JP3818276B2 - スピン注入素子及びそれを用いた磁気装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スピン注入素子及びそれを用いた磁気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属や半導体に外部磁界を印加したときに、その抵抗が変化する磁気抵抗効果は、磁気ヘッドや磁気センサなどに使用されている。
磁気抵抗効果を大きくするために、強磁性層／非磁性金属層／強磁性層からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子が開発されている。ＧＭＲは界面でのスピン依存散乱を起因としており、外部磁場によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行又は反平行に制御することにより、その抵抗が互いに異なる。
【０００３】
ＧＭＲ素子はすでに磁気センサーやハードデイスク装置の再生ヘッドなどに実用化されている。この場合、電流は膜面内に流しており、このＧＭＲはＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲと呼ばれている。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子は通常、一方の強磁性体に反強磁性体を近接させ、その強磁性体のスピンを固定するスピンバルブ型と呼ばれる素子が使用されている。一方、膜面に垂直に電流を流すＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲと呼ばれるＧＭＲ素子も知られている。
【０００４】
より大きな磁気抵抗を得るために、トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子があり、強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子及びスピン注入素子が注目されている。近年、これらのトンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子が、新しい磁界センサや不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）のメモリ素子として注目されている。
【０００５】
従来のＭＴＪ素子では、強磁性層／絶縁体層／強磁性層の順に積層した積層構造からなる強磁性スピントンネル接合を有している。
外部磁界によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が室温で得られる（非特許文献１参照）。このトンネル接合におけるＴＭＲは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれ、Ｐ₁ ，Ｐ₂ とすると、一般に下記式で与えられることが知られている（非特許文献２参照）。
ＴＭＲ＝２Ｐ₁ Ｐ₂ ／（１−Ｐ₁ Ｐ₂ ）
ここで、強磁性層のスピン分極率Ｐは、０＜Ｐ≦１の値をとる（非特許文献３参照）。現在、ＭＴＪ素子において、室温で得られているＴＭＲの最大値は、スピン分極率が約０．５のＣｏＦｅ合金を用いたときの約５０％である（非特許文献４参照）。
【０００６】
ＭＴＪ素子は、ハードディスク用読み出しヘッドやＭＲＡＭへの応用が期待されている。ＭＲＡＭではＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで，各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行及び反平行に制御することにより、１，０を記録させる。読み出しはＴＭＲ効果を利用して行う。
【０００７】
一方、強磁性体から非磁性金属に電流を流すと、非磁性金属の長さがスピン拡散長より十分短い場合には、非磁性金属中にスピンが溜まること、すなわち、スピン蓄積が知られている。このように、強磁性体から非磁性金属に電流を流すことをスピン注入という。これは、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が違う）をもつため、強磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極電子が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因していることが報告されている（非特許文献５参照）。
【０００８】
このスピン注入が生じる強磁性金属／非磁性金属からなる系において、この非磁性金属に接して第２の強磁性体を配置すると、非磁性金属にスピンが溜まっている場合、非磁性金属と第２の強磁性金属の間に電圧が誘起される。この電圧は、第１の強磁性体と第２の強磁性体の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することで、電圧の極性が正と負に反転することが報告されている。そして、この原理を利用したスピントランジスタが提案されている（非特許文献参照６）。
【０００９】
従来のスピン注入を用いたスピントランジスタにおいては、強磁性金属と非磁性金属からなる系の各々の電極は、スピン注入に対する固有の抵抗（以下、適宜スピン注入抵抗と呼ぶ）を有している。
