〈一般研究課題〉 アモルファス磁性体を用いた
スピン注入磁気メモリの研究
助 成 研 究 者

名古屋大学

加藤

剛志

アモルファス磁性体を用いたスピン注入磁気メモリの研究加藤 剛志（名古屋大学）

Study on Current Induced Magnetization Switching of
Amorphous Magnetic Films
Takeshi Kato
(Nagoya University)

Abstract：
Giant magneto-resistance (GMR) devices with ferrimagnetic amorphous GdFeCo memory layers
were prepared by magnetron sputtering and subsequent micro-fabrications by EB- and photolithography. The magnetic properties and magneto-resistance measurements show that GdFeCo
memory layers with various Gd contents have sufficiently large perpendicular magnetic anisotropy.
The resistance vs current loops indicate the GdFeCo memory layer can be fully reversed by apulse current due to spin transfer torque switching. A relatively low current density of Jc = 1.6×
10 7 A/cm 2 while high thermal stability factor Δ = 210 was obtained for the sample with
Gd21.4 (FeCo)78.6 memory layer. The critical current density was found to increase with increasing Gd
content, mainly due to the increase of the effective perpendicular anisotropy of the memory layer.
The present results show that the Jc is clearly reduced by the reduction of effective perpendicularanisotropy, and in the case of GdFeCo memory layer, the effective anisotropy is easily reduced bya moderate temperature increase. Thus, the amorphous GdFeCo is considered to be a promising
candidate for the memory layer of the thermally assisted magnetic random access memories.

－ 147 －

1.

はじめに電子のスピン角運動量の授受によって生じたスピントルクを利用して磁化の向きを回転させるス

ピン注入磁化反転は，微小な強磁性体の磁化反転法として注目されている[1, 2]。このスピン注入
磁化反転は，電流の作る磁界により磁化反転を行う既存MRAM (magnetic random access memory)
では困難なGbit級の大容量MRAMの実現を可能とする技術である。100 nm程度の寸法の微小セル領域においては，スピン注入磁化反転による書き込み方式は，磁界による書き込み方式に比べて書き込み電流を大幅に低減できると考えられる[3]。しかし，スピン注入MRAMの実現のためには反転電流密度Jcの低減とともに高い熱安定性の両立という課題がある。Jcの値を105 ～106 A/cm2 程度にすると同時に，熱安定性を示すΔ= KV/kBTの値として60以上を確保することが求められている。
ここで，Kは一軸磁気異方性，Vは体積，kBはボルツマン定数，Tは絶対温度をそれぞれ表す。スピン注入磁化反転は伝導電子スピンが局在電子スピンにトルクを与え，局在電子スピンが感じるエネ
ルギー障壁KVを超えるトルクが与えられると磁化反転を起こすというものであるため，臨界電流
密度はKVに比例する。すなわち，低Jcと高KVの両立は困難であることが分かる。このトレードオ
フを解決する手法として本研究では熱アシストスピン注入磁化反転を提案する。熱アシスト方式では記録時のみに素子に熱を印加し，エネルギー障壁Δを下げ，低Jcで記録を行うものであり，上述のトレードオフを解決できる可能性がある。これを実現する記録層材料として，本研究では希土類-遷移金属(RE-TM)アモルファス合金を用いる。RE-TM膜では容易に垂直磁気異方性を誘導でき，
従来のCoFe系の材料より高い熱安定性を得ることができる。また，垂直磁化膜を利用することで従来の面内磁化膜に比べ低いJcで磁化反転が可能であると考えられる。スピン注入に伴う磁化反転
時に磁化は歳差運動を行うが，面内磁化膜ではこの歳差運動中に磁化が膜面内から立ち上がって大きな反磁界を感じるため，磁化反転が困難になる。一方，垂直磁化膜ではこのような影響を受けず
歳差運動を行うため，低Jc化が期待され，実際に数MA/cm2 の反転電流密度とKuV/kBT = 107の両立が可能であることがTbCoFe / CoFeB膜を用いた素子で報告されている[4]。我々がRE-TM膜に着目した理由は，垂直磁化膜であるという点に加え，磁化ダイナミクスを広範囲にできる可能性があるためである[5]。これはREとTMの磁化が反平行に結合するとともに，REとTMの磁化回転比(g係数)が異なるため，有限磁化での角運動量補償(g係数の発散)や，磁化補償点での歳差運動の停止(g = 0)などの現象が予測されているためである[6, 7]。しかし，磁化ダイナミクスと反転電流密度との相関については系統的に理解されておらず，これらの現象がスピン注入磁化反転の反転電流密度の低減につながる可能性がある。本研究論文では，フリー層に様々な組成のGdFeCo垂直磁化膜を用いた巨大磁気抵抗(GMR)素子について，スピン注入による磁化反転を行った結果について報告
する。
2.

実験方法
超高真空マグネトロンスパッタ装置を用いて，熱酸化膜付きシリコン基板上にsubstrate / Ta (10nm) / Cu 62 Al 38 ( 150 nm) / [Pd ( 1 . 6 nm) / Co ( 0 . 4 nm)] 6 / CoFeB ( 0 . 5 nm) / Cu ( 3 nm) /Gdx(Fe90 Co10 )100-x (10 nm) / Cu (5 nm) / Ta (5 nm)を成膜した。GdFeCo層はスピン注入磁化反転のフリー層として5 nmとした。超高真空スパッタ装置の成膜前の到達真空度は1 x 10-7 Pa以下である。Pd/Co多層膜はリファレンス層（スピン注入磁化反転時に磁化方向が固定されている層）であ－ 148 －

