(57)【要約】  スピントルク発生素子１０は、電流Ｊｃが供給される導体層１と、導体層１の一方側の面に形成される絶縁層２と、導体層１の他方側の面に形成される強磁性層と３を備える。導体層１の電流により、強磁性層３の磁化に作用するスピントルクを発生させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が供給される導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、前記導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備え、
前記導体層の電流により、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させる、
スピントルク発生素子。
【請求項２】
前記導体層と前記絶縁層と前記強磁性層は、前記スピントルク発生素子において特定のスピントルク発生現象を生じさせるそれぞれの材料で形成されており、
前記特定のスピントルク発生現象は、前記導体層に電流が流れると、軌道ラシュバ効果により前記導体層と前記絶縁層との界面において電子の軌道角運動量が生じ、当該軌道角運動量が、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させる現象である
請求項１に記載のスピントルク発生素子。
【請求項３】
前記導体層は、元素の周期表において第２周期から第５周期までの範囲に属する金属元素の材料で形成されている
請求項１又は２に記載のスピントルク発生素子。
【請求項４】
前記導体層は、銅で形成されている
請求項３に記載のスピントルク発生素子。
【請求項５】
前記導体層は銅で形成され、前記絶縁層は酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムで形成され、前記強磁性層は鉄又はコバルト鉄で形成されている
請求項１又は２に記載のスピントルク発生素子。
【請求項６】
前記導体層は銅で形成され、前記絶縁層は酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムで形成され、
前記強磁性層は、飽和磁化が１０ｋＯｅ以上となる強磁性材料で形成されている
請求項１又は２に記載のスピントルク発生素子。
【請求項７】
前記導体層の厚みは、数ｎｍ以上であって数十ｎｍ以下である
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピントルク発生素子。
【請求項８】
電流が供給される導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、前記導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備え、前記導体層の電流により、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させるスピントルク発生素子の製造方法であって、
前記強磁性層と前記導体層と前記絶縁層がこの順に積層されるように、前記強磁性層と前記導体層と前記絶縁層をそれぞれの材料で形成する第１の工程と、
積層された前記強磁性層と前記導体層と前記絶縁層を加熱するアニール処理を行う第２の工程と、を含む
スピントルク発生素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の工程では、前記強磁性層を鉄又はコバルト鉄で形成し、前記導体層を銅で形成し、前記絶縁層を酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムで形成する
請求項８に記載のスピントルク発生素子の製造方法。
【請求項１０】
前記アニール処理では、前記導体層と前記絶縁層と前記強磁性層を２００℃以上、３００℃以上、又は４００℃以上の温度で加熱する
請求項８又は９に記載のスピントルク発生素子の製造方法。
【請求項１１】
電流が供給される導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、前記導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備え、前記導体層の電流により、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させるスピントルク発生素子と、
前記導体層に電流を流す電流供給装置と、を備える磁化制御装置であって、
前記電流供給装置は、前記導体層に電流を流すことにより、前記スピントルクで前記強磁性層の磁化の向きを制御する
磁化制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導体層を流れる電流により強磁性層の磁化に対するスピントルクを発生させるスピントルク発生素子に関する。また、本発明は、スピントルク発生素子の製造方法、及び、スピントルク発生素子を備える磁化制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピントルク発生素子は、遷移金属等の導体で形成された導体層と、強磁性材料で形成された強磁性層を備え、導体層に電流が流れると、強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生する素子である。このスピントルクにより、強磁性層の磁化の向きを変えることができる。例えば、磁化の向きを反転させたり、磁化の歳差運動を自励発振させたりすることができる。このような磁化の向きの変化を利用した磁気メモリ、マイクロ波発振器、スピン波ロジック等が提案されている。【０００３】