各電極の断面積が同じで、後述するが、異種の金属が接触した界面に生じる接触抵抗Ｒ_C が無視できる場合には、非磁性導電体のスピン注入抵抗Ｒ_N は強磁性体のスピン注入抵抗Ｒ_F の約１０倍程度となり、Ｒ_F ≪Ｒ_N である。
このようなスピン注入抵抗の違いは、スピン注入における抵抗ミスマッチと呼ばれている。金属系接合における抵抗ミスマッチは主にスピン拡散長の大きな違いからきている。抵抗ミスマッチが大きい電極を金属接触の接合に用いると、抵抗ミスマッチはスピン注入効率を著しく阻害する。これはスピン注入抵抗が小さい強磁性金属から抵抗の大きい非磁性金属へスピン注入を行うために起こる。このようなスピン注入に対する抵抗ミスマッチの阻害要因は、電極間にトンネル障壁を挿入することで解消されることが知られている。
【００１０】
このようなスピン注入に伴う抵抗ミスマッチのないトンネル障壁を用いたトンネル磁気抵抗素子として、スピン注入素子が提案されている（非特許文献４参照）。
図９は従来のスピン注入素子の構成と動作原理を説明する断面図である。図９に示すように、従来のスピン注入素子５０は、スピン注入をさせる第１のトンネル接合５１と、スピン電流による電圧を検出する第２のトンネル接合５２とがスピン拡散長Ｌｓよりも短い間隔Ｌで、共通の電極となる非磁性金属５３上に配設されている。第１のトンネル接合５１は、非磁性金属５３上に絶縁体５４と第１の強磁性体５５とが順次積層された構造からなり、第２のトンネル接合５２は、非磁性金属５３上に絶縁体５４と第２の強磁性体５６とが順次積層された構造からなっている。直流電源５８は、第１のトンネル接合５１の非磁性金属５３側を正とし、強磁性体５５側を負とするように印加され、このとき第１のトンネル接合に流れる電流がＩである。一方、電圧検出側の第２のトンネル接合の強磁性体５６と、非磁性金属５３には、電圧計５９が接続されている。
【００１１】
図１０は図９の平面図であり、基板５７上にスピン注入素子５０が配設されている。そして、外部磁界６０が基板５７の面内に平行に印加されている。この外部磁界６０が印加されたときに、第１のトンネル接合５１の強磁性体５５と、第２のトンネル接合５２の強磁性体８に生じる磁化が、それぞれ、磁化６１、磁化６２である。図示するように、第１のトンネル接合５１と第２のトンネル接合５２と非磁性金属５３のパターンの長辺は、それぞれ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３であり、短辺は、それぞれＷ１，Ｗ２，Ｗ３である。
【００１２】
次に、上記の従来のスピン注入素子の動作について説明する。従来のスピン注入素子５０の第１のトンネル接合５１に直流電源５８を印加して、トンネル電子によりスピンを注入する。このスピン注入されたスピン電流（図５のＩ_S ）は、スピン拡散長よりも短い距離Ｌにある第２のトンネル接合５２と電圧計５９の接続された閉回路に流れる。それに伴う誘起電圧が、第２のトンネル接合５２における強磁性金属５６と非磁性金属体５３に接続した電圧計５９により検出される。ここで、二つのトンネル接合５１，５２に用いられる強磁性体５５，５６の磁化６２，６３が、互いに平行及び反平行になるように外部磁界６０を制御することで、誘起電圧の符号を変えることができるために、電圧検出が容易となる。このため、従来のスピン注入素子は、雑音に強いトンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子として期待されている。
【００１３】
【非特許文献１】
T. Miyazaki et. al, "Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions", 1995, J. Magn. Magn. Mater., Springer, Vol. 151, p.403
【非特許文献２】
M. Julliere, "Tunneling between ferromagnetic films", 1975, Phys. Lett., Vol. 54A, p.225
【非特許文献３】
J.Bass and Pratt Jr.," Current-perpendicular (CCP) magnetresistance in magnetic metallic multilayers",1999, J.Magn. Magn. Mater., Vol.200, pp.274-278
【非特許文献４】
J.S.Moodera and G.Mathon, "Spin polarized tunneling in ferromagnetic junctions", 1999, J.Magn. Magn. Mater., Vol.200, pp.274-278
【非特許文献５】
M. Johnson et. al,"Ｉnterfacial Charge-Spin Coupling: Injectionand Detection of Spin Magnetism in Metal", 1985, Phys. Rev. Lett., American Physical Soceiety, Vol. 55, p.1790
【非特許文献６】
