KR20150056543A - 스핀 밸브 소자 - Google Patents
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Abstract
강자성체로 이루어지는 스핀 주입자(12)와, 강자성체로 이루어지는 스핀 검출자(16)와, 비자성체로 이루어지는 채널부(14)를 갖는 스핀 밸브 소자(10)로서, 스핀 검출자(16)는 스핀 주입자(12)로부터 이간한 위치에 배치되고, 채널부(14)는 스핀 주입자(12) 및 스핀 검출자(16)에 직접 또는 절연층을 통해서 접속되고, 채널부(14)에는 스핀류에 직교하는 방향의 단면적이 확대된 스핀 확산부(30∼34)가 형성되어 있다.
Description
본 발명은 스핀 밸브 소자에 관한 것이다.
종래, 스핀 일렉트로닉스 분야에서는 전자의 스핀 상태를 이용한 스핀 밸브 소자가 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이 스핀 밸브 소자는 강자성체로 이루어지는 스핀 주입자 및 스핀 검출자와, 스핀 주입자 및 스핀 검출자를 가교한 비자성체로 이루어지는 채널부를 구비하고 있고, 소위 비국소적 수법에 의해 스핀 주입자와 스핀 검출자 사이의 채널부에 전하의 흐름을 수반하지 않는 스핀류를 발생시키고, 스핀 검출자와 채널부의 계면에 발생하는 스핀 축적 전압을 검출한다. 또한, 스핀 밸브 소자에 있어서 스핀류, 즉 전자의 각운동량의 흐름은 스핀 주입자로부터의 거리와 스핀의 확산 길이에 의존해서 지수함수적으로 감쇠하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
스핀 밸브 소자를 설계함에 있어서는 상기 스핀류의 감쇠를 고려하여 스핀 주입자와 스핀 검출자 사이의 길이를 설정할 필요가 있다. 즉, 스핀 주입자와 스핀 검출자 사이의 길이는 감쇠 후의 스핀류가 검출 가능한 길이여야 한다는 일정한 제약이 있기 때문에, 스핀 주입자 및 스핀 검출자의 배치의 자유도에 제한이 있음과 아울러 상기 제약을 만족할 수 있는 가공 기술이 요구된다. 이 때문에, 본 기술 분야에서는 스핀류의 감쇠를 억제할 수 있는 스핀 밸브 소자가 요청되고 있다.
본 발명의 일측면에 의한 스핀 밸브 소자는 강자성체로 이루어지는 스핀 주입자와, 강자성체로 이루어지는 스핀 검출자와, 비자성체로 이루어지는 채널부를 갖는 스핀 밸브 소자로서, 스핀 검출자는 스핀 주입자로부터 이간한 위치에 배치 되고, 채널부는 스핀 주입자 및 스핀 검출자에 직접 또는 절연층을 통해서 접속되고, 채널부에는 스핀류에 직교하는 방향의 단면적이 확대된 스핀 확산부가 형성되어 있다.
이와 같이 구성함으로써, 강자성체로 이루어지는 스핀 주입자와 비자성체로 이루어지는 채널부에 전류 또는 전압을 인가하면 채널부에 스핀 검출자를 향해 스핀류가 발생한다. 채널부의 일부에서는 스핀류에 직교하는 방향의 단면적이 확대된 스핀 확산부가 형성되어 있기 때문에, 채널부에 발생한 스핀류는 스핀 확산부에 의해 스핀류에 직교하는 방향으로 확산된다. 이와 같이, 스핀 확산부의 형상에 의해 스핀류의 확산을 제어할 수 있기 때문에, 예를 들면 스핀 확산부의 형상을 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 향하는 스핀류 쪽이 스핀 검출자로부터 스핀 주입자로 향하는 스핀류보다 흐르기 쉬운 형상으로 하는 것이 가능해진다. 즉, 스핀 확산부의 형상을 제어함으로써 원하는 방향의 스핀류의 감쇠를 억제할 수 있다. 따라서, 스핀류의 감쇠가 억제되므로 스핀 주입자와 스핀 검출자 사이를 확대시킬 수 있기 때문에, 설계의 자유도가 향상된다.
일실시형태에서는 스핀 확산부는 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 향하는 제 1 방향의 경로의 스핀 저항이, 스핀 검출자로부터 스핀 주입자로 향하는 제 2 방향의 경로의 스핀 저항보다 작아지도록 형성되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성함으로써, 제 1 방향의 경로의 스핀 저항은 제 2 방향의 경로의 스핀 저항보다 낮아진다. 이 때문에, 채널부를 제 1 방향으로 유입하는 스핀류의 확산과 제 2 방향으로 유입되는 스핀류의 확산에 차이가 발생하기 때문에, 예를 들면 제 1 방향의 스핀류의 감쇠를 억제할 수 있다 .
