KR101664199B1 - 자화 반전 장치, 기억 소자, 및 자계 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
비자성체(11)의 배선에 일부 또는 전부가 입체적으로 매립되어 설치되는 자성체(12)와, 스핀이 편극(偏極)하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순(純)스핀류를 발생시키고, 비자성체(11)의 배선을 공통의 전극으로 하여 비자성체(11)의 배선에 접촉하여 설치되는 스핀 주입원(13)을 구비하고, 스핀 주입원(13)이, 비자성체(11)의 배선을 통하여 자성체(12)에 대하여 확산 전류에 의해 순스핀류를 흐르게 함으로써, 자성체(12)의 자화(磁化)를 반전(反轉)시킨다. 이와 같은 평면 구조(planar structure)를 이용하여 순스핀류를 주입함으로써, 스핀 침입 길이에 제한받지 않고 후막(厚膜)의 자성체(12)라도 용이하게 자화 반전을 가능하게 한다.
Description
본 발명은, 스핀 주입(spin injection)에 의한 자성체의 자화(磁化) 반전(反轉) 기술에 관한 것이다.
최근, CMOS 트랜지스터의 미세화가 진행되고 있지만, 그 미세화도 한계에 도달한 것으로 우려되고 있다. 그래서, CMOS 트랜지스터의 미세화의 한계를 타파하기 위해서는, 동작 원리가 상이한 신기능 소자의 개발이 필요하다.
강자성 터널 접합(MTJ: Magneto Tunnel Junction)을 기본 구조로 하는 자성 RAM(Magnetoresistive RAM: MRAM이라고 함)(하기 비특허 문헌 1, 2 참조)은, 강자성체의 불휘발성을 이용한 고성능 에너지 절약 소자이며, 차세대 전자 디바이스(하기 비특허 문헌 3 참조)의 유력 후보의 하나로서, 실용화를 향한 연구 개발이 행해지고 있다.
MRAM의 중요한 구성 요소인 MTJ 소자는, MgO 터널 배리어(barrier)의 품질 향상이나 고스핀 편극(偏極) 재료의 개발에 의해, 실온에서 수백 %의 큰 자기 저항 변화(TMR비)를 실현하고 있다(하기 비특허 문헌 4, 5 참조). 이로써, MRAM의 기본 동작인 판독 기술은 필요 성능을 만족시키고 있다. 한편 기록 기술로서는, 현재 스핀 편극 전류에 의한 자화 반전 방식(스핀 토크 방식)이 있다(하기 비특허 문헌 6 참조).
그러나, 도 13에 나타낸 바와 같이, 현재의 적층 구조를 이용한 스핀의 1차원 방향에서만의 주입법은, 원리적으로 강자성층의 두께가 스핀 침입 길이 이하(수 nm 정도)의 극박막 전극에만 적용할 수 있다. 그러므로, 소자 사이즈의 미세화(=집적도의 향상)와 함께 축적 자화 에너지가 저하되고, 열요란(heat disturbance)에 의한 스핀의 안정성이 큰 장벽이 된다. 또한, 스핀류(流)에 중첩하고 있는 전하류에 의해 자성층에 주울 열(Joule's heat)이 발생한다. 그러므로, 포화 자화가 작고, 마찰 상수가 작은 전극 재료를 사용하는 등, MTJ에서의 스핀 전도 특성의 최적화와는 이질의 제약이 생기고, 판독에 필요한 자기 저항 변화의 저하를 초래하는 결과로 된다.
이에 따라, MRAM에 한정되지 않고, 모든 고기능 스핀 디바이스에 있어서, 높은 소자 성능(스핀 전도 성능)을 유지한 상태에서, 스핀 열요란 내성의 향상과 기록 동작의 저전력화의 양립을 실현하는 것이 강하게 요구되고 있다.
본 발명자는, 소자 구조의 유연성이 높은 평면 구조(planar structure)에 주목하고, 전하의 흐름이 제로인 스핀류[순(純)스핀류라고 함]의 생성 방법, 및 제어 방법에 관한 연구를 행하여 왔다(예를 들면, 하기 비특허 문헌 7 참조).
도 14는, 순스핀류를 나타낸 도면이다. 상단의 스핀 편극 전류는, 통상의 전류에 스핀류를 중첩시킨 것이며, 전자의 수(도 14에서는 3개의 e)만큼 전하류가 흐르고, 스핀류는 ↑스핀(도 14에서는 2개)과 ↓스핀(도 14에서는 1개)이 같은 방향으로 흐름으로써, 상쇄된 스핀류(1개의 ↑스핀)가 발생한다. 한편, 하단의 순스핀류는, ↑스핀의 전자(도 14에서는 1개)와 ↓스핀의 전자(도 14에서는 1개)가 확산 전류에 의해 서로 반대 방향으로 흐름으로써, 전하의 흐름을 상쇄하고(제로로 하고), 스핀각 운동량만을 운반하는 전자의 흐름이다. 이 순스핀류는, 비평형 상태로부터 평형 상태로의 확산에 의해 전도되므로, 전계에서 전도하는 전하류와는 생성, 제어의 개념이 상이한 것이다. 본 발명자는, 이 순스핀류가, 스핀 완화가 강한 자성체 중에 효율적으로 흘러드는 스핀 흡수 효과를 개발했다(하기 비특허 문헌 8 참조).
또한, 스핀 흡수 효과를 적극적으로 사용하여, 도 15[도 15의 (A)가 소자 SEM 상, 도 15의 (B)가 그 개념도]에 나타내는 소자 구조를 개발하고, 퍼멀로이(permalloy) 미소 자성체에, 직접 전류를 흘리지 않고 순스핀류만을 주입함으로써, 미소 퍼멀로이의 자화 반전이 가능한 것을 실증하고 있다(하기 비특허 문헌 9 참조).
또한, 본 발명자에 의해, 다단자(多端子)에 의해 스핀 주입을 행함으로써, 축적 스핀 벡터의 전기적인 회전 제어 법이 개시되어 있다(하기 비특허 문헌 10 참조).
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그러나, 개시된 어떤 기술에서도, 스핀 침입 길이 이상의 두께를 가지는 자성체(반전층)의 자화 반전에는 적용할 수 없고, 스핀 디바이스에서의 열요란 내성의 문제, 및 자기 저항 변화가 저하되는 문제를 해결할 수 없다.
