WO2004051754A1 - スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置 - Google Patents

スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2004051754A1
WO2004051754A1 PCT/JP2003/014830 JP0314830W WO2004051754A1 WO 2004051754 A1 WO2004051754 A1 WO 2004051754A1 JP 0314830 W JP0314830 W JP 0314830W WO 2004051754 A1 WO2004051754 A1 WO 2004051754A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tunnel junction
spin
spin injection
injection device
ferromagnetic
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/014830
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kouichiro Inomata
Sadamichi Maekawa
Saburo Takahashi
Original Assignee
Japan Science And Technology Agency
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science And Technology Agency filed Critical Japan Science And Technology Agency
Priority to US10/536,437 priority Critical patent/US7755929B2/en
Priority to EP03774094A priority patent/EP1571712A4/en
Publication of WO2004051754A1 publication Critical patent/WO2004051754A1/ja

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66984—Devices using spin polarized carriers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/33—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only
    • G11B5/39—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects
    • G11B5/3903—Structure or manufacture of flux-sensitive heads, i.e. for reproduction only; Combination of such heads with means for recording or erasing only using magneto-resistive devices or effects using magnetic thin film layers or their effects, the films being part of integrated structures
    • G11B5/3906—Details related to the use of magnetic thin film layers or to their effects
    • G11B5/3909—Arrangements using a magnetic tunnel junction
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/10—Junction-based devices
    • H10N60/128—Junction-based devices having three or more electrodes, e.g. transistor-like structures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1121—Multilayer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1143—Magnetoresistive with defined structural feature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1193—Magnetic recording head with interlaminar component [e.g., adhesion layer, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a spin injection element and a magnetic device using the spin injection element. Background yarn technology
  • the magnetoresistance effect in which the resistance changes when an external magnetic field is applied to a metal or semiconductor, is used in magnetic heads and magnetic sensors.
  • a magnetoresistance effect element using a tunnel junction and a ferromagnetic spin tunnel junction (MTJ) element and a spin injection element are attracting attention.
  • MTJ ferromagnetic spin tunnel junction
  • MRAM nonvolatile magnetic memory
  • the conventional MTJ element has a ferromagnetic spin tunnel junction having a stacked structure in which a ferromagnetic layer / insulator layer / ferromagnetic layer is stacked in this order.
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • TMR 2 P, P 2 / (1 -P, P 2 ) (1)
  • the spin polarizability P of the ferromagnetic layer takes a value of 0 ⁇ P ⁇ 1.
  • the maximum value of TMR obtained at room temperature in an MTJ device is about 50% when a Co Fe alloy with a spin polarization of about 0.5 is used.
  • the MTJ element is expected to be applied to a hard disk read head MRAM.
  • MRAM the MTJ elements are arranged in a matrix, and a current is applied to a separately provided wiring to apply a magnetic field, thereby controlling the two magnetic layers constituting each MTJ element in parallel and antiparallel to each other. By this, 1 and 0 are recorded. Reading is performed using the TMR effect.
  • spin injection The flow of current from a ferromagnetic material to a non-magnetic metal in this way is called spin injection. This is because ferromagnetic materials generally have different spin densities (different numbers of up-spin electrons and down-spin electrons) at the Fermi level, and spin-polarized electrons are injected when a current flows from a ferromagnetic material to a non-magnetic metal.
  • FIG. 5 is a sectional view
  • FIG. 6 is a plan view thereof.
  • a first tunnel junction 51 for performing spin injection and a second tunnel junction 5 for detecting a voltage due to spin current have a spin diffusion length L. They are arranged on the nonmagnetic metal 53 serving as a common electrode at an interval L4 shorter than s.
  • the first tunnel junction 51 has a structure in which an insulator 54 and a first ferromagnetic material 55 are sequentially stacked on a nonmagnetic metal 53, and the second tunnel junction 52 has a nonmagnetic property. It has a structure in which an insulator 54 and a second ferromagnetic material 56 are sequentially laminated on a metal 53.
  • the DC power supply 58 is applied so that the nonmagnetic metal 53 side of the first tunnel junction 51 is positive, and the ⁇ magnetic body 55 side is negative. At this time, the current flowing through the first tunnel junction is I.
  • a voltmeter 59 is connected to the ferromagnetic material 56 of the second tunnel junction on the voltage detection side and the nonmagnetic metal 53.
  • FIG. 6 is a plan view of FIG. 5, in which a spin injection element 50 is provided on a substrate 57. Then, an external magnetic field 60 is applied in parallel to the plane of the substrate 57. When the external magnetic field 60 is applied, the magnetizations generated in the ferromagnetic material 55 of the first tunnel junction 51 and the ferromagnetic material 56 of the second tunnel junction 52 become magnetization 6 1, respectively.
  • the magnetization is 62.
  • the long sides of the patterns of the first tunnel junction 51, the second tunnel junction 52, and the nonmagnetic metal 53 are L1, L2, and L3, respectively, and the short sides are respectively W l, W 2, W 3.
  • a DC power supply 58 is applied to the first tunnel junction 51 of the conventional spin injection element 50, and spin is injected by tunnel electrons.
  • This spin-injected spin current (I s in FIG. 5) flows through a closed circuit in which the second tunnel junction 52 and the voltmeter 59 are connected at a distance L 4 shorter than the spin diffusion length.
  • the resulting induced voltage is detected by a voltmeter 59 connected to the ferromagnetic metal 56 and the non-magnetic metal body 53 in the second tunnel junction 52.
  • the external magnetic field 60 is controlled so that the magnetizations 62 and 63 of the ferromagnetic materials 55 and 56 used for the two tunnel junctions 51 and 52 are parallel and antiparallel to each other. Then, the sign of the induced voltage can be changed, so that the voltage detection becomes easy. For this reason, the second conventional spin injection device uses a magnetic tunnel junction that is strong against noise. It is expected as a resistance effect element.
  • the detected output resistance R s is measured by the following equation (2).
  • V AP and V P are induced voltages when the magnetizations of the ferromagnetic t raw layers 55 and 56 of the two tunnel junctions are antiparallel and parallel, respectively.
  • V s Where Is is the current flowing through the second tunnel junction 52.
  • the resistance of the non-magnetic metal 53 serving as the common electrode is small, so the detected output resistance R s is as small as 1 ⁇ or less, and a sufficiently large signal voltage for practical use cannot be obtained.
  • the magnetization 61 of the ferromagnetic material 55 of the first tunnel junction 51 on the side where the spin injection is performed is reversed, and the second Since the magnetization 62 of the ferromagnetic material 56 of the tunnel junction 52 needs to be fixed, the sizes of the first tunnel junction 51 and the second tunnel junction 52 need to be changed from each other. For this purpose, it was necessary to make the aspect ratio (length / width) of the ferromagnetic material 56 of the second tunnel junction 52 larger than that of the first tunnel junction 51. .
  • the distance L4 between the first tunnel junction 51 and the second tunnel junction 52 must be smaller than the spin diffusion length ⁇ .
  • ⁇ ⁇ is generally 1 im or less. Therefore, the size of the ferromagnetic materials 55, 56 forming the tunnel junction must be 1 m or less, and further, sub-m or less.
  • the conventional spin injection element has a problem that when the size of the ferromagnetic material is reduced, the magnetization reversal magnetic field is increased, and the conventional spin injection element does not operate at a low magnetic field.
  • the ferromagnetic It is necessary to increase the area of the body 51 to some extent. Therefore, when the conventional spin injection element 50 is used as, for example, a storage element of a memory MRAM, there is a trade-off between reducing the magnetization reversal magnetic field and reducing the element area. For this reason, for example, when the magnetization reversal magnetic field is reduced, there is a problem that the element area of the tunnel junction becomes large and there is a limit in increasing the capacity. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a spin having a low current, a large change in resistance due to spin injection at a low magnetic field, a large signal voltage, and a magnetization reversal at a low magnetic field even when the element size is reduced. It is an object of the present invention to provide a magnetic device using an injection element and a spin injection element.
  • the present inventors conduct theoretical studies on the spin accumulation of a nonmagnetic metal in a spin injection device. If the nonmagnetic metal is selected from a semiconductor, a semimetal, and a superconductor, the spin accumulation can be obtained. The inventors have found that the output resistance value R s is significantly larger than the case where the nonmagnetic conductor of the conventional spin injection device is a metal, and have completed the present invention.
  • a spin injection device of the present invention includes a first tunnel junction and a second tunnel junction each having a non-magnetic conductor as a common electrode and the other electrode as a ferromagnetic material.
  • the first tunnel junction and the second tunnel junction are arranged at a distance shorter than the spin diffusion length of the nonmagnetic conductor, and the first tunnel junction is a tunnel that injects spin from a ferromagnetic metal into the nonmagnetic conductor.
  • the second tunnel junction is a tunnel junction that detects a voltage associated with spin injection of the first tunnel junction between the ferromagnetic metal and the nonmagnetic conductor, and the nonmagnetic conductor is more carrier than metal.
  • the spin injection device of the present invention includes a first tunnel junction and a first tunnel junction each having a superconductor as a common electrode and the other electrode as a ferromagnetic material.
  • a second tunnel junction is disposed at a distance shorter than the spin diffusion length of the superconductor, and the first tunnel junction is a tunnel junction that injects spin from a ferromagnetic metal into the superconductor.
  • the tunnel junction is characterized in that it is a tunnel junction that detects a voltage associated with spin injection of the first tunnel junction between the ferromagnetic metal and the superconductor.
  • the first tunnel junction and the first tunnel junction may be tunnel junctions in which an insulator is inserted between a nonmagnetic conductor or a superconductor and a ferromagnetic material. Further, at least one of the first tunnel junction and the first tunnel junction is formed by sequentially stacking an insulator, a ferromagnetic material, a nonmagnetic metal, and a ferromagnetic material on a nonmagnetic conductor or a superconductor.
  • the ferromagnetic material on both sides of the non-magnetic metal is magnetically coupled antiparallel via the non-magnetic metal in the tunnel junction structure.
  • the antiparallel coupling film magnetically coupled antiparallel via the nonmagnetic metal preferably has an aspect ratio of 1.
  • an antiferromagnetic material is provided on the ferromagnetic layer of the second tunnel junction for detecting a voltage, and the antiferromagnetic material preferably fixes the spin of the ferromagnetic material.
  • the spin injection element may be formed on the substrate.
  • the spin injection device of the present invention can selectively use a semiconductor, a semi-metal, or a superconductor whose carrier density is smaller than that of a non-magnetic metal, thereby obtaining an output obtained by spin accumulation.
  • the resistance R s can be non-magnetic conductors of the conventional spin injection device is significantly larger than that if it was metal.
  • a large signal voltage can be obtained at a low current and a low magnetic field due to a large resistance change caused by spin injection.
  • a magnetic device includes the spin injection element having the above-described configuration.
  • the spin injection device of the present invention has a low magnetic field, a low current, a large output resistance R s , and the device dimensions can be miniaturized. It is possible to provide a magnetic device such as a magnetic head and a large-capacity MRAM having a large signal voltage.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of the spin injection device of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of a spin injection device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of a modification of the spin injection device of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of a conventional spin injection device.
  • FIG. 6 is a plan view of FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of the spin injection device of the present invention.
  • a first tunnel junction 2 for performing spin injection and a second tunnel junction 3 for detecting a voltage due to spin current have a spin diffusion length Ls.
  • Ls spin diffusion length
  • L4 short interval
  • the first tunnel junction 2 has a structure in which an insulator 5 and a first ferromagnetic material 6 are sequentially laminated on a nonmagnetic conductor 4 or a superconductor 4.
