(57)【要約】【課題】強磁性層の磁化を容易に回転または反転させることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】本実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に対して第１方向に積層された第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、第２方向に延びる第１領域と、前記第２方向と異なる第３方向に延びる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とが交わる交差領域と、を有し、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層と前記交差領域とが少なくとも一部で重畳する。【選択図】図１
2020043167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン軌道トルク配線と、
前記スピン軌道トルク配線に対して第１方向に積層された第１強磁性層と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線は、
第２方向に延びる第１領域と、
前記第２方向と異なる第３方向に延びる第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域とが交わる交差領域と、を有し、
前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層と前記交差領域とが少なくとも一部で重畳する、スピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項２】
前記第１領域の断面積は、前記第２領域の断面積より広い、請求項１に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項３】
前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向及び前記第３方向と異なる第４方向に、前記交差領域から延びる第３領域をさらに有する、請求項１又は２に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項４】
前記第１領域の断面積は、前記第３領域の断面積より広い、請求項３に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項５】
前記第２領域と前記第３領域とは、前記第１領域が延びる第２方向を基準に、非対称である、請求項３または４に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項６】
前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層の少なくとも一部が、前記交差領域から突出している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項７】
前記第１方向からの平面視で、前記交差領域の重心位置と前記第１強磁性層の重心位置とが異なり、
前記交差領域の重心位置は、前記第１強磁性層の重心位置より前記第１領域側に位置する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁化回転素子と、
前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に積層された非磁性層と、
前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体のスピンを利用したスピントロニクスは、様々な素子への応用への期待が高まっている。応用用途として、例えば、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等が挙げられる。
【０００３】
ＭＲＡＭは、絶縁層を挟む二つの強磁性層の互いの磁化の向きが変化するとＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子の素子抵抗が変化するという特性を利用してデータを読み書きする。高周波部品は、強磁性層の磁化の強磁性共鳴を利用して発振する（例えば、特許文献１）。強磁性共鳴は、強磁性層の磁化の歳差運動と印加される高周波の周期とが一致すると生じる。
【０００４】
ＭＲＡＭ及び高周波部品はいずれも、強磁性層の磁化を制御することで動作する。近年、強磁性層の磁化の回転または反転を制御する方式の一つとして、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した方式に注目が集まっている（例えば、特許文献２）。ＳＯＴは、スピン軌道相互作用によって生じた純スピン流又は異種材料の界面におけるラシュバ効果により誘起される。
【０００５】
一方で、ＳＯＴを用いた磁化反転の場合、素子の構成によっては、外部磁場により磁化反転をアシストする必要がある場合がある（例えば、非特許文献１）。外部磁場を印加するためには外部磁場の発生源が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−０６３３９７号公報
【特許文献２】特開２０１７−２１６２８６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S.Fukami,T.Anekawa,C.Zhang,and H.Ohno,Nature Nanotechnology,DOI:10.1038/NNANO.2016.29.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＭＲＡＭは、高集積化が求められている。外部磁場の発生源を別途設けると、素子サイズの大型化や製造プロセスの複雑化を招く。回転または反転をアシストするトルクを、外部磁場以外の手段で磁化に与えることが求められている。また高周波部品においても、磁化を歳差運動させるトルクを磁化に与えることが求められている。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、強磁性層の磁化を容易に回転または反転させることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、スピン軌道トルク配線を屈曲又は分岐させることで、異なる向きのスピンを強磁性層に注入し、強磁性層の磁化の回転または反転を容易に行うことができることを見出した。