例えば、スピントルク発生素子を備えた磁気メモリとして、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin-Transfer Torque Magnetic Random Access Memory）が特許文献１に開示されている。このＳＴＴ−ＭＲＡＭでは、重金属で形成された導体層と、強磁性材料で形成された記録層（強磁性層）と、絶縁材料で形成された障壁層と、強磁性材料で形成され磁化の向きが固定された参照層が、この順で積層されている。このＳＴＴ−ＭＲＡＭに外部磁場を各層の積層方向に印加した状態で、導体層に電流を流すと、スピンホール効果により当該導体層にスピン流が発生し、スピン流によるスピントルクの作用で記録層の磁化の向きを反転させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０２１４６８号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Seung Ryong Park at al, “Microscopic mechanism for the Rashba spin-band splitting:Perspective from formation of local orbital angular momentum”, pp.6-17, 201 (2015), Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スピントルク発生素子における従来のスピントルク発生原理では、上述のように、導体層に電流が流れると、スピンホール効果でスピン流が生じ、スピン流によるスピントルクが強磁性層の磁化に作用している。【０００７】
従来において、スピン流を発生させるためには、導体層は、スピン軌道相互作用（SOC: Spin Orbit Coupling）の大きい重金属で形成される必要があると考えられている。例えば、特許文献１では、導体層は、重金属であるＨｆ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｂ、又はこれらの合金で形成されている。このような重金属は電気抵抗が高く、その分、導体層に電流を流す効率が低下する。その結果、導体層に電流を流して上述のようにスピントルクを発生させる効率が低くなってしまう。また、比重の大きな重金属材料は、高価であり入手し難い傾向にある。【０００８】
そこで、本発明の目的は、従来とは異なる構成により、比重の大きい導体層を用いなくても、導体層の電流によりスピントルクを発生できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるスピントルク発生素子は、電流が供給される導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、前記導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備え、
前記導体層の電流により、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させる。【００１０】
また、本発明による製造方法は、電流が供給される導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、前記導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備え、前記導体層の電流により、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させるスピントルク発生素子の製造方法であって、
前記強磁性層と前記導体層と前記絶縁層がこの順に積層されるように、前記強磁性層と前記導体層と前記絶縁層をそれぞれの材料で形成する第１の工程と、
積層された前記強磁性層と前記導体層と前記絶縁層を加熱するアニール処理を行う第２の工程と、を含む。【００１１】
更に、本発明による磁化制御装置は、
電流が供給される導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、前記導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備え、前記導体層の電流により、前記強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させるスピントルク発生素子と、
前記導体層に電流を流す電流供給装置と、を備え、
前記電流供給装置は、前記導体層に電流を流すことにより、前記スピントルクで前記強磁性層の磁化の向きを制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスピントルク発生素子は、導体層と、該導体層の一方側の面に形成される絶縁層と、導体層の他方側の面に形成される強磁性層とを備えることにより、導体層に電流を流すことで、強磁性層の磁化に作用するスピントルクを発生させることができる。このような本発明の構成では、導体層は、スピン軌道相互作用の大きい重金属で形成される必要がない。したがって、比重の大きい導体層を用いなくても、導体層の電流によりスピントルクを発生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態によるスピントルク発生素子の構成を示す。
【図２】本発明の実施形態におけるスピントルク発生原理の説明図である。
【図３】導体層の材料を説明するための元素周期表を示す。
【図４】スピントルクを測定する測定装置を示す。
【図５】スピントルクの測定で利用する磁気共鳴の説明図である。
【図６】スピントルク発生素子の実施例について、電圧計による電圧測定値と、その対称成分と非対称成分を示す。
【図７】スピントルク発生素子の別の実施例について、電圧計による電圧測定値と、その対称成分と非対称成分を示す。
【図８】導体層の厚みに対する変換効率の測定結果を示す。
【図９】導体層の厚みに対する変換効率の別の測定結果を示す。
【図１０】強磁性層の材料に対する変換効率の測定結果を示す。
【図１１】アニール処理の加熱温度に対する変換効率の測定結果を示す。
【図１２】本発明の実施形態によるスピントルク発生素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施形態による磁化制御装置の概略構成を示す。
【図１４】磁化制御装置をスピンロジックデバイスとして構成する場合の説明図である。
【図１５】スピンロジックデバイスを構成するスピントルク発生素子の動作特性を示す。
【図１６】スピンロジックデバイスとしての磁化制御装置の構成例を示す。
【図１７】入力デジタル信号に対する出力デジタル信号を示す表である。
【図１８】磁化制御装置を磁気センサとする場合の構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１５】