일실시형태에서는 스핀 확산부는 단면적이 최대가 되는 선단부를 갖고, 스핀류에 직교하는 방향의 스핀 확산부의 단면적의 변화율은 스핀 주입자측으로부터 선단부로 향하는 경우 쪽이, 선단부로부터 스핀 검출자측으로 향하는 경우에 비해서 크게 되어 있어도 좋다.
이와 같이 구성함으로써, 스핀 주입자측로부터 확산부의 단면적이 최대가 되는 선단부까지 흐르는 스핀류의 확산의 정도와 선단부로부터 스핀 검출자측으로 흐르는 스핀류의 확산의 정도가 동일하게 되지 않고, 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 향하는 스핀류를 흐르기 쉽게 할 수 있다. 따라서, 스핀류의 감쇠를 억제하는 것이 가능해진다.
일실시형태에서는 스핀 주입자, 스핀 검출자 및 채널부는 기판 상에 형성되어 있고, 스핀 주입자 및 스핀 검출자가 기판의 주면과 평행한 방향으로 서로 이간해서 배치되어 있어도 좋다. 이와 같이, 소위 면내 스핀 밸브 구조에 있어서 스핀류의 감쇠를 억제할 수 있다.
일실시형태에서는 스핀 확산부는 기판의 상면으로부터 보아 상기 단면적이 최대가 되는 선단부를 통과하여 스핀류에 직교하는 방향으로 신장되는 선을 기준으로 해서 비대칭으로 형성되어 있어도 좋다. 이와 같이, 선단부를 통과하는 선을 기준으로 해서 스핀 확산부를 비대칭으로 함으로써 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 흐르는 스핀류의 확산의 정도와 스핀 검출자로부터 스핀 주입자로 흐르는 스핀류 의 확산의 정도가 동일하게 되지 않고, 예를 들면 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 향하는 스핀류를 흐르기 쉽게 할 수 있기 때문에, 스핀류의 감쇠를 억제하는 것이 가능해진다.
일실시형태에서는 스핀 확산부는 기판의 상면으로부터 보아 채널부의 축선을 기준으로 해서 대칭으로 형성되어 있어도 좋다. 스핀류는 채널부의 축방향을 따라 발생한다. 상기 구성으로 함으로써, 스핀류의 전반이 축선 방향을 기준으로 해서 대칭이 되기 때문에, 축방향의 스핀류를 흐르기 쉽게 할 수 있다.
일실시형태에서는 채널부에는 스핀 확산부가 복수 형성되어 있어도 좋다. 이와 같이 구성함으로써, 보다 효율적으로 스핀을 확산시킬 수 있다.
일실시형태에서는 비국소적 수법을 이용하여 전압을 검출해도 좋다. 이와 같이 구성함으로써, 전하의 흐름을 수반하지 않는 스핀 편극 전자의 흐르기 용이함을 제어할 수 있다.
(발명의 효과)
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일측면 및 실시형태에 의하면 스핀류의 감쇠를 억제할 수 있는 스핀 밸브 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 스핀 밸브 소자의 사시도이다.
도 2는 일실시형태에 의한 스핀 밸브 소자의 평면도이다.
도 3은 스핀 확산부의 변형예를 나타내는 개요도이다.
도 4는 시뮬레이션에 있어서의 스핀 밸브 소자와 주입되는 스핀의 관계를 나타내는 개요도이다.
도 5는 시뮬레이션에 있어서 이용한 모델을 나타내는 개요도이다.
도 6은 스핀류가 전반하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 개요도이다.
도 7은 스핀류가 전반하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 개요도이다.
도 8은 스핀류의 전류 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 스핀 확산부의 선단부의 크기와 스핀류의 전류 밀도의 변화의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 10은 스핀 확산부의 단면적의 크기와 스핀류의 전류 밀도의 변화의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 2는 일실시형태에 의한 스핀 밸브 소자의 평면도이다.
도 3은 스핀 확산부의 변형예를 나타내는 개요도이다.
도 4는 시뮬레이션에 있어서의 스핀 밸브 소자와 주입되는 스핀의 관계를 나타내는 개요도이다.
도 5는 시뮬레이션에 있어서 이용한 모델을 나타내는 개요도이다.
도 6은 스핀류가 전반하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 개요도이다.
도 7은 스핀류가 전반하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 개요도이다.
도 8은 스핀류의 전류 밀도의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 스핀 확산부의 선단부의 크기와 스핀류의 전류 밀도의 변화의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 10은 스핀 확산부의 단면적의 크기와 스핀류의 전류 밀도의 변화의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여서 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은 설명의 것과 반드시 일치하지 않는다.
일실시형태에 의한 스핀 밸브 소자는, 예를 들면 소위 면내 스핀 밸브 구조를 갖는 소자로서 바람직하게 채용되는 것이다. 도 1은 일실시형태에 의한 스핀 밸브 소자(10)의 사시도이다. 도 2는 본 실시형태에 의한 스핀 밸브 소자(10)의 평면도이다.
