JP6791304B2 - 磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
本発明は、磁化回転素子、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が磁気抵抗効果素子として知られている。一般に、ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子と比較して素子抵抗が高く、磁気抵抗（ＭＲ）比が大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、ＴＭＲ素子に注目が集まっている。
近年、スピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献１）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。磁気抵抗効果素子内にＳＯＴを誘起するための電流は、磁気抵抗効果素子の積層方向と交差する方向に流す。すなわち、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流す必要がなく、磁気抵抗効果素子の長寿命化が期待されている。
S.Fukami, T.Anekawa, C.Zhang and H.Ohno, Nature Nano Tec (2016). DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
磁気抵抗効果を利用した素子は様々な用途で使用されており、広い温度域での動作保証が求められている。ＳＯＴを利用したスピン軌道トルク型磁化回転素子において、強磁性体の磁気異方性エネルギーの大きさや配線の抵抗率等は温度により特性が変化する。そのため、使用温度域が変化しても、安定的に動作するスピン軌道トルク型磁化回転素子が求められている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、温度依存性の少ないスピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、スピン軌道トルク配線を第１配線と第２配線の積層構造とし、第１配線と第２配線に流れる電流の分配割合を温度域ごとで変化させることで、スピン軌道トルク型磁化回転素子の温度依存性を低減できることを見出した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様にかかる磁化回転素子は、第１方向に延在する配線と、前記配線の一面に積層された第１強磁性層と、を備え、前記配線は、前記第１強磁性層側から第１配線と第２配線とを有し、前記第１配線及び前記第２配線はいずれも金属であり、前記第２配線は、クロメル、コンスタンタン、ニクロム、白金ロジウム、マンガニン、アルメルからなる群から選択される１つ以上の合金を含む。
（２）第２の態様にかかる磁化回転素子は、第１方向に延在する配線と、前記配線の一面に積層された第１強磁性層と、を備え、前記配線は、前記第１強磁性層側から第１配線と第２配線とを有し、前記第１配線及び前記第２配線はいずれも金属であり、前記第１配線は、ビスマス、タリウム、トリウム、ルビジウム、モリブデン、ロジウム、スズからなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を含み、前記第２配線は、イリジウム、白金、パラジウムからなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を含む。
（３）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属を含んでもよい。
（４）上記態様にかかる磁化回転素子において、前記第１配線の厚みが、前記第１配線を構成する元素のスピン拡散長以下であってもよい。
（５）第３の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかる磁化回転素子と、前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える。
（６）第４の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかる磁気抵抗効果素子を複数備える。
上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子によれば、温度依存性を少なくできる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した断面図である。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０とを備える。
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子を模式的に示した断面図である。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２０とを備える。
以下、スピン軌道トルク配線２０が延びる第１方向をｘ方向、スピン軌道トルク配線２０が存在する面内で第１方向と直交する方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向のいずれにも直交する方向をｚ方向と規定して説明する。図１においてｚ方向は、第１強磁性層１０の積層方向及びスピン軌道トルク配線２０の厚み方向と一致する。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１０はその磁化Ｍ１０の向きが変化することで機能する。図１に示す第１強磁性層１０の磁化容易軸はｚ方向であり、第１強磁性層１０は磁化Ｍ１０がｚ方向に配向した垂直磁化膜である。第１強磁性層１０は磁化Ｍ１０がｘｙ平面の面内方向に配向した面内磁化膜であってもよい。
第１強磁性層１０はその磁化Ｍ１０の向きが変化することで機能する。図１に示す第１強磁性層１０の磁化容易軸はｚ方向であり、第１強磁性層１０は磁化Ｍ１０がｚ方向に配向した垂直磁化膜である。第１強磁性層１０は磁化Ｍ１０がｘｙ平面の面内方向に配向した面内磁化膜であってもよい。
第１強磁性層１０には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを例示できる。
また第１強磁性層１０には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、 Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ, 、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。ホイスラー合金は、高いスピン分極率を有する。
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は第１配線２１と第２配線２２とを備える。
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は第１配線２１と第２配線２２とを備える。
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流を生成する。スピンホール効果とは、配線に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
