(57)【要約】【課題】  スピン注入によってフリー層の磁化の向きを制御可能なスピンデバイスを提供する。【解決手段】  スピンデバイス１においては、副トンネル障壁Ｆが、非磁性金属層Ｄから強磁性層Ｅに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層Ｃ内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層Ｃの磁化の向きの制御を行うことが可能となる。絶縁層としての副トンネル障壁Ｆを構成する材料がＺｎＯである場合には、副トンネル障壁Ｆのトンネル抵抗を低くすることが可能なので、その影響を抑制し、他方のトンネル障壁層Ｂに関する磁気抵抗変化を読み出すのに有利である。【選択図】  図１
2008166608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。
【請求項２】
前記強磁性層と前記副トンネル障壁の間に第２の非磁性金属層を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスピンデバイス。
【請求項３】
注入されるスピンによって磁化の向きが変化するフリー層を有するスピンデバイスであって、ピンド層、トンネル障壁層、前記フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記フリー層と前記非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。
【請求項４】
ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記強磁性層の前記非磁性金属層とは反対側に副トンネル障壁と第２の強磁性層とを順次を備えたことを特徴とするスピンデバイス。
【請求項５】
ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、第１の非磁性金属層及び第２の非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記第１の非磁性金属層と前記第２の非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。
【請求項６】
ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記非磁性金属層と前記フリー層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。
【請求項７】
前記副トンネル障壁は、ＭｇＯ、ＺｎＯ及びＡｌＯｘ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５からなる絶縁体群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピンデバイス。
【請求項８】
前記副トンネル障壁は、絶縁層、又は、半導体層を挿入することで半導体と金属との接触面に生じるショットキ障壁から構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスピンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子を備えたスピンデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子は、ハードディスクのヘッドやＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）等のスピンデバイスに利用できるものとして知られている。ＴＭＲ素子の基本構造は、トンネル障壁を構成する絶縁層を２つの強磁性体で挟んだものであり、双方の強磁性体の磁化の向きが同一であれば、抵抗が小さくなることで偏極スピン電子の通過量が大きくなり、双方の強磁性体の磁化の向きが逆向きであれば、抵抗が大きくなることで偏極スピン電子の通過量が小さくなる。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、ＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｐｌａｎｅ）型のＭＲ素子が積層されてなるデュアル構造のＴＭＲ素子が開示されている。この素子によれば、２つのＭＲ素子を積層しているため、偶然に、フリー層に２つのトンネル障壁層が接触することとなっているが、本発明との関連性は少ない。