（スピントルク発生素子の構成の概要）
図１は、本発明の実施形態によるスピントルク発生素子１０の構成を示す。スピントルク発生素子１０は、導体層１と絶縁層２と強磁性層３を備える。導体層１は、電流が供給される層である。導体層１は、金属材料（例えば遷移金属）で形成されてよい。絶縁層２は、導体層１の厚み方向一方側の面に絶縁材料で形成されている。強磁性層３は、導体層１の厚み方向他方側の面に強磁性材料で形成されている。
【００１６】
本発明によると、導体層１と絶縁層２と強磁性層３は、導体層１の電流により、強磁性層３の磁化に作用するスピントルクを発生させることになるそれぞれの金属材料、絶縁材料、及び強磁性材料で形成されている。本実施形態によると、導体層１と絶縁層２と強磁性層３は、スピントルク発生素子１０において後述する特定のスピントルク発生現象を生じさせるそれぞれの金属材料、絶縁材料、及び強磁性材料で形成されている。すなわち、これらの金属材料、絶縁材料、及び強磁性材料は、特定のスピントルク発生現象を生じさせる材料の組み合わせとして選定される。
【００１７】
＜スピントルク発生現象の原理＞
図２は、本発明の実施形態による特定のスピントルク発生現象の原理を説明するための図である。スピントルク発生素子１０における特定のスピントルク発生現象は、次のように生じる。すなわち、図２のように、導体層１に電流Ｊｃが流れると、軌道ラシュバ効果（Orbital Rashba Effect）により導体層１と絶縁層２との界面４において各電子の軌道角運動量(Orbital Angular Momentum)Ｌが生じ、当該各軌道角運動量Ｌが、強磁性層３の磁化Ｍに作用するスピントルクＴｓを発生させる。ここで、電流Ｊｃは、界面４に沿って、導体層１の一端から他端へ流れる。なお、この電流Ｊｃは、導体層１だけでなく強磁性層３にも流れる。
【００１８】
軌道ラシュバ効果とは、スピントルク発生素子１０において、界面４に沿った方向に電流Ｊｃが導体層１に流れることより、界面４において各電子の軌道角運動量が生じる効果である。この効果で生じた各電子の軌道角運動量によるスピントルクＴｓの作用により、強磁性層３の電子の軌道が結合（混成）し、その結果、強磁性層３の電子のスピンの向きが変わって強磁性層３の磁化Ｍの向きが変わる。例えば、強磁性層３の磁化Ｍが反転する。
【００１９】
（スピントルク発生素子の詳しい構成）
上述した特定のスピントルク発生現象の原理では、従来のスピントルク発生現象の原理と違って、スピン流によるスピントルクではなく、電子の軌道角運動量によるスピントルクを発生させている。電子の軌道角運動量によるスピントルクを発生させるには、導体層１がスピン軌道相互作用の大きい重金属で形成されている必要はない。そのため、導体層１は、本実施形態では、以下のように、比重の小さい金属材料で形成されている。
【００２０】
したがって、本実施形態によると、導体層１は、上述した特定のスピントルク発生現象を生じさせることができる限りにおいて、図３に示すように、元素の周期表において第２周期から第５周期までの範囲に属する金属元素（すなわち図３の範囲Ｒ１に含まれる金属元素）の材料で形成されている。この場合、導体層１は、当該範囲Ｒ１に含まれる遷移金属（すなわち図３の範囲Ｒ２に属する金属元素）の材料で形成されていてよい。
【００２１】
あるいは、導体層１は、別の観点から表現すると、例えば、比重が１０以下の材料で形成されていてよい。ここで、比重とは、同じ体積を持つ標準物質（すなわち４℃の水）の質量に対する比を意味する。
【００２２】
導体層１は、実施例では、銅（Ｃｕ）で形成されている。ここで、銅は、純銅であっても、銅合金であってもよい。当該銅合金の主成分は、Ｃｕであり、当該銅合金の残りの材料は、元素周期表の上記範囲Ｒ１（又は上記範囲Ｒ２）に含まれる金属元素の材料であってよい。導体層１の厚みは、数ｎｍ（例えば４ｎｍ又は５ｎｍ）以上であって数十ｎｍ（例えば２０ｎｍ又は３０ｎｍ）以下であってよい。
【００２３】
絶縁層２は、電気的絶縁体であり、導体層１との間に界面４を形成する。絶縁層２は、界面４において、上述した軌道ラシュバ効果による各電子の軌道角運動量を生じさせるための層である。絶縁層２を形成する絶縁材料は、実施例では、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。
【００２４】
強磁性層３は、強磁性体であり、界面４に沿った方向に磁化している。強磁性層３の磁化Ｍは、上述の軌道ラシュバ効果で発生した上述のスピントルクＬｓの作用を受けて、向きが変化（例えば反転）する。強磁性層３は、このような磁化Ｍの向きの変化が生じる強磁性材料で形成されている。強磁性層を形成する強磁性材料は、実施例では、鉄（Ｆｅ）又はコバルト鉄（ＣｏＦｅ）である。
【００２５】
上述したように、本実施形態の実施例では、導体層１が銅で形成され、絶縁層２が酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムで形成され、強磁性層３は鉄又はコバルト鉄で形成されている。しかし、本実施形態は、これに限定されず、導体層１と絶縁層２と強磁性層３をそれぞれ形成する金属材料、絶縁材料、及び強磁性材料は、上述したように、上記特定のスピントルク発生現象を生じさせる材料の組み合わせとして選定されてよい。この場合、導体層１の金属材料は、図３の範囲Ｒ１に含まれる金属元素の材料に限定されてよい。このような金属材料、絶縁材料、及び強磁性材料の選定は、後述する測定装置２０により、スピントルクＴｓが生じているかを確認することにより行われてよい。例えば、導体層１と絶縁層２と強磁性層３をそれぞれ形成する金属材料、絶縁材料、及び強磁性材料は、後述の変換効率θが０．０５以上、０．１以上、又は０．２以上となる材料の組み合わせとして選定されてよい。
【００２６】
（実施例に対する実験）
図４は、スピントルクＴｓを測定する測定装置２０を示す。この測定装置２０を用いて、スピントルク発生素子１０において発生するスピントルクＴｓ等を以下のように測定した。
【００２７】
測定装置２０は、スピントルク磁気共鳴法を利用した装置であり、１対の電極５ａ，５ｂ、コンデンサ６、交流電源７、コイル８、及び電圧計９を備える。１対の電極５ａ，５ｂは、それぞれ、スピントルク発生素子１０の両端に接触している。一方の電極５ａは、コンデンサ６を介して交流電源７に接続されており、他方の電極５ｂは接地されている。電圧計９は、一方の電極５ａとコンデンサ６との間の電流経路に、コイル８を介して接続されている。この構成で、電圧計９は、一方の電極５ａに生じた電圧の直流成分（直流電圧）を測定する。