도 1과 도 2에 나타내는 바와 같이, 스핀 밸브 소자(10)는 기판(20) 상에 형성된 스핀 주입자(12), 채널부(14) 및 스핀 검출자(16)를 구비하고 있다. 기판(20)은, 예를 들면 Si, GaAs, MgO 기판 등의 반도체나 절연체 기판이 이용된다. 스핀 주입자(12), 채널부(14) 및 스핀 검출자(16)는 채널부(14)가 스핀 주입자(12) 및 스핀 검출자(16)를 가교하도록 스핀 주입자(12) 및 스핀 검출자(16)에 접속된 면내 스핀 밸브 구조를 형성하고 있다.
스핀 주입자(12)는 채널부(14)에 스핀을 주입하는 단자이고, 예를 들면 선형 부재이다. 스핀 주입자(12)는 그 축선 방향이 면내 방향(기판면에 평행한 방향)과 일치하도록 기판(20) 상에 배치되어 있다. 스핀 주입자(12)는 소정 방향으로 자화(磁化)된 강자성체로 구성되고, 예를 들면 Fe, NiFe 등에 의해 형성된다. 도 1에 나타내는 스핀 주입자(12) 중의 파선 화살표는 스핀 주입자(12)의 자화 방향을 나타내고 있다. 스핀 주입자(12)의 선폭은, 예를 들면 10㎛ 이하가 된다. 또한, 스핀 주입자(12)의 선폭은, 예를 들면 0.1㎛ 이상이라도 좋다. 스핀 주입자(12) 및 채널부(14)는 서로 접촉(직접적으로 접합)되어 있다. 스핀 주입자(12)의 일단부에는 전류 또는 전압 인가용의 단자부(12a)가 형성되어 있어도 좋다. 또한, 스핀 주입자(12) 채널부(14)에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 스핀 주입자(12)와 채널부(14)는 절연층을 통해서 접합되어 있어도 좋다.
스핀 검출자(16)는 채널부(14)로부터 스핀을 검출하는 단자이고, 예를 들면 선형 부재이다. 스핀 검출자(16)는 기판(20) 상부이고, 기판(20)의 주면과 평행한 방향에 스핀 주입자(12)와 이간해서 배치되어 있다. 스핀 검출자(16)는 그 축선 방향이 면내 방향과 일치하도록 기판(20) 상에 배치되어 있다. 스핀 검출자(16)는 소정 방향으로 자화된 강자성체로 이루어지고, 예를 들면 Fe, NiFe 등에 의해 형성된다. 자화 방향은 스핀 주입자(12)의 자화 방향과 평행 또는 반평행이 된다. 도 1에 나타내는 스핀 검출자(16) 중의 파선 화살표는 스핀 검출자(16)의 자화 방향을 나타내고 있고, 예를 들면 스핀 주입자(12)의 자화 방향과 평행 자화 방향을 나타내고 있다. 스핀 검출자(16)의 선폭은, 예를 들면 10㎛ 이하가 된다. 또한, 스핀 검출자(16)의 선폭은, 예를 들면 0.1㎛ 이상이라도 좋다. 스핀 검출자(16) 및 채널부(14)는 서로 접촉(직접적으로 접합)되어 있다. 또한, 스핀 검출자(16)는 채널부(14) 상에 배치되어 있어도 좋다. 또한, 스핀 검출자(16)와 채널부(14)는 절연층을 통해서 접합되어 있어도 좋다.
채널부(14)는 선형 부재이고, 그 축선(L1)의 방향이 면내 방향과 일치하도록 배치되어 있다. 채널부(14)는 스핀 주입자(12) 및 스핀 검출자(16)에 직접 또는 절연층을 통해서 접속되어 있다. 스핀 주입자(12) 및 스핀 검출자(16)의 접합 위치는 채널부(14)의 양단부로부터 이간한 위치로 되어 있다. 채널부(14)는 비자성체로 이루어지고, 예를 들면 Si 또는 비소화갈륨(GaAs) 등의 반도체 재료, 또는 Ag 또는 Cu 등의 비자성 금속에 의해 형성된다. 채널부(14)의 일단부[양단부 중 스핀 주입자(12)에 가까운 단부]에는 전류 또는 전압 인가용의 단자부(14a)가 형성되어 있다. 채널부(14)는, 예를 들면 기판(20) 상에 적층시킨 반도체층을 메사 형상으로 가공함으로써 형성되어 있어도 좋다. 채널부(14)의 선폭은, 예를 들면 10㎛ 이하가 된다. 또한, 채널부(14)의 선폭은, 예를 들면 0.1㎛ 이상이라도 좋다.
