JP5601976B2 - スピントロニクス装置及び論理演算素子 - Google Patents
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Description
本発明の第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図1に示すように、第1導電型キャリアと第2導電型キャリア(電子と正孔)とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30、スピン流生成領域30の端面(第1端面)にオーミック接合された第1主電極20、第1端面に平行に対向する端面(第2端面)にオーミック接合された第2主電極40、第1端面及び第2端面と直交する側面(出力側面)の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる領域を含む検出電極50を有するスピン流変換素子10と、スピン流変換素子10の第1主電極20と第2主電極40との間に直流のバイアス電圧を印加する直流電源6とを備える。本発明において「ホール係数がゼロ」とは、ホール係数RHが、1.5×10‐11m3/C以下の小さな値であり、実質的に「ホール係数がゼロ」が見なせればよい。
ρxy=RoB+RsμoM ……(1)
で表すことができる。ここで、Roは正常ホール係数であり、(1)式の右辺第1項がローレンツ力にもとづく正常ホール効果を示し、Rsは異常ホール係数で、μoは真空中の透磁率であり、右辺第2項が、スピン−軌道相互作用やスピンカイラリティ等による異常ホール効果を示す。正常ホール効果によるホール抵抗ρxyの外部磁場B依存性を図3(a)に、異常ホール効果によるホール抵抗ρxyの外部磁場B依存性を図3(b)に示す。図3(c)には、(1)式で示される正常ホール効果成分と異常ホール効果成分との和が示されている。
図1に示す第1の実施の形態に係るスピントロニクス装置はバイアス電圧が直流の場合について例示的に説明したが、図11に示すように2つの検出電極51a,51bをスピン流生成領域30を挟み込むように配置することによって、バイアス電圧が交流の場合であってもスピン流の検出を行うことが可能である。
本発明の第3の実施の形態に係る論理演算素子12は、図12に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域30と、スピン流生成領域30の端面にオーミック接合され、電子(第1導電型キャリア)をスピン流生成領域30に注入する第1主電極22と、スピン流生成領域30の第1主電極22が配置された端面と対向する端面にオーミック接合された第2主電極40と、スピン流生成領域30の第1主電極22が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる領域を含む検出電極50とを備える。
本発明の第4の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットは、図14に示すように、第1導電型キャリアと第2導電型キャリア(電子と正孔)とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第1スピン流生成領域30ijaと、第1スピン流生成領域30ijaの上部端部及び下部端部との間に第1スイッチSijaを介して直流のバイアス電圧を印加する第1直流電源Vijaと、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第2スピン流生成領域30ijbと、第2スピン流生成領域30ijbの上部端部及び下部端部との間に第2スイッチSijbを介して直流のバイアス電圧を印加する第2直流電源Vijbと、それぞれの上部端部及び下部端部との間の中央近傍に位置し、第1スピン流生成領域30ijaの側面(出力側面)と第2スピン流生成領域30ijbの間に金属学的に接合されて挟まれた強磁性金属層からなる磁化自由層60ijと、磁化自由層60ijの上に設けられた、厚さ1〜2nmの絶縁体層からなる非磁性層61ijと、非磁性層61ijの上に設けられた強磁性金属層からなる磁化固定層62ijと、磁化固定層62ijに接続された第3スイッチSijcとを備える。 磁化自由層60ijと、磁化自由層60ijの上に設けられた非磁性層61ijと、非磁性層61ijの上に設けられた磁化固定層62ijとでトンネル磁気抵抗効果(TMR)型検出電極を構成している。 磁化自由層60ij及び磁化固定層62ijとしては、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、又はそれらを主成分とする合金を用いることができる。この中で特にFe−Ni、Fe−Co−Ni、Fe−Coなどが望ましい。又これらの磁性体には、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、硼素(B)、炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、リン(P)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブテン(Mo)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)などの非磁性元素を添加して、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種性質を調整してもよい。 なお、磁化自由層60ijと磁化固定層62ijは同じ材料である必要はなく、磁気特性、プロセス条件など必要に応じて上記材料より個別に任意に選択してよい。 非磁性層61ijとしては、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化シリコン(SiO2)、酸化マグネシウム(MgO)、窒化アルミニウム(AlN)、などの絶縁体が好ましい。但し、他にCu、Cr、Al、亜鉛(Zn)などの非磁性金属を用いることもできる。又非磁性層61ijに用いる絶縁体は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素などの過不足が存在してもよい。
本発明の第5の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図17に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第1のスピン流生成領域34-1、第1のスピン流生成領域34-1の一方の端面にオーミック接合され、電子を第1のスピン流生成領域34-1に注入する第1の第1主電極24-1、第1のスピン流生成領域34-1の第1の第1主電極24-1が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第1のスピン流生成領域34-1に注入する第1の第2主電極44-1、第1のスピン流生成領域34-1の第1の第1主電極24-1が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第1の検出電極54-1を備える第1のスピン流変換素子14-1と;第1のスピン流生成領域34-1と第1の検出電極54-1を介して接続されるように、第1のスピン流生成領域34-1と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