M. Johnson et. al, "Spin Accumulation",1993, Phys. Rev. Lett., American Physical Soceiety, Vol. 70, p.2142
【非特許文献７】
F. E. Jedema 他４名, "Electrical detection of spin precessionin a metallic mesoscopic spin valve", 2002, Ｎature, Vol. 416, p.713-715
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスピン注入素子の第２のトンネル接合５２で検出される出力抵抗Ｒ_S は、下式で測定される。
Ｒ_S ＝（Ｖ_AP−Ｖ_P ）／Ｉ_S ＝Ｖ_S ／Ｉ_S
ここで、Ｖ_AP及びＶ_P はそれぞれ、二つのトンネル接合の強磁性層５５，５６の磁化が反平行及び平行のときの誘起電圧である。そしてＶ_S ＝Ｖ_AP−Ｖ_P であり、Ｉ_S は第２のトンネル接合５２を流れる電流である。
従来のスピン注入素子においては、共通電極である非磁性金属５３の抵抗が小さいことと、第２のトンネル接合５２の構造が非磁性金属と絶縁体と強磁性体とが順次積層された構造であるために、検出される出力抵抗Ｒ_S が１０ｍΩ以下と小さく、実用上十分大きな信号電圧が得られないという課題がある。
【００１５】
また、従来の平面内に配置した（プレーナ型）スピン注入素子においては、スピン注入だけでは磁化反転はできず、外部磁界が必要であった。このため、外部磁界を印加しないで、第１の接合からのスピン注入だけで第２の接合側を磁化反転するという素子機能は実現されていないという課題がある。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑み、スピン注入効率を高めることでスピン注入磁化反転が可能である新規なスピン注入素子及びそれを用いた磁気装置を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、スピン注入素子において、スピン注入電極及びスピン電流を検出する電極の理論研究を行い、共通電極となる非磁性導電体上の平面内に配置した二つの磁性素子（以下、適宜、接合と呼ぶ）の一方をスピン注入源とし、それによって他方の磁性素子のスピンを反転させる、即ち、スピン注入磁化反転ができる新規なスピン注入素子に関する本発明を完成するに至った。
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明のスピン注入素子は、非磁性導電体を共通の電極とし他方の電極を強磁性体とするトンネル接合を有する第１の接合と、非磁性導電体を共通の電極とし他方の電極を強磁性体とする第２の接合と、を備え、第１の接合及び第２の接合が、非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、第１の接合は強磁性体から非磁性導電体にスピンを注入するトンネル接合であり、第２の接合の強磁性体は注入されたスピン電流の吸収体であり、第１の接合を通して非磁性導電体に注入されたスピン電流によって、第２の接合の強磁性体の磁化を反転させることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第２の接合の強磁性体のスピン注入抵抗が、非磁性導電体のスピン注入抵抗よりも十分小さい。
また、第２の接合が、強磁性体と非磁性体と強磁性体とがこれらの順に積層された３層構造からなり、二つの強磁性体は上記非磁性体を介して反強磁性的に結合している。
【００１９】
上記構成によれば、トンネル接合を有する第１の接合から非磁性導電体に注入されるスピン電流が、第２の接合の強磁性体に効率よく吸収されるので、従来のスピン注入素子に比べて第２の接合の強磁性体の磁化を効率よく反転させることができる。
また、第２の接合は、強磁性体を有するトンネル接合やＣＰＰ−ＧＭＲ構造の磁気抵抗効果素子であるので、スピン注入磁化反転を感度よく検出することができる。
【００２０】
また、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置は、上記構成のスピン注入素子における第２の接合の強磁性体の磁化反転を検出するための素子が設けられていることを特徴とする。上記磁化反転を検出する素子は、好ましくは、トンネル磁気抵抗効果を利用する素子である。また、磁化反転を検出する素子は、好ましくは、ＣＰＰ−ＧＭＲ効果を利用する素子である。また、好ましくは、上記構成のスピン注入素子を用いた磁気装置がメモリである。この構成によれば、本発明のスピン注入素子は、スピン注入効率を高めると共に、大きな信号電圧が得られるので、高感度の磁界センサ、高感度磁気ヘッド、信号電圧の大きい大容量ＭＲＡＭなどの磁気装置を提供することができる。
【００２１】
また、本発明のスピン注入素子は、非磁性導電体を共通の電極とし、非磁性導電体上に他方の電極となる第１の強磁性体と第２の強磁性体とを備え、第１の強磁性体及び第２の強磁性体が、非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、第１の強磁性体から非磁性導電体にスピン電流を注入し、第２の強磁性体は注入されたスピン電流の吸収体であり、第１の強磁性体のスピン注入抵抗が非磁性導電体のスピン注入抵抗と同程度あるいはそれ以上であることを特徴とする。
