JP6124320B2 - スピン電子メモリ、情報記録方法及び情報再生方法 - Google Patents

スピン電子メモリ、情報記録方法及び情報再生方法 Download PDF

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Description

本発明は、電子スピンを用いて多値情報のメモリ動作が可能なスピン電子メモリ、該スピン電子メモリを用いた情報記録方法及び情報再生方法に関する。
現代文明を支えるコンピューターは、電子の流れである電流によって動作する。この電流を操作し、情報の記録・消去に応用したデバイスは、半導体によって構成されている。前記半導体中を流れる電子は、不純物やクーロン力による散乱を受けてジュール熱を発生させる。
このため、コンピューターには、冷却用のファンが必要である。また、前記ジュール熱によって入力エネルギーの一部が情報の記録・消去には利用できず、エネルギーロスが発生する。つまり、前記電子の散乱を抑制することが、前記電子デバイスの省電力化に向けた中心的な技術開発課題であることは疑う余地はない。
その一つの解決策として、従来から前記電子デバイスを極低温で動作させ、前記電子の散乱を抑制する方法がある。例えば、超伝導体を用いることがそれに相当する。前記超伝導体では電子散乱はゼロになるので、電気抵抗がなくジュール熱も発生しない。したがって、前記電子散乱が発生しない。
しかし、この方法を用いた場合には、前記電子デバイスを数ケルビンの温度まで冷却する必要があり、このために費やすエネルギーを忘れてはならない。また、このような極低温状態を利用する電子デバイスを一般化して実用化することは、困難である。そのため、室温で前記電子散乱を抑えられる手段としては、満足できるものが存在していない状況にある。
しかしながら、２００７年ごろから状況が変わりつつある。物理学の理論として、トポロジカル絶縁体の理論的なモデルが提案されたためである。前記トポロジカル絶縁体とは、物体表面あるいは界面に生じる特殊な電子状態を利用した絶縁体であり、原子番号が比較的大きな元素の内核電子が光速に近い速さで運動するために生じる相対論的効果に基づいて説明される。
即ち、この電子の作用（スピン−軌道相互作用）によって、前記電子が形成するバンド構造のハミルトニアンにスピン−軌道相互作用の項が追加され、バンド構造とエネルギー固有値に変化が生じる。このとき、ある特殊な物質においては、真空表面での価電子帯の最上層部のバンドと伝導帯の最下部のバンドとが結合するが、他方、前記物質の内部ではバンドが開いたままの特殊なバンド構造が形成されることがある。
その結果、前記物質の表面あるいは界面では伝導体となるが、内部ではバンドがあるため絶縁体となるという、それまでに知られていなかった特殊な物性が出現する。このような特性をもつ物質を「トポロジカル絶縁体」と称す (非特許文献１参照）。
前記トポロジカル絶縁体がもつ特殊な電子バンド構造は、時間反転対称性によって、前記物質の表面あるいは界面に存在する電子がスピンの異なる二つの電子スピン流に別れ、電圧を加えることなく流れ続けるという奇妙な特徴をもつ。このことは、裏返せば、前記不純物などによる前記電子散乱を受けないという重要な性質をもっていることと同じである。また、例えば、前記時間反転対称性を壊すような外部磁場がなければ、この特性は、非常に強固に保存される。なお、前記トポロジカル絶縁体の名称は、こうした前記電子バンド構造の有する特性が数学のトポロジー多面体論と類似した性質をもつことに由来する（非特許文献１参照)。
前記トポロジカル絶縁体の存在が理論的に予言されて以来、実際にこの奇妙な性質をもつ材料の探索が始まった。その結果、結晶性の高いビスマス−テルル合金、アンチモン−テルル合金などが光電子分光法による実験から確認されたが、これらの実験に用いた単結晶は、熔融合金の冷却法等によって作製されたものであり、前記電子デバイスに直ちに応用できるものではない(非特許文献２参照)。
他方、本発明者らは、前記トポロジカル絶縁体とは全く関係なく、相変化型固体メモリの消費電力削減化に向けて、ゲルマニウム−テルルからなる結晶合金層とアンチモン−テルルからなる結晶合金層とを、それぞれの結晶合金層が有する（１１１）面軸とｃ軸とを整合させて積層させた超格子型相変化膜とし、ゲルマニウム原子の配列構造を結晶成長軸方向にスイッチさせてメモリ動作を可能にした超格子型相変化固体メモリを提案している（特許文献１、２及び非特許文献３参照）。
