JP6719515B2 - スピン−軌道トルク磁気素子 - Google Patents
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Description
本発明は、スピン−軌道トルク磁気素子に関し、より詳細には、ヘテロ格子構造を用いてスピン軌道トルクを増加させたスピン−軌道トルク磁気素子に関する。
近年、スピン−軌道結合（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、スピン−軌道トルク（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を生成するものと知られている。すなわち、スピン−軌道結合はスピン−ホール効果を生成し、このスピンホール効果はスピン−軌道トルクを生成する。
スピン−軌道トルクが発生する構造は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの自由磁性層がＰｔ、Ｔａ、Ｗなどの非磁性層上に配置された構造である。前記非磁性層は、面内電流によってスピンホール効果を発生させる。前記非磁性層に面内電流を注入すると、スピンホール効果によって特定方向のスピンを有する各電子が前記自由磁性層に注入される。前記スピン電流は、前記自由磁性層の磁化方向をスイッチングする。
垂直磁気異方性を有する磁性層は、素子のサイズが小さくなっても磁化状態をうまく維持するので、高集積化に有利である。しかし、低い注入電流によっても磁性層の磁化反転を行えるようにスピン−軌道結合を増加できる構造及び方法が要求される。
本発明の解決しようとする一技術的課題は、スピン−軌道トルクを増加させるスピン−軌道トルク磁気素子を提供することにある。
本発明の解決しようとする一技術的課題は、垂直磁気異方性を有しながら大きなスピン−軌道結合特性を示す磁気素子を提供することにある。
本発明の一実施例に係る磁気素子は、基板上に配置され、面内電流によって配置平面に対して垂直なスピン電流を生成するスピン−電流パターン；及び前記スピン−電流パターンに接触して配置され、前記スピン電流によって磁化反転する垂直磁気異方性を有する自由磁性層；を含む。前記スピン−電流パターンは、前記第１非磁性導電層；前記第１非磁性導電層に整列されて配置された第２非磁性導電層；及び前記第１非磁性導電層と前記第２非磁性導電層との間に介在し、前記第１非磁性導電層と整列され、垂直磁気異方性を有する磁性層；を含む。前記磁性層は、前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層によって引っ張りひずみ（ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒａｉｎ）を受け、前記磁性層は結晶構造を有し、前記磁性層の基準バルク格子定数は、前記第１非磁性導電層又は前記第２非磁性導電層の格子定数より小さく、前記磁性層の基準バルク格子定数（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｕｌｋ ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）に対する前記磁性層の薄膜格子定数（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｌａｔｔｉｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）の比で与えられる前記磁性層の主面方向に対して平行な長さ方向のひずみは９％以上であり得る。
本発明の一実施例において、前記磁性層は、非磁性酸化物層を水素イオン照射（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｏｎ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ）によって還元させて提供され、前記磁性層は、前記水素イオン照射によって非磁性体から強磁性体に相変化し、前記磁性層の格子定数は前記第１非磁性導電層の格子定数に維持され得る。
本発明の一実施例において、前記非磁性酸化物層はＣｏ３Ｏ４で、前記磁性層はＣｏであり得る。
本発明の一実施例において、前記磁性層は、前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層の格子定数と一致するようにシュードモルフィック（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）エピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）状態であり得る。
本発明の一実施例において、前記磁性層の厚さは０．２ｎｍ〜０．６ｎｍであり得る。
本発明の一実施例において、前記自由磁性層に整列されて配置された固定磁性層；及び前記自由磁性層に整列されて配置され、前記自由磁性層と前記固定磁性層との間に介在したトンネル絶縁層；をさらに含み得る。