【特許文献１】特開２００２−１５７７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図９は、比較例となるＴＭＲ素子を備えたスピンデバイスの縦断面構造を示す図である。
【０００５】
このスピンデバイスにおいては、一方向の磁化の向きを有するピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層（軟磁性の強磁性体）Ｃ、非磁性金属層Ｄ、上記とは逆方向の磁化の向きを有する強磁性層（スピンフィルター層）Ｅを順次積層してある。なお、積層の順序は逆であってもよい。ピンド層Ａに注入された電子のうち、一方向のスピンを有する電子はトンネル障壁層Ｂを通過して、フリー層Ｃ内に流れる。フリー層Ｃに注入された偏極スピンの一部分は、そのスピン磁気モーメントをフリー層Ｃに与え、非磁性金属層Ｄ及び強磁性層Ｅ内に流れる。
【０００６】
前者の三層Ａ，Ｂ，Ｃを電子を通過する場合には、ＴＭＲ効果が生じるため、トンネル障壁層Ｂは、アップ及びダウンの各スピンに対して所定の磁気抵抗を有することとなる。後者の三層Ｃ，Ｄ，Ｅを電子が通過する場合には、ＧＭＲ効果が生じるため、非磁性金属層Ｄは、各スピンに対して所定の磁気抵抗を有することとなる。
【０００７】
ピンド層Ａからトンネル障壁層Ｂを介してフリー層Ｃに注入された偏極スピンによって、フリー層Ｃに大きなスピン磁気モーメントが与えられるので、これによってフリー層Ｃの磁化の向きを制御することが可能となる。これはスピン注入法と言われる。後者の三層Ｃ，Ｄ，Ｅは特定の偏極スピンが素子から抜けていく確率を減少させている。
【０００８】
図１０は、図９に示したスピンデバイスの等価回路である。
【０００９】
同図において、Ｒ１はトンネル障壁層Ｂのアップスピンの電子に対する抵抗、Ｒ２はトンネル障壁層Ｂでのダウンスピンの電子に対する抵抗、Ｒ３は強磁性層Ｅのアップスピンの電子に対する抵抗、Ｒ４は強磁性層Ｅでのダウンスピンの電子に対する抵抗、Ｒ５はフリー層Ｃのスピン抵抗であってフリー層のスピンの吸収し難さを示している。
【００１０】
スピンデバイスの両端には、電位Ｖと０がそれぞれ与えられ、各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、Ｒ５には、スピン電流（電子流）Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５がそれぞれ流れる。電位Ｖは、負である。
【００１１】
同図中のＩ５はフリー層Ｃで吸収されるスピン流であり、これはフリー層Ｃが吸収するスピン磁気モーメントに比例している。フリー層Ｃで吸収されたスピン磁気モーメントの一部はフリー層Ｃの磁化の変化を引き起こす。
【００１２】
強磁性層Ｅが通常のＣｏＦｅなどの強磁性金属の場合、強磁性層Ｅのアップスピン電流Ｉ３に対する抵抗Ｒ３が小さいので、多くのスピン流がフリー層Ｃに吸収されることなく強磁性層Ｅから流出してしまう。
【００１３】
なお、フリー層Ｃにおいて吸収されるスピン流Ｉ５は、以下の式で与えられる。
【数１】
2008166608.tif 000003
【００１４】
この式から、抵抗Ｒ３が小さい場合、スピン流Ｉ５が小さくなり、フリー層Ｃに多くのスピンを吸収させ、フリー層Ｃの磁化の向きを制御することができなくなることが分かる。
【００１５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、スピン注入によってフリー層の磁化の向きを制御可能なスピンデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の課題を解決するため、本発明は以下のスピンデバイスを提供する。
【００１７】
第１の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、非磁性金属層と強磁性層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。
【００１８】
このスピンデバイスにおいては、トンネル障壁層をピンド層及びフリー層によって挟むことにより、ＴＭＲ素子として機能している。副トンネル障壁が、非磁性金属層から強磁性層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００１９】
