(57)【要約】【課題】高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができるスピン熱電変換素子１０を提供する。【解決手段】スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０と、この磁性体２０の一面２１に形成されている電極３０とを備える。スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０に生じる温度勾配に起因して磁性体２０と電極１０との間に発生するスピンゼーベック効果によって電極３０に起電力が誘起される。電極３０は、ＰｔとＣｕとを含む合金によって構成されて、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されている。【選択図】図１
2017045763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン軌道相互作用を有する材料によって構成されて、スピン流および電流のうち一方から他方に変換する変換体（３０）を備えるデバイスであって、
前記変換体を構成する前記材料は、ＰｔとＣｕとを含む合金であり、前記Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように前記変換体が構成されていることを特徴とするデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流と電流の変換を行うデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピントロニクスに対する研究が注目されている。電子のスピンを利用したスピントロニクスデバイスは、新技術のイノベーションを起こすものとして期待されている。
【０００３】
具体的な応用先は、スピントランジスタ、新たな構造の記憶素子、多機能の論理回路、高感度磁気センサー、熱電変換素子や高周波発振素子などと多岐にわたる。
【０００４】
これらのスピントロニクスデバイスにおいて、重要な技術の一つにスピンホール効果やその逆効果である逆スピンホール効果が挙げられる。スピンホール効果は電流からスピンの流れ（スピン流）を生み出す効果で、逆スピンホール効果はスピン流を電流に変換する効果として知られている。これらの効果はＰｔなどのスピン軌道相互作用の強い材料において観測される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５８５３１４号明細書
【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、一般にスピン軌道相互作用の強い材料として、Ｐｔが使用されているが、高価な材料であることから産業応用には適していない。
【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ＰｔとＣｕの合金化によってＰｔの使用量を減らし、かつ高いスピン軌道相互作用を有するデバイスを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、スピン軌道相互作用を有する材料によって構成されて、スピン流および電流のうち一方から他方に変換する変換体（３０）を備えるデバイスであって、
変換体を構成する材料は、ＰｔとＣｕとを含む合金であり、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように変換体が構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このように、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲内に入るように変換体が構成されている。このため、Ｐｔの使用量を減らし、かつ高いスピン軌道相互作用を有するデバイスを提供することができる。
【００１０】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態におけるスピン熱電変換素子の構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態におけるスピン熱電変換素子の起電力の測定方法を示す図である。
【図３】第１実施形態におけるスピン熱電変換素子の作成工程を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態におけるスピンゼーベック係数ＳＳＳＥの電極の厚み寸法依存性を示すグラフである。
【図５】第１実施形態の第１変形例におけるスピン熱電変換素子の構成を示す斜視図である。
【図６】第１実施形態の第２変形例におけるスピン熱電変換素子の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態におけるＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００１３】
（第１実施形態）
スピン熱電変換素子１０は、図１に示すように、磁性体２０および電極３０から構成されている。磁性体２０は、ＹＩＧによってバルク体として構成されている。
【００１４】
ＹＩＧは、Yttrium Iron Garnet（Y3Fe5O12）の略称である。本実施形態では、磁性体２０は、表面２１を有する板状に形成されている。表面２１は、磁性体２０の厚み方向の一方側に平面状に形成されている一面である。