【００２８】
また、図４において、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を有する座標系において、ｘ軸とｙ軸は、導体層１と絶縁層２との界面４に平行である。交流電源７は、ｘ軸方向に導体層１（及び強磁性層３）に高周波電流を印加する。また、図示しない手段により、外部磁場Ｈｅｘｔを印加する。外部磁場Ｈｅｘｔの方向は、ｚ軸と直交する方向であって、ｘ軸と鋭角φを成す。外部磁場Ｈｅｘｔと導体層１の電流により、強磁性層３の磁化Ｍの歳差運動である磁気共鳴が励起される。
【００２９】
図５は、磁気共鳴の説明図である。図５において、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を有する座標系は、強磁性層３に固定されており、これらＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、それぞれ、図４のｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸と平行である。ｘ軸方向に導体層１に高周波電流を印加すると、当該電流自体が発生する磁場によるトルクＴＦが、図５のように、Ｚ軸と平行な方向に、強磁性層３の磁化Ｍに作用する。また、当該電流に起因する上述のスピントルクＴｓが、図５のように、磁化Ｍを傾けるように、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向に磁化Ｍに作用する。その結果、磁化Ｍは、外部磁場Ｈｅｘｔの方向を向く軸を中心として歳差運動を行う。
【００３０】
＜スピントルクの大きさを示す電圧の測定結果＞
図６と図７は、図４の測定装置２０の電圧計９により計測した直流電圧と、その対称成分及び非対称成分を示す。図６と図７の結果は、次の具体的構成を持つスピントルク発生素子１０に対して得られたものである。すなわち、図６の結果が得られたスピントルク発生素子１０の実施例では、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３で形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成され、導体層１と絶縁層２と強磁性層３の厚みが、それぞれ、６．９ｎｍ、２０ｎｍ、５ｎｍである。図７の結果が得られたスピントルク発生素子１０の実施例では、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＭｇＯで形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成され、導体層１と絶縁層２と強磁性層３の厚みが、それぞれ、１０．９ｎｍ、２０ｎｍ、５ｎｍである。
【００３１】
図６と図７において、横軸は、印加した外部磁場Ｈｅｘｔの強さを示し、縦軸は、電圧を示す。図６と図７において、各四角印は、電圧計９が計測した直流電圧の測定値を示し、実線の曲線は、各測定値のフィッテング曲線であり、破線の曲線は、フィッテング曲線の対称成分を表わし、一点鎖線の曲線は、フィッテング曲線の非対称成分を表わす。ここで、対称成分は、スピントルクの寄与に相当し、非対称成分は、導体層１に流れる電流自体が発生させた磁場によるトルクの寄与に相当する。
【００３２】
なお、電流で発生したスピン流によるスピントルクが強磁性層３の磁化に作用していると仮定した計算式に従って、対称成分と非対称成分を求めた。しかし、比重の小さい銅でスピン流によるスピントルクが生じているとは考えられ難いため、対称成分と非対称成分は、界面４で生じた電子の軌道角運動量によるスピントルクによる値であるといえる。
【００３３】
図６と図７において、対称成分には、ピークが生じており、ピークの大きさに対応する大きさのスピントルクが発生していることが分かる。このように、スピントルク発生素子１０は、導体層１に電流が流れると、スピントルクを発生することが確認された。
【００３４】
図７において、鮮明なピークを有する対称成分は、導体層１と絶縁層２と強磁性層３の材料の組合せをＣｕとＭｇＯとＣｏＦｅにすることにより、かなり大きな（すなわち、かなり効率よく）スピントルクが生じることを示している。
【００３５】
＜導体層の厚みに対する変換効率の測定結果＞
図８と図９は、図４の測定装置２０を用いて得られた、導体層１の厚みに対する変換効率θの測定結果を示す。図８と図９において、横軸は、銅で形成された導体層１の厚みを示し、縦軸は、導体層１の電流からスピントルクへの変換効率θを示す。
【００３６】
θは、Ｊｓ／Ｊｃで表わされ、Ｊｃは、導体層１に流れる電流の値であり、Ｊｓは、スピントルクに相当する電流の値である。ここで、Ｊｓは、電流Ｊｃで発生したスピン流によるスピントルクが強磁性層３の磁化Ｍに作用していると仮定した場合のスピン流の値を示す。しかし、上述のように、比重の小さい銅でスピン流によるスピントルクが生じているとは考えられ難いため、Ｊｓは、界面４で生じた電子の軌道角運動量によるスピントルクに相当する電流であるといえる。
【００３７】
また、図８において、四角印のプロットは、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３で形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成されたスピントルク発生素子１０の場合を示し、丸印のプロットは、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＢｉ２Ｏ３で形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成されたスピントルク発生素子１０の場合を示す。
【００３８】
図９において、丸印のプロットは、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＭｇＯで形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成されたスピントルク発生素子１０の場合を示す。