上記第２の磁性体は、好ましくは、強磁性体と非磁性体と強磁性体がこれらの順に積層された３層構造からなり、二つの強磁性体は非磁性体を介して反強磁性的に結合している。
また、第２の強磁性体のスピン注入抵抗は、好ましくは、非磁性導電体のスピン注入抵抗よりも十分小さい。また、好ましくは、第１の強磁性体から非磁性導電体に注入されたスピン電流によって、第２の強磁性体の磁化を反転させる。また、好ましくは、第１の強磁性体はハーフメタルである。
【００２２】
上記構成によれば、本発明のスピン注入素子は、第１の強磁性体のスピン注入抵抗が非磁性導電体のスピン注入抵抗と同程度あるいはそれ以上であるので、第１の強磁性体から非磁性導電体へ効率よくスピン注入を行うことができ、かつ、非磁性導電体に注入されるスピン電流が、第２の接合の強磁性体に効率よく吸収されるので、従来のスピン注入素子に比べて第２の接合の強磁性体の磁化を効率よく反転させることができる。また、第２の接合は、強磁性体を有するトンネル接合やＣＰＰ−ＧＭＲ構造の磁気抵抗効果素子であるので、スピン注入磁化反転を感度よく検出することができる。
【００２３】
また、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置は、上記構成のスピン注入素子における第２の接合の強磁性体の磁化反転を検出するための素子が設けられていることを特徴とする。上記磁化反転を検出する素子は、好ましくは、トンネル磁気抵抗効果を利用する素子である。また、磁化反転を検出する素子は、好ましくは、ＣＰＰ−ＧＭＲ効果を利用する素子である。また、好ましくは、上記構成のスピン注入素子を用いた磁気装置がメモリである。この構成によれば、本発明のスピン注入素子は、低電流でスピン注入効率が高く、スピン注入素子磁化反転ができ、かつ、大きな信号電圧が得られるで、高感度の磁界センサ、高感度磁気ヘッド、信号電圧の大きい大容量ＭＲＡＭなどの磁気装置を提供することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面により詳細に説明する。各図において同一または対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明の第１の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。本発明のスピン注入素子１は、スピン注入をさせる第１の接合２と、スピン電流を検出する第２の接合３が、スピン拡散長Ｌｓよりも短い間隔Ｌで、共通の電極となる非磁性導電体４上に配設されている。第１の接合１は、非磁性導電体４上に、絶縁体５と、第１の強磁性体６と、が順次積層されたトンネル接合からなっている。第１の接合２はトンネル接合を介して、第１の強磁性体６から非磁性導電体４へスピンを注入する。
第２の接合３は、非磁性導電体４上に、第２の強磁性体７が積層された構造からなっている。第２の接合３は金属接触の接合であり、スピン注入により生じた非磁性導電体４中のスピンの流れ（スピン流）を第２の強磁性体７へ引き込む接合である。この第２の接合３の第２の強磁性体７は、後述するが、注入されたスピン流の吸収体として動作する。
直流電源９は、第１の接合２の非磁性導電体４を正とし、第１の強磁性体６側を負とするように印加され、このとき第１の接合２に流れる電流がＩである。一方、検出側の第２の接合３の第２の強磁性体７と非磁性導電体４には、電圧計１０が接続されている。
【００２５】
図２は図１の平面図であり、例えば、絶縁物で被覆された基板４１上に、本発明のスピン注入素子１が配設されている。図示するように、第１の接合２と第２の接合３と非磁性導電体４のパターンの長辺は、それぞれ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３であり、短辺は、それぞれＷ１，Ｗ２，Ｗ３である。また、図２には、第１の接合２からスピン注入されることにより第１の強磁性体６に生じる磁化４２と、第２の接合３に引き込まれたスピン流により第２の強磁性体７に生じる磁化４３が示されている。
ここで、本発明のスピン注入素子１０が従来のスピン注入素子５０と異なるのは、後述するが、外部磁場（図１０の６０参照）を用いないで、第１の接合２からスピン注入することで、第２の接合３の強磁性体７を磁化反転できることである。
【００２６】
図１のスピン注入素子１０の積層構造の各層の膜厚はナノメータサイズで形成されている。ここで、ナノメータサイズとは電子がその運動量とスピンを保存したまま伝導可能な膜厚を意味する。なお、金属の場合、電子の平均自由行程は１μｍ以下であり、この程度のサイズの素子ではスピンは緩和することなく他方に流れ込むことができる。
ここで、非磁性導電体４は、ＣｕまたはＡｌなどのスピン拡散長の長い非磁性金属を用いる。第１の強磁性体６はＮｉＦｅ（パーマロイ合金）やＣｏＦｅ等のスピン分極率の大きい強磁性金属を用いる。また、第２の強磁性金属７は、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等のスピン拡散長が非常に短い強磁性金属とする。また、絶縁体５は、Ａｌ酸化膜などを用いることができる。
【００２７】
