JP5398921B2 - スピンデバイス、その動作方法およびその製造方法 - Google Patents

スピンデバイス、その動作方法およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、グラフェンへのスピンの伝送により機能するスピンデバイスに関する。また、本発明は、当該スピンデバイスの動作方法および製造方法に関する。
炭素（Ｃ）からなる物質の構造は、ダイヤモンドはもちろん、シート、ナノチューブ、およびホーンからＣ６０フラーレンのようなボールに至るまで、非常に多彩である。さらにその物性は、その形状以上にバラエティーに富んでいる。この豊かな物性のバリエーションは、当該物質の応用に関する精力的な研究開発を推進させる。炭素からなる物質の一つにカーボン薄膜がある。そのうち、一層または数層の、層内でｓｐ２結合した炭素原子層により構成されるカーボン薄膜はグラフェンと呼ばれる。グラフェンは２００４年にその単離が実現した物質であり、２次元系半金属としての特異な物性が次々に明らかにされつつある（Science, vol.306, pp.666-669 (2004)）。
グラフェンは、直線的なバンド分散を持つπバンドがフェルミエネルギー上で交差する特異なバンドを有する。このため、グラフェンには、ケイ素（Ｓｉ）の１０倍以上の高いキャリア（電子および正孔）移動度が期待される。グラフェンの使用により、高速かつ低消費の電子デバイスが実現する可能性がある。これに加えて、グラフェンは、その導電性に関して形状に基づく効果を有する。特開2009-182173号公報には、キャリアの走行方向に垂直な方向のグラフェンの幅を数ナノメートルから数十ナノメートルとすることによって、当該幅を持つ区間のグラフェンに１次元の量子閉じ込め効果が発現すること、この効果に基づき、当該区間のグラフェンがサブｅＶから数ｅＶ程度のエネルギーギャップを有する半導体として利用できることが開示されている。
グラフェンは、スピンデバイスとしての活用も期待されている。電子のスピンをキャリアに用いるスピンデバイスでは、スピンを伝送する（スピン流が流れる）媒体（チャネル）におけるスピン散乱が小さいことが望まれるためである。スピン散乱の主要因であるスピン軌道相互作用は、原子番号の大きさに依存する。グラフェン中で生じるスピン散乱は、Ｓｉおよびガリウムヒ素のような材料中で生じるスピン散乱に比べて極めて小さい。Advanced Functional Materials, vol.19, pp.3711-3716 (2009)には、グラフェンを用いたスピンデバイスの一例が開示されている。
特開2009-182173号公報
Science, vol.306, pp.666-669 (2004) Advanced Functional Materials, vol.19, pp.3711-3716 (2009)
本発明は、グラフェンを用いたスピンデバイスであって、従来よりもスピン流の伝送効率および検出感度が高く、かつ高密度化しうるスピンデバイスの提供を目的とする。
本発明のスピンデバイスは：グラフェンと；前記グラフェンに電気的に接した状態で、当該グラフェンを挟持するように配置された第１の強磁性電極および第２の電極と；前記第１の強磁性電極および前記第２の電極に対して離間した位置に、前記グラフェンに電気的に接した状態で、かつ当該グラフェンを挟持するように配置された第３の強磁性電極および第４の電極と；前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加する電流印加機構と；前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記第３の強磁性電極および前記第４の電極に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、当該第３の強磁性電極および当該第４の電極を介して電圧信号として検出する電圧信号検出機構と；を備える。前記第１の強磁性電極と前記第３の強磁性電極とは、前記グラフェンの同じ面上に配置されている。前記第２の電極および前記第４の電極は、非磁性電極または強磁性電極である。
本発明によれば、グラフェンを用いたスピンデバイスであって、従来よりもスピン流の伝送効率および検出感度が高く、かつ高密度化しうるスピンデバイスが得られる。
本発明のスピンデバイスの一例を模式的に示す斜視図である。 図１に示すスピンデバイスの断面を模式的に示す図である。 図２Ａに示す断面における電流の分布とスピン流の分布とを示す模式図である。 図１に示すスピンデバイスの上面を模式的に示す平面図である。 本発明のスピンデバイスの別の一例を模式的に示す平面図である。 本発明のスピンデバイスのまた別の一例を模式的に示す平面図である。 本発明のスピンデバイスのさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 グラフェンの反対側の面から見た、図６に示すスピンデバイスを模式的に示す平面図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図６に示すスピンデバイスの断面を模式的に示す図である。 図６に示すスピンデバイスの動作方法の一例に対応するフローチャートを示す図である。 図８に示すスピンデバイスの動作方法の一例に対応するフローチャートを示す図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す図である。 図１２に示すスピンデバイスの動作方法の一例に対応するフローチャートを示す図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す図である。 図１６に示すスピンデバイスを応用した磁気センサーの一例を模式的に示す図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す図である。 本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。 本発明のスピンデバイスの上記とは別の一例を模式的に示す断面図である。 従来のスピンデバイスの一例およびその動作を模式的に示す平面図である。 図２２に示す従来のスピンデバイスの断面を模式的に示す図である。 図２３Ａに示す断面における電流の分布とスピン流の分布とを示す模式図である。
本開示の第１態様は、グラフェンと；前記グラフェンに電気的に接した状態で、当該グラフェンを挟持するように配置された第１の強磁性電極および第２の電極と；前記第１の強磁性電極および前記第２の電極に対して離間した位置に、前記グラフェンに電気的に接した状態で、かつ当該グラフェンを挟持するように配置された第３の強磁性電極および第４の電極と；前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加する電流印加機構と；前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記第３の強磁性電極および前記第４の電極に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、当該第３の強磁性電極および当該第４の電極を介して電圧信号として検出する電圧信号検出機構と；を備え、前記第１の強磁性電極と前記第３の強磁性電極とは、前記グラフェンの同じ面上に配置されており、前記第２の電極および前記第４の電極は、非磁性電極または強磁性電極であるスピンデバイスを提供する。
第２態様は、第１態様に加え、前記第２の電極および前記第４の電極が非磁性電極であるスピンデバイスを提供する。
第３態様は、第１または第２態様に加え、前記グラフェンが当該グラフェンの主面に垂直な方向から見て網目の形状を有し；前記網目の格子点に前記第１の強磁性電極および前記第２の電極が配置され；当該第１の強磁性電極と当該第２の電極との間への前記電流の印加によって生じるスピン蓄積の範囲内に存在する他の２以上の格子点に、それぞれ前記第３の強磁性電極および前記第４の電極が配置されているスピンデバイスを提供する。
第４態様は、第１〜第３態様のいずれか１つに加え、前記第１の強磁性電極、前記第２の電極、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極が配置された、２以上の前記グラフェンが積層された構造を有し；前記電流印加機構が、異なる前記グラフェンに配置された、前記第１の強磁性電極および前記第２の電極の２以上の対に一括して前記電流を印加する回路を備えるスピンデバイスを提供する。
第５態様は、第１〜第４態様のいずれか１つに加え、前記第１の強磁性電極、前記第２の電極、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極が配置された、２以上の前記グラフェンが積層された構造を有し；前記電圧信号検出機構が、異なる前記グラフェンに配置された、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対を介して、前記グラフェンにおける前記対に挟持された部分に生じる前記スピン蓄積情報を一括して検出する回路を備えるスピンデバイスを提供する。
第６態様は、第１〜第５態様のいずれか１つに加え、前記第１の強磁性電極がトンネル絶縁層と強磁性層とを有し、前記トンネル絶縁層が前記グラフェンに接しているスピンデバイスを提供する。