【００３９】
図８から分かるように、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３ある場合には、絶縁層２がＢｉ２Ｏ３である場合と比べて、変換効率θが大幅に向上されている。例えば、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３である場合における変換効率θのピーク値の大きさは、絶縁層２がＢｉ２Ｏ３である場合における変換効率θのピーク値の大きさの２倍よりも大きくなっている。したがって、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３である場合には、大きな変換効率θが得られることが分かる。
【００４０】
更に、図８と図９から分かるように、絶縁層２がＭｇＯである場合における変換効率θのピーク値の大きさは、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３である場合における変換効率θのピーク値の大きさの２倍弱になっている。したがって、絶縁層２がＭｇＯである場合には、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３である場合と比べて更に大幅に向上した変換効率θが得られることが分かる。
【００４１】
また、図８と図９に示すように、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３又はＭｇＯである場合において、変換効率θは、導体層１の厚みに依存している。したがって、電流ＪＣからスピントルクへの変換は、導体層１及び界面４の存在によって生じていることが分かる。
【００４２】
導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３で形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成されている場合における導体層１の厚みの数値範囲の例を説明する。導体層１の厚みは、５ｎｍ以上であって１９ｎｍ以下の範囲内の値であってよい。この場合、図８では、四角印のプロットに関する変換効率θが０．０５弱以上の値となる。また、導体層１の厚みは、７ｎｍ以上であって１５ｎｍ以下の範囲内の値であってもよい。この場合、図８では、四角印のプロットに関する変換効率θが約０．１０以上の値となる。また、導体層１の厚みは、９ｎｍ以上であって１３ｎｍ以下の範囲内の値であってもよい。この場合、図８では、四角印のプロットに関する変換効率θが、その極大値（０．１３弱）近傍の値となる。
【００４３】
導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＭｇＯで形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成される場合における導体層１の厚みの数値範囲の例を説明する。導体層１の厚みは、４．５ｎｍ以上であって２７ｎｍ以下の範囲内の値であってよい。この場合、図９では、四角印のプロットに関する変換効率θが０．０５以上の値となるといえる。また、導体層１の厚みは、６ｎｍ以上であって２６ｎｍ以下の範囲内の値であってもよい。この場合、図９では、四角印のプロットに関する変換効率θが０．１０よりも大きい値となる。また、導体層１の厚みは、９ｎｍ以上であって１７ｎｍ以下の範囲内の値であってもよい。この場合、図９では、四角印のプロットに関する変換効率θが、その極大値（０．２５弱）近傍の値となる。
【００４４】
＜強磁性層の材料に対する変換効率の測定結果＞
図１０は、図４の測定装置２０を用いて得られた、強磁性層３の材料に対する変換効率θの測定結果を示す。すなわち、図１０は、スピントルク発生素子１０において、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３で形成されるが、強磁性層３の材料を変えた各場合についての測定結果を示す。図１０において、横軸は、強磁性層３の飽和磁化を示し、縦軸は、導体層１の電流からスピントルクへの変換効率θを示す。図１０において、各黒丸は、当該黒丸を指す矢印に付した材料で強磁性層３が形成された場合の測定値を示す。
【００４５】
図１０に示されるように、強磁性層３がＣｏＦｅで形成された場合に、最も高い変換効率θ（０．１３弱）が得られた。また、強磁性層３がＦｅで形成された場合に、次に高い変換効率θ（約０．１）が得られた。強磁性層３がＮｉ（ニッケル）又はＰｙ（パーマロイ）である場合には、変換効率θは、ゼロ、又は、ほぼゼロになった。
【００４６】
このように、導体層１と絶縁層２と強磁性層３をそれぞれ形成する材料が特定の組み合わせである場合に、上述した軌道ラシュバ効果（特定のスピントルク発生現象）が得られることが分かる。図６〜図１０の例では、当該組み合わせが、ＣｕとＡｌ２Ｏ３とＣｏＦｅ、ＣｕとＡｌ２Ｏ３とＦｅ、又はＣｕとＭｇＯとＣｏＦｅである場合に、上述した軌道ラシュバ効果が得られることが確認された。ただし、本実施形態によると、軌道ラシュバ効果が得られれば、導体層１と絶縁層２と強磁性層３を形成する材料の組み合わせは、他の組み合わせ（例えば、それぞれＣｕとＭｇＯとＦｅ）であってもよい。
【００４７】
また、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３又はＭｇＯで形成される場合に、強磁性層３を形成する強磁性材料は、ＣｏＦｅ又はＦｅに限定されない。図１０に示される例においては、上記強磁性材料としてのＦｅの飽和磁化は１０ｋＯｅ程度以上であり、上記強磁性材料としてのＣｏＦｅの飽和磁化は１３ｋＯｅ程度以上である。なお、上記強磁性材料の飽和磁化の上限は特に限定されないが、当該飽和磁化は、例えば２０ｋＯｅ以下であってもよい。本願において、上記強磁性材料の飽和磁化は、製造後の（後述のアニール処理前の又はアニール処理後の）スピントルク発生素子１０を構成している状態の当該強磁性材料（すなわち強磁性層３）の飽和磁化であってよく、室温における値であってよい。
【００４８】
＜アニール処理に対する変換効率の測定結果＞