り，GdFeCo層と同様，垂直磁気異方性を示す。Gdx(Fe90 Co10 )100-x層はGdとFe90 Co10 ターゲットの同ᨺ㟁࡟ࡼࡾసᡂࡋ㸪Gd ⤌ᡂ x ࡣ Gd ࢱ࣮ࢤࢵࢺ࡟༳ຍࡍࡿ㟁ຊࢆㄪᩚࡍࡿࡇ࡜࡛ไᚚࡋࡓ㸬ᚤ⣽ຍᕤ
時放電により作成し，Gd組成xはGdターゲットに印加する電力を調整することで制御した。微細๓ࡢ✚ᒙ⭷ࡢ☢໬᭤⥺ࡣ஺␒☢⏺໙㓄ᆺ☢ຊィ㸦AGM㸧㸪ࢺࣝࢡ☢ຊィ࡟ࡼࡾ ᐃࡋࡓ㸬
加工前の積層膜の磁化曲線は交番磁界勾配型磁力計（AGM），トルク磁力計により測定した。
 GMR ⣲Ꮚࡢᚤ⣽ຍᕤ࡟ࡣ㸪ࣇ࢛ࢺࣜࢯࢢࣛࣇ࢕㸪㟁Ꮚࣅ࣮࣒ࣜࢯࢢࣛࣇ࢕࠾ࡼࡧ㟁Ꮚࢧ࢖ࢡࣟࢺࣟ
GMR素子の微細加工には，フォトリソグラフィ，電子ビームリソグラフィおよび電子サイクロ
ࣥඹ㬆㸦ECR㸧ࣉࣛࢬ࣐ࢆ⏝࠸ࡓ Ar+࢖࢚࢜ࣥࢵࢳࣥࢢࢆ⏝࠸㸪᥋ྜ㠃✚ࡀ 120  180 nm2 ࡢ Current
トロン共鳴（ECR）プラズマを用いたAr+イオンエッチングを用い，接合面積が120 × 180 nm 2 のPerpendicular to Plane (CPP)-GMR ᥋ྜࢆస〇ࡋࡓ㸬⣲Ꮚࡢ☢Ẽ᢬ᢠ㸦MR㸧≉ᛶࡣ┤ὶ 4 ➃Ꮚἲ࡟
Current Perpendicular to Plane (CPP)-GMR接合を作製した。素子の磁気抵抗（MR）特性は直流4ࡼࡾホ౯ࡋࡓ㸬㐺ᙜ࡞እ㒊☢⏺ࡢୗ࡛㸪ࣃࣝࢫᖜ 100 msec ࡢࣃࣝࢫ㟁ὶࢆ༳ຍࡋࡓᚋ㸪0.5 mA ࡢㄞ
端子法により評価した。適当な外部磁界の下で，パルス幅100 msecのパルス電流を印加した後，ࡳฟࡋ㟁ὶ࡛᥋ྜ᢬ᢠࢆ ᐃࡍࡿࡇ࡜࡛㸪ࢫࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࢆほᐹࡋࡓ㸬ࡇࡇ࡛㸪㟁ὶࡢṇࡢྥࡁ
0.5 mAの読み出し電流で接合抵抗を測定することで，スピン注入磁化反転を観察した。ここで，ࡣ㟁Ꮚࡀ Pd/Co ከᒙ⭷ᒙ࠿ࡽ GdFeCo ᒙ࡬ὶࢀࡿྥࡁ࡜ࡍࡿ㸬
電流の正の向きは電子がPd/Co多層膜層からGdFeCo層へ流れる向きとする。
3. ᐇ㦂⤖ᯝ࠾ࡼࡧ⪃ᐹ
3. 実験結果および考察
 Gd ⤌ᡂ x = 21.4㸪26.5 ࡢ GdFeCo ᒙࢆ᭷
Gd組成x = 21.4，26.5のGdFeCo層を有す
ࡍࡿ GMR ✚ᒙ⭷ࡢ⭷ἲ⥺᪉ྥࡢ☢໬᭤⥺ࢆ
るGMR積層膜の膜法線方向の磁化曲線を図1 (a)ᅗ 1 (a)࡟♧ࡍ㸬Pd/Co ከᒙ⭷ࡢಖ☢ຊࡣ୧⭷に示す。Pd/Co多層膜の保磁力は両膜ともに2
࡜ࡶ࡟ 2 kOe ⛬ᗘ࡛࠶ࡿ㸬GdFeCo ᒙࡶ⭷ἲ
kOe程度である。GdFeCo層も膜法線方向で急⥺᪉ྥ࡛ᛴᓧ࡞☢໬ኚ໬ࢆ♧ࡋ㸪ᆶ┤☢Ẽ␗
峻な磁化変化を示し，垂直磁気異方性を示して᪉ᛶࢆ♧ࡋ࡚࠸ࡿࡇ࡜ࡀศ࠿ࡿ㸬GdFeCo ᒙ
いることが分かる。GdFeCo層の反転磁界はGdࡢ཯㌿☢⏺ࡣ Gd ⤌ᡂ x ࡜ Pd/Co ከᒙ⭷ࡢ☢
組成xとPd/Co多層膜の磁化方向に依存してい໬᪉ྥ࡟౫Ꮡࡋ࡚࠸ࡿ㸬ࡇࢀࡣ㸪Cu ᒙࢆ௓ࡋ㸪る。これは，Cu層を介し，Pd/Co多層膜の磁化
Pd/Co ከᒙ⭷ࡢ☢໬࡜ FeCo ᒙࡢ☢໬ࡀᖹ⾜とFeCo層の磁化が平行に交換結合しているた࡟஺᥮⤖ྜࡋ࡚࠸ࡿࡓࡵ࡛࠶ࡿ㸬Gd ࡜ FeCoめである。GdとFeCoの磁気モーメントは反平ࡢ☢Ẽ࣮࣓ࣔࣥࢺࡣ཯ᖹ⾜࡟⤖ྜࡋ㸪x = 21.4
行に結合し，x ࡢṇ࿡ࡢ☢໬࡜= 21.4ではGdFeCoの正味の磁࡛ࡣ GdFeCo
FeCo ࡢ☢໬᪉

化とFeCoの磁化方向が平行（TM-richと呼ぶ。
ྥࡀᖹ⾜㸦TM-rich ࡜࿧ࡪ㸬㸧࡛࠶ࡿࡀ㸪x =）であるが，
x = 26.5では正味の磁化とFeCoの磁26.5 ࡛ࡣṇ࿡ࡢ☢໬࡜
FeCo ࡢ☢໬᪉ྥࡣ཯
化方向は反平行である。FeCo
ᖹ⾜㸦RE-rich（RE-richと呼ぶ）
࡜࿧ࡪ㸧
࡛࠶ࡿ㸬FeCo࡜[Pd/Co]と[Pd/Co]の磁化は平行に結合すめ，x =ࡢ☢໬ࡣᖹ⾜࡟⤖ྜࡍࡿࡓࡵ㸪
xる
=た
26.5
࡛ࡣ

26.5ではGdFeCo層と[Pd/Co]層の磁化が反平行
GdFeCo ᒙ࡜[Pd/Co]ᒙࡢ☢໬ࡀ཯ᖹ⾜࡟⤖に結合した状態が安定となり，その状態が零磁ྜࡋࡓ≧ែࡀᏳᐃ࡜࡞ࡾ㸪ࡑࡢ≧ែࡀ㞽☢ሙ
場࡛ᐇ⌧ࡉࢀ࡚࠸ࡿ㸬ᅗ
で 実 現 さ れ て い る。1図(b)ࡣ
1 (b)はnm厚の1010nmཌࡢ
Gd
22 (FeCo)78 単層膜の膜面内，および膜法線方
Gd
22(FeCo)78 ༢ᒙ⭷ࡢ⭷㠃ෆ㸪࠾ࡼࡧ⭷ἲ⥺向の磁化曲線である。この2つの磁化曲線で囲᪉ྥࡢ☢໬᭤⥺࡛࠶ࡿ㸬ࡇࡢ 2 ࡘࡢ☢໬᭤⥺
まれる面積が実効垂直磁気異方性定数K࡛ᅖࡲࢀࡿ㠃✚ࡀᐇຠᆶ┤☢Ẽ␗᪉ᛶᐃᩘ
eff となKeff ࡜࡞ࡾ㸪ᅗ࠿ࡽ㸪= 6 x 104 erg/cc ࡜り，図から，K
10eff4 erg/ccと見積もられ
eff = 6 x Kぢ✚ࡶࡽࢀࡿ㸬ᆶ┤☢Ẽ␗᪉ᛶᐃᩘ
Ku ࡣᐇຠ
る。垂直磁気異方性定数Kuは実効垂直磁気異方ᆶ┤☢Ẽ␗᪉ᛶ࡜ᙧ≧␗᪉ᛶࡢ࿴࡛୚࠼ࡽࢀ㸪性と形状異方性の和で与えられ，

図 1 (a) Hysteresis loops of GMR films with
ᅗ Gd
1 21(a)Hysteresis loops of GMR films with. 4 (Fe 90 Co 10 ) 78 . 6 (closed circles) and
Gd
(Fe
Co
)(open circles)(closed memory
circles)
21.4
9010
Gd 26 . 5 (Fe 90 Co) 7310layersand. 5 78.6
Gd26.5(Feapplying
circles)
90Co10)73.5a (openmeasuredmagnetic
fieldmemory layers
perpendicular
the film; (b)measured toapplyinga Hysteresis
magneticloops
field
ofperpendicular
10 -nm thick single
22 . 0 (Fe10 ) 78 . 0 film loops
to theGd
film;(b)90 Co
Hysteresis
measureda magnetic
of 10-nmapplying
thick single
Gd22.0field(Fe90parallelCo10)78.0 film(closed circles) and perpendicular (openmeasured applying a magnetic field parallel
circles) to the film plane.