第７態様は、第１〜第５態様のいずれか１つに加え、前記第１の強磁性電極が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造を有するスピンデバイスを提供する。
第８態様は、第１〜第５態様のいずれか１つに加え、前記第１の強磁性電極が、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）構造を有するスピンデバイスを提供する。
第９態様は、第１〜第８態様のいずれか１つにより提供されるスピンデバイスの動作方法であって：前記電流印加機構により、前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加し；前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記第３の強磁性電極および前記第４の電極に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、当該第３の強磁性電極および当該第４の電極を介して電圧信号として検出する；スピンデバイスの動作方法を提供する。
第１０態様は、第９態様に加え、前記グラフェンに、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対が配置されており；前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記２以上の対に挟持された部分に生じる各々のスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、順にまたは一括で検出する、スピンデバイスの動作方法を提供する。
第１１態様は、第９または第１０態様に加え、前記グラフェンに、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対が配置されており；前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける少なくとも１つの前記対に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、前記電圧信号として検出し、前記検出した電圧信号に応じて、以降の信号処理をスイッチする、スピンデバイスの動作方法を提供する。
第１２態様は、第９〜第１１態様のいずれか１つに加え、前記第１の強磁性電極が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）構造を有し；前記グラフェンに、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対が配置されており；前記第１の強磁性電極の磁化状態を、前記ＧＭＲ構造または前記ＴＭＲ構造に基づく磁気抵抗効果により読み出し；前記読み出した前記第１の強磁性電極の磁化状態に応じて、当該第１の強磁性電極の磁化状態を保つか、または当該第１の強磁性電極と前記第２の電極との間にスイッチ電流を印加することによって当該第１の強磁性電極の磁化状態を変化させ；前記電流印加機構により、前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加し；前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記２以上の対に挟持された部分に生じる各々のスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、順にまたは一括で検出する、スピンデバイスの動作方法を提供する。
第１３態様は、第１〜第８態様のいずれか１つにより提供されるスピンデバイスの製造方法であって、互いに離間して配置された前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極の上に、双方の前記強磁性電極と電気的に接するように前記グラフェンを配置し；前記配置したグラフェン上に、前記グラフェンと電気的に接した前記第２の電極および前記第４の電極を、前記第２の電極が前記第１の強磁性電極とともに前記グラフェンを挟持するように、かつ前記第４の電極が前記第３の強磁性電極とともに前記グラフェンを挟持するように、形成する、スピンデバイスの製造方法を提供する。
第１４態様は、第１３態様に加え、前記第２の電極および前記第４の電極が強磁性電極であり；前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極の上に配置した前記グラフェンにおける、前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極側の面とは反対側の面には、予め強磁性体層が形成されており、前記第２の電極および前記第４の電極の形成を、前記強磁性体層の微細加工により行う、スピンデバイスの製造方法を提供する。
第１５態様は、第１〜第８態様のいずれか１つにより提供されるスピンデバイスの製造方法であって、互いに離間して配置された前記第２の電極および前記第４の電極の上に、双方の前記電極と電気的に接するように前記グラフェンを配置し；前記配置したグラフェン上に、前記グラフェンと電気的に接した前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極を、前記第１の強磁性電極が前記第２の電極とともに前記グラフェンを挟持するように、かつ前記第３の強磁性電極が前記第４の電極とともに前記グラフェンを挟持するように、形成する、スピンデバイスの製造方法を提供する。
第１６態様は、第１５態様に加え、前記第２の電極および前記第４の電極の上に配置した前記グラフェンにおける、前記第２の電極および前記第４の電極側の面とは反対側の面には、予め強磁性体層が形成されており；前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極の形成を、前記強磁性体層の微細加工により行う、スピンデバイスの製造方法を提供する。
以下、具体的な実施の形態について説明する。本発明は、以下の具体的な実施形態に限定されない。
強磁性体により構成される電極（強磁性電極）をグラフェンに接触させ、当該強磁性電極を介してグラフェンに電流を印加することによって、グラフェンにスピン蓄積を生じさせることができる。強磁性体に含まれるスピンの数は、当該スピンの向き（上向き／アップまたは下向き／ダウン）によって異なる。すなわち、強磁性体は偏極している。このような強磁性体を電極としてグラフェンに電流を印加すると、強磁性体内におけるスピンの向きの偏りを反映したスピン（以下、単に「スピン」という）がグラフェンに注入され、当該スピンの流れ（スピン流）がグラフェン面内を拡散していく。このスピン流の拡散により生じた、グラフェンにおける当該スピンの蓄積を「スピン蓄積」という。スピンが蓄積される程度は、グラフェンにスピンが注入される部分で高く、当該部分から離れるに従って低くなる。すなわち、当該部分ではスピン濃度が高く、当該部分から離れるに従ってスピン濃度が低くなる。スピン流は、蓄積されたスピン濃度の勾配によって駆動されるスピンの流れでもある。グラフェンにおける、このようなスピン蓄積の情報（スピン蓄積情報）を検出することにより、スピンを伝送キャリアとするスピンデバイスが実現する。これに加えて、グラフェンで生じるスピン散乱は極めて小さく、グラフェンのスピン緩和長は数ミクロン級と長いことから、スピンの伝送媒体にグラフェンを使用することにより、広範囲のスピン蓄積が達成されるとともに、伝送効率が高く室温にて動作しうるスピンデバイスの実現が期待される。一方、従来の電子デバイスに使用されるＳｉおよびガリウムヒ素のような材料のスピン緩和長は、当該材料が示す大きなスピン軌道相互作用により短い。このため、これらの材料を用いてスピンデバイスを構築したとしても、スピンの伝送効率が低く、低温での動作しか期待できない。グラフェンを用いたスピンデバイスは、まず、この点で有利である。
さらに、スピン流は、角運動量を表すスピンの流れであることから、二階の時間微分を含む量であり、原理上、エネルギー散逸がない。このため、伝送キャリアとして、電流を伴わないスピン流（純スピン流）のみを利用した能動デバイスでは、非常に低い消費電力での動作が期待される。
Advanced Functional Materials, vol.19, pp.3711-3716 (2009)に開示されている、グラフェンを用いたスピンデバイスの構成および当該デバイスにおけるスピン蓄積の状態を図２２に示す。図２２に示すスピンデバイス３００は、グラフェン５１、強磁性電極５２、強磁性電極５３、非磁性電極５４および非磁性電極５５を備える。各電極５２〜５５は全て矩形状であり、その長辺方向が互いに平行となるように、グラフェン５１の同一面上に配置されている。強磁性電極５２および非磁性電極５４には、電流印加機構の一部として、電流源５８が接続されている。強磁性電極５３および非磁性電極５５には、電圧検出機構の一部として、電圧検出装置５９が接続されている。図２２において、グラフェン５１の面（主面）はＸ−Ｙ平面にある。紙面に対して垂直な方向がＺ軸方向である。
このように２つの強磁性電極と２つの非磁性電極とを同一面上に配置する構成は、グラフェンではなくＳｉまたはガリウムヒ素を用いた従来のスピンデバイスにおいても採用されている。
