JPWO2011004891A1 - 磁化反転装置、記憶素子、及び磁界発生装置 - Google Patents

磁化反転装置、記憶素子、及び磁界発生装置 Download PDF

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Abstract

非磁性体１１の配線に一部又は全部が立体的に埋め込まれて配設される磁性体１２と、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生し、非磁性体１１の配線を共通の電極として非磁性体１１の配線に接触して配設されるスピン注入源１３とを備え、スピン注入源１３が、非磁性体１１の配線を介して磁性体１２に対して拡散電流により純スピン流を流すことで、磁性体１２の磁化を反転させる。このようなプレーナ構造を利用して純スピン流を注入することで、スピン侵入長に制限されずに厚膜の磁性体１２であっても容易に磁化反転を可能とする。

Description

本発明は、スピン注入による磁性体の磁化反転技術に関する。
近年、ＣＭＯＳトランジスタの微細化が進んでいるが、その微細化も限界に近いことが懸念されている。そこで、ＣＭＯＳトランジスタの微細化の限界を打破するには、動作原理が異なる新機能素子の開発が必要となる。
強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｏ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を基本構造とする磁性ＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ＲＡＭ：ＭＲＡＭとする）（非特許文献１、２を参照）は、強磁性体の不揮発性を利用した高性能な省エネルギー素子であり、次世代電子デバイス（非特許文献３を参照）の有力候補の一つとして、実用化に向けた研究開発が行われている。
ＭＲＡＭの重要な構成要素であるＭＴＪ素子は、ＭｇＯトンネルバリアの品質向上や高スピン偏極材料の開発により、室温で数百％の大きな磁気抵抗変化（ＴＭＲ比）を実現している（非特許文献４、５を参照）。これにより、ＭＲＡＭの基本動作である読み出し技術は必要性能を満たしつつある。一方書き込み技術としては、現在スピン偏極電流による磁化反転方式（スピントルク方式）がある（非特許文献６を参照）。
しかし、図１３に示すように、現在の積層構造を利用したスピンの一次元方向からのみの注入法では、原理的に強磁性層の厚さがスピン侵入長以下（数ｎｍ程度）の極薄膜電極にしか適用できない。そのため、素子サイズの微細化（＝集積度の向上）と共に蓄積磁化エネルギーが低下し、熱擾乱によるスピンの安定性が大きな障壁となる。また、スピン流に重畳している電荷流により磁性層にジュール熱が発生する。そのため、飽和磁化が小さく、摩擦定数の小さい電極材料を用いる等、ＭＴＪにおけるスピン伝導特性の最適化とは異質の制約が生じ、読み出しに必要な磁気抵抗変化の低下を招く結果となる。
これは、ＭＲＡＭに限らず、全ての高機能スピンデバイスにおいて、高い素子性能（スピン伝導性能）を維持したまま、スピン熱擾乱耐性の向上と書き込み動作の低電力化の両立を実現することが強く望まれている。
発明者は、素子構造の柔軟性が高いプレーナ構造に着目し、電荷の流れがゼロのスピン流（純スピン流とする）の生成方法、及び制御方法に関する研究を行ってきた（例えば、非特許文献７を参照）。
図１４は、純スピン流を示す図である。上段のスピン偏極電流は、通常の電流にスピン流を重畳させたものであり、電子の数（図１４では３個のｅ）だけ電荷流が流れ、スピン流は↑スピン（図１４では２個）と↓スピン（図１４では１個）が同方向に流れることで、相殺されたスピン流（１個の↑スピン）が発生する。一方、下段の純スピン流は、↑スピンの電子（図１４では１個）と↓スピンの電子（図１４では１個）が拡散電流により相互に逆方向に流れることで、電荷の流れを相殺（ゼロに）し、スピン角運動量だけを運ぶ電子の流れである。この純スピン流は、非平衡状態から平衡状態への拡散で伝導するため、電界で伝導する電荷流とは生成、制御の概念が異なるものである。発明者は、この純スピン流が、スピン緩和が強い磁性体中に効率的に流れ込むスピン吸収効果を開発した（非特許文献８を参照）。
また、スピン吸収効果を積極的に用いて、図１５（図１５（Ａ）が素子ＳＥＭ像、図１５（Ｂ）がその概念図）に示す素子構造を開発し、パーマロイ微小磁性体に、直接電流を流さずに純スピン流のみを注入することで、微小パーマロイの磁化反転が可能であることを実証している（非特許文献９を参照）。
さらに、発明者により、多端子によりスピン注入を行うことで、蓄積スピンベクトルの電気的な回転制御法が開示されている（非特許文献１０を参照）。
久保田均，鈴木義茂，湯浅新治、"高密度スピントルクＭＲＡＭの実現に向けて"、応用物理７８、２３１−２３５、２００９ Claude Chappert，Albert Fert & Frederic Nguyen Van Dau、"Theemergence of spin electronics in data storage"、Nature Materials 6、813-823、2007 平本俊郎、"Ｂｅｙｏｎｄ ＣＭＯＳとは？"、応用物理７７、２５３、２００８ 湯浅新治，David D.Djayaprawira、"結晶ＭｇＯトンネル障壁のコヒーレントなスピン依存トンネル伝導と巨大ＴＭＲ効果"、日本物理学会誌６２、１５６−１６３、２００５ 宮崎照宣、"ＴＲＭ効果の歴史と展望"、まぐね３、２１２−２１８、２００８ 中村志保、"磁性接合におけるスピントランスファ現象の展開"、まぐね３、２１９−２２７、２００８ T.Kimura and Y.Otani、"Spin transport in lateral ferromagnetic/nonmagnetic hybrid structures"、J.Phys.Cond.Mat.19、165216、2007 T.Kimura,J.Hamrle and Y.Otani、"Estimetion of spin-diffusion length from themagnitude of spin-current absorption:multi-terminal ferromagnetic/nonmagnetic hybrid structures"、Phys.Rev.B72、14461、2005 T.Kimura,J.Hamrle、"Switching magnetization of nanoscale ferromagnetic particle using nonlocal spin injection"、Phys.Rev.Lett.96、37201、2006 T.Kimura,Y.Otani, and Peter M.Levy、"Electrical Control of the Direction of Spin Accumulation"、Physical Review Letters、99、166601、2007
しかしながら、開示されたいずれの技術においても、スピン侵入長以上の厚さを持つ磁性体（反転層）の磁化反転には適用することができず、スピンデバイスにおける熱擾乱耐性の問題、及び磁気抵抗変化が低下する問題を解決するに至らない。
そこで、本発明は、積層構造ではなく、プレーナ構造を利用して一又は複数の端子から電荷を一切含んでいない純スピン流を生成し、非磁性体中に磁性体を埋め込むことで、複数方向から純スピン流を磁性体に注入することができ、スピン侵入長に制限されずに磁性体の磁化反転を可能にする磁化反転技術等を提供することを目的とする。
