JP6066091B2 - 熱電変換素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スピンゼーベック効果及び逆スピンホール効果を利用した熱電変換素子、及びその製造方法に関する。

近年、「スピントロニクス（spintronics）」と呼ばれる電子技術が脚光を浴びている。エレクトロニクスは、電子の１つの性質である「電荷」だけを利用するが、スピントロニクスは、それに加えて、電子の他の性質である「スピン」をも積極的に利用する。特に、電子のスピン角運動量の流れである「スピン流（spin-current）」は重要な概念である。スピン流のエネルギー散逸は少ないため、スピン流を利用することによって高効率な情報伝達を実現できる可能性がある。従って、スピン流の生成、検出、制御は重要なテーマである。

例えば、電流が流れるとスピン流が生成される現象が知られている。これは、「スピンホール効果（spin-Hall
effect）」と呼ばれている。また、その逆の現象として、スピン流が流れると起電力が発生することも知られている。これは、「逆スピンホール効果（inverse spin-Hall effect）」と呼ばれている。逆スピンホール効果を利用することによって、スピン流を検出することができる。尚、スピンホール効果も逆スピンホール効果も、「スピン軌道相互作用（spin orbit coupling）」が大きな物質（例：Ｐｔ、Ａｕ）において有意に発現する。

また、最近の研究により、磁性体における「スピンゼーベック効果（spin-Seebeck effect）」の存在も明らかになっている。スピンゼーベック効果とは、磁性体に温度勾配が印加されると、温度勾配と平行方向にスピン流が誘起される現象である（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２を参照）。すなわち、スピンゼーベック効果により、熱がスピン流に変換される（熱スピン流変換）。特許文献１では、強磁性金属であるＮｉＦｅ膜におけるスピンゼーベック効果が報告されている。非特許文献１、２では、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）といった磁性絶縁体と金属膜との界面におけるスピンゼーベック効果が報告されている。

尚、温度勾配によって誘起されたスピン流は、上述の逆スピンホール効果を利用して電界（電流、電圧）に変換することが可能である。つまり、スピンゼーベック効果と逆スピンホール効果を併せて利用することによって、温度勾配を電気に変換する「熱電変換」が可能となる。

図１は、特許文献１に開示されている熱電変換素子の構成を示している。サファイア基板１０１の上に熱スピン流変換部１０２が形成されている。熱スピン流変換部１０２は、Ｔａ膜１０３、ＰｄＰｔＭｎ膜１０４及びＮｉＦｅ膜１０５の積層構造を有している。ＮｉＦｅ膜１０５は、面内方向の磁化を有している。更に、ＮｉＦｅ膜１０５上にはＰｔ電極１０６が形成されており、そのＰｔ電極１０６の両端は端子１０７−１、１０７−２にそれぞれ接続されている。

このように構成された熱電変換素子において、ＮｉＦｅ膜１０５が、スピンゼーベック効果によって温度勾配からスピン流を生成する役割を果たし、Ｐｔ電極１０６が、逆スピンホール効果によってスピン流から起電力を生成する役割を果たす。具体的には、ＮｉＦｅ膜１０５の面内方向に温度勾配が印加されると、スピンゼーベック効果により、その温度勾配と平行な方向にスピン流が発生する。すると、ＮｉＦｅ膜１０５からＰｔ電極１０６にスピン流が流れ込む、あるいは、Ｐｔ電極１０６からＮｉＦｅ膜１０５にスピン流が流れ出す。Ｐｔ電極１０６では、逆スピンホール効果により、スピン流方向とＮｉＦｅ磁化方向とに直交する方向に起電力が生成される。その起電力は、Ｐｔ電極１０６の両端に設けられた端子１０７−１、１０７−２から取り出すことができる。

他の関連技術として、特許文献２は、熱電半導体を使用した熱電素子に用いられる電極材を開示している。その電極材は、低熱膨張金属材料からなるコア材と、そのコア材の表面にクラッドされた低抵抗金属材料層とを具備する。

特開２００９−１３００７０号公報 特開２００４−６３５８５号公報

Uchida et al., "SpinSeebeck insulator", Nature Materials, 2010, vol. 9,p.894. Uchida et al., "Observationof longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators", Applied Physics Letters, 2010, vol.97, p172505.