第２の発明に係るスピンデバイスは、上記スピンデバイスにおいて、強磁性層と副トンネル障壁の間に第２の非磁性金属層を備えている。このように第２の非磁性金属層が強磁性層と副トンネル障壁との間に介在している場合においても、副トンネル障壁が、非磁性金属層から強磁性層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００２０】
第３の発明に係るスピンデバイスは、注入されるスピンによって磁化の向きが変化するフリー層を有するスピンデバイスであって、ピンド層、トンネル障壁層、前記フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、フリー層と非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。
【００２１】
この構造の場合、副トンネル障壁が、フリー層と非磁性金属層との間に介在しているため、副トンネル障壁が、フリー層から非磁性金属層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００２２】
第４の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、強磁性層の非磁性金属層とは反対側に副トンネル障壁と第２の強磁性層とを順次を備えたことを特徴とする。
【００２３】
この構造の場合、副トンネル障壁及び第２の強磁性層が、第１の強磁性層から流出しようとする特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００２４】
第５の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、第１の非磁性金属層及び第２の非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、第１の非磁性金属層と第２の非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。
【００２５】
このスピンデバイスにおいては、トンネル障壁層をピンド層及びフリー層によって挟むことにより、ＴＭＲ素子として機能している。副トンネル障壁が、第１の非磁性金属層から第２の非磁性金属層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００２６】
第６の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、非磁性金属層とフリー層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。
【００２７】
このスピンデバイスにおいては、トンネル障壁層をピンド層及びフリー層によって挟むことにより、ＴＭＲ素子として機能している。副トンネル障壁が、非磁性金属層とフリー層との間に介在しているので、フリー層から非磁性金属層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００２８】
第７の発明に係るスピンデバイスにおいて、副トンネル障壁は、ＭｇＯ、ＺｎＯ及びＡｌＯｘ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５からなる絶縁体群から選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする。ＭｇＯはトンネル抵抗のスピン依存性が大きいので、スピン分極率を向上させることができる。ＺｎＯは副トンネル障壁のトンネル抵抗を低くすることが可能なので、その影響を抑制し、他方のトンネル障壁層に関する磁気抵抗変化を読み出すのに有利である。Ａｌ２Ｏ３等のＡｌＯｘは、手軽に利用できる絶縁体として知られているため、コストを低下することができる。
【００２９】
第８の発明に係るスピンデバイスは、前記副トンネル障壁は、絶縁層、又は、半導体層を挿入することで半導体と金属との接触面に生じるショットキ障壁から構成されることを特徴とする。ショットキ障壁は、絶縁層の代わりに、これに隣接する金属層に接触する半導体層を挿入すれば形成することができる。副トンネル障壁を絶縁層から形成した場合には、厚みが正確に制御された層を形成することができるため、特性バラツキが抑制されたスピンデバイスとなるという利点がある。副トンネル障壁が半導体層を挿入することで形成するショットキ障壁からなる場合、挿入する半導体材料に応じてショットキ障壁の種類を変えることができるという利点がある。
【００３０】
