JP6777364B2 - 外部磁界の非存在下での、スピン・軌道トルクによる垂直磁化ナノ磁石のスイッチング - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１５年５月８日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第６２／１５８，８０５号「ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ ＯＦ ＰＥＲＰＥＮＤＩＣＵＬＡＲＬＹ ＭＡＧＮＥＴＩＺＥＤ ＮＡＮＯＭＡＧＮＥＴＳ ＷＩＴＨ ＳＰＩＮ−ＯＲＢＩＴ ＴＯＲＱＵＥＳ ＩＮ ＴＨＥ ＡＢＳＥＮＣＥ ＯＦ ＥＸＴＥＲＮＡＬ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＦＩＥＬＤＳ」に対する優先権及びその利益を主張し、その出願は、参照によりその全体が本明細書に組込まれる。

連邦政府により資金提供を受けた研究開発に関する記載
本発明は、情報先端研究プロジェクト活動（ＩＡＲＰＡ：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｃｔｉｖｉｔｙ）によって授与された契約ＧＲ５２６１１５及びＧＲ５２６１１６の下で政府支援を受けて行われた。

本出願は、ナノ磁石の磁化をスイッチングすることに関し、特に、ナノ磁石の磁化をスイッチングするためのベース要素構造及び方法に関する。

相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術は、メモリ及びロジックシステムにおいて今日普及している。しかし、ＣＭＯＳ技術は、高速動作、高密度集積、及びエネルギー効率の所望のバランスをもはや提供しない。

一態様によれば、ナノ磁石の磁化状態をスイッチングするためのベース要素は、表面を有する重金属ストリップを含む。強磁性ナノ磁石は、表面に隣接して配設される。強磁性ナノ磁石は、第１の磁化平衡状態及び第２の磁化平衡状態を有する。第１の磁化平衡状態または第２の磁化平衡状態は、重金属ストリップを通る電荷の流れによって外部磁界の非存在下で設定可能である。

別の実施形態によれば、重金属ストリップを通る第１の方向への電荷の流れは第１の磁化平衡状態をもたらし、重金属ストリップを通る第２の方向への電荷の流れは第２の磁化平衡状態をもたらす。

更に別の実施形態によれば、ナノ磁石は、長軸及び短軸を有する楕円形状を含む。

更に別の実施形態によれば、長軸は、重金属ストリップの表面にほぼ平行である。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップを通る電荷の流れの方向は、ナノ磁石の短軸に対して角度ξを含む。

更に別の実施形態によれば、角度ξは、スイッチングのエネルギーを決定する。

更に別の実施形態によれば、角度ξは、スイッチングの速度を決定する。

更に別の実施形態によれば、ベース要素は、集積メモリデバイスのビットを提供する。

更に別の実施形態によれば、ベース要素は、集積ロジックデバイスのビットを提供する。

更に別の実施形態によれば、ベース要素は、集積パイプライン化マイクロプロセッサデバイスのビットを提供する。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップは、タングステンまたはタンタルを含む。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップは、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）を含む。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップは、ビスマス（Ｂｉ）またはモリブデン（Ｍｏ）を含む。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップは、ニオブ（Ｎｂ）またはパラジウム（Ｐｄ）を含む。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップは、プラチナ（Ｐｔ）を含む。

更に別の実施形態によれば、重金属ストリップは、銅（Ｃｕ）及びＢｉの合金またはＣｕ及びイリジウム（Ｉｒ）の合金を含む。

別の態様によれば、ナノ磁石の磁化状態をスイッチングするための方法は、
表面を有する重金属ストリップ及び表面に隣接して配設される強磁性ナノ磁石を設けるステップであって、強磁性ナノ磁石は、第１の磁化平衡状態及び第２の磁化平衡状態を有する、設けるステップと、
電荷方向に重金属ストリップを通して電荷を流すステップであって、それにより、
ナノ磁石の磁化状態を外部磁界の非存在下で第１の磁化平衡状態に設定する、または、磁化状態を第２の磁化平衡状態に設定する、電荷を流すステップとを含む。