スピンデバイス３００の動作を説明する。電流源５８を用いて、強磁性電極５２と非磁性電極５４との間に電流６１を印加する。電流６１は、強磁性電極５２と非磁性電極５４との間のグラフェン５１面内を流れる。グラフェン５１と強磁性電極５２との接合部からグラフェン５１に注入されたスピン（強磁性電極５２を構成する強磁性体の偏極を反映したスピン）は、当該接合部からグラフェン５１面内を拡散して、スピン蓄積領域６２にスピン蓄積が生じる。これを別の観点から見ると、グラフェン５１面内への電流６１の印加によって、グラフェン５１のスピン蓄積領域６２にスピン流が流れる。
強磁性電極５２および非磁性電極５４の間に位置する部分をはじめとして、グラフェン５１における強磁性電極５２および非磁性電極５４の近傍の領域（電流分布領域６３）には、電流６１の印加によってスピン流以外にも電流が流れる。スピン蓄積領域６２と電流分布領域６３とは大きく重複している。このグラフェン５１面内を流れる電流が、電流分布領域６３を流れるスピン流のみの検出（電流分布領域６３のスピン蓄積情報の検出）を阻害する。電流によって生じる種々の電磁気的効果と、スピン流との分離が難しいためである。
スピンデバイス３００では、スピン蓄積領域６２における電流分布領域６３を除いた領域内に、スピン流を検出する（スピン蓄積情報を検出する）スピン検出部を設けている。スピン検出部は、強磁性電極５３および非磁性電極５５により構成される。グラフェン５１における強磁性電極５３近傍のスピン流は、電圧検出装置５９により、当該スピン流を反映した強磁性電極５３の磁化状態に対応する強磁性電極５３および非磁性電極５５間の電圧の信号として検出される。この電圧信号は、スピン流（スピン蓄積）と、強磁性電極５３内のスピンとの間に働く磁気抵抗変化の信号でもある。このように、電流の印加によりスピンを注入する領域と分離した領域において、生じたスピン流を検出する方法を非局所検出手法という。
しかし、スピンデバイス３００では、スピンの注入のためにグラフェン５１の面内方向に電流６１を印加しているため、高感度なスピン流の検出が困難である。
図２３Ａに、スピンデバイス３００におけるＹ−Ｚ平面の断面を示す。図２３Ｂに、当該断面における電流（Ｊｅ）の分布とスピン流（Ｊｓ）の分布とを、模式的に示す。スピンデバイス３００では、グラフェン５１の面内方向への電流の印加によって、強磁性電極５２と非磁性電極５４との間に大きく電流分布が拡がる。一方、図２３Ｂに示すように、スピン流（Ｊｓ）の分布（スピン蓄積の程度）は、強磁性電極５２を中心に（図２３Ｂの横軸０の位置を中心に）、当該電極からの距離Ｌが増加するに従って緩和減少していく。したがって、スピン流の検出感度を上げるためには、スピン検出部を構成する強磁性電極５３および非磁性電極５５をできるだけ強磁性電極５２に接近させて配置することが望まれる。しかし、スピンデバイス３００では、電流６１が流れている領域（図２３Ａにおいては強磁性電極５２の右側の領域）ではスピン流のみを検出できない。電流６１の印加によって電気化学ポテンシャルに傾斜が生じるし、強磁性体５２への電流印加によって異方性磁気抵抗効果のような信号が発生するからである。これに加えて、スピンデバイス３００では、グラフェン５１の面内に電流６１が印加されることによって、グラフェン５１における電流の流れていない領域に対しても、電流６１に起因する電界分布が漏れ出ている。このため、上記漏れ出た電界分布の影響を受けた検出を余儀なくされるか、あるいはそのような検出を避けるのであれば、電界分布が漏れ出ている範囲外、すなわちスピン流が低下した（スピン蓄積の程度が低い）、強磁性電極５２から離れた領域にスピン検出部を配置する必要がある。これらの事実は、スピンデバイス３００における高感度のスピン流検出を困難にする。
この困難さは、スピンデバイスの微細化が進むにつれ、より深刻な問題となる。微細化に伴って強磁性電極５２，５３間の距離が小さくなり、グラフェン５１における電流印加領域とスピン流検出領域との分離が物理的に困難となるからである。
さらに、スピンデバイス３００では、グラフェン５１の同一面上に少なくとも４つの電極が配置されており、スピンデバイスとしての最小単位に必要な面積が大きい。このため、高密度化（高集積化）が困難である。
本発明のスピンデバイスの一例を図１に示す。図１に示すスピンデバイス１０は、グラフェン１、第１の強磁性電極２、第２の電極４、第３の強磁性電極３、第４の電極５、電流印加機構および電圧信号検出機構を備える。
グラフェン１は、層内でｓｐ２結合した１層の炭素原子層により構成される単層グラフェンであっても、数層の当該炭素原子層により構成される多層グラフェンであってもよい。図１において、グラフェン１の面（主面）はＸ−Ｙ平面にある。当該面に対して垂直な方向がＺ軸方向である。
グラフェン１の下面には、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３が互いに離間して配置されている。グラフェン１の上面には、第２の電極４および第４の電極５が互いに離間して配置されている。
第１の強磁性電極２および第２の電極４は、それぞれグラフェン１に電気的に接した状態で、グラフェン１を挟持するように配置されている。第１の強磁性電極２および第２の電極４は、電流印加機構の一部である電流源８に接続されている。電流源８により、グラフェン１を挟持する第１の強磁性電極２と第２の電極４との間に電流１１を印加することにより、グラフェン１にスピン（第１の強磁性電極２を構成する強磁性体の偏極を反映したスピン）が注入される。第１の強磁性電極２および第２の電極４の対（pair）は、グラフェン１に対するスピン注入源６として機能する。
第３の強磁性電極３および第４の電極５は、それぞれグラフェン１に電気的に接した状態で、グラフェン１を挟持するように配置されている。第３の強磁性電極３および第４の電極５は、電圧信号検出機構の一部である電圧検出装置９に接続されている。第３の強磁性電極３および第４の電極５の対は、第１の強磁性電極２および第２の電極４の対であるスピン注入源６とは離間して配置されている。第３の強磁性電極３および第４の電極５の対は、グラフェン１における当該対が配置された部分のスピン流を検出する（当該部分に生じるスピン蓄積情報を検出する）スピン検出部７として機能する。
スピンデバイス１０では、スピン注入のための電流１１を、グラフェン１のＺ軸方向（厚さ方向）に印加する。図１に示す例では、第１の強磁性電極２から第２の電極４に至る方向への電流であるが、逆方向の、すなわち第２の電極４から第１の強磁性電極２に至る方向の電流であってもよい。いずれの場合もグラフェン１にスピンが注入される。
グラフェン１と第１の強磁性電極２との接合部からグラフェン１に注入されたスピンは、当該接合部からグラフェン１面内を拡散して、当該接合部を中心にスピン蓄積が生じる。これを別の観点から見ると、電流１１の印加によって、上記接合部を中心にグラフェン１面内を、スピン濃度の勾配によって駆動されるスピン流が流れる。このとき流れるスピン流は、電流１１がＺ軸方向（グラフェン１の厚さ方向）の電流であることから、電流を伴わない純スピン流である。すなわち、スピンデバイス１０では、純スピン流を伝送キャリアとする信号伝送が可能となり、非常に低い消費電力による駆動が期待される。
図２Ａに、スピンデバイス１０におけるＹ−Ｚ平面の断面を示す。図２Ｂに、当該断面における電流（Ｊｅ）の分布とスピン流（Ｊｓ）の分布とを、模式的に示す。図２Ｂに示すように、スピンデバイス１０では、第１の強磁性電極２および第２の電極４の対を中心に、電流を伴わない純スピン流がグラフェン１内を拡散している。このため、スピンデバイス１０をＺ軸方向から見た図３にも示すように、電流１１の印加によって、イオン注入源６を中心にグラフェン１面内に拡がるスピン蓄積領域１２のいずれに配置された第３の強磁性電極３および第４の電極５の対（スピン検出部７）によっても、電流１１の印加によって生じたスピン流を検出する（スピン蓄積情報を検出する）ことができる。
スピンデバイス１０では、グラフェン面内を電流が流れるスピンデバイス３００において要求されたスピン検出部７の配置に関する制限はなく、高感度のスピン流検出が可能である。また、スピンデバイス１０では、グラフェン１面に垂直に電流が流れるため、グラフェン１における電流印加領域と純スピン流検出領域との分離が可能であり、低雑音化、検出感度の向上ならびにスピンデバイスの微細化および高密度化に非常に有利である。
これに加えて、スピンデバイス１０では、スピン注入源６およびスピン検出部７を構成する電極が、グラフェン１を挟持するようにグラフェン１の双方の面に分散して配置される。このため、スピンデバイスとしての最小単位に必要な面積が小さく、採用した微細ルールの最小面積に従った最小単位の形成も可能となる。この事実は、デバイスの高密度化（高集積化）に有利である。また、後述するように、デバイスの積層化（高集積化）にも有利となる。これら利点を活かしたスピンデバイスは、例えば、強磁性体の不揮発記録性を利用した高密度かつ高集積の不揮発メモリーおよびスイッチングデバイスである。
電流１１の印加によってグラフェン１面内に生じたスピン蓄積の情報は、スピン蓄積領域１２内に配置されたスピン検出部７を介して、電圧信号検出機構によって、電圧信号として検出される。検出される電圧信号は、グラフェン１におけるスピン検出部７に生じる（第３の強磁性電極３および第４の電極５に挟持された部分に生じる）スピン蓄積情報に対応する電圧信号である。具体的には、電圧検出装置９により、グラフェン１面内のスピン流（スピン蓄積）を反映した第３の強磁性電極３の磁化状態に対応する第３の強磁性電極３および第４の電極５間の電圧を検出する。この電圧信号は、スピン流と、第３の強磁性電極３内のスピンとの間に働く磁気抵抗変化の信号でもある。スピン検出部７によって検出される電圧信号は、グラフェン１におけるスピン検出部７が接している部分のスピン蓄積量によって変化する。
