スピン流回路
【課題】複数の出力電圧のバラつきを低減可能なスピン流回路を提供する。
【解決手段】スピン流回路は、スピン流を発生する第1スピン注入素子ＳＩＥと、第1スピン注入素子ＳＩＥにおいて発生したスピン流が流れる非磁性のチャンネル層５Ａと、チャンネル層５Ａ上の異なる位置に設けられた複数の磁化自由層４，６と、チャンネル層５Ａとそれぞれの磁化自由層４，６との間に介在するトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃとを備えている。それぞれの磁化自由層４，６とチャンネル層５Ａの間の電圧が、それぞれ検出される。各フリー層４，６とチャンネル層５Ａとの間にトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃを介在させておくことで、各フリー層４，６とチャンネル層１９Ｂ，１９Ｃとの間の出力電圧のバラつきを低減させることができる。
【解決手段】スピン流回路は、スピン流を発生する第1スピン注入素子ＳＩＥと、第1スピン注入素子ＳＩＥにおいて発生したスピン流が流れる非磁性のチャンネル層５Ａと、チャンネル層５Ａ上の異なる位置に設けられた複数の磁化自由層４，６と、チャンネル層５Ａとそれぞれの磁化自由層４，６との間に介在するトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃとを備えている。それぞれの磁化自由層４，６とチャンネル層５Ａの間の電圧が、それぞれ検出される。各フリー層４，６とチャンネル層５Ａとの間にトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃを介在させておくことで、各フリー層４，６とチャンネル層１９Ｂ，１９Ｃとの間の出力電圧のバラつきを低減させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流の取り出しの均一性を高めたスピン流回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の演算回路技術では、電流を回路に流し、その電流或いは電圧を利用することで計算を行っている。近年の大規模集積回路（ＬＳＩ）の重要な課題の１つは、消費電力の低減である。すなわち、非計算時におけるリーク電流が計算時と同等の電力を消費しており、かかる消費電力の低減が検討されている。この改善の方法として、１つの回路を複数のブロックに分けて、使用しない回路の電源を切る手法が採用されている。しかしながら、この方法では回路を使わないという予測を立てなければならないため、予測が外れると、回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を行う際の電力消費量の方がむしろ増大してしまう。
【０００３】
その改善策として、磁気記録素子であるＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を採用し、不揮発な情報を保持することが提案されている。ＭＴＪは、従来、下記特許文献１，２に示されるように、磁気ヘッドに用いられてきたが、その他の用途には適用されてこなかった。ＭＴＪを用いた回路は、計算時以外では電流を遮断することができる。したがって、このような回路を用いることで、消費電力を大幅に低減し、省エネルギー化を実現することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９９４６７号公報
【特許文献２】特許第４０２９７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
消費電力を低減する回路としては、スピン流を用いたものが有効であると考えられる。スピン流はまさに回路におけるスピンの流れであり、電荷を伴わない。
【０００６】
スピン流に関しては幾つかの現象が知られている。例えば、上向きのスピン電子と下向きのスピン電子が互いに逆方向に同一量だけ流れる場合、電子の流れは相殺されるが、スピン流は発生している。すなわち、電子流が存在しない場合においてもスピン流は発生し、一領域内にスピン蓄積が行われる現象が存在する。このような現象は、スピン電子が蓄積された領域からスピン流が染み出していると捉えることもできる。
【０００７】