図１に示すように、スピン軌道トルク配線２０のｘ方向の両端に電位差を与えるとｘ方向に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、ｙ方向に配向した第１スピンＳ１と−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
ここで、第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。図１においては、純スピン流としてＪＳが図中のｚ方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。スピン軌道トルク配線２０の上面に第１強磁性層１０を接触させると、純スピン流は第１強磁性層１０に拡散して流れ込む。すなわち、第１強磁性層１０にスピンが注入される。
スピン軌道トルク配線２０は、第１配線２１と第２配線２２とを少なくとも備える。スピン軌道トルク配線２０は、３層以上の配線が積層されていてもよい。
第１配線２１は、スピン軌道トルク配線２０内で最も第１強磁性層１０側の配線であり、第２配線２２は、第１配線２１よりも第１強磁性層１０から離れた位置にある側の配線である。
第１実施形態にかかる第１配線２１及び第２配線２２は、いずれも金属からなる。ここで「金属」とは、単体金属に限られず、合金でもよい。また「金属からなる」とは、第１配線２１及び第２配線２２が温度変化に対して金属的挙動を示せば、不純物等の他の物質を含むことを許容する。金属的挙動とは、温度が高くなるに従い抵抗値が増加する挙動を意味する。
第１配線２１は、少なくとも−４０℃から１００℃の温度域における抵抗率の温度依存性が第２配線２２より大きい。ここで「抵抗率の温度依存性」とは、−４０℃における配線の抵抗値と１００℃における配線の抵抗値との差に対応する。すなわち、第１配線２１の−４０℃における抵抗値と１００℃における抵抗値との差は、第２配線２２の−４０℃における抵抗値と１００℃における抵抗値との差より大きい。
図２Ａ〜図２Ｃは、第１配線２１及び第２配線２２の抵抗率の温度依存性を模式的に示した図である。第１配線２１の抵抗値Ｒ２１と第２配線２２の抵抗値Ｒ２２とは、上記の温度依存性の関係性を満たせば、図２Ａ〜図２Ｃ（ｃ）のいずれの関係でもよい。図２Ａは、第１配線２１の抵抗値Ｒ２１と第２配線２２の抵抗値Ｒ２２とがいずれかの温度を交点として逆転する場合の図である。図２Ｂは、−４０℃から１００℃の温度域内で第１配線２１の抵抗値Ｒ２１が第２配線２２の抵抗値Ｒ２２より大きい場合の図である。図２Ｃは、−４０℃から１００℃の温度域内で第１配線２１の抵抗値Ｒ２１が第２配線２２の抵抗値Ｒ２２より小さい場合の図である。
第１配線２１の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流ＪＳが発生しやすい。
第２配線２２は、クロメル、コンスタンタン、ニクロム、白金ロジウム、マンガニン、アルメルからなる群から選択される１つ以上の合金を含むことが好ましい。これらの合金は、温度依存性が小さく、温度変化に伴う抵抗値変化が少ない。
また第１配線２１と第２配線２２の組み合わせとしてそれぞれの配線が以下の元素を含むことが好ましい。第１配線２１は、タングステン、ビスマス、ルビジウム、タンタル、モリブデン、ロジウム、スズからなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を含むことが好ましく、第２配線は、イリジウム、白金、パラジウムからなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を含むことが好ましい。
第２配線２２もスピンホール効果を生じるため、非磁性の重金属を含むことが好ましい。第１配線２１及び第２配線２２がいずれも重金属含み、かつ、上記の組み合わせを満たすことで、第１配線２１と第２配線２２とが所定の温度依存性の関係を満たしつつ、大きなスピン軌道相互作用を生み出すことができる。
第１配線２１の厚みは、第１配線２１を構成する元素のスピン拡散長以下であることが好ましい。第１配線２１の厚みが十分薄いことで、第２配線２２で生じたスピンが第１強磁性層１０まで到達できる。
第１配線２１の厚みは、第２配線２２の厚みの０．２５倍以上２．０以下であることが好ましく、第２配線２２の厚みの０．５倍以上１．０倍以下であることがより好ましい。
第１配線２１と第２配線２２との厚みが上記関係を満たせば、第１配線２１と第２配線２２の抵抗率の差が大きくならない。またスピン軌道トルク配線２０に流す電流を小さくすることができ、スピン軌道トルク型磁化回転素子の設置面積やトランジスタの大きさを小さくすることができる。
第１配線２１と第２配線２２との厚みが上記関係を満たせば、第１配線２１と第２配線２２の抵抗率の差が大きくならない。またスピン軌道トルク配線２０に流す電流を小さくすることができ、スピン軌道トルク型磁化回転素子の設置面積やトランジスタの大きさを小さくすることができる。
またスピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１−ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
（スピン軌道トルク型磁化回転素子の機能）
低温における第１強磁性層１０の磁気異方性エネルギーは、高温における第１強磁性層１０の磁気異方性エネルギーより大きい。つまり第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は低温において回転しにくく、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は高温において回転しやすい。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を回転させるためには、低温の場合の方が高温の場合より多くのスピンをスピン軌道トルク配線２０から注入する必要がある。
低温における第１強磁性層１０の磁気異方性エネルギーは、高温における第１強磁性層１０の磁気異方性エネルギーより大きい。つまり第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は低温において回転しにくく、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は高温において回転しやすい。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０を回転させるためには、低温の場合の方が高温の場合より多くのスピンをスピン軌道トルク配線２０から注入する必要がある。
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、低温（例えば−４０℃）における第１配線２１及び第２配線２２の抵抗値Ｒ２１、Ｒ２２は、基準温度（例えば室温）における第１配線２１及び第２配線２２の抵抗値Ｒ２１、Ｒ２２より低い。そのため、一定の電圧源に接続している場合、低温においてスピン軌道トルク配線２０に流れる電流量は、基準温度の場合より多くなる。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流Ｉの電流密度が高まると、多くのスピンが第１強磁性層１０に注入される。