図１で示された熱電変換素子のＰｔ電極１０６では、逆スピンホール効果により、スピン流から起電力が生成される。しかしながら、その起電力により駆動される電流の一部は、逆過程のスピンホール効果により、スピン流に変換されてしまう。つまり、逆スピンホール効果によってスピン流から生成された電流の一部が、逆過程により失われてしまう。このことは、熱電変換効率の低下を招く。

本発明の目的は、逆スピンホール効果を利用した熱電変換素子において、逆過程のスピンホール効果による熱電変換効率の低下を抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の１つの観点において、熱電変換素子が提供される。その熱電変換素子は、磁性体層と、磁性体層上に形成された電極層と、を備える。電極層は、第１領域と、第１領域よりもスピン流−電流変換効率及び抵抗率が低い第２領域と、を含む。

本発明によれば、逆スピンホール効果を利用した熱電変換素子において、逆過程のスピンホール効果による熱電変換効率の低下を抑制することが可能となる。

上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。

図１は、特許文献１に記載されている熱電変換素子を概略的に示す斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換素子の構成を概略的に示す斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換素子の変換電極及び導電電極の特性を示す概念図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換素子の他の構成を示す概略図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子の構成を概略的に示す斜視図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子の変換電極及び導電電極の特性を示す概念図である。 図７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子の外部接続端子の構成例を示す概略図である。 図７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子の外部接続端子の他の構成例を示す概略図である。 図７Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子の外部接続端子の更に他の構成例を示す概略図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換素子の他の構成を示す概略図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換素子の構成例を示す概略図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換素子の他の構成例を示す概略図である。 図１１は、本発明の第４の実施の形態に係る熱電変換素子の構成を概略的に示す斜視図である。 図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る熱電変換素子の構成例を示す概略図である。 図１３は、本発明の第４の実施の形態に係る熱電変換素子の他の構成例を示す概略図である。 図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る熱電変換素子の更に他の構成例を示す概略図である。 図１５は、本発明の第５の実施の形態に係る熱電変換素子の構成を概略的に示す斜視図である。 図１６は、本発明の実施の形態に係る熱電変換素子の構成を要約的に示す概念図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る熱電変換素子を説明する。

１．第１の実施の形態
図２は、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１の構成を概略的に示す斜視図である。熱電変換素子１は、基板１０、磁性体層２０、電極層６０、及び一対の外部接続端子５０（５０−１，５０−２）を備えている。磁性体層２０は基板１０上に形成されており、電極層６０は磁性体層２０上に形成されている。つまり、基板１０、磁性体層２０、及び電極層６０は、この順番で積層されている。この積層方向は、以下、ｚ方向と参照される。ｚ方向と直交する面内方向は、ｘ方向とｙ方向である。ｘ方向とｙ方向は、互いに直交している。

磁性体層２０は、スピンゼーベック効果を発現する熱−スピン流変換部である。つまり、磁性体層２０は、スピンゼーベック効果によって温度勾配∇Ｔからスピン流Ｊｓを生成（駆動）する。スピン流Ｊｓの方向は、温度勾配∇Ｔの方向と平行あるいは反平行である。図２で示される例では、＋ｚ方向の温度勾配∇Ｔが印加され、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向に沿ったスピン流Ｊｓが生成される。

磁性体層２０の材料は、強磁性金属であってもよいし、磁性絶縁体であってもよい。強磁性金属としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどが挙げられる。磁性絶縁体としては、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ，Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）、ビスマス（Ｂｉ）をドープしたＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）、ランタン（Ｌａ）を添加したＹＩＧ（ＬａＹ_２Ｆｅ_５Ｏ_１２）、イットリウムガリウム鉄ガーネット（Ｙ_３Ｆｅ_５−ｘＧａ_ｘＯ_１２）などが挙げられる。尚、電子による熱伝導を抑えるという観点から言えば、磁性絶縁体を用いることが望ましい。

電極層６０は、変換電極３０（第１電極膜）と導電電極４０（第２電極膜）を含んでいる。本実施の形態では、変換電極３０と導電電極４０は、ｚ方向に分布している。より詳細には、変換電極３０は磁性体層２０上に形成されており、導電電極４０は変換電極３０上に形成されている。つまり、変換電極３０は、ｚ方向において、磁性体層２０と導電電極４０との間に位置している。