なお、上述の発明において、積層の順序は逆であってもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のスピンデバイスによれば、スピン注入によってフリー層の磁化の向きを制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、実施の形態に係るスピンデバイスについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
【００３３】
図１は、第１の実施形態に係るＴＭＲ素子を備えたスピンデバイス１の縦断面構成を示す図である。
【００３４】
スピンデバイス１は、ピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層Ｃ、非磁性金属層Ｄ及び強磁性層（スピンフィルタ層）Ｅを順次積層してなり、非磁性金属層Ｄと強磁性層Ｅとの間に副トンネル障壁Ｆを備えている。なお、各実施形態において、積層の順序は逆であってもよい。また、各図面に示される如く、隣接する層は接触している。
【００３５】
一方向の磁化の向き（＋Ｙ方向とする）ＦＡを有するピンド層Ａに注入された電子のうち、一方向のスピンを有する電子（負電荷を有する）は、トンネル障壁層Ｂを通過して、フリー層Ｃ内に流れる。フリー層Ｃに注入された偏極スピンの一部分は、そのスピン磁気モーメントをフリー層Ｃに与え、フリー層Ｃの磁化の向きＦＣを変更し、続いて、非磁性金属層Ｄ、副トンネル障壁Ｆ及び逆の磁化の向きＦＥ（−Ｙ方向）を有する強磁性層Ｅを順次に流れて外部に流出する。注入された電子は、Ｘ方向に沿って各層内を伝導する。
【００３６】
スピンデバイス１においては、トンネル障壁層Ｂをピンド層Ａ及びフリー層Ｃによって挟むことにより、ＴＭＲ素子として機能している。フリー層Ｃの磁化の向きＦＣが、ピンド層Ａの磁化の向きＦＡと同一（＋Ｙ方向）の場合、ＴＭＲ素子を通過する電子量は多くなり、フリー層Ｃの磁化の向きＦＣが、ピンド層Ａの磁化の向きＦＡとは逆向き（−Ｙ方向）の場合、ＴＭＲ素子を通過する電子量は少なくなる。
【００３７】
磁化の向きＦＣは、スピン注入によって制御されるので、情報の書き込み電流として、多量の偏極スピンをピンド層Ａからフリー層Ｃに注入した場合には、フリー層Ｃの磁化の向きＦＣがピンド層Aの磁化の方向を向き、この後、読み出し出し電流として、少量の偏極スピンをピンド層Ａからフリー層Ｃに注入した場合には、大きな電子流が検出されることとなる（磁気抵抗は小さくなる）。一方、逆向きの偏極スピンを有する電子を強磁性層Ｅからフリー層Ｃに注入し、注入された電子のスピン偏極とは逆向きのスピン偏極を有する電子をピンド層から流出させた場合には、フリー層Ｃの磁化の向きＦＣがピンド層Aの磁化と反平行になり、この後、読み出し出し電流として、少量の偏極スピンをピンド層Ａからフリー層Ｃに注入した場合には、小さな電子流が検出されることとなる（磁気抵抗は大きくなる）。
【００３８】
スピンデバイス１においては、副トンネル障壁Ｆが、非磁性金属層Ｄから強磁性層Ｅに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層Ｃ内で吸収される特定の偏極スピンの電子量が増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層Ｃの磁化の向きの制御を行うことが可能となる。強磁性層Ｅとは逆向きの偏極スピンは、副トンネル障壁Ｆによって反射されるが、同極性の偏極スピンは副トンネル障壁Ｆを透過する。なお、これとは逆向きのスピン注入を行った場合には、ピンド層Ａとフリー層Ｃとの間に位置するトンネル障壁層Ｂが、ピンド層Ａとは逆極性の偏極スピンを反射する。
【００３９】
上述の比較例のスピンデバイスにおいて、フリー層Ｃへのスピン注入効率を上げるには、スピン蓄積電位を大きくする必要がある。しかしながら、上述の比較例の構造ではそれが十分ではない。その理由はフリー層Ｃのトンネル障壁層Ｂに接する面とは反対側の金属と接する面からスピン流が流出するからである。上述の比較例では、フリー層Ｃのトンネル障壁層Ｂに接する面とは反対側の面に対向して、スピンフィルター層として強磁性層Ｅを設けているが、強磁性金属からなる強磁性層Ｅを用いた場合には、強磁性層Ｅの少数スピンに対する抵抗が十分でないので、スピン流の多くが流出してしまう。これとは逆向きに電流を流して、逆向きのスピン注入を行う場合においては、強磁性体層Eの少数スピンに対する抵抗が十分でないので、フリー層Cでのスピン蓄積電位が大きくならないためにフリー層Cで吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが小さい。このためにフリー層Cに吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが小さいのでスピン注入効率が低い。