すなわち本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１１】
（１）第１の態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子は、スピン軌道トルク配線と、前記スピン軌道トルク配線に対して第１方向に積層された第１強磁性層と、を備え、前記スピン軌道トルク配線は、第２方向に延びる第１領域と、前記第２方向と異なる第３方向に延びる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とが交わる交差領域と、を有し、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層と前記交差領域とが少なくとも一部で重畳する。
【００１２】
（２）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１領域の断面積は、前記第２領域の断面積より広くてもよい。
【００１３】
（３）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記スピン軌道トルク配線は、前記第２方向及び前記第３方向と異なる第４方向に、前記交差領域から延びる第３領域をさらに有してもよい。
【００１４】
（４）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１領域の断面積は、前記第３領域の断面積より広くてもよい。
【００１５】
（５）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第２領域と前記第３領域とは、前記第１領域が延びる第２方向を基準に、非対称であってもよい。
【００１６】
（６）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層の少なくとも一部が、前記交差領域から突出していてもよい。
【００１７】
（７）上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子において、前記第１方向からの平面視で、前記交差領域の重心位置と前記第１強磁性層の重心位置とが異なり、前記交差領域の重心位置は、前記第１強磁性層の重心位置より前記第１領域側に位置してもよい。
【００１８】
（８）第２の態様にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子は、上記態様にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子と、前記第１強磁性層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に積層された非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層を挟む第２強磁性層と、を備える。
【発明の効果】
【００１９】
強磁性層の磁化を容易に回転または反転させることができるスピン軌道トルク型磁化回転素子及びスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の斜視図である。
【図２】第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。
【図３】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の斜視図である。
【図４】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の平面図である。
【図５】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。
【図６】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。
【図７】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。
【図８】第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。
【図９】第３実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２２】
「第１実施形態」
（スピン軌道トルク型磁化回転素子）
図１は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の斜視図である。図２は、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の平面図である。図１及び図２に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０とを備える。
【００２３】
まず方向を定義する。スピン軌道トルク配線２０が延びる平面をｘｙ平面とし、スピン軌道トルク配線２０に対して第１強磁性層１が位置する方向をｚ方向とする。また後述するスピン軌道トルク配線２０の第１領域２１が延びる方向をｘ方向とする。ｘ方向及びｚ方向のいずれにも直交する方向をｙ方向とする。
【００２４】
＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、第１領域２１と第２領域２２と交差領域２９とを有する。スピン軌道トルク配線２０は、交差領域２９において曲がる。第１領域２１は、ｘ方向（第２方向）に延びる。第２領域２２は、ｘｙ平面においてｘ方向と異なる方向（第３方向）に延びる。交差領域２９は、第１領域２１と第２領域２２とが交差する部分である。
【００２５】
交差領域２９は、各領域（第１領域２１、第２領域２２）と交差領域２９との間の界面、又は、各領域（第１領域２１、第２領域２２）と交差領域２９との間の界面及びスピン軌道トルク配線２０の側面、によって囲まれた領域である。
【００２６】
第１領域２１と交差領域２９との間の界面を第１界面Ｂ１とし、第２領域２１と交差領域２９との間の界面を第２界面Ｂ２とする。交差領域２９は、第１界面Ｂ１、第２界面Ｂ２及びスピン軌道トルク配線２０の側面で囲まれた領域である。第１界面Ｂ１及び第２界面Ｂ２は、以下の手順で定義される。
【００２７】