本発明の一実施例において、前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層はＰｄで、前記磁性層はＣｏであり得る。
本発明の一実施例において、前記スピン−電流パターンは、前記第１非磁性導電層と前記磁性層との間に交互に配置される少なくとも一対の補助非磁性導電層及び補助磁性層をさらに含み得る。前記補助非磁性導電層及び前記補助磁性層は多層薄膜構造を提供することができる。
本発明の一実施例に係るスピン−軌道トルク磁気素子は、基板上に配置され、面内電流によって配置平面に対して垂直なスピン電流を生成するスピン−電流パターン；及び前記スピン−電流パターンに接触するよう配置され、前記スピン電流によって磁化反転する自由磁性層；を含む。前記自由磁性層は、交互に配置される多層薄膜構造の磁性層及び非磁性導電層を含む。前記磁性層は、垂直磁気異方性を有して前記スピン電流によって磁化反転し、前記磁性層は、前記非磁性導電層によって引っ張りひずみを受ける。前記磁性層の基準バルク格子定数に対する前記磁性層の薄膜格子定数の比で与えられる長さ方向のひずみは９％以上であり得る。
本発明の一実施例において、前記磁性層は、非磁性酸化物層を水素イオン照射によって還元させて提供され、前記磁性層は、前記水素イオン照射によって常磁性体から強磁性体に相変化し、前記磁性層の格子定数は、前記非磁性導電層の格子定数に維持され得る。
本発明の一実施例において、前記非磁性酸化物層はＣｏ３Ｏ４で、前記磁性層はＣｏであり得る。
本発明の一実施例において、前記磁性層は、前記非磁性導電層の格子定数と一致するようにシュードモルフィックエピタキシャル状態であり得る。
本発明の一実施例において、前記磁性層の厚さは０．２ｎｍ〜０．６ｎｍであり得る。
本発明の一実施例において、前記自由磁性層に整列されて配置された固定磁性層；及び前記自由磁性層に整列されて配置され、前記自由磁性層と前記固定磁性層との間に介在したトンネル絶縁層；をさらに含み得る。
本発明の一実施例において、前記非磁性導電層はＰｄで、前記磁性層はＣｏであり得る。
本発明の一実施例に係る磁気素子のスピン−軌道トルクは、非磁性導電層と引っ張りひずみが誘導された磁性層との積層構造によって大きなトランスバース有効磁場及び縦方向の有効磁場を提供し、スピン電流の大きさ及び効率を増加させることによって、スピン軌道トルク基盤の磁性メモリ素子の駆動時における消耗電力を減少させ、信頼性のある情報の記録及び消去動作を行えるという利点を提供することができる。
また、前記磁気素子は、大きな垂直磁気異方性を有しているので、集積化及びスケーリングに有利である。
本発明の発明者は、「Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｏｗ−ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｔｏｎｓ」という論文をＮＡＴＵＲＥ ＮＡＮＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、ＶＯＬ７、ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ、２０１２、ｐａｇｅ３６７に掲載したことがある。この論文において、低エネルギー陽子照射は、［Ｃｏ３Ｏ４／Ｐｄ］ｎ非磁性酸化物を還元させた［Ｃｏ／Ｐｄ］１０強磁性金属を生成することを報告した。還元された［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）は、通常の金属［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子より高い垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を示した。
本発明の一実施例によると、追加的な研究を通じて、還元された［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子が大きなスピン−軌道トルクを提供することを確認した。
本発明の一実施例によると、還元された［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子構造のスピン軌道トルクは、通常の［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子構造より数十倍大きい。このようなスピン軌道トルクは、還元された［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子構造におけるひずみに起因するものと解釈される。
本発明の一実施例によると、還元された［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子構造は、垂直磁気異方性を有し、磁気トンネル接合の自由磁性層に接触して配置され、面内電流を提供するスピン電流注入層として使用可能である。