更に別の実施形態によれば、電荷を流すステップは、電荷方向に重金属ストリップを通して電荷を流すことであって、それにより、約５０ピコ秒未満の期間以内に磁化状態を設定する、電荷を流すことを含む。

更に別の実施形態によれば、電荷を流すステップは、電荷方向に重金属ストリップを通して電荷を流すことであって、それにより、メモリデバイスのビットを設定することに対応する磁化状態を設定する、電荷を流すことを含む。

更に別の実施形態によれば、電荷を流すステップは、電荷方向に重金属ストリップを通して電荷を流すことであって、それにより、ロジックデバイスのビットを設定することに対応する磁化状態を設定する、電荷を流すことを含む。

本出願の先のまた他の態様、特徴、及び利点は、以下の説明からまた特許請求の範囲からより明らかになる。

本出願の特徴は、以下で述べる図面及び特許請求の範囲を参照してよりよく理解される可能性がある。図面は、必ずしも一定比例尺に従っておらず、代わりに全体的に、本明細書で述べる原理を示すことに強調が置かれる。図面において、同様の数字が使用されて、
種々の図を通して同様の部品を示す。

重金属非磁性ナノストリップに隣接する強磁性層を示す図である。

磁化運動のダイナミクスがどのようにυ及びψによって捕捉され得るかを示す図である。

非磁性重金属を通して注入される電荷電流（Ｊ_ｅ）がスピン電流（Ｊ_ｓ）を誘起することを示す図である。

面内異方性Ｈ_ｋｘを有する例示的な楕円強磁性体を示す図である。

電荷電流方向及びＨ_ｋｘに対するスピン偏極σの配向を示す図である。

スピントルク及び異方性の影響下での磁化の運動を示す図である。

外部磁界の非存在下で、スピン・軌道トルクを使用する強磁性層の磁化スイッチングの軌跡を示す図である。

スピン・軌道トルクを使用する強磁性体の磁化スイッチングは、ナノ磁石を、低電力消費を必要とする高性能ロジック及びメモリ用途に導入する機会を提供する。面に垂直な異方性を有するナノ磁石は、その高い熱安定性のために、最近、かなり注目を集めている。熱的変動に対する高い安定性は、ナノ磁石が著しくスケールダウンされることを可能にし、きわめて低い電力消費を有する密なロジック及びメモリシステムをもたらす。しかし、面に垂直な異方性を有するナノ磁石の磁化によって経験される対称エネルギーランドスケープによって、面内電流パルスによって誘起されるスピン・軌道トルクは、磁化をスイッチングできない。したがって、対称性を破壊することによってスピン・軌道トルクを支援するため、外部磁界が必要とされる。ナノ磁石をスイッチングさせることによって消散されるエネルギーは小さい可能性があるが、必要とされる磁界を発生するために必要なエネルギーは、メモリまたはロジックスキーム全体を、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）同等物と比較して無敵にする。更なる金属は、同様に、必要とされる磁界を生成するために必要であり、所与のエリア上に集積され得るデバイスの数を著しく減少させる。したがって、外部磁界についての必要性は、密な低電力メモリ及びロジックシステムを開発することにとって障害となる。更に、高速スイッチングは、磁界を生成する強磁性体及び／または金属を通して注入される高いエネルギーを必要とする。必要とされるエネルギーが、所望のスイッチング速度が増加するにつれて著しく増大するため、高速動作は、エネルギー効率を低下させる。

先に述べた問題に対する解決策は、外部磁界の存在なしで、面内電流パルスによって誘起されるスピン・軌道トルクを使用して、面に垂直な異方性を有するナノ磁石の磁化をスイッチングする。