第１領域２１においてスピン軌道トルク配線２０の２つの側面（第１側面２０ａ、第２側面２０ｂ（図２参照））はｘ方向に延びる。ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０の第１側面２０ａ、第２側面２０ｂに沿う接線を引くと、接線はｘ方向から傾斜し始める。第１側面２０ａにおいて接線がｘ方向から傾斜し始めた点を第１点、第２側面２０ｂにおいて接線がｘ方向から傾斜し始めた点を第２点とする。第１界面Ｂ１は、第１点と第２点とを結ぶ直線に沿ってスピン軌道トルク配線２０を切断した界面と定義される。なお、傾斜し始めて点を規定する際に、無視できる程度のミクロな凹凸は無視する。
【００２８】
同様に、第２領域２２においてスピン軌道トルク配線２０の２つの側面（第１側面２０ａ、第２側面２０ｂ）は第３方向に延びる。ｚ方向から見て、スピン軌道トルク配線２０の第１側面２０ａ、第２側面２０ｂに沿う接線を引くと、接線は第３方向から傾斜し始める。第１側面２０ａにおいて接線が第３方向から傾斜し始めた点を第３点、第２側面２０ｂにおいて接線が第３方向から傾斜し始めた点を第４点とする。第２界面Ｂ２は、第３点と第４点とを結ぶ直線に沿ってスピン軌道トルク配線２０を切断した界面と定義される。
【００２９】
一方で、上記手順で求められる第１界面Ｂ１と第２界面Ｂ２とが一致する場合がある（例えば、図２）。すなわち第１点と第３点とが一致し、第２点と第４点とが一致する場合である。スピン軌道トルク配線２０が曲がると交差領域２９は必ず形成されるため、この場合の第２界面Ｂ１は以下の規定に従う。
【００３０】
第１界面Ｂ１と第２界面Ｂ２とが一致する場合、第１点と第３点とが一致する。この第１点（第３点）から第２側面２０ｂに向って垂線を引く。この垂線と第２側面２０ｂとの交点が第４点となる。第３点と第４点とを結ぶ直線をｚ方向に沿って切断した界面が第２界面Ｂ２となる。
【００３１】
スピン軌道トルク配線２０は、電流Ｉが流れるとスピンホール効果によってスピン流が生成される配線である。
【００３２】
スピンホール効果とは、配線に電流Ｉを流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流Ｉの向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果によりスピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
【００３３】
スピン軌道トルク配線２０の両端に電位差を与えると、スピン軌道トルク配線２０に沿って電流Ｉが流れる。電流Ｉが流れると、図１に示すように一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とが、それぞれ電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる。例えば、第１スピンＳ１は進行方向に対しｚ方向に曲げられ、第２スピンＳ２は進行方向に対して−ｚ方向に曲げられる。
【００３４】
通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通する。一方で、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる点が大きく異なる。
【００３５】
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しい。図１において、＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と−ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数とが等しい。スピンの局在を緩和しようとする電荷のｚ方向の流れは互いに相殺され、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
【００３６】
第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。スピン流ＪＳは、図中のｚ方向に流れる。図１において、スピン軌道トルク配線２０のｚ方向の位置には後述する第１強磁性層１が存在する。スピン流により第１強磁性層１にスピンが注入される。
【００３７】
図１及び図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０は、異なる向きに延びる第１領域２１と第２領域２２とを有する。第１領域２１と第２領域２２とは交差領域２９で接続されている。スピン軌道トルク配線２０に流れる電流Ｉは、交差領域２９で曲がる。
【００３８】
第１領域２１及び第２領域２２では、電子スピンが、図２の電流Ｉの流れる方向と直交する方向にスピンホール効果により曲げられて、スピン流が発生する（図１の第１スピンＳ１参照）。例えば、図２に示す例においては、第１領域２１では＋ｙ方向に配向したスピンＳ２１が紙面手前側に向って供給され、第２領域２２では＋ｙ方向から−ｘ方向に傾いた方向に配向したスピンＳ２２が紙面手前側に向って供給される。スピンＳ２１、Ｓ２２は、交差領域２９において第１強磁性層１に注入される。第１領域２１から第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２１の向きと、第２領域２２から第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２２の向きと、は異なる。
【００３９】
第１領域２１の断面積は、第２領域２２の断面積より広いことが好ましい。第２領域２２における電流密度を、第１領域２１における電流密度より高めることができる。スピン軌道トルク配線２０は、一つの膜として成膜される場合が多く、第１領域２１の厚みｈ２１と第２領域２２の厚みｈ２２とは等しい場合が多い。この場合は、第１領域２１の幅ｗ２１は第２領域２２の幅ｗ２２より広いことが好ましい。第１領域２１及び第２領域２２において幅ｗ２１、ｗ２２が変化する場合は、第１界面Ｂ１と第２界面Ｂ２との幅で比較する。
【００４０】
スピン軌道トルク配線２０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。
【００４１】
スピン軌道トルク配線２０の主構成は、非磁性の重金属であることが好ましい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属を意味する。非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。これらの非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。
【００４２】
