JP5598975B2 - スピン注入源およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明に係るスピン注入源の基本構造は、図1Aに示すように、非磁性体21、導電性MgO層22、強磁性体23の三層構造である。非磁性体21および強磁性体23の間に電圧を印加して、導電性MgO層22を通じてスピン注入が行われる。スピン注入用電極は、素子構造や素子機能の目的に応じて任意に増やすことができる。図1Bでは、非磁性体の異なる側に、導電性MgO層22/強磁性体23と導電性MgO層24/強磁性体25の二つの電極を設け、強磁性体23,25間に電圧を印加して非磁性体21にスピン注入している。図1Cでは、非磁性体の同じ側に、導電性MgO層22/強磁性体23と導電性MgO層24/強磁性体25の二つの電極を設け、強磁性体23,25間に電圧を印加して非磁性体21にスピン注入している。
どが利用できる。また、上記の中から一種を選択して強磁性体薄膜としても良いし、複数を選択して多層薄膜として構成しても良い。また、磁気特性や化学特性を制御するために、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、B、Al、G、C、Si、Ge、Sn、N、P、Sb、O、S、Mo、Ru、Ag、Hf、Ta、W、Ir、Pt、Au等の非磁性体元素を適宜添加しても良い。
次に、本実施形態に係るスピン注入源の製造方法について説明する。スピン注入源は、Si基板やガラス基板やMgO基板などの上に作製される。
図1Bに示す構造を作製するときには、始めに基板上に強磁性体/MgO膜を作製する
。このMgO膜上にレジストを塗布し、電子線描画装置、ステッパーを利用し、下部スピン注入電極構造を作製し、Arイオンミリング等により、下部スピン注入電極(22と23)を削りだす。その後、MgOの表面清浄化処理を行い、非磁性体薄膜を作製する。非磁性体薄膜上にレジストを塗布し、電子線描画装置、ステッパーを利用し、非磁性体構造を作製し、Arイオンミリング等により非磁性体電極21を削りだす。その後、非磁性体電極の表面清浄化処理を行い、MgO/強磁性体膜を作製する。強磁性体薄膜上にレジストを塗布し、電子線描画装置、ステッパーを利用し、上部スピン注入電極構造を作製し、Arイオンミリング等により上部スピン注入電極(24と25)を削りだす。更に、多層膜構造等利用する場合は、上記の作製過程を繰り返し利用できる。上述のように、強磁性体23と25の磁化の相対方向は、磁場等を利用して反平行状態にする必要がある。
図1Cに示す構造を作製するときには、始めに基板上に非磁性体膜を作製する。この非磁性体薄膜上にレジストを塗布し、電子線描画装置、ステッパーを利用し、非磁性体電極構造を作製し、Arイオンミリング等により、非磁性体電極21を削りだす。その後、非磁性体表面清浄化処理を行い、MgO/強磁性体薄膜を作製する。非磁性体薄膜上にレジストを塗布し、電子線描画装置、ステッパーを利用し、スピン注入電極構造を作製し、Arイオンミリング等により第1のスピン注入電極(22と23)と第2のスピン注入電極(24と25)を削りだす。この場合も、強磁性体23と25の磁化の相対角度を反平行状態にする必要がある。
理する。素子構造や材料により条件は変える必要があるが、300〜500℃、30〜60分間の熱処理が好ましい。
スピン注入源の特性評価のために、図2に示すスピン蓄積素子を作製した。図2は作製したスピン蓄積素子の走査型電子顕微鏡(SEM)像である。スピン注入電極11が本発明に係るスピン注入源に相当する。このスピン注入源の評価のために、スピン検出用電極12も設置してある。以下図2に示すスピン蓄積素子の製造方法を説明する。まず、Si/SiO2基板上に2層電子線レジスト(MMA/PMMA)を作製した。電子線ビーム描画装置により、素子構造パターンを描画した。その後、この基板を超高真空蒸着装置内(10-8 Torr程度)に搬送し、電子ビーム蒸着によりNiFe(Py)膜を20nm、M