채널부(14)의 일부에는 채널부(14)에 발생하는 스핀류를 제어하기 위한 스핀 확산부가 형성되어 있다. 여기에서는 일례로서 채널부(14)에 5개의 스핀 확산부(30∼34)가 형성되어 있다. 구체적으로는, 스핀 확산부(30∼34)는 스핀 주입자(12)의 접합 위치와 스핀 검출자(16)의 접합 위치 사이에 형성되어 있다. 스핀 확산부(30∼34)는 채널부(14)에 발생하는 스핀류에 있어서 스핀 주입자(12)로부터 스핀 검출자(16)로 향하는 제 1 방향(L1)의 경로의 스핀 저항이, 스핀 검출자(16)로부터 스핀 주입자(12)로 향하는 제 2 방향(L2)의 경로의 스핀 저항보다 작아지는 형상으로 형성되어 있다.
각 스핀 확산부(30∼34)는 여기에서는 동일한 형상을 갖고 있기 때문에, 스핀 확산부(30)를 예로 들어 설명한다. 스핀 확산부(30)는 스핀 주입자(12)와 접하는 접합로부터 스핀 검출자(16)와 접하는 접합부로 흐르는 스핀류에 직교하는 방향의 채널부(14)의 단면적을 다른 개소의 채널부(14)의 단면적보다 확대시킴으로써 형성되어 있다. 예를 들면, 스핀 확산부(30)는 채널부(14)의 축선(M1)을 기준으로 해서 채널부(14)의 단면적을 폭방향에 대칭으로 확대시킴으로써 형성되어 있다. 스핀 확산부(30)의 폭방향의 형상을 대칭으로 함으로써 스핀류의 전반이 축선 방향을 기준으로 해서 대칭이 되기 때문에, 제 1 방향(L1) 또는 제 2 방향(L2)으로의 스핀류에 주는 영향을 적게 하면서 폭방향으로의 스핀류에 영향을 줄 수 있는 형상으로 할 수 있다. 또한, 스핀 확산부(30)는, 예를 들면 스핀류에 직교하는 방향의 단면적이 최대가 되는 선단부(30a)를 갖고 있다. 그리고, 스핀 확산부(30)는 기판(20)의 상면으로부터 보아 선단부(30a)를 통과하여 스핀류에 직교하는 방향으로 신장되는 선(M2)을 기준으로 해서 비대칭으로 형성되어 있다. 예를 들면, 스핀 확산부(30)는 스핀 주입자(12)측으로부터 선단부(30a)로 향하는 경우의 단면적의 변화율 쪽이, 선단부(30a)로부터 스핀 검출자(16)측으로 향하는 경우의 단면적의 변화율에 비해서 커지는 형상이 된다. 예를 들면, 채널부(14)의 양측부가 폭방향 외측으로 확대되어 있고, 그 확대된 부분이 기판(20)의 상면으로부터 보아 선단부(30a)를 정점으로 한 직각 삼각형상으로 되어 있다. 스핀 확산부(30)의 스핀류를 따르는 방향의 길이가, 스핀 확산부가 형성되지 않은 채널부(14)의 부분의 스핀류에 직교하는 방향의 길이의 3배일 때, 상기 단면적은 스핀 확산부가 형성되어 있지 않은 채널부(14)의 부분의 스핀류에 직교하는 방향의 단면적의 1.2∼3.0배로 형성되어 있어도 좋다. 또한, 선단부(30a)는 스핀 확산부(31∼34)의 선단부(31a∼34a)에 대응하고 있다.
상기 구성을 갖는 스핀 밸브 소자(10)는 이하와 같이 동작한다. 여기에서는 이하에 나타내는 비국소적 수법에 의해 전압을 검출한다. 비국소적 수법은 전류가 흐르고 있는 부분에 발생하는 전압을 측정하는 국소적 수법과 달리, 전류가 흐르고 있지 않은 부분에 스핀 확산 전도를 발생시켜 스핀 분극에 의해 발생하는 전위차를 측정하는 수법이다.
우선, 도 1에 나타내는 바와 같이 스핀 주입자(12)의 단자부(12a)와 채널부(14)의 단자부(14a) 사이에 전류가 인가된다(도 1 중 흰색 화살표). 이에 따라, 스핀 주입자(12)의 자화 방향과 반평행이 되는 스핀이 채널부(14)에 주입된다. 채널부(14)에 주입된 스핀은 채널부(14)의 양단부에 전반된다. 즉, 스핀 주입자(12)와 스핀 검출자(16) 사이에 있어서는 제 1 방향(L1)으로의 스핀이 전반(傳搬)된다. 이때, 제 1 방향(L1)으로 전반되는 스핀을 제거하는 방향[제 2 방향(L2)]에 제 1 방향(L1)으로 전반되는 스핀과 반평행인 스핀이 흐른다. 즉, 예를 들면 도 1에 나타내는 바와 같이 제 1 방향(L1)으로 상향 스핀이 전반된 경우 제 2 방향(L2)에 하향 스핀이 흐른다. 이 때문에, 스핀 주입자(12)와 스핀 검출자(16) 사이에 있어서는 전하의 흐름은 존재하지 않지만, 제 1 방향(L1)으로의 스핀류와 제 2 방향으로의 스핀류가 발생한다. 환언하면, 스핀 주입자(12)와 스핀 검출자(16) 사이에는 전하의 흐름을 수반하지 않는 스핀류가 발생한다.