電子は、一般にそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動く。これに対し、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きく、スピンホール効果が強く作用する。そのため、電子の動く方向は、電子のスピンの向きに依存する。従って、これらの非磁性の重金属中ではスピン流ＪＳが発生しやすい。
【００４３】
またスピン軌道トルク配線２０は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。スピン軌道トルク配線２０の主構成は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００４４】
一方で、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる場合がある。そのため、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。
【００４５】
スピン軌道トルク配線２０は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。この物質にはスピン軌道相互作用により内部磁場が生じる。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成できる。
【００４６】
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ、Ｂｉ１．５Ｓｂ０．５Ｔｅ１．７Ｓｅ１．３、ＴｌＢｉＳｅ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ１−ｘＳｂｘ、（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
【００４７】
スピン軌道トルク配線２０には、直流電流又は交流電流（高周波電流）を流す。スピン軌道トルク型磁化回転素子１００をＭＲＡＭ等に利用する場合は、スピン軌道トルク配線２０に直流電流を流し、高周波部品等に利用する場合は、スピン軌道トルク配線２０に交流電流（高周波電流）を流す。
【００４８】
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１は、スピン軌道トルク配線２０に対して第１方向（ｚ方向）に積層されている。第１強磁性層１はその磁化の向きが変化することで機能する。第１強磁性層１は、ｘｙ面内に磁化容易方向を有する面内磁化膜でも、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。図２に示す第１強磁性層１の形状は、ｙ方向に長軸を有する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、形状異方性によりｙ方向に配向している。
【００４９】
第１強磁性層１には、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅを例示できる。また第１強磁性層１が面内磁化膜の場合は、例えば、Ｃｏ−Ｈｏ合金（ＣｏＨｏ２）、Ｓｍ−Ｆｅ合金（ＳｍＦｅ１２）等を用いることが好ましい。
【００５０】
第１強磁性層１を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
【００５１】
第１強磁性層１は、ｚ方向からの平面視で、交差領域２９と少なくとも一部で重畳する。第１強磁性層１の一部は、交差領域２９から突出していることが好ましい。また交差領域２９の重心Ｇ２９は、第１強磁性層１の重心Ｇ１の位置より第１領域２１側に位置することが好ましい。また第１強磁性層１の重心Ｇ１は、交差領域２９の重心Ｇ２９に対して第３方向に位置することが好ましい。第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２２が増え、磁化Ｍ１が磁化回転しやすくなる。
【００５２】
第１強磁性層１の平面視の長軸方向の長さは、６０ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１が単磁区化する。第１強磁性層１の平面視の長軸方向の長さは、３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。第１強磁性層１の長軸方向の長さが６０ｎｍ以下であれば単磁区化するが、磁化回転の時に過渡的に磁壁を生じる可能性がある。一方で、第１強磁性層１の長軸方向の長さが３０ｎｍ以下であれば、磁化回転中でも単磁区として動作する。第１強磁性層１が単磁区化することで、第１強磁性層１内に磁区が形成されず、異なる向きのスピンＳ２１、Ｓ２２が第１強磁性層１に同時に作用する。
【００５３】
次いで、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００の動作について説明する。図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０に電流Ｉを流すと、スピンホール効果が生じ、第１強磁性層１にスピンが注入される。
【００５４】
第１強磁性層１は、ｚ方向からの平面視で、交差領域２９と少なくとも一部で重畳する位置に設けられている。交差領域２９は、第１領域２１と第２領域２２との交差点である。したがって、交差領域２９と重畳する位置における第１強磁性層１には、ｙ方向に配向したスピンＳ２１が第１領域２１から注入され、ｙ方向からｘ方向に傾いた向きに配向したスピンＳ２２が第２領域２２から注入される。
【００５５】
スピンＳ２１は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を反転させる方向のトルクを、磁化Ｍ１に加える。スピンＳ２２は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を回転させる方向のトルクを、磁化Ｍ１に加える。スピンＳ２２は、スピンＳ２１による磁化反転をアシストする。
【００５６】
上述のように、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００によれば、強磁性層の磁化を容易に回転または反転させることができる。
【００５７】
また第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２２の割合を高めると、磁化Ｍ１を回転させる方向にトルクが作用し、磁化Ｍ１が歳差運動を行う。すなわち、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００を高周波部品（高周波発振器、高周波フィルター）、乱数発生器として利用できる。
