(57)【要約】  ２つの強磁性層をこれらの層の間に非磁性中間層がない状態に備えるスピントロニクス素子。２つの強磁性層は、１つ以上の外部磁界の適用、および／または電流誘起スイッチングの採用、および／または光スピンポンピングの適用のようなさまざまな手段、しかしこれらに限定されることのないさまざまな手段によって、独立して切り換えることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの強磁性層をこれらの層の間に非磁性中間層がない状態に備え、２つの強磁性層は、１つ以上の外部磁界の適用、および／または電流誘起スイッチングの採用、および／または光スピンポンピングの適用のようなさまざまな手段、しかしこれらに限定されることのないさまざまな手段によって、独立して切り換えることができる、スピントロニクス素子。
【請求項２】
２つの強磁性層の採用を備え、２つの強磁性層の磁化は、それぞれが関連する層の平面において双方で行われ、互いに平行であるかあるいは逆平行であるように基本的に制御可能である、請求項１に記載のスピントロニクス素子。
【請求項３】
２つの強磁性層の採用を備え、２つの強磁性層の磁化は、それぞれが関連する磁性層の平面において一方であるいは双方で行われるかあるいは行われることなく、少なくとも２つの、そして好ましくは３つ以上の安定磁気構造を有するように基本的に制御可能である、請求項１または２に記載のスピントロニクス素子。
【請求項４】
２つの強磁性層の採用を備え、異なる安定磁気状態は、一方および／または双方の層におけるかつ／または全体としての素子における異なる電気抵抗状態に直接相関している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項５】
２つの強磁性層の採用を備え、強磁性層は、一方の層が基本的に金属性であり他方の層が半導体であるがこれに限定されることのない基本的に非金属性であるがこれらに限定されることのない、異なる材料特性のものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項６】
２つの強磁性層の採用を備え、強磁性層は、類似しており、かつ、一層優先的には同一の材料特性のものであり、２つの強磁性層どうしの境界が、材料および／または磁気異方性の変化によって画定されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項７】
２つの強磁性層の採用を備え、２つの強磁性層どうしの境界は、上下に形成されているこれら２つの層によって作成されており、かつ／または、共通の基板の上のような箇所であるがこれに限定されることのない箇所に互いに隣接して形成されているこれら２つの層によって作成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項８】
第２強磁性領域の作成が、直接作成によって、かつ／または、第１強磁性領域の少なくとも一部の適合によって行われ得る、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項９】
トンネル異方性磁気抵抗を示す装置として作用する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項１０】
スピンバルブ装置として使用するための、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子を含む装置。
【請求項１２】
ＧＭＲ、ＴＭＲのようなものであるがこれらに限定されることのない、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子を含む装置。
【請求項１３】
ＧＭＲ、ＴＭＲのようなものであるがこれらに限定されることのない、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
ＴＡＭＲ型装置の作動を室温以上で可能にする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピントロニクス素子。
【請求項１５】
強磁性半導体の使用に基づくスピントロニクス素子であって、半導体の磁気特性をより高い温度まで拡張するために強磁性被覆層が使用されている、スピントロニクス素子。
【請求項１６】
２つの強磁性層は、一方が他方の上に積層され、一方の層は強磁性金属層であり、他方の層は強磁性半導体層であり、これらの層は独立して切り換えられる、請求項１に記載のスピントロニクス素子。
【請求項１７】
強磁性金属層は、パーマロイ、特にＮｉＦｅ（簡略形：Ｐｙ）であり、強磁性半導体層は、ＧａＭｎＡｓである、請求項１６に記載のスピントロニクス素子。
【請求項１８】