gO膜を8nm、Ag膜を50nm基板上に作製した。ここでは、スピン注入用強磁性体/MgO電極11およびスピン検出用強磁性体/MgO電極12を得るために、NiFe膜およびMgO膜の基板への入射角度は45度とした。Ag膜は通常の入射角度90度で作製した。リフトオフを行い、図2のような素子構造を得た。その後、窒素(97%)+
水素(3%)雰囲気中、400℃で30分間の熱処理を行った。(熱処理条件の詳細については後述する)
図3に、透過型電子顕微鏡(TEM)により測定したスピン注入用強磁性体/MgO電極(図2の11)の断面像を示す。MgO層32はNiFe細線31を均一に覆っていることが分かる。このMgO層の組成分析をエネルギー分散X線分光(EDX)法により行った。熱処理前と比較して、酸素の比率が約6%減少していた。
図4に、図2のスピン蓄積素子において、端子14と端子16に電流源を接続し、端子18と端子13に電圧計を接続して測定したNiFe/MgO/Ag界面抵抗のMgO膜厚依存性を示す。この界面抵抗RIの膜厚tMgO依存性は指数関数で表わされる。
続いて、スピン注入実験を行った。スピン注入実験では、端子14と端子18に電流源を接続し、0.2mAの電流を印加した。スピン流は、強磁性体31からMgO層32を通じて非磁性体33中に注入される。その後、スピン流は非磁性体細線を検出電極12方向へと拡散する。このため、電圧計を端子13と端子15に接続することにより、スピン蓄積のスピン方向とスピン検出用強磁性体電極12の磁化方向に依存した信号を検出できる。その結果を図5に示す。図5には低温(10K)と室温(RT=300K)での測定結果を示している。
子ではスピン蓄積量が約100μV(スピン蓄積抵抗変化ΔRS:約100mΩ、印加電流:1mA)となり、従来のトンネル接合を用いたスピン蓄積量の約10μVと比較して信号強度を一桁以上大きくすることができる。
上記と同じ形状および材料の素子であるが、熱処理を行わない素子を作製した(非特許文献1に記載のスピン注入源)。MgO層には比較的少量の酸素欠損を含み、比較的高抵抗状態である。なおここで、「高抵抗」というのは熱処理後のMgO層と比較した場合のことであり、比較例に係るMgO層は従来のトンネル接合に用いるMgO層と比較すれば低抵抗であり、導電性を有する。比較例における界面抵抗値のMgO膜厚依存性を図11に示す。図11中の実線は実験値からのフィッティング線を示す。この界面抵抗の膜厚依存性は指数関数で表わされる。
上記と同じ形状および材料のスピン蓄積素子を作製した。この素子のMgO層の厚さは2.0nmである。素子作製後、300℃、400℃、500℃の温度で、窒素(97%)+水素(3%)雰囲気中で30分間の熱処理を行った。その後、スピン注入電極NiF
e/MgO/Ag界面の抵抗測定を行った結果を図13に示す。熱処理前は、1055fΩm2と高抵抗状態であったが、熱処理後、界面抵抗値は300℃では94fΩm2に、400℃では41fΩm2に、500℃では5fΩm2にそれぞれ大幅に減少している。
00℃から500℃の間に最適な処理温度が存在することが分かる。500℃の熱処理において、MgO界面のスピン分極率が増加しているにも関わらずΔRSが減少しているのは、この界面抵抗値が5fΩm2と小さい値であるためである。もちろん、500℃の熱処理後においてもΔRSは十分大きい値を示しており、500℃以上の温度で熱処理した場合も熱処理なしと比較して高い効果が得られることは見て取れる。もっとも、より高い効果を得るためには十分な界面抵抗値があることが望ましく、スピン蓄積素子において、大きなスピン蓄積を実現するには界面抵抗値は10fΩm2以上が望ましい。