여기에서, 대비를 위해서 종래의 스핀 밸브 소자의 채널부에 발생하는 스핀류를 개략적으로 설명한다. 종래의 스핀 밸브 소자에서는 제 1 방향(L1)으로의 스핀류와 제 2 방향(L2)으로의 스핀류는 동일한 전반의 속도로 흐르고, 양자는 스핀이 전반되는 거리에 따라서 지수함수적으로 감소한다. 상향 스핀의 역방향으로의 이동은 하향 스핀의 순방향으로의 이동으로 간주할 수 있기 때문에, 제 1 방향(L1)으로의 스핀류와 제 2 방향(L2)으로의 스핀류의 차로 나타내어지는 토탈 스핀류로서도 전반되는 거리에 따라서 지수함수적으로 감소한다.
이에 대해서, 채널부(14)를 전반하는 스핀은 제 1 방향 및 제 2 방향으로 전반할 뿐만 아니라 스핀 확산부(30)에 의해 폭방향으로 확산된다. 스핀 확산부(30)의 형상은 제 1 방향(L1)으로의 스핀류의 확산의 정도와 제 2 방향(L2)으로의 스핀류의 확산의 정도가 다르게 형성되어 있다. 여기에서는 제 1 방향(L1)으로의 스핀류의 확산의 정도 쪽이 제 2 방향(L2)으로의 스핀류의 확산의 정도보다 크게 되어 있다. 즉, 제 1 방향(L1)의 스핀 저항이 제 2 방향(L2)의 스핀 저항보다 작게 되어 있다. 이 때문에, 제 2 방향(L2)으로의 스핀류는 스핀 확산부(30)를 설치하지 않는 경우에 비해서 전반되기 어려워지고, 한편 제 1 방향으로의 스핀류는 스핀 확산부(30)를 설치하지 않는 경우에 비해서 전반되기 쉬워진다. 즉, 제 1 방향으로 스핀류의 감쇠가 억제된다. 이 때문에, 본 실시형태에 의한 스핀 밸브 소자(10)에서는 제 1 방향(L1)으로의 스핀류와 제 2 방향(L2)으로의 스핀류는 스핀이 전반되는 거리에 따라서 지수함수적으로 감소하지만, 제 1 방향(L1)으로의 스핀류의 감쇠가 억제되어 있으므로 제 1 방향(L1)으로의 스핀류 쪽이 제 2 방향(L2)으로의 스핀류보다 상대적으로 스핀 확산 길이가 길어진다. 따라서, 토탈 스핀류로서도 감쇠가 억제되어 결과적으로 스핀류가 증대한다.
이상, 본 실시형태에 의한 스핀 밸브 소자(10)에 의하면 채널부(14)의 일부에 스핀류에 직교하는 방향의 단면적이 확대된 스핀 확산부(30)가 형성되어 있고, 그 스핀 확산부(30)의 형상은 스핀 주입자(12)로부터 스핀 검출자(16)로 향하는 제 1 방향(L1)의 스핀류 쪽이, 스핀 검출자(16)로부터 스핀 주입자(12)로 향하는 제 2 방향(L2)의 스핀류보다 흐르기 쉬운 형상으로 되어 있기 때문에, 제 1 방향(L1)의 스핀류의 감쇠를 억제할 수 있다. 따라서, 채널부(14)의 전체의 스핀류의 감쇠가 억제되기 때문에 결과적으로 스핀류를 증대하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 스핀 주입자와 스핀 검출자 사이를 확대시킬 수 있기 때문에 설계의 자유도가 향상된다. 또한, 스핀 확산 길이의 제어를 채널부의 재료에 의해 제어하는 것이 아니고 형상에 의해 제어할 수 있기 때문에 재료에 구애받지 않는 소자 설계가 가능해진다. 또한, 기판(20) 상에 적층·에칭 등을 행함으로써 스핀 밸브 소자(10)를 제조할 수 있기 때문에 종래의 반도체 기술로 용이하게 제조 가능하다.
상술한 실시형태는 본 발명에 의한 스핀 밸브 소자의 일례를 나타내는 것이다. 본 발명에 의한 스핀 밸브 소자는 실시형태에 의한 스핀 밸브 소자(10)에 한정되는 것은 아니고, 변형하거나 또는 다른 것에 적용한 것이라도 좋다.