  • the second tunnel junction 3 has a structure in which an insulator 5, a second ferromagnetic material 7, and an antiferromagnetic material ⁇ are sequentially stacked on a nonmagnetic conductor 4 or a superconductor 4, I have.
  • the DC power supply 9 is applied so that the nonmagnetic conductor 4 or the superconductor 4 ′ side of the first tunnel junction is positive and the ferromagnetic body 6 side is negative.
  • the flowing current is I.
  • the antiferromagnetic material of the second tunnel junction on the detection side 8 A voltmeter 10 is connected to the nonmagnetic conductor 4 or the superconductor 4 ′.
  • the nonmagnetic conductor 4 is one of a semiconductor and a semimetal.
  • the nonmagnetic conductor 4 and the superconductor 4 can be interchanged, and will be described as the nonmagnetic conductor 4 unless otherwise specified.
  • FIG. 2 is a plan view corresponding to FIG. 1.
  • a spin injection device 1 of the present invention is provided on a substrate 11 covered with an insulator. Then, an external magnetic field 12 is applied in parallel in the plane of the substrate 11.
  • the figure shows the magnetic field 13 generated in the ferromagnetic material 6 of the first tunnel junction when an external magnetic field 12 is applied, and the magnetic field 14 generated in the ferromagnetic material 8 of the second tunnel junction. Is shown.
  • the long sides of the patterns of the first tunnel junction 2, the second tunnel junction 3, and the nonmagnetic conductor 4 are L1, L2, and L3, respectively, and the short sides are respectively W1, W2 and W3.
  • the present invention is different from the conventional spin injection device 50 in that the common electrode of one tunnel junction 2 and 3 is not a nonmagnetic metal but a nonmagnetic conductor 4 or a superconductor 4.
  • the second tunnel junction 3 on the detection side is that an antiferromagnetic material 8 is further laminated on the ferromagnetic material 7.
  • the reason for using a semiconductor or semimetal as the nonmagnetic conductor 4 will be described.
  • the present inventors have performed theoretical calculations of the spin injection device of the present invention, and when the nonmagnetic conductor 4 is an electric conductor such as a semiconductor and a semimetal, the output resistance value R S obtained by spin accumulation is as follows. (3) was found to be given by the equation.
  • P j is the spin polarizability of the ferromagnetic materials 6 and 7 forming the tunnel junction (here, the two ferromagnetic materials 6 and 7 are made of the same material)
  • RN is the resistance of the nonmagnetic conductor 4
  • L 4 is the distance between the first tunnel junction 2 and the second tunnel junction 3, and is the spin diffusion length of the nonmagnetic conductor 4.
  • the output resistance R s obtained by spin accumulation determined if ferromagnetic 6, 7 spin polarization of, as the resistance R N of the non-magnetic conductor 4 is large, and its, L 4 can be increased by making it sufficiently smaller than;
  • a semiconductor or a semimetal is used as the nonmagnetic conductor 4
  • these have a lower carrier density than the normal metal used for the nonmagnetic metal 53 of the conventional spin injection element 50.
  • the output resistance R s obtained by spin accumulation can be increased.
  • the nonmagnetic conductor 4 of the spin injection device of the present invention is any of a semiconductor, a semimetal, and a superconductor
  • the nonmagnetic metal Spin is more likely to accumulate than the above metals, and as a result, the output resistance Rs can be increased.
  • the reason why the antiferromagnetic material 8 is further provided on the ferromagnetic material 7 of the first tunnel junction 3 on the detection side will be described.
  • the spin due to the magnetization 14 of the ferromagnetic material 7 is fixed in one direction by the spin valve effect due to the exchange interaction between the ferromagnetic material 7 and the antiferromagnetic material 8. Therefore, as in the conventional spin injection device 50, the aspect ratio (length / width) of the ferromagnetic layer 56 of the second tunnel junction 52 is larger than that of the first tunnel junction 51. This eliminates the need to perform the operation, and can reduce the element size.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of a spin injection device according to another embodiment of the present invention.
  • the first tunnel junction 21 for performing spin injection and the first tunnel junction 2 for detecting a voltage due to spin current have an interval L shorter than the spin diffusion length Ls.
  • a non-magnetic conductor 4 or a superconductor 4 'serving as a common electrode is provided.
  • the difference between the spin injection element 20 of the present invention and the spin injection element 1 (see FIG. 1) is that the first tunnel junction 21 and the second tunnel junction 22 are formed of the nonmagnetic conductor 4 or It has a structure in which an insulator 5, a first ferromagnetic material 23, a non-magnetic metal 14, and a second ferromagnetic material 25 are sequentially stacked on a conductor 4 '. is there.
  • the two ferromagnetic layers 23 and 25 on both sides of the nonmagnetic metal 14 are magnetically coupled antiparallel as shown in the figure. I have.
  • the plan views corresponding to the other configurations are the same as those in FIGS. 1 and 2, and therefore description thereof is omitted.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration and operation principle of a modification of the spin injection device of the present invention.
  • the first tunnel junction 21 for spin injection (see FIG. 3) and the second tunnel junction 3 for detecting voltage by spin current (see FIG. 1) are formed by spin It is disposed on the nonmagnetic conductor 4 or superconductor 4, which serves as a common electrode, at an interval L4 shorter than the diffusion length Ls.
  • the plan views corresponding to the other configurations are the same as those in FIGS.
  • At least one of the two tunnel junctions in the spin injection devices 20 and 30 having the above configuration is magnetically coupled to the two ferromagnetic layers 23 and 2 in antiparallel via the nonmagnetic metal 24.
  • the reason for using the first tunnel junction 21 using 5 will be described.
  • the external magnetic field 1 The demagnetizing field generated in the ferromagnetic materials 23 and 25 when 2 is applied is reduced, and the magnetization of the ferromagnetic materials 23 and 25 can be easily performed even when the external magnetic field 12 is low.
  • the magnetization of the first tunnel junction 21 is inverted with a low magnetic field, that is, the magnetization reversal magnetic field is reduced, so that the element size can be reduced.
  • the demagnetizing field coefficient becomes zero, so The field can be significantly reduced. Therefore, in this case, the device dimensions of the spin injection device can be further reduced.
  • spin injection device of the present invention As shown in FIGS. 1 to 4, spin injection device of the present invention, a low current and the output resistance R s obtained by spin accumulation at low magnetic field becomes very large.
  • the pin injection device of the present invention exhibits a large output resistance value R s at a low current and a low magnetic field, so that a large output voltage can be obtained, and a highly sensitive magnetic element can be obtained when used as a magnetoresistive sensor.
  • the spin injection element of the present invention exhibits a large output resistance value R s at a low current and a low magnetic field, so that a large output voltage can be obtained and the magnetic head which is a highly sensitive magnetic device for reading is used. Can be configured.
  • the spin injection element of the present invention in a matrix and applying an external magnetic field by applying a current to a separately provided wiring, the magnetization of the ferromagnetic material of the first tunnel junction constituting the spin injection element is obtained.
  • the sign of the voltage induced in the second tunnel junction becomes a positive state and a negative state.
  • a magnetic device such as an MRAM can be configured.
  • the capacity of a magnetic device such as an MRAM can be increased.
  • a spin injection device 1 (see FIG. 1) according to an embodiment of the present invention was manufactured as follows.
  • Substrate 11 A semi-insulating GaAs substrate was used as substrate 1, and a GaAs thin film to be a nonmagnetic conductor 4 doped with 100 nm Si as an impurity was formed on this substrate by molecular beam epitaxy.
  • the cells were grown using the growth method (Mo1ecu1arBeamEpitaxy: MBE).
  • A1 was formed to a thickness of 1.2 nm on the GaAs thin film.
  • the A1 film was oxidized by a plasma oxidation method to form an A1 oxide, which was used as an insulator 5.
  • 3 nm of C 0, which will be ferromagnetic materials 7 and 8, and 10 nm of IrMn as antiferromagnetic material 8 were deposited on the A 1 oxide.
  • the multilayer film is finely processed using electron beam lithography and Ar ion milling, and the Si-doped Ga As film, as schematically shown in FIG. 1, is used as one nonmagnetic conductor 4.
  • a structure in which two tunnel junctions 2 and 3 are arranged was fabricated. 31 Dope (& As film width W3 is 0.15 m, length 3 is 2 m. The size of the first tunnel junction 2 and the second tunnel junction 3 are both 0.5 imX The distance L 4 between the two tunnel junctions was varied below 1.
  • an external magnetic field 12 is applied to invert the magnetic field 13 of C 0 of the first tunnel junction 2 so that the magnetizations of the two Co layers are parallel and anti-parallel to each other. performs voltage measurement to determine the output resistance R s of equation (2).
  • R s 1.5 ⁇ .
  • the value of the output resistance Rs is about two orders of magnitude larger than that of the conventional spin injection device 50 using a normal metal.
  • the value of the magnetization reversal magnetic field of the Co film was about 100 ⁇ e (oersted).
  • a spin injection device 1 (see FIG. 1) according to an embodiment of the present invention was manufactured as follows.
  • a Si (silicon) substrate coated with a thermal oxide film was used as the substrate 11, and an Nb (niobium) metal thin film to be a superconductor 4 ′ with a thickness of 10 O nm was formed on the Si substrate.
  • A1 was deposited on this Nb thin film to a thickness of 1.5 nm.
  • This A1 film was oxidized using a plasma oxidation method to obtain an A1 oxide serving as an insulator 5.
  • C o Fe! Which becomes ferromagnetic materials 7 and 8 on A 1 oxide.
  • IrMn was deposited to a thickness of 10 nm with an alloy film of 5 nm and antiferromagnetic material 8.
  • the multilayer film is finely processed using electron beam lithography and Ar ion milling, and two tunnel junctions, each of which has a Nb thin film as one nonmagnetic conductor 4, as schematically shown in FIG. , 3 were fabricated.
  • the width W3 of the Nb thin film is 0.25 m and the length 3 is 2 m.
  • the size of each of the first tunnel junction 2 and the second tunnel junction 3 was set to 0.5 ⁇ m ⁇ 1.5 ⁇ m.
  • two tunnel junctions The distance L4 between was varied variously below l ⁇ m.
  • the first tunnel junction spin injection device 1 of the present invention thus has been manufactured, 1. at a temperature of 5 K, (0 9 6 1 .
  • the external magnetic field 1 2 by applying a inverts the ⁇ I ⁇ 1 3 of the first C 0 90 F e 10 alloy film of the tunnel junction 2, two C 0 90 F e 10 Alloy Voltage measurement was performed with the magnetizations of the films being parallel and antiparallel to each other, and the output resistance R s of equation (2) was obtained.
  • L 4 0.2 ⁇ m
  • R s was 20 ⁇ .
  • the output resistance R s rather than the conventional spin injection device 5 0 using normal metal, about three orders of magnitude larger value der ivy.
  • the value of the external magnetic field required for the magnetization reversal of the Co film was about 10 O Oe (oersted).
  • the spin injection device 20 was manufactured as follows. Co ⁇ F e of the first tunnel junction 2 in the second embodiment. Same as Example 2 except that the alloy was a three-layer film of Co 9D Fe 10 (5 nm) / Ru (0.45 nm) / Co 90 Fe, ⁇ (3 nm) As a result, a spin injection device 20 was manufactured in which the ferromagnetic materials 23 and 25 of the first tunnel junction 21 and the second tunnel junction 2 were magnetically coupled antiparallel via the nonmagnetic metal 24 (FIG. 3). See). In production, Co 9 . F e 10
  • the first tunnel junction 2 of the spin injection device 20 of the present invention thus manufactured
  • the magnitude of the magnetization reversal magnetic field is about 300 e.
  • the magnitude of the magnetization reversal magnetic field is the magnetization reversal magnetic field when Co 9 o Fe, ⁇ (thickness: 5 nm) is used as the ferromagnetic material 6 in the first tunnel junction 2 in Example 2 described above. Compared to 1 000 e, it was less than 1/3.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that they are also included in the scope of the present invention.
  • a semiconductor is used as the non-magnetic conductor, but it is needless to say that the present invention can be applied to semimetals such as Bi and FeSi.
  • the magnetic device using the spin injection element of the present invention has been described with respect to a magnetoresistive sensor, an MRAM, and a magnetic head, but it goes without saying that the magnetic device can be applied to other magnetic devices.
  • a very large output resistance Rs can be obtained with a low current and a low external magnetic field.
  • the spin injection device of the present invention can obtain a very large output resistance Rs in a low magnetic field, and thus can be much finer than a conventional spin injection device.
  • the spin injection element can provide a novel magnetic device when used in a magnetic device. If this spin injection device is used in a magnetic device, it is possible to realize an MRAM with a high sensitivity magnetic head and a large signal voltage, and to provide various high sensitivity magnetic field sensors.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

