(57)【要約】【課題】反転層の磁化反転制御を省スペース、小容量の電源で確実に行うことができる磁化反転装置を提供する。【解決手段】非磁性体６の配線に一部又は全部が接触して配設される磁性体からなる反転層５と、非磁性体６の配線に接触して配設され、スピンが一の方向に偏極している第１スピン注入源４ａと、第１スピン注入手段４ａとは異なる位置において非磁性体６の配線に接触して配設され、スピンが他の方向に偏極している第２スピン注入源４ｂと、第１スピン注入源４ａ及び／又は第２スピン注入源４ｂに電流を供給する供給部３とを備え、電流により第１スピン注入源４ａ及び／又は第２スピン注入源４ｂから非磁性体６の配線に注入された偏極したスピンにより、反転層５の磁化が制御されるものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体の配線に一部又は全部が接触して配設される磁性体と、
前記非磁性体の配線に接触して配設され、スピンが一の方向に偏極している第１スピン注入手段と、
前記第１スピン注入手段とは異なる位置において前記非磁性体の配線に接触して配設され、スピンが前記一の方向とは異なる他の方向に偏極している第２スピン注入手段と、
前記第１スピン注入手段及び／又は前記第２スピン注入手段に電流を供給する供給手段とを備え、
前記電流により前記第１スピン注入手段及び／又は前記第２スピン注入手段から前記非磁性体の配線に注入された偏極したスピンにより、前記磁性体の磁化が制御されることを特徴とする磁化反転装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁化反転装置において、
前記第１スピン注入手段及び／又は前記第２スピン注入手段に通電された電流が、前記非磁性体を介して当該非磁性体の外部に通電されるように閉回路が形成されていることを特徴とする磁化反転装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁化反転装置において、
前記供給手段が、前記第１スピン注入手段又は前記第２スピン注入手段のいずれかに電流を供給するための一の電源と、前記第１スピン注入手段又は前記第２スピン注入手段のいずれかへの電流の通電を選択するスイッチ部とを備えることを特徴とする磁化反転装置。
【請求項４】
請求項２に記載の磁化反転装置において、
前記第１スピン注入手段、前記非磁性体及び前記第２スピン注入手段に順次電流が通電されるように前記閉回路が形成され、
前記供給手段が、前記電流を順方向に通電するための一の電源と、逆方向に通電するための他の電源と、前記一の電源又は他の電源のいずれか一方の電源による電流の供給を選択するスイッチ部とを備えることを特徴とする磁化反転装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンによる磁性体の磁化反転技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子のスピンを利用したスピンデバイスの研究・開発が急速に進んでいる。次世代の電子デバイスの有力候補の一つであるスピンデバイスは、スピン流を注入することで反転層の磁化の向きを制御する。通常、磁化の向きを反転させるためには、スピンの方向が磁化の向きと反対方向スピン流を注入する必要がある。従来は、そのスピン流の注入を電源電圧の極性を反転させることで行っていた。しかしながら、この場合、電流の流れを制御するためのスイッチ（トランジスタ）が２台と、極性が異なる電源２台が必要であり、構造の複雑さや素子の大型化を招いている。図８に、従来のスピンデバイスの書き込み方法の模式図を示す。
【０００３】
従来は、図８（Ａ）に示すように、反平行から平行状態に反転する場合に、反転層側から固定層側に電流を流すと電子の流れは↑スピンに偏極した固定層から↑スピンが飛び出して反転層に注入され、当該反転層が↑向き（平行状態）に磁化する。また、図８（Ｂ）に示すように、逆方向に電流を流した場合は、反転層側から固定層側に注入されにくい↓向きのスピンが固定層で反射し、スピンの方向に対して垂直方向の成分が反転層のスピンに作用することで、反転層が↓向き（反平行状態）に磁化する。このように、従来は、２台の電源と２台のトランジスタを用いて電流の極性を変えて磁化方向を制御する必要がある。
【０００４】