図１１は、図４の測定装置２０を用いて得られた、アニール処理の加熱温度に対する変換効率θの測定結果を示す。図１１は、導体層１がＣｕで形成され、絶縁層２がＡｌ２Ｏ３で形成され、強磁性層３がＣｏＦｅで形成された場合を示すが、アニール処理を各加熱温度で行った場合の測定値と、アニール処理を行わなかった場合の測定値を示す。図１１において、横軸は、強磁性層３の飽和磁化を示し、縦軸は、導体層１の電流からスピントルクへの変換効率θを示す。
【００４９】
また、図１１において、各黒丸は、当該黒丸を指す矢印に付した温度で、導体層１と絶縁層２と強磁性層３を蒸着により積層した後に３０分間加熱した場合の測定値を示す。ここで、当該温度は、導体層１と絶縁層２と強磁性層３の温度である。また、図１１において、「NO ANNEALING」が付された矢印が示す黒丸は、アニール処理を行わなかった場合の測定値を示す。
【００５０】
図１１に示されるように、アニール処理を行うことにより、変換効率θが大幅に向上することが分かる。例えば、４００℃でアニール処理を行うことにより、変換効率θが、２倍以上も向上して０．３に近くなった。このように、アニール処理により、変換効率θを最大化させることが可能になる。
【００５１】
各実施例によるスピントルク発生素子１０では、次のように、導体層１の抵抗率が、タングステン（Ｗ）等の重金属の抵抗率よりも大幅に小さいので、その分、スピントルクの発生効率が高いといえる。上述のように４００℃でのアニール処理で得られた変換効率θは、上述した従来のスピントルク発生素子において導体層にタングステンを用いた場合と同等の値である。ナノスケールの厚みを有する薄膜状のタングステンの抵抗率は、ナノスケールの厚みを有する薄膜状の銅の抵抗率の概ね１２倍以上であるので、各実施例によるスピントルク発生素子１０の導体層１の電気抵抗が、その分、小さい。その結果、各実施例では、スピントルクの発生効率が上記従来の場合よりも１２倍以上も向上しているといえる。
【００５２】
したがって、導体層１と絶縁層２と強磁性層３がそれぞれＣｕとＡｌ２Ｏ３又はＭｇＯとＣｏＦｅで形成される場合に、又は、導体層１と絶縁層２と強磁性層３をそれぞれ形成する材料が他の組み合わせである場合に、変換効率θを向上させるために、アニール処理を行うことができる。この場合、アニール処理は、２００℃以上、３００℃以上、又は４００℃以上の温度で、互いに積層された導体層１と絶縁層２と強磁性層３を加熱してよい。すなわち、導体層１と絶縁層２と強磁性層３の温度が、２００℃以上、３００℃以上、又は４００℃以上になるようにアニール処理を行ってよい。なお、図６〜図１０は、アニール処理を行わなかった場合の結果を示す。
【００５３】
（スピントルク発生素子の製造方法）
図１２は、本発明の実施形態によるスピントルク発生素子１０の製造方法を示すフローチャートである。この製造方法は、ステップＳ１，Ｓ２を有する。
【００５４】
ステップＳ１において、強磁性層３と導体層１と絶縁層２をこの順で積層するように、強磁性層３と導体層１と絶縁層２をそれぞれの材料で形成する。この積層は、蒸着法により行われてよい。例えば、加熱蒸発させた強磁性材料を基板の表面に凝着させることにより強磁性層３を形成する。次に、加熱蒸発させた絶縁材料を強磁性層３の表面に凝着させることにより絶縁層２を形成する。その後、加熱蒸発させた金属材料を絶縁層２の表面に凝着させることにより導体層１を形成する。これにより、強磁性層３と導体層１と絶縁層２を有する積層体が得られる。ただし、強磁性層３と導体層１と絶縁層２の形成と積層は、他の方法で行われてもよい。
【００５５】
ステップＳ１において、実施例では、強磁性層３と導体層１と絶縁層２は、それぞれ、ＣｏＦｅ（又はＦｅ）とＣｕとＡｌ２Ｏ３、若しくはＣｏＦｅ（又はＦｅ）とＣｕとＭｇＯで形成されるが、他の材料で形成されてもよい。
【００５６】
ステップＳ２において、ステップＳ１で積層された導体層１と絶縁層２と強磁性層３を加熱するアニール処理を（例えば３０分間）行う。このアニール処理では、導体層１と絶縁層２と強磁性層３を加熱する温度は、２００℃以上、３００℃以上、又は４００℃以上である。すなわち、導体層１と絶縁層２と強磁性層３の温度が、２００℃以上、３００℃以上、又は４００℃以上となるようにアニール処理を行う。
【００５７】
（実施形態の効果）
上述した実施形態のスピントルク発生素子１０によると、導体層１に電流を流すことにより、軌道ラシュバ効果で導体層１と絶縁層２との界面４において発生した各電子の軌道角運動量が、強磁性層３の磁化に作用するスピントルクを発生させる。このようなスピントルク発生の原理では、導体層１は、スピン軌道相互作用の大きい重金属で形成される必要がない。したがって、比重の大きい導体層１を用いなくても、導体層１の電流によりスピントルクを発生させることが可能となる。
上述した実施形態によるスピントルク発生素子１０とその製造方法では、導体層１は、比重が比較的小さい金属材料（例えば図３の周期表の範囲Ｒ１又はＲ２内の金属元素の材料）により形成される。当該金属材料（例えば銅）は、入手しやすい傾向にある。したがって、スピントルク発生素子１０を安価に大量生産できる。
【００５８】
また、このような金属材料は、比重が比較的小さいので、当該金属材料で形成された
導体層１は電気抵抗率が低い。したがって、その分、スピントルクＴｓの発生効率が向上する。更に、上述したアニール処理を行うことにより、導体層１の電流からスピントルクＴｓへの変換効率が向上する。
【００５９】
よって、非常に高い変換効率を有するスピントルク発生素子１０を安価に大量生産することが可能となる。
【００６０】
（磁化制御装置）
図１３は、本発明の実施形態による磁化制御装置１００の概略構成を示す。磁化制御装置１００は、上述したスピントルク発生素子１０と、導体層１に電流を流す電流供給装置１１とを備える。電流供給装置１１は、界面４に沿った方向であって、スピントルク発生素子１０の一端から他端へ向かう方向へ導体層１に電流を流し、又は、スピントルク発生素子１０の他端から一端へ向かう方向へ導体層１に電流を流し、これにより生じた上述のスピントルクＴｓで強磁性層３の磁化Ｍの向きを制御する。例えば、当該スピントルクＴｓにより、磁化Ｍの向きを反転させ、又は、磁化Ｍに歳差運動させる。ここで、後者の場合、歳差運動を生じさせるために、磁化制御装置１００は、歳差運動の中心軸となる方向に外部磁場Ｈｅｘｔを印加する磁場印加部（例えば永久磁石又は電磁石）１２を備えていてよい。
【００６１】
＜磁気メモリへの適用例＞