非磁性導電体（４）を共通の電極とし、他方の電極を強磁性体（６，８）とする第１と第２のトンネル接合（２，３）を、非磁性導電体（４）のスピン拡散長よりも短い間隔を置いて配置し、第１のトンネル接合（２）は強磁性金属（６）から非磁性導電体（４）にスピンを注入し、第２のトンネル接合（３）は第１のトンネル接合（２）のスピン注入に伴う電圧を強磁性金属（８）と非磁性導電体（４）の間で検出し、非磁性導電体（４）が金属よりもキャリア密度の低い非磁性導電体である。非磁性導電体（４）は半導体または半金属である。また、共通電極は超伝導体（４’）でもよい。低電流、かつ、低磁界で大きな信号電圧が得られると共に、微細化できるスピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置を提供できる。

Description

明
スピン注入素子及ぴスピン注入素子を用いた磁気装置 技術分野
本発明は、 スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置に関する。 背景糸技術
田
金属や半導体に外部磁界を印加したときに、 その抵抗が変化する磁気抵抗効果 は、 磁気へッドゃ磁気センサなどに使用されている。 より大きな磁気抵抗を得る ために、 トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子があり、 強磁性スピントンネル 接合 （MTJ) 素子及びスピン注入素子が注目されている。 近年、 これらのトン ネル接合を用いた磁気抵抗効果素子が、 新しい磁界センサゃ不揮発性磁気メモリ (MRAM) のメモリ素子として注目されている。
従来の MT J素子では、強磁性層/絶縁体層/強磁性層の順に積層した積層構 造からなる強磁性スピントンネル接合を有している。 外部磁界によって 2つの強 磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、 膜面垂直方向 のトンネル電流の大きさが互いに異なる、 いわゆるトンネル磁気抵抗 (TMR) 効果が室温で得られる （ T. Miyazaki et. al， "Spin polarized tunneling in f er r omagnet/ i nsu 1 ator/f er r omagne t junctions", 1995, J. Magn. Magn.
Mater. , Springer, Vol. 151, p.403を参照されたい。 ） 。 このトンネル接合に おける T M Rは、 用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率 Pに依 存し、 二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれ、 P, ， P2 とすると、 一般に 下記 （ 1 ) 式で与えられることが知られている （M. Julliere, "Tunneling be tw een ferromagnetic films", 1975， Phys. Lett. , Vol. 54A, p.225を参照された い。 〉。
TMR =2 P, P2 / ( 1 -P, P2 ) ( 1 )
ここで、 強磁性層のスピン分極率 Pは、 0<P≤ 1の値をとる。 現在、 MT J素子において、 室温で得られている TMRの最大値は、 スピン分 極率が約 0. 5の C o F e合金を用いたときの約 5 0%である。 MTJ素子は、 ハードディスク用読み出しへッドゃ MRAMへの応用が斯待されている。 MRA Mでは MT J素子をマトリックス状に配置し、 別に設けた配線に電流を流して磁 界を印加することで， 各 MT J素子を構成する二つの磁性層を互いに平行及び反 平行に制御することにより、 1， 0を記録させる。 読み出しは TMR効果を利用 して行う。
一方、 強磁性体から非磁性金属に電流を流すと、 非磁性金属の長さがスピン拡 散長より十分短い場合には、 非磁性金属中にスピンが溜まること、 すなわち、 ス ピン蓄積が知られている。 このように、 強磁性体から非磁性金属に電流を流すこ とをスピン注入という。 これは、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なる スピン密度 （アップスピン電子とダウンスピン電子の数が違う） をもっため、強 磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極電子が注入され、 了ッブスピン 電子とダウンスピン電子のケミ力ルポテンシャルが異なることに起因しているこ とが幸告されてレヽる ( . Johnson et. al， Interfacial Charge-Spin Cou ling ： Injection and Detection of Spin Magnetism in Metal", 1985, Phys. Rev. Lett. , American Physical Soceiety, Vol. 55， p.1790を参照されたい。 ） 。 このスピン注入が生じる強磁性金属/非磁性金属からなる系において、 この非 磁性金属に接して第 2の強磁性体を配置すると、 非磁性金属にスピンが溜まって いる場合、 非磁性金属と第 2の強磁性金属の間に電圧が誘起される。 この電圧は 、 第 1の強磁性体と第 2の強磁性体の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御す ることで、 電圧の極性が正と負に反転することが報告されている。 そして、 この 原理を利用したスピントランジスタが提案されている （ M. Johnson et. al， "bp in Accumulation , 1993, Phys. Rev. Lett. , American Physical Soceiety, Vol. 70, p.2142 を参照されたい。 ） 。
上記のスピン注入を用いたトンネル磁気抵抗素子として、 スピン注入素子が提 案 れてレヽる ( F. . Jedema et al. , Electrical detection of spin preces si on in a metallic mesoscopic spin valve", 2002, Nature, Vol. 416, p.71 3 を参照されたい。 ) 。 図 5及び図 6は従来のスピン注入素子の構成と動作原理 を説明する図である。 図 5はその断面図であり、 図 6はその平面図である。 図 5 に示すように、 従来のスピン注入素子 5 0は、 スピン注入をさせる第 1のトンネ ル接合 5 1と、 スピン電流による電圧を検出する第 2のトンネル接合 5 とがス ピン拡散長 L sよりも短い間隔 L 4で、 共通の電極となる非磁性金属 5 3上に配 設されている。 第 1のトンネル接合 5 1は、 非磁性金属 5 3上に絶縁体 5 4と第 1の強磁性体 5 5とが順次積層された構造からなり、 第 2のトンネル接合 5 2は 、 非磁性金属 5 3上に絶縁体 5 4と第 2の強磁性体 5 6とが順次積層された構造 からなつている。 直流電源 5 8は、 第 1のトンネル接合 5 1の非磁性金属 5 3側 を正とし、 虽磁性体 5 5側を負とするように印加され、 このとき第 1のトンネル 接合に流れる電流が Iである。 一方、 電圧検出側の第 2のトンネル接合の強磁性 体 5 6と、 非磁性金属 5 3には、 電圧計 5 9が接続されている。
図 6は図 5の平面図であり、 基板 5 7上にスピン注入素子 5 0が配設されてい る。 そして、 外部磁界 6 0が基板 5 7の面内に平行に印加されている。 この外部 磁界 6 0が印加されたときに、 第 1のトンネル接合 5 1の強磁性体 5 5と、 第 2 のトンネル接合 5 2の強磁性体 5 6に生じる磁化が、 それぞれ、磁化 6 1、 磁化 6 2である。 図示するように、 第 1のトンネル接合 5 1 と第 2のトンネル接合 5 2と非磁性金属 5 3のパターンの長辺は、 それぞれ L 1 , L 2 , L 3であり、 短 辺は、 それぞれ W l , W 2 , W 3である。
次に、 上記の従来のスピン注入素子の動作について説明する。 従来のスピン注 入素子 5 0の第 1のトンネル接合 5 1に直流電源 5 8を印加して、 トンネル電子 によりスピンを注入する。 このスピン注入されたスピン電流 （図 5の I s ) は、 スピン拡散長よりも短い距離 L 4にある第 2のトンネル接合 5 2と電圧計 5 9の 接続された閉回路に流れる。 それに伴う誘起電圧が、 第 2のトンネル接合 5 2に おける強磁性金属 5 6と非磁性金属体 5 3に接続した電圧計 5 9により検出され る。
ここで、 二つのトンネル接合 5 1 , 5 2に用いられる強磁性体 5 5， 5 6の磁 化 6 2 , 6 3が、 互いに平行及び反平行になるように外部磁界 6 0を制御するこ とで、 誘起電圧の符号を変えることができるために、 電圧検出が容易となる。 こ のため、 第 2の従来のスピン注入素子は、 雑音に強いトンネル接合を用いた磁気 抵抗効果素子として期待されている。