本発明者らは、この超格子型相変化固体メモリが、理想的なトポロジカル絶縁体になり得ることに気がついた。なぜなら、非特許文献１に見られるように、アンチモンとテルルの原子比率が２：３の結晶合金層（Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層）は、前記トポロジカル絶縁体とされる一方で、本発明者らの前記提案では、この結晶合金層を複数配し、これらをバンドギャップをもつゲルマニウムとテルルの原子比率が１：１の結晶合金層（ＧｅＴｅ結晶合金層）によって隔離させた構造を正に前記超格子型相変化固体メモリの記録層としているからである。ただ、確認すべきことは、ゲルマニウムとテルルからなる結晶合金層が、真空バンドと同様な作用を持っているか否かであるが、量子力学を用いた第一原理計算によって、この結晶合金層が真空バンドと同等の役割をなすことがシミュレーションによって確認された(特許文献３参照)。
それによれば、逆格子空間内のある点（ガンマ点）にして、フェルミバンド近傍で伝導帯の最下部と価電子帯の最上部のバンドが接するように一点でクロスする。この現象は、前記トポロジカル絶縁体のもつ特異的な特徴であり、このガンマ点は、実空間において、ちょうど前記ＧｅＴｅ結晶合金層の中心対称点にあたる。つまり、この層が前記電子の非散乱層となり、前記電子が二次元で自由に移動できる層であることが確認された（特許文献３参照）。
本発明者らは、前記Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層のブロック数（１ブロックは、約１ナノメートル）を変えながら前記第一原理計算を進めた結果、前記Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層が１ブロックでは前記トポロジカル絶縁体の特徴であるバンドクロスを示さず、少なくとも２ブロック数以上必要であることを見出した。
しかし、２ブロックより薄い層では、前記トポロジカル絶縁体にならない代わりに、逆格子空間内のガンマ点においてバンドの縮退が解れ、異なるエネルギー状態を持つ二つのスピンバンドに分裂する、いわゆるラシュバ効果が現れることを発見した。
この超格子型相変化膜がもつ前記ラシュバ効果は、これまで知られていた如何なる材料に比較して驚くほど大きく、前記第一原理計算によるシミュレーションでは、それらのスピンバンドの差で２００ｍｅＶにも達する。この大きさは、室温でさえスピン特性の違いを観測できるほど大きい（非特許文献４参照）。
また、シリコンウエハ上に前記Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層の厚みを変えた前記超格子型相変化膜を形成し、外部磁場を面直方向に加え分裂したスピン電子密度を変化させ、この状態を円偏光の光を入射させることで反射率の変化として測定した結果、前記ラシュバ効果は、２ｎｍより薄い前記Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層の場合に顕著で、それ以上の厚みでは、スピン分裂による反射率の差が小さい。このことは、逆を言えば、これ以上の厚みの前記超格子型相変化膜は、ラシュバ効果が小さく、前記トポロジカル絶縁体となっているものと結論付けられる。
つまり、前記ＧｅＴｅ結晶合金層と、厚みが２ｎｍより薄い前記Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層からなる積層膜は、前記ラシュバ効果を持つスピン流発生層となり、前記ＧｅＴｅ結晶合金層と、厚みが２ｎｍ以上の前記Ｓｂ２Ｔｅ３結晶合金層からなる積層膜は、スピン流を蓄積できるスピン流蓄積層となり得る。これらの二種類の結晶合金層を積層し、例えば、垂直方向に電場を加え、電子を注入すれば、スピン制御が可能であるばかりか、蓄積も可能なスピン電子メモリを提供できる（特許文献３参照）。
しかしながら、前記スピン電子メモリでは、前記トポロジカル絶縁体を用いた手法を用いてスピンを蓄積する場合、スピンを解放した状態とスピンを蓄積した状態の二つの異なる状態しか利用できないことから、多値情報の記録及び再生ができず、より大きなメモリ容量のスピン電子メモリの開発が求められていた。
特許４６２１８９７号公報 特許４６３５２３６号公報 国際公開第２０１３／１２５１０１号公報
H. Zhang et al. Nature Physics, 5, 438 (2009). Y. Xia et al. Nature Physics, 5, 398 (2009). J. Tominaga et al. Nature Nanotechnology, 6, 501 (2011). J. Tominaga et al. Applied Physics Letter, 99, 152105 (2011).