第2のスピン流生成領域34-2、第2のスピン流生成領域34-2の一方の端面にオーミック接合され、電子を第2のスピン流生成領域34-2に注入する第2の第1主電極24-2、第2のスピン流生成領域34-2の第2の第1主電極24-2が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第2のスピン流生成領域34-2に注入する第2の第2主電極44-2、第2のスピン流生成領域34-2の第2の第1主電極24-2が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第2の検出電極54-2を備える第2のスピン流変換素子14-2と;第2のスピン流生成領域34-2と第2の検出電極54-2を介して接続されるように、第1のスピン流生成領域34-1,第2のスピン流生成領域34-2と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第3のスピン流生成領域34-3、第3のスピン流生成領域34-3の一方の端面にオーミック接合され、電子を第3のスピン流生成領域34-3に注入する第3の第1主電極24-3、第3のスピン流生成領域34-3の第3の第1主電極24-3が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第3のスピン流生成領域34-3に注入する第3の第2主電極44-3、第3のスピン流生成領域34-3の第3の第1主電極24-3が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第3の検出電極54-3を備える第3のスピン流変換素子14-3と;……;第(n−1)のスピン流生成領域(図示省略)と第(n−1)の検出電極(図示省略)を介して接続されるように、第1のスピン流生成領域34-1,第2のスピン流生成領域34-2,第3のスピン流生成領域34-3,…,第(n−1)のスピン流生成領域と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第nのスピン流生成領域34-n、第nのスピン流生成領域34-nの一方の端面にオーミック接合され、電子を第nのスピン流生成領域34-nに注入する第nの第1主電極24-n、第nのスピン流生成領域34-nの第nの第1主電極24-nが配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第nのスピン流生成領域34-nに注入する第nの第2主電極44-n、第nのスピン流生成領域34-nの第nの第1主電極24-nが配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第nの検出電極54-nを備える第nのスピン流変換素子14-nと;このようにタンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子14-1〜14-nがそれぞれ備える第1主電極24-1〜24-nと第2主電極44-1〜44-nとの間にそれぞれ直流のバイアス電圧を並列的に印加する直流電源5とを備え、高強度のスピン流を発生する。
上記のように、本発明は第1〜第5の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
Sijb…第2スイッチ
Sijc…第3スイッチ
Vija…第1直流電源
Vijb…第2直流電源
1,2,3,…ビット線
1A.2A,3A…第1のワード線
1B,2B,3B…第2のワード線
1C.2C,3C…第3のワード線
5…直流電源
6…直流電源
7…交流電源
9…ロックイン増幅器
10,11,14-1〜14-n…スピン流変換素子
12…論理演算素子
20,22,23,24-1〜24-n…第1主電極
30,34-1〜34-n…スピン流生成領域
40,44-1〜44-n,…第2主電極
50,51a,51b,54-1〜54-n…検出電極
60ij…磁化自由層
61ij…非磁性層
62ij…磁化固定層
Claims (4)
- 互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第1端面にオーミック接続し、第1導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第1主電極と、
前記第2端面にオーミック接続し、第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第2主電極
とを備え、前記第1端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記スピン流生成領域における異常ホール効果によってスピン流を得ることを特徴とするスピントロニクス装置。 - 前記同一方向に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極を更に備え、前記第1主電極と前記検出電極との間の抵抗測定により、前記スピン流の存在を検出することを特徴とする請求項1に記載のスピントロニクス装置。
- 互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第1端面にオーミック接続し、第1導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第1主電極と、
前記第2端面にオーミック接続し、第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第2主電極と、
前記第1端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極
とを備え、前記第1端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記検出電極の磁化の方向を入力信号、前記第1主電極と前記検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。 - 互いに平行に対向する第1端面及び第2端面を有し、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第1端面にオーミック接続し、第1導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第1主電極と、
前記第2端面にオーミック接続し、第2導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第2主電極と、
前記第1端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極
とを備え、前記第1端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第1導電型キャリアと第2導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記外部磁場の方向を第1の入力信号、前記第2主電極の磁化の方向を第2の入力信号、前記第1主電極と前記第2主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
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