スピンデバイス１０において、第１の強磁性電極２、第２の電極４、第３の強磁性電極３および第４の電極５は、いずれも、少なくともグラフェン１と電気的に接した状態で配置されていればよい。図１に示す例では、これらの各電極は、いずれもグラフェン１の表面に接して配置されている。
第１の強磁性電極２および第２の電極４の対の構成は、グラフェン１の厚さ方向に電流１１を印加でき、グラフェン１内にスピンを注入できる限り限定されない。例えば、第２の電極４は、非磁性体により構成される非磁性電極であっても、強磁性体により構成される強磁性電極であってもよい。
第１の強磁性電極２および第２の電極４は、図１および図２Ａの例に示すように、グラフェン１の表面に垂直な方向から見て、グラフェン１に接する部分が同一の形状であることが好ましく、当該部分が可能な限り重複するように配置されていることがより好ましい。グラフェン１の厚さ方向に電流１１が印加される限り、スピンデバイス３００で見られたようなスピン蓄積領域６２と電流分布領域６３との大きな重複を回避できることから、電流１１の一部がグラフェン１面内に漏出することは許容されるが、このような第１の強磁性電極２および第２の電極４の構成によって、当該漏出が抑制される。逆に言うと、スピンデバイス１０として許容できる当該漏出の程度に応じて、第１の強磁性電極２および第２の電極４の形状および配置を調整、選択できる。
第３の強磁性電極３および第４の電極５の対の構成は、グラフェン１のスピン蓄積情報に対応する電圧信号を検出できる限り限定されない。例えば、第４の電極５は、非磁性体により構成される非磁性電極であっても、強磁性体により構成される強磁性電極であってもよい。
第３の強磁性電極３および第４の電極５は、図１および図２Ａの例に示すように、グラフェン１の表面に垂直な方向から見て、グラフェン１に接する部分が同一の形状であることが好ましく、当該部分が可能な限り重複するように配置されていることがより好ましい。これにより、スピン検出部７としての効率が高くなる。
第２の電極４および第４の電極５は、例えば、いずれも非磁性電極である。一方が非磁性電極であり、他方が強磁性電極であってもよい。
電流印加機構の構成は、第１の強磁性電極２と第２の電極４との間に電流１１を印加できる限り限定されない。電流印加機構は、例えば、電流源８ならびに電流源８と第１の強磁性電極２および第２の電極４とを接続する回路を備える。
電圧信号検出機構の構成は、第３の強磁性電極３と第４の電極５とを介して上記電圧信号を検出できる限り限定されない。電圧信号検出機構は、例えば、電圧検出装置９ならびに当該装置９と第３の強磁性電極３および第４の電極５とを接続する回路を備える。
図１に示す例では、第１の強磁性電極２と第３の強磁性電極３とがグラフェン１における同一面上に、第２の電極４と第４の電極５とが、当該面とは反対側の同一面上に配置されている。これとは異なり、第１の強磁性電極２と第４の電極５とがグラフェン１における同一面上に、第３の強磁性電極３と第２の電極４とが、当該面とは反対側の同一面上に配置されている場合においても、同様のスピンデバイスが得られる。
スピンデバイス１０のスピン蓄積領域１２は、スピン注入源６を中心に、グラフェン１面内を等方的に拡がる。この広がりは、スピン注入のための電流１１の影響を受けない。このため、当該デバイス１０におけるスピン検出部７の配置には制限がない。この幾何学的な自由度の高さを活かして、１つのスピン注入源６に対して２以上のスピン検出部７を配置してもよい。この場合、より高感度のスピンデバイスを構築できる。また、スピンデバイスの応用の自由度が増す。例えば、空間的に変調した外部磁界の分布をグラフェン面内のスピン流の変調として検出する磁気センサーを構築できる。
スピン検出部７の形状が異なる本発明のスピンデバイスの一例を図４に示す。図４に示すスピンデバイスでは、スピン注入源６と離間した位置に、スピン注入源６を囲むようにリング状のスピン検出部７が設けられている。スピン検出部７のリングは、一周にわたって、スピン注入源６から等距離の位置であってスピン注入源６からのスピン蓄積領域１２内に配置されている。図４には示されていないが、グラフェン１を挟んで第２の電極４と対向するように第１の強磁性電極２が、グラフェン１を挟んで第４の電極５と対向するように第３の強磁性電極３が、それぞれ配置されている。このようなスピン検出部７の採用および配置は、グラフェンの双方の面に電極を分散させることにより初めて実現する。
図４に示す形態では、スピン蓄積領域１２のスピン蓄積情報を検出する電極面積が大きい。このため、スピンデバイスとしての感度がさらに向上する。
グラフェン１の形状が異なる本発明のスピンデバイスの一例を図５に示す。図１に示す例では、グラフェン１の形状はＸ−Ｙ平面に拡がるシート状である。一方、図５に示す例では、グラフェン１は、その主面に垂直な方向から見て、網目の形状を有している。図５では、その一部が確認される。この網目では、図５の紙面上で横方向（水平方向）に延びるグラフェンの帯状体２２と、縦方向（垂直方向）に延びるグラフェンの帯状体２１とが交差している。本明細書では、このような複数の帯状体が交差した形状を、帯状マトリクス（matrices of band）形状ともいう。図５では、網目の格子点、すなわち帯状体２１と帯状体２２との交点に、第１の強磁性電極２（グラフェン１の向こう側の面に配置されているため見えない）および第２の電極４により構成されるスピン注入源６が配置されている。第１の強磁性電極２および第２の電極４は、グラフェン１の格子点を挟持している。この格子点の近傍の格子点、図５に示す例では隣の格子点、には、第３の強磁性電極３（グラフェン１の向こう側の面に配置されているため見えない）および第４の電極５により構成されるスピン検出部７が配置されている。第３の強磁性電極３および第４の電極５は、グラフェン１の当該格子点を挟持している。スピン検出部７は、スピン注入源６への電流１１の印加によってスピン注入源６を中心に拡がるスピン蓄積領域１２内に位置する。
グラフェン１が有する網目の形状は限定されない。例えば、図５に示す例では、グラフェン１の主面に垂直な方向から見て帯状体２１と帯状体２２とが直交しているが、双方の帯状体が交差する角度は、スピンデバイスを構築できる限り自由に設定できる。すなわち、網目の形状は、例えば、ある一方向に延びた２以上の帯状体（帯状部）とこれとは異なる方向に延びた２以上の帯状体とが交差する形状である。スピン検出部７が配置された格子点以外へのスピンの不必要な拡散を抑制し、スピン流の減損を防ぐ観点からは、帯状体２１および帯状体２２のうち、少なくとも一方の帯状体の幅が数ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよく、数ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。
網目の形状を有するグラフェン１は、グラフェンを微細加工して得ることができる。帯状体２１と帯状体２２との間の空間には、スピンを拡散させない（スピン流が流れない）材料、例えば層間絶縁膜が配置されてもよい。これとは別に、酸化グラフェンがスピンを拡散させないことから、酸化グラフェンにより構成される酸化部分と、帯状体２１，２２に対応した形状を有する非酸化部分とを設けたグラフェン１を採用することによっても、同様のスピンデバイスが得られる。これは、以降に示す、網目の形状を有するグラフェン１を備えたスピンデバイスについても同様である。
本発明のスピンデバイスの別の一例を図６，７に示す。図６は、当該スピンデバイスを第２の電極４および第４の電極５が配置された側から見た模式図、図７は、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３が配置された側から見た模式図である。図６に示す例では、グラフェン１は、その主面に垂直な方向から見て、網目の形状を有している。この網目では、図５に示す例と同様に、グラフェンの帯状体２１と帯状体２２とが交差している。図６では、網目の格子点、すなわち帯状体２１と帯状体２２との交点に、スピン注入源６が配置されている。この格子点の近傍の２以上の格子点、図６に示す例では紙面の上下左右に隣接する４つの格子点、には、それぞれスピン検出部７が配置されている。各スピン検出部７は、スピン注入源６への電流１１の印加によってスピン注入源６を中心に広がるスピン蓄積領域１２内に位置する。
この例では、それぞれのスピン検出部７で検出する電圧信号（スピン信号）に、各スピン検出部７における第３の強磁性電極３の磁化状態に応じた出力差が生じる。このため、スピン注入源６における第１の強磁性電極２の磁化状態に応じた第３の強磁性電極３の磁化状態を、非破壊で一括して読み出すことができる。
本発明のスピンデバイスの別の一例を図８に示す。図８に示す例では、グラフェン１は、その主面に垂直な方向から見て、網目の形状を有している。この網目では、図６，７に示す例と同様に、グラフェンの２以上の帯状体２１と２以上の帯状体２２とが交差している。図８では、網目の格子点、すなわち帯状体２１と帯状体２２との交点に、スピン注入源６が配置されている。この格子点の近傍の２以上の格子点、図８に示す例では紙面の上下左右に隣接する４つの格子点、には、それぞれスピン検出部７が配置されている。スピン検出部７は、スピン注入源６への電流１１の印加によってスピン注入源６を中心に広がるスピン蓄積領域１２内に位置する。帯状体２１と帯状体２２との交点は拡張されており、当該交点におけるグラフェン１の幅は、当該交点以外における帯状体２１，２２の幅よりも大きい。