次に、本発明のスピン注入素子の動作を説明する。最初にスピン注入抵抗について説明する。
第１の強磁性体６のスピン注入抵抗はＲ_F ＝ρ_F λ_F ／Ａ_F である。ここで、ρ_F は第１の強磁性体６の電気抵抗率、λ_F はスピン拡散長、Ａ_F はスピン伝導の方向に垂直なＦの断面積である。Ａ_F は、図２で示した素子パターンにおいては、Ａ_F ＝Ｗ１×Ｗ３である。
また、非磁性導電体４のスピン注入抵抗はＲ_N ＝ρ_N λ_N ／Ａ_N である。ここで、ρ_N は非磁性導電体４の電気抵抗率、λ_N はスピン拡散長、Ａ_N はスピン伝導の方向に垂直なＦの断面積である。Ａ_N は、図２で示した素子パターンにおいては、Ａ_N ＝Ｗ２×Ｗ３である。
【００２８】
また、異種の金属が接触した場合、その界面にはいわゆる接触抵抗Ｒ_C が生じる。これまでのＣＰＰ−ＧＭＲの研究の蓄積から種々の強磁性体と非磁性導電体の接触抵抗Ｒ_C の大きさが見積もられており、その面積あたりの大きさは、おおむねＡＲ_C 〜２×１０^-12 Ωｃｍ² である（非特許文献３参照）。この値は、非磁性導電体電極の面抵抗Ａ_N Ｒ_N ＝ρ_N λ_N 〜１０^{- 10}Ωｃｍ² に比べて約２桁小さいので、接触抵抗の寄与は一応無視して差し支えない。
以下では、Ｒ_C ≪Ｒ_N の場合の接合を金属接触接合と呼び、他方、接合抵抗がＲ_N より十分大きい場合はトンネル接合と呼ぶ。
【００２９】
非磁性導電体であるＣｕの電気抵抗率は、強磁性体であるＮｉＦｅやＦｅＣｏの電気抵抗率より約１０倍小さい。実際、低温での電気抵抗率は、ρ_Cu＝１．４μΩｃｍ、ρ_NiFe＝８μΩｃｍである（非特許文献７参照）。
これに対して、非磁性導電体であるＣｕのスピン拡散長は、強磁性体であるＮｉＦｅやＦｅＣｏのスピン拡散長より約１０0 倍大きい。Ｃｕ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏのスピン拡散長は、それぞれ、λ_Cu＝１０００ｎｍ（非特許文献７参照）、λ_NiFe＝５ｎｍ (非特許文献３参照）、λ_CoFe＝１２ｎｍ (非特許文献３参照）であることが報告されている。
従って、電極の断面積が同じ場合（Ａ_N ＝Ａ_F ）、強磁性体のスピン注入抵抗Ｒ_F は非磁性導電体のスピン注入抵抗Ｒ_N の約１／１０である（Ｒ_F ≪Ｒ_N ）。
【００３０】
次に、第１の接合２から注入されるスピン電流と、第２の接合３に注入されるスピン流について説明する。第１の接合２であるトンネル接合から注入されるスピン流はＩ_S （Ｆ１／Ｎ１）＝Ｐ₁ Ｉである。ここで、Ｐ₁ は、第１の強磁性体６のトンネル・スピン分極率、Ｉはトンネル接合２に印加されるバイアス電流である。注入されたスピン流は非磁性金属４に沿って拡散し、スピン拡散長λ_N （Ｃｕではλ_N 〜１μｍ）の範囲にわたってスピン流を生じる。非磁性導電体４中を流れるスピン流は、次の（１）式で与えられる。
【数１】

ただし、接合２の位置を原点とした。また、因子１／２は注入されたスピン流が非磁性導電体４の左右に等しい大きさで拡散することからきている。
【００３１】
いま、第１の強磁性体６と第２の強磁性体７との間隔をスピン拡散長より短くし、かつ非磁性導電体４と金属接触になるように第２の強磁性体７を設置すると、Ｒ_F ≪Ｒ_N であるために、非磁性導電体４中を流れてきたスピン流は金属接触接合である第２の接合３の界面を横切って第２の強磁性体７に流れ込むようになる。
【００３２】
また、金属接触接合である第２の接合３の界面を横切るスピン流の大きさは、次の（２）式で与えられる。
【数２】

ここで、ｐ_F ＝（ρ_F ↑−ρ_F ↓）／ρ_F が第１の強磁性体６のスピン流の分極率であり、ρ_F ↑とρ_F ↓は、それぞれ、アップスピン電子とダウンスピン電子に伴う抵抗率である。
【００３３】
この際、スピン注入抵抗で説明したように、接合２及び非磁性導電体４の各電極間のスピン注入抵抗に大きなミスマッチがある場合（Ｒ_F ≪Ｒ_N ）には、上記（２）式のスピン流の大きさは、次の（３）式で与えられる。
【数３】

この値は、（１）式のｘ＝Ｌの位置でのスピン流の大きさの２倍である。これは、第２の強磁性体７より右側にある非磁性導電体４のスピン流はほとんどゼロとなることである。即ち、Ｒ_F ≪Ｒ_N を満たす第２の強磁性体７と非磁性導電体４を金属接触させることにより、非磁性導電体４中を流れてきたスピン流が全て第２の強磁性体７の方に流れ出ていくと共に、第２の強磁性体７がスピン流を引き込む効果によりスピン流が最大２倍に増強されることを意味している。これから、金属接触接合におけるスピン注入抵抗のミスマッチは、強磁性金属から非磁性導電体へのスピン流の流れを阻害するが、逆に非磁性導電体から強磁性金属へのスピン流の流れを増強することが分かる。
【００３４】
図３は、非磁性金属４から第２の強磁性体７へ流れ込むスピン流Ｉ_S に対する第１の強磁性体６及び第２の強磁性体７の間隔（Ｌ）依存性を計算した結果を示す図である。図において、横軸は上記間隔（Ｌ）を非磁性導電体４のスピン拡散長（λ_N ）で規格した規格化距離を示し、縦軸は上記（２）式で表わされるスピン流をバイアス電流Ｉで規格した規格化スピン流を示している。
計算において、ｐ_F ＝０．７（非特許文献３参照）及びＰ１＝０．５（非特許文献４参照）という値を用いた。また、計算パラメータとしたスピン注入抵抗比Ｒ_F2／Ｒ_N1は、０．０２〜１とした。