예를 들면, 상술한 실시형태에서는 스핀 확산부(30)의 형상으로서 채널부(14)의 양측부가 폭방향 외측으로 확대되고, 그 확대된 부분이 기판(20)의 상면으로부터 보아 선단부(30a)를 정점으로 한 직각 삼각형상(래칫 형상)이 되는 예를 설명했지만, 선단부(30a)를 통과하는 선(M2)을 기준으로 해서 비대칭이면 다른 형상이라도 좋다. 예를 들면, 예각 삼각형이나 둔각 삼각형이라도 좋다[도 3의 (A) 참조]. 또한, 면내 방향에 한정되지 않고 3차원적으로 비대칭인 형상을 갖고 있어도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 스핀 확산부(30)의 형상으로서 채널부(14)의 축선을 기준으로 해서 대칭인 예를 설명했지만, 채널부(14)의 축선을 기준으로 해서 비대칭이라도 좋다. 예를 들면, 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 채널부(14)의 양측부 중 한쪽 측면만이 폭방향 외측으로 확대되어 있어도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 스핀 확산부(30∼34)가 1개의 스핀 확산부를 구성하고 있는 예를 설명했지만, 도 3의 (C)에 나타내는 바와 같이, 스핀 확산부(30)만이라도 좋고, 5개 이외의 복수의 스핀 확산부(30)를 갖고 있어도 좋다. 채널부(14)는 양측부 중 한쪽 측부에 스핀 확산부(30)를 1개 이상 갖고 있어도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 스핀 확산부(30∼34)는 동일한 형상을 갖는 예를 설명했지만, 도 3의 (D), (E)에 나타내는 바와 같이 동일하지 않아도 좋다. 예를 들면, 도 3의 (D)에 나타내는 바와 같이 스핀 확산부(30∼34)는 기판(20)의 상면으로부터 보아 선단부(30a)를 정점으로 하는 삼각형상이 작아지는 경향이 있는 것을 특징으로 해도 좋다. 또한, 예를 들면 도 3의 (E)에 나타내는 바와 같이, 스핀 확산부(30∼34)는 기판(20)의 상면으로부터 보아 선단부(30a)를 정점으로 하는 삼각형상이 커지는 경향이 있는 것을 특징으로 해도 좋다.
또한, 스핀 밸브 소자(10)의 각 구성 부재의 크기는 특별하게 한정되지 않고, 마이크로 오더의 부재라도 좋고, 나노 오더의 부재라도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 면내 스핀 밸브 구조를 갖는 스핀 밸브 소자(10)를 예로 설명했지만, 예를 들면 적층 방향에 스핀 주입자 및 스핀 검출자가 채널부를 사이에 둔 구조라도 좋다.
(실시예)
이하 도 4∼도 7을 이용하여 상기 효과를 설명하기 위해 본 발명자가 실시한 실시예 및 비교예에 대해서 설명한다.
(감쇠 억제 효과의 확인)
(실시예 1)
우선, 도 4의 (A) 및 도 5의 (A)에 나타내는 모델(140)을 이용하여 시뮬레이션을 행했다. 모델(140)에 의해 스핀 밸브 소자(10)의 채널부(14)를 수치적으로 재현하고, 주입된 스핀의 확산에 대해서 유한 요소법에 의해 계산했다. 또한, 시뮬레이션에 있어서는 스핀의 확산을 전자의 확산으로 치환하여 전류 밀도를 계산했다.
모델(140)의 일단(Ip)은 인가점으로 하고, 인가점(Ip)으로부터 하향 스핀(Sd)을 주입했다. 모델(140)은 도면 중 왼쪽으로부터 오른쪽으로 발생하는 하향 스핀(Sd)의 스핀류를 시뮬레이션하기 위한 모델이다. 긴 축방향의 길이(L)를 2500㎚로 하고, 긴 축 방향과 수직인 방향의 폭(W)을 100㎚로 하고, 두께를 1㎚로 했다. 인가점(Ip)으로부터 스핀 확산부(300)가 형성되는 거리(li)는 100㎚로 했다. 각 스핀 확산부(300∼340)의 폭(b)은 100㎚로 하고, 높이(h)는 50㎚로 했다. 인가점(Ip)으로부터 스핀 검출자측에 가장 먼 스핀 확산부의 끝점(b0)으로부터 측정점(Mp)까지의 거리(lm)를 50㎚로 했다. 또한, 재료는 구리를 가정하고, 스핀의 완화의 시정수(τ)를 12ps로 했다.
상기 모델(140)에 있어서 인가점(Ip)으로부터 하향 스핀(Sd)를 주입했다. 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6에서는 스핀류의 변화를 도 6의 (a)∼(e)에서 시계열로 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 하향 스핀(Sd)은 시간의 경과에 따라 도면 중 왼쪽으로부터 오른쪽으로 전반됨과 아울러 스핀 확산부에 의해 폭방향으로 확산되는 것이 확인되었다. 그리고, 측정점(Mp)에서 하향 스핀(Sd)의 개수를 계산하여 전류 밀도를 구했다.