図８において、グラフェン１におけるスピン注入源６およびスピン検出部７近傍の部分（格子点近傍の部分）Ｂの幅は、スピン注入源６とスピン検出部７との間をつなぐ部分Ａの幅よりも大きい。このような形状では、グラフェン１におけるスピン流が伝搬する部分の幅が相対的に小さい。このため、スピン注入源６で発生したスピン流が格子点以外に拡散する領域が減少し、スピン信号の減損が抑制される。このことは、スピン注入源６から遠い格子点に配置されたスピン検出部７においてもスピン流の検出が可能になるなど、スピンデバイスの高感度化に寄与する。部分Ａの幅は、例えば、数ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよく、数ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。
図６に示すスピンデバイスの動作方法の一例を、図９および図１０を参照しながら説明する。図６に示すスピンデバイスでは、網目の形状を有するグラフェン１の格子点を、Ｍ列Ｎ行、すなわち（Ｍ，Ｎ）のような行列で表すことができる。図９は、図６に示すスピンデバイスにおける、（Ｍ，Ｎ−１）のスピン検出部７、（Ｍ，Ｎ）のスピン注入源６および（Ｍ，Ｎ＋１）のスピン検出部７を通りかつグラフェン１の主面に垂直な平面で切断された断面を示す。（Ｍ，Ｎ）のアドレスに位置するスピン注入源６には、電流源８が接続されている。（Ｍ，Ｎ−１）および（Ｍ，Ｎ＋１）のそれぞれのアドレスに位置するスピン検出部７には、それぞれ電圧検出装置９が接続されている。以下、スピン注入源６およびスピン検出部７を単に「素子」ともいう。
図１０に示すように、（Ｍ，Ｎ）に位置するスピン注入源６（（Ｍ，Ｎ）素子）を選択し、当該素子に接続された電流源８から当該素子に電流１１を印加する（Ｓ１）。これにより、グラフェン１の面内に、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２のスピン偏極を反映したスピンの流れが拡がり、スピン蓄積領域１２が形成される。
次に、（Ｍ，Ｎ−１）に位置するスピン検出部７（（Ｍ，Ｎ−１）素子）を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ−１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ２）。電圧信号は、例えば、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２のスピン偏極の状態（磁化状態）および（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３のスピン偏極の状態（磁化状態）に依存する磁気抵抗信号である。
次に、（Ｍ，Ｎ＋１）に位置するスピン検出部７（（Ｍ，Ｎ＋１）素子）を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ＋１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ３）。電圧信号は、例えば、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２のスピン偏極（磁化状態）および（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３のスピン偏極（磁化状態）に依存する磁気抵抗信号である。
例えば、（Ｍ，Ｎ−１）素子または（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３の磁化状態と、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２の磁化状態とが同じ場合、電圧検出手段９を用いて検出される（Ｍ，Ｎ−１）素子または（Ｍ，Ｎ＋１）素子の磁気抵抗信号は、ゼロ信号である。
例えば、（Ｍ，Ｎ−１）素子または（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３の磁化状態と、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２の磁化状態とが異なる場合、電圧検出手段９によって、（Ｍ，Ｎ−１）素子または（Ｍ，Ｎ＋１）素子の磁気抵抗信号である有限の信号が検出される。
グラフェン１における（Ｍ，Ｎ−１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報と、（Ｍ，Ｎ＋１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報とは、電圧信号検出機構により、順に検出しても、一括して検出してもよい。
図８に示すスピンデバイスの動作方法の一例を、図１１を参照しながら説明する。図８に示すスピンデバイスにおいても、図６に示すスピンデバイスと同様に、網目の形状を有するグラフェン１の格子点を（Ｍ，Ｎ）のような行列で表すことができる。
図１１に示すように、（Ｍ，Ｎ）に位置するスピン注入源６（（Ｍ，Ｎ）素子）を選択し、当該素子に接続された電流源８から当該素子に電流１１を印加する（Ｓ１）。これにより、グラフェン１の面内に、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２のスピン偏極を反映したスピンの流れが拡がり、スピン蓄積領域１２が形成される。
次に、（Ｍ，Ｎ−１）に位置するスピン検出部７（（Ｍ，Ｎ−１）素子）を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ−１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ２）。電圧信号は、例えば、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２のスピン偏極の状態（磁化状態）および（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３のスピン偏極の状態（磁化状態）に依存する磁気抵抗信号である。
次に、（Ｍ，Ｎ−１）素子における電圧出力がゼロ出力であるか有限の出力であるかを、すなわち（Ｍ，Ｎ−１）素子での出力有無を判別する（Ｓ３）。（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３の磁化状態と、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２の磁化状態とが同じ場合、電圧検出手段９を用いて検出される（Ｍ，Ｎ−１）素子の磁気抵抗信号は、ゼロ信号である。両者の磁化状態が異なる場合、電圧検出手段９によって、（Ｍ，Ｎ−１）素子の磁気抵抗信号である有限の信号が検出される。ゼロ信号は絶対的なゼロである必要はない。ゼロ信号と有限信号との間に、出力有無の判別に使用しうる閾値が存在してもよい。このとき、ゼロ信号は、絶対的なゼロから閾値未満の電圧の値を有する信号である。有限の信号は、閾値以上の電圧の値を有する信号である。
図１１に示す例では、Ｓ３において、（Ｍ，Ｎ−１）素子の有限信号を検出した場合（当該素子の出力有りの場合）は、次段の任意の処理（Ａ処理）へスイッチされる（Ｓ４）。
一方、Ｓ３において、（Ｍ，Ｎ−１）素子のゼロ信号を検出した場合（当該素子の出力無しの場合）は、（Ｍ，Ｎ＋１）に位置するスピン検出部７（（Ｍ，Ｎ＋１）素子）を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ＋１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ５）。電圧信号は、例えば、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２のスピン偏極の状態（磁化状態）および（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３のスピン偏極の状態（磁化状態）に依存する磁気抵抗信号である。
次に、（Ｍ，Ｎ＋１）素子における電圧出力がゼロ出力であるか有限の出力であるかを、すなわち（Ｍ，Ｎ＋１）素子での出力有無を判別する（Ｓ６）。（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３の磁化状態と、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２の磁化状態とが同じ場合、電圧検出手段９を用いて検出される（Ｍ，Ｎ＋１）素子の磁気抵抗信号は、ゼロ信号である。両者の磁化状態が異なる場合、電圧検出手段９によって、（Ｍ，Ｎ−１）素子の磁気抵抗信号である有限の信号が検出される。
図１１に示す例では、Ｓ６において（Ｍ，Ｎ＋１）素子の有限信号を検出した場合（当該素子の出力有りの場合）は、次段の任意の処理（Ｂ処理）へスイッチされる（Ｓ７）。ゼロ信号を検出した場合（当該素子の出力無しの場合）は、ステップが終了する。すなわち、図１１に示すスピンデバイスの動作によって、Ａ処理、Ｂ処理および終了の３つのスイッチ動作が実現する。図１１に示す例では、少なくとも１つのスピン検出部７を用いて、グラフェン１における当該スピン検出部７が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出し、検出した電圧信号に応じて、以降の信号処理をスイッチしている。