本願に開示する磁化反転装置は、非磁性体の配線に一部又は全部が立体的に埋め込まれて配設される磁性体と、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生し、前記非磁性体の配線を共通の電極として当該非磁性体の配線に接触して配設されるスピン注入手段とを備え、前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体の磁化を反転させることを特徴とするものである。
このように、磁性体が非磁性体の配線に一部又は全部が立体的に埋め込まれることで、磁性体と非磁性体との接触面積が大きくなり、スピン注入手段からの拡散電流により大量の純スピン流を吸収することが可能となるため、厚膜の磁性体であっても容易に磁化反転することができるという効果を奏する。また、厚膜の磁性体の磁化反転が可能となることで、熱擾乱によりスピンが不安的になることを防止することができるという効果を奏する。さらに、電荷流により発生するジュール熱がないため、電極材料等の制約がなく、磁化の大きな厚膜磁性体の磁化反転が可能となると共に、磁気抵抗素子における抵抗変化の低下を防止することができるという効果を奏する。
本願に開示する磁化反転装置は、前記スピン注入手段を複数備え、任意の一のスピン注入手段と前記磁性体との間の純スピン流の流路上とは異なる位置に、任意の他のスピン注入手段が配設されていることを特徴とするものである。
このように、複数のスピン注入手段からの拡散電流により磁性体に対して大量の純スピン流を流すことで、厚膜の磁性体であっても容易に磁化反転することができるという効果を奏する。
本願に開示する磁化反転装置は、非磁性体の配線に平面的に接触して配設される磁性体と、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生し、前記非磁性体の配線を共通の電極として当該非磁性体の配線に接触して配設される複数のスピン注入手段とを備え、任意の一のスピン注入手段と前記磁性体との間の純スピン流の流路上とは異なる位置に、任意の他のスピン注入手段を配設し、前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体の磁化を反転させることを特徴とするものである。
このように、複数のスピン注入手段からの拡散電流により磁性体に対して大量の純スピン流を流すことで、厚膜の磁性体であっても磁化反転することができるという効果を奏する。また、厚膜の磁性体の磁化反転が可能となることで、熱擾乱によりスピンが不安的になることを防止することができるという効果を奏する。さらに、電荷流により発生するジュール熱がないため、電極材料等の制約がなく、磁化の大きな厚膜磁性体の磁化反転が可能となると共に、磁気抵抗素子における抵抗変化の低下を防止することができるという効果を奏する。
本願に開示する磁化反転装置は、第１のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第１の注入方向と、第２のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して、二次元面内で任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させ、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とするものである。
このように、磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、スピンの方向を制御することで、歳差運動をしている磁性体におけるスピンのベクトルに作用するトルクが常に最適となる方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させるため、磁性体のスピンの歳差運動に同期してスピンに作用するトルクが最適となり、小電力で高速に磁化を反転することができるという効果を奏する。また、注入される純スピン流の量の比率を調整することで、生成される純スピン流のベクトル方向を電気的に制御することが可能となる。
本願に開示する磁化反転装置は、前記純スピン流を注入する第３のスピン注入手段を備え、前記第３のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第３の注入方向と、前記第１の注入方向、及び／又は前記第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段と前記第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とするものである。
このように、磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段と第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、スピンの方向を制御することで、歳差運動をしている磁性体におけるスピンのベクトルに作用するトルクが常に最適となる方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させるため、３次元的なスピンの歳差運動に対してもスピンに作用するトルクを最適化することができ、より小電力で高速な磁化の反転を実現することができるという効果を奏する。また、注入される純スピン流の量の比率を調整することで、生成される純スピン流のベクトル方向を電気的に制御することが可能となる。
本願に開示する磁化反転装置は、前記スピン注入源、及び前記非磁性体に電流を供給する電流源を備え、少なくとも前記スピン注入源、前記非磁性体、及び前記電流源で閉回路が形成されており、前記閉回路に電流を流すことで前記拡散電流を生じ、前記純スピン流を発生させることを特徴とするものである。
このように、少なくとも前記スピン注入源、非磁性体、及び電流源で閉回路が形成されており、閉回路に電流を流すことで拡散電流を生じ、純スピン流を発生させるため、簡単な回路構成で拡散電流により電荷の流れを伴わない純スピン流を発生することができるという効果を奏する。
本願に開示する記憶素子は、縦方向、及び横方向に直交する導電性の配線に非磁性体の配線を含み、当該非磁性体の配線の任意の一の交点の位置に、当該非磁性体の配線と少なくとも一部を接触させた磁性体を配設し、当該磁性体が配設された前記任意の一の交点に隣接する複数の任意の他の交点のうち、一又は複数の任意の他の交点の位置に、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生するスピン注入手段を、前記非磁性体の配線を共通の電極として当該非磁性体の配線に接触して配設し、前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体の磁化を反転させてビットの書き込みを行うことを特徴とするものである。
このように、縦方向、及び横方向に直交する導電性の配線に非磁性体の配線を含み、非磁性体の配線の任意の一の交点の位置に磁性体を配設し、非磁性体の配線を介して隣接する他の交点の位置にスピン注入手段を配設することで、磁性体が多くの純スピン流を吸収することができると共に、スピン熱擾乱耐性を有する厚膜磁性体を低消費電力で磁化反転することができ、ビットの情報を安定して確実に書き込むことができるという効果を奏する。
本願に開示する記憶素子は、前記導電性の配線に含まれる非磁性体の配線が縦方向、及び横方向に加えて、斜め方向に直交することを特徴とするものである。
このように、導電性の配線に含まれる非磁性体の配線が縦方向、及び横方向に加えて斜め方向に直交することで、スピン注入手段の数を増加させ、磁性体がより多くの純スピン流を吸収することができ、より巨大な純スピン流が磁性体中に吸収され、より大きな磁性体の磁化反転が可能となることで、より熱安定に優れた次世代の記憶素子として利用することができるという効果を奏する。