本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、多値情報を記録可能で、メモリ容量を大幅に増加可能なスピン電子メモリ、該スピン電子メモリを用いた情報記録方法及び情報再生方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 少なくとも、一対の電極と、ＳｂＴｅ、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＢｉＴｅ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｅ及びＢｉ２Ｓｅ３のいずれかを主成分として形成され、厚みが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である第１の合金層と、下記一般式（１）で表される合金を主成分として形成される第２の合金層とを積層させて形成され、前記電極間に配される記録層と、磁性材料で形成され、前記磁性材料が磁化された状態で前記記録層にスピンを注入するスピン注入層とを有し、前記記録層がｎを少なくとも２以上の整数として、ｎ層積層されるスピン電子メモリと、前記記録層に対し、前記記録層の一層ごとにスピンを飽和状態で蓄積させるのに必要な電圧値としてｎ段階の大きさに段階分けされた電圧値で電圧を加える電圧印加部と、を有することを特徴とする情報記録装置。
ただし、前記式（１）中、Ｍは、Ｇｅ、Ａｌ及びＳｉのいずれかの原子を示し、ｘは、０．５以上１未満の数値を示す。
＜２＞ 第１の合金層が六方晶の結晶構造を有するとともに第２の合金層が立方晶の結晶構造を有し、前記第１の合金層のｃ軸が積層方向に配向され、前記第２の合金層の（１１１）面が前記第１の合金層との隣接面に配向される前記＜１＞に記載の情報記録装置。
＜３＞ 第２の合金層がＧｅＴｅを主成分として形成される前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の情報記録装置。
＜４＞ 第２の合金層の厚みが０を超え４ｎｍ以下である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の情報記録装置。
＜５＞ 第２の合金層の下地として配され、これに積層される前記第２の合金層の積層面を（１１１）面に配向させる配向層を有する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の情報記録装置。
＜６＞ 配向層が第１の合金層と同じ組成を有し、かつ、同じ結晶構造を有する前記＜５＞に記載の情報記録装置。
＜７＞ スピン注入層の面に対して垂直方向の磁場を形成し、前記スピン注入層を介して記録層にスピンを注入する磁性部を有する前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の情報記録装置。
＜８＞ 前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の情報記録装置を用いた情報記録方法であって、ｎを少なくとも２以上の整数として、ｎ層積層される記録層に対し、前記記録層の一層ごとにスピンを飽和状態で蓄積させるのに必要な電圧値としてｎ段階の大きさに段階分けされた電圧値で電圧を加える工程を含むことを特徴とする情報記録方法。
＜９＞ 前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の情報記録装置を用いた情報再生方法であって、ｎを少なくとも２以上の整数として、ｎ層積層される記録層の抵抗値及び光反射率のいずれかの状態値を測定し、前記状態値に応じて前記記録層のうち情報が記録された前記記録層の層数を判定する工程を含むことを特徴とする情報再生方法。
本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、多値情報を記録可能で、メモリ容量を大幅に増加可能なスピン電子メモリ、該スピン電子メモリを用いた情報記録方法及び情報再生方法を提供することができる。
六方晶の第１の合金層及び配向層の結晶構造を示す説明図である。 立方晶の第２の合金層の結晶構造を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリの層構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリの電流電圧特性を説明する説明図である。 本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリの抵抗電圧特性を説明する説明図である。 本発明の実施例に係るスピン電子メモリの電流電圧特性を説明する説明図である。 本発明の実施例に係るスピン電子メモリの抵抗電圧特性を説明する説明図である。
（スピン電子メモリ）
本発明のスピン電子メモリは、少なくとも、一対の電極と、記録層と、スピン注入層とを有し、必要に応じて、配向層、磁性部等の部材を有する。
＜記録層＞
前記記録層は、第１の合金層と、第２の合金層を積層させて形成され、前記一対の電極間に配される。この記録層は、一層ごとにスピンを蓄積させることができ、前記スピン電子メモリは、前記記録層の積層数に応じて多値の情報を記録し再生することができる。