本発明のスピンデバイスの別の一例を図１２に示す。図１２に示す例では、スピン注入源６を構成する第１の強磁性電極２が、強磁性層２０、非磁性層２１および強磁性層２２の積層構造から構成される巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）構造を有する。ＴＭＲ構造の場合、非磁性層はトンネル絶縁層であり、第１の強磁性電極はトンネル絶縁層と強磁性層とを有する。その他の構成は、図６，９に示すスピンデバイスと同じである。図１２に示す例では、電流１１の印加方向に応じて、スピントルクにより、グラフェン１側の強磁性層２０の磁化状態を反転させることができる。
スピントルクは、Journal of Magentism and Magnetic Materials, vol.310, pp169-175 (2007)に詳しく報告されている。具体的には、電流の印加方向によって磁化状態を反転させたい強磁性層２０の磁化の強さが、非磁性層２１をともに挟持する他方の強磁性層２２の磁化の強さよりも小さい場合に、積層構造を貫く電流の印加方向によって強磁性層２０の磁化状態がスイッチされる現象である。
図１２に示すスピンデバイスの動作方法の一例を、図１３を参照しながら説明する。
図１３に示すように、（Ｍ，Ｎ）に位置するスピン注入源６（（Ｍ，Ｎ）素子）を選択し、当該素子に読み出し用電流を印加することにより、強磁性層２０、非磁性層２１および強磁性層２２の積層構造により構成されるＧＭＲ構造またはＴＭＲ構造の磁気抵抗効果を利用して、グラフェン１に接する強磁性層２０の磁化状態の情報を、電圧信号として読み出す（（Ｍ，Ｎ）素子情報の読み出し；Ｓ１）。
次に、読み出した（Ｍ，Ｎ）素子情報を判別する（Ｓ２）。ここで、強磁性層２０の磁化状態がアップである場合にＳ１でゼロ信号が、ダウンである場合にＳ１で有限の信号（例えば、１）が得られると仮定する。
Ｓ１で読み出した（Ｍ，Ｎ）素子情報がゼロである場合、次に、（Ｍ，Ｎ−１）に位置するスピン検出部７（（Ｍ，Ｎ−１）素子）を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ−１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ３）。（Ｍ，Ｎ−１）素子の第３の強磁性電極３の磁化状態がアップであればゼロ信号が得られ、ダウンであれば有限の信号が得られる。すなわち、Ｓ３では、（Ｍ，Ｎ−１）素子情報として、当該素子における第３の強磁性電極３の磁化状態の情報が得られる。
続いて、（Ｍ，Ｎ＋１）に位置するスピン検出部７（（Ｍ，Ｎ＋１）素子）を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ＋１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ４）。（Ｍ，Ｎ＋１）素子の第３の強磁性電極３の磁化状態がアップであればゼロ信号が得られ、ダウンであれば有限の信号が得られる。すなわち、Ｓ４では、（Ｍ，Ｎ＋１）素子情報として、当該素子における第３の強磁性電極３の磁化状態の情報が得られる。
図１３に示す例では、Ｓ２で得た（Ｍ，Ｎ）素子情報が１の場合、上述したスピントルクを利用して、強磁性層２０の磁化状態をダウンに反転させる（Ｓ５）。換言すれば、Ｓ５では、（Ｍ，Ｎ）素子へ書き込み用電流（スイッチ電流）を印加して、（Ｍ，Ｎ）素子情報を書き込む。
次に、（Ｍ，Ｎ−１）素子を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ−１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ−１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ６）。（Ｍ，Ｎ−１）素子の第３の強磁性電極３の磁化状態がダウンであればゼロ信号が得られ、アップであれば有限の信号が得られる。すなわち、Ｓ６では、（Ｍ，Ｎ−１）素子情報として、当該素子における第３の強磁性電極３の磁化状態の情報が得られる。
続いて、（Ｍ，Ｎ＋１）素子を選択し、当該素子に接続された電圧検出装置９により、（Ｍ，Ｎ＋１）素子における第３の強磁性電極３および第４の電極５を介して、グラフェン１における（Ｍ，Ｎ＋１）素子が配置された部分のスピン蓄積情報を電圧信号として検出する（Ｓ７）。（Ｍ，Ｎ＋１）素子の第３の強磁性電極３の磁化状態がダウンであればゼロ信号が得られ、アップであれば有限の信号が得られる。すなわち、Ｓ７では、（Ｍ，Ｎ＋１）素子情報として、当該素子における第３の強磁性電極３の磁化状態の情報が得られる。
このようにして、図１２に示すスピンデバイスでは、（Ｍ，Ｎ）素子の強磁性層２０の磁化状態の書き換えに応じたスイッチ読み出し動作が可能となる。ここでは、スピン検出部７として（Ｍ，Ｎ−１）素子および（Ｍ，Ｎ＋１）素子の２つの素子を用いた場合を説明しているが、３以上のスピン検出部に対して同様の動作を順にまたは一括して実施してもよい。
「強磁性電極がグラフェン１と電気的に接した状態」には、強磁性電極、例えば第１の強磁性電極２、が、トンネル絶縁層と強磁性層とを有し、当該トンネル絶縁層がグラフェン１と接している形態が含まれる。すなわち、強磁性電極は、トンネル絶縁層を介してグラフェン１と電気的に接していてもよい。このようなスピンデバイスの一例を、図１４に示す。図１４に示す例では、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３が、トンネル絶縁層８１と強磁性層８２とを有し、それぞれトンネル絶縁層８１がグラフェン１に接している。図１４に示す例のその他の構成は、図９に示す例と同様である。
スピン注入の効率ＰＮは、式ＰＮ＝ＰＦ／[１＋（１−ＰＦ ２）・（ＲＮ／ＲＦ）]により表される。ＰＦはスピン注入電極となる強磁性体のスピン偏極率、ＲＦは強磁性電極の抵抗、ＲＮはグラフェンの抵抗である（応用物理, vol.77, pp.255-263 (2008))。したがって、強磁性体の抵抗に比べて非磁性体の抵抗が非常に大きい場合、すなわちＲＮ＞＞ＲＦの場合はＰＮ＜＜ＰＦとなり、スピン注入電極となる強磁性体のスピン偏極はグラフェンとの界面で著しく減少する。このため、スピンをグラフェンに十分に注入することが出来なくなることがある。
一方、強磁性層８２とグラフェン１との間にトンネル絶縁層８１を設けることによって、強磁性電極とのグラフェンとの界面抵抗の整合度が向上することが期待される。トンネル絶縁層８１を構成する材料は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）およびスピネル酸化物（ＭｇＡｌ２Ｏ４）である。
本発明のスピンデバイスの別の一例を図１５に示す。図１５に示す例は、図８に示すスピンデバイスが縦に（グラフェン１の厚さ方向に）積層された構造を有する。別の側面から見ると、第１の強磁性電極２、第２の電極４、第３の強磁性電極３および第４の電極５が上述のように配置された２以上のグラフェン１が、その厚さ方向に積層された構造を有する。
図１５のスピンデバイスでは、スピン注入のための電流印加と、スピン検出のための電圧信号検出とを、互いに分離して動作させることが可能である。例えば、各グラフェン１（Ｌ層およびＬ−１層）に配置されたスピン注入源６に対して個別に、電流印加機構の回路および／または電流源８を切り替えながら電流１１を印加するのではなく、図１５に示すように、一つの電流源８によって、Ｌ−１層およびＬ層に配置されたスピン注入源６に一括して電流１１を印加することができる。図１５に示す例では、素子（Ｍ，Ｎ，Ｌ）および素子（Ｍ，Ｎ，Ｌ−１）に一括して電流１１が印加される。このとき、電流印加機構は、異なるグラフェンに配置された第１の強磁性電極２および第２の電極４の２以上の対に、一括して電流１１を印加する回路を備えている。また、２以上のグラフェン１を貫通する電流１１の印加によって、異なるグラフェン１に配置されている２以上のスピン検出部７において、スピン蓄積情報に対応する信号が一斉に出力されうる。
図１５のスピンデバイスにおいて、スピン検出部７における電圧信号の検出は各検出部７で個別に実施することができる。図１５に示す例では、１つのスピン検出部７に１つの対応する電圧検出装置９が接続されている。一方、図１６に示すように、グラフェン１の積層方向に配列した２以上のスピン検出部７について、まとめて電圧信号を検出してもよい。この場合、電圧信号検出機構の構成およびその動作が簡便となる。図１６に示す例では、素子（Ｍ，Ｎ−１，Ｌ）および素子（Ｍ，Ｎ−１，Ｌ−１）の電圧信号ならびに素子（Ｍ，Ｎ＋１，Ｌ）および素子（Ｍ，Ｎ＋１，Ｌ−１）の電圧信号が、それぞれまとめて検出される。このとき、電圧信号検出機構は、異なるグラフェン１に配置されている第３の強磁性電極３および第４の電極５の２以上の対を介して、各々のグラフェン１における当該対に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を一括して検出する回路を備えている。