変換電極３０は、逆スピンホール効果（スピン軌道相互作用）を発現するスピン流−電流変換部である。つまり、変換電極３０は、逆スピンホール効果によって上記スピン流Ｊｓから起電力を発生する。ここで、発生する起電力の方向は、磁性体層２０の磁化Ｍの方向と温度勾配∇Ｔの方向との外積で与えられる（Ｅ//Ｍ×∇Ｔ）。本実施の形態では、効率的な電力生成のため、起電力の方向が変換電極３０の面内方向となるように素子が構成されている。例えば、図２に示されるように、磁性体層２０の磁化Ｍの方向は＋ｙ方向であり、温度勾配∇Ｔの方向は＋ｚ方向であり、起電力の方向は＋ｘ方向である。

変換電極３０の材料は、「スピン軌道相互作用」の大きな金属材料を含有する。例えば、スピン軌道相互作用の比較的大きなＡｕやＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、その他ｆ軌道を有する金属材料、またはそれらを含有する合金材料を用いる。また、Ｃｕなどの一般的な金属膜材料に、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒなどの材料を０．５〜１０％程度ドープするだけでも、同様の効果を得ることができる。

尚、効率の観点から言えば、変換電極３０の膜厚を、材料に依存する「スピン拡散長（スピン緩和長）」程度に設定することが望ましい。例えば、変換電極３０がＰｔ膜である場合、その膜厚を１０〜３０ｎｍ程度に設定することが好ましい。

導電電極４０は、変換電極３０と接触するように変換電極３０上に形成されている。更に、２個の外部接続端子５０−１、５０−２が、導電電極４０と接触するように、且つ、ｘ方向に離間して形成されている。起電力が発生しているとき、外部接続端子５０−１、５０−２の電位は互いに異なっている。これら外部接続端子５０−１、５０−２を用いることにより、変換電極３０で発生した電流（電力）を取り出すことができる。

尚、変換電極３０や導電電極４０材料は、金属材料や合金材料に限られない。変換電極３０は、例えば、ＩＴＯなどの酸化物であってもよい。また、導電電極４０は、例えば、グラフェンなどの炭素系材料であってもよい。

図３は、本実施の形態に係る変換電極３０及び導電電極４０の特性を示している。特性として、「シート抵抗」と「スピン流−電流変換効率」を考える。スピン流−電流変換効率は、スピン軌道相互作用（スピンホール効果、逆スピンホール効果）によるスピン流と電流との変換効率である。スピン流−電流変換効率は、近似的に、いわゆる「スピンホール角」と考えることもできる。尚、スピン流−電流変換効率の測定方法は、例えば、次の文献に記載されている： Niimi et al., “Extrinsic Spin Hall Effect
Induced by Iridium Impurities in Copper”, Physical
Review Letters, 106, 126601, 2011。

本実施の形態によれば、導電電極４０のシート抵抗は、変換電極３０のシート抵抗よりも低い。また、導電電極４０のスピン流−電流変換効率は、変換電極３０のスピン流−電流変換効率よりも低い。すなわち、変換電極３０と比較して、導電電極４０では電流がより流れやすく、且つ、スピン流−電流変換がより起こりにくい。

変換電極３０では、逆スピンホール効果が強く発現し、スピン流Ｊｓが高効率で電流に変換される。変換電極３０で発生した電流の大部分は、変換電極３０よりもシート抵抗が低い導電電極４０の方に流れる。導電電極４０では、スピンホール効果はほとんど発現せず、電流はほとんどスピン流に変換されない。すなわち、逆スピンホール効果によってスピン流Ｊｓから変換された電流の一部が、スピンホール効果によってスピン流に戻ってしまうことがほぼ防止される。従って、電極層６０における電流の損失が大幅に低減される。このことは、熱電変換効率の向上を意味する。

変換電極３０と導電電極４０の材料の組み合わせとしては、様々考えられる。例えば、変換電極３０の材料はＰｔ（抵抗率＝１０４ｎΩ・ｍ）であり、導電電極４０の材料はＣｕ（抵抗率＝１７ｎΩ・ｍ）である。この場合、変換電極３０と導電電極４０は、別々に形成される。