(closed circles) and perpendicular (open circles)
to the film plane.

－ 149 －  K u K eff  2S M s2
  K u K eff  2S M s2

(1)
(1)

࡜⾲ࡉࢀࡿ㸬ᅗ
1 (b)࡛ᚓࡽࢀࡿ☢໬と表される。図1(b)で得られる磁化
5
Ms M
ࡢ್࠿ࡽ㸪
Ku =u 4.5
10erg/cc࡜ぢ࡜⾲ࡉࢀࡿ㸬ᅗ1x (b)࡛ᚓࡽࢀࡿ☢໬
= 4.5
x 510
erg/ccとsの値から，K✚ࡶࡽࢀࡿ㸬
Ms ࡢ್࠿ࡽ㸪Ku = 4.5 x 105 erg/cc ࡜ぢ
見積もられる。
 Gd⤌ᡂ✚ࡶࡽࢀࡿ㸬
Gd
組 成x x== 21.4㸪22.3㸪24.1
21. 4，22. 3，24. 1ࡢ
のGdFeCo⣲Ꮚࡢ Gdᒙࢆ᭷ࡍࡿ
⤌ᡂx =21.4㸪22.3㸪24.1
GdFeCo層を有すCPP-GMR
るCPP-GMR素子 ࡢ
MRのMR曲᭤⥺ࢆࡑࢀࡒࢀᅗ
2れ(a)㸪(c)㸪(e)࡟
GdFeCoCPP-GMR⣲Ꮚࡢ
線ᒙࢆ᭷ࡍࡿ
をそれぞ
図 2 (a)，(c)，♧ࡍ㸬ᅗ(b)㸪(d)㸪(f)ࡣࡑࢀࡒࢀᅗ(a)㸪
MR ᭤⥺ࢆࡑࢀࡒࢀᅗ 2 (a)㸪(c)㸪(e)࡟
(e)に示す。図(b)，(d)，(f)はそれぞれ(c)㸪(e)ࡢ࣐࢖ࢼ࣮࣮ࣝࣉ㸦᭱኱༳ຍ☢
♧ࡍ㸬ᅗ(b)㸪(d)㸪(f)ࡣࡑࢀࡒࢀᅗ(a)㸪
図(a)，(c)，(e)のマイナーループ（最ሙ 大印加磁場3(c)㸪(e)ࡢ࣐࢖ࢼ࣮࣮ࣝࣉ㸦᭱኱༳ຍ☢
kOe㸧࡛࠶ࡿ㸬MR᭤⥺ࡢ ᐃࡣ
3 kOe）である。MR曲線☢⏺ࢆ⭷ἲ⥺᪉ྥ࡟༳ຍࡋ࡚⾜ࡗࡓ㸬
ሙ 3 kOe㸧࡛࠶ࡿ㸬MR ᭤⥺ࡢ ᐃࡣの測定は磁界を膜法線方向に印加しᚓࡽࢀࡓMR ẚࡣ᭱኱࡛ 0.24 %⛬ᗘ࡛☢⏺ࢆ⭷ἲ⥺᪉ྥ࡟༳ຍࡋ࡚⾜ࡗࡓ㸬て行った。得られたMR比は最大で࠶ࡾ㸪
Co/Ni ከᒙ⭷࡞࡝ࢆ⏝࠸ࡓ㐣ཤࡢᚓࡽࢀࡓMR ẚࡣ᭱኱࡛ 0.24 %⛬ᗘ࡛
0.24 %程度であり，Co/Ni多層膜なሗ࿌[8]࡟ẚ࡭ᑠࡉ࠸㸬GdFeCoᒙࡢࢫ࠶ࡾ㸪Co/Ni ከᒙ⭷࡞࡝ࢆ⏝࠸ࡓ㐣ཤࡢ
どを用いた過去の報告[8]に比べ小さࣆࣥศᴟ⋡ࡣ
FeCo ࡟ࡼࡾỴࡲࡾ㸪ࡑࢀ
ሗ࿌[8]࡟ẚ࡭ᑠࡉ࠸㸬GdFeCoᒙࡢࢫ
い。GdFeCo層のスピン分極率はFeCo࡯࡝పࡃ࡞࠸ࡶࡢ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ[9]㸬ࡇࣆࣥศᴟ⋡ࡣ FeCo ࡟ࡼࡾỴࡲࡾ㸪ࡑࢀ
により決まり，それほど低くないもࡢࡓࡵ㸪పMR ẚࡢཎᅉࡣ GdFeCo ࡣ࡯࡝పࡃ࡞࠸ࡶࡢ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ[9]㸬ࡇの と 考 え ら れ る[ 9]。 こ の た め， 低࢔ࣔࣝࣇ࢓ࢫᵓ㐀࡛࠶ࡾẚ᢬ᢠࡀ㧗࠸ࡢࡓࡵ㸪ప MR ẚࡢཎᅉࡣ GdFeCo ࡣ
MR比の原因はGdFeCoはアモルファ
図(c), (e)(c),major(b), (d),(f) minor
magnetoᅗ2 (a),2 (a),(e) andmajorand(b), (d),(f) minorࡓࡵ࡛࠶ࡿ࡜⪃࠼࡚࠸ࡿ㸬MR ᭤⥺࠿ࡽ
࢔ࣔࣝࣇ࢓ࢫᵓ㐀࡛࠶ࡾẚ᢬ᢠࡀ㧗࠸
resistance
(MR)
loops
measuredforGMR
devices
ス構造であり比抵抗が高いためであmagneto-resistance (MR) loops measured
for withGMRᅗ 2 memory(a), (c),layers.
(e) major
GdFeCo(a) and and(b) are(b),for (d), (f) minorぢ✚ࡶࡽࢀࡿ
GdFeCo ᒙࡢಖ☢ຊࡣᮍࡓࡵ࡛࠶ࡿ࡜⪃࠼࡚࠸ࡿ㸬MR ᭤⥺࠿ࡽ
deviceswith
GdFeComemorylayers.
(a)
and
(b)
are
ると考えている。MR曲線から見積
Gd 21 . 4 (Fefor Gd(e) and
90 Co 10 ) 78 . 6 , (c) and (d)22 . 3 (Fe90 Co 10 ) 77 . 7 , formagneto-resistance
(MR)
loops
measured
GMR
for
Gd
(c)
and
(d)
for
21.4(Fe90Co10)78.6,
ຍᕤ⭷ࡢࡑࢀ࡟ẚ࡭࡚኱ࡁࡃ࡞ࡗ࡚࠾
ぢ✚ࡶࡽࢀࡿ GdFeCo ᒙࡢಖ☢ຊࡣᮍ(f) fordevices
Gd 24 . 1 (Fe90 Co GdFeCo10 ) 75 . 9 .
withmemorylayers.
(a)
and
(b)
are
もられるGdFeCo層の保磁力は未加Gd22.3(Fe90Co10)77.7, (e) and (f) for Gd24.1(Fe90Co10)75.9.
for