強磁性半導体層は、薄膜、特にＧａＡｓ基板の緩衝層の上に成長したＭＢＥであり、強磁性金属層は、厚さが１〜５ナノメートル、特に１．５〜２．５ナノメートルのＰｙ層である、請求項１６または１７に記載のスピントロニクス素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
スピントロニクスの原理に基づいた、すなわち、電子の電荷ではなく電子のスピンの位置および符号を支配下にある有数の因子として使用する電子装置の製造において、このような装置には「スピンバルブ」と呼ばれる素子が含まれていることがある。スピンバルブは、スピン偏極電流を流すかあるいは流さないための電気回路の一部を形成する、バルブの一部分の機能を制御することによって、従来、機能を発揮している。この制御は、典型的には導電部の中にスピン偏極電流を流すかあるいは流さないようなやり方で磁界を作り出すとともに変化させるバルブの他の部分によって行われる。
【背景技術】
【０００２】
このような装置は、強磁性金属システムにおいて知られているとともに、２つの金属性強磁性層を含み、その一方は磁性状態を制御し、従って他方の中に電流を流すが、このような装置は、例えば磁気記録媒体で採用された読取ヘッドにおける「巨大磁気抵抗（giant magneto-resistive（ＧＭＲ））素子」として、商業的に入手可能なものである。類似の装置もまた知られており、これらの装置は強磁性半導体システムにおいて説明されてきており、これらの装置は２つの強磁性層を採用して作られてきており、ここで、第１強磁性層は金属性システムであり、第２強磁性層は非金属性システムである。この効果はスピントロニクスにおけるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗（tunneling magneto-resistive））装置の中にも使用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これまでに説明したそのようなシステムの全ては、実際には３つの層からなり、２つの磁性層は非磁性「障壁」層によって分離されている。この障壁層は、基本的には従来のそのようなシステムの全てに存在しており、２つの磁性層の間の相互作用が制御可能であって、これらは磁性的に単一層として作用しないように、２つの磁性層を磁性的に分離するように機能する。この障壁層は、典型的には、金属性ＧＭＲ試料では銅あるいは類似のものから、金属性ＴＭＲ構造体ではＡｌＯＸのような絶縁体から、あるいは半導体ＴＭＲ装置では無ドープ半導体から構成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示では新規な効果が観察され、２つの強磁性材料、すなわち１つの金属性材料と１つの半導体材料、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ、簡略形：Ｐｙ）とＧａＭｎＡｓとは、その一方が他方の上に直接積層されるが、独立して切り換えることができる。
【０００５】
これは、きわめて興味深い効果であり、それぞれの材料における担体（ＮｉＦｅについては電子、ＧａＭｎＡｓについては正孔）が異なっており、２つの層を直接接触させることはこれら２つの層が磁性的に単一層として作用することに結び付かないという事実から生じると信じられている。
【０００６】
それはまた、このような装置について必要であるとかつて考えられた非磁性中間層をなくすことができるので、商業的に有用な効果でもあり、２層装置が、一層安価であり、高速であり得、より高い効率を有し、ノイズ特性に対するよりよい信号を有する。
【０００７】
層の磁気配向に左右される、このようなＧＭＲ／ＴＭＲ装置について異なった抵抗をもたらす磁気抵抗現象のための電荷輸送は、界面の性質によって決まり、この界面を介する電荷輸送がオーム特性を有する装置については、それはＧＭＲ型構造をもたらし、これに対して、界面にショットキー障壁あるいはｐ−ｎ障壁が存在しているときには、その装置はＴＭＲとして作用する。
【０００８】
上記のことにかかわらず、ＧａＭｎＡｓおよび他のシステムにおいて、２つの層の磁化が平行でも逆平行でもないが一層複雑な幾何学的関係を有する状態をもたらすことができ、これらのうちの最も簡単なものには、材料層の平面に残っているがある角度だけ、例えば９０度だけずれている２つの磁化が含まれ、一層複雑なものには、材料の平面（一方あるいは両方の平面）に存在しない磁化が含まれる。このような一層複雑な幾何学的事例では、これまでに知られている装置の２つの安定状態に比べて、システムが３つ以上の安定状態を有する作用的挙動が導かれる。これらの３つ以上の状態は、これまで説明された基本的に２値の装置よりも複雑な計算のために直接利用することができる。加えて、トンネル異方性磁気抵抗（tunneling anisotropic magnetoresistance（ＴＡＭＲ））を示す材料からより低い準位が作られる場合、ＴＡＭＲ素子もまた存在していることがあり、これによって、作用可能状態の数がより一層潜在的に増大する。
