最大値はそれぞれ０．５６％、０．０２１％であり、すべての指針を満たすＳａｍｐｌｅＡのＵＭＲ比の方が、指針３を満たさないＳａｍｐｌｅＢのＵＭＲ比よりも大きいことが分かる。

図８（ａ）、（ｂ）は、サンプルＳａｍｐｌｅＡ，ＳａｍｐｌｅＢにおけるＵＭＲ比の温度依存性および電流密度Ｊ依存性を示す。図８（ａ）より、ＳａｍｐｌｅＡでは電流密度および測定温度の上昇に伴い、ＵＭＲ比が増大していることが分かり、ＵＭＲ比は１％を超えうることが分かる。また、ＵＭＲ比の電流密度依存性には、マグノンに起因するＪ^３の非線形項が存在する。また、ＵＭＲ比の温度依存性に関しても、温度上昇に伴う熱エネルギー増大により磁化が揺らぎ、マグノンが励起されやすくなるという傾向と合致する。したがって、すべての指針を満たすＳａｍｐｌｅＡではマグノンＵＭＲ効果が支配的であり、１％を超える大きなＵＭＲ比が得られることが分かる。

一方、図８（ｂ）より、ＳａｍｐｌｅＢでも電流密度の増大に伴うＵＭＲ比の増大が見られるが、マグノンに起因するＪ^３の非線形項が見られない。また、ＵＭＲ比が測定温度に関してほぼ無相関であることが分かる。さらに、得られたＵＭＲ比も最大でＳａｍｐｌｅＡの５０分の１程度である。以上より、指針３のみを満たさないＳａｍｐｌｅＢではマグノンＵＭＲ効果の寄与は限定的であり、得られるＵＭＲ効果も１％を著しく下回ることが分かる。したがって、指針３を満たすことでマグノンＵＭＲ効果が促進されることが分かり、指針３の妥当性が実証された。

次に、指針１の妥当性について検証する。非特許文献４では強磁性層としてＣｏ、非磁性層としてＰｔを用い、マグノンＵＭＲ効果によるＵＭＲ比を測定している。この系は、本発明の設計指針における指針１、２を満たさないサンプルに該当する。本実施例では、ＢｉＳｂ／ＧａＭｎＡｓ構造のＳａｍｐｌｅＡにおいて、４０Ｋ、１．６×１０^６Ａ／ｃｍ^２の条件下で１．１％のＵＭＲ比を得た。一方、非特許文献４におけるＣｏ／Ｐｔの系では、５０Ｋ、１０×１０^６Ａ／ｃｍ^２の条件下で０．００１％程度のＵＭＲ比しか得られていない。したがって、ＢｉＳｂ／ＧａＭｎＡｓとＣｏ／ＰｔとでＵＭＲ比に３桁の開きがあることが分かる。一方、電流密度の違いや、指針２に対応するスピン流生成効率の違いによりＵＭＲ比に違いが生じうる。しかし、本実施例の条件と非特許文献４の条件の違いでは、最大でも２桁しかＵＭＲ比の差が生じえず、指針２および電流密度の違いだけではこの差を説明することができない。これは強磁性層のｓ，ｐ−ｄ、ｓ，ｐ−ｆ交換相互作用の重要性を示しており、指針１の妥当性を裏付けるものである。

２１０積層構造
２１２強磁性層
２１４非磁性層
２１６界面
２２０注入スピン
２２２磁気モーメント
２２４伝導電子
３００磁気記録デバイス
３０２記憶セル
３０４外部回路
３１０積層構造
３１２強磁性層
３１４非磁性層
４００磁気記録デバイス
４０２記憶セル
４０４外部回路
４１０積層構造
４１２強磁性層
４１４非磁性層
４１６強磁性層

Claims

非磁性層と、前記非磁性層に接合されたデータの記録を行う強磁性層とを含む積層構造の記憶セルを備え、
前記強磁性層は、前記非磁性層のスピンホール効果によって注入される純スピン流の量子化軸と平行な磁化容易軸を有し、
注入される純スピン流のスピン軌道トルクによる前記強磁性層の磁化反転をデータ書き込みに用い、
前記強磁性層中のマグノン励起・吸収とスピン無秩序散乱によるＵＭＲ（一方向性磁気抵抗）効果を読み出しに用いることを特徴とする磁気記録デバイス。
前記積層構造は、前記非磁性層に接合される複数の強磁性層を含み、前記が接合されており、前記記憶セルは多ビット化されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録デバイス。
各強磁性層の書き込み電流およびマグノン励起・吸収とスピン無秩序散乱によるＵＭＲ効果の大きさが異なることを特徴とする請求項２に記載の磁気記録デバイス。
外部回路を通じて１つもしくは複数種類の構造を電気的に結合することにより構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。
前記非磁性層は、強いスピン軌道相互作用を有するＰｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち１つまたは複数からなる金属、または、前記金属と、Ｎ，Ｐ，Ｏ，Ｓの１つまたは複数、Ｖ属、ＶＩ属元素のいずれかとの化合物から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。
前記非磁性層は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つまたは複数を構成元素に含むトポロジカル絶縁体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。
前記強磁性層は、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち１つまたは複数からなる金属、または前記金属とＮ，Ｐ，Ｏ，Ｓの１つまたは複数、Ｖ属、ＶＩ属元素のいずれかとの化合物から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。
前記強磁性層は、ＩＶ族、ＩＩ−Ｖ族、Ｉ−ＶＩ族半導体に３ｄ元素を１つまたは複数添加した強磁性半導体から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。
前記非磁性層と前記強磁性層の抵抗率の比は、０．２〜５であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。
前記非磁性層の抵抗率は、成膜温度、成膜圧力、成膜速度、基板バイアス電圧のうち、１つまたは複数を組み合わせることにより、前記強磁性層との比が０．２〜０．５となっていることを特徴とする請求項９に記載の磁気記録デバイス。
前記強磁性層は、形状磁気異方性、一軸結晶磁気異方性および、磁場中成膜、磁場中アニール、斜め蒸着による誘導磁気異方性のうち、１つまたは複数を組み合わせることにより、前記非磁性層のスピン軌道相互作用により注入されるスピン流の量子化軸と平行な磁化容易軸を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録デバイス。