本発明の一実施例によると、還元された［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ超格子構造は、垂直磁気異方性を有し、磁気トンネル接合の自由磁性層として使用可能である。
本発明の一実施例によると、スピン−軌道結合が大きなＣｏ／Ｐｄ電子バンド構造を形成しており、水素の照射によってその内部の電荷数を変化させることができ、フェルミエネルギーの高低を調節することによってスピンホール伝導度が最大化されるように調節することができる。これは、合金や応力などの従来の方法では達成することが不可能である。Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１００，０９６４０１ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ３ Ｍａｒｃｈ ２００８によると、Ｐｔの電子バンド構造が開示される。フェルミエネルギー準位により、スピンホール伝導度の符号も変わり、その大きさも変わることが分かる。これに基づいて、フェルミエネルギーはスピンホール伝導度に影響を与え得ると解釈される。
本発明の一実施例によると、弾性変形した強磁性層と非磁性層とのヘテロ接合が可能である。水素は、フェルミエネルギーを調節したヘテロ接合を提供することができる。スピンホール伝導度はスピン電流を意味し、スピンホール伝導度はスピン−軌道トルクに比例する。本発明の実施例によると、前記ヘテロ接合が行われた弾性変形した強磁性層は、前記非磁性層によるスピン−軌道結合を増加させ、スピン電流の密度を向上させることができ、その結果、スピン−軌道トルクを向上させることができる。
以下、添付の図面及び好適な実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。しかし、これらの実施例は、本発明をより具体的に説明するためのものであって、実験条件、物質の種類などによって本発明が制限又は限定されないことは当業界の通常の知識を有する者にとって自明であろう。本発明は、ここで説明する各実施例に限定されるものではなく、他の形態に具体化されることも可能である。むしろ、ここで紹介する実施例は、開示された内容が徹底的且つ完全になるように、そして、当業者に本発明の思想を十分に伝達できるようにするために提供されるものである。各図面における構成要素は、明確性を期するため誇張したものである。明細書全体にわたって、同一の参照番号で表示された各部分は同一の構成要素を示す。
図１は、本発明の一実施例に係るスピン−軌道トルク磁気素子を説明する斜視図で、図２は、図１のスピン−軌道トルク磁気素子の結晶特性を示す図である。
図１及び図２を参照すると、スピン−軌道トルク磁気素子１００は、ＭＲＡＭ（ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）として使用され得る。前記スピン−軌道トルク磁気素子１００は、基板１１０上に配置され、面内電流（Ｉｗ）によって配置平面に対して垂直なスピン電流を生成するスピン−電流パターン１２０；及び前記スピン−電流パターンに接触して配置され、前記スピン電流によって磁化反転が可能な垂直磁気異方性を有する自由磁性層１３０；を含み得る。前記自由磁性層１３０は、トンネル絶縁層１４０及び固定磁性層１５０と結合することによって磁気トンネル接合１０１を提供することができる。前記スピン−電流パターン１２０は、前記第１非磁性導電層１２４；前記第１非磁性導電層１２４に整列されて配置された第２非磁性導電層１２８；及び前記第１非磁性導電層１２４と前記第２非磁性導電層１２８との間に介在し、前記第１非磁性導電層に整列され、垂直磁気異方性を有する磁性層１２６；を含む。前記磁性層１２６は、前記第１非磁性導電層１２４及び前記第２非磁性導電層１２８によって引っ張りひずみを受ける。前記磁性層１２６は結晶構造を有することができる。前記磁性層１２６の基準バルク格子定数は、前記第１非磁性導電層１２４又は前記第２非磁性導電層１２８の格子定数より小さい。前記磁性層１２６の基準バルク格子定数に対する前記磁性層の薄膜格子定数の比で与えられる磁性層１２６の主面に対して平行な長さ方向の引っ張りひずみ（又は格子ひずみ）は６％以上であり得る。好ましくは、磁性層１２６の引っ張りひずみは９％以上であり得る。磁性層１２６の引っ張りひずみが６％未満である場合に比べて、引っ張りひずみが６％以上である場合、スピン−軌道結合は、同一の材料のヘテロ接合のスピン−軌道結合よりもさらに向上させることができ、引っ張りひずみが９％以上である場合、スピン−軌道結合は最大のスピン電流を生成することができる。前記スピン−軌道結合は、磁性層の主面に対して垂直な方向への結合を示す。実質的に、重金属でない非磁性導電層、例えば、Ｐｄ及び前記非磁性導電層上に磁性層、例えば、Ｃｏ磁性層を積層したヘテロ接合において、低いスピン−軌道結合は、磁性層の引っ張りひずみを６％以上に誘導することによってスピン−軌道結合を急激に増加させることができ、引っ張りひずみを９％以上にする場合、向上したスピン−軌道結合から最大のスピン電流を得ることができる。