あるいは、変換電極３０と導電電極４０は、一体的に形成されてもよい。例えば、変換電極３０の材料がＩｒドープＣｕであり、導電電極４０の材料がノンドープＣｕであってもよい。ＩｒドープＣｕでは、Ｉｒ原子によりスピン流−電流変換が高効率で起こることが知られている。このような組み合わせの場合、Ｃｕ成膜中にＩｒドープを適宜制御することによって、変換電極３０と導電電極４０を連続的に形成することが可能であり、製造プロセスの観点から好適である。

また、変換電極３０の材料がＦｅドープＡｕであり、導電電極４０の材料がノンドープＡｕであってもよい。ＦｅドープＡｕでは、Ｆｅ原子によりスピン流−電流変換が高効率で起こることが知られている。このような組み合わせの場合、Ａｕ成膜中にＦｅドープを適宜制御することによって、変換電極３０と導電電極４０を連続的に形成することが可能であり、製造プロセスの観点から好適である。

このように、変換電極３０と導電電極４０との間には明確な境界がなくてもよい。より一般的には、図４に示されるように、電極層６０においてドープ量の不均一が形成されていればよい。図４において、電極層６０は、変換電極３０に相当する領域（以下、「変換領域３０」と参照される）と、導電電極４０に相当する領域（以下、「導電領域４０」と参照される）を含んでいる。変換領域３０は、ｚ方向において、磁性体層２０と導電領域４０との間に位置している。例えば、電極層６０の材料がＩｒドープＣｕである場合を考えると、変換領域３０は高濃度Ｉｒ領域であり、導電領域４０は低濃度Ｉｒ領域である。つまり、導電領域４０よりも変換領域３０の方がＩｒ濃度が高くなるように、Ｉｒドープ量が制御される。ＦｅドープＡｕの場合も同様である。その結果、抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、変換領域３０において比較的高くなり、導電領域４０において比較的低くなる。尚、抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、磁性体層２０から遠ざかるにつれて、序々に低くなってもよい。

２．第２の実施の形態
図５は、第２の実施の形態に係る熱電変換素子１の構成を概略的に示す斜視図である。第２の実施の形態は、上述の第１の実施の形態と比較して、電極層６０における変換電極（変換領域）３０と導電電極（導電領域）４０の位置関係が反転している。具体的には、導電電極４０が磁性体層２０上に形成されており、変換電極３０は導電電極４０上に形成されている。つまり、導電電極４０が、ｚ方向において、磁性体層２０と変換電極３０との間に位置している。その他の構成は同様であり、重複する説明は適宜省略される。

図６は、本実施の形態に係る変換電極３０及び導電電極４０の特性を示している。第１の実施の形態と同じく、導電電極４０のシート抵抗は、変換電極３０のシート抵抗よりも低い。また、導電電極４０のスピン流−電流変換効率は、変換電極３０のスピン流−電流変換効率よりも低い。すなわち、変換電極３０と比較して、導電電極４０では電流がより流れやすく、且つ、スピン流−電流変換がより起こりにくい。変換電極３０と導電電極４０の材料は、第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、磁性体層２０で生成されたスピン流Ｊｓは、導電電極４０を介して、変換電極３０に到達する。導電電極４０において多少緩和されるものの、ある程度のスピン流Ｊｓは変換電極３０に到達する。よって、第１の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。すなわち、電極層６０における逆過程による電流の損失が低減される。尚、導電電極４０の膜厚は、その導電電極４０の材料のスピン拡散長（スピン緩和長）未満に設定することが望ましい。

尚、本実施の形態では、導電電極４０の上に変換電極３０が存在するため、外部接続端子５０−１、５０−２の形成に工夫の余地がある。例えば、図７Ａに示されるように、導電電極４０は変換電極３０よりも大きく形成され、導電電極４０の上面の露出部に接触するように外部接続端子５０−１、５０−２が形成される。あるいは、図７Ｂに示されるように、導電電極４０と変換電極３０の積層構造の端部が斜め方向に除去され、その除去部分に外部接続端子５０−１、５０−２が形成されてもよい。あるいは、図７Ｃに示されるように、導電電極４０と変換電極３０の材料が、例えば、加熱等の手段を用いて部分的に混合されることにより、外部接続端子５０−１、５０−２が形成されてもよい。あるいは、同じく図７Ｃに示されるように、導電電極４０と変換電極３０の積層構造が、例えば、原子や分子の拡散、あるいは、原子や分子の注入等の手段を用いて、部分的に低抵抗化されることにより、外部接続端子５０−１、５０−２が形成されてもよい。図７Ａ〜図７Ｃの場合、図５の場合に比べて、導電電極４０と外部接続端子５０−１、５０−２との接触面積が大きくなり、好適である。