上記した従来のスピン注入素子において、 検出される出力抵抗 R s は、 下記の ( 2 ) 式で測定される。
Figure imgf000006_0001
ここで、 VAP及び VP はそれぞれ、 二つのトンネル接合の強磁 t生層 5 5 , 5 6 の磁化が反平行及び平行のときの誘起電圧である。 V s
Figure imgf000006_0002
で、 I s は' 第 2のトンネル接合 5 2を流れる電流である。
従来のスピン注入素子においては、共通電極である非磁性金属 5 3の抵抗が小 さいため、検出される出力抵抗 R s が 1 Ο ιηΩ以下と小さく、 実用上十分大きな 信号電圧が得られないという課題がある。 また、 従来のスピン注入素子の積層構 造においては、 スピン注入する側の第 1のトンネル接合 5 1の強磁性体 5 5の磁 化 6 1を反転させ、 他方の検出する側の第 2のトンネル接合 5 2の強磁性体 5 6 の磁化 6 2は固定させる必要があるために、 第 1のトンネル接合 5 1と第 2 トン ネル接合 5 2の大きさを互いに変える必要があった。 このために、 第 2のトンネ ル接合 5 2の強磁性体 5 6のァスぺクト比 （長さ/幅） を第 1のトンネル接合 5 1のそれよりも大きくすることが必要であった。
また、 従来のスピン注入素子 5 0では、 第 1の卜ンネル接合 5 1と第 2のトン ネル接合 5 2の間隔である L 4は、 スピン拡散長 λ Ν よりも小さくなければなら ない。 ここで、 λ Ν は、一般に 1 i m以下である。 従って、 トンネル接合を形成 する強磁性体 5 5 , 5 6の大きさも 1 m以下で、 さらに、 サブ〃 m以下でなけ ればならない。 このように、強磁性体の寸法が小さくなると外部磁界を印加した ときに強磁性体の反磁界が増大するため、 磁化反転に必要な外部磁界の大きさで ある、 磁化反転磁界が増大する。 これにより、 従来のスピン注入素子は、 強磁性 体の寸法が小さくなると、 磁化反転磁界が大きくなり、低磁界で動作しないとい う課題がある。
さらに、 従来のスピン注入素子を M R A Mのメモリ素子として利用する場合、 メモリの大容量ィ匕をするためには、 1個のスピン注入素子の素子寸法はできるだ け小さくしたいという要求がある。 しかし、 上述したように、 従来のスピン注入 素子 5 0の強磁性体 5 5 , 5 6の寸法が小さくなると磁化反転磁界が増大する。 従って、 M R AM内に別に設ける磁界を発生させる配線に大きな電流を流して外 部磁界を印加する必要があり、 消費電力の増大を招く。 一方、 外部磁界を発生さ せる配線における消費電力を抑えるために、 従来のスピン注入素子 5 0における スピン注入をさせる第 1のトンネル接合 5 1を低磁界で磁化反転させるためには 、 その強磁性体 5 1の面積をある程度大きくする必要がある。 従って、 従来のス ピン注入素子 5 0を、例えば、 メモリの M R AMの記憶素子に使おうとすると、 磁化反転磁界を低下させることと素子面積を小さくすることは、 トレードオフの 関係にあった。 このため、 例えば、 磁化反転磁界を低下させる場合には、 トンネ ル接合の素子面積が大きくなり、大容量化に限界が生じるという課題がある。 発明の開示
本発明は、上記課題に鑑み、 低電流、 かつ、低磁界でスピン注入に伴う抵抗 変化が大きく、 大きな信号電圧が得られ、 かつ、 素子寸法を微細化しても低磁界 で磁化反転ができるスピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置を提供 することを目的としている。
本発明者らは、 スピン注入素子の非磁性金属のスピン蓄積の理論研究を行い 、 非磁性金属を半導体， 半金属， 超伝導体のいずれかを選択して用いれば、 スピ ン蓄積によって得られる出力抵抗値 R s を、 従来のスピン注入素子の非磁性導体 が金属であった場合に比べて、 著しく大きくなることを見出し本発明を完成する に至った。
上記目的を達するため、本発明のスピン注入素子は、 非磁性導電体を共通の電 極とし、 他方の電極を強磁性体とする第 1のトンネル接合と第 2のトンネル接合 とを備え、 第 1のトンネル接合と第 2のトンネル接合が、 非磁性導電体のスピン 拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、 第 1のトンネル接合は強磁性金属から 非磁性導電体にスピンを注入するトンネル接合であり、 第 2のトンネル接合は第 1のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を強磁性金属と非磁性導電体の間で検 出するトンネル接合であり、 非磁性導電体が金属よりもキヤリァ密度の低い非磁 性導電体であることを特徴とする。 ここで、 非磁性導電体は半導体であることが 好適である。 また、 非磁性導電体は半金属であることが好適である。 また、本発明のスピン注入素子は、 超伝導体を共通の電極とし、 他方の電極を 強磁性体とする第 1のトンネル接合と第 1のトンネル接合とを備え、第 1のトン ネル接合と第 2のトンネル接合が、超伝導体体のスピン拡散長よりも短い間隔を 置いて配置され、第 1のトンネル接合は強磁性金属から超伝導体にスピンを注入 するトンネル接合であり、 第 2のトンネル接合は第 1のトンネル接合のスピン注 入に伴う電圧を強磁性金属と超伝導体の間で検出するトンネル接合であることを 特徴とする。 第 1のトンネル接合と第 1のトンネル接合は、 非磁性導電体または 超伝導体と、 強磁性体の間に絶縁体を挿入されたトンネル接合であればよい。 また、 第 1のトンネル接合と第 のトンネル接合の少なくとも 1つが、 非磁性 導電体上または超伝導体上に、 絶縁体と強磁性体と非磁性金属と強磁性体とが順 に積層されたトンネル接合構造であって、非磁性金属の両側の強磁性体が、 非磁 性金属を介して反平行に磁気結合していればよい。 非磁性金属を介して反平行に 磁気結合している反平行結合膜のァスぺクト比は 1であることが好ましい。 電圧 を検出する第 2のトンネル接合の強磁性層の上に、 反強磁性体が配設され、反強 磁性体は強磁性体のスピンを固定することが好ましい。 また、 スピン注入素子は 基板上に形成されていればよい。
上記構成によれば、本発明のスピン注入素子は、 キヤリャ密度が非磁性金属に 比べて小さい半導体， 半金属， 超伝導体のいずれかを選択して用いることで、 ス ピン蓄積によって得られる出力抵抗値 R s を、 従来のスピン注入素子の非磁性導 体が金属であった場合に比べて著しく大きくすることができる。 そして、 低電流 、 かつ、低磁界で、 スピン注入に伴う抵抗変化が大きいために大きな信号電圧が 得られる。 さらに、 素子寸法を微細化しても低磁界で磁化反転ができるスピン注 入素子を提供することができる。
また、本発明の磁気装置は、 上記構成のスピン注入素子を有することを特徴と する。 この構成によれば、本発明のスピン注入素子は、 低磁界、 かつ、低電流で 大きな出力抵抗 R s を有し、 さらに、 素子寸法の微細化ができるので、 高感度の 磁界センサ、 高感度磁気へッド、 信号電圧の大きい大容量 M R AMなどの磁気装 置を提供することができる。 図面の簡単な説明
本発明は、以下の詳細な発明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面 に基づいてより良く理解されるものとなろう。 なお、 添付図面に示す種々の実施 例は本発明を特定または限定することを意図するものではなく、単に本発明の説 明及び理解を容易とするためだけのものである。
図 1は、本発明のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。 図 2は、 図 1の平面図である。
図 3は、本発明の別の実施の形態のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断 面図である。
図 4は、本発明のスピン注入素子の変形例の構成と動作原理を示す断面図であ る
図 5は、従来のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。
図 6は、 図 5の平面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、本発明によるスピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気素子の実 施の形態を図面により詳細に説明する。
図 1は、本発明のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断面図である。 図 1 に示すように、本発明のスピン注入素子 1は、 スピン注入をさせる第 1のトンネ ル接合 2と、 スピン電流による電圧を検出する第 2のトンネル接合 3が、 スピン 拡散長 L sよりも短い間隔 L 4で、共通の電極となる非磁性導電体 4または超伝 導体 4 ' 上に配設されている。