前記第１非磁性導電層１２４及び前記第２非磁性導電層１２８がＰｄで、前記磁性層１２６がＣｏである場合、（１１１）の面における２ｘ２格子構造を考慮したとき、前記非磁性導電層１２８の格子定数Ｒは０．５５０ｎｍで、前記磁性層１２６の基準バルク格子定数Ｒは０．５０１ｎｍである。しかし、本発明の前記磁性層１２６の薄膜格子定数は約０．５５０ｎｍである。前記磁性層１２６の薄膜格子定数は水素イオン照射によって達成され得る。
前記磁性層１２６は、出発物質である酸化物層を水素イオン照射によって還元させて提供され得る。前記酸化物層は非磁性体又は常磁性体であり得る。前記酸化物層の格子定数は、還元された磁性層１２６の格子定数より大きい。磁性層１２６を非磁性酸化物層から形成することによって、下地の第１非磁性導電層１２４に作用する圧縮応力の発生を抑制し、第１非磁性導電層１２４の格子を実質的に維持するという利点がある。これによって、上述したように、還元された磁性層１２６の引っ張りひずみを６％以上、好ましくは９％以上に維持することによって、磁性層１２６の主面に対して垂直な方向にスピン−軌道結合がさらに強く生成され、スピン電流の生成が促進され得る。磁性層１２６に誘導される引っ張りひずみは、原子間の距離が変わる物理的現象であって、原子の各電子間の相互作用の大きさを変化させる直接的な原因を提供する。これによって、各電子間の相互作用で決定されるスピン−軌道結合及び電子バンド構造（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）などが調節され得る。このような理由で、本発明の実施例によると、引っ張りひずみの増加を通じてスピン−軌道結合を増加させ、特に、本発明の実施例によると、非磁性体と還元された磁性層とがなす界面で垂直方向のスピン−軌道結合が大きく増加するようになり、これは垂直方向のスピン電流を増加させ、スピン−軌道トルクを増加させるようになる。しかし、このような説明は例示的なものに過ぎなく、本発明がこれに限定されると解釈してはならなく、他の理論的説明も可能であろう。
一実施例において、非磁性酸化物層の格子定数は０．５７０ｎｍで、還元された磁性層１２６の格子定数、すなわち、薄膜格子定数は０．５５０ｎｍであり得る。
前記非磁性又は常磁性酸化物層は水素イオン照射によって還元され、強磁性体の磁性層１２６に相変化し、磁性層１２６の薄膜格子定数は前記第１非磁性導電層１２４の格子定数に維持され得る。一実施例において、非磁性酸化物層はＣｏ３Ｏ４で、この還元によって提供される磁性層１２６はＣｏであり得る。前記非磁性酸化物層は水素イオン照射によって還元され、強磁性のＣｏ薄膜に相変化し、薄膜格子定数は、実質的に前記第１非磁性導電層の格子定数に維持することができる。前記水素イオン照射工程において、イオンエネルギーは数ｋｅＶ以下であり得る。好ましくは、前記イオンエネルギーは３００ｅＶ〜５００ｅＶのレベルであり得る。これによって、前記非磁性酸化物は、非磁性体又は常磁性体から金属状態の強磁性体に相変化し得る。また、相変化と同時に垂直磁気異方性が発現される。また、前記水素イオンの照射後、還元されたＣｏ層とＰｄ層との間の界面は元の状態に維持される。
前記磁性層及び前記第１非磁性導電層は水素を含み得る。前記水素は、前記磁性層及び前記第１非磁性導電層のフェルミエネルギーを調節し、スピン−軌道トルク又はスピンホール伝導度を増加させることができる。
前記スピン−電流パターン１２０はシード層１２１をさらに含み得る。前記シード層１２１はＴａであり、第１非磁性導電層１２４が結晶状態で蒸着できるように界面状態を提供することができる。
前記磁気トンネル接合１０１は、前記自由磁性層１３０、前記固定磁性層１５０、及び前記自由磁性層と前記固定磁性層との間に配置されたトンネル絶縁層１４０を含み得る。トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を増加させるために、前記磁気トンネル接合はＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ構造であり得る。例えば、前記自由磁性層１３０及び固定磁性層１５０はＣｏＦｅＢで、トンネル絶縁層はＭｇＯであり得る。前記自由磁性層１３０及び前記固定磁性層１５０は垂直磁気異方性を有することができる。前記スピン−電流パターン１２０で発生したスピン電流は、前記磁性層１２６をスイッチングすると同時に、前記自由磁性層１３０をスイッチングすることができる。前記スピン−軌道トルクを用いて前記自由磁性層１３０を安定的にスイッチングするために、前記スピン−電流パターンの配置平面内で前記スピン−電流パターンの主面方向に対して垂直な方向の外部磁場（Ｈｅｘｔ）が印加され得る。