이어서, 도 4의 (B) 및 도 5의 (B)에 나타내는 모델(142)을 이용하여 시뮬레이션을 행했다. 모델(142)은 도면 중 오른쪽으로부터 왼쪽으로 발생하는 상향 스핀(Su)의 스핀류를 시뮬레이션하기 위한 모델이고, 모델(140)과 비교해서 스핀의 인가점(Ip)과 측정점(Mp)이 반대로 되어 있는 점이 상위하다. 또한, 모델(140)의 스핀 확산부의 형성 위치와 모델(142)의 스핀 확산부의 형성 위치가 다르지만, 이것은 측정점(Mp) 이후의 경로에 있어서 스핀류의 반사 등이 일어나는 것에 의한 노이즈를 없애기 위한 것이며, 실질적인 차이는 아니다. 모델(142)을 이용하여 스핀 밸브 소자(10)의 채널부(14)에 대해서 스핀의 인가점(Ip)과 측정점(Mp)이 반대측에 배치된 구조를 수치적으로 재현했다.
상기 모델(142)에 있어서 인가점(Ip)으로부터 상향 스핀(Su)을 주입했다. 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7에서는 스핀류의 변화를 도 7의 (a)∼(e)에서 시계열로 나타내고 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 상향 스핀(Su)은 시간의 경과에 따라 도면 중 오른쪽으로부터 왼쪽으로 전반됨과 아울러 스핀 확산부에 의해 폭방향으로 확산되는 것이 확인되었다. 또한, 그 확산의 정도는 모델(140)로 시뮬레이션한 경우와 다른 것이 확인되었다. 즉, 상기 실시형태에서 설명한 스핀 확산부를 구비함으로써 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 향하는 스핀류와, 스핀 검출자로부터 스핀 주입자로 향하는 스핀류의 확산의 정도에 변화를 주는 것이 가능한 것이 확인되었다. 그리고, 측정점(Mp)에서 상향 스핀(Su)의 개수를 계산하여 전류 밀도를 구했다.
(비교예 1)
높이(h)가 0인 점 이외에는 실시예와 동일한 시뮬레이션을 행했다.
이상으로부터 실시예 1의 시뮬레이션 결과 및 비교예 1의 시뮬레이션 결과를 얻었다. 평가는 측정점(Mp)에서 계측한 상향 스핀과 하향 스핀의 개수의 차로부터 전류 밀도의 값으로 했다. 도 8에 결과를 나타낸다.
도 8에 있어서 실시형태 1의 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 도 8에 의해 실시예 1과 비교예 1의 전류 밀도의 시간 변화를 나타냈다. 도 8의 세로축은 하향 스핀(Sd)의 개수로부터 상향 스핀(Su)의 개수를 감산함으로써 얻어지는 전류 밀도의 차를 나타냈다. 도 8의 가로축은 시뮬레이션에 있어서의 시간 경과를 나타냈다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 전류 밀도의 차는 유한의 값을 나타냈다. 즉, 스핀 주입자로부터 스핀 검출자로 향하는 스핀류의 전반과, 스핀 검출자로부터 스핀 주입자로 향하는 스핀류의 전반에 차가 발생하고 있는 것이 확인되었다. 또한, 비교예 1의 전류 밀도의 차는 0이었다. 이것으로부터 확산부의 형상을 제어함으로써 스핀류의 감쇠를 억제하는 것이 가능한 것이 확인되었다.
(확산부의 최적값의 검증)
(실시예 2)
폭(b)이 300㎚, 높이(h)가 10㎚, 20㎚, 30㎚, 40㎚, 50㎚, 60㎚, 70㎚, 75㎚, 80㎚, 90㎚ 및 100㎚인 점 이외에는 실시예 1과 동일한 시뮬레이션을 행했다.
이상으로부터 실시예 2의 시뮬레이션 결과를 얻었다. 평가는 측정점(Mp)에서 계측한 상향 스핀과 하향 스핀의 개수의 차로부터 전류 밀도의 값으로 했다. 도 9에 결과를 나타낸다.
도 9에 있어서 실시형태 2의 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 도 9에 의해 실시예 2의 전류 밀도의 시간 변화를 나타냈다. 도 9의 세로축은 하향 스핀(Sd)의 개수로부터 상향 스핀(Su)의 개수를 감산함으로써 얻어지는 전류 밀도의 차를 나타냈다. 도 9의 가로축은 시뮬레이션에 있어서의 시간 경과를 나타냈다. 또한, 도 9의 삽입도는 시간이 6.30ps 부근에 있어서의 확대도이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 실시예 2에 있어서의 각 높이(h)의 전류 밀도차는 유한의 값을 나타냈다. 이 때문에, 폭(b)이 폭(W)의 3배일 때 스핀 확산부의 단면적은 스핀 확산부가 형성되어 있지 않은 채널부의 부분의 스핀류에 직교하는 방향의 단면적의 1.2배∼3.0배로 형성되어 있어도 좋다. 즉, 스핀 확산부가 채널부의 상면으로부터 보아 선단부를 정점으로 한 직각 삼각형상으로 했을 경우, 직각 삼각형상의 채널부와 평행한 1변의 길이가 채널부의 스핀류에 직교하는 방향의 길이의 3배일 때 스핀 확산부의 단면적을 1.2∼3.0배가 되도록 상기 스핀 확산부를 확대해도 좋은 것이 확인되었다.