また、スピン注入に関する技術として、例えば、特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、図９に示すように、非磁性体の配線に一部又は全部が立体的に埋め込まれて配設される磁性体と、スピンが偏極し且つ電荷の流れを伴わない純スピン流を発生し、非磁性体の配線を共通の電極として非磁性体の配線に接触して配設される複数のスピン注入源とを備え、スピン注入源が、非磁性体の配線を介して磁性体に対して拡散電流により純スピン流を流すことで、磁性体の磁化を反転させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２０１２／００４８９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したように、従来のスピンデバイスの書き込み方法では、図８に示すように、電流の流れを制御するためのスイッチが２台と、極性が異なる電源２台が必要であり、構造が複雑化してしまうと共に、素子が大型化してしまうという課題を有する。
【０００７】
また、特許文献１に示す技術は、反転層となる磁性体に非常に効率よくスピンを注入することで、磁化方向を安定して制御することができるものの、図９に示すように、磁化を反転させるためには電流の向きを制御する必要があり、上記と同様に、１つのスピン注入手段について、電流の流れを制御するためのスイッチが２台と、極性が異なる電源２台が必要となり、電源部分の構造が複雑化してしまうと共に、素子が大型化してしまうという課題を有する。
【０００８】
本発明は、反転層の磁化反転制御を省スペース、小容量の電源で確実に行うことができる磁化反転装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る磁化反転装置は、非磁性体の配線に一部又は全部が接触して配設される磁性体と、前記非磁性体の配線に接触して配設され、スピンが一の方向に偏極している第１スピン注入手段と、前記第１スピン注入手段とは異なる位置において前記非磁性体の配線に接触して配設され、スピンが前記一の方向とは異なる他の方向に偏極している第２スピン注入手段と、前記第１スピン注入手段及び／又は前記第２スピン注入手段に電流を供給する供給手段とを備え、前記電流により前記第１スピン注入手段及び／又は前記第２スピン注入手段から前記非磁性体の配線に注入された偏極したスピンにより、前記磁性体の磁化が制御されるものである。
【００１０】
このように、本発明に係る磁化反転装置においては、非磁性体の配線に一部又は全部が接触して配設される磁性体と、非磁性体の配線に接触して配設され、スピンが一の方向に偏極している第１スピン注入手段と、スピンが他の方向に偏極している第２スピン注入手段と、第１スピン注入手段及び／又は第２スピン注入手段に電流を供給する供給手段とを備えることで、磁性体の磁化を反転させる際に、電流の極性を変えることなく第１スピン注入手段又は第２スピン注入手段に選択的に電流を通電すればよいため、供給手段としての電源の構成を簡素化して、省スペース化を実現することができるという効果を奏する。
【００１１】
本発明に係る磁化反転装置は、前記第１スピン注入手段及び／又は前記第２スピン注入手段に通電された電流が、前記非磁性体を介して当該非磁性体の外部に通電されるように閉回路が形成されているものである。
【００１２】
このように、本発明に係る磁化反転装置においては、第１スピン注入手段及び／又は第２スピン注入手段に通電された電流が、非磁性体を介して当該非磁性体の外部に通電されるように閉回路が形成されているため、電荷を持った電子については非磁性体の外部に流すと共に、電荷を持たないスピンエネルギーのみを磁性体に流すことができ、発熱等が生じることなくスピン流のみを簡単な回路で安定して供給することができるという効果を奏する。
【００１３】
本発明に係る磁化反転装置は、前記供給手段が、前記第１スピン注入手段又は前記第２スピン注入手段のいずれかに電流を供給するための一の電源と、前記第１スピン注入手段又は前記第２スピン注入手段のいずれかへの電流の通電を選択するスイッチ部とを備えるものである。
【００１４】
このように、本発明に係る磁化反転装置においては、第１スピン注入手段又は第２スピン注入手段のいずれかに電流を供給するための一の電源と、それらの切り替えるためのスイッチのみで電流の供給がなされるため、電流の供給手段の構成を簡素化して、省スペース化を実現することができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る磁化反転装置は、前記第１スピン注入手段、前記非磁性体及び前記第２スピン注入手段に順次電流が通電されるように前記閉回路が形成され、前記供給手段が、前記電流を順方向に通電するための一の電源と、逆方向に通電するための他の電源と、前記一の電源又は他の電源のいずれか一方の電源による電流の供給を選択するスイッチ部とを備えるものである。
【００１６】