したがって、前記記録層としては、１層であってもよいが、少なくとも２層以上積層することで２値以上の多値情報を記録することができる。
前記第１の合金層は、ＳｂＴｅ、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＢｉＴｅ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｅ及びＢｉ２Ｓｅ３のいずれかを主成分として形成され、厚みが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とされる。
このように形成される前記第１の合金層は、前記トポロジカル絶縁体として作用し、前記スピン注入層から注入される前記スピンをその表面あるいは界面に存在させることができる。
なお、本明細書において「主成分」とは、層の基本単位格子を形成する元素であることを示す。
前記第１の合金層としては、特に制限はないが、六方晶の結晶構造を有するとともに、そのｃ軸が積層方向に配向されていることが好ましい。
このような結晶構造を有すると、その次に積層される層が、この層を下地として配向を生み出すテンプレートとなって、これら積層体の超格子構造が得られやすい。
前記第１の合金層の形成方法としては、特に制限はないが、ｃ軸配向の前記結晶構造が得られやすいことから、例えば、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが好ましい。
前記第２の合金層は、下記一般式（１）で表される合金を主成分として形成される。
この第２の合金層は、Ｍの配置によって、層の中心に空間反転対称性をもった構造からなる第１の結晶相と、前記空間反転対称性が崩れた第２の結晶相とに相変化可能とされる。前記第２の結晶相においては、強磁性体の磁気特性を有し、前記スピンを蓄積させることができる。
前記第２の合金層は、比較的弱い電圧を加えることで前記第１の結晶相から前記第２の結晶相に相変化可能とされる一方、比較的強い電圧を加えることで前記磁気特性のない第１の結晶相に相変化可能とされる。この特性を利用することで、前記スピンを蓄積可能な前記第２の結晶相をセット状態とし、前記スピンが解放された前記第１の結晶相をリセット状態としたメモリ動作が可能となる。
ただし、前記式（１）中、Ｍは、Ｇｅ、Ａｌ及びＳｉのいずれかの原子を示し、ｘは、０．５以上１未満の数値を示す。
前記一般式（１）で表される合金としては、中でも、誘電率の大きさから、ＧｅＴｅが好ましい。
前記第２の合金層の厚みとしては、特に制限はないが、０を超え４ｎｍ以下であることが好ましい。
前記厚みが４ｎｍを超えると、独立した固有の特性を示すことがあり、前記第１の合金層との積層構造体である前記記録層としての特性に影響を及ぼすことがある。
前記第２の合金層としては、特に制限はないが、立方晶の結晶構造を有するとともに、その（１１１）面が前記第１の合金層との隣接面に配されていることが好ましい。中でも、面心立方晶の結晶構造を有するとともに、その（１１１）面が前記第１の合金層との隣接面に配されていることがより好ましい。
このような結晶構造を有すると、その次に積層される層が、この層を下地として配向を生み出すテンプレートとなって、これら積層体の超格子構造が得られやすい。
前記第２の合金層の形成方法としては、特に制限はないが、ｃ軸配向の前記結晶構造が得られやすいことから、例えば、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、ＡＬＤ法、ＣＶＤ法等が好ましい。
＜スピン注入層＞
前記スピン注入層は、磁性材料で形成され、前記磁性材料が磁化された状態で前記記録層に前記スピンを注入する層として構成される。なお、前記スピンとは、スピン偏極した電子を示し、前記スピン注入層では、磁化された状態で電圧を加えることにより、前記記録層に伝導される電子のスピン特性を前記磁性材料により偏極させる役割を持つ。
前記磁性材料としては、特に制限はなく、公知の磁性メモリの磁性層形成材料として用いられる材料を挙げることができ、具体的には、ＴｂＦｅＣｏ、ＦｅＣｏ、ＭｎＣｒ、ＭｎＰｔ等が挙げられる。これらは強磁性体であり、前記スピンの配向が磁性層としての前記スピン注入層の面に対して垂直となる磁場を形成し、前記スピン注入層と並行して配される前記記録層に対して、前記スピンの配向を揃えた状態で伝導させる目的として利用できる。
前記スピン注入層の厚みとしては、特に制限はないが、１ｎｍ〜１０ｎｍが好ましい。
前記厚みが１ｎｍ未満であると、十分なスピン配向性が得られないことがあり、１０ｎｍを超えると、磁化が強くなり過ぎて、データの消去が困難となることがある。
また、前記スピン注入層の形成方法としては、特に制限はなく、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、ＡＬＤ法、ＣＶＤ法等が挙げられる。
また、前記スピン注入層を配する位置としては、前記スピンを前記記録層に注入するため、前記記録層に対して、前記記録層に電子を流入させる前記電極が配される側に配される。
＜電極＞
前記電極としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の半導体素子に用いられる電極を公知の方法により配して形成することができる。
＜配向層＞