【００４０】
一方、実施の形態に係るスピンデバイスにおいては、副トンネル障壁Ｆが設けられておる。副トンネル障壁Ｆを通過する際の強磁性体の多数スピンを持つ電子と少数スピンを持つ電子のトンネルコンダクタンスの比は、トンネル層の両側の強磁性体の多数スピンを持つ電子のフェルミ面での状態密度の積と、トンネル層の両側の強磁性体の少数スピンを持つ電子のフェルミ面での状態密度の積の比と見積もられる。また、トンネルコンダクタンスは強磁性体金属のコンダクタンスよりもかなり小さい。従って、トンネル抵抗を加えた、多数スピンの電子と少数スピンの電子に対する強磁性層Ｅの抵抗の差は副トンネル障壁Ｆを挿入しない場合に比べて大きくなる。これにより、スピン流が逃げることが無くなり、注入したスピン流は有効にフリー層Ｃに吸収され、フリー層の磁化の変化に使われることとなる。
【００４１】
ピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層Ｃ、非磁性金属層Ｄ及び強磁性層Ｅの材料及び好適な厚みの範囲は以下の通りである。
【表１】
2008166608.tif 000004
【００４２】
特に、非磁性金属層Ｄの厚みは、強磁性層Eとフリー層Cの磁気的結合を防止するという理由から、上述の範囲に設定されることが好ましい。
【００４３】
なお、ピンド層Ａ及び又は強磁性層Ｅは、磁化の向きを固定するため、それぞれ強磁性層単体、又は、強磁性層及びこれにＩｒＭｎなどの反強磁性層が交換結合した層からなることとしてもよい。
【００４４】
図２は、図１に示したスピンデバイスの等価回路である。
【００４５】
同図において、Ｒ１はトンネル障壁層Ｂのアップスピンの電子に対する抵抗、Ｒ２はトンネル障壁層Ｂでのダウンスピンの電子に対する抵抗、Ｒ３’は強磁性層Ｅのアップスピンの電子に対する抵抗、Ｒ４は強磁性層Ｅでのダウンスピンの電子に対する抵抗、Ｒ５はフリー層Ｃのスピン抵抗であってフリー層のスピンの吸収し難さを示している。
【００４６】
スピンデバイスの両端には、電位Ｖと０がそれぞれ与えられ、各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３’，Ｒ４、Ｒ５には、スピン電流（電子流）Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３’，Ｉ４，Ｉ５がそれぞれ流れる。同図の電位Ｖは、負である。
【００４７】
同図中のＩ５はフリー層Ｃで吸収されるスピン流であり、これはフリー層Ｃが吸収するスピン磁気モーメントに比例している。フリー層Ｃで吸収されたスピン磁気モーメントの一部はフリー層Ｃの磁化の変化を引き起こす。
【００４８】
非磁性金属層Ｄと強磁性層Ｅとの間には副トンネル障壁Ｆが挿入されており、電子は非磁性金属層Ｄと強磁性層Ｅの界面でスピン依存トンネルを起こすので、大きなスピン依存抵抗が生じる。その結果、Ｒ３’を大きくすることが出来る。
【００４９】
なお、フリー層Ｃにおいて吸収されるスピン流Ｉ５は、以下の式で与えられる。
【数２】
2008166608.tif 000005
【００５０】
この式から、抵抗Ｒ３’が大きい場合、スピン流Ｉ５が大きくなるので、スピン注入の効率が向上することが分かる。
【００５１】
なお、第１の実施形態及び以下の実施形態において、トンネル障壁Ｆは、トンネル効果が生じる厚みの絶縁層からなることが望ましいが、これは半導体層とこれに接触する（非磁性）金属層から構成されるショットキ障壁によって構成することとしてもよい。ショットキ障壁は、絶縁層の代わりに、これに隣接する金属層に接触する半導体層を挿入すれば形成することができる。すなわち、トンネル障壁Ｆの位置に半導体層を挿入し、非磁性金属層Ｄなどとの接触面にショットキ障壁を形成する。副トンネル障壁Ｆは、絶縁層又はショットキ障壁から構成される。副トンネル障壁Ｆを絶縁層から形成した場合には、厚みが正確に制御された層を形成することができるため、特性バラツキが抑制されたスピンデバイスとなるという利点がある。副トンネル障壁Ｆがショットキ障壁からなる場合、半導体材料に応じてショットキ障壁の種類を変えることができるという利点がある。