本願に開示する記憶素子は、前記磁性体が、前記非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることを特徴とするものである。
このように、磁性体が、非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることで、複数方向から純スピン流を吸収することができ、安定してビット情報の書き込みを行うことができるという効果を奏する。
本願に開示する記憶素子は、前記複数の任意の他の交点に、少なくとも第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とを配設し、前記第１のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向と、前記第２のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して、二次元面内で任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とするものである。
このように、磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、スピンの方向を制御することで、歳差運動をしている磁性体におけるスピンのベクトルに作用するトルクが常に最適となる方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させるため、磁性体のスピンの歳差運動に同期してスピンに作用するトルクが最適となり、小電力で高速に磁化を反転することができるという効果を奏する。また、注入される純スピン流の量の比率を調整することで、生成される純スピン流のベクトル方向を電気的に制御することが可能となる。
本願に開示する記憶素子は、前記第１のスピン注入手段、及び第２のスピン注入手段が配設されている交点以外の前記任意の他の交点に、前記純スピン流を注入する第３のスピン注入手段を備え、前記第３のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第３の注入方向と、前記第１の注入方向、及び／又は前記第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段と前記第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とするものである。
このように、磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段と第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、スピンの方向を制御することで、歳差運動をしている磁性体におけるスピンのベクトルに作用するトルクが常に最適となる方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させるため、３次元的なスピンの歳差運動に対してもスピンに作用するトルクを最適化することができ、より小電力で高速な磁化の反転を実現することができるという効果を奏する。また、注入される純スピン流の量の比率を調整することで、生成される純スピン流のベクトル方向を電気的に制御することが可能となる。
本願に開示する記憶素子は、前記スピン注入源、及び前記非磁性体に電流を供給する電流源を備え、少なくとも前記スピン注入源、前記非磁性体、及び前記電流源で閉回路が形成されており、前記閉回路に電流を流すことで前記拡散電流を生じ、前記純スピン流を発生させることを特徴とするものである。
このように、少なくとも前記スピン注入源、非磁性体、及び電流源で閉回路が形成されており、閉回路に電流を流すことで拡散電流を生じ、純スピン流を発生させるため、簡単な回路構成で拡散電流により電荷の流れを伴わない純スピン流を発生することができるという効果を奏する。
本願に開示する磁界発生装置は、非磁性体からなる配線の先端部に当該非磁性体の配線と少なくとも一部が接触する磁性体を備え、前記非磁性体の配線の先端部から後退離反する方向に延出する一又は複数の延出部を有し、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生するスピン注入手段を、当該スピン注入手段の少なくとも一部が前記延出部に接触するように配設し、前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体からの磁界を発生させるものである。
このように、非磁性体からなる配線の先端部に備えられた磁性体に対して、後退離反する方向に延出する一又は複数の延出部から非磁性体の配線を介して純スピン流を流すことで、装置のサイズを小さくしつつ、空間分解能の高い磁界を発生させることができ、磁気記録装置のみならず、次世代スピンデバイスの書き込み手段として利用できるという効果を奏する。
本願に開示する磁界発生装置は、前記延出部が複数形成されており、前記延出部が、前記非磁性体の配線の先端部から、前記磁性体の磁界発生方向に対して所定の角度で、且つ前記先端部から後退離反する方向に放射状に延出しているものである。
このように、非磁性体からなる配線の先端部に備えられた磁性体に対して、複数の延出部から非磁性体の配線を介して大量の純スピン流を流すことで、磁性体が強力な磁界を発生することができるという効果を奏する。
本願に開示する磁界発生装置は、前記延出部が、Ｖ字状に形成される２つの延出部からなることを特徴とするものである。
このように、延出部をＶ字状に形成される２つの延出部とすることで、装置のサイズを小さくしつつ、空間分解能の高い磁界を発生させることができ、磁気記録装置のみならず、次世代スピンデバイスの書き込み手段として利用できるという効果を奏する。
本願に開示する磁界発生装置は、前記磁性体が、前記非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることを特徴とするものである。
このように、磁性体が、非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることで、複数方向から純スピン流を吸収することができ、形状や材質に制限されない磁性体の磁化反転が可能となり、より大きな磁界を発生できるという効果を奏する。
本願に開示する磁界発生装置は、複数の延出部を有し、当該複数の延出部に、少なくとも第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とを配設し、前記第１のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向と、前記第２のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して、二次元面内で任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とするものである。
このように、磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、スピンの方向を制御することで、歳差運動をしている磁性体におけるスピンのベクトルに作用するトルクが常に最適となる方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させるため、磁性体のスピンの歳差運動に同期してスピンに作用するトルクが最適となり、小電力で高速に磁化を反転することができるという効果を奏する。また、注入される純スピン流の量の比率を調整することで、生成される純スピン流のベクトル方向を電気的に制御することが可能となる。