解決策は、外部磁界の存在なしで、面内電流パルスによって誘起されるスピン・軌道トルクを使用して、面に垂直な異方性を有するナノ磁石の磁化をスイッチングするスキームを含む。面内異方性をナノ磁石に導入することによって対称性を破壊することによって、磁化スイッチングが達成され得ることが認識された。適切な振幅及び継続時間の面内電流パルスによって誘起されるスピン・軌道トルクが、外部磁界の非存在下でナノ磁石の磁化をスイッチングするのにどれほど十分かを本発明者等は述べる。面内異方性と面に垂直な
異方性との間の所与の比について、高いスイッチング確率（決定論的スイッチング）が、スピン軌道を平衡させトルクを減衰させることによって、著しく短い継続時間の電流パルスについて達成可能であり、超高速スイッチングをもたらす。更に、外部磁界が、述べるスキーム内で磁化スイッチングのために必要とされないため、エネルギー効率及び集積密度は、著しく改善され、超高速超高密度メモリ及び低電力消費ロジックシステムをもたらす。

図１は、面に垂直な異方性（Ｈ_ｋｚ）を含む例示的な強磁性層を示し、面内異方性（Ｈ_ｋｘ）は、重金属ナノストリップ上に位置する。１つの例示的な実施形態、ベース要素１００の提案される構造において、図１は、強いスピン・軌道結合を有する重金属非磁性ナノストリップ１０２に位置する、磁化Ｍを有するストナー・ヴォールファールト・モノドメイン磁性体（Ｓｔｏｎｅｒ−Ｗｏｈｌｆａｒｔｈ）１０１によって表される強磁性層を示す。図１に示す強磁性層は、ｅ_ｚ軸に沿う面に垂直な単軸異方性Ｈ_ｋｚ及びｅ_ｘ軸に沿う面内単軸異方性Ｈ_ｋｘを含む。

図２は、磁化運動のダイナミクスがどのようにθ及びφによって捕捉され得るかを示す。図２に示すように、Ｍの運動は、単位ベクトルｎ_ｍによって表され、単位ベクトルｎ_ｍはｅ_ｚ軸と角度θをなし、一方、Ｍとｅ_ｚの平面はｅ_ｘ軸と角度φをなす。

図３Ａは、非磁性重金属を通して注入される電荷電流（Ｊ_ｅ）がスピン電流（Ｊ_ｓ）を誘起することを示す。図３Ａに示すように、重金属ナノストリップを通して注入される電荷電流Ｊ_ｅは、スピン・軌道相互作用によって、横断スピン電流Ｊ_ｓ＝θ_ＳＨ（σ×Ｊ_ｅ）を生成する。ここで、Ｊ_ｅは電荷電流密度であり、σはスピン偏極単位ベクトルであり、θ_ＳＨは材料依存スピンホール角である。

図３Ｂは、面内異方性Ｈ_ｋｘを有する例示的な楕円強磁性体の例証を示す。

図３Ｃは、電荷電流方向３０１及びＨ_ｋｘに対するスピン偏極σの配向を示す。図３Ｃに示すように、電荷電流Ｊ_ｅの方向はｅ_ｙ軸とξの角度をなす。スピン偏極化電流は、スピン角度モーメントをナノ磁石内に輸送し、磁化に対してトルクを加える。トルク及び異方性場の影響下でのＭのダイナミクスは、ランダウ・リフシッツ・ギルバート（ＬＬＧ：Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式を使用して

として記述される。ここで、γは磁気回転比であり、αは減衰係数であり、Ｔ_ＳＴはスピントルクであり、Ｈ_ｅｆｆは、強磁性層の磁化によって経験される有効場である。Ｈ_ｅｆｆは、Ｈ_ｋｘとＨ_ｋｚの関数である。スピントルクは、面内トルク及び面外トルクと呼ばれる２つの成分を有する：Ｔ_ＳＴ＝Ｔ_ＩＰ＋Ｔ_ＯＯＰ。