【００１５】
電極３０は、磁性体２０の表面２１に沿うように薄膜状に形成されている起電体である。本実施形態の電極３０は、後述するように、ＰｔとＣｕとを含む合金によって構成されている。
【００１６】
このように構成される本実施形態のスピン熱電変換素子１０では、磁性体２０と電極３０との間に発生するスピンゼーベック効果によって電極３０に起電力が誘起される。
【００１７】
具体的には、図２に示すように、磁性体２０の厚さ方向に温度勾配を生じさせて、磁性体２０に対して幅方向に磁場Ｈを与えると、厚さ方向他方側から厚さ方向一方側にスピン流が流れる。このスピン流の一部が電極３０において電流に変換させる。この電流は、電極３０において、スピン流の流れ方向に直交し、かつ磁場Ｈの方向に直交する方向に流れる。このことにより、スピンゼーベック効果により、温度差に起因した起電力が電極３０に誘起される。
【００１８】
次に、本実施形態におけるスピン熱電変換素子１０の作成工程について図３を参照して説明する。
【００１９】
まず、第１工程（ステップ１００）において、ＹＩＧの多結晶体を幅方向寸法Ｗ＝２ｍｍ、長さＬ＝５ｍｍ、厚さ寸法ｔ＝０．９ｍｍとするバルク体としてダイヤモンドワイヤーソー（ムサシ電子社製；ＣＳ−２０３  ）でカットする。以下、このようにカットしたＹＩＧの多結晶体をＹＩＧ素子という。
【００２０】
次に、第２工程（ステップ１１０）において、ＹＩＧ素子の表面を研磨する。
【００２１】
次に、第３工程（ステップ１２０）において、この表面を研磨したＹＩＧ素子を有機溶剤中で約５分間、超音波洗浄して磁性体２０が形成される。
【００２２】
次に、第４工程（ステップ１３０）において、磁性体２０の表面２１の全面に対して、いわゆるコスパッタ法によりＣｕ、Ｐｔによって薄膜を形成する。
【００２３】
具体的には、磁性体２０の表面２１全面に対してスパッタ等により形成する薄膜の原材料であるターゲットとしてＣｕ、Ｐｔを設定して、Ｃｕによって薄膜を形成する成膜工程と、Ｐｔによって薄膜を形成する成膜工程とを同時に行う。
【００２４】
以上により、ＰｔとＣｕとからなる合金からなる薄膜が電極３０として磁性体２０の表面２１の全面に形成されることになる。これにより、スピン熱電変換素子１０が作成される。
【００２５】
次に、第５工程（ステップ１４０）において、測定器４０で温度差による起電力を評価する。
【００２６】
具体的には、図２に示すように、磁性体２０の厚み方向に温度差ΔＴの温度勾配を生じさせる。この際に、幅方向に磁場Ｈを与えて、電極３０の長さ方向に誘起される起電力を測定器４０で測定する。
【００２７】
本実施形態では、磁性体２０の厚み方向には、３０℃の温度差ΔＴの温度勾配を生じさせる。磁性体２０の幅方向に与える磁場Ｈとしては、−１４０ｍＴ〜１４０ｍＴの範囲内の磁界が設定される（−１４０ｍＴ≦Ｈ≦１４０ｍＴ）。測定器４０としては、（株）ケスレー製のナノボルトメータ（２１８２４）が用いられる。
【００２８】
以下、本実施形態のスピン熱電変換素子１０の起電力の測定結果について図４について説明する。
【００２９】
図４は、横軸が電極３０の厚さ寸法ｔ（ｎｍ）とし、縦軸をスピンゼーベック係数ＳＳＳＥ（μＶ／Ｋ）としたグラフである。スピンゼーベック係数ＳＳＳＥは、「単位温度差あたりの起電力」である。
【００３０】
図４において、円形のドットからなるグラフは、Ｐｔの原子数濃度が１００ａｔ％になるように電極４０が構成されているスピン熱電変換素子のスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを示している。三角形のドットからなるグラフは、Ｃｕの原子数濃度が５０ａｔ％になり、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％になるように電極４０を構成されているスピン熱電変換素子１０のスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを示している。四角形のドットからなるグラフは、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％になるように電極４０が構成されているスピン熱電変換素子のスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを示している。
【００３１】
以下、説明の便宜上、Ｐｔの原子数濃度が１００ａｔ％になるように電極４０が構成されているスピン熱電変換素子を「比較対象としてのスピン熱電変換素子１０Ｘ」とする。Ｃｕの原子数濃度が５０ａｔ％になり、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％になるように電極４０を構成されているスピン熱電変換素子１０を、「本実施形態のスピン熱電変換素子１０Ａ」という。Ｐｔの原子数濃度が７０ａｔ％になるように電極４０を構成されているスピン熱電変換素子１０を、「本実施形態のスピン熱電変換素子１０Ｂ」という。
【００３２】
図４から分かるように、比較対象としてのスピン熱電変換素子１０Ｘのスピンゼーベック係数ＳＳＳＥと、本実施形態のスピン熱電変換素子１０Ａのスピンゼーベック係数ＳＳＳＥとは、ほぼ同等になっている。つまり、本実施形態のスピン熱電変換素子１０Ａにおいて、高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができる。
【００３３】