ここで、強磁性体及び非磁性導電体が同じ面積であり、かつ、非磁性導電体がＣｕで、強磁性体がＣｏＦｅ、Ｃｏの場合のスピン注入抵抗比Ｒ_F2／Ｒ_N1は、それぞれ、０．１、０．５である（抵抗率、スピン拡散長データは、非特許文献３の参照）。
図３から明らかなように、スピン注入抵抗比Ｒ_F2／Ｒ_N1の値が小さくなるほど、第２の強磁性体７へ流れ込むスピン流が増大することが分かる。
非磁性導電体４としてスピン拡散長の長いＣｕを用い、第２の強磁性体７としてスピン拡散長の短いＮｉＦｅやＣｏＦｅを用いると、第２の強磁性体７はスピン流に対して強力な吸収体（シンク：ｓｉｎｋ）として働くようになり、スピン流が非磁性導電体４から第２の強磁性体７へ勢いよく流れ込むようになる。このスピン流によって運ばれた角運動量の横成分が、第２の強磁性体７に遷移（ｔｒａｎｓｆｅｒ）されることにより、第２の強磁性体７にトルクが働き磁化の反転が生じる（図２参照）。
【００３５】
これにより、第１の強磁性体６及び第２の強磁性体７は、反強磁性配列から強磁性配列に変化する。第１の接合２に印加するバイアス電流を逆に流せば、上記と逆の現象が起こるため強磁性配列から反強磁性配列に戻すことができる。このようにしてスピン注入により、第１の強磁性体６及び第２の強磁性体７の磁化反転ができる。したがって、本発明のスピン注入素子においては、従来のスピン注入素子で必要であった磁化反転のための外部磁場が不要となる。
このように、本発明のスピン注入デバイスは、スピン流が効率よく第２の接合３に吸収されることで、第２の接合の電極である強磁性体７の磁化反転を効率よく発現できる。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。第２の実施形態のスピン注入素子２０が、図１に示す第１の実施形態のスピン注入素子１と異なるのは、第２の接合１０である。第２の接合１０は、非磁性導電体４上に、第２の強磁性体７と絶縁体１１と第３の強磁性体８が順次積層された構造からなっている。ここで、絶縁体１１は、Ａｌ酸化膜などを用いることができる。
第２のトンネル接合１０は、トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子であり、第２の強磁性体７の磁化反転がトンネル磁気抵抗により検出されるので、スピン流を高感度で検出できる。これにより、本発明のスピン注入素子は、より小さなスピン注入電流で第２の強磁性体７の磁化反転が可能になり、出力電圧の大きいスピン注入素子が得られる。また、低磁界で非常に大きな出力電圧が得られるので、従来のスピン注入素子よりもはるかに微細化が可能である。
【００３７】
図５は、本発明の第３の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。第３の実施形態のスピン注入素子２５が、図１に示す第１の実施形態のスピン注入素子１と異なるのは、第２の接合１５である。第２の接合１５は、非磁性導電体４上に、第２の強磁性体７と非磁性体１３と第３の強磁性体８が順次積層された構造からなっている。
第２の強磁性体７と第３の強磁性体８は、非磁性体１２を介して反強磁性的に結合している、所謂ＣＰＰ型の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）であるので、スピン流を高感度で検出できる。
ここで、非磁性体１３として、非磁性金属や非磁性半導体が利用可能である。具体的には、非磁性体１３として、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）のうちの一種又は二種以上を用いることができる。二種以上を用いるときは積層した結合体としてもよいし、合金としてもよい。さらにＦｅＳｉ合金や半導体のＳｉが利用可能である。これにより、小さなスピン注入電流で第２の強磁性体７と第３の強磁性体８の磁化反転が可能になり、出力電圧の大きいスピン注入素子が得られる。
【００３８】
図６は、本発明の第４の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。第４の実施形態のスピン注入素子３０が、図１に示す第１の実施形態のスピン注入素子１と異なるのは、第２の接合２２である。第２の接合２２は、非磁性導電体４上に、第２の強磁性体７と非磁性体１３と第３の強磁性体８と絶縁体１１と第４の強磁性体１４が順次積層されたトンネル接合からなっているので、スピン流を高感度で検出できる。これにより、小さなスピン注入電流で第２の強磁性体７と第４の強磁性体１４との磁化反転が可能になり、出力電圧の大きいスピン注入素子が得られる。
【００３９】
図７は、本発明の第５の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。図７に示す第５の実施形態のスピン注入素子３５が図４に示す第２の実施形態のスピン注入素子２０と異なるのは、第１の接合２４を第１の強磁性体７とした点である。この構成においては、第１の強磁性体７から直接、非磁性導電体４にスピン注入を行い、それによって生じた第２の強磁性体７の磁化反転を第２の接合であるトンネル接合１０を介して検出する。
【００４０】