本発明の変形した実施例によると、前記磁性層１２６は、前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層の格子定数と一致するようにシュードモルフィックエピタキシャル状態であり得る。例えば、前記第１非磁性導電層１２４が結晶状態で蒸着され、前記磁性層１２６は、分子ビームエピクタクシー（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）などの蒸着方法を用いて前記第１非磁性導電層１２４の格子定数を維持するようにシュードモルフィックエピタキシャル状態で蒸着され得る。
前記磁気トンネル接合１０１の前記自由磁性層１３０に記録されたデータは、前記固定磁性層１５０に連結された端子を介して流れる読み取り電流を通じて判別され得る。
再度図２を参照すると、（ａ）はＣｏ３Ｏ４／Ｐｄ超格子構造を示す。（ｂ）は、水素イオン照射によって照射されたＣｏ／Ｐｄ超格子構造（「ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ」と称される）を示す。赤色の円はＣｏ原子を示し、白色の円は酸素原子を示す。（ｃ）は、２次元２×２単位メッシュの概念図である。（ｄ）は、基本超格子の界面状態を示す概念図である。（ｅ）は、照射された超格子構造（ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ）の界面状態を示す概念図である。（ｆ）は、コバルトの厚さによる基本超格子構造（「ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」と称される）と照射された超格子におけるひずみ変化を示す。
ラインＡは、磁性層であるＣｏ層に発生した引っ張りひずみが６％以上である場合を表示し、ラインＢは、引っ張りひずみが９％以上である場合を表示する。このとき、Ｃｏ層の厚さは０．２ｎｍ〜０．６ｎｍの範囲内である。Ｃｏ層の厚さ、すなわち、磁性層の厚さが０．６ｎｍを超えると、基本超格子と照射された超格子においてひずみ緩和が発生し、その結果、スピン−軌道結合特性が減少し得る。
図３は、本発明の一実施例に係るスピン−軌道トルク磁気素子を説明する断面図である。
図３を参照すると、スピン電流パターン２２０は、基板１１０上に配置されたシード層２２１、前記シード層２２１上に配置された第１非磁性導電層２２２、第２非磁性導電層２２８、及び前記第１非磁性導電層と前記第２非磁性導電層上に配置された磁性層２２６を含む。
前記スピン−電流パターン２２０は、前記第１非磁性導電層２２２と前記磁性層２２６との間に交互に配置される少なくとも一対の補助非磁性導電層２２３ａ及び補助磁性層２２４ａをさらに含み得る。前記補助非磁性導電層２２３ａ〜２２３ｎ及び前記補助磁性層２２４ａ〜２２４ｎは多層薄膜構造を提供することができる。前記補助磁性層又は前記磁性層は、隣り合った非磁性導電層によって引っ張りひずみを受ける。これによって、前記補助磁性層２２４ａ〜２２４ｎ及び磁性層２２６の基準バルク格子定数に対する前記磁性層の薄膜格子定数の比で与えられる磁性層の主面に対して平行な長さ方向のひずみは６％で、好ましくは９％以上であり得る。
前記補助磁性層２２４ａ〜２２４ｎ及び前記磁性層２２６は、低エネルギー水素イオン照射によって非磁性酸化物層から強磁性体に相変化し、格子定数は前記第１非磁性導電層２２２の値に維持することができる。これによって、前記補助磁性層又は前記磁性層は面内（ｉｎ-ｐｌａｎｅ）に引っ張りひずみを受け、面外（ｏｕｔ ｏｆ ｐｌａｎｅ）垂直方向に増加したスピン−軌道結合強度を示すことができる。
前記スピン−電流パターン２２０はＳｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ（０．４ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）であり得る。シード層２２１はＴａ（４ｎｍ）で、第１非磁性導電層２２２はＰｄ（３ｎｍ）で、第２非磁性導電層はＰｄ（２ｎｍ）で、磁性層２２６は還元されたＣｏ（０．４ｎｍ）であり得る。補助磁性層２２４ａ〜２２４ｎ及び補助非磁性導電層２２３ａ〜２２３ｎは還元されたＣｏ（０．４ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）であり得る。
図４は、図３のスピン−軌道トルク磁気素子内の磁性体ＣｏのＸＡＳ（Ｘ−ｒａｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）結果である。