本願に開示する磁界発生装置は、前記第１のスピン注入手段、及び第２のスピン注入手段が配設されている延出部以外の他の延出部に、前記純スピン流を注入する第３のスピン注入手段を備え、前記第３のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第３の注入方向と、前記第１の注入方向、及び／又は前記第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段と前記第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とするものである。
このように、磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段と第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、スピンの方向を制御することで、歳差運動をしている磁性体におけるスピンのベクトルに作用するトルクが常に最適となる方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させるため、３次元的なスピンの歳差運動に対しても常時スピンに作用するトルクを最適化することができ、より小電力で高速な磁化の反転を実現することができるという効果を奏する。また、注入される純スピン流の量の比率を調整することで、生成される純スピン流のベクトル方向を電気的に制御することが可能となる。
本願に開示する磁界発生装置は、前記スピン注入源、及び前記非磁性体に電流を供給する電流源を備え、少なくとも前記スピン注入源、前記非磁性体、及び前記電流源で閉回路が形成されており、前記閉回路に電流を流すことで前記拡散電流を生じ、前記純スピン流を発生させることを特徴とするものである。
このように、少なくとも前記スピン注入源、非磁性体、及び電流源で閉回路が形成されており、閉回路に電流を流すことで拡散電流を生じ、純スピン流を発生させるため、簡単な回路構成で拡散電流により電荷の流れを伴わない純スピン流を発生することができるという効果を奏する。
第１の実施形態に係る磁化反転装置の第１の構成図である。 第１の実施形態に係る磁化反転装置の第２の構成図である。 第２の実施形態に係る記憶素子の第１の平面図、及び断面図である。 第２の実施形態に係る記憶素子の第２の平面図、及び断面図である。 第３の実施形態に係る磁界発生装置の第１の全体斜視図、及び断面図である。 第３の実施形態に係る磁界発生装置の第２の全体斜視図、及び断面図である。 第３の実施形態に係る磁界発生装置における他の形状の一例を示す図である。 第４の実施形態に係る磁化反転装置におけるスピンの方向を制御する図である。 第４の実施形態に係る磁化反転装置における磁性体の歳差運動を示す図である。 第４の実施形態に係る磁化反転装置におけるスピン注入源を３つ有する場合の図である。 本発明の実施例に係る素子構造を示す図である。 本発明の実施例における結果を示す図である。 従来のスピン注入により磁化反転を行う場合の問題を示す図である。 従来の純スピン流の説明をする図である。 従来のスピン吸収効果を用いた素子構造を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。従って、本実施形態の記載内容のみで本発明を解釈すべきではない。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
以下の実施形態において、電荷の流れを伴わず、スピンが偏極している電子の流れを純スピン流とし、電荷の流れを伴う電子の流れを電荷流とする。
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る磁化反転装置について、図１、及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る磁化反転装置の第１の構成図、図２は、本実施形態に係る磁化反転装置の第２の構成図である。
図１（Ａ）において、磁化反転装置１０は、非磁性体１１（例えば、銅、アルミニウム等）の配線と、当該非磁性体１１の配線に下面部で接触する磁性体１２（例えば、パーマロイ、コバルト等）、及び２つのスピン注入源１３ａ、１３ｂ（例えば、パーマロイ、コバルト等）とを備える。磁性体１２は、スピン注入源１３ａ、及び１３ｂに挟まれた位置に配設されている。それぞれのスピン注入源１３ａ、１３ｂは、非磁性体１１の配線の外部に電荷流を流すために、非磁性体１１の配線の外部で閉回路が形成されている。また、各スピン注入源１３ａ、１３ｂは、電極であると共に、純スピン流を発生させるためにスピンが偏極している磁性体である。
それぞれの閉回路に電流を流すと、スピン注入源１３ａ、１３ｂから、スピンが偏極した電子が非磁性体１１の配線に流れる。スピンが偏極した電子は、拡散電流として非磁性体１１の配線内を流れるため、↑スピンの電子、及び↓スピンの電子は、その数が多いほうから少ないほうに流れる。例えば、図１（Ｂ）に示すように、スピン注入源１３ａ、１３ｂにおいて、↑スピンの電子の数が８個で↓スピンの電子の数が２個に偏極しているとする。また、非磁性体１１の配線内は、スピンの偏極がないため、↑スピンの電子の数が５個で↓スピンの電子の数が５個である。スピン注入源１３ａ、１３ｂから、スピンが偏極した電子が非磁性体１１の配線に流入すると、↑スピンの電子は、↑スピンの電子の数が多いスピン注入源１３ａ、１３ｂ側から、↑スピンの電子の数が少ない磁性体１２側に向かって流れる。一方、↓スピンの電子は、↓スピンの電子の数が多い磁性体１２側から、↓スピンの電子の数が少ないスピン注入源１３ａ、１３ｂ側に向かって流れる。つまり、図１４に示すように、↑スピンの電子と↓スピンの電子が、拡散電流によりそれぞれ逆方向に流れることで、電荷の流れを相殺し、スピン角運動量だけを非磁性体１１の配線に流す純スピン流を発生させることができる。
非磁性体１１の配線内では、磁性体の場合と比較して、スピンが偏極した非平衡状態を長く保つことができる。また、スピンが偏極した非平衡状態の電子は、その非平衡状態が緩和しやすい方向に流れる性質がある。つまり、スピン注入源１３ａ、１３ｂから流入された純スピン流は、非磁性体１１の配線内よりも非平衡状態がより緩和し易い磁性体１２に向かって流れる（スピンの吸収効果）。
本実施形態に係る磁化反転装置１０では、図１に示すように、複数のスピン注入源１３ａ、１３ｂからの大量の純スピン流を磁性体１２が吸収するため、磁性体１２が大きいものであっても、磁性体１２の磁化を容易に反転させることができる。なお、磁化の方向の制御は、電流が流れる方向を制御することで、行うことができる。
図１の場合と比較して、スピンの吸収効果をより高めた場合の磁化反転装置１０の構成を図２（Ａ）に示す。図１の場合は、磁性体１２の下面（二次元平面）に対して下方向からのみの純スピン流の吸収であるのに対して、図２（Ａ）の場合は、磁性体１２が非磁性体１１に立体的に埋め込まれており、複数方向からの純スピン流の吸収となっている。つまり、純スピン流を吸収する面積を多くすると共に、複数方向から純スピン流を吸収することで、スピンの吸収効率を向上させることができる。
なお、図１、及び図２（Ａ）においては、スピン注入源１３ａ、１３ｂの２つを備える構成としたが、スピン注入源の数はいくつ備えてもよい（１３ａ、１３ｂ、…、１３ｚ、…）。その場合、それぞれのスピン注入源を配設する位置関係は、純スピン流が流れる流路上に他のスピン注入源が配設されないようにする。
また、本実施形態に係る磁化反転装置は、図１３に示すような、ＭＲＡＭ等における反転層に適用させてもよいし、磁界発生装置として、ＭＲＡＭ等を外部から磁界制御するようにしてもよい。