また第１配線２１は、少なくとも−４０℃から１００℃の温度域における抵抗率の温度依存性が第２配線２２より大きい。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流Ｉは、模式的に第１配線２１と第２配線２２とに分流しているとみなせる。第１配線２１に分流する電流量は低温ほど増加する。
第１配線２１は、第２配線２２より第１強磁性層１０側に位置する。第１強磁性層１０に近い側の第１配線２１に分流する電流量が増えると、より多くのスピンが効率的に第１強磁性層１０に注入される。
これに対し、高温（例えば１００℃）における第１配線２１及び第２配線２２の抵抗値Ｒ２１、Ｒ２２は、基準温度（例えば室温）における第１配線２１及び第２配線２２の抵抗値Ｒ２１、Ｒ２２より高い。そのため、一定の電圧源に接続している場合、高温においてスピン軌道トルク配線２０に流れる電流量は、基準温度の場合より少なくなる。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流量が少なくなり、第１強磁性層１０に注入されるスピン量は少なくなる。第１強磁性層１０の磁化安定性は高温で低下するため、注入されるスピン量が減少しても、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０は回転する。
また第２配線２２の抵抗値Ｒ２２は温度変化の影響を受けにくい。高温において第２配線２２に分流する電流量が増加するに従い、第１配線２１に分流する電流量は相対的に減少する。第１強磁性層１０に近い側の第１配線２１に分流する電流量が減ることで、第１強磁性層１０に注入されるスピン量が減少する。
スピン軌道トルク配線２０は、第１配線２１に分流する電流量と第２配線２２に分流する電流量との比が、温度に応じて自動的に変化する。一定の電圧をスピン軌道トルク配線２０に印加した場合でも、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性に応じて、第１強磁性層１０に注入されるスピン量が変わる。
上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、温度に応じて第１強磁性層１０に注入されるスピン量が変化する。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性が高い低温において注入されるスピン量は増加し、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性が低い高温において注入されるスピン量は低下する。スピン軌道トルク配線２０を一定の電圧を印加する電圧源に接続した場合でも、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性に合わせて自動的に動作が保障される。つまり、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、広い温度域での使用が可能である。
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、使用温度を測定する温度計や印加する電圧を制御する制御部等が不要である。つまり、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、小型化が可能である。
「第２実施形態」
図３は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の断面模式図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２５とを備える。スピン軌道トルク配線２５は、第１配線２６と第２配線２７とを備える。図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は第２配線２７を構成する材料が半導体である点が、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の構成については説明を省く。
図３は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の断面模式図である。図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１０とスピン軌道トルク配線２５とを備える。スピン軌道トルク配線２５は、第１配線２６と第２配線２７とを備える。図３に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は第２配線２７を構成する材料が半導体である点が、図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。図１に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同様の構成については説明を省く。
第１配線２６は金属であり、第２配線２７は半導体である。ここで「金属である」とは温度に対して金属的挙動を示すことを意味し、「半導体である」とは温度に対して半導体的挙動を示すことを意味する。半導体的挙動とは、温度が高くなるに従い抵抗値が減少する挙動を意味する。第１配線２６と第２配線２７は、温度変化に対する抵抗値の挙動が異なるため、抵抗値の温度依存性は問わない。
図４Ａ〜図４Ｃは、第１配線２６及び第２配線２７の抵抗率の温度依存性を模式的に示した図である。第１配線２６の抵抗値Ｒ２６と第２配線２７の抵抗値Ｒ２７とは、図４Ａ〜図４Ｃのいずれの関係でもよい。図４Ａは、第１配線２６の抵抗値Ｒ２６と第２配線２７の抵抗値Ｒ２７とがいずれかの温度を交点として逆転する場合の図である。図４Ｂは、−４０℃から１００℃の温度域内で第１配線２６の抵抗値Ｒ２６が第２配線２７の抵抗値Ｒ２７より大きい場合の図である。図４Ｃは、−４０℃から１００℃の温度域内で第１配線２６の抵抗値Ｒ２６が第２配線２７の抵抗値Ｒ２７より小さい場合の図である。半導体である第２配線２７は、金属である第１配線２６より通常抵抗値が高いため、図４Ｃの関係となることが多い。
図４Ａ〜図４Ｃに示すように、低温（例えば−４０℃）から高温（例えば１００℃）に向かうに従い第１配線２６の抵抗値は増加する。一方で、低温（例えば−４０℃）から高温（例えば１００℃）に向かうに従い第２配線２７の抵抗値は減少する。そのため、第１配線２６に分流する電流量は低温ほど増加し、第２配線２７に分流する電流量は高温ほど増加する。
スピン軌道トルク配線２５は、第１配線２６に分流する電流量と第２配線２７に分流する電流量との比が、温度に応じて自動的に変化する。一定の電圧をスピン軌道トルク配線２５に印加した場合でも、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性に応じて、第１強磁性層１０に注入されるスピン量が変わる。