Gd
(Fe
Co
)
,
(c)
and
(d)
for
21.4
90
10
78.6
ࡾ㸪ᚤ⣽ຍᕤ࡟ࡼࡾ⭷ࡢᙧ≧␗᪉ᛶࡀຍᕤ⭷ࡢࡑࢀ࡟ẚ࡭࡚኱ࡁࡃ࡞ࡗ࡚࠾
工膜のそれに比べて大きくなっておGd22.3(Fe90Co10)77.7, (e) and (f) for Gd24.1(Fe90Co10)75.9.
ኚ໬ࡋࡓࡇ࡜ࢆ཯ᫎࡋ࡚࠸ࡿ㸬ࡾ㸪ᚤ⣽ຍᕤ࡟ࡼࡾ⭷ࡢᙧ≧␗᪉ᛶࡀり，微細加工により膜の形状異方性が変化したことを反映している。CPP-GMR素子のGdFeCo層
CPP-GMR
GdFeCoGd ⤌ᡂࢆቑຍࡍࡿࡇ࡜࡛ୖ᪼ࡋ࡚࠸ࡿࡀ㸪ࡇࢀࡣࡇࡢ⤌ᡂኚ ໬ ࡋ⣲Ꮚࡢࡓࡇ࡜ࢆ ཯ ᫎᒙࡢಖ☢ຊࡣࡋ࡚࠸ࡿ㸬
の保磁力はGd組成を増加することで上昇しているが，これはこの組成範囲（TM-richの組成範囲）で⠊ᅖ㸦TM-richࡢ⤌ᡂ⠊ᅖ㸧࡛ࡣGd ⤌ᡂࡢቑ኱࡟ࡼࡾ
GdFeCo ᒙࡢ☢໬ࡀῶᑡࡍࡿࡇ࡜࡟ࡼࡿ࡜⪃CPP-GMR ⣲Ꮚࡢ
GdFeCo ᒙࡢಖ☢ຊࡣGd ⤌ᡂࢆቑຍࡍࡿࡇ࡜࡛ୖ᪼ࡋ࡚࠸ࡿࡀ㸪ࡇࢀࡣࡇࡢ⤌ᡂ
はGd組成の増大によりGdFeCo層の磁化が減少することによると考えることができる。この狭い組࠼ࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡿ㸬ࡇࡢ⊃࠸⤌ᡂ⠊ᅖ࡛ࡣ
GdFeCo ⭷ࡢ Ku ࡀኚࢃࡽ࡞࠸࡜௬ᐃࡍࡿ࡜㸪(1)ᘧ࠿ࡽ
Ms⠊ᅖ㸦TM-rich ࡢ⤌ᡂ⠊ᅖ㸧࡛ࡣ Gd ⤌ᡂࡢቑ኱࡟ࡼࡾ
GdFeCo ᒙࡢ☢໬ࡀῶᑡࡍࡿࡇ࡜࡟ࡼࡿ࡜⪃成範囲ではGdFeCo膜のKuが変わらないと仮定すると，(1)式からMsの変化はKeffの変化につながる。
ࡢኚ໬ࡣ
Keff ࡢኚ໬࡟ࡘ࡞ࡀࡿ㸬Keff ࡢኚ໬ࡀಖ☢ຊࡢኚ໬ࢆࡶࡓࡽࡍࡶࡢ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ㸬࠼ࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡿ㸬ࡇࡢ⊃࠸⤌ᡂ⠊ᅖ࡛ࡣ
GdFeCo ⭷ࡢ Ku ࡀኚࢃࡽ࡞࠸࡜௬ᐃࡍࡿ࡜㸪(1)ᘧ࠿ࡽ Ms
Keffの変化が保磁力の変化をもたらすものと考えられる。
 ࢫࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࢆほࡍࡿࡓࡵ࡟ᐃࡋࡓ R–I ᭤⥺ࢆᅗ 3 ࡟♧ࡍ㸬ࡇࡇ࡛㸪ᅗ 1 ࡟࠾࠸࡚㏙࡭
ࡢኚ໬ࡣ Keff ࡢኚ໬࡟ࡘ࡞ࡀࡿ㸬
Keff ࡢኚ໬ࡀಖ☢ຊࡢኚ໬ࢆࡶࡓࡽࡍࡶࡢ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ㸬
スピン注入磁化反転を観測するために測定したR–I曲線を図3に示す。ここで，図1において述べࡓ஺᥮⤖ྜࢆ࢟ࣕࣥࢭࣝࡍࡿࡓࡵ࡟⭷ἲ⥺᪉ྥ࡟㐺ᐅ☢⏺ࢆ༳ຍࡋࡓ㸬඲࡚ࡢ⤌ᡂࡢ
GdFeCoᒙࢆᣢ ࢫࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࢆほ ࡍࡿࡓࡵ࡟ ᐃࡋࡓ R–I ᭤⥺ࢆᅗ 3 ࡟♧ࡍ㸬ࡇࡇ࡛㸪ᅗ
1 ࡟࠾࠸࡚㏙࡭
た交換結合をキャンセルするために膜法線方向に適宜磁界を印加した。全ての組成のGdFeCo層を
ࡘ CPP-GMR⣲Ꮚ࡟࠾࠸࡚㸪᢬ᢠࡀᛴᓧ࡟ኚ໬ࡍࡿ㟁ὶ್ࡀ࠶ࡿ㸬ࡇࡢ᢬ᢠኚ໬ࡣ MR ᭤⥺࡟ぢࡽࢀࡓ஺᥮⤖ྜࢆ࢟ࣕࣥࢭࣝࡍࡿࡓࡵ࡟⭷ἲ⥺᪉ྥ࡟㐺ᐅ☢⏺ࢆ༳ຍࡋࡓ㸬඲࡚ࡢ⤌ᡂࡢ
GdFeCo ᒙࢆᣢ
持つCPP-GMR素子において，抵抗が急峻に変化する電流値がある。この抵抗変化はMR曲線に見ࡿ᢬ᢠኚ໬ࡢ್࡜ྠ⛬ᗘ࡛࠶ࡾ㸪ࢫࣆࣥὀධ࡟ࡼࡾ
GdFeCo ᒙࡢ☢໬ࡀ཯㌿ࡋࡓࡇ࡜ࡀศ࠿ࡿ㸬ࡘ CPP-GMR ⣲Ꮚ࡟࠾࠸࡚㸪᢬ᢠࡀᛴᓧ࡟ኚ໬ࡍࡿ㟁ὶ್ࡀ࠶ࡿ㸬ࡇࡢ᢬ᢠኚ໬ࡣ
MR ᭤⥺࡟ぢࡽࢀられる抵抗変化の値と同程度であり，スピン注入によりGdFeCo層の磁化が反転したことが分か
Gd21.4(FeCo)78.6 ࡢ GMR ⣲Ꮚ࡟࠾࠸࡚ ᐃࡋࡓࢫࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࡢ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ
Jc ࡢእ㒊☢⏺ Hext
ࡿ᢬ᢠኚ໬ࡢ್࡜ྠ⛬ᗘ࡛࠶ࡾ㸪ࢫࣆࣥὀධ࡟ࡼࡾ
GdFeCo ᒙࡢ☢໬ࡀ཯㌿ࡋࡓࡇ࡜ࡀศ࠿ࡿ㸬る。Gd
21.4 (FeCo) 78.6 のGMR素子において測定したスピン注入磁化反転の臨界電流密度Jcの外部磁界
౫Ꮡᛶࢆᅗ
3 (d)࡟♧ࡍ㸬P to⣲Ꮚ࡟࠾࠸࡚
AP ࡣ GdFeCo ᐃࡋࡓࢫࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࡢ⮫⏺㟁ὶᐦᗘࡢ☢໬࡜[Pd/Co]ࡢ☢໬ࡀᖹ⾜≧ែ࠿ࡽ཯ᖹ⾜࡬㑄⛣ࡍࡿ
Gd (FeCo)ࡢ GMR
J ࡢእ㒊☢⏺ H
21.4