【００５８】
ここでは、磁化Ｍ１がｙ方向に配向した場合を例に説明したが、磁化Ｍ１の配向方向は問わない。例えば、ＳＯＴを用いた磁化反転において、磁化Ｍ１がｘ方向又はｚ方向に配向している場合は、外部磁場が必要とされている（非特許文献１）。外部磁場が必要とされているのは、磁化Ｍ１に印加される力の対称性を乱し、磁化Ｍ１の反転又は回転のきっかけを与えるためである。
【００５９】
第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、異なる向きに配向したスピンＳ２１、Ｓ２２が第１強磁性層１に注入され、対称性が乱されている。したがって、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、外部磁場が印加されない環境下（無磁場下）でも磁化反転が可能である。
【００６０】
本実施形態に係るスピン軌道トルク型磁化回転素子１００は、後述のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子に適用することができる。しかしながら、用途としては磁気抵抗効果素子に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、スピン軌道トルク型磁化回転素子１００を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器に用いることができる。また磁化Ｍ１を振動させることで高周波の発生源として利用できる。スピン流磁化回転素子は、磁化が反転する場合に、特にスピン流磁化反転素子と呼ばれる。
【００６１】
「第２実施形態」
図３は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の斜視図である。図４は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１の平面図である。図３及び図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、第１強磁性層１とスピン軌道トルク配線２０Ａとを備える。第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、スピン軌道トルク配線２０Ａの構成が、第１実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１００と異なる。
【００６２】
スピン軌道トルク配線２０Ａは、第１領域２１と第２領域２２と第３領域２３と交差領域２９とを有する。スピン軌道トルク配線２０は、交差領域２９で分岐する。電流Ｉ１と電流Ｉ２とは、交差領域２９で分岐又は合流する。第１領域２１は、ｘ方向（第２方向）に延びる。第２領域２２は、ｘｙ平面においてｘ方向と異なる方向（第３方向）に延びる。第３領域２３は、ｘｙ平面においてｘ方向（第２方向）及び第３方向と異なる方向（第４方向）に延びる。
【００６３】
交差領域２９は、第１領域２１と第２領域２２と第３領域２３とが交差する部分である。交差領域２９は、第１界面Ｂ１、第２界面Ｂ２及び第３界面Ｂ３で囲まれた領域である。第１界面Ｂ１及び第２界面Ｂ２は、第１実施形態と同様の手順で定義される。第３界面Ｂ３は、第１界面Ｂ１及び第２界面Ｂ２と同様の定義で求められる。第３領域２３におけるスピン軌道トルク配線２０の２つの側面に沿う接線が、第４方向から傾斜し始める点を第５点及び第６点とする。第３界面Ｂ３は、第５点と第６点とを結ぶ直線に沿ってスピン軌道トルク配線２０を切断した界面と定義される。
【００６４】
第１強磁性層１は、ｚ方向からの平面視で、交差領域２９と少なくとも一部で重畳する位置に設けられている。
【００６５】
スピンホール効果により第１領域２１、第２領域２２及び第３領域２３で生じるスピンは、電流の流れ方向と直交する方向に配向する。つまり、第１領域２１から第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２１の向きと、第２領域２２から第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２２の向きと、第３領域２３から第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２３の向きと、はそれぞれ異なる。
【００６６】
図３及び図４に示すように、第１領域２１の断面積は、第２領域２２及び第３領域２３の断面積より広いことが好ましい。スピン軌道トルク配線２０は、一つの膜として成膜される場合が多く、第１領域２１の厚みｈ２１、第２領域２２の厚みｈ２２、第３領域２３の厚みｈ２３とは等しい場合が多い。この場合は、第１領域２１の幅ｗ２１は、第２領域２２の幅ｗ２２及び第３領域２３の幅ｗ２３より広いことが好ましい。第１領域２１及び第２領域２２、第３領域２３において幅ｗ２１、ｗ２２、ｗ２３が変化する場合は、第１界面Ｂ、第２界面Ｂ２及び第３界面Ｂ３における幅で比較する。
【００６７】
第２領域２２及び第３領域２３における電流Ｉ１、Ｉ２の電流密度は、第１領域２１における電流Ｉ１、Ｉ２の電流密度より高いことが好ましい。第２領域２２及び第３領域２３における電流密度が、第１領域２１における電流密度より高くなると、第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３のうちスピンＳ２２、Ｓ２３の比率が高まる。スピンＳ２２、Ｓ２３は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を回転させる方向に作用する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が歳差運動すると、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は高周波部品（高周波発振器、高周波フィルター）として機能する。
【００６８】
また第１強磁性層１の一部は、交差領域２９から突出していることが好ましい。また交差領域２９の重心Ｇ２９の位置は、第１強磁性層１の重心Ｇ１の位置より第１領域２１側に位置することが好ましい。また第１強磁性層１の重心Ｇ１は、交差領域２９の重心Ｇ２９に対して、第３方向と第４方向との合成ベクトル方向に位置することが好ましい。第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３のうちスピンＳ２２、Ｓ２３の比率が高まる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が歳差運動しやすくなり、高周波部品（高周波発振器、高周波フィルター）として利用できる。