ここで、第１の強磁性体７のスピン注入抵抗Ｒ_F は、非磁性金属のスピン注入抵抗Ｒ_N と同程度かそれ以上（Ｒ_F ≧Ｒ_N ）として、スピン注入抵抗Ｒ_F 及びスピン注入抵抗Ｒ_N 間のミスマッチを解消している。通常の強磁性体では同一面積の場合には、Ｒ_N 〜１０Ｒ_F であり、Ｒ_N がＲ_F が小さいが、第１の強磁性体７のスピン注入抵抗Ｒ_F をＲ_F ≧Ｒ_N とするために、材料の抵抗率、電極面積、厚さなどを変えればよい。
また、Ｒ_F ≧Ｒ_N とするためには、強磁性体材料として比抵抗率及びスピン分極率の大きいハーフメタルを用いることができる。ハーフメタルは、理論的にはスピン分極率Ｐが１の強磁性体である。このようなハーフメタルとしては、ＮｉＭｎＳｂなどのハーフホイスラー合金、Ｃｏ₂ ＭｎＧｅ，Ｃｏ₂ Ｆｅ_x Ｃｒ_1-x Ａｌなどのフルホイスラー合金が使用できる。
ここで、第２の接合１０は、他の実施形態で用いた第２の接合２５，２２を用いてもよい。
これにより、第１の接合に金属接触接合として、強磁性体またはハーフメタルを使用してもスピン注入効率を向上させ、さらに、より小さなスピン電流で第２の接合に用いる強磁性体の磁化反転が可能になる。
【００４１】
次に、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置に係る実施の形態を示す。
図１乃至図７に示すように、本発明のスピン注入素子は、スピン注入を効率よくでき、磁化反転を制御でき、かつ、スピン流を高感度で検出できる。本発明のスピン注入素子は、大きな出力電圧が得られ、磁気抵抗センサとして用いれば、感度の高い磁気素子を得ることができる。また、本発明のスピン注入素子は、低電流において大きな出力電圧が得られ、感度の高い読み出し用の磁気装置である磁気ヘッドを構成することができる。
さらに、スピン注入素子を用いた磁気装置において、スピン注入素子における第２の接合の強磁性体の磁化反転を検出するための素子をさらに設けてもよい。このような検出素子は、トンネル磁気抵抗効果やＣＰＰ−ＧＭＲ効果を利用する素子であればよい。これらの検出素子にさらに増幅器を接続してもよい。
【００４２】
図８は、本発明のスピン注入デバイスを用いた不揮発性磁気メモリの概略構成を示す、（ａ）斜視図と（ｂ）メモリセルの断面図である。本発明のスピン注入デバイスを用いた不揮発性磁気メモリ４０は、例えば、絶縁物で被覆された基板４１上に、メモリセルとなるスピン注入素子２０をマトリックス状に配置して構成されている。各スピン注入素子２０の第１の接合２は、それぞれ、ワードライン（ＷＬ）４６に接続されている。スピン流を検出する第２の接合１０は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）であり、その上部電極である第２の強磁性体がビットライン（ＢＬ）４７に接続されている。非磁性導電体４は、各列毎に電極４８で接続されている。
書き込みはワードライン４６に電流を流し、第１の接合２からのスピン注入で行う。そして、読み出しはビットライン４７に接続される第２のトンネル接合１０（ＴＭＲ）から電圧Ｖを測定する。上記の書き込みによる磁化反転を１、０として記録させることで、磁気メモリ、ＭＲＡＭなどの磁気装置を構成することができる。これにより、本発明のスピン注入を用いた磁気装置においては、外部磁界無しにスピン注入で磁化反転させることで大きな出力電圧が得られる。また、外部磁界を印加する配線が不要ないので、従来のスピン注入素子よりもはるかに微細化が可能であり、ＭＲＡＭなどのメモリ用の磁気装置の大容量化が達成できる。
【００４３】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施例では、スピン注入素子を構成する強磁性体や非磁性導電体などの材料として種々の例を示したが、他の材料を適用し得ることは勿論である。また、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置は、磁気抵抗センサ、ＭＲＡＭ、磁気ヘッドについて説明したが、他の磁気装置などに適用し得ることは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のスピン注入素子によれば、スピン注入による磁化反転が可能となる。また、本発明のスピン注入素子は、外部磁界が不要で、大きな出力電圧が得られるので、従来のスピン注入素子よりもはるかに微細化が可能である。
【００４５】
さらに、このスピン注入素子は、磁気装置に使用することで新規な磁気装置を提供することができる。このスピン注入素子を磁気装置に使用すれば、高感度磁気ヘッドや信号電圧の大きいＭＲＡＭを実現できるほか、各種高感度の磁界センサなどが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】非磁性金属から第２の強磁性体へ流れ込むスピン流Ｉ_S に対する第１の強磁性体及び第２の強磁性体の間隔（Ｌ）依存性を計算した結果を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明に係る第３の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明に係る第４の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明に係る第５の実施形態のスピン注入素子の構成と動作原理を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明のスピン注入デバイスを用いた不揮発性磁気メモリの概略構成を示す、（ａ）斜視図と（ｂ）メモリセルの断面図である。