一括して検出する場合、グラフェン１の積層方向における信号和が出力される。このため、スピンデバイスのさらなる高感度化を図ることができる。図１７は、図１６に示すスピンデバイスを応用した磁気センサーの一例である。図１７に示す磁気センサーは、空間変調した外部磁界、例えば大きさの異なる外部磁界４１，４２の分布を、グラフェン１面内のスピン流の変調として捉えることができる。このとき、グラフェンの積層方向に対するスピン検出部７の信号和が得られるため、高感度の磁気センサーの構築が可能となる。
図９では、Ｍ列Ｎ−１行、Ｍ列Ｎ行、Ｍ列Ｎ＋１行の素子が示されている。これにＭ列Ｎ＋２行の素子を含めた状態の一例を図１８に示す。Ｍ列Ｎ＋２行の素子（（Ｍ，Ｎ＋２）素子）は、スピン注入源６である。スピン検出部７である（Ｍ，Ｎ＋１）素子は、２つのスピン注入源６の間に配置されている。このとき、電流源８から（Ｍ，Ｎ）素子および（Ｍ，Ｎ＋２）素子に電流１１を印加することにより、両素子の間に位置する（Ｍ，Ｎ＋１）素子では、（Ｍ，Ｎ）素子における第１の強磁性電極２の磁化状態と、（Ｍ，Ｎ＋２）素子における第１の強磁性電極２の磁化状態との状態和（ＯＲ論理）を出力として得ることができる。
強磁性電極を構成する強磁性体は、例えば、金属磁性体、酸化物磁性体およびその複合体である。金属磁性体は、例えば、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金である。特に、グラフェン面内に大きなスピン蓄積が生じることから、ＣｏまたはＣｏ−Ｆｅ合金が好ましい。Ｃｏ−Ｆｅ合金としては、Ｃｏリッチな合金が好ましい。金属磁性体として、ＸＭｎＳｂ（Ｘは、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｂおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種の元素）も採用しうる。ＸＭｎＳｂは高い磁性分極率を有することから、グラフェン面内に大きなスピン蓄積を生じうる。酸化物磁性体は、例えば、ＭＦｅ２Ｏ４（Ｍは、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる１種または２種以上の元素）である。ＭＦｅ２Ｏ４は、比較的高温まで強磁性を示す。
Ｆｅリッチな合金に比べて、Ｃｏリッチな合金およびＮｉリッチな合金は抵抗が高い。Ｃｏリッチな合金は磁気異方性が大きい。これらを組み合わせた組成比の調整により、所望の特性を有する強磁性体が得られる。
強磁性体として、垂直磁化を有する磁性膜を採用しうる。通常の金属磁性膜は形状異方性が大きく、その磁化状態は膜の形状の影響を受けやすい。垂直磁化膜を強磁性電極に採用することにより、強磁性電極の形状の自由度が向上する。垂直磁化膜は、垂直磁化を示すものであれば限定されないが、例えばＰｄ／ＣｏおよびＰｔ／Ｃｏのような人工格子膜、ＴｂＦｅＣｏ膜、ＳｍＣｏ膜およびＦｅＰｔ膜である。
強磁性電極の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。厚さが１０ｎｍ以下の場合、さらにその上に電極を積層しうる。強磁性電極の面内方向のサイズは、強磁性が保持されている限り限定されない。図８に示すように、網目の格子点の面積を大きくしたグラフェン１を採用することによって、強磁性電極の面内方向のサイズの確保が容易となる。
非磁性電極を構成する材料ならびに回路中の配線およびビアを構成する材料は、例えば、抵抗率が１ｍΩ・ｃｍ以下の材料である。当該材料は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ／Ａｕ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷおよびＷ、ならびにこれらを主成分として含む材料である。
図１９Ａ〜図１９Ｃに、本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を示す。
図１９Ａに示すように、予め配置された配線電極３２に接続されるように絶縁層３３に埋め込まれた第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３を、当該電極２，３が絶縁層３３の表面に露出するように加工する。第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３は、互いに離間した位置にある。絶縁層３３を構成する材料には、半導体プロセスに通常使用する絶縁材料を使用できる。当該絶縁材料は、例えば、ＳｉＯ２主体のＴＥＯＳ（珪酸エチル）である。図１９Ａに示す例では、配線電極３２と、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３とは、ビア３１によって電気的に接続されている。
次に、図１９Ｂに示すように、グラフェン１を、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３と電気的に接するように、これら電極２，３上に配置する。トンネル絶縁層を強磁性電極上に配置した後に、グラフェン１を配置してもよい。グラフェン１は、例えば、グラファイト結晶から機械的に剥離することにより形成できる。ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により得ることもできる。ＲｕまたはＣｕ上にＣＶＤ成長させたグラフェンは、結晶性が高い。
次に、図１９Ｃに示すように、グラフェン１上に絶縁層３３を堆積させ、堆積させた絶縁層３３における第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３と対向する位置に、グラフェン１が露出する開口部を設けて、当該開口部内に第２の電極４および第４の電極５をこれら電極４，５がグラフェン１と電気的に接するように形成する。その後、必要に応じて熱処理を行う。熱処理は、例えば、４体積％のＨ２を含むアルゴン雰囲気にて、３００〜６００℃（典型的には４００℃）で実施する。このような熱処理では、各電極の電気伝導性が向上する。
図１９Ａ〜図１９Ｃに示す方法は、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３と、第２の電極４および第４の電極５とを逆にしても実施できる。すなわち、互いに離間して配置された第２の電極４および第４の電極５の上に、双方の電極４，５と電気的に接するようにグラフェン１を配置し；配置したグラフェン１上に、グラフェン１と電気的に接した第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３を、第１の強磁性電極２が第２の電極４とともにグラフェン１を挟持するように、かつ第３の強磁性電極３が第４の電極５とともにグラフェン１を挟持するように、形成してもよい。
図２０Ａ〜図２０Ｃに、本発明のスピンデバイスの製造方法の一例を示す。
図２０Ａに示すように、予め配置された配線電極３２に接続されるように絶縁層３３に埋め込まれた第２の電極４および第４の電極５を、当該電極４，５が絶縁層３３の表面に露出するように加工する。第２の電極４および第４の電極５は、互いに離間した位置にある。図２０Ａに示す例では、配線電極３２と、第２の電極４および第４の電極５とは、ビア３１によって電気的に接続されている。
次に、図２０Ｂに示すように、一方の面に強磁性体層４５が予め形成されたグラフェン１を、グラフェン１が第２の電極４および第４の電極５と電気的に接するように、これら電極４，５上に配置する。強磁性体層４５が予め形成されたグラフェン１は、例えば、強磁性体層上にグラフェンをＣＶＤ成長させることにより形成できる。強磁性体層４５としてＮｉ層またはＣｏ層上にＣＶＤ成長させたグラフェンは、結晶性が高い。
次に、図２０Ｃに示すように、強磁性体層４５を部分エッチングなどにより微細加工して、第２の電極４と対向する位置に第１の強磁性電極２を、第４の電極５と対向する位置に第３の強磁性電極３をそれぞれ形成する。その後、必要に応じて熱処理を行う。熱処理は、例えば、４体積％のＨ２を含むアルゴン雰囲気にて、３００〜６００℃（典型的には４００℃）で実施する。このような熱処理では、各電極の電気伝導性が向上する。強磁性体層４５のエッチングに塩酸（ＨＣｌ）を用いることで、エッチングの際のグラフェンへのダメージを抑制できる。
一方の面に予め強磁性体層４５が形成されたグラフェン１を使用し、後に強磁性体層４５を微細加工して強磁性電極を形成する方法は、第２の電極４および第４の電極５が強磁性体から構成される強磁性電極である場合にも応用できる。
図２１に、図１９Ａ〜Ｃまたは図２０Ａ〜Ｃに示す製造方法を繰り返すことで得られるスピンデバイスの一例を示す。配線電極３２は、第１の強磁性電極２および第３の強磁性電極３とビア３１を介して電気的に接続されている。第１の強磁性電極２は、第２の電極４とともにグラフェン１を挟持する。第３の強磁性電極３は、第４の電極５とともにグラフェン１を挟持する。
グラフェン１の積層方向に対して、配線電極３２／ビア３１／第１の強磁性電極２／グラフェン１／第２の電極４／ビア３１／配線電極３２、および配線電極３２／ビア３１／第３の強磁性電極３／グラフェン１／第４の電極５／ビア３１／配線電極３２の組を繰り返すことにより、例えば、図１５または図１６に示すスピンデバイスが実現する。
これらスピンデバイスの製造方法により、スピンデバイスとしての基本形態だけではなく、スイッチ、不揮発メモリ、磁気センサーのような応用形態も実現しうる。
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