上述のように、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、温度に応じて第１強磁性層１０に注入されるスピン量が変化する。第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性が高い低温において注入されるスピン量は増加し、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性が低い高温において注入されるスピン量は低下する。スピン軌道トルク配線２５を一定の電圧を印加する電圧源に接続した場合でも、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の安定性に合わせて自動的に動作が保障される。つまり、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、広い温度域での使用が可能である。
本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、使用温度を測定する温度計や印加する電圧を制御する制御部等が不要である。つまり、本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、小型化が可能である。
第１実施形態及び第２実施形態にかかるスピン流磁化回転素子は後述するように磁気抵抗効果素子に適用することができる。しかしながら、用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、上記のスピン流磁化回転素子を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器においても用いることができるし、磁気センサにおいて磁石の保磁力によるヒステリシスの効果を避けるために磁石の磁化容易軸に印可する磁場をＳＯＴに置き換えてもよい。
スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ぶことができる。
「変形例」
尚、本実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子は、上記のものに限られるものではない。
第１配線２１、２６は金属であり、第２配線２２、２７がトポロジカル絶縁体であってもよい。
第１配線２１、２６は半導体であり、第２配線２２、２７がトポロジカル絶縁体であってもよい。
尚、本実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子は、上記のものに限られるものではない。
第１配線２１、２６は金属であり、第２配線２２、２７がトポロジカル絶縁体であってもよい。
第１配線２１、２６は半導体であり、第２配線２２、２７がトポロジカル絶縁体であってもよい。
「第３実施形態」
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図５は、第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と、非磁性層１１０と、第２強磁性層１２０とを備える。図５では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００を用いたが、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１を用いてもよい。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同等の構成については、説明を省く。
＜スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子＞
図５は、第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の断面模式図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００と、非磁性層１１０と、第２強磁性層１２０とを備える。図５では、スピン軌道トルク型磁化回転素子として、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００を用いたが、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１を用いてもよい。第１実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と同等の構成については、説明を省く。
第１強磁性層１０と非磁性層１１０と第２強磁性層１２０とが積層された積層体（機能部１３０）は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部１３０は、第２強磁性層１２０の磁化Ｍ１２０が一方向（例えば−ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１２０の保磁力を第１強磁性層１０の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１２０の磁化Ｍ１２０を反強磁性層との交換結合によって固定する。
また機能部１３０において、非磁性層１１０が絶縁体からなる場合は、機能部１３０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、非磁性層１１０が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
機能部１３０の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性層１２０の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第２強磁性層１２０は固定層や参照層、第１強磁性層１０は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第２強磁性層１２０の材料には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。これらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。また第２強磁性層１２０にＣｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いてもよい。
第２強磁性層１２０の第１強磁性層１０に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層１２０と接する材料としてＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第２強磁性層１２０の漏れ磁場を第１強磁性層１０に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
非磁性層１１０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層１１０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料である。非磁性層１１０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層１１０が半導体からなる場合、その材料としてはＳｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２などを用いることができる。