さらに、図２（Ｂ）に示すように、スピン注入源１３ａ又は１３ｂのいずれか１つのみを備える構成としてもよい。さらにまた、非磁性体１１に磁性体１２の全体を埋め込むことで、スピンの吸収効率を最大限に向上させることが可能であるが、使用態様により、例えばＭＲＡＭ等における反転層に適用させるような場合には、一部が非磁性体１１から露出していることが望ましい。その場合、磁性体１２が露出している方向と対向する方向において、非磁性体１１と接触させてスピン注入源１３ａ、１３ｂが配設されることで、スピンの吸収効率を向上させることができる。例えば、図２（Ｃ）に示すように、磁性体１２の下面が露出している場合には、その対向する方向である上面の方向において、非磁性体１１と接触させてスピン注入源を配設するようにしてもよい。
このように、本実施形態に係る磁化反転装置においては、複数のスピン注入源からの拡散電流により磁性体に対して大量の純スピン流を流すことで、厚膜の磁性体であっても磁化反転することができる。また、厚膜の磁性体の磁化反転が可能となることで、熱擾乱によりスピンが不安定になることを防止することができる。さらに、電荷が相殺されることで、電荷流により発生するジュール熱がないため、電極材料等の制約がなく、磁気抵抗変化の低下を防止することができる。
また、磁性体が、非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることで、接触面積を増大させて複数方向から純スピン流を吸収することができ、純スピン流の吸収効果を格段に高めることができる。
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る記憶素子について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る記憶素子の第１の平面図、及び断面図、図４は、本実施形態に係る記憶素子の第２の平面図、及び断面図である。
図３（Ａ）において、記憶素子３０は、マトリックス状に形成された非磁性体１１の配線、及び電流供給用の導電体３１の配線、非磁性体１１の配線の任意の交点の位置に磁性体１２、並びに磁性体１２が配設されている交点の位置に隣接し、非磁性体１１の配線と導電体３１の配線との交点の位置に、スピン注入源１３ａ〜１３ｄを備える。なお、非磁性体１１と導電体３１とは同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
磁性体１２は、非磁性体１１の配線に埋め込まれるように配設されており、非磁性体１１の配線と立体的に接触している。スピン注入源１３ａ〜１３ｄは、少なくとも一部が非磁性体１１の配線に接触して配設されている。また、スピン注入源１３ａ〜１３ｄにおいて、磁性体１２が配設されている方向と反対の方向（マトリックスの外側方向）はグランドになっている。
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の矢印ａの方向から見た場合の断面図である。非磁性体１１の配線層内に磁性体１２が埋め込まれて配設されており、スピン注入源１３ａ、１３ｃが、非磁性体１１の配線と上面部で接触して配設されている。非磁性体１１の配線の下層には、スピン注入源１３ａ、１３ｃ以外の領域に、絶縁層３７（図３（Ａ）には図示しない）が積層されており、スピン注入源１３ａ、１３ｃの下面部には、導電体３１が積層された構造となっている。
電流源から供給された電流は、導電体３１を破線の矢印の方向に流れると共に、この導電体３１と下面部で接触するスピン注入源１３ａ〜１３ｄに電流が流れ、このスピン注入源１３ａ〜１３ｄに流れた電流がグランドに流れることで、図３（Ｂ）の破線で示すように、非磁性体１１の配線の外側方向に電流を逃がすことができる。すなわち、第１の実施形態の場合と同様に、スピン注入源１３ａ〜１３ｄにより、複数のスピン注入源（ここでは４つ）から図３（Ｂ）の点線で示す純スピン流が発生し、スピンの吸収効果により磁性体１２がスピンを吸収して磁化を反転することができる。
磁化の反転を制御する場合は、電流の方向を制御すればよく、また、電流を流す導電体３１の組み合わせにより、駆動させるスピン注入源１３ａ〜１３ｄの選択を制御することもできる。記憶素子３０において、図３（Ａ）の領域３５のブロックで１ビットの情報を記憶する。
図４（Ａ）は、図３（Ａ）の記憶素子において、非磁性体１１の配線を斜め方向にも直交させた形状としている。そうすることで、磁性体１２は、当該磁性体１２が配設された交点の位置に隣接する、８つの他の交点の位置に配設されたスピン注入源１３ａ〜１３ｈからの純スピン流を吸収することができ、スピンの吸収効率をさらに高めることが可能となる。また、図４（Ｂ）に示すように、斜め方向（図４（Ａ）の矢印ｂの方向）の断面図においても、図３（Ｂ）の場合と同様に、磁性体１２がスピン注入源１３ｂ、１３ｆからのスピンを吸収していることがわかる。
なお、本実施形態に係る記憶素子においては、スピン注入源１３が１つであってもよい。例えば、図３の場合、スピン注入源１３ａが配設されている縦ラインの導電体３１にのみ電流を流すことで、１つのスピン注入源からのみスピンを注入するようにしてもよい。また、例えば、スピン注入源１３ａとスピン注入源１３ｃが配設されている縦ラインの導電体３１に電流を流すことで、２つのスピン注入源１３からスピンを注入するようにしてもよい。
このように、マトリックス状に形成された非磁性体を含む導電体の配線の任意の一の交点の位置に磁性体を配設し、非磁性体の配線を介して隣接する他の交点の位置にスピン注入手段を配設することで、磁性体が多くの純スピン流を吸収することができると共に、スピン熱擾乱耐性を有する厚膜磁性体を低消費電力で磁化反転することができ、ビットの情報を安定して確実に書き込むことができる。
また、非磁性体の配線が縦方向、及び横方向に加えて斜め方向に直交することで、スピン注入手段の数を増加させ、磁性体がより多くの純スピン流を吸収することができ、より巨大な純スピン流が磁性体中に吸収され、より大きな磁性体の磁化反転が可能となることで、より熱安定に優れた次世代の記憶素子として利用することができる。
（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る磁界発生装置について図５ないし図７を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る磁界発生装置の第１の全体斜視図、及び断面図である。
上記第１の実施形態、及び第２の実施形態に示したように、電流の方向を制御することで、純スピン流により磁性体の磁化方向を制御することができる。また、磁化と平行なスピン流を注入することで、スピントルクによる強磁性結合効果が生じ、微小な磁性体内の磁化方向を注入されたスピンの方向に強く固定することができる。
そこで、本実施形態においては、微小な磁性体を強く磁化させ、その先端から発生する磁界を、例えば磁気記憶媒体への書き込み磁界として利用する磁気ヘッド等に応用できる磁界発生装置について説明する。
図５（Ａ）において、磁界発生装置４０は、先端部４１、及び当該先端部４１から後退離反する方向に延出された延出部４２を有する非磁性体１１の配線と、当該非磁性体１１の配線の先端部４１に埋め込まれた磁性体１２と、少なくとも一部が延出部４２に埋め込まれたスピン注入源１３とを備える。先端部４１に埋め込まれた磁性体１２の磁界発生方向は、図５（Ａ）に示す矢印の方向であり、純スピン流により磁界が反転した場合は、矢印の逆方向となる。このように、延出部４２が、先端部４１から後退離反するように形成されるのは、先端部４１の先にある磁界制御を行う対象物に対して、延出部４２に埋め込まれたスピン注入源１３から発生する磁界の対象物への影響をなくすためである。