(실시예 3)
폭(b)이 100㎚, 150㎚, 200㎚, 250㎚, 300㎚, 350㎚, 400㎚, 450㎚, 높이(h)가 50㎚, 60㎚, 70㎚, 75㎚, 80㎚인 점 이외에는 실시예 1과 동일한 시뮬레이션을 행했다.
이상으로부터 실시예 3의 시뮬레이션 결과를 얻었다. 평가는 측정점(Mp)에서 계측한 상향 스핀과 하향 스핀의 개수의 차로부터 전류 밀도의 값으로 했다. 도 10에 결과를 나타낸다.
도 10에 있어서 실시예 3의 시뮬레이션 결과를 나타냈다. 도 10의 각 축은, 축(b)은 스핀 확산부의 폭을 나타내고, 축(h)은 스핀 확산부의 높이를 나타내고, 축(Energy Difference)은 하향 스핀(Sd)의 개수로부터 상향 스핀(Su)의 개수를 감산함으로써 얻어지는 전류 밀도의 차를 나타냈다.
도 10은 각 높이(h)와 폭(b)에 있어서 전류 밀도의 차가 최대가 되는 높이(h)와 폭(b)의 조합을 나타냈다. 또한, 그때의 전류 밀도의 차의 값을 나타냈다. 이것으로부터 스핀 확산부의 높이와 저변의 길이를 변화시켰을 경우, 스핀의 확대 영역이 채널부에 존재함으로써 의해 상향 스핀과 하향 스핀의 흐름에 유의한 차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
(산업상 이용 가능성)
스핀 밸브 소자(10)는 산업상, 다음과 같은 이용 가능성을 갖고 있다. 예를 들면, 나노 스케일의 회로에 있어서의 저항 소자로서 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)나 NEMS(Nano Electro Mechanical Systems) 등의 분야에서 이용할 수 있다. 또한, 스핀 밸브 소자(10)는 전기·전자 분야, 의료 관계 분야 등의 기기 부품, 소자로서 사용할 수 있다.
10 : 스핀 밸브 소자
12 : 스핀 주입자
12a : 단자부 14 : 채널부
14a : 단자부 16 : 스핀 검출자
20 : 기판 30, 31, 32, 33, 34 : 스핀 확산부
30a, 31a, 32a, 33a, 34a : 선단부 140, 142 : 모델
300, 310, 320, 330, 340, 302, 312, 322, 332, 342 : 스핀 확산부
Su : 상향 스핀 Sd : 하향 스핀
12a : 단자부 14 : 채널부
14a : 단자부 16 : 스핀 검출자
20 : 기판 30, 31, 32, 33, 34 : 스핀 확산부
30a, 31a, 32a, 33a, 34a : 선단부 140, 142 : 모델
300, 310, 320, 330, 340, 302, 312, 322, 332, 342 : 스핀 확산부
Su : 상향 스핀 Sd : 하향 스핀
Claims (8)
- 강자성체로 이루어지는 스핀 주입자와,
강자성체로 이루어지는 스핀 검출자와,
비자성체로 이루어지는 채널부를 갖는 스핀 밸브 소자로서,
상기 스핀 검출자는 상기 스핀 주입자로부터 이간한 위치에 배치되고,
상기 채널부는 상기 스핀 주입자 및 상기 스핀 검출자에 직접 또는 절연층을 통해서 접속되고, 상기 채널부에는 스핀류에 직교하는 방향의 단면적이 확대된 스핀 확산부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 스핀 확산부는 상기 스핀 주입자로부터 상기 스핀 검출자로 향하는 제 1 방향의 경로의 스핀 저항이 상기 스핀 검출자로부터 상기 스핀 주입자로 향하는 제 2 방향의 경로의 스핀 저항보다 작아지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스핀 확산부는 상기 단면적이 최대가 되는 선단부를 갖고,
상기 스핀류에 직교하는 방향의 상기 스핀 확산부의 단면적의 변화율은 상기 스핀 주입자측로부터 상기 선단부로 향하는 경우 쪽이 상기 선단부로부터 상기 스핀 검출자측으로 향하는 경우에 비해서 작은 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 1 항 내지 제 3 항에 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스핀 주입자, 상기 스핀 검출자 및 상기 채널부는 기판 상에 형성되어 있고,
상기 스핀 주입자 및 상기 스핀 검출자는 기판의 주면과 평행한 방향으로 서로 이간해서 배치되는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 스핀 확산부는 상기 기판의 상면으로부터 보아 상기 단면적이 최대가 되는 선단부를 통과하여 상기 스핀류에 직교하는 방향으로 신장되는 선을 기준으로 해서 비대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 스핀 확산부는 상기 기판의 상면으로부터 보아 상기 채널부의 축선을 기준으로 해서 대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널부에는 상기 스핀 확산부가 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
비국소적 수법을 이용하여 전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 스핀 밸브 소자.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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