이에, 본 발명은, 적층 구조가 아니고, 평면 구조를 이용하여 하나 또는 복수의 단자로부터 전하를 일체 포함하지 않은 순스핀류를 생성하고, 비자성체 중에 자성체를 매립함으로써, 복수 방향으로부터 순스핀류를 자성체에 주입할 수 있고, 스핀 침입 길이에 제한받지 않고 자성체의 자화 반전을 가능하게 하는 자화 반전 기술 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원에 개시되는 자화 반전 장치는, 비자성체의 배선에 일부 또는 전부가 입체적으로 매립되어 설치되는 자성체와, 스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생하고, 상기 비자성체의 배선을 공통의 전극으로 하여 상기 비자성체의 배선에 접촉하여 설치되는 스핀 주입 수단을 구비하고, 상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체의 자화를 반전시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체가 비자성체의 배선에 일부 또는 전부가 입체적으로 매립됨으로써, 자성체와 비자성체와의 접촉 면적이 커지고, 스핀 주입 수단으로부터의 확산 전류에 의해 대량의 순스핀류를 흡수하는 것이 가능하게 되므로, 후막(厚膜)의 자성체라도 용이하게 자화 반전할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 후막의 자성체의 자화 반전이 가능하게 됨으로써, 열요란에 의해 스핀이 불안하게 이루어지는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전하류에 의해 발생하는 주울 열이 없기 때문에, 전극 재료 등의 제약이 없고, 자화가 큰 후막 자성체의 자화 반전이 가능하게 되고, 또한 자기 저항 소자에서의 저항 변화의 저하를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자화 반전 장치는, 상기 스핀 주입 수단을 복수 구비하고, 임의의 하나의 스핀 주입 수단과 상기 자성체와의 사이의 순스핀류의 유로 상과는 상이한 위치에, 임의의 다른 스핀 주입 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 복수의 스핀 주입 수단으로부터의 확산 전류에 의해 자성체에 대하여 대량의 순스핀류를 흐르게 함으로써, 후막의 자성체라도 용이하게 자화 반전할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자화 반전 장치는, 비자성체의 배선에 평면적으로 접촉하여 설치되는 자성체와, 스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생하고, 상기 비자성체의 배선을 공통의 전극으로 하여 상기 비자성체의 배선에 접촉하여 설치되는 복수의 스핀 주입 수단을 구비하고, 임의의 하나의 스핀 주입 수단과 상기 자성체와의 사이의 순스핀류의 유로 상과는 상이한 위치에, 임의의 다른 스핀 주입 수단을 설치하고, 상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체의 자화를 반전시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 복수의 스핀 주입 수단으로부터의 확산 전류에 의해 자성체에 대하여 대량의 순스핀류를 흐르게 함으로써, 후막의 자성체라도 자화 반전할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 후막의 자성체의 자화 반전이 가능하게 됨으로써, 열요란에 의해 스핀이 불안적으로 이루어지는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전하류에 의해 발생하는 주울 열이 없기 때문에, 전극 재료 등의 제약이 없고, 자화가 큰 후막 자성체의 자화 반전이 가능하게 되고, 또한 자기 저항 소자에서의 저항 변화의 저하를 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자화 반전 장치는, 제1 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제1 주입 방향과, 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제2 주입 방향과의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며, 상기 자성체에서의 스핀의 세차(歲差) 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여, 2차원 면 내에서 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시켜, 상기 스핀에 작용하는 토크를 최적화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 스핀의 방향을 제어함으로써, 세차 운동을 하고 있는 자성체에서의 스핀의 벡터에 작용하는 토크가 항상 최적으로 되는 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키므로, 자성체의 스핀의 세차 운동에 동기하여 스핀에 작용하는 토크가 최적으로 되고, 소전력으로 고속으로 자화를 반전시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정함으로써, 생성되는 순스핀류의 벡터 방향을 전기적으로 제어할 수 있게 된다.
본원에 개시하는 자화 반전 장치는, 상기 순스핀류를 주입하는 제3 스핀 주입 수단을 구비하고, 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제3 주입 방향과, 상기 제1 주입 방향, 및/또는 상기 제2 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며, 상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단과 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시켜, 상기 스핀에 작용하는 토크를 최적화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단과 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 스핀의 방향을 제어함으로써, 세차 운동을 하고 있는 자성체에서의 스핀의 벡터에 작용하는 토크가 항상 최적으로 되는 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키므로, 3차원적 스핀의 세차 운동에 대해도 스핀에 작용하는 토크를 최적화할 수 있고, 보다 소전력으로 고속의 자화의 반전을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정함으로써, 생성되는 순스핀류의 벡터 방향을 전기적으로 제어할 수 있게 된다.
본원에 개시하는 자화 반전 장치는, 상기 스핀 주입원, 및 상기 비자성체에 전류를 공급하는 전류원을 구비하고, 적어도 상기 스핀 주입원, 상기 비자성체, 및 상기 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 상기 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 상기 확산 전류를 발생시키고, 상기 순스핀류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 적어도 상기 스핀 주입원, 비자성체, 및 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 확산 전류를 발생시키고, 순스핀류를 발생시키므로, 간단한 회로 구성으로 확산 전류에 의해 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 원에 개시하는 기억 소자는, 세로 방향, 및 가로 방향으로 직교하는 도전성(導電性)의 배선에 비자성체의 배선을 포함하고, 상기 비자성체의 배선의 임의의 하나의 교점의 위치에, 상기 비자성체의 배선과 적어도 일부를 접촉시킨 자성체를 설치하고, 상기 자성체가 설치된 상기 임의의 하나의 교점에 인접하는 복수의 임의의 다른 교점 중, 하나 또는 복수의 임의의 다른 교점의 위치에, 스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생하는 스핀 주입 수단을, 상기 비자성체의 배선을 공통의 전극으로서 상기 비자성체의 배선에 접촉하여 설치하고, 상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체의 자화를 반전시켜 비트(bit)의 기록을 행하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 세로 방향, 및 가로 방향으로 직교하는 도전성의 배선에 비자성체의 배선을 포함하고, 비자성체의 배선의 임의의 하나의 교점의 위치에 자성체를 설치하고, 비자성체의 배선을 통하여 인접하는 다른 교점의 위치에 스핀 주입 수단을 설치함으로써, 자성체가 많은 순스핀류를 흡수할 수 있고, 또한 스핀 열요란 내성을 가지는 후막 자성체를 저소비 전력으로 자화 반전할 수 있고, 비트의 정보를 안정적으로 확실하게 기록할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 기억 소자는, 상기 도전성의 배선에 포함되는 비자성체의 배선이 세로 방향, 및 가로 방향에 더하여, 사선 방향으로 직교하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 도전성의 배선에 포함되는 비자성체의 배선이 세로 방향, 및 가로 방향에 더하여 사선 방향으로 직교함으로써, 스핀 주입 수단의 수를 증가시켜, 자성체가 보다 많은 순스핀류를 흡수할 수 있고, 보다 거대한 순스핀류가 자성체 중에 흡수되어 보다 큰 자성체의 자화 반전이 가능하게 됨으로써, 보다 열 안정적으로 우수한 차세대의 기억 소자로서 이용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 기억 소자는, 상기 자성체가, 상기 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체가, 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치됨으로써, 복수 방향으로부터 순스핀류를 흡수할 수 있고, 안정적으로 비트 정보의 기록을 행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 기억 소자는, 상기 복수의 임의의 다른 교점에, 적어도 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단을 설치하고, 상기 제1 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 주입 방향과, 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며, 상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여, 2차원 면 내에서 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시켜, 상기 스핀에 작용하는 토크를 최적화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 스핀의 방향을 제어함으로써, 세차 운동을 하고 있는 자성체에서의 스핀의 벡터에 작용하는 토크가 항상 최적으로 되는 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키므로, 자성체의 스핀의 세차 운동에 동기하여 스핀에 작용하는 토크가 최적으로 되고, 소전력으로 고속으로 자화를 반전시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정함으로써, 생성되는 순스핀류의 벡터 방향을 전기적으로 제어할 수 있게 된다.
본원에 개시하는 기억 소자는, 상기 제1 스핀 주입 수단, 및 제2 스핀 주입 수단이 설치되어 있는 교점 이외의 상기 임의의 다른 교점에, 상기 순스핀류를 주입하는 제3 스핀 주입 수단을 구비하고, 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제3 주입 방향과, 상기 제1 주입 방향, 및/또는 상기 제2 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며, 상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단과 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시켜, 상기 스핀에 작용하는 토크를 최적화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단과 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 스핀의 방향을 제어함으로써, 세차 운동을 하고 있는 자성체에서의 스핀의 벡터에 작용하는 토크가 항상 최적으로 되는 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키므로, 3차원적 스핀의 세차 운동에 대해도 스핀에 작용하는 토크를 최적화할 수 있고, 보다 소전력으로 고속의 자화의 반전을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정함으로써, 생성되는 순스핀류의 벡터 방향을 전기적으로 제어할 수 있게 된다.