【００５２】
半導体材料としては、例えばＳｉを用いることができ、ｎ型のＳｉに対してショットキ障壁を構成する金属としては、φをショットキ障壁高さとして、Ａｌ（φ＝０．７２Ｖ），Ｍｏ（φ＝０．６８Ｖ），Ｐｔ（φ＝０．９０Ｖ），Ｗ（φ＝０．６７Ｖ），ＴｉＳｉ２（φ＝０．６０Ｖ）、ＷＳｉ２（φ＝０．６５Ｖ），Ａｕ（φ＝０．８０Ｖ）などが知られており、ｐ型のＳｉに対しては、Ａｌ（φ＝０．５８Ｖ），Ｍｏ（φ＝０．４２Ｖ），Ｗ（φ＝０．４５Ｖ）、Ａｕ（φ＝０．３４Ｖ）などが知られている。ショットキ障壁を利用する場合には、これらの金属を隣接する非磁性金属層に用いればよい。
【００５３】
また、絶縁層としての副トンネル障壁Ｆを構成する材料がＭｇＯである場合には、トンネル抵抗のスピン依存性が大きいので、スピン分極率を向上させることができる。この材料がＺｎＯである場合には、副トンネル障壁Ｆのトンネル抵抗を低くすることが可能なので、その影響を抑制し、他方のトンネル障壁層Ｂに関する磁気抵抗変化を読み出すのに有利である。Ａｌ２Ｏ３等のＡｌＯｘは、手軽に利用できる絶縁体として知られているため、コストを低下することができる。これらの材料はトンネル障壁層Ｂに用いることができる。副トンネル障壁Ｆは、ＭｇＯ、ＺｎＯ及びＡｌＯｘ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５からなる絶縁体群から選択された少なくとも１種を含む。
（第２の実施形態）
【００５４】
図３は、第２の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【００５５】
このスピンデバイス１は、第１の実施形態のスピンデバイス１において、強磁性層Ｅと副トンネル障壁Ｆの間に第２の非磁性金属層Ｇを備えている。このように第２の非磁性金属層Ｇが強磁性層Ｅと副トンネル障壁Ｆとの間に介在している場合においても、副トンネル障壁Ｆが、非磁性金属層Ｄから強磁性層Ｅに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層Ｃ内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、従来では不可能であったスピン注入によるフリー層Ｃの磁化の向きの制御を行うことが可能となる。
【００５６】
なお、第２の非磁性金属層Ｇの好適な厚みの範囲は、伝導電子のスピン偏極率が減衰しないためという理由から、その非磁性金属層Gのスピン拡散長以下である。なお、非磁性金属層Ｇと強磁性層Ｅとの間の電子伝導が弾性的であれば、第１の実施形態と同様の作用・効果が得られる。また、等価回路も同様に表される。
（第３の実施形態）
【００５７】
図４は、第３の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【００５８】
このスピンデバイス１は、注入されるスピンによって磁化の向きＦＣが変化するフリー層Ｃを有し、ピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層Ｃ、非磁性金属層Ｄ及び強磁性層Ｅを順次積層してなり、フリー層Ｃと非磁性金属層Ｄとの間に副トンネル障壁Ｆを備えている。
【００５９】
この構造の場合、副トンネル障壁Ｆが、フリー層Ｃと非磁性金属層Ｄとの間に介在しているため、副トンネル障壁Ｆが、フリー層Ｃから非磁性金属層Ｄに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、従来では不可能であったスピン注入によるフリー層Ｃの磁化の向きＦＣの制御を行うことが可能となる。
【００６０】
本実施形態のスピンデバイス１は、第１の実施形態のスピンデバイスとは、副トンネル障壁Ｆの挿入位置のみが異なる。なお、非磁性金属層Ｄの好適な厚みの範囲は、伝導電子のスピン偏極率が減衰しないためという理由から、その非磁性金属層Gのスピン拡散長以下である。なお、非磁性金属層Ｄと強磁性層Ｅとの間の電子伝導が弾性的であれば、第１の実施形態と同様の作用・効果が得られる。また、等価回路も同様に表される。また、非磁性金属層Ｄと強磁性層Ｅとの界面においては、特定の偏極スピンの電子の通過を選択するスピンフィルター効果が生じており、スピン分極率が向上している。
（第４の実施形態）
【００６１】
図５は、第４の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【００６２】