前記スピン電子メモリにおいては、前記第１の合金層の結晶構造がｃ軸に配向され、前記第２の合金層の結晶構造の（１１１）面が前記第１の合金層との隣接面に配向される超格子構造を有すると、前記トポロジカル絶縁体及び前記相変化特性が得られやすい。
前記第１の合金層は、下地に制限なく、ｃ軸配向体として得られやすいが、前記第２の合金層は、このｃ軸配向体を下地として積層させないと、前記超格子構造が得られにくい。 そのため、前記第２の合金層を前記第１の合金層を下地として形成しない場合には、前記記録層（前記第２の合金層）の下地として配され、これに積層される前記記録層の第２の合金層の積層面を（１１１）面に配向させる前記配向層を設けることが好ましい。
前記配向層としては、このような役割を有する限り、特に制限はないが、製造工程を簡略化する観点から、前記第１の合金層と同じ組成を有し、かつ、同じ結晶構造を有することが好ましい。即ち、前記配向層としては、ＳｂＴｅ、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＢｉＴｅ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｅ及びＢｉ２Ｓｅ３のいずれかを主成分として形成され、六方晶の結晶構造を有し、その結晶方位がｃ軸に配向された結晶合金層であることが好ましい。
前記配向層の厚みとしては、３ｎｍ以上が好ましく、５ｎｍ以上がより好ましい。前記厚みが３ｎｍ未満であると、形成方法によっては、ｃ軸への配向強度が十分に得られないことがある。
なお、こうした観点から、前記スピン電子メモリとしては、前記第１の合金層を下地として、前記第２の合金層を積層させるよりも、これらの層の結晶構造を安定化させるため、前記配向層を下地として前記第２の合金層を積層させて製造することが好ましい。
ここで、前記第１の合金層、前記第２の合金層及び前記配向層の積層状態について、図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して説明する。なお、図１（ａ）は、六方晶の前記第１の合金層及び前記配向層の結晶構造を示す説明図であり、図１（ｂ）は、立方晶の前記第２の合金層の結晶構造を示す説明図である。
図１（ａ）に示すように、前記第１の合金層及び前記配向層として、六方晶である結晶合金層５１をｃ軸配向させると、隣接面５１ａは、六角形となる。このため、結晶合金層５１の表面に、前記第２の合金層として、立方晶である結晶合金層５２を堆積させると、図１（ｂ）に示す（１１１）面が隣接面５２ａとなる。即ち、立方晶の（１１１）面は、三角形であることから、ｃ軸配向した結晶合金層５１の隣接面５２ａと整合する。そのため、ｃ軸配向させた結晶合金層５１の表面に立方晶である結晶合金層５２を堆積させると、これらの隣接面５２ａを結晶合金層５２の（１１１）面とすることができる。これに対して、結晶合金層５１なしに結晶合金層５２を形成すると、結晶合金層５２は、例えば、（１００）面に配向してしまい、その結果、これらの積層体で形成される超格子構造に格子乱れが生じやすい。
＜磁性部＞
前記スピン電子メモリにおいては、前記スピンを前記記録層に注入する観点から、前記スピン注入層の形成後、前記スピン注入層の面に垂直の磁場を加えることで、前記スピン注入層を磁化させて、前記スピンの配向を揃える役割を付与する。この磁性部としては、前記スピン電子メモリに配することとしてもよいし、前記スピン注入層の形成後、その磁化状態を固定させた後、外してもよい。
前者の場合、更に、前記スピン注入層が形成する磁場の強さを補強する観点から、前記スピン注入層と並行して積層される層として配することで、磁化された前記スピン注入層の前記記録層に対する前記スピンの注入を補助させることとしてもよい。この場合、前記磁性部は、前記スピン注入層の面に対して垂直方向の磁場を形成し、前記スピン注入層を介して前記記録層にスピンを注入する磁性層として構成される。
また、後者の場合では、磁化状態が固定された前記スピン注入層が形成する磁場により前記スピンが前記記録層に注入される。
なお、前記磁性部としては、特に制限はなく、公知の永久磁石、電磁石等で構成することができる。
なお、前記スピン電子メモリは、前記配向層、前記磁性部のほか、必要に応じて、その他の部材を有することができる。前記その他の部材としては、本発明の効果を損なわない限り、特に制限はなく、公知の半導体メモリに用いられる部材等が挙げられる。
また、前記スピン電子メモリは、複数集積化させることで、スピン電子回路を構成することができる。前記スピン電子回路の回路構成としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の半導体回路を用いた回路構成とすることができる。
前記スピン電子メモリの構成例として、本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリ１０を図２を参照しつつ説明する。なお、図２は、本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリの層構成を示す断面図である。
スピン電子メモリ１０は、層状の下部電極１上に、半導体基板２、配向層３、３層の記録層６ａ〜６ｃ、スピン注入層７、層状の上部電極８がこの順で配された構成とされる。