また、第１の実施の形態と同様に、変換電極３０と導電電極４０との間には明確な境界がなくてもよい。図８に示されるように、電極層６０は、変換領域３０と導電領域４０を含んでいてもよい。導電領域４０は、ｚ方向において、磁性体層２０と変換領域３０との間に位置している。例えば、電極層６０の材料がＩｒドープＣｕである場合を考えると、変換領域３０は高濃度Ｉｒ領域であり、導電領域４０は低濃度Ｉｒ領域である。つまり、導電領域４０よりも変換領域３０の方がＩｒ濃度が高くなるように、Ｉｒドープ量が制御される。ＦｅドープＡｕの場合も同様である。その結果、抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、変換領域３０において比較的高くなり、導電領域４０において比較的低くなる。尚、抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、磁性体層２０から遠ざかるにつれて、序々に高くなってもよい。

３．第３の実施の形態
電極層６０の抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、磁性体層２０から遠ざかるにつれて、必ずしも単調に増加あるいは減少しなくてもよい。例えば、図９に示される構成では、磁性体層２０上に導電電極４０が形成され、その導電電極４０上に変換電極３０が形成され、更にその変換電極３０上に他の導電電極４０が形成されている。他の例として、図１０に示される構成では、磁性体層２０上に変換領域３０が形成され、その変換領域３０上に導電領域４０が形成され、更にその導電領域４０上に他の変換領域３０が形成されている。このような構成によっても、既出の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。すなわち、電極層６０における逆過程による電流の損失が低減される。

４．第４の実施の形態
既出の実施の形態では、変換電極（変換領域）３０と導電電極（導電領域）４０が、電極層６０中でｚ方向に分布していた。しかし、それらの位置関係はそれに限られない。第４の実施の形態では、変換電極（変換領域）３０と導電電極（導電領域）４０が電極層６０の面内方向に分布している場合を説明する。

図１１は、第４の実施の形態に係る熱電変換素子１の構成を概略的に示す斜視図である。電極層６０は、変換電極３０と導電電極４０を含んでいる。それら変換電極３０と導電電極４０は、共に磁性体層２０上に形成されており、面内方向に分布している。また、外部接続端子５０−１、５０−２は、導電電極４０と接触するように形成されている。

図１２は、本実施の形態における電極層６０の構成例（ｘｙ面内）を示している。図１２に示される例では、複数の導電電極４０が起電力方向（ｘ方向）に延在するように形成されており、変換電極３０はそれら複数の導電電極４０の間に挟まれるように形成されている。また、外部接続端子５０−１、５０−２が、各導電電極４０の両端にそれぞれ設けられている。

図１３は、本実施の形態における電極層６０の他の構成例（ｘｙ面内）を示している。図１３に示される例では、導電電極４０が“はしご状”に形成されており、変換電極３０は導電電極４０の隙間に形成されている。また、外部接続端子５０−１、５０−２が、ｘ方向における導電電極４０の両端に設けられている。

いずれの場合であっても、変換電極３０では、逆スピンホール効果が強く発現し、スピン流Ｊｓが高効率で電流に変換される。変換電極３０で発生した電流の大部分は、変換電極３０よりもシート抵抗が低い導電電極４０の方に流れる。導電電極４０では、スピンホール効果はほとんど発現せず、電流はほとんどスピン流に変換されない。すなわち、既出の実施の形態と同じ効果が得られる。

尚、図１３で示されたように、導電電極４０が起電力方向（ｘ方向）と交差する方向に延びる部分を有している場合、変換電極３０から当該部分に電子が入射し易く、好適である。

また、既出の実施の形態と同様に、変換電極３０と導電電極４０との間には明確な境界がなくてもよい。図１４に示されるように、電極層６０は、変換領域３０と導電領域４０を含んでいてもよい。それら変換領域３０と導電領域４０は、電極層６０の面内方向に分布している。例えば、電極層６０の材料がＩｒドープＣｕである場合を考えると、変換領域３０は高濃度Ｉｒ領域であり、導電領域４０は低濃度Ｉｒ領域である。つまり、導電領域４０よりも変換領域３０の方がＩｒ濃度が高くなるように、Ｉｒドープ量が制御される。ＦｅドープＡｕの場合も同様である。その結果、抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、変換領域３０において比較的高くなり、導電領域４０において比較的低くなる。