比較対象としてのスピン熱電変換素子１０Ｘのスピンゼーベック係数ＳＳＳＥと、本実施形態のスピン熱電変換素子１０Ｂのスピンゼーベック係数ＳＳＳＥとは、ほぼ同等になっている。つまり、本実施形態のスピン熱電変換素子１０Ｂにおいて、高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができる。
これに加えて、本発明者の実験によれば、スピン熱電変換素子１０において、５０ａｔ％＜Ｐｔの原子数濃度＜７０ａｔ％を満たすように電極３０を構成する場合においても、高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができることが分かった。
【００３４】
以上により、スピン熱電変換素子１０において、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲に入るように電極３０を構成する場合においては、高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができることが分かった。
【００３５】
但し、本実施形態では、Ｃｕの原子数濃度とＰｔの原子数濃度とを加算した値が１００ａｔ％となるように電極３０が構成されている。
【００３６】
以上説明した本実施形態によれば、スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０と、この磁性体２０の一面２１に形成されている電極３０とを備える。スピン熱電変換素子１０は、磁性体２０に生じる温度勾配に起因して磁性体２０と電極１０との間に発生するスピンゼーベック効果によって電極３０に起電力が誘起される。
【００３７】
電極３０は、ＰｔとＣｕとを含む合金によって構成されて、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることを特徴とする。
【００３８】
これにより、高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得ることができる。したがって、ＰｔとＣｕの合金化によってＰｔの使用量を減らし、かつ高いスピン軌道相互作用を有するスピン熱電変換素子１０を提供することができる。
【００３９】
さらに、スピン熱電変換素子１０において、より高いスピンゼーベック係数ＳＳＳＥを得るためには、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることが好ましい。
【００４０】
（第１実施形態の第１変形例）
上記第１実施形態では、磁性体２０の表面２１に電極３０を形成したスピン熱電変換素子１０について説明したが、これに代えて、本第１変形例では、図５に示すように、スピン熱電変換素子１０を形成した例について説明する。
【００４１】
すなわち、スピン熱電変換素子１０は、円筒状に形成されている磁性体２０と、磁性体２０の外周面２１ａに沿う薄膜状に電極３０が形成されている。本第１変形例の電極３０は、磁性体２０軸線Ｓを中心線とする円筒状に形成されている。
【００４２】
この場合、磁性体２０に対して軸線方向に磁場Ｈを印加して、磁性体２０に対して軸線Ｓを中心とする径方向に温度勾配を生じさせると、電極３０において軸線Ｓを中心とする円周方向にスピン流に基づく電流が流れる。
【００４３】
以上説明した本第１変形例によれば、スピン熱電変換素子１０の電極３０は、ＰｔとＣｕとを含む合金によって構成されている。電極３０において、Ｃｕの原子数濃度とＰｔの原子数濃度とを加算した値を１００ａｔ％とすると、Ｐｔの原子数濃度が３０ａｔ％以上で８０ａｔ％以下の範囲内に入るように電極３０が構成されていることを特徴とする。或いは、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように変換層５４が構成されている。これにより、上記第１実施形態と同様に、高いスピン軌道相互作用を有するスピン熱電変換素子１０を提供することができる。
【００４４】
（第１実施形態の第２変形例）
上記第１実施形態では、磁性体２０と電極３０とから構成されるスピン熱電変換素子１０について説明したが、これに限らず、本第３実施形態では、図６に示すように、基板５０の一面５１に磁性体２０と電極３０とを形成したスピン熱電変換素子１０を用いる例について説明する。
【００４５】
図６は、本第３実施形態のスピン熱電変換素子１０の構成を示す斜視図である。
【００４６】
本実施形態の磁性体２０は、基板５０の一面５１に薄膜状に形成されている。磁性体２０は、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（gadolinium gallium garnet）やＳｉによって形成されている。電極３０は、磁性体２０に対して基板５０の反対側の表面２１に沿うように薄膜状に形成されている。
【００４７】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、本発明のデバイスをスピン熱電変換素子１０に適用した例について説明したが、これに代えて、本第２実施形態では、本発明のデバイスを磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子）に適用した例について説明する。
【００４８】
図７に本発明の磁気トンネル接合素子５０の本実施形態の概略構成を示す。
磁気トンネル接合素子５０は、磁気ランダムアクセスメモリを構成するもので、固定層５１、トンネルバリア層５２、記録層５３、および変換層５４が積層されて構成されている。