78.6

c

ext

Hext依存性を図3(d)に示す。Pto ࡣ
APはGdFeCoの磁化と[Pd/Co]の磁化が平行状態から反平行へ遷ሙྜࡢ㸪AP
to P
Jc ࡢ್࡛࠶ࡿ㸬୧⪅ࡢ Jc ࡣእ㒊☢⏺࡟౫Ꮡࡍࡿ
౫Ꮡᛶࢆᅗ
3 ࡣ཯ᖹ⾜࠿ࡽᖹ⾜࡬㑄⛣ࡍࡿሙྜࡢ(d)࡟♧ࡍ㸬P to AP
GdFeCo ࡢ☢໬࡜[Pd/Co]ࡢ☢໬ࡀᖹ⾜≧ែ࠿ࡽ཯ᖹ⾜࡬㑄⛣ࡍࡿ
移する場合の，APto
Pは反平行から平行へ遷移する場合のJcの値である。両者のJcは外部磁界にࡀࡑࡢᕪศࡣ
Hext
3 (d)ࡢ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ㸦APto P ࡜ P to APሙྜࡢ㸪AP
to࡟࡯࡜ࢇ࡝౫Ꮡࡋ࡞࠸ࡇ࡜ࡶ☜ㄆࡋࡓ㸬P ࡣ཯ᖹ⾜࠿ࡽᖹ⾜࡬㑄⛣ࡍࡿሙྜࡢ Jᅗ
Jc ࡣእ㒊☢⏺࡟౫Ꮡࡍࡿ
c ࡢ್࡛࠶ࡿ㸬୧⪅ࡢ

依存するがその差分はHextにほとんど依存しないことも確認した。図3(d)の臨界電流密度ࡀࡑࡢᕪศࡣ Hext ࡟࡯࡜ࢇ࡝౫Ꮡࡋ࡞࠸ࡇ࡜ࡶ☜ㄆࡋࡓ㸬ᅗ 3 (d)ࡢ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ㸦AP to（APP ࡜ Ptoto AP
7
2
PとP to APの平均値）は1.6 x 10 A/cm であり，この値は10 %程度の大きなMR比を示す磁気トン

ネル接合（MTJ）[10]の場合と同程度である。さらにこのMTJ素子ではメモリ層厚は2 nm程度である－ 150 －

ẚࢆ♧ࡍ☢Ẽࢺࣥࢿࣝ᥋ྜ㸦MTJ㸧
ࡢᖹᆒ್㸧ࡣ
1.6 x 107 A/cm2 ࡛࠶[10]ࡢሙྜ࡜ྠ⛬ᗘ࡛࠶ࡿ㸬ࡉࡽ࡟ࡾ㸪
10 %⛬ᗘࡢ኱ࡁ࡞ MRࡇࡢࡇࡢ್ࡣ
MTJ ⣲Ꮚ࡛ࡣ࣓ࣔࣜᒙཌࡣ
2ẚࢆ♧ࡍ☢Ẽࢺࣥࢿࣝ᥋ྜ㸦MTJ㸧
nm⛬ᗘ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆ⪃࠼ࡿ࡜௒ᅇ
[10]ࡢሙྜ࡜ྠ⛬ᗘ࡛࠶ࡿ㸬ࡉࡽ࡟ࡢ
GdFeCo(10 1.6nm)ࡢ࣓ࣔࣜᒙ࡛ᚓ
ことを考えると今回のGdFeCo(10ࡢᖹᆒ್㸧ࡣ
x 107 A/cm2 ࡛࠶ࡇࡢMTJ ⣲Ꮚ࡛ࡣ࣓ࣔࣜᒙཌࡣ
2ࡽࢀࡓ್ࡣ㐣ཤࡢሗ࿌౛࡜ẚ࡭࡚nm)のメモリ層で得られた値は過ࡾ㸪ࡇࡢ್ࡣ10 %⛬ᗘࡢ኱ࡁ࡞ MR

nm⛬ᗘ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆ⪃࠼ࡿ࡜௒ᅇ
ࡶ㠀ᖖ࡟ᑠࡉ࡞
Jc ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࡀศ
ẚࢆ♧ࡍ☢Ẽࢺࣥࢿࣝ᥋ྜ㸦MTJ㸧
去の報告例と比べても非常に小さࡢ
GdFeCo(10 nm)ࡢ࣓ࣔࣜᒙ࡛ᚓ࠿ࡿ㸬[10]ࡢሙྜ࡜ྠ⛬ᗘ࡛࠶ࡿ㸬ࡉࡽ࡟
なJcであることが分かる。