본원에 개시하는 기억 소자는, 상기 스핀 주입원, 및 상기 비자성체에 전류를 공급하는 전류원을 구비하고, 적어도 상기 스핀 주입원, 상기 비자성체, 및 상기 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 상기 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 상기 확산 전류를 발생시키고, 상기 순스핀류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 적어도 상기 스핀 주입원, 비자성체, 및 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 확산 전류를 발생시키고, 순스핀류를 발생시키므로, 간단한 회로 구성으로 확산 전류에 의해 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 비자성체로 이루어지는 배선의 선단부(先端部)에 상기 비자성체의 배선과 적어도 일부가 접촉하는 자성체를 구비하고, 상기 비자성체의 배선의 선단부로부터 후퇴 이반(離反)되는 방향으로 연장되는 하나 또는 복수의 연장부를 가지고, 스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생하는 스핀 주입 수단을, 상기 스핀 주입 수단 중 적어도 일부가 상기 연장부에 접촉하도록 설치하고, 상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체로부터의 자계를 발생시키는 것이다.
이와 같이, 비자성체로 이루어지는 배선의 선단부에 구비된 자성체에 대하여, 후퇴 이반되는 방향으로 연장되는 하나 또는 복수의 연장부로부터 비자성체의 배선을 통하여 순스핀류를 흐르게 함으로써, 장치의 사이즈를 작게 하면서, 공간 분해능이 높은 자계를 발생시킬 수 있고, 자기 기록 장치뿐만 아니라, 차세대 스핀 디바이스의 기록 수단으로서 이용 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 상기 연장부가 복수 형성되어 있고, 상기 연장부가, 상기 비자성체의 배선의 선단부로부터, 상기 자성체의 자계 발생 방향에 대하여 소정 각도로, 또한 상기 선단부로부터 후퇴 이반되는 방향으로 방사상(放射狀)으로 연장되어 있는 것이다.
이와 같이, 비자성체로 이루어지는 배선의 선단부에 구비된 자성체에 대하여, 복수의 연장부로부터 비자성체의 배선을 통하여 대량의 순스핀류를 흐르게 함으로써, 자성체가 강력한 자계를 발생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 상기 연장부가, V자형으로 형성되는 2개의 연장부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 연장부를 V자형으로 형성되는 2개의 연장부로 형성함으로써, 장치의 사이즈를 작게 하면서, 공간 분해능이 높은 자계를 발생시킬 수 있고, 자기 기록 장치뿐만 아니라, 차세대 스핀 디바이스의 기록 수단으로서 이용 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 상기 자성체가, 상기 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체가, 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치됨으로써, 복수 방향으로부터 순스핀류를 흡수할 수 있고, 형상이나 재질에 제한받지 않는 자성체의 자화 반전이 가능하게 되고, 보다 큰 자계를 발생 가능한 효과를 얻을 수 있다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 복수의 연장부를 가지고, 상기 복수의 연장부에, 적어도 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단을 설치하고, 상기 제1 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 주입 방향과, 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며, 상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여, 2차원 면 내에서 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시켜, 상기 스핀에 작용하는 토크를 최적화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 스핀의 방향을 제어함으로써, 세차 운동을 하고 있는 자성체에서의 스핀의 벡터에 작용하는 토크가 항상 최적으로 되는 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키므로, 자성체의 스핀의 세차 운동에 동기하여 스핀에 작용하는 토크가 최적으로 되고, 소전력으로 고속으로 자화를 반전시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정함으로써, 생성되는 순스핀류의 벡터 방향을 전기적으로 제어할 수 있게 된다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 상기 제1 스핀 주입 수단, 및 제2 스핀 주입 수단이 설치되어 있는 연장부 이외의 다른 연장부에, 상기 순스핀류를 주입하는 제3 스핀 주입 수단을 구비하고, 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제3 주입 방향과, 상기 제1 주입 방향, 및/또는 상기 제2 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며, 상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단과 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시켜, 상기 스핀에 작용하는 토크를 최적화하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단과 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 스핀의 방향을 제어함으로써, 세차 운동을 하고 있는 자성체에서의 스핀의 벡터에 작용하는 토크가 항상 최적으로 되는 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키므로, 3차원적 스핀의 세차 운동에 대해도 항상 스핀에 작용하는 토크를 최적화할 수 있고, 보다 소전력으로 고속의 자화의 반전을 실현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정함으로써, 생성되는 순스핀류의 벡터 방향을 전기적으로 제어할 수 있게 된다.
본원에 개시하는 자계 발생 장치는, 상기 스핀 주입원, 및 상기 비자성체에 전류를 공급하는 전류원을 구비하고, 적어도 상기 스핀 주입원, 상기 비자성체, 및 상기 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 상기 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 상기 확산 전류를 발생시키고, 상기 순스핀류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이, 적어도 상기 스핀 주입원, 비자성체, 및 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 확산 전류를 발생시키고, 순스핀류를 발생시키므로, 간단한 회로 구성으로 확산 전류에 의해 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 자화 반전 장치의 제1 구성도이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 자화 반전 장치의 제2 구성도이다.
도 3은 제2 실시형태에 따른 기억 소자의 제1 평면도, 및 단면도이다.
도 4는 제2 실시형태에 따른 기억 소자의 제2 평면도, 및 단면도이다.
도 5는 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치의 제1 전체 사시도, 및 단면도이다.
도 6은 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치의 제2 전체 사시도, 및 단면도이다.
도 7은 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치에서의 다른 형상의 일례를 나타낸 도면이다.
도 8은 제4 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 스핀의 방향을 제어하는 도면이다.
도 9는 제4 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 자성체의 세차 운동을 나타낸 도면이다.
도 10은 제4 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 스핀 주입원을 3개 가지는 경우의 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 소자 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서의 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 종래의 스핀 주입에 의해 자화 반전을 행하는 경우의 문제를 나타낸 도면이다.
도 14는 종래의 순스핀류의 설명을 하는 도면이다.
도 15는 종래의 스핀 흡수 효과를 사용한 소자 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 자화 반전 장치의 제2 구성도이다.
도 3은 제2 실시형태에 따른 기억 소자의 제1 평면도, 및 단면도이다.
도 4는 제2 실시형태에 따른 기억 소자의 제2 평면도, 및 단면도이다.
도 5는 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치의 제1 전체 사시도, 및 단면도이다.
도 6은 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치의 제2 전체 사시도, 및 단면도이다.
도 7은 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치에서의 다른 형상의 일례를 나타낸 도면이다.
도 8은 제4 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 스핀의 방향을 제어하는 도면이다.
도 9는 제4 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 자성체의 세차 운동을 나타낸 도면이다.
도 10은 제4 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 스핀 주입원을 3개 가지는 경우의 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 소자 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서의 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 종래의 스핀 주입에 의해 자화 반전을 행하는 경우의 문제를 나타낸 도면이다.
도 14는 종래의 순스핀류의 설명을 하는 도면이다.
도 15는 종래의 스핀 흡수 효과를 사용한 소자 구조를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 본 발명은 다양한 형태로 실시 가능하다. 따라서, 본 실시형태의 기재 내용만으로 본 발명을 해석해서는 안된다. 또한, 본 실시형태의 전체를 통해 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고 있다.
이하의 실시형태에 있어서, 전하의 흐름을 수반하지 않고, 스핀이 편극하고 있는 전자의 흐름을 순스핀류로 하고, 전하의 흐름을 따른 전자의 흐름을 전하류로 한다.
(본 발명의 제1 실시형태)
본 실시형태에 따른 자화 반전 장치에 대하여, 도 1, 및 도 2를 사용하여 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치의 제1 구성도, 도 2는, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치의 제2 구성도이다.