【０００９】
本発明は、図面に示された実施形態の詳細な説明と関連して例示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者らは、問題の発明における一実施形態の詳細な技術的説明をここに提供する。試料は、標準的なＧａＡｓ基板および緩衝層の上に積層された２つの活性層から構成されている。緩衝層の上に成長した第１層は、ＭＢＥ（薄膜形成（molecular beam epitaxy））によって成長したＧａＭｎＡｓの薄膜である。これは、現場でＧａＭｎＡｓの上に積層されたＰｙの約２ｎｍ層に続くものである（すなわち、試料は、ＵＨＶ（超高真空（ultra high vacuum））条件の下でＭＢＥ成長チャンバからＰｙスパッタリングチャンバまで輸送される）。Ｐｙは、層の中に磁気異方性を作り出すマグネトロンスパッタリングによって積層される。Ｐｙ層は、厚さが１〜５ナノメートルの間で、好ましくは１．５〜２．５ナノメートルの間で特に選択することができる。
【００１１】
バルク材料は、それぞれの層における磁化方向が独立的に変更され得るということを確認するために、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計（superconducting quantum interference device））磁気測定によってまず特徴付けられる。このことは、図１〜図６において証拠付けられている。
【００１２】
図１は、これらの試料における複数の縁部（edges）の１つに沿った（すなわち、１１０結晶方向（ｘ軸１、ｙ軸１、ｚ軸０の結晶方向））１３０Ｋおよび４．３Ｋでの二重層の磁界の関数としての磁化曲線を示している。１３０Ｋは本発明者らのＧａＭｎＡｓのキュリー温度（約７０Ｋ）よりもかなり高いので、その曲線の上に見られるただ１つのモーメント（磁気モーメント（Ｍ））は、磁化容易軸に沿ったＰｙのそれである。より低い温度では、本発明者らは、ＧａＭｎＡｓからの付加的寄与を第２切換事象の形態で認める。（１３０ＫのＣｏＦｅループにおける非対称交差は、予備的特性指摘のために利用された測定磁界解像度のアーチファクトであって、実質的な効果ではない。）
【００１３】
図２および図３には、それぞれのＧａＭｎＡｓ磁化容易軸（１００および００１、成長は００１に沿っている）に沿う４．３Ｋでの磁化曲線を示している。両者は類似しており、この構成では、２つの層の独立的性質が明らかになる。Ｐｙは一軸のものであり、測定はもはやその磁化容易軸に沿っていないため、明らかな切換の代わりに、本発明者らはここでは、０の前において約１００エルステッドで始まるとともに０の後において約４０エルステッドで終わる、この層の漸進的回転を認める。このことは、測定がＧａＭｎＡｓ磁化容易軸に沿っているため比較的突然の切換で、約５０エルステッドでのＧａＭｎＡｓの切換によってもたらされる。また、図２よりも図３で一層わかるように、７５エルステッド近傍でのＧａＭｎＡｓ切換におけるわずかな変曲にも留意されたい。このことは、ＧａＭｎＡｓ層の「二段階」切換である可能性がきわめて大きく、おそらく、測定が磁化容易軸からわずかにずれているということを示唆している。
【００１４】
図４は、ＧａＭｎＡｓ磁化容易軸の１つに沿う温度依存性を示しており、これらの曲線は、４．３Ｋから８０Ｋまで、ほぼ２０Ｋごとに、ＧａＭｎＡｓがＴｃ（キュリー温度（約７０Ｋ））に近いときにＧａＭｎＡｓの寄与がどのようにしてなくなるかを示している。このことは、図５において一層明確にされており、図では、ＧａＭｎＡｓ磁化容易軸に沿った試料の自発磁化が温度の関数としてプロットされている。８０Ｋよりも上で見られる比較的一定の寄与は、この範囲では温度依存性がほとんどないＰｙのモーメントである。ＧａＭｎＡｓの寄与は、本発明者らがそのＴｃへ到達したときになくなるが、このグラフではその温度が約７２Ｋであることが示されている。
【００１５】
最後に、図６は、予想されたように、本発明者らの試料が強い平面内異方性を有することを表す、平面外モーメントが平面内モーメントの約１０％にすぎないこと（図６のｙ目盛り（Ｍ）を参照）を示している、平面に対する垂直磁化を示している。
【００１６】
本発明者らはここで試料の電荷輸送特性指摘へ戻るが、これは図７〜図１３において立証されている。
【００１７】
図７および図８は、別々の２つの装置について適用された磁界ゼロでの層の積み重ねを介する垂直輸送測定値の電流−電圧を示している。第１のものは非線形の挙動を有しており、これに対して第２のものは線形である。これらの柱における抵抗の差にもかかわらず、両方の装置は、この幾何学的構成が、適切な界面最適化の下において、オーム（ＧＭＲ）モードおよびトンネル（ＴＭＲ、ＴＡＭＲ）モードの両方で作用することができる可能性があるということをおそらく示唆している類似した磁気抵抗を表している。