例えば、非磁性層１１０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料である。非磁性層１１０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層１１０が半導体からなる場合、その材料としてはＳｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２などを用いることができる。
機能部１３０は、その他の層を有していてもよい。例えば、第２強磁性層１２０の非磁性層１１０と反対側の面にキャップ層を有していてもよい。
第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、第１強磁性層１０の磁化Ｍ１０と第２強磁性層１２０の磁化Ｍ１２０の相対角の違いにより生じる機能部１３０の抵抗値変化を用いてデータの記録、読出しを行うことができる。また第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００を備えるため、広い温度域での使用が可能である。また第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００は、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００を備えるため、小型化が可能である。
「第４実施形態」
＜磁気メモリ＞
図６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００（図５参照）を備える磁気メモリ３００の平面図である。図５は、図６におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００を切断した断面図に対応する。図６に示す磁気メモリ３００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が３×３のマトリックス配置をしている。
図６は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の数及び配置は任意である。
＜磁気メモリ＞
図６は、複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００（図５参照）を備える磁気メモリ３００の平面図である。図５は、図６におけるＡ−Ａ面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００を切断した断面図に対応する。図６に示す磁気メモリ３００は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００が３×３のマトリックス配置をしている。
図６は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の数及び配置は任意である。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。
電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００のスピン軌道トルク配線２０に電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜ＲＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３を選択することで、任意のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３、ビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１〜ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。すなわち、これらの複数のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子２００から任意の素子のデータを読み出すことで磁気メモリとしての活用ができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 第１強磁性層
２０、２５ スピン軌道トルク配線
２１、２６ 第１配線
２２、２７ 第２配線
１００、１０１ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０ 非磁性層
１２０ 第２強磁性層
１３０ 機能部
２００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３００ 磁気メモリ
Ｍ１０、Ｍ１２０ 磁化
２０、２５ スピン軌道トルク配線
２１、２６ 第１配線
２２、２７ 第２配線
１００、１０１ スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０ 非磁性層
１２０ 第２強磁性層
１３０ 機能部
２００ スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
３００ 磁気メモリ
Ｍ１０、Ｍ１２０ 磁化
Claims (6)
- 第１方向に延在する配線と、
前記配線の一面に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記配線は、前記第１強磁性層側から第１配線と第２配線とを有し、
前記第１配線及び前記第２配線はいずれも金属であり、
前記第２配線は、クロメル、コンスタンタン、ニクロム、白金ロジウム、マンガニン、アルメルからなる群から選択される１つ以上の合金を含み、
前記第１配線は、少なくとも−４０℃から１００℃の温度域における抵抗率の温度依存性が前記第２配線より大きい、磁化回転素子。 - 第１方向に延在する配線と、
前記配線の一面に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記配線は、前記第１強磁性層側から第１配線と第２配線とを有し、
前記第１配線及び前記第２配線はいずれも金属であり、
前記第１配線は、ビスマス、タリウム、トリウム、ルビジウム、モリブデン、ロジウム、スズからなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を含み、
前記第２配線は、イリジウム、白金、パラジウムからなる群から選択されるいずれか一つ以上の元素を含み、
前記第１配線は、少なくとも−４０℃から１００℃の温度域における抵抗率の温度依存性が前記第２配線より大きい、磁化回転素子。 - 前記第１配線は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属を含む、請求項１または２のいずれかに記載の磁化回転素子。
- 前記第１配線の厚みが、前記第１配線を構成する元素のスピン拡散長以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁化回転素子。
- 請求項１から４のいずれか一項に記載の磁化回転素子と、
前記第１強磁性層と対向する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備える、磁気抵抗効果素子。 - 請求項５に記載の磁気抵抗効果素子を複数備えた磁気メモリ。
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