このスピンデバイス１は、ピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層Ｃ、非磁性金属層Ｄ及び強磁性層Ｅを順次積層してなるスピンデバイス１において、強磁性層Ｅの非磁性金属層Ｄとは反対側に副トンネル障壁Ｆと第２の強磁性層Ｈとを順次を備えている。
【００６３】
この構造の場合、各層Ａ〜Ｅの機能は上述の通りであるが、副トンネル障壁Ｆ及び第２の強磁性層Ｈが、第１の強磁性層Ｅから流出しようとする特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層Ｃ内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、従来では不可能であったスピン注入によるフリー層Ｃの磁化の向きＦＣの制御を行うことが可能となる。
【００６４】
すなわち、同一の磁化の向きＦＥ，ＦＨを有する強磁性層Ｅ，Ｈの間に、副トンネル障壁Ｆが介在しているため、これらの三層がＴＭＲ素子を構成して、スピンフィルターとして機能し、これとは異なる極性のスピンを有する電子の通過を阻止し、フリー層Ｃ内にスピンが蓄積する。
【００６５】
なお、非磁性金属層Ｄの好適な厚みの範囲は、伝導電子のスピン偏極率が減衰しないためという理由から、その非磁性金属層Gのスピン拡散長以下である。なお、本例でも、第１の実施形態と同様の作用・効果が得られる。
【００６６】
図６は、図５に示したスピンデバイス１の等価回路である。
【００６７】
同図において、Ｒ１はトンネル障壁層Ｂのアップスピンの電子に対する抵抗、Ｒ２はトンネル障壁層Ｂでのダウンスピンの電子に対する抵抗、Ｒ３’は強磁性層Ｅのアップスピンの電子に対する抵抗、Ｒ４は強磁性層Ｅでのダウンスピンの電子に対する抵抗、Ｒ５はフリー層Ｃのスピン抵抗であってフリー層のスピン磁気モーメントの吸収し難さを示し、Ｒ６は強磁性層Ｅでのスピン抵抗であり強磁性層Ｅのスピン磁気モーメントの吸収のし難さを示している。
【００６８】
スピンデバイスの両端には、電位Ｖと０がそれぞれ与えられ、各抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３’，Ｒ４、Ｒ５，Ｒ６には、スピン電流（電子流）Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３’，Ｉ４，Ｉ５、Ｉ６がそれぞれ流れる。同図の電位Ｖは、負である。
【００６９】
同図中のＩ５はフリー層Ｃで吸収されるスピン流であり、これはフリー層Ｃが吸収するスピン磁気モーメントに比例している。フリー層Ｃで吸収されたスピン磁気モーメントの一部はフリー層Ｃの磁化の変化を引き起こす。
【００７０】
強磁性層Ｅ，Ｈの間に副トンネル障壁Ｆを挿入することにより、アップスピン電流Ｉ３に対する抵抗Ｒ３’を大きく出来るので、スピン流の多くをフリー層Ｃに吸収させることが出来る。この場合には、スピンフィルター層を構成する強磁性層Ｅにもスピン流が吸収されるが、抵抗Ｒ６が大きい場合には第１の実施形態と同様のスピン注入効率を得ることが出来る。この実施形態の長所は、Ｃｏ，Ｆｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢから選択される群からなる強磁性金属から選択される強磁性層Ｅ，Ｈに副トンネル障壁Ｆが挟まれた構造をしているために、トンネル抵抗のスピン依存性を大きくすることが出来る点である。
【００７１】
なお、フリー層Ｃにおいて吸収されるスピン流Ｉ５は、以下の式で与えられる。
【数３】
2008166608.tif 000006
【００７２】
この式からも、抵抗Ｒ３’が大きい場合、スピン流Ｉ５が大きくなるので、スピン注入の効率が向上することが分かる。
【００７３】
なお、上述のスピンデバイス１は、そのＹ軸方向両端又はＺ軸方向両端に一対の硬磁性体を配置することで、ハードディスクの読み出しヘッドやＭＲＡＭとして利用することができる。
【００７４】
図７は、第５の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【００７５】
このスピンデバイス１は、ピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層Ｃ、第１の非磁性金属層Ｄ及び第２の非磁性金属層Ｋを順次積層してなるスピンデバイスにおいて、第１の非磁性金属層Ｄと第２の非磁性金属層Ｋとの間に副トンネル障壁Ｆを備えている。
【００７６】