【００６９】
またスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１を高周波部品として利用する場合は、第１強磁性層１の形状は、ｘ方向（第１方向）と直交するy方向に長軸を有することが好ましい。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、第１強磁性層１の形状異方性の影響を受けて、長軸の方向に配向しやすい。磁化Ｍ１がy方向に配向すると、スピンＳ２２、Ｓ２３が磁化Ｍ１に作用しやすくなる。
【００７０】
第１強磁性層１の長軸の幅は、第１領域２１の幅ｗ２１、第２領域２２の幅ｗ２２、第３領域２３の幅ｗ２３の少なくとも一つより広いことが好ましい。第１強磁性層１が複数の領域にまたがり、第１強磁性層１に異なる向きのスピンを注入しやすくなる。
【００７１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００７２】
図５は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。図５に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０２は、第２領域２２Ｂと第３領域２３Ｂとが、第１領域２１が延びるｘ方向を基準に非対称である点が、図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と異なる。その他の構成は、図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と同様であり、説明を省く。
【００７３】
「第１領域２１が延びるｘ方向を基準に非対称」とは、ｘ方向に延びる基準線Ｌと第２領域２２とがなす角θ１と、ｘ方向に延びる基準線Ｌと第３領域２３とがなす角θ２とが異なることを意味する。第２領域２２と第３領域２３とが第１領域２１に対して非対称な関係にあると、第１強磁性層１に注入されるスピンＳ２１、Ｓ２２Ｂ、Ｓ２３Ｂの対称性がより崩れる。磁化Ｍ１に印加される力の対称性が崩れると、磁化Ｍ１の反転又は回転がより容易になる。
【００７４】
また図６は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。図６に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０３は、スピン軌道トルク配線２０Ｃの構成が、図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と異なる。具体的には、第２領域２２Ｃと第３領域２３Ｃとが、第１領域２１が延びるｘ方向と直交する方向に延びている点が、図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と異なる。その他の構成は、図４に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と同様であり、説明を省く。
【００７５】
図６に示すように、第１領域２１と第２領域２２Ｃ及び第３領域２３Ｃとが直交する場合、第２領域２２及び第３領域２３において、スピン軌道トルク配線２０の一方の側面は一方向に延び、側面に沿った接線が第３方向または第４方向から傾斜しない。この場合は、この第１点及び第２点から対向する側面に向って垂線を引く。この垂線と側面２０ｂとの交点が第４点及び第６点となる。第３点と第４点とを結ぶ直線をｚ方向に沿って切断した界面が第２界面Ｂ２となり、第５点と第６点とを結ぶ直線をｚ方向に沿って切断した界面が第３界面Ｂ３となる。
【００７６】
第１領域２１と第２領域２２Ｃ及び第３領域２３Ｃとが直交する場合でも、第１強磁性層１に異なる向きのスピンＳ２１、Ｓ２２Ｃ、Ｓ２３Ｃを注入できる。したがって、磁化Ｍ１に印加される力の対称性を乱し、磁化Ｍ１を容易に反転又は回転させることができる。スピンＳ２２Ｃ、Ｓ２３Ｃは、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を回転させる方向に作用する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１が歳差運動することで、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０３は高周波部品（高周波発振器、高周波フィルター）として機能する。
【００７７】
ここまでスピン軌道トルク配線２０が、第１領域２１から第２領域２２及び第３領域２３に向かって２つに分岐する場合を例に説明したが、３以上に分岐する構成でもよい。図７及び図８は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子の別の例の平面図である。図７及び図８に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０４、１０５は、スピン軌道トルク配線２０Ｄ，２０Ｆが３以上に分岐する例である。
【００７８】
図７に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０４は、スピン軌道トルク配線２０Ｄが、第１領域２１から４つに分岐する。スピン軌道トルク配線２０Ｄは、第１領域２１、第２領域２２Ｄ、第３領域２３Ｄ、第４領域２４Ｄ、第５領域２５Ｄ、交差領域２９を有する。交差領域２９と各領域との界面は、上述の規定に従い求められる。スピン軌道トルク配線２０には、４つの電流経路が形成され、電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４が流れる。第１強磁性層１には、異なる向きに配向したスピンＳ２１、Ｓ２２Ｄ、Ｓ２３Ｄ、Ｓ２４Ｄ、Ｓ２５Ｄが注入される。
【００７９】
図８に示すスピン軌道トルク型磁化回転素子１０５は、スピン軌道トルク配線２０Ｆが、第１領域２１から３つに分岐する。スピン軌道トルク配線２０Ｆは、第１領域２１、第２領域２２Ｆ、第３領域２３Ｆ、交差領域２９を有する。スピン軌道トルク配線２０には、３つの電流経路が形成され、電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が流れる。第１強磁性層１には、異なる向きに配向したスピンＳ２１、Ｓ２２Ｆ、Ｓ２３Ｆ、Ｓ２４Ｆが注入される。
【００８０】