도 1의 (A)에 있어서, 자화 반전 장치(10)는, 비자성체(11)(예를 들면, 동, 알루미늄 등)의 배선과 상기 비자성체(11)의 배선에 하면부에서 접촉하는 자성체(12)(예를 들면, 퍼멀로이, 코발트 등), 및 2개의 스핀 주입원(13a, 13b)(예를 들면, 퍼멀로이, 코발트 등)을 구비한다. 자성체(12)는, 스핀 주입원(13a), 및 (13b)에 끼워진 위치에 설치되어 있다. 각각의 스핀 주입원(13a, 13b)은, 비자성체(11)의 배선의 외부에 전하류를 흐르게 하기 위하여, 비자성체(11)의 배선의 외부로 폐회로가 형성되어 있다. 또한, 각각의 스핀 주입원(13a, 13b)은, 전극이면서, 순스핀류를 발생시키므로 스핀이 편극하고 있는 자성체이다.
각각의 폐회로에 전류를 흐르게 하면, 스핀 주입원(13a, 13b)으로부터, 스핀이 편극한 전자가 비자성체(11)의 배선에 흐른다. 스핀이 편극한 전자는, 확산 전류로서 비자성체(11)의 배선 내를 흐르므로, ↑스핀의 전자, 및 ↓스핀의 전자는, 그 수가 많은 측에서부터 적은 측으로 흐른다. 예를 들면, 도 1의 (B)에 나타낸 바와 같이, 스핀 주입원(13a, 13b)에 있어서, ↑스핀의 전자의 수가 8개이며 ↓스핀의 전자의 수가 2개로 편극하고 있는 것으로 한다. 또한, 비자성체(11)의 배선내는, 스핀의 편극이 없기 때문에, ↑스핀의 전자의 수가 5개이며 ↓스핀의 전자의 수가 5개이다. 스핀 주입원(13a, 13b)으로부터, 스핀이 편극한 전자가 비자성체(11)의 배선에 유입되면, ↑스핀의 전자는, ↑스핀의 전자의 수가 많은 스핀 주입원(13a, 13b) 측으로부터, ↑스핀의 전자의 수가 적은 자성체(12) 측을 향해 흐른다. 한편, ↓스핀의 전자는, ↓스핀의 전자의 수가 많은 자성체(12) 측으로부터, ↓스핀의 전자의 수가 적은 스핀 주입원(13a, 13b) 측을 향해 흐른다. 즉, 도 14에 나타낸 바와 같이, ↑스핀의 전자와 ↓스핀의 전자가, 확산 전류에 의해 각각 반대 방향으로 흐름으로써, 전하의 흐름을 상쇄(相殺)하여, 스핀각 운동량만을 비자성체(11)의 배선에 흐르게 하는 순스핀류를 발생시킬 수 있다.
비자성체(11)의 배선 내에서는, 자성체의 경우와 비교하여, 스핀이 편극한 비평형 상태를 길게 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 스핀이 편극한 비평형 상태의 전자는, 그 비평형 상태가 쉽게 완화되는 방향으로 흐르는 성질이 있다. 즉, 스핀 주입원(13a, 13b)으로부터 유입된 순스핀류는, 비자성체(11)의 배선 내보다 비평형 상태가 보다 완화되기 쉬운 자성체(12)를 향해 흐른다(스핀의 흡수 효과).
본 실시형태에 따른 자화 반전 장치(10)에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 스핀 주입원(13a, 13b)으로부터의 대량의 순스핀류를 자성체(12)가 흡수하므로, 자성체(12)가 크더라도, 자성체(12)의 자화를 용이하게 반전시킬 수 있다. 그리고, 자화의 방향의 제어는, 전류가 흐르는 방향을 제어함으로써, 행할 수 있다.
도 1의 경우와 비교하여, 스핀의 흡수 효과를 보다 높인 경우의 자화 반전 장치(10)의 구성을 도 2의 (A)에 나타낸다. 도 1의 경우에는, 자성체(12)의 하면(2차원 평면)에 대하여 하 방향만으로부터의 순스핀류의 흡수인 것에 비해, 도 2의 (A)의 경우에는, 자성체(12)가 비자성체(11)에 입체적으로 매립되어 있고, 복수 방향으로부터의 순스핀류의 흡수로 되어 있다. 즉, 순스핀류를 흡수하는 면적을 증가시키고, 또한 복수 방향으로부터 순스핀류를 흡수함으로써, 스핀의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 도 1, 및 도 2의 (A)에 있어서는, 스핀 주입원(13a, 13b) 2개를 구비하는 구성으로 하였으나, 스핀 주입원의 수는 몇 개를 구비해도 된다(13a, 13b,···, 13z, ···). 이 경우, 각각의 스핀 주입원을 설치하는 위치 관계는, 순스핀류가 흐르는 유로 상에 상이한 스핀 주입원이 설치되지 않도록 한다.
또한, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치는, 도 13에 나타낸 바와 같은, MRAM 등에서의 반전층에 적용시켜도 되고, 자계 발생 장치로서, MRAM 등을 외부로부터 자계 제어하도록 해도 된다.
또한, 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 스핀 주입원(13a 또는 13b) 중 어느 하나만을 구비하는 구성으로 해도 된다. 또한, 비자성체(11)에 자성체(12) 전체를 매립함으로써, 스핀의 흡수 효율을 최대한으로 향상시킬 수 있지만, 사용 태양에 따라, 예를 들면, MRAM 등에서의 반전층에 적용시키는 경우에는, 일부가 비자성체(11)로부터 노출되어 있는 것이 바람직하다. 이럴 경우, 자성체(12)가 노출되어 있는 방향과 대향하는 방향에 있어서, 비자성체(11)와 접촉시켜 스핀 주입원(13a, 13b)이 설치됨으로써, 스핀의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 도 2의 (C)에 나타낸 바와 같이, 자성체(12)의 하면이 노출되어 있는 경우에는, 그 대향하는 방향인 상면의 방향에 있어서, 비자성체(11)와 접촉시켜 스핀 주입원을 설치하도록 해도 된다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치에 있어서는, 복수의 스핀 주입원으로부터의 확산 전류에 의해 자성체에 대하여 대량의 순스핀류를 흐르게 함으로써, 후막의 자성체라도 자화 반전할 수 있다. 또한, 후막의 자성체의 자화 반전이 가능하게 됨으로써, 열요란에 의해 스핀이 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하가 상쇄됨으로써, 전하류에 의해 발생하는 주울 열이 없기 때문에, 전극 재료 등의 제약이 없이, 자기 저항 변화의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 자성체가, 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치됨으로써, 접촉 면적을 증대시켜 복수 방향으로부터 순스핀류를 흡수할 수 있어, 순스핀류의 흡수 효과를 현격하게 높일 수 있다.
(본 발명의 제2 실시형태)
본 실시형태에 따른 기억 소자에 대하여, 도 3 및 도 4를 사용하여 설명한다. 도 3은, 본 실시형태에 따른 기억 소자의 제1 평면도, 및 단면도, 도 4는, 본 실시형태에 따른 기억 소자의 제2 평면도, 및 단면도이다.
도 3의 (A)에 있어서, 기억 소자(30)는, 매트릭스형으로 형성된 비자성체(11)의 배선, 및 전류 공급용의 도전체(31)의 배선, 비자성체(11)의 배선의 임의의 교점의 위치에 자성체(12), 및 자성체(12)가 설치되어 있는 교점의 위치에 인접하고, 비자성체(11)의 배선과 도전체(31)의 배선과의 교점의 위치에, 스핀 주입원(13a∼13d)을 구비한다. 그리고, 비자성체(11)와 도전체(31)는 동일한 재료라도 되고, 상이한 재료라도 된다.
자성체(12)는, 비자성체(11)의 배선에 매립되도록 설치되어 있고, 비자성체(11)의 배선과 입체적으로 접촉되어 있다. 스핀 주입원(13a∼13d)은, 적어도 일부가 비자성체(11)의 배선에 접촉하여 설치되어 있다. 또한, 스핀 주입원(13a∼13d)에 있어서, 자성체(12)가 설치되어 있는 방향과 반대 방향(매트릭스의 외측 방향)은 그라운드가 되어 있다.