また、３層の記録層６ａ〜６ｃの各層は、第２の合金層４上に第１の合金層５が積層された構造とされる。
なお、このスピン電子メモリ１０の構成は、一例であり、半導体基板２上に下部電極１を配してもよく、半導体基板２を用いず、下部電極１上に直接、配向層３を配してもよい。また、スピン注入層７は、記録層６ａ〜６ｃに対して、記録層６ａ〜６ｃに電子を流入させる上部電極８が配される側に配されればよく、上部電極８と積層順を入れ替えて上部電極８上に配されてもよい。
次に、スピン電子メモリ１０を一例として、前記スピン電子メモリの作用について説明する。
記録層６ａ〜６ｃの第１の合金層５は、前記トポロジカル絶縁体として作用し、前記スピンを第２の合金層４に伝導させる。第２の合金層４は、ゲルマニウム原子、アルミニウム原子又はシリコン原子の配置によって、層の中心に前記空間反転対称性をもった構造からなる前記第１の結晶相と、前記空間反転対称性が崩れた前記第２の結晶相を有する。本発明者は、この第２の結晶相が前記ラシュバ効果や磁性特性を発現し、前記スピンを保持可能な強磁性体として作用することを見出した。また、前記第２の結晶相を優先的に発現させるためには、比較的弱い電圧を加えればよいことを確認した。この電圧の具体的な値は、予め特性を測定しておくことで確認することができる。
今、比較的弱い電圧を印加し、混合相の第２の合金層４を前記第２の結晶相が優先的に発現した状態（セット状態）とし、外部電源からスピン電子メモリ１０に電圧を加えると、その電圧値に応じて、スピン注入層７によりスピン偏極された電子が記録層６ａ〜６ｃに流入し、記録層６ａ〜６ｃにスピンが蓄積可能とされる。このスピンは、前記トポロジカル絶縁体として作用する第１の合金層５及び前記セット状態の第２の合金層４により保持される。
この時、記録層６ａ〜６ｃへの前記スピンの蓄積は、電子が流入される電極側に最も近い記録層６ｃから順々に開始され、記録層６ｃでの前記スピンの蓄積が飽和状態となると、次に近い記録層６ｂで行われ、最後に記録層６ａで行われる。
この様子を図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明する。なお、図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリの電流電圧特性を説明する説明図であり、図３（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るスピン電子メモリの抵抗電圧特性を説明する説明図である。なお、各図中、符号Ａは、磁場を加えない場合の特性を示し、符号Ｂは、磁場を加えた場合の特性を示す。
図３（ａ）に示すように、符号Ａの特性では、電圧値に比例して電流値が大きくなるが、符号Ｂの特性では、電圧値の上昇に対し、電流値が段階的に低下する。即ち、電磁石により、スピン注入層７を磁化させつつ、記録層６ａ〜６ｃの積層方向に磁場を加えた場合、記録層６ａ〜６ｃへの前記スピンの段階的な蓄積に応じて電流値が段階的に低下する。また、図３（ｂ）に示すように、符号Ａの特性では、電圧値の上昇に対し、抵抗値がほぼ一定となるが、符号Ｂの特性では、電圧値の上昇に対し、抵抗値の上昇が段階的となる。即ち、電磁石により、磁場を加えた場合、記録層６ａ〜６ｃへの前記スピンの段階的な蓄積に応じて抵抗値が段階的に増大する。
スピン電子メモリ１０では、こうした段階的な電流値の低下現象、抵抗値の増大等の状態値変化現象を利用して、加える電圧を所定の値とすることで、記録層６ａ〜６ｃへの前記スピンの蓄積状態を制御し、多値化された情報を記録再生可能とする。
なお、本例では、前記記録層を３層として４値の情報を記録再生可能な構成としたが、前記記録層の層数を増やすことで、より大きな数で多値化させたメモリとすることができる。
また、スピン電子メモリ１０では、比較的強い電圧を加えることで、第２の合金層４の前記第２の結晶相が前記第１の結晶相に相変化して磁性が失われ、前記スピンの蓄積状態に基づく記録層６ａ〜６ｃの記録情報を消去することができる（リセット状態）。このリセット状態は、再び、比較的弱い電圧を加えることで前記セット状態に戻すことができ、スピン電子メモリ１０は、何度も繰り返して情報の記録、消去を行うことができる。なお、前記リセット状態とする電圧の具体的な値は、予め特性を測定しておくことで確認することができる。
（情報記録方法）
本発明の情報記録方法は、前記スピン電子メモリを用いた情報記録方法であって、ｎを少なくとも１以上の整数として、ｎ層積層される前記記録層に対し、前記記録層の一層ごとにスピンを飽和状態で蓄積させるのに必要な電圧値としてｎ段階の大きさに段階分けされた電圧値で電圧を加える工程を含む。
図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明したように、前記スピン電子メモリでは、前記スピンが流入される側の前記記録層から最も近い順に、前記スピンが注入され、蓄積した前記スピンが飽和状態となると、次に近い前記記録層で前記スピンが蓄積されていく。
この時、それぞれの前記記録層に前記スピンを飽和状態で蓄積させる電圧は、電流電圧特性を予め測定し、段階的な電流値の低下が生じる各段階の電圧値として把握することができる。
そこで、各段階の電圧値を前記記録層の一層ごとに前記スピンを飽和状態で蓄積させるのに必要な電圧値として、前記記録層の積層数に応じたｎ段階の大きさに段階分けし、電圧値で電圧を加えることで、前記記録層に対して選択的に前記スピンを蓄積させ、その記録層数に応じた情報を記録することが可能とされる。