図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の矢印ｃの方向から見た断面図であり、スピン注入源１３から非磁性体１１の配線の外側方向（図５（Ａ）の矢印ｄ１の方向）に電流が供給されると、第１の実施形態の場合と同様に、スピンが偏極した電子が拡散電流として流れ、純スピン流が発生する。発生した純スピン流はスピン吸収効果により、磁性体１２に吸収され、スピントルクにより磁性体１２の磁化方向を強く固定し、強力な磁界を発生することができる。更に、電流方向を反転させることで、磁界発生方向も反転させることができる。
図６は、本実施形態に係る磁界発生装置の第２の全体斜視図、及び断面図である。図６（Ａ）において、磁界発生装置４０は、先端部４１、及び当該先端部４１からＶ字状に延出された延出部４２ａ、４２ｂを有する非磁性体１１の配線と、当該非磁性体１１の配線の先端部４１に埋め込まれた磁性体１２と、少なくとも一部が延出部４２ａ、４２ｂに埋め込まれたスピン注入源１３ａ、１３ｂとを備える。先端部４１に埋め込まれた磁性体１２の磁界発生方向は、図６（Ａ）に示す矢印の方向であり、純スピン流により磁界が反転した場合は、矢印の逆方向となる。このように、延出部４２ａ、４２ｂが、先端部４１から後退離反するように形成されるのは、先端部４１の先にある磁界制御を行う対象物に対して、延出部４２ａ、４２ｂに埋め込まれたスピン注入源１３ａ、１３ｂから発生する磁界の対象物への影響をなくすためである。
図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢印ｃの方向から見た断面図であり、スピン注入源１３ａ、１３ｂから非磁性体１１の配線の外側方向（図６（Ａ）の矢印ｄ１、ｄ２の方向）に電流が供給されると、第１の実施形態の場合と同様に、スピンが偏極した電子が拡散電流として流れ、純スピン流が発生する。発生した純スピン流はスピン吸収効果により、磁性体１２に吸収され、スピントルクにより磁性体１２の磁化方向を強く固定し、強力な磁界を発生することができる。更に、電流方向を反転させることで、磁界発生方向も反転させることができる。
なお、磁界発生方向の制御は、スピン注入源１３ａ、１３ｂに流す電流の方向により制御することができる。例えば、図６（Ａ）の矢印ｄ１、及び矢印ｄ２で示す方向と逆方向に電流を流すことで、磁界発生方向を反転させることができる。また、スピン注入源１３ａ、１３ｂの一方（例えば、矢印ｄ１）について、矢印の方向に電流を流し、他方（例えば、矢印ｄ２）について、矢印と逆方向に電流を流すことで、発生する磁界の強度を減少させることができる。つまり、両側から互いに逆方向の純スピン流を注入することで、逆方向のスピントルクが働き、磁性体１２が多磁区構造を形成することになり、磁極からの発生磁界が急激に低下する。これにより、例えば磁界発生装置を書き込みヘッドとして利用する場合には、ポールイレージャー等の書き込みエラーを回避することが可能となる。
また、非磁性体１１の形状は、図６に示すようなＶ字状の形状に限定されない。図７は、本実施形態に係る磁界発生装置における他の形状の一例を示す図である。図７（Ａ）において、磁界発生装置４０は、非磁性体１１の配線の先端部４１から、磁性体１２の磁界発生方向に対して所定の角度で、且つ先端部４１から後退離反する方向に放射状に延出する４本の延出部４２ａ〜４２ｄと、延出部４２ｚの併せて５本の延出部を有する。また、図７（Ｂ）において、磁界発生装置４０は、非磁性体１１の配線の先端部４１から延出する８本の延出部４２ａ〜４２ｈと、延出部４２ｚの併せて９本の延出部を有する。
それぞれの磁界発生装置４０の延出部には、少なくとも一部が埋め込まれたスピン注入源が各延出部ごとに備えられ、それぞれのスピン注入源から偏極したスピンが注入される。つまり、図７（Ａ）の場合は、５つのスピン注入源からのスピン流を磁性体１２が吸収し、図７（Ｂ）の場合は、９つのスピン注入源からのスピン流を磁性体１２が吸収する。
従って、磁界発生装置として機能する磁化の大きな磁性体１２の断面を極微細化にすることで、空間的に急峻で、且つ強力な磁界の発生が可能となる。また、長さ方向を十分長くすることで、磁性体の熱安定性を高めることが可能である。更に、複数方向からのスピン注入により、体積が増大しても、スピン注入により磁化反転が可能となる。本実施形態に係る磁界発生装置４０においては、厚さ十ｎｍ以上の磁性体の磁化制御を実現することが可能となる。
なお、図５及び図７の磁界発生装置において、磁性体１２は、非磁性体１１の配線と平面的に接触して配設されてもよいし、立体的に接触して配設されてもよい。より高いスピン吸収効果を期待する場合は、立体的に接触して配設されたほうが好ましい。
このように、非磁性体からなる配線の先端部に備えられた磁性体に対して、複数の延出部から非磁性体の配線を介して大量の純スピン流を流すことで、磁性体が強力な磁界を発生することができる。
また、延出部をＶ字状に形成される２つの延出部とすることで、装置のサイズを小さくしつつ、空間分解能の高い磁界を発生させることができ、磁気記録装置のみならず、次世代スピンデバイスの書き込み手段として利用することができる。
さらにまた、磁性体が、非磁性体の配線層内に埋め込まれて配設されることで、接触面積が増大し複数方向から純スピン流を吸収することができ、形状や材質に制限されない磁性体の磁化反転が可能となり、より大きな磁界を発生することができる。
さらにまた、磁気ヘッドとして、コイル等が不要となることで素子構造が極めて単純化され、さらに素子の軽量化も実現することができるため、記憶装置の微細化に非常に大きな貢献が可能となる。また、磁性体内に渦電流が発生せず、高速動作が可能であるため、情報の書き込み時の消費電力を大幅に節減することができる。
（本発明の第４の実施形態）
本実施形態に係る磁化反転装置について図８ないし図１０を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る磁化反転装置におけるスピンの方向を制御する図、図９は、本実施形態に係る磁化反転装置における磁性体の歳差運動を示す図、図１０は、本実施形態に係る磁化反転装置におけるスピン注入源を３つ有する場合の図である。
本実施形態においては、２つ又は３つのスピン注入源１３を用いて、磁性体１２のスピンの歳差運動に同期させて注入するスピンの方向を制御し、磁性体１２のスピンの反転速度を向上させるものである。スピンの反転を駆動するスピントルクは、磁化と注入されたスピンの外積に比例する。磁化の方向と反平行なスピン流を注入した場合は、磁化の微小な歳差運動を励起し、スピンを注入し続けることでトルクを増大させて磁化反転を実現するため、始動トルクが極めて小さく、磁化反転に際し多くの歳差運動が必要であり、反転速度が遅く大電力が必要である。一方、磁化の方向と直交するスピン流を注入した場合は、始動トルクが大きくなり磁化反転に際し少ない歳差運動で磁化反転することができる。さらに、歳差運動に同期してスピンの方向を制御して最適化することで、より少ない歳差運動で磁化反転することが可能となる。
図８に示すように、スピンの方向はスピンの注入方向、つまりスピン注入源１３ａ、１３ｂにおける電極の角度と、それぞれの電極に流れる電流比率により制御することができる（例えば、非特許文献９を参照）。本実施形態においては、この制御を利用して磁性体１２のスピンの反転速度を向上させる。つまり、図９に示すように磁性体１２におけるスピンの歳差運動に同期して、トルクが最適となるように、スピン注入源１３ａ、１３ｂの電流比率を調整する。例えば、反転初期から中期においては、磁性体１２におけるスピンのベクトルとスピン注入源１３が注入するスピンのベクトルとが直交することで、トルクを大きくするように調整し、反転収束時においては、反転中の磁性体１２におけるスピンのベクトルとスピン注入源１３が注入するスピンのベクトルとが、次第に同一方向となることで、トルクを小さくするように調整する。そうすることで、常に最適のトルクを得ることができ、磁性体１２のスピンの反転速度が向上する。