第 1のトンネル接合 2は、非磁性導電体 4または超伝導体 4， 上に、絶縁体 5 と第 1の強磁性体 6とが順次積層された構造からなっている。 第 2のトンネル接 合 3は、 非磁性導電体 4または超伝導体 4， 上に、 絶縁体 5と第 2の強磁性体 7 と反強磁性体 δとが順次積層された構造からなっている。
直流電源 9は、 第 1のトンネル接合 の非磁性導電体 4または超伝導体 4 ' 側 を正とし、強磁性体 6側を負とするように印加され、 このとき第 1のトンネル接 合に流れる電流が Iである。 一方、検出側の第 2のトンネル接合の反強磁性体 8 と非磁性導電体 4または超伝導体 4 ' には、 電圧計 1 0が接続されている。 ここで、 非磁性導電体 4は、 半導体， 半金属のいずれか 1つである。 なお、 非 磁性導電体 4と超伝導体 4， は、 置き換えができるので差し支えのない限り、 非 磁性導電体 4として説明する。
図 2は、 図 1に対応する平面図であり、 例えば、絶縁物で被覆された基板 1 1 上に、本発明のスピン注入素子 1が配設されている。 そして、 外部磁界 1 2が基 板 1 1の面内に平行に印加されている。 図には、 外部磁界 1 2が印加されたとき の第 1のトンネル接合の強磁性体 6に生じる磁ィ匕 1 3と、 第 2のトンネル接合の 強磁性体 8に生じる磁ィ匕 1 4を示している。 図示するように、 第 1のトンネル接 合 2と第 2のトンネル接合 3と非磁性導電体 4のパターンの長辺は、 それぞれ、 L 1 , L 2 , L 3であり、短辺は、 それぞれ W 1， W 2 , W 3である。
ここで、本発明が、従来のスピン注入素子 5 0と異なるのは、 1つのトンネル 接合 2， 3の共通電極を非磁性金属ではなく非磁性導電体 4または超伝導体 4， とすることと、 検出側の第 2のトンネル接合 3が、強磁性体 7上にさらに、反強 磁性体 8が積層されていることである。
最初に、 非磁性導電体 4として、 半導体または半金属を用いる理由について説 明する。 本発明者らは、本発明のスピン注入素子の理論計算を行い、 非磁性導電 体 4が半導体と半金属のような電気伝導体の場合、 スピン蓄積によって得られる 出力抵抗値 R S は以下の （3 ) 式で与えられることを見出した。
Figure imgf000010_0001
P j はトンネル接合を形成している強磁性体 6， 7のスピン分極率 （ここでは 二つの強磁性体 6， 7は同じ材質としている） 、 R N は非磁性導電体 4の抵抗、 L 4は第 1のトンネル接合 2と第 2のトンネル接合 3間の距離、 ； は非磁性導 電体 4のスピン拡散長である。
この （3 ) 式から、 スピン蓄積によって得られる出力抵抗値 R s は、 強磁性体 6， 7のスピン分極率が決まれば、非磁性導電体 4の抵抗 R N が大きいほど、 そ して、 L 4は; に比べて十分小さくすれば大きくすることができる。 非磁性導 電体 4として、 半導体または半金属を用いれば、 これらは、 従来のスピン注入素 子 5 0の非磁性金属 5 3に用いられていた通常の金属よりもキヤリァ密度が小さ く抵抗が高いので、 スピン蓄積によって得られる出力抵抗値 Rs を大きくするこ とができる。
さらに、 共通電極として超伝導体 4， を用いた場合においては、 スピン蓄積に よって得られる出力抵抗 Rs ， は、 以下の （4) 式及び（5) 式で与えられるこ とを見出した。
Rs '
Figure imgf000011_0001
2 RN e xp (—L/AN ' 〉 /2 f 。 （Δ) (4) f o (Δ) = 1/ [exp (A/kB T) + 1 ]. (5) ここで、 RN は超伝導体 4' の抵抗、 λΝ ， は超伝導体のスピン拡散長、 f 0 (△) は、 超伝導体 4' のエネルギーギャップ△に関係する式であり、 kB はボ ルツマン定数、 Tは絶対温度（K) である。
f (△) は、 △が 0のときは超伝導体 4' でなくなり、 このとき f 。 （Δ) = 1/ 2となるので、 ) 式は （3) 式と同じになる。 通常の超伝導体 4' で は、 f 。 （△) は 1/ 2より小さいので、 （4) 式及び（5)式から、 超伝導体 4' を用いると通常の金属よりもキャリア密度が小さく抵抗が高いので、 スピン 蓄積によって得られる出力抵抗値 Rs を大きくすることができる。 また、 その値 は△が大きい程大きくすることができる。
以上のことから、 本発明のスピン注入素子の非磁性導電体 4が半導体、 半金属 、超伝導体のいずれの場合においても、 従来のスピン注入素子 50の非磁性金属 53に用いられていた通常の金属よりスピンが溜まり易く、 結果として出力抵抗 Rs を大きくすることができる。
次に、 検出側の第 Iのトンネル接合 3の強磁性体 7上に、 さらに、 反強磁性体 8が配設される理由について説明する。 第 2のトンネル接合 3においては、 強磁 性体 7と反強磁性体 8との交換相互作用によるスピンバルブ効果により、 強磁性 体 7の磁化 1 4によるスピンが一方向に固定される。 このため、 従来のスピン注 入素子 50のように、 第 2のトンネル接合 52の強磁性層 56のァスぺクト比 （ 長さ/幅） を第 1のトンネル接合 5 1のそれよりも大きくする必要がなくなり、 素子寸法を小さくできる。
次に、 本発明のスピン注入素子の別の実施の形態について説明する。
図 3は、 本発明の別の実施の形態のスピン注入素子の構成と動作原理を示す断 面図である。 本発明のスピン注入素子 2 0は、 スピン注入をさせる第 1のトンネ ル接合 2 1と、 スピン電流による電圧を検出する第 1のトンネル接合 2が、 ス ピン拡散長 L sよりも短い間隔 L 4で、共通の電極となる非磁性導電体 4又は超 伝導体 4 ' 上に配設されている。
本発明のスピン注入素子 2 0が、 スピン注入素子 1 (図 1参照） と異なってい るのは、 第 1のトンネル接合 2 1 と第 2のトンネル接合 2 2が、 非磁性導電体 4 または超伝導体 4 ' 上に絶縁体 5と、 第 1の強磁性体 2 3と、 非磁性金属 1 4と 、 第 2の強磁性体 2 5と、 が順次積層された構造からなっている点である。 第 1 のトンネル接合 2 1 と第 2のトンネル接合 2 2においては、 非磁性金属 1 4の両 側の二つの強磁性層 2 3， 2 5は、 図示のように反平行に磁気結合している。 他 の構成と対応する平面図は、 図 1及び図 2と同じであるので説明は省略する。 次に、 本発明の実施の形態であるスピン注入素子 2 0の変形例について説明す る。
図 4は、 本発明のスピン注入素子の変形例の構成と動作原理を示す断面図であ る。 本発明のスピン注入素子 3 0においては、 スピン注入をさせる第 1のトンネ ル接合 2 1 (図 3参照） とスピン電流による電圧を検出する第 2のトンネル接合 3 (図 1参照） が、 スピン拡散長 L sよりも短い間隔 L 4で、共通の電極となる 非磁性導電体 4または超伝導体 4， 上に配設されている。 他の構成と対応する平 面図は、 図 1〜図 3と同じであるので、説明は省略する。
次に、 上記の構成のスピン注入素子 2 0， 3 0における二つのトンネル接合の うち少なくとも一つを、 非磁性金属 2 4を介して反平行に磁気結合した二つの強 磁性層 2 3， 2 5を用いた第 1のトンネル接合 2 1とする理由について述べる。 スピン注入素子 2 0 , 3 0の第 1のトンネル接合 2 1において、 非磁性金属 2 4 を介して反平行に磁気結合した二つの強磁性体 2 3 , 2 5を用いることで、外部 磁界 1 2を印加したときに強磁性体 2 3 , 2 5に生じる反磁界が低減し、 外部磁 界 1 2が低いときでも強磁性体 2 3， 2 5の磁化が容易に行うことができる。 これにより、 第 1のトンネル接合 2 1が低磁界で磁化反転される、 すなわち、 磁化反転磁界が小さくなるので、 素子寸法の微細化が可能となる。 特に、 ァスぺ クト比が 1の反平行結合膜を用いると反磁界係数がゼロになるため、 磁化反転磁 界を著しく低減できる。 従って、 この場合には、 さらに、 スピン注入素子の素子 寸法を小さくできる。