なお、前記記録を行う前に、前記スピン電子メモリに比較的弱い電圧を加えることで、前記記録が可能なセット状態とすることができ、また、前記記録が行われた状態から前記スピン電子メモリに比較的強い電圧を加えることで、前記記録が消去されたリセット状態とすることができ、繰り返しの記録が可能とされる。
（情報再生方法）
本発明の情報再生方法は、前記スピン電子メモリを用いた情報再生方法であって、ｎを少なくとも１以上の整数として、ｎ層積層される前記記録層の抵抗値及び光反射率のいずれかの状態値を測定し、前記状態値に応じて前記記録層のうち情報が記録された前記記録層の層数を判定する工程を含む。
前記スピン電子メモリは、前記情報記録方法による前記記録層への前記スピンの蓄積状態から情報を再生することができる。
前記記録層に情報が記録された状態、即ち、前記スピンの蓄積状態は、前記記録層の前記抵抗値（図３（ｂ）参照）や前記光反射率により判定することができる。即ち、予め、前記記録に用いた前記電圧値と、その時の前記記録層の前記抵抗値及び前記光反射率を対応させて測定しておくことにより、情報が記録された状態の前記記録層の前記抵抗値及び前記光反射率の状態値から、その状態値に対応した前記電圧値、延いては、前記情報が記録された前記記録層の層数を判定し、この層数に基づく情報の再生が可能とされる。
なお、前記状態値として、前記抵抗値を読み出す場合には、読み出し時に前記記録層の記録状態が保持されるよう、前記スピン電子メモリに加える電圧値を十分小さくすることで、記録レベルが最も小さい１段階目の前記記録層（前記スピン注入層に最も近い記録層）における前記スピンの蓄積状態に影響を与えない状態で前記抵抗値を読み出すようにする。
先ず、清浄な面をもつＳｉ基板上に、スパッタリング装置（アルバック社製、ヘリコン波型スパッタリング装置）を用いて、ＳｂとＴｅをターゲット（組成比２：３）とするスパッタリングを行い、Ｓｂ２Ｔｅ３の結晶合金層からなり、ｃ軸の結晶方位が積層方向に配向された配向層を５ｎｍの厚みで積層させた。
次に、前記配向層を下地として、前記スパッタリング装置を用いて、ＧｅとＴｅをターゲット（組成比１：１）とするスパッタリングを行い、ＧｅＴｅの結晶合金層からなり、結晶の（１１１）面が前記配向層との隣接面に配向された第２の合金層を１ｎｍの厚みで積層させた。
次に、前記第２の合金層上に、前記スパッタリング装置を用いて、ＳｂとＴｅをターゲット（組成比２：３）とするスパッタリングを行い、Ｓｂ２Ｔｅ３の結晶合金層からなり、ｃ軸の結晶方位が積層方向に配向された第１の合金層を５ｎｍの厚みで積層させた。
これら第１の合金層と第２の合金層の積層構造で形成される層を記録層とし、更に、この記録層を７層形成して、合計８層の記録層を積層させた。
なお、前記配向層、前記第１の合金層及び前記第２の合金層を形成する条件としては、真空状態とし、スパッタ温度は、２５０℃とした。また、前記配向層、前記第１の合金層及び前記第２の合金層の結晶構造の解析は、モデルに基づく第一原理計算結果とＸ線回折結果を比較すること、また、最終的に断面を高分解能透過電子線像を撮影して観察することで行った。
次に、前記記録層の最上層上に、前記スパッタリング装置を用いて、ＴｅとＧｅとＣｏをターゲット（組成比１：１：１）とするスパッタリングを行い、スピン注入層としてＴｂＦｅＣｏの結晶合金層からなる磁性層を２ｎｍの厚みで積層させた。
次に、前記磁性層上に、前記スパッタリング装置を用いて、ＴｉとＮをターゲット（組成比１：１）とするスパッタリングを行い、上部電極としてのＴｉＮ層を４０ｎｍの厚みで形成した。また、前記Ｓｉ基板の前記配向層が積層される面と反対側の面上に、前記上部電極と同様にして、下部電極としてのＴｉＮ層を４０ｎｍの厚みで形成した。
以上により、実施例に係るスピン電子メモリを製造した。
実施例１に係るスピン電子メモリに外部電源を接続し、上下電極間に電圧を加え、また、電磁石により、前記スピン注入層を磁化させつつ、前記記録層の積層方向に０．４Ｔ（テスラ）の磁場を加え、徐々に電圧値を上げながら、メモリに流れる電流の測定を行った。この電流電圧特性の測定結果を図４（ａ）に示す。なお、図中、符号Ａは、０．４Ｔの磁場を加えない場合の電流電圧特性を示し、符号Ｂは、０．４Ｔの磁場を加えた場合の電流電圧特性を示す。
図４（ａ）に示されるように、０．４Ｔの磁場を加えない場合（図中の符号Ａ）、電圧値の上昇に比例して電流値が上昇するが、０．４Ｔの磁場を加えた場合（図中の符号Ｂ）、電圧値の上昇に対し、段階的に電流値が上昇することが確認された。
このことは、先ず、スピンを注入する前記磁性層に最も近い前記記録層における前記第２の合金層にスピンが次第に蓄積し、そのスピンの蓄積が飽和すると、次に、２番目に近い前記第２の合金層にスピンが蓄積し、順次、前記磁性層に近い側の前記第２の合金層から段階的に前記スピンが蓄積されることを示している。即ち、一層の前記第２の合金層にスピン蓄積が飽和するごとに、段階的に電流値が一旦低下する現象が見られる。
また、この時の抵抗電圧特性の測定結果を図４（ｂ）に示す。なお、図４（ａ）と同様に、符号Ａは、０．４Ｔの磁場を加えない場合の電流電圧特性を示し、符号Ｂは、０．４Ｔの磁場を加えた場合の電流電圧特性を示す。