도 3의 (B)는, 도 3의 (A)의 화살표 a의 방향으로부터 본 경우의 단면도이다. 비자성체(11)의 배선층 내에 자성체(12)가 매립되어 설치되어 있고, 스핀 주입원(13a, 13c)이, 비자성체(11)의 배선과 상면부에서 접촉하여 설치되어 있다. 비자성체(11)의 배선의 하층에는, 스핀 주입원(13a, 13c) 이외의 영역에, 절연층(37)[도 3의 (A)에는 도시하지 않음]이 적층되어 있고, 스핀 주입원(13a, 13c)의 하면부에는, 도전체(31)이 적층된 구조로 되어 있다.
전류원으로부터 공급된 전류는, 도전체(31)를 파선의 화살표 방향으로 흐르고, 또한 이 도전체(31)와 하면부에서 접촉하는 스핀 주입원(13a∼13d)에 전류가 흐르고, 이 스핀 주입원(13a∼13d)에 흐른 전류가 그라운드에 흐름으로써, 도 3의 (B)의 파선으로 나타낸 바와 같이, 비자성체(11)의 배선의 외측 방향으로 전류를 흘려보낼 수 있다. 즉, 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 스핀 주입원(13a∼13d)에 의해, 복수의 스핀 주입원(여기서는 4개)으로부터 도 3의 (B)의 점선으로 나타내는 순스핀류가 발생하고, 스핀의 흡수 효과에 의해 자성체(12)가 스핀을 흡수하여 자화를 반전시킬 수 있다.
자화의 반전을 제어하는 경우에는, 전류의 방향을 제어하면 되고, 또한, 전류를 흐르게 하는 도전체(31)의 조합에 의해, 구동시키는 스핀 주입원(13a∼13d)의 선택을 제어할 수 있다. 기억 소자(30)에 있어서, 도 3의 (A)의 영역(35)의 블록에서 1비트의 정보를 기억한다.
도 4의 (A)는, 도 3의 (A)의 기억 소자에 있어서, 비자성체(11)의 배선을 사선 방향으로도 직교시킨 형상으로 하고 있다. 그렇게 함으로써, 자성체(12)는, 상기 자성체(12)가 설치된 교점의 위치에 인접하는, 8개의 다른 교점의 위치에 설치된 스핀 주입원(13a∼13h)으로부터의 순스핀류를 흡수할 수 있어, 스핀의 흡수 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 도 4의 (B)에 나타낸 바와 같이, 사선 방향[도 4의 (A)의 화살표 b 방향]의 단면도에 있어서도, 도 3의 (B)의 경우와 마찬가지로, 자성체(12)가 스핀 주입원(13b, 13f)으로부터의 스핀을 흡수하고 있는 것을 알 수 있다.
그리고, 본 실시형태에 따른 기억 소자에 있어서는, 스핀 주입원(13)이 1개라도 된다. 예를 들면, 도 3의 경우, 스핀 주입원(13a)이 설치되어 있는 세로 라인의 도전체(31)에만 전류를 흐르게 함으로써, 1개의 스핀 주입원으로부터만 스핀을 주입하도록 할 수 있다. 또한, 예를 들면, 스핀 주입원(13a)과 스핀 주입원(13c)이 설치되어 있는 세로 라인의 도전체(31)에 전류를 흐르게 함으로써, 2개의 스핀 주입원(13)으로부터 스핀을 주입하도록 해도 된다.
이와 같이, 매트릭스형으로 형성된 비자성체를 포함하는 도전체의 배선의 임의의 하나의 교점의 위치에 자성체를 설치하고, 비자성체의 배선을 통하여 인접하는 다른 교점의 위치에 스핀 주입 수단을 설치함으로써, 자성체가 대량의 순스핀류를 흡수할 수 있고, 또한 스핀 열요란 내성을 가지는 후막 자성체를 저소비 전력으로 자화 반전시킬 수 있고, 비트의 정보를 안정적으로 확실하게 기록할 수 있다.
또한, 비자성체의 배선이 세로 방향, 및 가로 방향에 더하여 사선 방향으로 직교함으로써, 스핀 주입 수단의 수를 증가시켜, 자성체가 보다 많은 순스핀류를 흡수할 수 있고, 보다 거대한 순스핀류가 자성체 중에 흡수되어 보다 큰 자성체의 자화 반전이 가능하게 됨으로써, 보다 열 안정적으로 우수한 차세대의 기억 소자로서 이용할 수 있다.
(본 발명의 제3 실시형태)
본 실시형태에 따른 자계 발생 장치에 대하여 도 5 내지 도 7을 사용하여 설명한다. 도 5는, 본 실시형태에 따른 자계 발생 장치의 제1 전체 사시도, 및 단면도이다.
상기 제1 실시형태, 및 제2 실시형태에 나타낸 바와 같이, 전류의 방향을 제어함으로써, 순스핀류에 의해 자성체의 자화 방향을 제어할 수 있다. 또한, 자화와 평행한 스핀류를 주입함으로써, 스핀 토크에 의한 강자성 결합 효과가 생기고, 미소한 자성체 내의 자화 방향을 주입된 스핀의 방향으로 강하게 고정시킬 수 있다.
그래서, 본 실시형태에 있어서는, 미소한 자성체를 강하게 자화시켜, 그 선단으로부터 발생하는 자계를, 예를 들면, 자기 기억 매체로의 기록 자계로서 이용하는 자기 헤드 등에 응용할 수 있는 자계 발생 장치에 대하여 설명한다.
도 5의 (A)에 있어서, 자계 발생 장치(40)는, 선단부(41), 및 상기 선단부(41)로부터 후퇴 이반되는 방향으로 연장된 연장부(42)를 가지는 비자성체(11)의 배선과, 상기 비자성체(11)의 배선의 선단부(41)에 매립된 자성체(12)와, 적어도 일부가 연장부(42)에 매립된 스핀 주입원(13)을 구비한다. 선단부(41)에 매립된 자성체(12)의 자계 발생 방향은, 도 5의 (A)에 나타내는 화살표의 방향이며, 순스핀류에 의해 자계가 반전한 경우에는, 화살표의 반대 방향으로 된다. 이와 같이, 연장부(42)가, 선단부(41)로부터 후퇴 이반되도록 형성되는 것은, 선단부(41)의 앞에 있는, 자계 제어를 행하는 대상물에 대하여, 연장부(42)에 매립된 스핀 주입원(13)으로부터 발생하는 자계의 대상물에 대한 영향을 없애기 위해서이다.
도 5의 (B)는, 도 5의 (A)의 화살표 c의 방향으로부터 본 단면도이며, 스핀 주입원(13)으로부터 비자성체(11)의 배선의 외측 방향[도 5의 (A)의 화살표 d1 방향]에 전류가 공급되면, 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 스핀이 편극한 전자가 확산 전류로서 흘러 순스핀류가 발생한다. 발생한 순스핀류는 스핀 흡수 효과에 의해, 자성체(12)에 흡수되어 스핀 토크에 의해 자성체(12)의 자화 방향을 강하게 고정시키고, 강력한 자계를 발생시킬 수 있다. 또한, 전류 방향을 반전시킴으로써, 자계 발생 방향도 반전시킬 수 있다.