また、図１０（Ａ）に示すように、図８のスピン注入源１３ａ、１３ｂに、さらに第３のスピン注入源１３ｃを備えることで、スピンの方向を３次元的に制御することができる。図９に示すように磁性体１２のスピンの歳差運動に対して、スピン注入源１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃにより、３次元的に同期させたスピンを注入することで、より効率よく磁化を反転することができる。
なお、各スピン注入源の電極の角度は、それぞれの電極が平行又は反平行の関係とならないような角度（それぞれの電極の方向が交差する関係、又はねじれの位置の関係）で配設される。特に、各電極の角度を図８及び図１０（Ａ）に示すように９０度とすることで、ベクトルの演算が容易になり、電流比率を調整しやすくなる。
複数のスピン注入源を用いてスピンの方向を制御する場合には、磁性体１２に吸収される際に、各スピン注入源から注入されるスピンが合成されていればよい。すなわち、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、スピン注入源の電極の角度さえ条件を満たすように配設すればよく配設位置は問題とならない。したがって、ＭＲＡＭ等のデバイスの集積化においては、スピン注入源の配設位置に自由度が増し、装置を小型化することが可能となる。
なお、本実施形態における２つ又は３つのスピン注入源１３を用いて、磁性体１２のスピンの歳差運動に同期させて注入するスピンの方向を制御する技術は、前記第２の実施形態に係る記憶素子３０や、前記第３の実施形態に係る磁界発生装置４０に適用することができる。すなわち、記憶素子３０の場合は、磁性体１２が配設されている交点の位置に隣接し、非磁性体１１の配線と導電体３１の配線との交点の位置に配設されるスピン注入源１３ａ〜１３ｄ（又はスピン注入源１３ａ〜１３ｈ）のいずれか２つ、又は３つを用いてスピンの方向を制御することができる。このときスピン注入源がスピンを注入する方向が平行又は反平行の関係以外の関係（交差又はねじれの位置の関係）となるような２つ又は３つのスピン注入源が用いられる。特に、３つのスピン注入源を用いる場合は、例えば図３（Ａ）におけるスピン注入源１３ａと１３ｂ、又は１３ｃと１３ｄに加え、貫通ビア等で上層又は下層に積層されているスピン注入源からのスピン（上方向又は下方向から注入されるスピン）を用いることにより、３次元的な制御が可能となる。
磁界発生装置４０の場合は、延出部４２ａ、４２ｂ（又は延出部４２ａ〜４２ｈ、４２ｚ）に備えられるスピン注入源１３ａ、１３ｂ（又はスピン注入源１３ａ〜１３ｈ、１３ｚ）のいずれか２つ、又は３つを用いてスピンの方向を制御することができる。このとき用いられる２つ又は３つのスピン注入源は、それぞれの関係が平行又は反平行の関係以外の関係（交差又はねじれの位置の関係）となるように配設されるものとする。例えば、図５（Ａ）の場合は、スピン注入源１３ａのスピン注入方向とスピン注入源１３ｂのスピン注入方向とが、平行又は反平行の関係ではないように配設される。
なお、複数のスピン注入源をまとめて２つ、又は３つのグループとし、その２つ、又は３つのグループを用いてスピンの方向を制御してもよい。
以上の前記各実施形態により本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は実施形態に記載の範囲には限定されず、これら各実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。そして、かような変更又は改良を加えた実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれる。このことは、特許請求の範囲及び課題を解決する手段からも明らかなことである。
磁性体のスピン吸収効率について、磁性体と非磁性体との接触面積の依存性を調べる実験を行った。図１１に示す素子構造を用いて磁性体（パーマロイ）と非磁性体（銅）との接触面積ｌｐｗを変化させた場合の磁性体、非磁性体間の電圧（抵抗）を測定した。このとき、注入側の電圧を一定にして、磁性体と非磁性体との接触面積のみを変化させている。
図１２に測定結果を示す。図１２（Ａ）は接触面積が０．００８μｍ2の場合の磁場スイープに対する磁気抵抗の変化を示す測定結果で、図１２（Ｂ）は接触面積が０．２μｍ2の場合の磁場スイープに対する磁気抵抗の変化を示す測定結果であり、図１２（Ｃ）は接触面積と磁気抵抗との関係を示している。図１２（Ａ）と図１２（Ｂ）とを比較すると、接触面積が大きいほど磁気抵抗（ΔＲ）が小さいことがわかる（図１２（Ａ）、（Ｂ）のグラフにおける点線と実線はそれぞれ逆の極性に対応している）。また、図１２（Ｃ）に示すように、接触面積が大きくなるに連れて抵抗値が小さくなっている。つまり、接触面積を大きくするとスピンの吸収率が上昇し、多くのスピン流が流れ、スピン蓄積電圧が減衰したために、測定電圧値が小さくなった。したがって、磁性体と非磁性体との接触面積を大きくすることで、スピンの吸収効率が上がることが明らかである。本発明では、磁性体が非磁性体に立体的に埋め込まれているため、接触面積が非常に大きくなり、多くのスピンを吸収できることがわかる。
１０ 磁化反転装置
１１ 非磁性体
１２ 磁性体
１３ａ〜１３ｚ スピン注入源
３０ 記憶素子
３７ 絶縁層
４０ 磁界発生装置
４１ 先端部
４２ａ〜４２ｚ 延出部

Claims (19)

  1. 非磁性体の配線に一部又は全部が立体的に埋め込まれて配設される磁性体と、
    スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生し、前記非磁性体の配線を共通の電極として当該非磁性体の配線に接触して配設されるスピン注入手段とを備え、
    前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体の磁化を反転させることを特徴とする磁化反転装置。
  2. 請求項１に記載の磁化反転装置において、
    前記スピン注入手段を複数備え、任意の一のスピン注入手段と前記磁性体との間の純スピン流の流路上とは異なる位置に、任意の他のスピン注入手段が配設されていることを特徴とする磁化反転装置。
  3. 非磁性体の配線に平面的に接触して配設される磁性体と、
    スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生し、前記非磁性体の配線を共通の電極として当該非磁性体の配線に接触して配設される複数のスピン注入手段とを備え、
    任意の一のスピン注入手段と前記磁性体との間の純スピン流の流路上とは異なる位置に、任意の他のスピン注入手段を配設し、前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体の磁化を反転させることを特徴とする磁化反転装置。
  4. 請求項２又は３に記載の磁化反転装置において、
    第１のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第１の注入方向と、第２のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、
    前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して、二次元面内で任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とする磁化反転装置。
  5. 請求項４に記載の磁化反転装置において、
    前記純スピン流を注入する第３のスピン注入手段を備え、
    前記第３のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第３の注入方向と、前記第１の注入方向、及び／又は前記第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、