【００４９】
磁気トンネル接合素子５０は、固定層５１および変換層５４の間にトンネルバリア層５２および記録層５３が配置されている。トンネルバリア層５２は変換層５４対して固定層５１側に配置されている。記録層５３は、固定層５１に対して変換層５４側に配置されている。
【００５０】
固定層５１、トンネルバリア層５２、記録層５３、および変換層５４は、それぞれの面方向が平行になっている。面方向は、厚み方向に直交して、層５１、５２、５３、５４が拡がる方向である。層５１、５２、５３、５４は、固定層５１、トンネルバリア層５２、記録層５３、および変換層５４を省略した表記である。
【００５１】
固定層５１は、強磁性材料によって薄膜状に形成されて、磁化方向Ｇ１が固定されている。固定層５１の磁化方向は、固定層５１の面方向に平行になるように形成されている。トンネルバリア層５２は、非強磁性材料によって薄膜状に形成されている。
【００５２】
記録層５３は、強磁性材料によって薄膜状に形成されて、磁化方向Ｇ２が変化可能になっている。記録層５３の磁化方向Ｇ２は、固定層５１の磁化方向Ｇ１に対して平行、或いは逆平行になる。変換層５４は、上記第１実施形態の電極３０と同様に、ＰｔとＣｕとを含む合金によって薄膜状に形成されている。
【００５３】
このように構成される本実施形態では、変換層５４に対して矢印Ｙａの如く、変換層５４の面方向に流すと、変換層５４に流れる電流がスピン流に変換される。この変換されたスピン流は、記録層５３にその厚み方向に注入される。このように注入されるスピン流によって、記録層５３の磁化方向Ｇ２が反転する。
【００５４】
例えば、記録層５３の磁化方向Ｇ２が磁化方向Ｇ１に対して平行である状態になっているとすると、記録層５３の磁化方向Ｇ２が、スピン流によって反転して、磁化方向Ｇ１に対して逆平行になる。
【００５５】
以上説明した本実施形態では、磁気トンネル接合素子５０は、固定層５１、トンネルバリア層５２、記録層５３、および変換層５４が積層されて構成されている。
【００５６】
本実施形態では、変換層５４は、ＣｕとＰｔとからなる合金から構成されてＰｔの原子数濃度が３０ａｔ％以上で８０ａｔ％以下の範囲内に入るように変換層５４が構成されている。或いは、Ｐｔの原子数濃度が５０ａｔ％以上で７０ａｔ％以下の範囲内に入るように変換層５４が構成されている。したがって、磁気トンネル接合素子５０において高いスピン軌道相互作用を有することができる。このため、変換層５４において、高いスピンホール効果が得られる。よって、変換層５４に電流を流すと、変換層５４に流れる電流がスピン流に変換される。この変換されたスピン流が記録層５３に注入される。これによって、記録層５３の磁化方向Ｇ２を反転することができる。
【００５７】
（他の実施形態）
（１）上記第１実施形態では、ＹＩＧからなる磁性体２０を用いた例について説明したが、これに代えて、ＹＩＧ以外の材料からなる磁性体２０を用いてもよい。
【００５８】
（２）上記第１実施形態では、ＰｔとＣｕとからなる合金によって電極３０を形成した例について説明したが、これに限らず、Ｐｔ、Ｃｕに他の元素を添加した合金材料によって電極３０を形成してもよい。
【００５９】
同様に、上記第３実施形態では、ＰｔとＣｕとからなる合金によって変換層５４を形成する場合に限らず、Ｐｔ、Ｃｕに他の元素を添加した合金材料によって変換層５４を形成してもよい。
【００６０】
（３）上記第１実施形態では、スピン流を電流に変換するデバイスとしてスピン熱電変換素子１０について説明したが、これに限らず、スピン流を電流に変換するデバイスとしてスピン熱電変換素子１０以外のデバイスを用いてもよい。
【００６１】
（４）上記第２実施形態では、電流をスピン流に変換するデバイスとして磁気トンネル接合素子について説明したが、これに限らず、電流をスピン流に変換するデバイスとして磁気トンネル接合素子以外のデバイスを用いてもよい。
【００６２】
（５）上記第１実施形態では、スピン流を電流に変換するデバイスを本発明のデバイスとし、上記第２実施形態では、電流をスピン流に変換するデバイスを本発明のデバイスとしたが、これに限らず、スピン流を電流に変換する一方、電流をスピン流に変換するデバイスを本発明のデバイスとしてもよい。
【００６３】
ここで、本発明の変換層としては、半導体、磁性半導体から構成してもよい。
【００６４】
（６）上記第１実施形態では、Ｃｕ、Ｐｔによって電極３０を形成する方法としてコスパッタ法を用いた例について説明したが、これに限らず、各種の方法を用いて、Ｃｕ、Ｐｔによって電極３０を形成してもよい。例えば、Ｃｕ、Ｐｔからなる合金を予め用意し、この用意した合金を用いてスパッタリング等の各種方法によって電極３０を形成してもよい。
【００６５】
（７）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６６】
１０    スピン熱電変換素子
２０    磁性体
２１    表面
３０    電極（変換体）
５０    磁気トンネル接合素子
５１    固定層
５２    トンネルバリア層５２
５３    記録層
５４    変換層（変換体）
【図１】
2017045763.tif 000003
【図２】
2017045763.tif 000004
【図３】
2017045763.tif 000005
【図４】
2017045763.tif 000006
【図５】
2017045763.tif 000007
【図６】
2017045763.tif 000008
【図７】
2017045763.tif 000009