도 6은, 본 실시형태에 따른 자계 발생 장치의 제2 전체 사시도, 및 단면도이다. 도 6의 (A)에 있어서, 자계 발생 장치(40)는, 선단부(41), 및 상기 선단부(41)로부터 V자형으로 연장된 연장부(42a, 42b)를 가지는 비자성체(11)의 배선과, 상기 비자성체(11)의 배선의 선단부(41)에 매립된 자성체(12)와, 적어도 일부가 연장부(42a, 42b)에 매립된 스핀 주입원(13a, 13b)을 구비한다. 선단부(41)에 매립된 자성체(12)의 자계 발생 방향은, 도 6의 (A)에 나타내는 화살표의 방향이며, 순스핀류에 의해 자계가 반전한 경우에는, 화살표의 반대 방향으로 된다. 이와 같이, 연장부(42a, 42b)가, 선단부(41)로부터 후퇴 이반되도록 형성되는 것은, 선단부(41)의 앞에 있는 자계 제어를 행하는 대상물에 대하여, 연장부(42a, 42b)에 매립된 스핀 주입원(13a, 13b)으로부터 발생하는 자계의 대상물에 대한 영향을 없애기 위해서이다.
도 6의 (B)는, 도 6의 (A)의 화살표 c의 방향으로부터 본 단면도이며, 스핀 주입원(13a, 13b)으로부터 비자성체(11)의 배선의 외측 방향[도 6의 (A)의 화살표 d1, d2의 방향]에 전류가 공급되면, 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 스핀이 편극한 전자가 확산 전류로서 흘러 순스핀류가 발생한다. 발생한 순스핀류는 스핀 흡수 효과에 의해, 자성체(12)에 흡수되어, 스핀 토크에 의해 자성체(12)의 자화 방향을 강하게 고정시키고, 강력한 자계를 발생시킬 수 있다. 또한, 전류 방향을 반전시킴으로써, 자계 발생 방향도 반전시킬 수 있다.
그리고, 자계 발생 방향의 제어는, 스핀 주입원(13a, 13b)에 흐르게 하는 전류의 방향에 의해 제어할 수 있다. 예를 들면, 도 6의 (A)의 화살표 d1, 및 화살표 d2로 나타내는 방향과는 반대 방향으로 전류를 흐르게 함으로써, 자계 발생 방향을 반전시킬 수 있다. 또한, 스핀 주입원(13a, 13b)의 일측(예를 들면, 화살표 d1)에 대하여, 화살표의 방향으로 전류를 흐르게 하고, 타측(예를 들면, 화살표 d2)에 대하여, 화살표와는 반대 방향으로 전류를 흐르게 함으로써, 발생 자계의 강도를 감소시킬 수 있다. 즉, 양측으로부터 서로 반대 방향의 순스핀류를 주입함으로써, 반대 방향의 스핀 토크가 작용하여, 자성체(12)가 다자구(多磁區) 구조를 형성하게 되어, 자극으로부터의 발생 자계가 급격하게 저하된다. 이로써, 예를 들면, 자계 발생 장치를 기록 헤드로서 이용하는 경우에는, 폴이레이저(pole erasure) 등의 기록 에러를 회피할 수 있게 된다.
또한, 비자성체(11)의 형상은, 도 6에 나타낸 바와 같은 V자형의 형상으로 한정되지 않는다. 도 7은, 본 실시형태에 따른 자계 발생 장치에서의 다른 형상의 일례를 나타낸 도면이다. 도 7의 (A)에 있어서, 자계 발생 장치(40)는, 비자성체(11)의 배선의 선단부(41)로부터, 자성체(12)의 자계 발생 방향에 대하여 소정 각도로, 또한 선단부(41)로부터 후퇴 이반되는 방향으로 방사상으로 연장하는 4개의 연장부(42a∼42d)와 연장부(42z)를 합쳐서 5개의 연장부를 가진다. 또한, 도 7의 (B)에 있어서, 자계 발생 장치(40)는, 비자성체(11)의 배선의 선단부(41)로부터 연장되는 8개의 연장부(42a∼42h)와 연장부(42z)를 합쳐서 9개의 연장부를 가진다.
각각의 자계 발생 장치(40)의 연장부에는, 적어도 일부가 매립된 스핀 주입원이 각 연장부마다 구비되고, 각각의 스핀 주입원으로부터 편극한 스핀이 주입된다. 즉, 도 7의 (A)의 경우에는, 5개의 스핀 주입원으로부터의 스핀류를 자성체(12)가 흡수하고, 도 7의 (B)의 경우에는, 9개의 스핀 주입원으로부터의 스핀류를 자성체(12)가 흡수한다.
따라서, 자계 발생 장치로서 기능하는 자화가 큰 자성체(12)의 단면을 극미세화함으로써, 공간적으로 급격하며, 또한 강력한 자계의 발생이 가능하게 된다. 또한, 길이 방향을 충분히 길게 함으로써, 자성체의 열안정성을 높일 수 있다. 또한, 복수 방향으로부터의 스핀 주입에 의해, 체적이 증대해도, 스핀 주입에 의해 자화 반전이 가능하게 된다. 본 실시형태에 따른 자계 발생 장치(40)에 있어서는, 두께 10nm 이상의 자성체의 자화 제어를 실현할 수 있게 된다.
그리고, 도 5 및 도 7의 자계 발생 장치에 있어서, 자성체(12)는, 비자성체(11)의 배선과 평면적으로 접촉하여 설치되어도 되고, 입체적으로 접촉하여 설치되어도 된다. 보다 높은 스핀 흡수 효과를 기대하는 경우에는, 입체적으로 접촉하여 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 비자성체로 이루어지는 배선의 선단부에 구비된 자성체에 대하여, 복수의 연장부로부터 비자성체의 배선을 통하여 대량의 순스핀류를 흐르게 함으로써, 자성체가 강력한 자계를 발생시킬 수 있다.
또한, 연장부를 V자형으로 형성되는 2개의 연장부로 형성함으로써, 장치의 사이즈를 작게 하면서, 공간 분해능이 높은 자계를 발생시킬 수 있고, 자기 기록 장치뿐만 아니라, 차세대 스핀 디바이스의 기록 수단으로서 이용할 수 있다.
또한, 자성체가, 비자성체의 배선층 내에 매립되어 설치됨으로써, 접촉 면적이 증대하고 복수 방향으로부터 순스핀류를 흡수할 수 있고, 형상이나 재질에 제한받지 않는 자성체의 자화 반전이 가능하게 되고, 보다 큰 자계를 발생시킬 수 있다.
또한, 자기 헤드로서, 코일 등이 불필요하게 됨으로써 소자 구조가 극히 단순화되고, 또한 소자의 경량화도 실현할 수 있으므로, 기억 장치의 미세화에 매우 크게 공헌할 수 있다. 또한, 자성체 내에 와전류(Eddy current)가 발생하지 않고, 고속 동작이 가능하므로, 정보 기록 시의 소비 전력을 대폭 절감할 수 있다.
(본 발명의 제4 실시형태)
본 실시형태에 따른 자화 반전 장치에 대하여 도 8 내지 도 10을 사용하여 설명한다. 도 8은, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 스핀의 방향을 제어하는 도면, 도 9는, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 자성체의 세차 운동을 나타낸 도면, 도 10은, 본 실시형태에 따른 자화 반전 장치에서의 스핀 주입원을 3개 가지는 경우의 도면이다.