【００１８】
図９は、磁界を適用することで生じる磁気抵抗を示している。この磁界は、試料の平面において、またさまざまな角度で適用される。図からわかるように、試料は、角度の関数としての挙動の豊富な展開を伴って全ての角度で著しいＭＲ（磁気抵抗（magnetoresistance））を示している。これらのプロットから、この装置の抵抗は、これら２つの層における磁化の方向（相対的かつ絶対的な）への帰結であることがわかる。信号の一部は、図１０の飽和プロットと図１１の部分極座標プロットとによって示唆されたように、疑いもなくＧａＭｎＡｓにおけるＴＡＭＲ効果によるものであるが、ＧａＭｎＡｓにおける純粋なＴＡＭＲと矛盾する付加的寄与が残り、Ｐｙの寄与かあるいはこれら２つの層の間における相互作用からの寄与かのいずれかに強制的に由来する。なお、図１１において、Ｂは磁束密度を示す。
【００１９】
Ｐｙ層に由来するＭＲの一部がＧａＭｎＡｓのキュリー温度を超えて残ることを予備的測定が示唆している点に留意することもまた興味深い。図１２および図１３は、６０Ｋおよび８０Ｋでの飽和ファイスキャン（φスキャン）を示している。らせんの外側アームはこれらの予備的測定における制御不充分な温度安定性からの長期温度ドリフトに由来するが、図１２にはっきりと認められる内側円の偏心率は真正のものであり再現可能である。それは、図１３の８０Ｋのデータにおいて、明らかであると考えられていないが、まだ可視的であり、ここで、そのデータは、別の色で２回プロットされており、プロットの一方は９０度だけ回転されて、上記偏心率が一層明白になっている。
【００２０】
ＧａＭｎＡｓのＴｃを超えた上記効果の一部のこのような残存は、この層の内在的特性のためかあるいは半導体の中のＭｎ原子に対するＰｙの作用によるかのいずれかのために、Ｐｙに関連しているということを示唆しているともに、室温を超える温度でＴＡＭＲを押し上げる方法を表し得る。
【００２１】
図９の右側における記号は、図９の左側におけるグラフについて言及している。最上部から最下部までの一連の記号は、最上部から最下部までの一連のグラフに対応している。一例として、Ｍ６Ｒ０＿Ｅについての記号は、最上部に認められる第１グラフに関するものであり、記号Ｍ６Ｒ１＿Ｅは、最上部に認められる第２グラフに関するものであり、以下、同様である。記号Ｍ６Ｒ１８＿Ｅは、最下部におけるグラフである最後のグラフに言及するものである。
【００２２】
図１１における参照符号１１０は、図１１の記号に表されたように、第１ジャンプに関するものであり、参照符号１１２は、最終ジャンプに関するものである。
【００２３】
図１３における参照符号１３０はＭ１０Ｒ０＿Ｅグラフに関するものであり、参照符号１３２はＭ１０Ｒｒｏｔａｔｅｄ９０＿Ｅグラフに関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の試料における１つの縁部に沿った１３０Ｋおよび４．３Ｋでの二重層の磁界の関数としての磁化を示すグラフ、即ち磁化曲線を示すグラフである。
【図２】ＧａＭｎＡｓ磁化容易軸（１００、成長は００１に沿っている）に沿う４．３Ｋでの磁化曲線を示すグラフである。
【図３】ＧａＭｎＡｓ磁化容易軸（００１、成長は００１に沿っている）に沿う４．３Ｋでの磁化曲線を示すグラフである。
【図４】ＧａＭｎＡｓ磁化容易軸の１つに沿う温度依存性を示しており、これらの曲線は、４．３Ｋから８０Ｋまで、ほぼ２０Ｋごとに、ＧａＭｎＡｓがＴｃに近いときにＧａＭｎＡｓの寄与がどのようにしてなくなるかを示す磁化曲線のグラフである。
【図５】試料のＧａＭｎＡｓ磁化容易軸に沿う自発磁化のプロットを温度の関数として示したグラフである。
【図６】平面外モーメントが平面内モーメントの約１０％にすぎないことを示している、平面に対する垂直磁化を示すグラフである。
【図７】１つの装置について適用された磁界ゼロでの層の積み重ねを介する垂直輸送測定値の電流−電圧を示すグラフである。
【図８】別の１つの装置について適用された磁界ゼロでの層の積み重ねを介する垂直輸送測定値の電流−電圧を示すグラフである。
【図９】磁界を適用することで生じる磁気抵抗を示すグラフである。
【図１０】飽和プロットを示すグラフである。
【図１１】部分極座標プロットを示すグラフである。
【図１２】６０Ｋでの飽和ファイスキャンを示すグラフである。
【図１３】８０Ｋでの飽和ファイスキャンを示すグラフである。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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