このスピンデバイス１においては、トンネル障壁層Ｂをピンド層Ａ及びフリー層Ｃによって挟むことにより、ＴＭＲ素子として機能している。副トンネル障壁Ｆが、第１の非磁性金属層Ｄから第２の非磁性金属層Ｋに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層Ｃ内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。非磁性金属層Ｄ，Ｋの材料は上述の通りであるが、非磁性金属層Ｄは、Ｍｇなどのスピン緩和が小さい金属が好ましい。
【００７７】
この構造の場合、その等価回路は、図２に示したものと同じであり、抵抗Ｒ４の値が抵抗Ｒ３’に等しくなる。すなわち、電流Ｉ５は以下の式で与えられる。
【数４】
2008166608.tif 000007
【００７８】
図１に示したように、強磁性層Ｅのある場合の等価回路ではＲ３’＞Ｒ４であったが、本例では、Ｒ３’＝Ｒ４となる。しかしながら、抵抗Ｒ３’が、Ｒ５＜Ｒ３’＜Ｒ２を満たす場合、すなわち、抵抗Ｒ３’が、ＴＭＲ素子のマイノリティスピン電子に対する抵抗（Ｒ２）よりも小さく、フリー層Ｃのスピン抵抗（Ｒ５）よりも大きい場合には、電流Ｉ５が大きくなることが分かる。従って、この場合には副トンネル障壁Ｆが無い場合に比較して、スピン注入の効率は向上することが分かる。
【００７９】
図８は、第６の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【００８０】
このスピンデバイス１は、ピンド層Ａ、トンネル障壁層Ｂ、フリー層Ｃ、非磁性金属層Ｄを順次積層してなるスピンデバイスにおいて、非磁性金属層Ｄとフリー層Ｃとの間に副トンネル障壁Ｆを備えている。
【００８１】
このスピンデバイス１においては、トンネル障壁層Ｂをピンド層Ａ及びフリー層Ｃによって挟むことにより、ＴＭＲ素子として機能している。副トンネル障壁Ｆが、非磁性金属層Ｄとフリー層Ｃとの間に介在しているので、フリー層Ｃから非磁性金属層Ｄに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層Ｃ内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。なお、このスピンデバイス１の等価回路は、図７のものと同一である。
【００８２】
なお、上述のスピンデバイスのＸ方向両端の層には、それぞれ図示しない電極が設けられており、配線に接続されている。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、ＴＭＲ素子を有するスピンデバイスに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施形態に係るＴＭＲ素子を備えたスピンデバイス１の縦断面構成を示す図である。
【図２】図１に示したスピンデバイスの等価回路である。
【図３】第２の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【図４】第３の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【図５】第４の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【図６】図５に示したスピンデバイス１の等価回路である。
【図７】第５の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【図８】第６の実施形態に係るスピンデバイス１の縦断面構造を示す図である。
【図９】比較例となるＴＭＲ素子を備えたスピンデバイスの縦断面構造を示す図である。
【図１０】図９に示したスピンデバイスの等価回路である。
【符号の説明】
【００８５】
１…スピンデバイス、Ａ…ピンド層、Ｂ…トンネル障壁層、Ｃ…フリー層、Ｄ…非磁性金属層、Ｅ…強磁性層、Ｆ…副トンネル障壁、Ｇ…非磁性金属層、Ｈ…強磁性層、Ｋ…非磁性金属層。
【図１】
2008166608.tif 000008
【図２】
2008166608.tif 000009
【図３】
2008166608.tif 000010
【図４】
2008166608.tif 000011
【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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