본 실시형태에 있어서는, 2개 또는 3개의 스핀 주입원(13)을 사용하여, 자성체(12)의 스핀의 세차 운동에 동기시켜 주입하는 스핀의 방향을 제어하고, 자성체(12)의 스핀의 반전 속도를 향상시키는 것이다. 스핀의 반전을 구동하는 스핀 토크는, 자화와 주입된 스핀의 외적(外積)에 비례한다. 자화의 방향과는 반평행한 스핀류를 주입한 경우에는, 자화의 미소한 세차 운동을 여기(勵起)시키고, 스핀을 계속 주입함으로써 토크를 증대시켜 자화 반전을 실현하므로 시동 토크가 극히 작고, 자화 반전 시에 많은 세차 운동이 필요하므로, 반전 속도가 늦어 대전력이 필요하였다. 한편, 자화의 방향에 대하여 직교하는 스핀류를 주입한 경우에는, 시동 토크가 커지고 자화 반전 시에 적은 세차 운동으로 자화 반전될 수 있다. 또한, 세차 운동에 동기하여 스핀의 방향을 제어하여 최적화함으로써, 보다 적은 세차 운동으로 자화 반전시킬 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 스핀의 방향은 스핀의 주입 방향, 즉 스핀 주입원(13a, 13b)에서의 전극의 각도와, 각각의 전극에 흐르는 전류 비율에 의해 제어할 수 있다(예를 들면, 상기 비특허 문헌 9 참조). 본 실시형태에 있어서는, 이 제어를 이용하여 자성체(12)의 스핀의 반전 속도를 향상시킨다. 즉, 도 9에 나타낸 바와 같이 자성체(12)에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 토크가 최적으로 되도록, 스핀 주입원(13a, 13b)의 전류 비율을 조정한다. 예를 들면, 반전 초기부터 중기에는, 자성체(12)에서의 스핀의 벡터와 스핀 주입원(13)이 주입하는 스핀의 벡터가 직교함으로써, 토크를 크게 하도록 조정하고, 반전 수속(收束) 시에서는, 반전 중의 자성체(12)에서의 스핀의 벡터와 스핀 주입원(13)이 주입하는 스핀의 벡터가, 점차 동일 방향으로 됨으로써, 토크를 작게 하도록 조정한다. 그렇게 함으로써, 항상 최적의 토크를 얻을 수 있고, 자성체(12)의 스핀의 반전 속도가 향상된다.
또한, 도 10의 (A)에 나타낸 바와 같이, 도 8의 스핀 주입원(13a, 13b)에, 또한 제3 스핀 주입원(13c)을 구비함으로써, 스핀의 방향을 3차원적으로 제어할 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이 자성체(12)의 스핀의 세차 운동에 대하여, 스핀 주입원(13a, 13b 및 13c)에 의해, 3차원적으로 동기시킨 스핀을 주입함으로써, 보다 효율적으로 자화를 반전시킬 수 있다.
그리고, 각 스핀 주입원의 전극의 각도는, 각각의 전극이 평행 또는 반평행의 관계가 되지 않는 각도(각각의 전극의 방향이 교차하는 관계, 또는 비틀림의 위치의 관계)로 설치된다. 특히, 각각의 전극의 각도를 도 8 및 도 10의 (A)에 나타낸 바와 같이 90°로 함으로써, 벡터의 연산이 용이하게 되어, 전류 비율을 용이하게 조정할 수 있게 된다.
복수의 스핀 주입원을 사용하여 스핀의 방향을 제어하는 경우에는, 자성체(12)에 흡수될 때, 각 스핀 주입원으로부터 주입되는 스핀이 합성되어 있으면 된다. 즉, 도 10의 (B), (C)에 나타낸 바와 같이, 스핀 주입원의 전극의 각도만 조건을 만족시키도록 설치하면 되며, 설치 위치는 문제가 되지 않는다. 따라서, MRAM 등의 디바이스의 집적화에 있어서는, 스핀 주입원의 설치 위치의 자유도가 증가하여, 장치를 소형화할 수 있게 된다.
그리고, 본 실시형태에서의 2개 또는 3개의 스핀 주입원(13)을 사용하여, 자성체(12)의 스핀의 세차 운동에 동기시켜 주입하는 스핀의 방향을 제어하는 기술은, 상기 제2 실시형태에 따른 기억 소자(30)나, 상기 제3 실시형태에 따른 자계 발생 장치(40)에 적용할 수 있다. 즉, 기억 소자(30)의 경우에는, 자성체(12)가 설치되어 있는 교점의 위치에 인접하고, 비자성체(11)의 배선과 도전체(31)의 배선과의 교점의 위치에 설치되는 스핀 주입원(13a∼13d) 또는 스핀 주입원(13a∼13h) 중에서 2개, 또는 3개를 사용하여 스핀의 방향을 제어할 수 있다. 이 때 스핀 주입원이 스핀을 주입할 방향이 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계(교차 또는 비틀림의 위치의 관계)가 되도록 2개 또는 3개의 스핀 주입원이 사용된다. 특히, 3개의 스핀 주입원을 사용하는 경우에는, 예를 들면, 도 3의 (A)에서의 스핀 주입원(13a, 13b, 또는 13c, 13d)에 더하여, 관통 비어 등으로 상층 또는 하층에 적층되어 있는 스핀 주입원으로부터의 스핀(상 방향 또는 하 방향으로부터 주입되는 스핀)을 사용함으로써, 3차원적인 제어를 행할 수 있다.
자계 발생 장치(40)의 경우에는, 연장부(42a, 42b) 또는 연장부(42a∼42h, 42z)에 구비되는 스핀 주입원(13a, 13b) 또는 스핀 주입원(13a∼13h, 13z) 중에서 2개, 또는 3개를 사용하여 스핀의 방향을 제어할 수 있다. 이 때 사용되는 2개 또는 3개의 스핀 주입원은, 각각의 관계가 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계(교차 또는 비틀림의 위치의 관계)로 되도록 설치되는 것으로 한다. 예를 들면, 도 5의 (A)의 경우에는, 스핀 주입원(13a)의 스핀 주입 방향과 스핀 주입원(13b)의 스핀 주입 방향이, 평행 또는 반평행의 관계가 되지 않도록 설치된다.
그리고, 복수의 스핀 주입원을 모아서 2개, 또는 3개의 그룹으로 만들고, 이 2개, 또는 3개의 그룹을 사용하여 스핀의 방향을 제어해도 된다.
이상의 상기 각 실시형태에 의해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 실시형태에 기재된 범위로 한정되지는 않으며, 이들 각 실시형태에 다양한 변경 또는 개량을 가할 수 있다. 그리고, 이러한 변경 또는 개량을 가한 실시형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 이것은, 특허 청구의 범위 및 과제를 해결하는 수단에 의해서도 밝혀진 것이다.
[실시예]
자성체의 스핀 흡수 효율에 대하여, 자성체와 비자성체와의 접촉 면적의 의존성을 조사하는 실험을 행하였다. 도 11에 나타내는 소자 구조를 사용하여 자성체(퍼멀로이)와 비자성체(동)와의 접촉 면적 lpw를 변화시킨 경우의 자성체와 비자성체와으l 사이의 전압(저항)을 측정하였다. 이 때, 주입 측의 전압을 일정하게 하고, 자성체와 비자성체와의 접촉 면적만을 변화시키고 있다.
도 12에 측정 결과를 나타낸다. 도 12의 (A)는 접촉 면적이 0.008 ㎛2인 경우의 자장 스위프(sweep)에 대한 자기 저항의 변화를 나타내는 측정 결과이며, 도 12의 (B)는 접촉 면적이 0.2 ㎛2인 경우의 자장 스위프에 대한 자기 저항의 변화를 나타내는 측정 결과이며, 도 12의 (C)는 접촉 면적과 자기 저항과의 관계를 나타내고 있다. 도 12의 (A)와 도 12의 (B)를 비교하면, 접촉 면적이 클수록 자기 저항(ΔR)이 작은 것을 알 수 있다[도 12의 (A), (B)의 그래프에서의 점선과 실선은 각각 반대의 극성에 대응하고 있음]. 또한, 도 12의 (C)에 나타낸 바와 같이, 접촉 면적이 커질수록 저항값이 작게 되어 있다. 즉, 접촉 면적을 크게 하면 스핀의 흡수율이 상승하고, 많은 스핀류가 흘러 스핀 축적 전압이 감쇠하기 때문에, 측정 전압값이 작아진다. 따라서, 자성체와 비자성체와의 접촉 면적을 크게 함으로써, 스핀의 흡수 효율이 높아지는 것은 분명하다. 본 발명에서는, 자성체가 비자성체에 입체적으로 매립되어 있으므로, 접촉 면적이 매우 커지고, 많은 스핀을 흡수할 수 있는 것을 알 수 있다.