５．第５の実施の形態
図１５は、第５の実施の形態に係る熱電変換素子１の構成を概略的に示す斜視図である。第５の実施の形態では、温度勾配∇Ｔは、積層方向（ｚ方向）ではなく、面内方向（ｙ方向）に与えられる。より詳細には、磁性体層２０がｙ方向に延在するように形成されており、電極層６０はその磁性体層２０の一部の上に形成されている。ｙ方向の温度勾配∇Ｔが印加されたとき、磁性体層２０の中ではｙ方向に沿ったスピン流Ｊｓが生成されるが、磁性体層２０と電極層６０との界面においてそのスピン流Ｊｓの方向はｚ方向に変わる。従って、上記の実施の形態の場合と同じく、ｘ方向に起電力が発生する。尚、電極層６０の構成は、既出の実施の形態のいずれでも構わない。

６．まとめ
図１６は、本発明の実施の形態に係る熱電変換素子１の構成を要約的に示している。磁性体層２０上に形成された電極層６０は、変換領域３０と導電領域４０を含んでいる。抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、変換領域３０の方が高く、導電領域４０の方が低い。このようなパラメータの差を実現するために、例えば、変換領域３０と導電領域４０は、それぞれ異なる電極膜（変換電極３０、導電電極４０）で形成される（図２、図５、図９、図１１参照）。あるいは、電極層６０におけるドープ濃度の不均一によって、そのようなパラメータの差が実現されてもよい（図４、図８、図１０、図１４参照）。

また、変換領域３０と導電領域４０の位置関係としては、様々考えられる。例えば、第１の実施の形態で示されたように、変換領域３０が、ｚ方向において、磁性体層２０と導電領域４０との間に位置していてもよい。あるいは、第２の実施の形態で示されたように、導電領域４０が、ｚ方向において、磁性体層２０と変換領域３０との間に位置していてもよい。あるいは、第３の実施の形態で示されたように、変換領域３０と導電領域４０は、電極層６０の面内方向に分布していてもよい。

このように構成された熱電変換素子１の機能は、次の通りである。磁性体層２０で生成されたスピン流Ｊｓは、電極層６０を流れる。電極層６０の変換領域３０では、逆スピンホール効果が強く発現し、スピン流Ｊｓが高効率で電流に変換される。変換領域３０で発生した電流の大部分は、変換領域３０よりも低抵抗な導電領域４０の方に流れる。

導電領域４０では、スピンホール効果はほとんど発現せず、電流はほとんどスピン流に変換されない。すなわち、逆スピンホール効果によってスピン流Ｊｓから変換された電流の一部が、スピンホール効果によってスピン流に戻ってしまうことがほぼ防止される。従って、電極層６０における電流の損失が低減される。

また、電極層６０の導電領域４０と接触するように形成された外部接続端子５０−１、５０−２から電力を取り出すことができる。

製造方法は、次の通りである。まず、磁性体層２０が形成される。その後、変換領域３０及び導電領域４０を含む電極層６０が、磁性体層２０上に形成される。ここで、抵抗率及びスピン流−電流変換効率といったパラメータは、変換領域３０の方が高く、導電領域４０の方が低い。このようなパラメータの差を実現するために、例えば、変換領域３０と導電領域４０は、それぞれ異なる電極膜（変換電極３０、導電電極４０）で形成される（図２、図５、図９、図１１参照）。あるいは、電極層６０におけるドープ濃度の不均一によって、そのようなパラメータの差が実現されてもよい（図４、図８、図１０、図１４参照）。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
磁性体層と、
前記磁性体層上に形成された電極層と
を備え、
前記電極層は、
第１領域と、
前記第１領域よりもスピン流−電流変換効率及び抵抗率が低い第２領域と
を含む
熱電変換素子。