図４は、スピントルク及び異方性の影響下での磁化の運動を示す。図４で立証されるように、面内トルクＴ_ＩＰは、Ｍ及びＨ_ｅｆｆによって規定される平面内に存在し、面外トルクＴ_ＯＯＰは、Ｍ及びＨ_ｅｆｆによって規定される平面から出る方向を指す。

図５は、任意の外部磁界の非存在下でスピン・軌道トルクを使用する強磁性層の磁化スイッチングの軌跡を示す。図５に示すように、重金属非磁性ナノストリップを通して電荷
電流Ｊ_ｅを注入することによって、平衡位置（平衡状態とも呼ばれる）から出てナノ磁石の面内に向かうスピントルク派生のＭを生成した。ｔ_ｅ秒後に電荷電流Ｊ_ｅをターンオフすることによって、スピントルクは、ゼロまで減じ、Ｍは、ｘ−ｙ平面に近く、かつ、θの角度だけｅ_ｚ軸から離れる。ここではクリティカルゾーンと呼ばれるこのゾーンにおいて、Ｈ_ｅｆｆは、Ｈ_ｋｚによってかなり支配される。したがって、Ｍは、Ｈ_ｅｆｆの周りですりこぎ運動することによって磁化困難軸を通過する。磁化困難軸を通過することによって、Ｈ_ｅｆｆはＨ_ｋｚによって支配される。したがって、Ｍは、Ｈ_ｅｆｆの周りですりこぎ運動し減衰することによって、新しい平衡状態に引込まれ、磁化スイッチングを終了する。

印加される電流パルスの継続時間ｔ_ｅは、磁化Ｍを平衡状態からクリティカルゾーンに移動させる時間と同程度に短い。磁化スイッチングは、５０ｐｓ未満の継続時間の電流パルスを使用して実施され得る。したがって、提案されるスキームは、著しく、スイッチング速度を改善しかつ／またはエネルギー消費を低減し、著しく低いエネルギー消費を有する超高速スピン・トルクメモリ及びロジックシステムをもたらす。更に、外部磁界を生成するために余分な金属が全く必要とされないため、集積密度がかなり高められる。

スイッチングエネルギーとスイッチング速度が共に、角度ξによって決定され得ることが企図される。角度ξによって設定され得るスイッチングエネルギーとスイッチング速度との間にトレードオフが存在することが同様に企図される。

先に使用した重金属は、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはプラチナ（Ｐｔ）等の大きな原子番号を有する任意の適した遷移金属を含む。同様に、例えば、銅（Ｃｕ）及びＢｉの合金またはＣｕ及びイリジウム（Ｉｒ）の合金等の任意の適した金属合金が含まれる。先に挙げた任意の適した金属または遷移金属の重金属薄膜を通して電荷電流を注入することによって、横断スピン電流が、強いスピン・軌道結合によって生成される。先に述べたように、生成されるスピン電流は、ナノ磁石の磁化の方向をスイッチングするために使用されてもよい。重金属薄膜を通して電荷電流を注入することによって、横断スピン電流が、強いスピン・軌道結合によって生成される。生成されるスピン電流は、ナノ磁石の磁化の方向をスイッチングするために使用されてもよい。生成されるスピン電流の大きさは、薄膜重金属のスピンホール角に直接比例する。大きなスピンホール角が、重金属の一部の高抵抗率薄膜において観測された。例えば、Ｗの薄膜等の一部の薄膜重金属におけるスピンホール角の大きさが薄膜の抵抗率（厚さ）に直接比例することが実験と理論の両方で示された。例えば、タングステンの薄膜の厚さを５．２ｎｍから１５ｎｍまで増加させることによって、スピンホール角が０．３３から０．０７未満まで落ちることが観測された。

生成されるスピン電流の大きさは、薄膜重金属のスピンホール角に直接比例する。大きなスピンホール角が、重金属の一部の高抵抗率薄膜において観測された。薄膜重金属の被測定（被計算）スピンホール角の大きさが薄膜の抵抗率（厚さ）に直接比例することが実験と理論の両方で示された。例えば、タングステンの薄膜の厚さを５．２ｎｍから１５ｎｍまで増加させることによって、スピンホール角が０．３３から０．０７未満まで落ちることが観測された。