図４を参照すると、ＸＡＳデータはコバルト（Ｃｏ）のＬ３エッジ（ｅｄｇｅ）に正規化された。第１試料（「Ｍｅｔａｌｌｉｃ」参照）は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏ（０．４ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）構造である。本発明の一実施例に係る第２試料（「Ｒｅｄｕｃｅｄ」参照）は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ（０．４ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）である。第３試料（「Ｏｘｉｄｉｃ」参照）は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［Ｃｏ３Ｏ４（０．６ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）である。前記第１試料はＣｏを直接蒸着し、前記第３試料はＣｏ３Ｏ４を直接蒸着した。第２試料は、Ｃｏ３Ｏ４層を５００ｅＶの１．４８ｘ１０１７／ｃｍ２のドーズ（ｄｏｓｅ）を有して水素イオン照射（５００ｅＶ）によって還元させた。
ＸＡＳ結果によると、金属コバルト（Ｃｏ）を備えた第１試料と、還元されたコバルト（Ｃｏ）を備えた第２試料とが区別されない。
図５は、図３のスピン−軌道トルク磁気素子のスピンモーメント（ｍｓ）に対するオービタルモーメント（ｍｏ）の比（ｍｏ／ｍｓ）を示す結果である。図５を参照すると、ＸＭＣＤ（ｘ−ｒａｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）を用いて垂直方向に測定された。第１試料（「ＭＳＬ」と称される）は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏ（ｔＣｏ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）構造である。本発明の一実施例に係る第２試料（「ＲＳＬ」と称される）は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ（ｔＣｏ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）である。第２試料の正規化されたスピンモーメントに対するオービタルモーメントは、第１試料よりも０．６ｎｍ以下のＣｏの厚さで約３０％増加する。このようなスピンモーメントに対するオービタルモーメントの増加は、ヘテロ接合を有する磁性体の主面における垂直方向のスピン−軌道結合を増加させたものと解釈される。
図６及び図７は、それぞれ比較例に係る基準多層薄膜構造（「ＭＳＬ」と称される）の第１試料と本発明の一実施例に係る多層薄膜構造（「ＲＳＬ」と称される）における外部磁場による高調波信号を示す結果である。
図６を参照すると、第１試料（「ＭＳＬ」と称される）は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏ（０．４ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）構造である。
ｘ軸は、スピン−電流パターンの主面に対して平行なスピン−電流パターンの延長方向で、ｙ軸は、スピン−電流パターンの配置平面以外のｘ軸に対して垂直な方向である。スピン−軌道トルクは、フィールド−ライクトルク（ｆｉｅｌｄ−ｌｉｋｅ ｔｏｒｑｕｅ）、トランスバーストルク（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｔｏｒｑｕｅ）と呼ばれるダンピング−ライクトルク（ｄａｍｐｉｎｇ−ｌｉｋｅ ｔｏｒｑｕｅ）、又は従方向のトルク（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｔｏｒｑｕｅ）と呼ばれるトルクを含み得る。
有効磁場フィールドは次のように算出され得る。
ここで、Ｖｆは１次高調波成分の振幅で、Ｖ２ｆは２次高調波成分の振幅である。フィールド−ライクトルクはトランスバース有効磁場（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｉｅｌｄ；ΔＨＴ）に比例し、ダンピング−ライクトルクは縦方向の有効磁場（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｉｅｌｄ；ΔＨＬ）に比例する。第１試料のΔＨＬ＝６２Ｏｅで、ΔＨＴ＝２３Ｏｅである。面内電流密度は２．０７ｘ１０７Ａ／ｃｍ２である。
図７を参照すると、第２試料は、Ｓｉ基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）構造である。第２試料のΔＨＬ＝４３００Ｏｅで、ΔＨＴ＝−３６０Ｏｅである。面内電流密度は１．１９ｘ１０７Ａ／ｃｍ２である。第２試料の有効磁場は第１試料に比べて約数十倍増加する。
スピン−軌道トルクは、界面が互いに対称的であるので、超格子構造で互いに相殺し合うと予測される。しかし、予想に反して、第２試料の実験結果によると、スピン−軌道トルクは、還元されたコバルトを備えた超格子構造で著しく増加した。