非磁性体からなるチャンネル層の両端に、磁化固定層（ピンド層）と、磁化自由層（フリー層）を配置し、ピンド層からチャンネル層内にスピン電子を注入した場合、この注入位置（ＧＳＩＰ：グローバルスピン注入位置）から、スピンが拡散してスピン流が発生し、このスピン流はフリー層によって吸収される。このときフリー層とピンド層の磁化の向きの相対角度によって、フリー層の電位が変動し、チャンネル層とフリー層との間に電圧変化が発生する。
【０００８】
フリー層の磁化の向きは、これに近接する配線を流れる電流に伴って発生する磁界などによって、変化させることができる。もちろん、フリー層の磁化の向きは、これにスピン注入磁化反転臨界値以上のスピン注入を行うことによっても制御することができる。いずれにしても、この配線に電流を流すことによって、フリー層の磁化の向きを変化させることができ、この状態は１つの情報として保持することができる。
【０００９】
１つのＧＳＩＰから拡散するスピン流を、複数のフリー層で吸収する場合、個々のフリー層を１つのセルとして取り扱うと、フリー層の磁化の向きを情報として記憶したメモリが完成する。各フリー層に書き込まれた情報は、スピン流の吸収時に生じる電圧を測定すれば読み出すことができる。また、スピン流を生成する電流を取り出した場合、出力電圧は急激に減衰することから、スピン流回路における電力消費量は極めて少なくなるものと推定され、低消費電力のメモリの実現が期待されている。
【００１０】
ところが、本願発明者らが鋭意検討した結果、１つのＧＳＩＰから拡散するスピン流を、複数のフリー層で吸収させようとすると、ＧＳＩＰからの距離が離れるにしたがって、各フリー層から出力される電圧が低下することが判明した。これは、近距離に位置するフリー層によって多くのスピン流が吸収され、残り少ないスピン流成分が遠距離に位置するフリー層に吸収され、このような吸収量の違いが出力電圧の差となって観察されたものと考えられる。
【００１１】
上述のような現象が生じる場合、各フリー層における出力電圧のバラつきが大きく、現実的なメモリ等には適用することができない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、複数の出力電圧のバラつきを低減可能なスピン流回路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】
【００１２】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン流回路は、スピン流を発生する第1スピン流発生手段と、第1スピン流発生手段において発生したスピン流が流れる非磁性のチャンネル層と、チャンネル層上の異なる位置に設けられた複数の磁化自由層（フリー層）と、チャンネル層とそれぞれの前記磁化自由層との間に介在するトンネル障壁と、を備え、それぞれの磁化自由層とチャンネル層の間の電圧がそれぞれ検出されることを特徴とする。
【００１３】
フリー層は、磁化固定層（ピンド層）に対して相対的に磁化の向きが外部磁場に応じて容易に変化する磁性層であり、フリー層の保持力は、ピンド層の保持力よりも小さい。本願発明者らは、スピン流を複数のフリー層で吸収させる場合において、各フリー層とチャンネル層との間に比較的高抵抗のトンネル障壁を介在させておくことで、各フリー層とチャンネル層との間の出力電圧のバラつきを低減させることができる旨を発見した。このように本発明によれば、出力電圧のバラつきを低減することができるため、スピン流回路のメモリへの適用が可能となる。
【００１４】
また、磁化自由層の磁化容易軸は、磁化固定層の磁化容易軸と平行であることが好ましい。この場合には、磁化自由層の磁化の方向は、磁化固定層の磁化の方向に対して、平行と反平行という２つの状態を明確にとることができるため、この素子を２つの状態を記憶するメモリに適用することができる。
【００１５】
また、第１スピン流発生手段は、ピンド層と、ピンド層とチャンネル層との間に介在するトンネル障壁とを備えていることが好ましい。ピンド層とトンネル障壁を透過した電子は、特定の向きに磁気偏極したスピンを有しており、チャンネル層へのスピン注入位置からスピン流が拡散し、フリー層へと流れ込む。各フリー層に吸収されたスピン流の量が同一であれば、各フリー層とピンド層の磁化の向きの相対角度に応じて、出力電圧が同様に変動する。各フリー層の磁化の向きは、外部磁界や磁化反転閾値以上のスピン注入によって反転することができ、その状態を維持することができる。各フリー層に記憶された磁化の向きに応じて出力電圧が異なるので、スピン流回路は、各フリー層をセルとするメモリに適用することができる。