このように、本発明に係る磁化反転装置においては、第１スピン注入手段、非磁性体及び第２スピン注入手段に順次電流が通電されるように閉回路が形成されるため、一方のスピン注入手段（例えば、第１スピン注入手段）から注入された一の方向（例えば、↑方向）に偏極したスピンが、非磁性体を介して他の方向（例えば、↓方向）に偏極している他方のスピン注入手段（例えば、第２スピン注入手段）に注入され難くなることで、非磁性体中に第１スピン注入手段から注入された↑スピンが留まり、磁性体に対してより多くの↑スピンを注入することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る磁化反転装置の構成を示す第１の図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁化反転装置の構成を示す第２の図である。
【図３】図２に示す磁化反転装置の応用例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る磁化反転装置の第１の構造及び回路図である。
【図５】第１の実施形態に係る磁化反転装置の第２の構造及び回路図である。
【図６】電流の流れをスイッチングするトランジスタの構成の一例を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る磁化反転装置の構成を示す図である。
【図８】従来のスピンデバイスの書き込み方法を示す第１の図である。
【図９】従来のスピンデバイスの書き込み方法を示す第２の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００１９】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る磁化反転装置について、図１ないし図６を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る磁化反転装置の構成を示す第１の図である。図１において、磁化反転装置１は、スピンの状態を変えることにより記憶手段や書込手段として機能する動作部２と、当該動作部２におけるスピンの状態を制御するための電流を供給する供給部３とを備える。
【００２０】
動作部２は、非磁性体６の層間に積層される磁性体であり、スピンの方向が可変となっている反転層５と、非磁性体６に接触して配設されスピンが↑向きに偏極している第１スピン注入源４ａと、第１スピン注入源４ａと異なる位置において非磁性体６に接触して配設されスピンが↓向きに偏極している第２スピン注入源４ｂとを備える。
【００２１】
供給部３は、第１スピン注入源４ａ又は第２スピン注入源４ｂに接続して電流を通電する１つの電源部７と、電流の流れを第１スピン注入源４ａ又は第２スピン注入源４ｂのいずれか一方に制御するスイッチ部８とを備える。図１（Ａ）が、第１スピン注入源４ａに電流を流す場合のスイッチングを示しており、図１（Ｂ）が、第２スピン注入源４ｂに電流を流す場合のスイッチングを示している。図１（Ａ）の場合は、電流の流れに伴って第１スピン注入源４ａから飛び出した↑スピンの電子が反転層５のスピンに作用して反転層の磁化方向を↑向きに制御する。一方、図１（Ｂ）の場合は、電流の流れに伴って第２スピン注入源４ｂから飛び出した↓スピンの電子が反転層５のスピンに作用して反転層の磁化方向を↓向きに制御する。
【００２２】
すなわち、本実施形態に係る磁化反転装置は、図８に示したように電流の極性を変えて磁化方向を制御する従来の方法とは全く異なり、相互に異なる方向にスピンが偏極している第１スピン注入源４ａ及び第２スピン注入源４ｂを予め備えることで、それらに対して電流の流れを選択的にスイッチングするだけで磁化方向を制御することができる。つまり、電流を流すための１つの電源と、それらのスイッチングをする１つのスイッチのみの簡素化された供給部３の構成で磁化方向を正確に制御することができる。
【００２３】
図２は、本実施形態に係る磁化反転装置の構成を示す第２の図である。図２においても図１の場合と同様に、磁化反転装置１は、スピンの状態を変えることにより記憶手段や書込手段として機能する動作部２と、当該動作部２におけるスピンの状態を制御するための電流を供給する供給部３とを備える。
【００２４】
動作部２は、非磁性体６に接触して配設される磁性体であり、スピンの方向が可変となっている反転層５と、非磁性体６に接触して配設されスピンが↑向きに偏極している第１スピン注入源４ａと、第１スピン注入源４ａと異なる位置において非磁性体６に接触して配設されスピンが↓向きに偏極している第２スピン注入源４ｂとを備える。
【００２５】
供給部３は、第１スピン注入源４ａ又は第２スピン注入源４ｂに接続して電流を通電する１つの電源部７と、電流の流れを第１スピン注入源４ａ又は第２スピン注入源４ｂのいずれか一方に制御するスイッチ部８とを備える。ここでは、図１の場合と異なり、それぞれのスピン注入源は、非磁性体６の外部に電荷流（電荷の流れ）を流すために、非磁性体を介して供給部３と閉回路が形成されている。電荷流が非磁性体６の外部に流れることで、非磁性体６の内部では偏極したスピンが拡散し、拡散電流として電荷レススピン流が生じる。この電荷レススピン流は、スピンの非平衡状態が緩和し易い反転層５の磁性体に向かって流れ（スピンの吸収効果）、反転層５の磁化方向が制御される（特許文献１を参照）。