電流密度当たりに生成できるΔＨＴ又はΔＨＬは、第１試料（［Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏ／Ｐｄ］）に比べて第２試料（［Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ／Ｐｄ］）で著しく高い。
［ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ構造は、高いスピン−軌道トルクを発生させるものと解釈される。また、スピン−軌道結合が大きい［ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ電子バンド構造は、水素を照射することによってＣｏ／Ｐｄ内の電荷数を変化させることができる。前記水素の濃度を調節し、フェルミエネルギーの高低を調節することによって、スピンホール伝導度が最大化されるように調節することができる。一般に、前記フェルミエネルギーは、スピンホール伝導度に影響を与えるものと知られている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１００，０９６４０１ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ３ Ｍａｒｃｈ ２００８）。
図８は、本発明の一実施例に係るスピン−電流パターンの磁化反転を示す結果である。
図８を参照すると、試料は、基板／Ｔａ（４ｎｍ）／Ｐｄ（３ｎｍ）／［ｒｅｄｕｃｅｄ Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｄ（１ｎｍ）］１０／Ｐｄ（２ｎｍ）構造である。測定のために、毎秒ごとに１０ｎｓｅｃの電流パルスが印加される。外部磁場（Ｈｚ）は、スピン−電流パターンの配置平面に対してほぼ垂直に印加され、外部磁場（Ｈｚ）の強さは、磁性層の初期磁化方向に対して平行（ａ）に又は反平行（ｂ）に印加された。外部磁場（Ｈｚ）は、熱アシストスイッチング（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を除去するために印加された。
外部磁場（Ｈｚ）が初期磁化方向と平行である場合、印加電流密度が３．０ｘ１０１１Ａ／ｃｍ２であるときに磁化反転スイッチングが開始され、印加電流密度が５．０ｘ１０１１Ａ／ｃｍ２であるときに磁化反転スイッチングが完全に行われる。外部磁場の強さが増加するにつれて、スイッチング電流密度が増加する。
外部磁場（Ｈｚ）が初期磁化方向と反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）である場合、外部磁場（Ｈｚ）が初期磁化方向と平行である場合に比べてスイッチング電流が増加する。
図９は、スピン−電流パターンの磁化反転を示すＭＯＫＥ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃ Ｋｅｒｒ ｅｆｆｅｃｔ）イメージである。
図９を参照すると、外部磁場（Ｈｚ）が１０ｍＴである場合、１０ｎｓｅｃの電流パルスで磁化反転が行われる。
図１０は、本発明の他の実施例に係る磁気素子を示す斜視図である。
図１０を参照すると、スピン−軌道トルク磁気素子３００は、基板１１０上に配置され、面内電流（Ｉｗ）によって配置平面に対して垂直なスピン電流を生成するスピン−電流パターン３２０；及び前記スピン−電流パターン３２０に接触するよう配置され、前記スピン電流によって磁化反転する自由磁性層３３０；を含む。前記自由磁性層３３０は、交互に配置される多層薄膜構造の磁性層３２６及び非磁性導電層３２４を含む。前記磁性層３２６は、垂直磁気異方性を有して前記スピン電流によって磁化反転し、前記磁性層３２６は、前記非磁性導電層３２４によって引っ張りひずみを受ける。前記磁性層３２６の基準バルク格子定数に対する前記磁性層の薄膜格子定数の比で与えられる長さ方向のひずみは９％以上である。前記磁性層３２６は、前記各非磁性導電層の間に配置され、引っ張りひずみを受けることができる。
面内電流（Ｉｗ））は、前記スピン−電流パターン３２０の延長方向に沿って流れ、前記面内電流によって配置平面に対して垂直なスピン電流が前記自由磁性層３３０に印加される。これによって、前記スピン電流は、前記自由磁性層の磁化方向をスイッチングする。前記スピン−電流パターン３２０は、シード層３２１及びスピン−電流非磁性導電層３２２を含み得る。前記シード層３２１はＴａで、前記スピン−電流非磁性導電層３２２はＰｄであり得る。
前記磁性層３２６は、非磁性酸化物層を水素イオン照射によって還元させて提供することができる。前記磁性層３２６は、前記水素イオン照射によって常磁性体から強磁性体に相変化し、前記磁性層の薄膜格子定数は、前記非磁性導電層３２４の格子定数に維持され得る。前記非磁性酸化物層はＣｏ３Ｏ４で、前記磁性層３２６はＣｏであり得る。前記非磁性酸化物は、水素イオン照射によって還元されてＣｏ薄膜に相変化するが、薄膜格子定数は、実質的に前記非磁性導電層３２４の格子定数に維持することができる。前記水素イオン照射工程において、イオンエネルギーは数ｋｅＶ以下であり得る。好ましくは、前記イオンエネルギーは３００ｅＶ〜５００ｅＶのレベルであり得る。