    前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段と前記第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とする磁化反転装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の磁化反転装置において、
    前記スピン注入源、及び前記非磁性体に電流を供給する電流源を備え、
    少なくとも前記スピン注入源、前記非磁性体、及び前記電流源で閉回路が形成されており、前記閉回路に電流を流すことで前記拡散電流を生じ、前記純スピン流を発生させることを特徴とする磁化反転装置。
  7. 縦方向、及び横方向に直交する導電性の配線に非磁性体の配線を含み、当該非磁性体の配線の任意の一の交点の位置に、当該非磁性体の配線と少なくとも一部を接触させた磁性体を配設し、当該磁性体が配設された前記任意の一の交点に隣接する複数の任意の他の交点のうち、一又は複数の任意の他の交点の位置に、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生するスピン注入手段を、前記非磁性体の配線を共通の電極として当該非磁性体の配線に接触して配設し、
    前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体の磁化を反転させてビットの書き込みを行うことを特徴とする記憶素子。
  8. 請求項７に記載の記憶素子において、
    前記導電性の配線に含まれる非磁性体の配線が縦方向、及び横方向に加えて、斜め方向に直交することを特徴とする記憶素子。
  9. 請求項７又は８に記載の記憶素子において、
    前記磁性体が、前記非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることを特徴とする記憶素子。
  10. 請求項７ないし９のいずれかに記載の記憶素子において、
    前記複数の任意の他の交点に、少なくとも第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とを配設し、前記第１のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向と、前記第２のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、
    前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して、二次元面内で任意の方向を有する純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とする記憶素子。
  11. 請求項１０に記載の記憶素子において、
    前記第１のスピン注入手段、及び第２のスピン注入手段が配設されている交点以外の前記任意の他の交点に、前記純スピン流を注入する第３のスピン注入手段を備え、
    前記第３のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第３の注入方向と、前記第１の注入方向、及び／又は前記第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、
    前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段と前記第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して任意の方向を有する純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とする記憶素子。
  12. 請求項７ないし１１のいずれかに記載の記憶素子において、
    前記スピン注入源、及び前記非磁性体に電流を供給する電流源を備え、
    少なくとも前記スピン注入源、前記非磁性体、及び前記電流源で閉回路が形成されており、前記閉回路に電流を流すことで前記拡散電流を生じ、前記純スピン流を発生させることを特徴とする記憶素子。
  13. 非磁性体からなる配線の先端部に当該非磁性体の配線と少なくとも一部が接触する磁性体を備え、前記非磁性体の配線の先端部から後退離反する方向に延出する一又は複数の延出部を有し、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生するスピン注入手段を、当該スピン注入手段の少なくとも一部が前記延出部に接触するように配設し、
    前記スピン注入手段が、前記非磁性体の配線を介して前記磁性体に対して拡散電流により前記純スピン流を流すことで、前記磁性体からの磁界を発生させることを特徴とする磁界発生装置。
  14. 請求項１３に記載の磁界発生装置において、
    前記延出部が複数形成されており、
    前記延出部が、前記非磁性体の配線の先端部から、前記磁性体の磁界発生方向に対して所定の角度で、且つ前記先端部から後退離反する方向に放射状に延出していることを特徴とする磁界発生装置。
  15. 請求項１４に記載の磁界発生装置において、
    前記延出部が、Ｖ字状に形成される２つの延出部からなることを特徴とする磁界発生装置。
  16. 請求項１３ないし１５のいずれかに記載の磁界発生装置において、
    前記磁性体が、前記非磁性体の配線層内に立体的に埋め込まれて配設されることを特徴とする磁界発生装置。
  17. 請求項１３ないし１６のいずれかに記載の磁界発生装置において、
    複数の延出部を有し、当該複数の延出部に、少なくとも第１のスピン注入手段と第２のスピン注入手段とを配設し、前記第１のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向と、前記第２のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、
    前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して、二次元面内で任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とする磁界発生装置。
  18. 請求項１７に記載の磁界発生装置において、
    前記第１のスピン注入手段、及び第２のスピン注入手段が配設されている延出部以外の他の延出部に、前記純スピン流を注入する第３のスピン注入手段を備え、
    前記第３のスピン注入手段で注入される前記純スピン流の第３の注入方向と、前記第１の注入方向、及び／又は前記第２の注入方向との関係が、平行又は反平行の関係以外の関係であり、
    前記磁性体におけるスピンの歳差運動に同期して、前記第１のスピン注入手段と前記第２のスピン注入手段と前記第３のスピン注入手段とで注入される純スピン流の量の比率を調整し、歳差運動をしている前記磁性体におけるスピンのベクトルに対して任意の方向を有するベクトルをもつ純スピン流を発生させて、前記スピンに作用するトルクを最適化することを特徴とする磁界発生装置。
  19. 請求項１３ないし１８のいずれかに記載の磁界発生装置において、
    前記スピン注入源、及び前記非磁性体に電流を供給する電流源を備え、
    少なくとも前記スピン注入源、前記非磁性体、及び前記電流源で閉回路が形成されており、前記閉回路に電流を流すことで前記拡散電流を生じ、前記純スピン流を発生させることを特徴とする磁界発生装置。
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