【００２６】
図２（Ａ）は、第１スピン注入源４ａに電流を流す場合のスイッチングを示しており、図２（Ｂ）は、第２スピン注入源４ｂに電流を流す場合のスイッチングを示している。図２（Ａ）の場合は、電流の流れに伴って第１スピン注入源４ａから飛び出した電荷を持った電子（ｅ）が、非磁性体６を介して外部の閉回路に流れると共に、↑スピンに偏極した電荷を持たない電荷レススピン流が、スピン吸収効果により反転層５に注入されて、当該反転層５の磁化方向を↑向きに制御する。一方、図２（Ｂ）の場合は、電流の流れに伴って第２スピン注入源４ｂから飛び出した電荷を持った電子（ｅ）が、非磁性体６を介して外部の閉回路に流れると共に、↓スピンの電荷レススピン流がスピン吸収効果により反転層５に注入されて、当該反転層５の磁化方向を↓向きに制御する。
【００２７】
すなわち、図２の場合も図１の場合と同様に、電流の極性を変えて磁化方向を制御する従来の方法とは全く異なり、相互に異なる方向にスピンが偏極している第１スピン注入源４ａ及び第２スピン注入源４ｂを予め備えることで、それらに対して電流の流れを選択的にスイッチングするだけで電荷レススピン流による磁化方向の制御を行うことができる。つまり、電流を流すための１つの電源と、それらのスイッチングをする１つのスイッチのみの簡素化された供給部３の構成で磁化方向を正確に制御することができる。
【００２８】
図３は、図２に示す磁化反転装置の応用例を示す図である。図３（Ａ）は、図２における磁化反転装置１において、反転層５が非磁性体６に立体的に埋め込まれているものである。このような構成にすることで、反転層５が非磁性体６に接触している接触面積が多くなるため、スピンを効率よく吸収することができる。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の構成において、第１スピン注入源４ａ及び第２スピン注入源４ｂをそれぞれ複数備える構成となっている。このような構成にすることで、非磁性体６に注入されるスピンの量が増え、反転層５において効率よくスピンを吸収することができ、磁化方向の制御を安定的に確実に行うことが可能となる。
【００２９】
なお、図３において、特に図示していないが、スイッチ部８を切り替えることで電流の流れを第２スピン注入源４ｂに切り替えることができる。つまり、図１及び図２に示す場合と同様に、電流を流すための１つの電源と、それらのスイッチングをする１つのスイッチのみの簡素化された供給部３の構成で磁化方向を正確に制御することができる。
【００３０】
図４及び図５は、本実施形態に係る磁化反転装置の構造及び回路図である。図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、本実施形態に係る磁化反転装置における動作部の構造を示す斜視図、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ）及び図５（Ａ）における磁化反転装置の回路図である。上述したように、図４（Ａ）、図５（Ａ）において、スピン注入源４ａに電流が通電される場合は、電子の電荷が非磁性体６の外部に流れると共に、電荷レスの↑向きのスピン流が反転層５に吸収される。また、図示しないが、スピン注入源４ｂに電流が通電された場合は、電子の電荷が非磁性体６の外部に流れると共に、電荷レスの↓向きのスピン流が反転層５に吸収される。
【００３１】
このときの回路図を図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示す。それぞれの回路図において、第１スピン注入源４ａに接続されているゲート１１ａが閉じている場合は、↑向きのスピンが反転層５に吸収されて↑向きに磁化する。逆に、第２スピン注入源４ｂに接続されているゲート１１ｂが閉じている場合は、↓向きのスピンが反転層５に吸収されて↓向きに磁化する。
【００３２】
ここで、電流の流れをスイッチングするトランジスタの構成の一例を図６に示す。図６において、ｐ型半導体基板６０に、第１スピン注入源４ａに接続するための第１ｎ型領域６１ａ及び第２スピン注入源４ｂに接続するための第２ｎ型領域６１ｂが形成されている。さらに、第１ｎ型領域６１ａ及び第２ｎ型領域６１ｂの間には、電源Ｖｃｃに接続するための第３ｎ型領域６２が形成されている。第１ｎ型領域６１ａと第３ｎ型領域６２との間には、電流の導通／非導通を制御するためのゲート１１ａが形成され、第２ｎ型領域６１ｂと第３ｎ型領域６２との間には、電流の導通／非導通を制御するためのゲート１１ｂが形成されている。ゲート１１ａが閉じた場合は、電源Ｖｃｃから第１スピン注入源４ａに電流が流れ、ゲート１１ｂが閉じた場合は、電源Ｖｃｃから第２スピン注入源４ｂに電流が流れる。このようにして電流の流れがスイッチングされる。
