JPWO2020050329A1 - スピントロニクスデバイス、磁気メモリ及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本開示の第1実施形態に係るスピントロニクスデバイス1(以下、単にデバイス1と称する)の構成を示す斜視図である。図1に示されるように、このデバイス1は、導電層2(第1の導電層)と、導電層3(第2の導電層)とを備える。導電層2の構成材料は、例えばCu、Al、Fe、Pt、Au、Agといった金属、またはSi、Geといった半導体、SiGeやAlGaAsといった化合物半導体、In2O3などの導電性酸化物、TiNなどの導電性窒化物、ポリアセチレンなどの導電性高分子、或いはこれらの組み合わせであってもよい。導電層2の厚さは例えば0.1〜1000nmの範囲内、導電層3の厚さは例えば0.1〜1000nmの範囲内である。
(移動度)=(電気伝導率)/(電荷×キャリア密度)
として表される。従って、本明細書の説明において、移動度は電気伝導率に置き換えられることができる。
上述した理論を確かめるために本発明者が行った実験について説明する。なお、下記の実験は、すべて室温環境において行われた。図5及び図6は、実験のために用意された試料の層構造を示す図である。図5の(a)部に示される試料S1は、強磁性層としてのNiFe層と、NiFe層上に設けられた、SOIを生じる貴金属であるPt層との積層構造を有する。図5の(b)部に示される試料S2は、Pt層と、Pt層上に設けられたNiFe層との積層構造を有する。図6の(a)部に示される試料S3は、NiFe層と、NiFe層上に設けられた、僅かなSOIしか生じないCu層と、Cu層の表面に形成された酸化膜であるCu2O層との積層構造を有する。図6の(b)部に示される試料S4は、Cu層と、Cu層上に設けられたNiFe層との積層構造を有する。なお、NiFe層の厚さを5nmとし、Pt層の厚さを10nmとした。また、図6の(a)部においては、Cu層とCu2O層とを合わせた厚さを10nmとし、図6の(b)部においてはCu層の厚さを10nmとした。Cu2O層は、Cu層の表面を室温下で大気に40時間晒すことにより形成した。
このホールバー20を用いて、発明者は、電流からスピン流への変換について実験を行った。図8は、その構成を概略的に示す図である。なお、図8は試料S1,S3の場合を示しているが、試料S2,S4についても同様である。ホールバー20にロックインアンプ23を接続し、ホールバー20に交流の電流Jcを発生させつつ、長手方向(x方向)における電気抵抗の二次高調波成分R2xを測定した。電流Jcの周波数を137Hzとした。また、外部磁場Hdcをy方向に印加し、磁束密度μ0Hyの大きさを−300〜300mTとした。R2xの大きさは、第1層21と第2層22との界面に生じたスピン蓄積により増加した抵抗成分を含む。試料S1〜S4における電流からスピン流への変換効率θJcJsを、それぞれR2xに基づいて評価した。
スピン注入により生じる直流スピン流から直流電流への変換は、試料中の逆スピンホール効果(逆SHE)を使って評価し得る。スピンは、強磁性層における強磁性共鳴(FMR)の励起によって、強磁性層と非磁性層との界面に蓄積する。スピン流は、その後に非磁性層に注入される。非磁性層の逆SHEにより、スピン流は直流電流に変換される。この実験では、x方向に沿ったスピン分極を伴う直流スピン流が電流に変換され、y方向に沿ってホール電圧Vyを生じさせた。
図9と図12とを比較すると、試料S1,S2,S4ではθJcJsとθJsJcとがほぼ等しい。このことは、電流からスピン流への変換と、スピン流から電流への変換とが互いに相反的であることを意味する。そして、この結果は、従来のSOIに由来するスピン流生成現象の特徴と一致する。これに対し、試料S3では、θJcJsがθJsJcの約9.75倍大きい。このことは、電流からスピン流への変換と、スピン流から電流への変換とが互いに非相反的であることを意味する。上記の実施例では、USMRを利用することによって、銅と酸化銅との積層構造における直流スピン流の発生が証明された。非特許文献6では、銅と酸化銅との積層構造における交流スピン流の生成がバルクのSHEに起因していることが述べられている。実験により得られたラシュバ効果が、金属に関して知られている値よりも極めて大きいからである。実際に、表面酸化銅のSOIがAuのSOIと同程度であり、PtのSOIの4分の1程度であることが実験により示されている。しかし、図9及び図12に示された結果は、表面酸化銅において生じるスピン流が相反的なSOIに従っておらず、非相反的なメカニズムに起因することを示唆している。
図16は、本開示の第2実施形態に係る磁気メモリ30の構成を示す斜視図である。この磁気メモリ30は、磁気ランダムアクセスメモリであって、第1実施形態に係るデバイス1を備える。具体的には、磁気メモリ30は、行方向(s方向)及び列方向(t方向)にマトリクス状に配置された記憶素子(メモリセル)M1,1〜MI,Jを備える。なお、図には代表して記憶素子Mi,j、Mi,(j+1)、M(i+1),j、M(i+1),(j+1)が示されている(i=1,2,・・・,I−1,j=1,2,・・・,J−1)。
スピン軌道相互作用(SOI)に由来するスピンホール効果によるスピン流生成の効率は、スピンホール伝導度σSHで表される。電圧Vに電気伝導度σを乗算すると電流密度が得られるが(オームの法則)、これと同様に、電圧Vにスピンホール伝導度σSHを乗算するとスピン流密度が得られる。磁気メモリのビット書き換えに必要なスピン流を発生するための電圧Vは、スピンホール伝導度σSHが大きいほど小さくなる。ビット書き換えの消費エネルギーは電圧Vの2乗に比例するので、スピンホール伝導度σSHが大きいほど、ビット書き換えの消費エネルギーを小さくすることができる。