次に、本発明のスピン注入素子を用いた磁気装置に係る実施の形態を示す。 図 1乃至図 4に示すように、 本発明のスピン注入素子は、 低電流、 かつ、 低磁 界においてスピン蓄積によって得られる出力抵抗値 Rs が非常に大きくなる。 本 発明の ピン注入素子は、 低電流、 かつ、 低磁界において大きな出力抵抗値 Rs を示すので、 大きな出力電圧が得られ、 磁気抵抗センサとして用いれば感度の高 い磁気素子を得ることができる。 また、 本発明のスピン注入素子は、 低電流、 か つ、 低磁界において大きな出力抵抗値 Rs を示すので、 大きな出力電圧が得られ 、 感度の高い読み出し用の磁気装置である磁気へッドを構成することができる。 さらに、 本発明のスピン注入素子をマトリックス状に配置し、 別に設けた配線 に電流を流して外部磁界を印加することで、 スピン注入素子を構成する第 1のト ンネル接合の強磁性体の磁化を、 外部磁界により互いに平行と反平行に制御する ことにより、 第 2のトンネル接合に誘起される電圧の符号が正の状態と負の状態 ととなり、 保持、即ち記録ができる。 これを 1、 0として言己録させることで、 M RAMなどの磁気装置を構成することができる。 また、 本発明のスピン注入素子 においては、 素子面積を小さくできるので、 MR AMなどの磁気装置の大容量化 が達成できる。
次に、 本発明のスピン注入素子の実施例について説明する。
灘例 1 )
本発明の実施の形態によるスピン注入素子 1 (図 1参照） を以下のようにして 製作した。 基板 1 1として半絶縁性 G a A s基板を用い、 この基板上に膜厚 1 0 0 nmの S iを不純物として添加した非磁性導電体 4となる G a A s薄膜を分子 線ェピタキシャル成長法 （M o 1 e c u 1 a r B e a m E p i t a x y : M B E ) 法を用いて成長させた。
この G a A s薄膜上に、 A 1を 1 . 2 nm成膜した。 この A 1膜をプラズマ酸 化法を用いて酸化させ A 1酸化物を作り絶縁体 5とした。 次に、 A 1酸化物上に 強磁性体 7， 8となる C 0を 3 n m、 反強磁性体 8として I r M nを 1 0 nm堆 積した。 上記多層膜を、 電子線リソグラフィ一と Arイオンミリングを用いて微細加工 し、 図 1に模式的に示したような、 S i ド一プ G a As膜を一方の非磁性導電体 4とする二つのトンネル接合 2, 3を配置した構造を作製した。 31 ドープ( & As膜の幅 W3は 0. 1 5 m、長さし 3は 2 mである。 第 1のトンネル接合 2と第 2のトンネル接合 3の大きさは、 共に、 0. 5 imX l . 5 mとした。 また、 二つのトンネル接合間の距離 L 4は、 1 以下で種々変えた。
このようにして製作した、本発明のスピン注入素子 1の第 1のトンネル接合 2 において、 C 0から A 1酸ィヒ膜を介して S i ド一プ G a As膜に電流 Iを流し、 第 2のトンネル接合の Coと S i ド一プ G a As膜の間の電圧を測定した （図 1 参照） 。
図 2に示すように、 外部磁界 1 2を印加して、 第 1のトンネル接合 2の C 0の 磁ィ匕 1 3を反転させ、 二つの Co層の磁化が互いに平行及び反平行の状態で電圧 測定を行い、 （2) 式の出力抵抗 Rs を求めた。 L 4 = 0. 2〃mの場合、 Rs = 1. 5Ωであった。 この出力抵抗 Rs の値は、 通常の金属を用いた従来のスピ ン注入素子 50の場合よりも、約 2桁大きな値である。 なお、 Co膜の磁化反転 磁界の値は、 約 1 00〇 e (ェルステツド） であった。
(実施例 )
本発明の実施の形態によるスピン注入素子 1 (図 1参照） を以下のようにして 製作した。 基板 1 1として熱酸化膜を被覆した S i (シリコン） 基板を用い、 こ の S i基板上に、 膜厚 1 0 O nmの超伝導体 4' となる Nb (ニオブ） の金属薄 膜を超高真空スパッ夕装置を用いて堆積し、 この Nb薄膜上に、 A 1を 1. 5n m成膜した。 この A 1膜をプラズマ酸化法を用いて酸化し、 絶縁体 5となる A 1 酸化物とした。 次に、 A 1酸化物上に強磁性体 7, 8となる C o F e !。合金膜 を 5 nm、 反強磁性体 8として I rMnを 1 0 nm堆積した。
上記多層膜を、 電子線リソグラフィ一と A rイオンミリングを用いて微細加工 し、 図 1に模式的に示したような、 Nb薄膜を一方の非磁性導電体 4とする二つ のトンネル接合 2， 3を配置した構造を作製した。 Nb薄膜の幅 W3は 0. 25 m、長さし 3は 2 mである。 第 1のトンネル接合 2と第 2のトンネル接合 3 の大きさは、共に、 0. 5〃mX l . 5〃mとした。 また、 二つのトンネル接合 間の距離 L 4は、 l〃m以下で種々変えた。
このようにして製作した本発明のスピン注入素子 1の第 1のトンネル接合 に おいて、 1. 5 Kの温度で、 （ 09 6 1。合金膜6から 1酸化膜を介して1^ヒ 薄膜に電流 Iを流し、 第 2のトンネル接合 3の Co 9。F e,。合金膜 8と Nb薄膜 の間の電圧を測定した （図 1参照） 。
図 2に示すように、 外部磁界 1 2を印加して、 第 1のトンネル接合 2の C 090 F e 10合金膜の磁ィ匕 1 3を反転させ、 二つの C 090 F e 10合金膜の磁化が互いに 平行及び反平行の状態で電圧測定を行い、 （2) 式の出力抵抗 Rs を求めたとこ ろ、 L 4 = 0. 2〃mの場合、 Rs ^20Ωであった。 この出力抵抗 Rs は、 通 常の金属を用いた従来のスピン注入素子 5 0の場合よりも、約 3桁大きな値であ つた。 なお、 Co膜の磁化反転に必要な外部磁界の値は、約 1 0 O Oe (ェルス テツド） であった。
(実施例 3 )
本発明の実施の形態によるスピン注入素子 20を以下のようにして製作した。 実施例 2における第 1のトンネル接合 2の Co^F e ,。合金を、 Co9DF e10 ( 5 nm) /Ru (0. 4 5 nm) /C o90F e , ο ( 3 nm) の 3層からなる積層 膜にした以外は、 実施例 2と同様にして、 第 1のトンネル接合 2 1と第 2のトン ネル接合 2 の強磁性体 2 3 , 25が非磁性金属 24を介して反平行に磁性結合 したスピン注入素子 20を作製した （図 3参照） 。 製作の際には、 Co9。F e10
( 5 nm) /Ru ( 0. 45 nm) /C o 90F e ,0 (3 nm) の積層構造におい て、 Ruを介して結合する 2つの強磁性体である C 09o F e ,。の磁化が互いに反 平行結合していることを確認した。
このようにして製作した本発明のスピン注入素子 20の第 1のトンネル接合 2
1において、 1. 5Kの温度で、 Co9。F e 1() (5 nm) /Ru (0. 45 nm ) /Co90F e 10 ( 3 nm)積層膜から A 1酸ィヒ膜を介して Nb膜に電流 Iを流 した。 そして、 第 2のトンネル接合 22の C o9。F e l() ( 5 nm) /Ru (0. 45 nm) /Co9。F e 10 (3 nm)積層膜と N b膜の間の電圧を測定した （図 3参照）
外部磁界を印加して、 第 1のトンネル接合 2 1の C o9。F e 1() (5 nm) /R u (0. 4 5 nm) /Co9oF e ,o ( 3 nm) 膜の磁化を反転させ、 非磁性金属 24である R uに接した二つの C 09o F e ,。合金膜の磁化が互いに平行及び反平 行の状態で電圧測定を行い、 （2) 式の出力抵抗 Rs を求めたところ、 L 4 = 0 . 2〃mの場合、 Rs = 0 であった。 この出力抵抗 Rs は、 通常の金属を用 いた従来のスピン注入素子 50の場合よりも、 約 3桁大きな値であった。 ここで 、 第 1のトンネル接合 2 1の C 09。F e ,。 ( 5 nm) /Ru (0. 45 nm) / CogoF e .o (3 nm) の積層膜の磁化 1 3が、 反平行を保ったまま反転すると きの磁化反転磁界の大きさは、 約 300 eであった。 この磁化反転磁界の大きさ は、 上記の実施例 2における第 1のトンネル接合 2において強磁性体 6として C o9oF e ,ο (厚さ 5 nm) を用いたときの磁化反転磁界である 1 000 eに比べ ると、 1/3以下であった。
本発明は、 上記実施例に限定されることなく、 特許請求の範囲に記載した発明 の範囲内で種々の変形が可能であり、 それらも本発明の範囲内に含まれることは いうまでもない。 例えば、 上記実施例では、 非磁性導電体として半導体を用いた が、 B i， F e S iなど半金属に適用し得ることは勿論である。 また、本発明の スピン注入素子を用いた磁気装置は、 磁気抵抗センサ、 MRAM、 磁気へッドに ついて説明したが、 他の磁気装置などに適用し得ることは言うまでもない。 産業上の利用可能性
以上の説明から理解されるように、 本発明のスピン注入素子によれば、 低電流 、 かつ、 低外部磁界で、 非常に大きな出力抵抗 Rs が得られる。 また、本発明の スピン注入素子は、 低磁界で非常に大きな出力抵抗 Rs が得られるので、 従来の スピン注入素子よりもはるかに微細化が可能である。
さらに、 このスピン注入素子は、 磁気装置に使用することで新規な磁気装置を 提供することができる。 このスピン注入素子を磁気装置に使用すれば、 高感度磁 気へッドゃ信号電圧の大きい MRAMを実現できるほか、 各種高感度の磁界セン サなどが提供できる。