【００３３】
図４及び図５に戻って、反転層５に記憶された情報を読み出す場合は、ゲート１１ｃを閉じた際に流れる電流の値に基づいて、磁化の方向を特定する。すなわち、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示すように、反転層５を構成要素とする三層の強磁性トンネル接合素子（ＭＴＪ）を形成し、反転層５の磁化方向に応じて変化するＭＴＪに流れる電流に基づくＶｏｕｔの値を読み取ることで、「０」又は「１」の情報を読み出すことができる。
【００３４】
このように、本実施形態に係る磁化反転装置は、スピンが↑方向に偏極している第１スピン注入源４ａと、スピンが↓方向に偏極している第２スピン注入源４ｂと、それぞれのスピン注入源に電流を供給する供給部とを備えることで、反転層５の磁化を反転させる際に、電流の向き（極性）を変えることなく、第１スピン注入源４ａ又は第２スピン注入源４ｂに選択的に電流を通電すればよいため、供給部としての電源の構成を簡素化して、省スペース化を実現することができる。
【００３５】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る磁化反転装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る磁化反転装置の構成を示す図である。図７（Ａ）は、第１スピン注入源４ａ及び第２スピン注入源４ｂを１つずつ備える場合の構成、図７（Ｂ）は、第１スピン注入源４ａ及び第２スピン注入源４ｂをそれぞれ２つずつ備える場合の構成を示している。
なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００３６】
図７において、磁化反転装置１は、スピンの状態を変えることにより記憶手段や書込手段として機能する動作部２と、当該動作部２におけるスピンの状態を制御するための電流を供給する供給部３とを備える。
【００３７】
動作部２は、図４に示した構成と同じであり、非磁性体６に接触して配設される磁性体であり、スピンの方向が可変となっている反転層５と、非磁性体６に接触して配設されスピンが↑向きに偏極している第１スピン注入源４ａと、第１スピン注入源４ａと異なる位置において非磁性体６に接触して配設されスピンが↓向きに偏極している第２スピン注入源４ｂとを備える。
【００３８】
供給部３は、第１スピン注入源４ａ、第２スピン注入源４ｂ及び非磁性体６に接続して電流を通電する。すなわち、前記第１の実施形態の場合と異なり、第１スピン注入源４ａ及び第２スピン注入源４ｂの双方が同時に電気的に接続された状態で電流が通電される。
【００３９】
つまり、本実施形態においては、第１スピン注入源４ａから飛び出した↑向きのスピンの電子は、非磁性体６内で第２スピン注入源４ｂに向かって移動するが、第２スピン注入源４ｂは↓向きに偏極しているため、第２スピン注入源４ｂに注入されにくく非磁性体６内に留まってしまう。そのため、非磁性体６は、図４の場合のように電荷（ｅ）を単に外部に流す場合に比べて、スピンがより偏極した非平衡状態となり、スピンの吸収効果を格段に高めることが可能となる。電流の向きを逆にした場合は、↓向きのスピンについて同様の作用・効果が得られる。
【００４０】
本実施形態においては、電流の極性を切り替える必要があるため、電源が２つでスイッチが２つの構成となっているものの、スピンの吸収効果が格段に高くなっていることで、電源電圧を小さくすることができ、省電源を実現することが可能となる。
【００４１】
なお、各実施形態に係る磁化反転装置において、第１スピン注入源４ａ及び第１スピン注入源４ｂの配設位置は非磁性体６に接触していればよく、特に限定されるものではない。例えば、図３（Ａ）に示すように、非磁性体６の同一面にそれぞれが配設されてもよいし、図４に示すように、非磁性体６を挟んで対向して配設されてもよい。
【００４２】
また、各スピン注入源の数はスピン吸収効果及びサイズのトレードオフの関係に応じて任意に決められるようにしてもよい。さらに、各スピン注入源はできるだけ反転層に近い位置に配設されることが望ましい。
【符号の説明】
【００４３】
１  磁化反転装置
２  動作部
３  供給部
４ａ  第１スピン注入源
４ｂ  第２スピン注入源
５  反転層
６  非磁性体
７  電源部
８  スイッチ部
１１ａ，１１ｂ  ゲート
６１ａ  第１ｎ型領域
６１ｂ  第２ｎ型領域
６２  第３ｎ型領域
【図１】
2014204106.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014204106.tif 000009
【図８】
2014204106.tif 000010
【図９】
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