ࡽࢀࡓ್ࡣ㐣ཤࡢሗ࿌౛࡜ẚ࡭࡚
ᅗ 図4
4MTJ
(a)ࡣ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ
Jc ࡢ
Gd2
ࡇࡢ
⣲Ꮚ࡛ࡣ࣓ࣔࣜᒙཌࡣ
(a)は臨界電流密度J
c のGd組ࡶ㠀ᖖ࡟ᑠࡉ࡞
Jc ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࡀศ
⤌ᡂ౫Ꮡᛶࢆ♧ࡋ࡚࠸ࡿ㸬ᅗ࠿ࡽnm⛬ᗘ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆ⪃࠼ࡿ࡜௒ᅇ
成依存性を示している。図からJ
c
࠿ࡿ㸬
Jࡢ
Gd
⤌ᡂࡢቑ኱࡜࡜ࡶ࡟ୖ᪼ࡋcࡣ
GdFeCo (10 nm)ࡢ࣓ࣔࣜᒙ࡛ᚓ
はGd組成の増大とともに上昇して࡚࠸ࡿ㸬࡞࠾㸪ᅗ
4 (a)ࡣ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ
Jc ࡢ Gd
Jc ࡣ༳ຍ㟁ὶࣃࣝࢫࡽࢀࡓ್ࡣ㐣ཤࡢሗ࿌౛࡜ẚ࡭࡚いる。なお，Jc は印加電流パルス⤌ᡂ౫Ꮡᛶࢆ♧ࡋ࡚࠸ࡿ㸬ᅗ࠿ࡽᖜ࡟౫Ꮡࡍࡿࡓࡵ㸪ࣃࣝࢫᖜ 1 nsecࡶ㠀ᖖ࡟ᑠࡉ࡞
c ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࡀศ
幅 に 依 存 す るJため， パ ル ス 幅 1J࠿ࡿ㸬c ࡣ Gd ⤌ᡂࡢቑ኱࡜࡜ࡶ࡟ୖ᪼ࡋ
ࡢሙྜࡢ
Jc0 ࢆ⏝࠸ࡿ᪉ࡀ୍⯡ⓗ࡛
nsecの場合のJc0 を用いる方が一般࡚࠸ࡿ㸬࡞࠾㸪c ࡣ༳ຍ㟁ὶࣃࣝࢫ࠶ࡿ㸬
࡜ Jc0 Jࡣ௨ୗࡢᘧ࡛⾲ࡉࢀ 的である。J
ᅗ 4Jc(a)ࡣ⮫⏺㟁ὶᐦᗘ
Jc ࡢ Gdc とJc0 は以下の式で表ᖜ࡟౫Ꮡࡍࡿࡓࡵ㸪ࣃࣝࢫᖜ
1 nsecࡿ[11]㸬
⤌ᡂ౫Ꮡᛶࢆ♧ࡋ࡚࠸ࡿ㸬ᅗ࠿ࡽされる[11]。
ࡢሙྜࡢ
Jc0 ࢆ⏝࠸ࡿ᪉ࡀ୍⯡ⓗ࡛
Jc ࡣ Gd ⤌ᡂࡢቑ኱࡜࡜ࡶ࡟ୖ᪼ࡋ
§ W ·º࠶ࡿ㸬
Jc ࡜ Jc0ª ࡣ௨ୗࡢᘧ࡛⾲ࡉࢀ࡚࠸ࡿ㸬࡞࠾㸪J 1ࡣ༳ຍ㟁ὶࣃࣝࢫ  J c J c0 «1  c ln ¨ ¸ »(2)W'ࡿ[11]㸬
»«©
¹ᖜ࡟౫Ꮡࡍࡿࡓࡵ㸪ࣃࣝࢫᖜ
0 ¼ 1 nsec¬