10: 자화 반전 장치 11: 비자성체
12: 자성체 13a∼13z: 스핀 주입원
30: 기억 소자 37: 절연층
40: 자계 발생 장치 41: 선단부
42a∼42z: 연장부
12: 자성체 13a∼13z: 스핀 주입원
30: 기억 소자 37: 절연층
40: 자계 발생 장치 41: 선단부
42a∼42z: 연장부
Claims (19)
- 비자성체의 배선에 일부 또는 전부가 입체적으로 매립되어 설치되는 자성체; 및
스핀이 편극(偏極)하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순(純)스핀류를 발생하고, 상기 비자성체의 배선을 공통의 전극으로 하여 상기 비자성체의 배선에 접촉하여 설치되는 스핀 주입(spin injection) 수단
을 포함하고,
상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체의 자화(磁化)를 반전시키는,
자화 반전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 스핀 주입 수단을 복수 구비하고, 임의의 하나의 스핀 주입 수단과 상기 자성체와의 사이의 순스핀류의 유로(流路) 상과는 상이한 위치에, 임의의 다른 스핀 주입 수단이 설치되어 있는,
자화 반전 장치. - 비자성체의 배선에 평면적으로 접촉하여 설치되는 자성체; 및
스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생하고, 상기 비자성체의 배선을 공통의 전극으로 하여 상기 비자성체의 배선에 접촉하여 설치되는 복수의 스핀 주입 수단
을 포함하고,
임의의 하나의 스핀 주입 수단과 상기 자성체와의 사이의 순스핀류의 유로 상과는 상이한 위치에, 임의의 다른 스핀 주입 수단을 설치하고, 상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체의 자화를 반전시키는,
자화 반전 장치. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
제1 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제1 주입 방향과, 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제2 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며,
상기 자성체에서의 스핀의 세차(歲差) 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여, 2차원 면 내에서 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키는,
자화 반전 장치. - 제4항에 있어서,
상기 순스핀류를 주입하는 제3 스핀 주입 수단을 포함하고,
상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제3 주입 방향과, 상기 제1 주입 방향 및 상기 제2 주입 방향 중 적어도 한 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며,
상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단과 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키는,
자화 반전 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스핀 주입 수단, 및 상기 비자성체에 전류를 공급하는 전류원을 포함하고,
적어도 상기 스핀 주입 수단, 상기 비자성체, 및 상기 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 상기 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 상기 확산 전류를 발생시키고, 상기 순스핀류를 발생시키는,
자화 반전 장치. - 세로 방향, 및 가로 방향으로 직교하는 도전성(導電性)의 배선에 비자성체의 배선을 포함하고, 상기 비자성체의 배선의 임의의 하나의 교점의 위치에, 상기 비자성체의 배선과 적어도 일부를 접촉시킨 자성체를 설치하고, 상기 자성체가 설치된 상기 임의의 하나의 교점에 인접하는 복수의 임의의 다른 교점 중, 하나 또는 복수의 임의의 다른 교점의 위치에, 스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생시키는 스핀 주입 수단을, 상기 비자성체의 배선을 공통의 전극으로 하여 상기 비자성체의 배선에 접촉하여 설치하고,
상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체의 자화를 반전시켜 비트(bit)의 기록을 행하는,
기억 소자. - 제7항에 있어서,
상기 도전성의 배선에 포함되는 비자성체의 배선이 세로 방향, 및 가로 방향에 더하여, 사선 방향으로 직교하는, 기억 소자. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 자성체가, 상기 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치되는, 기억 소자. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 복수의 임의의 다른 교점에, 적어도 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단을 설치하고, 상기 제1 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제1 주입 방향과, 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제2 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며,
상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여, 2차원 면 내에서 임의의 방향을 가지는 순스핀류를 발생시키는,
기억 소자. - 제10항에 있어서,
상기 제1 스핀 주입 수단, 및 상기 제2 스핀 주입 수단이 설치되어 있는 교점 이외의 상기 임의의 다른 교점에, 상기 순스핀류를 주입하는 제3 스핀 주입 수단을 포함하고,
상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제3 주입 방향과, 상기 제1 주입 방향 및 상기 제2 주입 방향 중 적어도 한 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며,
상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단과 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여 임의의 방향을 가지는 순스핀류를 발생시키는,
기억 소자. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 스핀 주입 수단, 및 상기 비자성체에 전류를 공급하는 전류원을 포함하고,
적어도 상기 스핀 주입 수단, 상기 비자성체, 및 상기 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 상기 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 상기 확산 전류를 발생시키고, 상기 순스핀류를 발생시키는,
기억 소자. - 비자성체로 이루어지는 배선의 선단부(先端部)에 상기 비자성체의 배선과 적어도 일부가 접촉하는 자성체를 구비하고, 상기 비자성체의 배선의 선단부로부터 후퇴 이반(離反)되는 방향으로 연장하는 하나 또는 복수의 연장부를 가지고, 스핀이 편극하면서, 또한 전하의 흐름을 수반하지 않는 순스핀류를 발생하는 스핀 주입 수단을, 상기 스핀 주입 수단 중 적어도 일부가 상기 연장부에 접촉하도록 설치하고,
상기 스핀 주입 수단이, 상기 비자성체의 배선을 통하여 상기 자성체에 대하여 확산 전류에 의해 상기 순스핀류를 흐르게 함으로써, 상기 자성체로부터의 자계를 발생시키는,
자계 발생 장치. - 제13항에 있어서,
상기 연장부가 복수 형성되어 있고,
상기 연장부가, 상기 비자성체의 배선의 선단부로부터, 상기 자성체의 자계 발생 방향에 대하여 소정 각도로, 또한 상기 선단부로부터 후퇴 이반되는 방향으로 방사상(放射狀)으로 연장되어 있는,
자계 발생 장치. - 제14항에 있어서,
상기 연장부는, V자형으로 형성되는 2개의 연장부로 이루어지는,
자계 발생 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성체는, 상기 비자성체의 배선층 내에 입체적으로 매립되어 설치되는, 자계 발생 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 연장부를 가지고, 상기 복수의 연장부에, 적어도 제1 스핀 주입 수단과 제2 스핀 주입 수단을 설치하고, 상기 제1 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제1 주입 방향과, 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제2 주입 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며,
상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여, 2차원 면 내에서 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키는,
자계 발생 장치. - 제17항에 있어서,
상기 제1 스핀 주입 수단, 및 상기 제2 스핀 주입 수단이 설치되어 있는 연장부 이외의 다른 연장부에, 상기 순스핀류를 주입하는 제3 스핀 주입 수단을 포함하고,
상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 상기 순스핀류의 제3 주입 방향과, 상기 제1 주입 방향 및 상기 제2 주입 방향 중 적어도 한 방향의 관계가, 평행 또는 반평행의 관계 이외의 관계이며,
상기 자성체에서의 스핀의 세차 운동에 동기하여, 상기 제1 스핀 주입 수단과 상기 제2 스핀 주입 수단과 상기 제3 스핀 주입 수단에 의해 주입되는 순스핀류의 양의 비율을 조정하고, 세차 운동을 하고 있는 상기 자성체에서의 스핀의 벡터에 대하여 임의의 방향을 가지는 벡터를 가지는 순스핀류를 발생시키는,
자계 발생 장치. - 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스핀 주입 수단, 및 상기 비자성체에 전류를 공급하는 전류원을 포함하고,
적어도 상기 스핀 주입 수단, 상기 비자성체, 및 상기 전류원으로 폐회로가 형성되어 있고, 상기 폐회로에 전류를 흐르게 함으로써 상기 확산 전류를 발생시키고, 상기 순스핀류를 발생시키는,
자계 발생 장치.
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