図１の例示的な実施形態を参照して要約すると、ナノ磁石１０１の磁化状態をスイッチングするためのベース要素１００は、表面１０３を有する重金属ストリップ１０２を含む。強磁性ナノ磁石１０１は、重金属ストリップ１０２の表面１０３に隣接して配設される。強磁性ナノ磁石１０１は、第１の磁化平衡状態５０１及び第２の磁化平衡状態５０２（幾つかの実施形態において、上方平衡状態及び下方平衡状態とも呼ばれる）を有する。第
１の磁化平衡状態５０１または第２の磁化平衡状態５０２は、重金属ストリップを通る電荷電流方向３０１を有する電荷の流れによって設定可能である。強磁性ナノ磁石は、同様に、ベース要素を組込む集積デバイス内の磁性層の特徴であり得る。

幾つかの実施形態において、先に述べた重金属ストリップ内に電荷（電流）の流れをもたらすことによって、ナノ磁石の磁化は、電荷の流れの方向を反転させること等によって第１の平衡状態と第２の平衡状態との間でスイッチングされ得る。例えば、構造がメモリまたはロジックシステムのベース要素である場合等の幾つかの企図される用途において、第１の平衡状態は、ブーリアン「０」または「１」に割当てられ得、第２の平衡状態は、第１の平衡状態と異なる他のブーリアン数に割当てられ得る。こうした企図される用途において、先に述べた磁化を変更する方法は、「書込む（ｗｒｉｔｅ）」操作に類似する。

同様に、こうした企図される用途において、例えば、ナノ磁石の上に絶縁層を、また、絶縁層の上に固定磁化を有する別の磁性層を付加することによって等でベース要素の磁化状態を読出すための方法が知られている。ナノ磁石が、固定磁化磁性層の磁化にほぼ平行な磁化平衡状態にスイッチングされると、固定磁化を有する磁性層とスイッチング可能磁化を有する磁性層との間に低い電気抵抗が存在することになる。逆に、固定磁化磁性層の磁化にほぼ反平行な磁化平衡状態にスイッチングされると、固定磁化を有する磁性層とスイッチング可能磁化を有する磁性層との間に高い電気抵抗が存在することになる。そのため、幾つかの実施形態において、ベース要素（例えば、単一「ビット（ｂｉｔ）」）の磁化状態を決定する「読出し（ｒｅａｄ）」操作は、低抵抗または高抵抗を検知することによって実施され得る。

先に述べたベース要素が、例えば、メモリデバイスまたはロジックデバイス等の集積デバイスのビットとして使用され得ることが企図される。こうした用途において、当技術分野で知られている集積化技法は、複数のこうしたベース要素を形成し相互接続するために使用され得る。集積化磁性層のナノ磁石を有する数十億のこうしたベース要素が、単一集積デバイスに集積化され得ることが企図される。ベース要素間の内部集積化電気接続が、当技術分野で知られている集積回路接続技法を使用して行われ得る。

先に開示したまた他の特徴及び機能の変形またはその代替物が、多くの他の異なるシステム及び適用形態になるよう組合わされてもよいことが認識されるであろう。添付特許請求の範囲によって包含されることを同様に意図される、現在のところ予見されないまたは予期されない種々の代替、修正、変形、または改良が、その後、当業者によって行われてもよい。

Claims (19)