Claims

. 請 求 の 範 囲
1 . 非磁性導電体を共通の電極とし、 他方の電極を強磁性体とする第 1の トンネル接合と第 のトンネル接合とを備え、
該第 1のトンネル接合と該第 2のトンネル接合が、 上記非磁性導電体のスピン 拡散長よりも短い間隔を置いて配置され、
上記第 1のトンネル接合は上記強磁性金属から上記非磁性導電体にスピンを注 入するトンネル接合であり、
上記第 2のトンネル接合は第 1のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を上記 強磁性金属と上記非磁性導電体の間で検出するトンネル接合であり、
上記非磁性導電体が金属よりもキヤリァ密度の低い非磁性導電体であることを 特徴とする、 スピン注入素子。
2 . 前記非磁性導電体は半導体であることを特徴とする、請求項 1に記載 のスピン注入素子。
3 . 前記非磁性導電体は半金属であることを特徴とする、請求項 1に記載 のスピン注入素子。
4 . 超伝導体を共通の電極とし、 他方の電極を強磁性体とする第 1のトン ネル接合と第 2のトンネル接合とを、 備え、
該第 1のトンネル接合と該第 2のトンネル接合が、 上記超伝導体のスピン拡散 長よりも短い間隔を置いて配置され、
上記第 1のトンネル接合は上記強磁性金属から上記超伝導体にスピンを注入す るトンネル接合であり、
上記第 1のトンネル接合は第 1のトンネル接合のスピン注入に伴う電圧を上記 強磁性金属と上記超伝導体の間で検出するトンネル接合であることを特徴とする 、 スピン注入素子。
5 . 前記第 1のトンネル接合と前記第 2のトンネル接合が、前記非磁性導 電体または前記超伝導体と、前記強磁性体の間に絶縁体を挿入されたトンネル接 合であることを特徴とする、請求項 1〜 4の何れかに記載のスピン注入素子。
6 . 前記第 1のトンネル接合と前記第 2のトンネル接合の少なくとも 1つ が、前記非磁性導電体上または前記超伝導体上に、 絶縁体と強磁性体と非磁性金 属と強磁性体とが順に積層されたトンネル接合構造であって、 上記非磁性金属の 両側の強磁性体が、 上記非磁性金属を介して反平行に磁気結合していることを特 徴とする、請求項 1〜 5の何れかに記載のスピン注入素子。
7 . 前記非磁性金属を介して反平行に磁気結合している反平行結合膜のァ スぺクト比が 1であることを特徴とする、請求項 6に記載のスピン注入素子。
8 . 前記電圧を検出する第 1のトンネル接合の前記強磁性層の上に、 反強 磁性体が配設され、 該反強磁性体は前記強磁性体のスピンを固定することを特徴 とする、請求項 1〜 5の何れかに記載のスピン注入素子。
9 . 前記スピン注入素子が、基板上に形成されていることを特徴とする、 請求項 1〜 8の何れかに記載のスピン注入素子。
1 0 . 請求項 1〜 9の何れかに記載のスピン注入素子を有することを特 徴とする、 スピン注入素子を用いた磁気装置。
PCT/JP2003/014830 2002-11-29 2003-11-20 スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置 WO2004051754A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/536,437 US7755929B2 (en) 2002-11-29 2003-11-20 Spin-injection device and magnetic device using spin-injection device
EP03774094A EP1571712A4 (en) 2002-11-29 2003-11-20 SPIN INJECTION DEVICE AND MAGNETIC DEVICE USING THE SPIN INJECTION DEVICE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002-349262 2002-11-29
JP2002349262A JP4714918B2 (ja) 2002-11-29 2002-11-29 スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004051754A1 true WO2004051754A1 (ja) 2004-06-17

Family

ID=32463028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2003/014830 WO2004051754A1 (ja) 2002-11-29 2003-11-20 スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7755929B2 (ja)
EP (2) EP1571712A4 (ja)
JP (1) JP4714918B2 (ja)
KR (1) KR100678758B1 (ja)
WO (1) WO2004051754A1 (ja)

Families Citing this family (44)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2871279A1 (fr) * 2004-06-03 2005-12-09 Spintron Sa Memoire magnetique comportant plusieurs modules d'aimantation
TWI278650B (en) * 2004-09-28 2007-04-11 Yamaha Corp Magnetic sensor using giant magnetoresistive elements and method for manufacturing the same
EP2087366B1 (en) * 2006-10-10 2010-12-22 University Of Plymouth Method of detecting carrier spin polarisation and apparatus for the same
JP4575396B2 (ja) * 2007-01-24 2010-11-04 株式会社日立製作所 磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
JP2009037702A (ja) * 2007-08-02 2009-02-19 Hitachi Ltd 磁気再生ヘッド及び磁気記録装置
JP2009146512A (ja) * 2007-12-14 2009-07-02 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 磁気ヘッド及び磁気記録装置
JP5251281B2 (ja) * 2008-06-11 2013-07-31 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー
JP5157676B2 (ja) * 2008-06-25 2013-03-06 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー
JP2010020826A (ja) * 2008-07-09 2010-01-28 Tdk Corp 磁気センサー
JP5257007B2 (ja) * 2008-11-10 2013-08-07 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー
JP5375047B2 (ja) * 2008-11-26 2013-12-25 Ｔｄｋ株式会社 スピン蓄積型磁気センサ及びスピン蓄積型磁気検出装置
JP5228982B2 (ja) * 2009-02-18 2013-07-03 Ｔｄｋ株式会社 スピン流回路
JP2010199320A (ja) 2009-02-25 2010-09-09 Tdk Corp シリコンスピン伝導素子の製造方法及びシリコンスピン伝導素子
JP2010238956A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Tdk Corp スピン伝導デバイス
US8760817B2 (en) * 2009-05-22 2014-06-24 HGST Netherlands B.V. Three-terminal design for spin accumulation magnetic sensor
JP5326841B2 (ja) * 2009-06-10 2013-10-30 Ｔｄｋ株式会社 スピン伝導素子
JP2010287664A (ja) * 2009-06-10 2010-12-24 Tdk Corp スピン伝導素子
JP2011009531A (ja) * 2009-06-26 2011-01-13 Tdk Corp スピン伝導素子
KR101664199B1 (ko) * 2009-07-09 2016-10-10 고쿠리쓰다이가쿠호진 규슈다이가쿠 자화 반전 장치, 기억 소자, 및 자계 발생 장치
WO2011033716A1 (ja) * 2009-09-16 2011-03-24 株式会社日立製作所 スピン注入素子およびそれを用いた磁界センサ並びに磁気記録メモリ
JP2011082460A (ja) * 2009-10-09 2011-04-21 Tdk Corp スピン伝導素子
JP5379675B2 (ja) * 2009-12-28 2013-12-25 株式会社日立製作所 磁気メモリセル及び磁気メモリ
JP5338711B2 (ja) * 2010-02-23 2013-11-13 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサー、磁気検出装置、及び磁気ヘッド
JP5477060B2 (ja) * 2010-03-05 2014-04-23 Ｔｄｋ株式会社 スピン伝導素子
JP2011222546A (ja) * 2010-04-02 2011-11-04 Tdk Corp スピン伝導素子
JP5590488B2 (ja) 2010-08-27 2014-09-17 独立行政法人理化学研究所 電流−スピン流変換素子
JP5598975B2 (ja) 2010-09-02 2014-10-01 独立行政法人理化学研究所 スピン注入源およびその製造方法
JP5633384B2 (ja) * 2011-01-19 2014-12-03 Tdk株式会社 スピン伝導素子
JP5644620B2 (ja) * 2011-03-23 2014-12-24 Tdk株式会社 スピン伝導素子及び磁気ヘッド
JP5935444B2 (ja) * 2012-03-29 2016-06-15 Tdk株式会社 スピン伝導素子、及びスピン伝導を用いた磁気センサ及び磁気ヘッド
US8933522B2 (en) * 2012-09-28 2015-01-13 Intel Corporation Repeated spin current interconnects
US9478240B1 (en) 2015-05-21 2016-10-25 Seagate Technology Llc Spin-signal enhancement in a lateral spin valve reader
TWI680598B (zh) * 2015-05-22 2019-12-21 國立研究開發法人科學技術振興機構 脈衝產生裝置
US9685178B1 (en) 2015-06-15 2017-06-20 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader with large-area tunneling spin-injector
US9704515B2 (en) 2015-09-29 2017-07-11 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader with in-plane detector
US9812157B1 (en) 2016-03-07 2017-11-07 Seagate Technology Llc Lateral spin valve reader and fabrication method thereof
JP6614002B2 (ja) * 2016-04-14 2019-12-04 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気記録装置
US10074688B2 (en) * 2016-08-04 2018-09-11 Tdk Corporation Magnetoresistive effect device with first and second magnetoresistive effect elements having opposite current flows relative to the ordering of the layers of the elements
US10211393B2 (en) * 2017-02-23 2019-02-19 Sandisk Technologies Llc Spin accumulation torque MRAM
US11205749B2 (en) 2017-03-23 2021-12-21 Intel Corporation Spintronic devices, duplexers, transceivers and telecommunication devices
US11031541B2 (en) * 2018-02-19 2021-06-08 Tdk Corporation Spin-orbit torque type magnetization rotating element, spin-orbit torque type magnetoresistance effect element, and magnetic memory
CN109583592B (zh) * 2018-04-25 2020-04-17 南方科技大学 多超导量子比特中任意两个比特耦合的方法及其系统
US11282538B1 (en) 2021-01-11 2022-03-22 Seagate Technology Llc Non-local spin valve sensor for high linear density
US11552242B2 (en) * 2021-04-08 2023-01-10 Regents Of The University Of Minnesota Weyl semimetal material for magnetic tunnel junction