前記磁性層３２６及び前記非磁性導電層３２４は水素を含み得る。前記水素は、前記磁性層及び前記非磁性導電層のフェルミエネルギーを調節し、スピン−軌道トルク又はスピンホール伝導度を増加させることができる。
前記磁気トンネル接合３０１は、前記自由磁性層３３０、固定磁性層１５０、及び前記自由磁性層と前記固定磁性層との間に配置されたトンネル絶縁層１４０を含み得る。前記自由磁性層３３０及び固定磁性層１５０は垂直磁気異方性を有することができる。外部磁場（Ｈｅｘｔ）は、前記自由磁性層３３０の安定的なスイッチングを提供することができる。
以上では、本発明を特定の好適な実施例に基づいて図示して説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、当該発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で実施可能な多様な形態の実施例を全て含む。
１１０ 基板
１２０ スピン−電流パターン
１３０ 自由磁性層
１４０ トンネル絶縁層
１５０ 固定磁性層
１２０ スピン−電流パターン
１３０ 自由磁性層
１４０ トンネル絶縁層
１５０ 固定磁性層
Claims (10)
- 面内電流によって配置平面に対して垂直なスピン電流を生成するスピン−電流パターン；及び
前記スピン−電流パターンに接触して配置され、前記スピン電流によって磁化反転する垂直磁気異方性を有する自由磁性層；を含み、
前記スピン−電流パターンは：
第１非磁性導電層；
前記第１非磁性導電層に対向して配置された第２非磁性導電層；及び
前記第１非磁性導電層と前記第２非磁性導電層との間に介在し、前記第１非磁性導電層に基づいて原子配列が整列され、垂直磁気異方性を有する磁性層；を含み、
前記磁性層は、前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層によって引っ張りひずみを受けるスピン−軌道トルク磁気素子。 - 前記磁性層の基準バルク格子定数は、前記第１非磁性導電層又は前記第２非磁性導電層の格子定数より小さく、
前記磁性層の基準バルク格子定数に対する前記磁性層の薄膜格子定数の比で与えられる前記磁性層の主面に対して平行な長さ方向のひずみは６％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。 - 前記磁性層は、水素イオン照射によって還元される非磁性酸化物層を含み、
前記磁性層の格子定数は、前記第１非磁性導電層の格子定数に維持されることを特徴とする、請求項１に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。 - 前記磁性層及び前記第１非磁性導電層は水素を含み、
前記水素は、前記磁性層及び前記第１非磁性導電層のフェルミエネルギーを調節することを特徴とする、請求項３に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。 - 前記非磁性酸化物層はＣｏ３Ｏ４で、前記磁性層はＣｏであることを特徴とする、請求項３に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。
- 前記磁性層は、前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層の格子定数と一致するようにシュードモルフィックエピタキシャル状態であることを特徴とする、請求項３に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。
- 前記磁性層の厚さは０．２ｎｍ〜０．６ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。
- 前記自由磁性層に対向して配置された固定磁性層；及び
前記自由磁性層と前記固定磁性層との間に介在したトンネル絶縁層；をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。 - 前記第１非磁性導電層及び前記第２非磁性導電層はＰｄで、
前記磁性層はＣｏであることを特徴とする、請求項１に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。 - 前記スピン−電流パターンは、
前記第１非磁性導電層と前記磁性層との間に交互に配置される少なくとも一対の補助非磁性導電層及び補助磁性層をさらに含み、
前記補助非磁性導電層及び前記補助磁性層は多層薄膜構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のスピン−軌道トルク磁気素子。
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