図４（ｂ）に示されるように、０．４Ｔの磁場を加えない場合（図中の符号Ａ）、電圧値の上昇に対し、抵抗値がほぼ一定であるが、０．４Ｔの磁場を加えた場合（図中の符号Ｂ）、電圧値の上昇に対し、段階的に抵抗値が上昇することが確認された。
このことは、図４（ａ）と同様に、前記磁性層に近い側の前記第２の合金層から段階的に前記スピンが蓄積されることを示しており、段階的に生じる電流値の低下に応じて、抵抗値が上昇する現象が見られる。
したがって、前記電極間に印加する電圧を一定の値とすることによって、スピン蓄積される第２の合金層の層数を制御することができ、その層数は、メモリの抵抗値から読み出すことができる。これにより、スピン蓄積される第２の合金層の層数に応じた多値記録のメモリを実現することができるとともに、記録された多値情報を再生することができる。
前述の測定により、多値情報を記録済みの実施例１に係るスピン電子メモリに対し、一旦、上下電極間に１．０Ｖで１００ｎｓの比較的強い電流パルスを流し、前記第２の合金層の磁性を失わせることで、記録状態をリセットさせた。
その後、改めて０．３Ｖで５００ｎｓの比較的弱い電流パルスを流し、前記第２の合金層が磁性特性を持つように相変化させたセット状態を回復させた。
次いで、前記セット状態の実施例１に係るスピン電子メモリに外部電源を接続し、上下電極間に０．１５Ｖの電圧を加え、また、電磁石により、前記記録層の積層方向に０．４Ｔ（テスラ）の磁場を加えた後、電圧印加を停止した。
この状態から、電磁石をオフ状態とすることで該電磁石が形成する磁場を除いて、再び０．０２Ｖの電圧を加えてメモリの抵抗値を測定したところ、図４（ｂ）の測定結果と同様、０．１５Ｖで磁場を加えたときに得られた１６ｋΩの抵抗値が再び測定された。
したがって、実施例１に係るスピン電子メモリにおいては、前記セット状態、前記リセット状態を繰り返すことで多値情報を繰り返し記録再生可能なメモリとすることができる。
１ 下部電極
２ 半導体基板
３ 配向層
４ 第２の合金層
５ 第１の合金層
６ａ，６ｂ，６ｃ 記録層
７ スピン注入層
８ 上部電極
１０ スピン電子メモリ

Claims (9)

  1. 少なくとも、一対の電極と、
    ＳｂＴｅ、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＢｉＴｅ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＳｅ及びＢｉ２Ｓｅ３のいずれかを主成分として形成され、厚みが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である第１の合金層と、下記一般式（１）で表される合金を主成分として形成される第２の合金層とを積層させて形成され、前記電極間に配される記録層と、磁性材料で形成され、前記磁性材料が磁化された状態で前記記録層にスピンを注入するスピン注入層とを有し、前記記録層がｎを少なくとも２以上の整数として、ｎ層積層されるスピン電子メモリと、
    前記記録層に対し、前記記録層の一層ごとにスピンを飽和状態で蓄積させるのに必要な電圧値としてｎ段階の大きさに段階分けされた電圧値で電圧を加える電圧印加部と、
    を有することを特徴とする情報記録装置。
    ただし、前記式（１）中、Ｍは、Ｇｅ、Ａｌ及びＳｉのいずれかの原子を示し、ｘは、０．５以上１未満の数値を示す。
  2. 第１の合金層が六方晶の結晶構造を有するとともに第２の合金層が立方晶の結晶構造を有し、前記第１の合金層のｃ軸が積層方向に配向され、前記第２の合金層の（１１１）面が前記第１の合金層との隣接面に配向される請求項１に記載の情報記録装置。
  3. 第２の合金層がＧｅＴｅを主成分として形成される請求項１から２のいずれかに記載の情報記録装置。
  4. 第２の合金層の厚みが０を超え４ｎｍ以下である請求項１から３のいずれかに記載の情報記録装置。
  5. 第２の合金層の下地として配され、これに積層される前記第２の合金層の積層面を（１１１）面に配向させる配向層を有する請求項１から４のいずれかに記載の情報記録装置。
  6. 配向層が第１の合金層と同じ組成を有し、かつ、同じ結晶構造を有する請求項５に記載の情報記録装置。
  7. スピン注入層の面に対して垂直方向の磁場を形成し、前記スピン注入層を介して記録層にスピンを注入する磁性部を有する請求項１から６のいずれかに記載の情報記録装置。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の情報記録装置を用いた情報記録方法であって、
    ｎを少なくとも２以上の整数として、ｎ層積層される記録層に対し、前記記録層の一層ごとにスピンを飽和状態で蓄積させるのに必要な電圧値としてｎ段階の大きさに段階分けされた電圧値で電圧を加える工程を含むことを特徴とする情報記録方法。
  9. 請求項１から７のいずれかに記載の情報記録装置を用いた情報再生方法であって、
    ｎを少なくとも２以上の整数として、ｎ層積層される記録層の抵抗値及び光反射率のいずれかの状態値を測定し、前記状態値に応じて前記記録層のうち情報が記録された前記記録層の層数を判定する工程を含むことを特徴とする情報再生方法。
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