1. ナノ磁石の磁化状態をスイッチングするためのベース要素であって、
   表面を有する重金属ストリップと、
   前記表面に隣接して配設される強磁性ナノ磁石とを備え、前記強磁性ナノ磁石は長軸と短軸を有する形状を備え、前記強磁性ナノ磁石は面に垂直な異方性Ｈ _ｋｚ と面内異方性Ｈ _ｋｘ とを有し、前記強磁性ナノ磁石は、第１の磁化平衡状態及び第２の磁化平衡状態を有し、前記第１の磁化平衡状態または前記第２の磁化平衡状態は、前記重金属ストリップを通る電荷の流れによって外部磁界の非存在下で設定可能であり、前記重金属ストリップを通る前記電荷の流れの方向は、前記ナノ磁石の前記短軸に対して角度ξを含む、ベース要素。
2. 前記重金属ストリップを通る第１の方向への電荷の前記流れは前記第１の磁化平衡状態をもたらし、前記重金属ストリップを通る第２の方向への電荷の前記流れは前記第２の磁化平衡状態をもたらす、請求項１に記載のベース要素。
3. 前記ナノ磁石は、長軸及び短軸を有する楕円形状を備える、請求項１に記載のベース要素。
4. 前記長軸は、前記重金属ストリップの前記表面にほぼ平行である、請求項３に記載のベース要素。
5. 前記角度ξは、スイッチングのエネルギーを決定する、請求項１に記載のベース要素。
6. 前記角度ξは、スイッチングの速度を決定する、請求項１に記載のベース要素。
7. 集積メモリデバイスのビットを提供する、請求項１に記載のベース要素。
8. 集積ロジックデバイスのビットを提供する、請求項１に記載のベース要素。
9. 集積パイプライン化マイクロプロセッサデバイスのビットを提供する、請求項１に記載のベース要素。
10. 前記重金属ストリップは、タングステンまたはタンタルを含む、請求項１に記載のベース要素。
11. 前記重金属ストリップは、アルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）を含む、請求項１に記載のベース要素。
12. 前記重金属ストリップは、ビスマス（Ｂｉ）またはモリブデン（Ｍｏ）を含む、請求項１に記載のベース要素。
13. 前記重金属ストリップは、ニオブ（Ｎｂ）またはパラジウム（Ｐｄ）を含む、請求項１に記載のベース要素。
14. 前記重金属ストリップは、プラチナ（Ｐｔ）を含む、請求項１に記載のベース要素。
15. 前記重金属ストリップは、銅（Ｃｕ）及びＢｉの合金またはＣｕ及びイリジウム（Ｉｒ）の合金を含む、請求項１に記載のベース要素。
16. ナノ磁石の磁化状態をスイッチングするための方法であって、
    表面を有する重金属ストリップ及び前記表面に隣接して配設される強磁性ナノ磁石を設けるステップであって、前記強磁性ナノ磁石は長軸と短軸を有する形状を備え、前記強磁性ナノ磁石は面に垂直な異方性Ｈ _ｋｚ と面内異方性Ｈ _ｋｘ とを有し、前記強磁性ナノ磁石は、第１の磁化平衡状態及び第２の磁化平衡状態を有し、前記重金属ストリップを通る電荷の流れの方向は、前記ナノ磁石の前記短軸に対して角度ξを含む、設けるステップと、
    電荷方向に前記重金属ストリップを通して電荷を流すステップであって、それにより、前記ナノ磁石の前記磁化状態を外部磁界の非存在下で前記第１の磁化平衡状態に設定する、または、前記磁化状態を前記第２の磁化平衡状態に設定する、電荷を流すステップとを含む、方法。
17. 電荷を流す前記ステップは、電荷方向に前記重金属ストリップを通して電荷を流すことであって、それにより、約５０ピコ秒未満の期間以内に前記磁化状態を設定する、電荷を流すことを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 電荷を流す前記ステップは、電荷方向に前記重金属ストリップを通して電荷を流すことであって、それにより、メモリデバイスのビットを設定することに対応する前記磁化状態を設定する、電荷を流すことを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 電荷を流す前記ステップは、電荷方向に前記重金属ストリップを通して電荷を流すことであって、それにより、ロジックデバイスのビットを設定することに対応する前記磁化状態を設定する、電荷を流すことを含む、請求項１６に記載の方法。

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