磁化制御装置１００は、磁気メモリを構成してよい。この場合、図１３に示すように、スピントルク発生素子１０は、更に参照層１３を備える。なお、この場合、上述の磁場印加部１２は省略されてよい。参照層１３は、強磁性材料で形成され、絶縁層２における導体層１と反対側の表面に形成される。参照層１３を形成する強磁性材料は、例えば、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ又はそれらの合金であるが、これらに限定されない。参照層１３の磁化（以下で単に磁化Ｍｒという）の向きは、固定されている。
【００６２】
電流供給装置１１は、磁化Ｍｒの向きと同じ方向に又は磁化Ｍｒの向きと反対方向に導体層１へ電流を界面４に沿って流すことにより、界面４において上述の軌道ラシュバ効果による電子の軌道角運動量を発生させ、当該軌道角運動量によるスピントルクＴｓにより、強磁性層３の磁化Ｍの向きを反転させる。これにより、強磁性層３の磁化Ｍの向きを、磁化Ｍｒと同じにし、又は、磁化Ｍｒと反対にする。
【００６３】
磁化制御装置１００は、このようなスピントルク発生素子１０を多数配列した構成を備える。電流供給装置１１は、書き込み指令に従って、各スピントルク発生素子１０における強磁性層３の磁化Ｍの向きを制御する。すなわち、電流供給装置１１は、書き込み指令に従って、１つ又は複数の当該スピントルク発生素子１０の各々の導体層１に上述のように電流を流して、当該素子１０の強磁性層３の磁化Ｍの向きを反転させる。各素子１０における強磁性層３の磁化Ｍの２種類の向きに、「０」と「１」の１ビットデータを割り当て、多数の素子１０にデータを記憶させる。
【００６４】
各スピントルク発生素子１０において、強磁性層３の磁化Ｍの向きに応じて、参照層１３と強磁性層３との間の電気抵抗が異なる。したがって、各スピントルク発生素子１０において、参照層１３に設けた電極（図示せず）と、強磁性層３に設けた電極（図示せず）との間に読み出し電流を流し、当該読み出し電流の値から、参照層１３と強磁性層３との間の電気抵抗値を検出し、当該検出値に基づいて、強磁性層３の磁化Ｍの向きを記録データとして求める。
【００６５】
＜マイクロ波発振装置への適用例＞
図１３に示す磁化制御装置１００は、マイクロ波発振装置を構成してもよい。この場合、電流供給装置１１は、強磁性層３の磁化Ｍの向きが変化するように、導体層１に電流を供給し、当該磁化Ｍの向きの変化によりマイクロ波を発生させる。
【００６６】
例えば、電流供給装置１１は、界面４に沿った１方向（例えば図１３の左右方向）に交流電流を導体層１に流すことにより、強磁性層３の磁化Ｍの向きを繰り返し反転させてマイクロ波を発生させる。この場合には、参照層１３と磁場印加部１２は省略されてよい。
【００６７】
あるいは、電流供給装置１１は、界面４に沿った方向（例えば図１３の左右方向）に電流を導体層１に流すとともに、磁場印加部１２が強磁性層３に外部磁場Ｈｅｘｔを界面４に沿った方向（例えば導体層１の電流の方向と鋭角を成す方向）に印加する。これにより、図４を参照して上述したように、外部磁場Ｈｅｘｔの方向を中心軸として磁化Ｍに歳差運動させる。これにより、マイクロ波を発生させる。
【００６８】
＜ロジックデバイスへの適用＞
図１４は、上述した磁化制御装置１００をスピンロジックデバイスとして構成する場合の説明図である。この場合、磁化制御装置１００は、更に、導体層１と絶縁層２との間にゲート電圧を印加する電圧印加装置１４と、強磁性層３と参照層１３との間の電圧を測定する電圧計１５を備える。上述の磁場印加部１２は省略される。電圧計１５が測定した電圧値は、強磁性層３の磁化Ｍの向きを表わす。
【００６９】
図１５は、スピンロジックデバイスを構成するスピントルク発生素子１０の動作特性を示すグラフである。図１５において、横軸は、電流供給装置１１が、導体層１に流す電流の値を示し、この電流値の正負は、電流の向き（図１４の右方向と左方向）を示す。図１５において、縦軸は、電圧計１５が測定した電圧の値を示す。図１５の縦軸において、測定電圧値が１．０（ａｒｂ．）であることは、強磁性層３の磁化が互いに反対を向く２方向のうちの一方（例えば図１４の右方向）であること示し、測定電圧値が−１．０（ａｒｂ．）であることは、上記２方向のうちの他方（例えば図１４の左方向）であること示す。なお、「ａｒｂ．」は任意単位を示す（以下同様）。
【００７０】
図１５において、太い一点鎖線は、上述のゲート電圧の値が＋ＶＧである状態での動作特性を示し、太い実線は、上述のゲート電圧の値が−ＶＧである状態での動作特性を示す。強磁性層３の磁化の向きの切り替えが、図１５の太い実線に従って行われるが、図１５の太い一点鎖線に従って行われないようにする中間値の（すなわち、絶対値が６（ａｒｂ．）より大きく７（ａｒｂ．）より小さい）電流を、電流供給装置１１が導体層１に流す。
【００７１】
図１６は、スピンロジックデバイスとしての磁化制御装置１００の構成例を示す。図１６では、磁化制御装置１００は、１つの導体層１を共有する２組（以下で組Ａと組Ｂとも言う）のスピントルク発生素子１０を備える。すなわち、１つの導体層１を共有するように、２組の絶縁層２と強磁性層３と参照層１３が設けられる。各組Ａ，Ｂは、図１５に示す動作特性を有する。
【００７２】
各組Ａ，Ｂに対して、上述した電圧印加装置１４と、電圧計１５が設けられる。一方の組Ａの電圧印加装置１４と電圧計１５をそれぞれ電圧印加装置１４Ａと電圧計１５Ａと記載し、他方の組Ｂの電圧印加装置１４と電圧計１５をそれぞれ電圧印加装置１４Ｂと電圧計１５Ｂと記載する。
【００７３】
上述のゲート電圧について、＋ＶＧを「１」の入力デジタル信号とし、−ＶＧを「０」の入力デジタル信号とする。電流供給装置１１が上述の中間値（例えば、−６．５（ａｒｂ．））の電流を導体層１に流している状態で、電圧印加装置１４Ａが、組Ａに対して印加するゲート電圧を、＋ＶＧと−ＶＧ（すなわち、デジタル信号の「１」と「０」）との間で切り替え、電圧印加装置１４Ｂが、組Ｂに対して印加するゲート電圧を、＋ＶＧと−ＶＧとの間で切り替える場合、２つの入力デジタル信号に対する出力デジタル信号は、図１７に示す表のようになる。図１７において、組Ａ，Ｂへのゲート電圧の「１」と「０」は、それぞれ＋ＶＧと−ＶＧを意味し、ＶＴ（ａｒｂ．）は、電圧計１５Ａ，１５Ｂが測定する電圧値の合計ＶＴ（ａｒｂ．）を意味する。
【００７４】