（付記２）
付記１に記載の熱電変換素子であって、
更に、
前記電極層の前記第２領域と接触するように形成された外部接続端子
を備える
熱電変換素子。

（付記３）
付記１又は２に記載の熱電変換素子であって、
前記磁性体層と前記電極層の積層方向が第１方向であるとき、
前記第１領域と前記第２領域は、前記第１方向に分布している
熱電変換素子。

（付記４）
付記３に記載の熱電変換素子であって、
前記第１領域は、前記第１方向において、前記磁性体層と前記第２領域との間に位置している
熱電変換素子。

（付記５）
付記３に記載の熱電変換素子であって、
前記第２領域は、前記第１方向において、前記磁性体層と前記第１領域との間に位置している
熱電変換素子。

（付記６）
付記１又は２に記載の熱電変換素子であって、
前記第１領域と前記第２領域は、前記電極層の面内方向に分布している
熱電変換素子。

（付記７）
付記１乃至６のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記第１領域は、第１電極膜であり、
前記第２領域は、前記第１電極膜と異なる材料で形成された第２電極膜であり、
スピン流−電流変換効率及びシート抵抗は、前記第２電極膜の方が前記第１電極膜よりも低い
熱電変換素子。

（付記８）
付記７に記載の熱電変換素子であって、
前記第１電極膜の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、その他ｆ軌道を有する金属、あるいは、それらのうち任意のものの合金を含んでいる
熱電変換素子。

（付記９）
付記１乃至６のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記電極層の材料は、ＩｒドープＣｕを含んでおり、
Ｉｒ濃度は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも高い
熱電変換素子。

（付記１０）
付記１乃至６のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
前記電極層の材料は、ＦｅドープＡｕを含んでおり、
Ｆｅ濃度は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも高い
熱電変換素子。

（付記１１）
磁性体層を形成するステップと、
第１領域と前記第１領域よりもスピン流−電流変換効率及び抵抗率が低い第２領域とを含む電極層を前記磁性体層上に形成するステップと
を含む
熱電変換素子の製造方法。

本出願は、２０１１年９月２７日に出願された日本国特許出願２０１１−２１０５４５及び２０１２年２月２９日に出願された日本国特許出願２０１２−０４４１４８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

1. 磁性体層と、
   前記磁性体層上に形成された電極層と
   を備え、
   前記電極層は、
   第１領域と、
   前記第１領域よりもスピン流−電流変換効率及び抵抗率が低い第２領域と
   を含み、
   前記電極層の前記第２領域と接触するように形成された外部接続端子
   を更に備える
   熱電変換素子。
2. 請求項１に記載の熱電変換素子であって、
   前記磁性体層と前記電極層の積層方向が第１方向であるとき、
   前記第１領域と前記第２領域は、前記第１方向に分布している
   熱電変換素子。
3. 請求項２に記載の熱電変換素子であって、
   前記第１領域は、前記第１方向において、前記磁性体層と前記第２領域との間に位置している
   熱電変換素子。
4. 請求項２に記載の熱電変換素子であって、
   前記第２領域は、前記第１方向において、前記磁性体層と前記第１領域との間に位置している
   熱電変換素子。
5. 請求項１に記載の熱電変換素子であって、
   前記第１領域と前記第２領域は、前記電極層の面内方向に分布している
   熱電変換素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
   前記第１領域は、第１電極膜であり、
   前記第２領域は、前記第１電極膜と異なる材料で形成された第２電極膜であり、
   スピン流−電流変換効率及びシート抵抗は、前記第２電極膜の方が前記第１電極膜よりも低い
   熱電変換素子。
7. 請求項６に記載の熱電変換素子であって、
   前記第１電極膜の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、その他ｆ軌道を有する金属、あるいは、それらのうち任意のものの合金を含んでいる
   熱電変換素子。
8. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
   前記電極層の材料は、ＩｒドープＣｕを含んでおり、
   Ｉｒ濃度は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも高い
   熱電変換素子。
9. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱電変換素子であって、
   前記電極層の材料は、ＦｅドープＡｕを含んでおり、
   Ｆｅ濃度は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも高い
   熱電変換素子。
10. 磁性体層を形成するステップと、
    第１領域と前記第１領域よりもスピン流−電流変換効率及び抵抗率が低い第２領域とを含む電極層を前記磁性体層上に形成するステップと、
    前記電極層の前記第２領域と接触する外部接続端子を形成するステップと
    を含む
    熱電変換素子の製造方法。
    

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