一般に、導電性MgO膜の界面抵抗Riと膜厚tの間の関係は、Ri=b*exp(at)のように2
つのパラメータによって表される。ここで、aとbの間には相関があって、aの減少とともにbも減少するという傾向がある。膜厚2nmで界面抵抗5fΩm2の場合a=0.7、膜厚2nmで界面抵抗90fΩ2の場合a=1.2と見積もれる。したがって、界面抵抗値RI(fΩm2)と膜厚t(nm)の間に以下の関係が成立する導電性MgO膜を用いることで、スピン分極率0.2以上を達成することができる。
00℃、500℃の熱処理により、その組成はMgO1-(δ+0.03)、MgO1-(δ+0.06)、MgO1-(δ+0.12)と変化していた。このために、熱処理による界面抵抗の減少には酸素欠損が大きく影響していることが明らかになった。また、図16に500℃で熱処理した試料の断面TEM像(A)および組成の面分析測定結果(B〜E)を示す。400℃の熱処理においてはMgO中へのFe、Niの拡散は見られなかったが、500℃の熱処理した試料においては明確にMgO層中にFe原子が拡散していることがわかった。このように、熱処理やMgO層作製中に微量な金属原子を拡散させることはMgOの界面抵抗を小さくするのに有効な手段である。
本発明のスピン注入源において、導電性MgO膜を介在させることでスピン注入効率が向上するのは、MgO膜によって非磁性体と強磁性体のスピン抵抗の非整合が解消されるためである。MgO膜のスピン抵抗は、スピン注入対象の非磁性体のスピン抵抗と同程度またはそれ以上にすることが好ましい。スピン抵抗は式3〜式5のように表せるため、具体的な素子構造においてはMgO膜の界面抵抗Riを注入対象の非磁性体の特性(抵抗率やスピン拡散長)に合わせて調整することで、適切なスピン抵抗が得られる。スピン注入対象が非磁性体金属である場合には、抵抗率やスピン拡散長などの特性は概ね一定であり、図6からもわかるようにMgOの界面抵抗を1fΩm2以上、より好ましくは、10fΩm2以上とすることが好ましい。MgOの界面抵抗の上限値に関しては、スピン蓄積抵抗変化の界面抵抗依存が飽和する103fΩm2以下程度とすることが好ましい。
しかしながら、最終的に必要な導電性が得られればその製造方法は上述の方法に限られない。たとえば、MgO膜の作製条件を調整して上述の酸素欠損(界面抵抗)を持つMgO膜を作製して、熱処理を行わない方法も考えられる。また、MgO膜作製時には酸素欠損を導入せずに、熱処理のみによって酸素欠損を導入してもかまわない。また、MgO膜に金属原子を拡散させてMgO膜の界面抵抗を減少させてもかまわない。
12 スピン検出用電極
13,14 スピン蓄積用非磁性体細線
15,16、17,18 測定用非磁性体電極
21 非磁性体
22 MgO層
23 強磁性体
24 MgO層
25 強磁性体
Claims (2)
- 非磁性導電体と、
前記非磁性導電体上に形成される導電性を有するMgO膜と、
前記MgO膜を介して前記非磁性導電体上に形成される強磁性体と、
から構成され、前記強磁性体から前記非磁性導電体にスピンを注入するスピン注入源であって、
前記MgO膜は、界面抵抗RI(fΩm2)と膜厚t(nm)の間に以下の関係が成立する、
スピン注入源。
- 非磁性導電体と、
前記非磁性導電体上に形成される導電性を有するMgO膜と、
前記MgO膜を介して前記非磁性導電体上に形成される強磁性体と、
から構成され、前記強磁性体から前記非磁性導電体にスピンを注入するスピン注入源であって、
前記MgO膜は、界面抵抗が1〜103fΩm2であって、膜厚が2nm以上である、
スピン注入源。
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