【００１６】
また、ピンド層の磁化の向きは、形状異方性によって、及び／又は、反強磁性層との交換結合によって、固定されていることが好ましい。すなわち、強磁性体からなるピンド層の平面内のアスペクト比をフリー層より大きくすれば、その形状異方性は高くなり、磁化の向きが容易には変化しなくなる。また、反強磁性層をピンド層に交換結合させれば、ピンド層の磁化の向きが強く固定されることになる。これらの磁化の向きの固定構造を、組み合わせることで、より強固に磁化の向きが固定される。これにより、ピンド層の磁化の向きの揺らぎが減少するため、出力電圧の均一性を向上させることができる。
【００１７】
また、チャンネル層とそれぞれのフリー層との間に介在するトンネル障壁は、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、又は酸化亜鉛層からなることが好ましい。トンネル障壁が、このような絶縁層からなる場合、スピン透過特性に優れたトンネル障壁を構成することが可能である。
【００１８】
また、チャンネル層の材料は、（１）Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む導電体、又は、（２）Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＺｎＯからなる群から選択される半導体からなることが好ましい。これらの材料であれば、スピン流を大きく減少させることなくフリー層に吸収させることができる。
【００１９】
また、第1スピン流発生手段、及び複数のフリー層は、一直線上に整列して配置されていることが好ましい。この構造の場合、複数のスピン流回路を隣接させて形成した場合の集積度が高くなり、また、構造が単純なので形成が容易となるという利点がある。
【００２０】
また、チャンネル層は、環状の平面形状を有していることが好ましい。上述のように、チャンネル層上には複数のフリー層がトンネル障壁を介して配置されているが、スピン注入位置から各フリー層までの距離は、フリー層の数が２つであってチャンネル層が環状であれば、等しく設定することができる。すなわち、各フリー層までのスピン流の伝播に伴う減衰量を等しくすることができ、更に出力電圧の均一性を向上させることができる。もちろん、フリー層の数が３つ以上であっても、チャンネル層が環状であれば、スピン流注入位置から各フリー層までの距離の差異を、これらが一直線上に配列されているよりは、小さく設定することができる。
【００２１】
また、本発明に係るスピン流回路は、第1スピン流発生手段と共にチャンネル層を挟む位置に設けられ、この第1スピン流発生手段内の各磁性層の磁化の向きとは、チャンネル層内の点に対して点対称な磁化の向きを有する磁性層を有し、第１スピン流発生手段において発生するスピン流と同一方向に磁気偏極したスピン流を発生する第２スピン流注入手段を更に備えることが好ましい。
【００２２】
この場合、いずれのスピン流注入手段に電流を流す場合においても、同一方向に磁気偏極したスピンをチャンネル層内に注入することができ、スピン流を大きくして、出力電圧を増加させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のスピン流回路によれば、複数の出力電圧のバラつきを低減することができ、したがって、現実的なメモリ等にこれを適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第1実施形態に係るスピン流回路の縦断面図である。
【図２】スピン流回路の平面図である。
【図３】単一のフリー層を備えたスピン流回路の平面図である。
【図４】図３に示したスピン流回路に係る実験データを示すグラフである。
【図５】比較例に係るスピン流回路の平面図である。
【図６】比較例に係る実験データを示すグラフである。
【図７】実施例に係るスピン流回路の平面図である。
【図８】実施例に係る実験データを示すグラフである。
【図９】スピン流回路を用いたメモリの回路図である。
【図１０】第２実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【図１１】第３実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施の形態に係るスピン流回路について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２６】