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09214016A (ja) 1996-02-02 1997-08-15 Fujitsu Ltd 半導体感磁性素子及びそれを用いた磁気ヘッド装置
US5728481A (en) * 1991-08-30 1998-03-17 Hitachi, Ltd. Spin interaction device
DE19746138A1 (de) 1997-10-18 1999-04-22 Siemens Ag Verfahren zum Detektieren eines Stroms spingpolarsierter Elektronen in einem Festkörper
JPH11204854A (ja) 1997-11-12 1999-07-30 Toshiba Corp 磁気装置および磁性体素子
US6403999B1 (en) 2000-05-23 2002-06-11 Spinix Corporation Detection of polarized spin transport in semiconductors
JP2002217472A (ja) * 2001-10-26 2002-08-02 Tdk Corp 磁性多層膜および磁気抵抗変化素子
JP2002353533A (ja) * 2001-05-29 2002-12-06 Sony Corp 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型磁気センサ、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、および磁気メモリ
JP2003008105A (ja) * 2001-06-25 2003-01-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP2003008102A (ja) * 2001-06-22 2003-01-10 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置
JP2003197875A (ja) * 2001-12-28 2003-07-11 Toshiba Corp 磁気記憶装置
JP2003298023A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Toshiba Corp 磁気メモリ及び磁気メモリ装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3888341T2 (de) * 1987-12-26 1994-09-01 Sumitomo Electric Industries Halbleitersubstrat mit einem supraleitenden Dünnfilm.
JPH08249875A (ja) * 1995-03-14 1996-09-27 Toshiba Corp 固体磁気記録素子
JP2000113418A (ja) * 1998-10-01 2000-04-21 Hitachi Ltd スピンバルブ効果に基づく磁気抵抗効果型ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置
US6462919B1 (en) * 1999-04-28 2002-10-08 Seagate Technology Llc Spin valve sensor with exchange tabs
JP3604617B2 (ja) * 2000-06-12 2004-12-22 富士通株式会社 磁気検出素子
JP2002026417A (ja) * 2000-07-05 2002-01-25 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> スピン注入三端子素子
US7059201B2 (en) * 2000-12-20 2006-06-13 Fidelica Microsystems, Inc. Use of multi-layer thin films as stress sensors
JP4458703B2 (ja) * 2001-03-16 2010-04-28 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置
JP2005501404A (ja) * 2001-08-30 2005-01-13 コーニンクレッカ　フィリップス　エレクトロニクス　エヌ　ヴィ 磁気抵抗装置および電子装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5728481A (en) * 1991-08-30 1998-03-17 Hitachi, Ltd. Spin interaction device
JPH09214016A (ja) 1996-02-02 1997-08-15 Fujitsu Ltd 半導体感磁性素子及びそれを用いた磁気ヘッド装置
DE19746138A1 (de) 1997-10-18 1999-04-22 Siemens Ag Verfahren zum Detektieren eines Stroms spingpolarsierter Elektronen in einem Festkörper
JPH11204854A (ja) 1997-11-12 1999-07-30 Toshiba Corp 磁気装置および磁性体素子
US6403999B1 (en) 2000-05-23 2002-06-11 Spinix Corporation Detection of polarized spin transport in semiconductors
JP2002353533A (ja) * 2001-05-29 2002-12-06 Sony Corp 磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果型磁気センサ、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、および磁気メモリ
JP2003008102A (ja) * 2001-06-22 2003-01-10 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド及び磁気再生装置
JP2003008105A (ja) * 2001-06-25 2003-01-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗素子および磁気メモリ
JP2002217472A (ja) * 2001-10-26 2002-08-02 Tdk Corp 磁性多層膜および磁気抵抗変化素子
JP2003197875A (ja) * 2001-12-28 2003-07-11 Toshiba Corp 磁気記憶装置
JP2003298023A (ja) * 2002-03-29 2003-10-17 Toshiba Corp 磁気メモリ及び磁気メモリ装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
F. E. JEDEMA ET AL.: "Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spin valve", NATURE, vol. 416, 2002, pages 713, XP002977455, DOI: doi:10.1038/416713a
HIDEO OHNO ET AL.: "Spin-dependent properties of ferromagnetic/nonmagnetic GaAs heterostructures", MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING B84, 2001, pages 70 - 74, XP004242288, DOI: doi:10.1016/S0921-5107(01)00572-4
JEDEMA, F.J. ET AL: "Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spin valve.", NATURE, vol. 416, 18 April 2002 (2002-04-18), pages 713 - 716, XP002977455 *
See also references of EP1571712A4
SHUFENG ZHANG: "Probing spin currents in semiconductors", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 89, no. 11, 2001, pages 7564 - 7566, XP012052590, DOI: doi:10.1063/1.1357125
T. MIYAZAKI ET AL.: "J. Magn. Mater.", vol. 151, 1995, SPRINGER, article "Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions", pages: 403

Also Published As

Publication number Publication date
US7755929B2 (en) 2010-07-13
KR20050083957A (ko) 2005-08-26
JP4714918B2 (ja) 2011-07-06
EP1571712A4 (en) 2009-05-13
EP2144295A3 (en) 2010-03-10
US20060022220A1 (en) 2006-02-02
EP2144295A2 (en) 2010-01-13
KR100678758B1 (ko) 2007-02-02
JP2004186274A (ja) 2004-07-02
EP1571712A1 (en) 2005-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4714918B2 (ja) スピン注入素子及びスピン注入素子を用いた磁気装置
KR100663857B1 (ko) 스핀 주입 디바이스 및 이를 사용한 자기 장치, 그리고이들에 사용되는 자성 박막
JP4231506B2 (ja) 磁性スイッチ素子とそれを用いた磁気メモリ
JP3818276B2 (ja) スピン注入素子及びそれを用いた磁気装置
Parkin et al. Magnetically engineered spintronic sensors and memory
JP4582488B2 (ja) 磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイス
JP4873338B2 (ja) スピン注入デバイス及びこれを用いた磁気装置
US20070048485A1 (en) Magnetoresistive effect element, magnetic head, magnetic storage device and magnetic memory device
JP3697369B2 (ja) 磁気素子、磁気メモリ装置、磁気抵抗効果ヘッド、磁気ヘッドジンバルアッセンブリ、及び磁気記録システム
JPH11238924A (ja) スピン依存伝導素子とそれを用いた電子部品および磁気部品
JP4304688B2 (ja) スピンフィルタ効果素子及びそれを用いた磁気デバイス
US6504197B2 (en) Magnetic memory element and magnetic memory using the same
JP4061590B2 (ja) 磁性薄膜及びそれを用いた磁気抵抗効果素子並びに磁気デバイス
Lin et al. Experimental demonstration of integrated magneto-electric and spin-orbit building blocks implementing energy-efficient logic
JP3344712B2 (ja) 磁気デバイスのピン止め層
JP2004014806A (ja) 磁気抵抗素子および磁気メモリ
KR100574729B1 (ko) 스핀 터널 트랜지스터 및 자기 재생 헤드
Ranjbar et al. High-Temperature Magnetic Tunnel Junction Magnetometers Based on L1 $ _0 $-PtMn Pinned Layer
JP5424178B2 (ja) スピン注入デバイス及びこれを用いた磁気装置
JP2001345496A (ja) 磁気素子

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): KR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020057009231

Country of ref document: KR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2006022220

Country of ref document: US

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10536437

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2003774094

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020057009231

Country of ref document: KR

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2003774094

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 10536437

Country of ref document: US