図20は、表面に酸化膜が形成された銅膜(Cu*)、及びPtにおける、電流からスピン流への変換効率(図中の○印)、及びスピン流から電流への変換効率(図中の□印)を示すグラフである。図20に示されるように、銅膜(Cu*)においては、Ptとは異なり、スピン流から電流への逆変換は殆ど生じない。これは、境界領域4において電気伝導度σの勾配方向にスピン流を流しても電流の渦が発生しないことに因る。
上述した各実施形態では、導電層2と導電層3との間に存在する境界領域4におけるキャリア移動度若しくは電気伝導率の勾配を利用してスピン流を発生させているが、境界領域4の厚さが限りなく0に近い場合(すなわち境界領域4が存在せず、キャリア移動度若しくは電気伝導率が不連続に変化する場合)であっても、該変化によってスピン流を発生させることができる。
第1実施形態において述べた、電気伝導率の勾配を有する領域によりスピン流を生成し得る事実に関しては、次の実験結果もまた明確な根拠となる。図25は、表面が酸化した銅薄膜におけるスピン流強度と酸化時間との関係を示すグラフである。図25において、横軸は酸化時間(単位:秒)を表し、縦軸はスピン流強度に比例する量ΔR/Rを表す。すなわち、Rはスピン流の発生を無視できる条件で測定した電気抵抗を表し、ΔRはスピン流の発生による電気抵抗の変化量を表す。従って、ΔR/Rは、スピン流の発生による電気抵抗の変化率を表す。図25から明らかなように、酸化時間6000秒付近においてスピン流強度(スピン流量)が極大となり、さらに酸化させると、酸化時間が長くなるほどスピン流強度は次第に減少する。仮に、酸化銅自体がスピン流を生成する能力を獲得しているのであれば、酸化が進行するほどスピン流強度が増加するはずである。一般に、物質の酸化過程では、まず「表面の酸素吸着」が起こり、表面全体に酸素が十分吸着した後、「物質内部への酸素原子の拡散進行」が生じる。
Claims (11)
- キャリア移動度若しくは電気伝導率の勾配を有する領域を備え、
前記勾配によって生じる電子の速度場の回転によりスピン流を生成する、スピントロニクスデバイス。 - 第1の導電層と、
キャリア移動度若しくは電気伝導率が前記第1の導電層よりも低い第2の導電層と、
を更に備え、
前記領域は、前記第1の導電層と前記第2の導電層との境界領域である、請求項1に記載のスピントロニクスデバイス。 - 前記第1の導電層に隣接する強磁性層を備えない、請求項2に記載のスピントロニクスデバイス。
- 前記第2の導電層は、前記第1の導電層を構成する材料の酸化物を含む、請求項2または3に記載のスピントロニクスデバイス。
- 前記第1の導電層は銅を主に含み、前記第2の導電層は酸化銅を主に含む、請求項4に記載のスピントロニクスデバイス。
- 前記第2の導電層は、前記第1の導電層を構成する材料の酸化物を除く他の材料からなる、請求項2または3に記載のスピントロニクスデバイス。
- 前記電子の速度場の回転による角運動量によって前記スピン流を生成する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のスピントロニクスデバイス。
- 第1の導電層と、
キャリア移動度若しくは電気伝導率が前記第1の導電層よりも低い第2の導電層と、
を備え、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との境界におけるキャリア移動度若しくは電気伝導率の変化によって生じる電子の速度場の回転によりスピン流を生成する、スピントロニクスデバイス。 - 第1の強磁性層と、
前記第1の強磁性層上に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層上に設けられた第2の強磁性層と、
前記第2の強磁性層上に設けられた第1の導電層と、
キャリア移動度若しくは電気伝導率が前記第1の導電層よりも低く、前記第1の導電層上に設けられた第2の導電層と、
を備え、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との境界領域は、積層方向にキャリア移動度若しくは電気伝導率の勾配を有し、
前記勾配によって生じる電子の速度場の回転によりスピン流を生成し、前記スピン流を用いて前記第2の強磁性層の磁化の向きを制御することにより情報を記憶する、磁気メモリ。 - 第1の強磁性層と、
前記第1の強磁性層上に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層上に設けられた第2の強磁性層と、
前記第2の強磁性層上に設けられた第1の導電層と、
キャリア移動度若しくは電気伝導率が前記第1の導電層よりも低く、前記第1の導電層上に設けられた第2の導電層と、
を備え、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との境界におけるキャリア移動度若しくは電気伝導率の変化によって生じる電子の速度場の回転によりスピン流を生成し、前記スピン流を用いて前記第2の強磁性層の磁化の向きを制御することにより情報を記憶する、磁気メモリ。 - 請求項9または10に記載の磁気メモリを1以上搭載する、電子機器。
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