本発明によれば、以下のようなデバイスの実現が期待される：原理上、散逸のないスピン流を伝送キャリアとすることによる非常に消費電力が低いデバイス；強磁性体の不揮発性に基づく待機電力ゼロのデバイス；スピン流を高い効率で伝送するデバイス；低雑音および高感度のデバイス；伝送チャネルにグラフェンを使用することにより、従来の半導体デバイスでは不可能であった多段積層構造を有するデバイス；電流とスピン流との伝導経路を分離できることに基づく、スピン流の高感度検知が実現したデバイス。
これらデバイスは、様々な種類の電子機器に対して応用可能な基本デバイスとなりうる。

Claims (16)

  1. グラフェンと、
    前記グラフェンに電気的に接した状態で、当該グラフェンを挟持するように配置された第１の強磁性電極および第２の電極と、
    前記第１の強磁性電極および前記第２の電極に対して離間した位置に、前記グラフェンに電気的に接した状態で、かつ当該グラフェンを挟持するように配置された第３の強磁性電極および第４の電極と、
    前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加する電流印加機構と、
    前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記第３の強磁性電極および前記第４の電極に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、当該第３の強磁性電極および当該第４の電極を介して電圧信号として検出する電圧信号検出機構と、
    を備え、
    前記第１の強磁性電極と前記第３の強磁性電極とは、前記グラフェンの同じ面上に配置されており、
    前記第２の電極および前記第４の電極は、非磁性電極または強磁性電極である、スピンデバイス。
  2. 前記第２の電極および前記第４の電極が非磁性電極である、請求項１に記載のスピンデバイス。
  3. 前記グラフェンが、当該グラフェンの主面に垂直な方向から見て網目の形状を有し、
    前記網目の格子点に、前記第１の強磁性電極および前記第２の電極が配置され、
    当該第１の強磁性電極と当該第２の電極との間への前記電流の印加によって生じるスピン蓄積の範囲内に存在する他の２以上の格子点に、それぞれ前記第３の強磁性電極および前記第４の電極が配置されている、請求項１に記載のスピンデバイス。
  4. 前記第１の強磁性電極、前記第２の電極、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極が配置された、２以上の前記グラフェンが積層された構造を有し、
    前記電流印加機構が、
    異なる前記グラフェンに配置された、前記第１の強磁性電極および前記第２の電極の２以上の対に一括して前記電流を印加する回路を備える、請求項１に記載のスピンデバイス。
  5. 前記第１の強磁性電極、前記第２の電極、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極が配置された、２以上の前記グラフェンが積層された構造を有し、
    前記電圧信号検出機構が、
    異なる前記グラフェンに配置された、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対を介して、前記グラフェンにおける前記対に挟持された部分に生じる前記スピン蓄積情報を一括して検出する回路を備える、請求項１に記載のスピンデバイス。
  6. 前記第１の強磁性電極がトンネル絶縁層と強磁性層とを有し、前記トンネル絶縁層が前記グラフェンに接している、請求項１に記載のスピンデバイス。
  7. 前記第１の強磁性電極が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造を有する、請求項１に記載のスピンデバイス。
  8. 前記第１の強磁性電極が、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）構造を有する、請求項１に記載のスピンデバイス。
  9. 請求項１に記載のスピンデバイスの動作方法であって、
    前記電流印加機構により、前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加し、
    前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記第３の強磁性電極および前記第４の電極に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、当該第３の強磁性電極および当該第４の電極を介して電圧信号として検出する、スピンデバイスの動作方法。
  10. 前記グラフェンに、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対が配置されており、
    前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記２以上の対に挟持された部分に生じる各々のスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、順にまたは一括で検出する、請求項９に記載のスピンデバイスの動作方法。
  11. 前記グラフェンに、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対が配置されており、
    前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける少なくとも１つの前記対に挟持された部分に生じるスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、前記電圧信号として検出し、
    前記検出した電圧信号に応じて、以降の信号処理をスイッチする、請求項９に記載のスピンデバイスの動作方法。
  12. 前記第１の強磁性電極が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）構造またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）構造を有し、
    前記グラフェンに、前記第３の強磁性電極および前記第４の電極の２以上の対が配置されており、
    前記第１の強磁性電極の磁化状態を、前記ＧＭＲ構造または前記ＴＭＲ構造に基づく磁気抵抗効果により読み出し、
    前記読み出した前記第１の強磁性電極の磁化状態に応じて、当該第１の強磁性電極の磁化状態を保つか、または当該第１の強磁性電極と前記第２の電極との間にスイッチ電流を印加することによって当該第１の強磁性電極の磁化状態を変化させ、
    前記電流印加機構により、前記グラフェンを挟持する前記第１の強磁性電極と前記第２の電極との間に電流を印加し、
    前記電流の印加によって、前記グラフェンにおける前記２以上の対に挟持された部分に生じる各々のスピン蓄積情報を、前記電圧信号検出機構により、順にまたは一括で検出する、請求項９に記載のスピンデバイスの動作方法。
  13. 請求項１に記載のスピンデバイスの製造方法であって、
    互いに離間して配置された前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極の上に、双方の前記強磁性電極と電気的に接するように前記グラフェンを配置し、
    前記配置したグラフェン上に、前記グラフェンと電気的に接した前記第２の電極および前記第４の電極を、前記第２の電極が前記第１の強磁性電極とともに前記グラフェンを挟持するように、かつ前記第４の電極が前記第３の強磁性電極とともに前記グラフェンを挟持するように、形成する、スピンデバイスの製造方法。
  14. 前記第２の電極および前記第４の電極が強磁性電極であり、
    前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極の上に配置した前記グラフェンにおける、前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極側の面とは反対側の面には、予め強磁性体層が形成されており、
    前記第２の電極および前記第４の電極の形成を、前記強磁性体層の微細加工により行う、請求項１３に記載のスピンデバイスの製造方法。
  15. 請求項１に記載のスピンデバイスの製造方法であって、
    互いに離間して配置された前記第２の電極および前記第４の電極の上に、双方の前記電極と電気的に接するように前記グラフェンを配置し、
    前記配置したグラフェン上に、前記グラフェンと電気的に接した前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極を、前記第１の強磁性電極が前記第２の電極とともに前記グラフェンを挟持するように、かつ前記第３の強磁性電極が前記第４の電極とともに前記グラフェンを挟持するように、形成する、スピンデバイスの製造方法。
  16. 前記第２の電極および前記第４の電極の上に配置した前記グラフェンにおける、前記第２の電極および前記第４の電極側の面とは反対側の面には、予め強磁性体層が形成されており、
    前記第１の強磁性電極および前記第３の強磁性電極の形成を、前記強磁性体層の微細加工により行う、請求項１５に記載のスピンデバイスの製造方法。
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