ᅗ 3 (a) R-I loops measured for GMR devices with (a)Gd21.4(Fe90Co10)78.6, (b) Gd22.3(Fe90Co10)77.7 , and (c)Gd24.1(Fe90Co10)75.9 memory layers. Figure (d) shows the
Hext dependence of critical current density Jc for the GMR
device with Gd21.4(FeCo)78.6 memory layer.
ᅗ 3 (a) R-I loops measured for GMR devices with (a)Gd21.4(Fe90Co10)78.6, (b) Gd22.3(Fe90Co10)77.7 , and (c)Gd24.1(Fe90Co10)75.9 memory layers. Figure (d) shows the
Hext dependence of critical current density Jc for the GMR
device with Gd21.4(FeCo)78.6 memory layer.
ࡢሙྜࡢ Jc0 ࢆ⏝࠸ࡿ᪉ࡀ୍⯡ⓗ࡛
ここで，τ0 は1nsecであり，Δ =図R-I R-Iloopsloops
measuredfor GMR(a) with (a)ᅗ3 (a)3 (a)measured
fordevices
GMR withdevicesª 1 § W ·º
Gd 21 . 4 (Fe 90 Co 10 ) 78 . 6 , (b) Gd 22 .J3 (Fe90 Co 10 ) 77 . 7 , and (c)
࠶ࡿ㸬
J
࡜
J
c0
c0 ࡣ௨ୗࡢᘧ࡛⾲ࡉࢀ
ࡇࡇ࡛㸪W
ࡣ
1nsec
࡛࠶ࡾ㸪'
=
K
V
/
k
T
ࡣ⇕Ᏻᐃᛶᣦᩘ࡛࠶ࡿ㸬ࢆぢ✚ࡶࡿࡓࡵ࡟'ࡀᚲせ࡜࡞
eff
B
c0
Gd21.4(Fe90Co10)78.6, (b) Gd22.3(Fe90Co10)77.7 , and (c)» であ KeffJV/k(2)
J c0 «熱1 安 定
ln性
¨ 指¸数
る。
c BTは
Gd 24 . 1 (Fe 90 Co 10 ) 75 . 9 memory layers. Figure (d) shows the Hext«¬ ' © W 0 ¹ »¼
Gd24.1(Fe90of
Co10)75.9 memory(d)theࡿ[11]㸬
ࡿࡀࡇࢀࡣ༢ᒙ⭷ࡢKeff㸦ᅗ 4 (b)࡟♧ࡍ㸧ࢆ⏝࠸࡚⟬ฟࡋࡓ㸬(2)ᘧ࠿ࡽぢ✚ࡶࡽࢀࡿࡢshowsGd ⤌ᡂ౫
dependence
criticalcurrent layers.
density Figure
Jc forJc0the
GMR
Jc0 を見積もるためにΔが必要とな
Hext dependenceof criticalcurrent density Jc for the GMR
devicewith Gd 21 . 4 (FeCo)
78 . 6 memory layer.
Ꮡᛶࢆᅗ 4 (a)࡟♧ࡍ㸬౛࠼ࡤ㸪Gd21.4(FeCo)78.6
࡛࠶ࡿ
Keff = 6.0
x 104 erg/cc ࠿ࡽ⇕(FeCo)78.6 memory
layer.
devicewithGMR
Gd21.4⣲Ꮚ࡛ࡣ㸪
るがこれは単層膜のKeff（図 4 (b)にª2101࡜ぢ✚ࡶࡽࢀ㸪§ W · º = Keff
ࡇࡇ࡛㸪W
࡛࠶ࡾ㸪'
V/=kB1.7
T ࡣ⇕Ᏻᐃᛶᣦᩘ࡛࠶ࡿ㸬ࢆぢ✚ࡶࡿࡓࡵ࡟'ࡀᚲせ࡜࡞
0 ࡣ=1nsecᏳᐃᛶᣦᩘ'
Jc0
x 107 A/cm2 ࡜࡞ࡿ㸬ᅗ J4c0(a)࡟♧ࡍࡼ࠺࡟
Jc0 ࡣ Jc ࡜࡯࡜ 示す）
 J c を用いて算出した。(2)式か(2)
J c0 «1  ln ¨ ¸ »W 0 ¹ »¼4 (b)࡟♧ࡍ㸧ࢆ⏝࠸࡚⟬ฟࡋࡓ㸬(2)ᘧ࠿ࡽぢ✚ࡶࡽࢀࡿ«¬ ' Keffࡿࡀࡇࢀࡣ༢ᒙ⭷ࡢ㸦ᅗ
Jc0 ࡢ Gd ⤌ᡂ౫ࢇ࡝ኚࢃࡽࡎ㸪ࡇࢀࡣᒙࡢ'ࡀ㠀ᖖ࡟኱ࡁ࠸ࡇ࡜ࢆព࿡ࡍࡿ㸬Jc0 ࡣ௨ୗࡢᘧ࡛⾲ࡉࢀࡿࡇ࡜
©GdFeCo
ら見積もられるJ
c0 のGd組成依存性Ꮡᛶࢆᅗ 4 (a)࡟♧ࡍ㸬౛࠼ࡤ㸪Gd21.4(FeCo)78.6 ࡛࠶ࡿ GMR ⣲Ꮚ࡛ࡣ㸪Keff = 6.0 x 104 erg/cc ࠿ࡽ⇕ࡀ▱ࡽࢀ࡚࠸ࡿ[12]㸬
を 図 4 (a)に 示 す。 例 え ば，Gd 21. 4
Ᏻᐃᛶᣦᩘ'= 1nsec
210 ࡜ぢ✚ࡶࡽࢀ㸪
c0 = 1.7 x 107 A/cm2 ࡜࡞ࡿ㸬ᅗ 4 (a)࡟♧ࡍࡼ࠺࡟ Jc0 ࡣ Jc ࡜࡯࡜ࡇࡇ࡛㸪Wࡣ࡛࠶ࡾ㸪' = KJeff
V/kBT ࡣ⇕Ᏻᐃᛶᣦᩘ࡛࠶ࡿ㸬
Jc0 ࢆぢ✚ࡶࡿࡓࡵ࡟'ࡀᚲせ࡜࡞
4(FeCo)78.60であるGMR素子では，K
eff = 6.0 x 10 erg/ccから熱安定性指数Δ = 210と見積もられ，Jc0ࢇ࡝ኚࢃࡽࡎ㸪ࡇࢀࡣ
GdFeCoᒙࡢ'ࡀ㠀ᖖ࡟኱ࡁ࠸ࡇ࡜ࢆព࿡ࡍࡿ㸬
Jc0 ࡣ௨ୗࡢᘧ࡛⾲ࡉࢀࡿࡇ࡜
Je
Keff㸦ᅗ 4 (b)࡟♧ࡍ㸧ࢆ⏝࠸࡚⟬ฟࡋࡓ㸬(2)ᘧ࠿ࡽぢ✚ࡶࡽࢀࡿ
Jc0 ࡢ Gd ⤌ᡂ౫ࡿࡀࡇࢀࡣ༢ᒙ⭷ࡢ
= 1.7(3)(a)に示すようにJc0 はJcとほとんど変わらず，これはGdFeCo層のΔ
J c0 x D107 A/cm
K eff2 となる。図4
PKࡀ▱ࡽࢀ࡚࠸ࡿ[12]㸬
BᏑᛶࢆᅗ 4 (a)࡟♧ࡍ㸬౛࠼ࡤ㸪Gd
21.4(FeCo)78.6 ࡛࠶ࡿ GMR ⣲Ꮚ࡛ࡣ㸪Keff = 6.0 x 104 erg/cc ࠿ࡽ⇕が非常に大きいことを意味する。Jc0 は以下の式で表されることが知られている[12]。
Ᏻᐃᛶᣦᩘ' = 210 ࡜ぢ✚ࡶࡽࢀ㸪Jc0 = 1.7 x 107 A/cm2 ࡜࡞ࡿ㸬ᅗ 4 (a)࡟♧ࡍࡼ࠺࡟ Jc0 ࡣ Jc ࡜࡯࡜Jeࢇ࡝ኚࢃࡽࡎ㸪ࡇࢀࡣ
GdFeCo(3)ᒙࡢ'ࡀ㠀ᖖ࡟኱ࡁ࠸ࡇ࡜ࢆព࿡ࡍࡿ㸬
Jc0 ࡣ௨ୗࡢᘧ࡛⾲ࡉࢀࡿࡇ࡜e ࡣ⣲㟁Ⲵ㸪µB ࡣ࣮࣎࢔☢Ꮚ㸪Kࡣࢫ
ࡇࡇ࡛㸪Dࡣ J c0 D Gilbert
K ࡢࢲࣥࣆࣥࢢᐃᩘ㸪Jࡣࢪࣕ࢖ࣟ☢Ẽᐃᩘ㸪
PBK effࡀ▱ࡽࢀ࡚࠸ࡿ[12]㸬
ࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࡢຠ⋡࡛࠶ࡿ㸬ࡇࡢᘧ࡟࠶ࡿࡼ࠺࡟
Jc0 ࡣ Keff ࡟ẚ౛ࡍࡿࡀ㸪ᅗ 4 (a)㸪(b)ࢆẚ㍑ࡍ
ࡿ࡜ Jc0 ࡜ Keff ࡣ Gd ⤌ᡂቑຍ࡟ࡼࡾ࡜ࡶ࡟ቑ኱ࡋ㸪୧⪅࡟ᑐᛂ㛵ಀࡀ࠶ࡿࡇ࡜ࡀศ࠿ࡿ㸬ᘧ(3)ࡣ Jc0
ここで，αはGilbertのダンピング定数，γはジャイロ磁気定数，eは素電荷，µBはボーア磁子，ηࡇࡇ࡛㸪Dࡣ
Gilbertࡢࢲࣥࣆࣥࢢᐃᩘ㸪Jࡣࢪࣕ࢖ࣟ☢Ẽᐃᩘ㸪e ࡣ⣲㟁Ⲵ㸪µB ࡣ࣮࣎࢔☢Ꮚ㸪Kࡣࢫ
ࡣDࡣJ࡜࠸ࡗࡓ☢໬ࢲ࢖ࢼ࣑ࢡࢫࢆᨭ㓄ࡍࡿࣃ࣓࣮ࣛࢱ࡟ࡶᩄឤ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆព࿡ࡋ࡚࠸ࡿ㸬
GdFeCoJe はスピン注入磁化反転の効率である。この式にあるようにJ
 J c0 D(3)K eff
c0 はKeffに比例するが，図4 (a)，(b)を比Kࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࡢຠ⋡࡛࠶ࡿ㸬ࡇࡢᘧ࡟࠶ࡿࡼ࠺࡟
Jc0 ࡣ Gd
Keff ⤌ᡂቑຍ࡟క࠺
࡟ẚ౛ࡍࡿࡀ㸪ᅗ(a)㸪(b)ࢆẚ㍑ࡍ
ࡢDࡸJࡣ Gd P⤌ᡂ࡟ࡼࡾኚ໬ࡍࡿࡇ࡜ࡀ▱ࡽࢀ࡚࠾ࡾ[5]㸪
Jc04ࡢୖ᪼ࡣࡇࡢ⤌ᡂB
較するとJc0 とKeffはGd組成増加によりともに増大し，両者に対応関係があることが分かる。式(3)はࡿ࡜ Jc0 ࡜ Keff ࡣ Gd ⤌ᡂቑຍ࡟ࡼࡾ࡜ࡶ࡟ቑ኱ࡋ㸪୧⪅࡟ᑐᛂ㛵ಀࡀ࠶ࡿࡇ࡜ࡀศ࠿ࡿ㸬ᘧ(3)ࡣ Jc0
Jc0 はαはγといった磁化ダイナミクスを支配するパラメータにも敏感であることを意味している。
ࡣDࡣJ࡜࠸ࡗࡓ☢໬ࢲ࢖ࢼ࣑ࢡࢫࢆᨭ㓄ࡍࡿࣃ࣓࣮ࣛࢱ࡟ࡶᩄឤ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆព࿡ࡋ࡚࠸ࡿ㸬
GdFeCoࡇࡇ࡛㸪Dࡣ Gilbert ࡢࢲࣥࣆࣥࢢᐃᩘ㸪Jࡣࢪࣕ࢖ࣟ☢Ẽᐃᩘ㸪e ࡣ⣲㟁Ⲵ㸪µB ࡣ࣮࣎࢔☢Ꮚ㸪Kࡣࢫ
GdFeCoのαやγはGd組成により変化することが知られており[5]，Gd組成増加に伴うJc0 の上昇はࡢDࡸJࡣGd ⤌ᡂ࡟ࡼࡾኚ໬ࡍࡿࡇ࡜ࡀ▱ࡽࢀ࡚࠾ࡾ[5]㸪
Jc0 ࡢୖ᪼ࡣࡇࡢ⤌ᡂࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࡢຠ⋡࡛࠶ࡿ㸬ࡇࡢᘧ࡟࠶ࡿࡼ࠺࡟
Jc0 ࡣGd
Keff⤌ᡂቑຍ࡟క࠺
࡟ẚ౛ࡍࡿࡀ㸪ᅗ
4 (a)㸪(b)ࢆẚ㍑ࡍ
この組成領域でGd組成増加によりαやγが増加することも関係している可能性がある。Gd組成をࡿ࡜ Jc0 ࡜ Keff ࡣ Gd ⤌ᡂቑຍ࡟ࡼࡾ࡜ࡶ࡟ቑ኱ࡋ㸪୧⪅࡟ᑐᛂ㛵ಀࡀ࠶ࡿࡇ࡜ࡀศ࠿ࡿ㸬ᘧ(3)ࡣ Jc0
更に増加することでαやγは大きく変化することが期待され[5]，更なる系統的な研究が必要であࡣDࡣJ࡜࠸ࡗࡓ☢໬ࢲ࢖ࢼ࣑ࢡࢫࢆᨭ㓄ࡍࡿࣃ࣓࣮ࣛࢱ࡟ࡶᩄឤ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆព࿡ࡋ࡚࠸ࡿ㸬GdFeCo
ると考えられる。
ࡢDࡸJࡣ Gd ⤌ᡂ࡟ࡼࡾኚ໬ࡍࡿࡇ࡜ࡀ▱ࡽࢀ࡚࠾ࡾ[5]㸪 Gd ⤌ᡂቑຍ࡟క࠺ Jc0 ࡢୖ᪼ࡣࡇࡢ⤌ᡂ－ 151 －