磁化制御装置１００は、更に、上述した２つの入力デジタル信号に対する出力デジタル信号を出力する出力部１６を備える。出力部１６は、論理和（ＯＲ）として構成される場合には、図１７の「論理和の場合」のように、電圧計１５Ａの電圧測定値と電圧計１５Ｂの電圧測定値がいずれも０（ａｒｂ．）である場合には、「０」のデジタル信号を出力し、その他の場合には、「１」のデジタル信号を出力する。一方、出力部１６は、論理積（ＡＮＤ）として構成される場合には、図１７の「論理積の場合」のように、電圧計１５Ａの電圧測定値と電圧計１５Ｂの電圧測定値がいずれも１（ａｒｂ．）である場合には、「１」のデジタル信号を出力し、その他の場合には、「０」のデジタル信号を出力する。
【００７５】
出力部１６は、図１７のようにデジタル信号を出力するために、例えば次のように構成されてよい。電流供給装置１１は、絶対値が上記中間値に固定され且つ符号が負に固定された電流を導体層１に流す。導体層１の当該電流のため、各組Ａ、Ｂの強磁性層３の磁化反転が誘起されて、電圧計１５Ａ，１５Ｂからの電圧測定値の合計ＶＴ（ａｒｂ．）は、それぞれの磁化状態と上述のゲート電圧に応じて、図１７のように−２（ａｒｂ．）から２（ａｒｂ．）まで変わる。論理和の場合には、基準電圧を１（ａｒｂ．）と定義して、ＶＴ（ａｒｂ．）が基準電圧より大きい時には、出力部１６はデジタル信号「０」を出力し、ＶＴ（ａｒｂ．）が基準電圧より小さい時には、出力部１６はデジタル信号「１」を出力する。同様に、論理積の場合には、基準電圧を−１（ａｒｂ．）と定義して、ＶＴ（ａｒｂ．）が基準電圧より大きい時には、出力部１６はデジタル信号「０」を出力し、合計ＶＴ（ａｒｂ．）が基準電圧より小さい時には、出力部１６はデジタル信号「１」を出力する。なお、絶対値が上記中間値である負の電流が導体層１に流れている状態で、上述のゲート電圧に対して図１７に従った合計ＶＴ（ａｒｂ．）が得られるように、参照層１３の磁化の向きが設定されている。
【００７６】
＜磁気センサへの適用＞
図１８は、上述した磁化制御装置１００を磁気センサとする場合の構成例を示す。図１８の例では、磁化制御装置１００は、第１〜第４のスピントルク発生素子１０Ａ〜１０Ｄを備える。これらのスピントルク発生素子１０Ａ〜１０Ｄの各々は、上述のスピントルク発生素子１０と同じ構成を有し、基板１７上に形成されてよい。基板１７は、例えばＳｉＯ２で形成されたものであってよい。なお、参照層１３と磁場印加部１２は、省略されてよい。
【００７７】
図１８において、ｘｙｚ座標系は、基板１７に対して固定された座標系であり、そのｘ軸とｙ軸は、基板１７の表面（界面４）と平行であり、互いに直交し、そのｚ軸は、基板１７の表面（界面４）と直交している。各スピントルク発生素子１０Ａ〜１０Ｄは、全体として、その厚み方向（ｚ軸方向）から見た場合に楕円形であってよい。当該楕円形の長軸はｘ軸方向を向いていてよい。
【００７８】
第１及び第２のスピントルク発生素子１０Ａ，１０Ｂの導体層１におけるｘ軸方向の一端部同士は、導電ライン１８ａにより互いに接続されており、第３及び第４のスピントルク発生素子１０Ｃ，１０Ｄの導体層１におけるｘ軸方向の一端部同士も、導電ライン１８ｂにより互いに接続されている。第１及び第３のスピントルク素子１０Ａ，１０Ｃの導体層１におけるｘ軸方向の他端部同士は、導電ライン１８ｃにより互いに接続されており、第２及び第４のスピントルク素子１０Ｂ，１０Ｄの導体層１におけるｘ軸方向の他端部同士も、導電ライン１８ｄにより互いに接続されている。
【００７９】
電流供給装置１１は、導電ライン１８ａと導電ライン１８ｂとの間に交流電流を印加する。これにより、各スピントルク発生素子１０Ａ〜１０Ｄの導体層１には、交流電流がｘ軸方向に流れる。当該交流電流に応じて、各スピントルク発生素子１０Ａ〜１０Ｄにおける強磁性層３の磁化の向きが変化する。
【００８０】
磁化制御装置１００は、更に、電圧計１８を備える。電圧計１８は、導電ライン１８ｃと導電ライン１８ｄとの間の電圧（電位差）を測定し、その測定した電圧値を出力する。この電圧値は、電圧計１８が測定した電圧の時間平均値であってよい。
【００８１】
電流供給装置１１が導電ライン１８ａと導電ライン１８ｂとの間に交流電流を印加している状態で、磁気センサにおいてｙ軸方向の外部磁場Ｈｙが存在すると、電圧計１８が測定する電圧は、外部磁場Ｈｙに応じた値になる。したがって、電圧計１８が出力する電圧値に基づいて、外部磁場Ｈｙを検出できる。
【００８２】
一例では、磁化制御装置１００による磁気センサは、外部磁場Ｈｙに対して非常に敏感であるので、地面に対する磁気センサ（基板１７）の姿勢が変化することにより、ｙ軸方向の地磁気成分も変化するので、この変化を、電圧計１８の出力電圧値に基づいて検出可能である。したがって、磁気センサの姿勢が検出可能であるので、磁気センサを取り付けた対象物の姿勢も検出可能である。
【００８３】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、スピントルク発生素子１０、その製造方法、及び磁化制御装置１００は、上述した複数の事項の全て有していなくてもよく、上述した複数の事項のうち一部のみを有していてもよい。また、スピントルク発生素子１０、その製造方法、及び磁化制御装置１００は、上述した作用効果の全てを奏するものなくてもよく、上述した作用効果の一部のみを奏するものであってもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１  導体層、２  絶縁層、３  強磁性層、４  界面、５ａ，５ｂ  電極、６  コンデンサ、７  交流電源、８  コイル、９  電圧計、１０  スピントルク発生素子、１１  電流供給装置、１２  磁場印加部、１３  参照層、１４，１４Ａ，１４Ｂ  電圧印加装置、１５，１５Ａ，１５Ｂ  電圧計、１６  出力部、１７  基板、１８  電圧計、２０  測定装置、１００  磁化制御装置
【図１】
2020090719.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】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
2020090719.tif 000021
2020090719.tif 000022
2020090719.tif 000023
2020090719.tif 000024