【図９】従来のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。
【図１０】図９の平面図である。
【符号の説明】
１，２０，２５，３０，３５ スピン注入素子
２，２４ 第１の接合
３，１０，１５，２２ 第２の接合
４ 非磁性導電体
５，１１ 絶縁体
６ 第１の強磁性体
７ 第２の強磁性体
８ 第３の強磁性体
９ 直流電源
１２ 電圧計
１３ 非磁性体
１４ 第４の強磁性体
４０ スピン注入素子を用いた不揮発性磁気メモリ
４１ 基板
４２ 第１の接合に生じる磁化
４３ 第２の接合に生じる磁化
４６ ワードライン
４７ ビットライン
４８ 電極

Claims (16)

1. 非磁性導電体を共通の電極とし他方の電極を強磁性体とするトンネル接合を有する第１の接合と、上記非磁性導電体を共通の電極とし他方の電極を強磁性体とする第２の接合と、を備え、
   上記第１の接合及び上記第２の接合が、上記非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、
   上記第１の接合は上記強磁性体から上記非磁性導電体にスピンを注入するトンネル接合であり、
   上記第２の接合の強磁性体は注入されたスピン電流の吸収体であり、
   上記第１の接合を通して上記非磁性導電体に注入されたスピン電流によって、上記第２の接合の強磁性体の磁化を反転させることを特徴とする、スピン注入素子。
2. 前記第２の接合の強磁性体のスピン注入抵抗が、前記非磁性導電体のスピン注入抵抗よりも十分小さいことを特徴とする、請求項１に記載のスピン注入素子。
3. 前記第２の接合が、強磁性体と非磁性体と強磁性体とがこれらの順に積層された３層構造からなり、上記二つの強磁性体は上記非磁性体を介して反強磁性的に結合していることを特徴とする、請求項１または２に記載のスピン注入素子。
4. スピン注入素子を用いた磁気装置において、
   請求項１〜３の何れかに記載のスピン注入素子における第２の接合の強磁性体の磁化反転を検出するための素子が設けられていることを特徴とする、スピン注入素子を用いた磁気装置。
5. 前記磁化反転を検出する素子は、トンネル磁気抵抗効果を利用する素子であることを特徴とする、請求項４に記載のスピン注入素子を用いた磁気装置。
6. 前記磁化反転を検出する素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ効果を利用する素子であることを特徴とする、請求項４に記載のスピン注入素子を用いた磁気装置。
7. 請求項３〜６に記載のスピン注入素子を用いた磁気装置がメモリであることを特徴とする、スピン注入素子を用いた磁気装置。
8. 非磁性導電体を共通の電極とし、該非磁性導電体上に他方の電極となる第１の強磁性体と第２の強磁性体とを備え、
   該第１の強磁性体及び第２の強磁性体が、上記非磁性導電体のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、
   上記第１の強磁性体から上記非磁性導電体にスピン電流を注入し、
   上記第２の強磁性体は注入されたスピン電流の吸収体であり、
   上記第１の強磁性体のスピン注入抵抗が非磁性導電体のスピン注入抵抗と同程度あるいはそれ以上であることを特徴とする、スピン注入素子。
9. 前記第２の強磁性体が、強磁性体と非磁性体と強磁性体とがこれらの順に積層された３層構造からなり、上記二つの強磁性体は上記非磁性体を介して反強磁性的に結合していることを特徴とする、請求項８に記載のスピン注入素子。
10. 前記第２の強磁性体のスピン注入抵抗が前記非磁性導電体のスピン注入抵抗よりも十分小さいことを特徴とする、請求項８または９に記載のスピン注入素子。
11. 前記第１の強磁性体から前記非磁性導電体に注入されたスピン電流によって、前記第２の強磁性体の磁化を反転させることを特徴とする、請求項８〜１０の何れかに記載のスピン注入素子。
12. 前記第１の強磁性体は、ハーフメタルであることを特徴とする、請求項８または１１に記載のスピン注入素子。
13. スピン注入素子を用いた磁気装置において、
    請求項８〜１２の何れかに記載のスピン注入素子における第２の接合の強磁性体の磁化反転を検出するための素子が設けられていることを特徴とする、スピン注入素子を用いた磁気装置。
14. 前記磁化反転を検出する素子は、トンネル磁気抵抗効果を利用する素子であることを特徴とする、請求項１３に記載のスピン注入素子を用いた磁気装置。
15. 前記磁化反転を検出する素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ効果を利用する素子であることを特徴とする、請求項１３に記載のスピン注入素子を用いた磁気装置。
16. 請求項１３〜１５に記載のスピン注入素子を用いた磁気装置がメモリであることを特徴とする、スピン注入素子を用いた磁気装置。

Images