4. 㡿ᇦ࡛
まとめGd ⤌ᡂቑຍ࡟ࡼࡾDࡸJࡀቑຍࡍࡿ
本研究では種々の組成のGdFeCoメモリーࡇ࡜ࡶ㛵ಀࡋ࡚࠸ࡿྍ⬟ᛶࡀ࠶ࡿ㸬Gd ⤌ᡂ
層を用いたCPP-GMR素子を作成し，スピンࢆ᭦࡟ቑຍࡍࡿࡇ࡜࡛DࡸJࡣ኱ࡁࡃኚ໬ࡍ
注入磁化反転を観測した。GdFeCo層は大きࡿࡇ࡜ࡀᮇᚅࡉࢀ[5]㸪᭦࡞ࡿ⣔⤫ⓗ࡞◊✲
な垂直磁気異方性を示し，十分大きな熱安定ࡀᚲせ࡛࠶ࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ㸬性指数Δを有している。Gd21.4 (FeCo)78.6 の場合，
7
2
Δ4.= 210，Jࡲ࡜ࡵc = 1. 6 x 10 A/cm が 得 ら れ た。

このJ
c は2 nm厚程度のCo系メモリー層を用い ᮏ◊✲࡛ࡣ✀ࠎࡢ⤌ᡂࡢ
GdFeCo ࣓ࣔࣜ
た磁気トンネル接合（Δ = 40程度）と同程度の࣮ᒙࢆ⏝࠸ࡓ CPP-GMR⣲Ꮚࢆసᡂࡋ㸪ࢫࣆࣥὀධ☢໬཯㌿ࢆほ ࡋࡓ㸬GdFeCoᒙ
値であり，GdFeCo膜が低J
c，高Δを実現するࡣ኱ࡁ࡞ᆶ┤☢Ẽ␗᪉ᛶࢆ♧ࡋ㸪༑ศ኱ࡁ
ポテンシャルをもった材料であることを示す࡞⇕Ᏻᐃᛶᣦ
ᩘ D ࢆ᭷ࡋ࡚࠸ࡿ㸬ことが出来た。J
cのGd組成依存性からGdFeCo
Gd21.4(FeCo)c78.6= 210㸪Jc = 1.6 x
メモリー層のJはKࡢሙྜ㸪'eff の減少により低減できる
107 A/cm2 ࡀᚓࡽࢀࡓ㸬ࡇࡢ Jc ࡣ 2 nm ཌ⛬
ことを確認した。今回の検討では，Gd組成を
ᗘࡢ Co ⣔࣓࣮ࣔࣜᒙࢆ⏝࠸ࡓ☢Ẽࢺࣥࢿ
変化させることでK
eff を制御したが，GdFeCoࣝ᥋ྜ㸦' = 40 ⛬ᗘ㸧࡜ྠ⛬ᗘࡢ್࡛࠶ࡾ㸪膜では300℃程度の温度上昇でK
effをほぼ0まで
GdFeCo ⭷ࡀప Jc㸪㧗'ࢆᐇ⌧ࡍࡿ࣏ࢸࣥࢩ
減少させることが可能であり，GdFeCo膜がࣕࣝࢆࡶࡗࡓᮦᩱ࡛࠶ࡿࡇ࡜ࢆ♧ࡍࡇ࡜ࡀ
熱アシスト型スピン注入磁化反転のメモリーฟ᮶ࡓ㸬Jc ࡢ Gd ⤌ᡂ౫Ꮡᛶ࠿ࡽ GdFeCo
層として有望な材料であることが分かった。
࣓࣮ࣔࣜᒙࡢ Jc ࡣ Keff ࡢῶᑡ࡟ࡼࡾపῶ࡛
ࡁࡿࡇ࡜ࢆ☜ㄆࡋࡓ㸬௒ᅇࡢ᳨ウ࡛ࡣ㸪Gd

図 4 (a) Dependence of critical current density Jc
ᅗ 4and(a) JDependence
criticalfromEq. current( 2 )) on density
the Gd Jc andc 0 (estimatedof
compositionin GMRfrom
devicesJc0 (estimatedEq.with(2))GdFeCo
on the Gd
memorylayers. in(b) GMR
Dependenceof effective
composition
deviceswith GdFeCo
anisotropy
eff on the Gd composition estimatedmemory K
layers.
(b) Dependence of effective
for 10 nm-thick GdFeCo single layer.

anisotropy Keff on the Gd composition estimated⤌ᡂࢆኚ໬ࡉࡏࡿࡇ࡜࡛ Keff ࢆไᚚࡋࡓࡀ㸪for 10nm-thick GdFeCo single layer.
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