図７及び図８に示す例において、磁化Ｍ１に印加される力の対称性が乱れ、磁化Ｍ１を容易に反転又は回転させることができる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１を回転させる方向に作用するスピンの第１強磁性層１への供給量を増やすことで、スピン軌道トルク型磁化回転素子１０４、１０５を高周波部品（高周波発振器、高周波フィルター）として好適に用いることができる。
【００８１】
「第３実施形態」
（スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子）
図９は、第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０の断面模式図である。図９に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０は、機能部１０と、スピン軌道トルク配線２０Ａとを有する。機能部１０は、第１強磁性層１、非磁性層３、第２強磁性層２を含む。第１強磁性層１及びスピン軌道トルク配線２０Ａは、図３に示す第２実施形態にかかるスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１に対応する。スピン軌道トルク型磁化回転素子１０１は、上述の他のスピン軌道トルク型磁化回転素子１００、１０２、１０３、１０４、１０５と置き換えることができる。第２実施形態のスピン軌道トルク型磁化回転素子１０１と同等の構成については、説明を省く。
【００８２】
機能部１０は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部１０は、第２強磁性層２の磁化が一方向（ｚ方向）に固定され、第１強磁性層１の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（擬似スピンバルブ型；Pseudo spin valve 型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層２の保磁力を第１強磁性層１の保磁力よりも大きくする。交換バイアス型（スピンバルブ；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層２の磁化を反強磁性層との交換結合によって固定する。
【００８３】
また機能部１０は、非磁性層３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子と同様の構成であり、金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子と同様の構成である。
【００８４】
機能部１０の積層構成は、公知の磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性層２の磁化方向を固定するための反強磁性層等の他の層を備えてもよい。第２強磁性層２は固定層や参照層、第１強磁性層１は自由層や記憶層などと呼ばれる。
【００８５】
第２強磁性層２の材料には、第１強磁性層１と同様の材料を用いることができる。
第２強磁性層２の第１強磁性層１に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層２と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第２強磁性層２の漏れ磁場を第１強磁性層１に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
【００８６】
非磁性層３には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
【００８７】
機能部１０は、その他の層を有していてもよい。第１強磁性層１の非磁性層３と反対側の面に下地層を有していてもよい。スピン軌道トルク配線２０Ａと第１強磁性層１との間に配設される層は、スピン軌道トルク配線２０Ａから伝播するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線２０Ａから伝播するスピンを第１強磁性層１に十分伝えることができる。
【００８８】
第３実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０においても、磁化Ｍ１に印加される力の対称性が乱されており、磁化Ｍ１を容易に反転又は回転させることができる。また磁化Ｍ１を歳差運動させることで、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子１１０を高周波部品（高周波発振器、高周波フィルター）として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  第１強磁性層
２  第２強磁性層
３  非磁性層
１０  機能部
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ  スピン軌道トルク配線
２１  第１領域
２２、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ  第２領域
２３、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ、２３Ｅ  第３領域
２４Ｄ、２４Ｅ  第４領域
２５Ｄ  第５領域
２９  交差領域
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  スピン軌道トルク型磁化回転素子
１１０  スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子
Ｇ１、Ｇ２９  重心
Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２２Ｂ、Ｓ２３Ｂ、Ｓ２２Ｃ、Ｓ２３Ｃ、Ｓ２２Ｄ、Ｓ２３Ｄ、Ｓ２４Ｄ、Ｓ２５Ｄ、Ｓ２２Ｅ、Ｓ２３Ｅ、Ｓ２４Ｅ  スピン
Ｍ１  磁化
【図１】
2020043167.tif 000003
【図２】
2020043167.tif 000004
【図３】
2020043167.tif 000005
【図４】
2020043167.tif 000006
【図５】
2020043167.tif 000007
【図６】
2020043167.tif 000008
【図７】
2020043167.tif 000009
【図８】
2020043167.tif 000010
【図９】
2020043167.tif 000011