図１は、第1実施形態に係るスピン流回路の縦断面図である。
【００２７】
このスピン回路は、絶縁性の基板（絶縁層）７上に配置された非磁性のチャンネル層５Ａを備えている。チャンネル層５Ａの一端には、コンタクト電極２が設けられており、他端には基準電極３が設けられている。なお、本例では、基準電極３は、比較的高抵抗のトンネル障壁層（絶縁層：好適には厚さ１０ｎｍ以下）１９を介してチャンネル層５Ａ上に設けられているが、これは直接チャンネル層１９上に接触して設けられていてもよい。
【００２８】
トンネル障壁層１９上の異なる位置には、磁化自由層（フリー層）４，６が設けられている。また、トンネル障壁層１９上には、磁化固定層（ピンド層）１８、磁気結合層１７、磁化固定層（ピンド層）１６、反強磁性層１５、緩衝層１４、及び上部電極層５Ｂが順次Ｚ軸方向に沿って積層されており、磁化の向きが矢印で示す如く固定されている。すなわち、下側のピンド層１８の磁化の向きはＸ軸の負方向に向いており、上側のピンド層１６の磁化の向きはＸ軸の正方向に向いている。互いに逆の磁化の向きを有する上下のピンド層１６，１８は、Ｒｕなどの磁気結合層１７を介して結合しており、上側のピンド層１６は反強磁性層１５と交換結合することにより、磁化の向きが固定されている。この構造は、シンセティックピンド構造といわれる。
【００２９】
なお、同図では、Ｘ軸方向に沿った磁化の向きが示されているが、これらはＹ軸方向に沿った磁化の向きとすることもできる。強磁性体は、長軸方向に沿って磁化が揃う傾向にあり、形状異方性を有するものである。このような形状異方性と上述の反強磁性層との交換結合を用いれば、更に強力に磁化の向きを固定することができる。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交している。
【００３０】
ここで、トンネル障壁層１９におけるピンド層１８直下の領域をトンネル障壁１９Ａとすると、トンネル障壁１９Ａから上部電極５Ｂに至るまでの要素は、スピン注入素子（第1スピン流発生手段）ＳＩＥを構成している。電極２と電極５Ｂとの間に電流源Ｉ２から電流を流すと、スピン注入素子ＳＩＥは、トンネル障壁１９Ａを介して、チャンネル層５Ａ内にスピンを注入し、このスピン注入位置（ＧＳＩＰ）からフリー層４，６に向けて拡散するスピン流ＳＰを発生する。
【００３１】
スピン注入素子ＳＩＥにおいて発生したスピン流ＳＰはチャンネル層５Ａ内を流れる。電流通過経路に位置するチャンネル層５Ａの図面右側の領域５Ａ１では、チャンネル層５Ａ１からコンタクト電極２に向けて電子が流れる。一方、スピン注入位置ＧＳＩＰから、図面左側のチャンネル層５Ａの領域５Ａ２には、電荷は流れず、スピン流ＳＰのみがフリー層４，６の方向に向かって流れる。フリー層４．６は、チャンネル層５Ａ上の異なる位置に設けられており、チャンネル層５Ａとそれぞれのフリー層４，６との間には、トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃが介在している。トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃは、トンネル障壁層１９の一部分の領域である。それぞれのフリー層４，６と、電極３を介したチャンネル層５Ａとの間の電圧が、それぞれ、電圧計Ｖ４，Ｖ６によって検出される。
【００３２】
また、上述のように、スピン注入素子ＳＩＥは、ピンド層１８と、ピンド層１８とチャンネル層５Ａとの間に介在するトンネル障壁１９Ａとを備えており、ピンド層１８とトンネル障壁１９Ａを透過した電子は、特定の向きに磁気偏極したスピンを有している。このチャンネル層５Ａへのスピン注入位置ＧＳＩＰから、スピン流が拡散し、フリー層４，６へと流れ込む。各フリー層４，６に吸収されたスピン流の量が同一であれば、各フリー層４，６とピンド層１８の磁化の向きの相対角度に応じて、電圧計Ｖ４，Ｖ６の出力電圧が同様に変動する。
【００３３】
フリー層４，６は、ピンド層１８に対して相対的に、磁化の向きが外部磁場に応じて容易に変化する磁性層であり、フリー層４，６の保持力は、ピンド層１８の保持力よりも小さい。各フリー層４，６の磁化の向きは、外部磁界や磁化反転閾値以上のスピン注入によって反転することができ、その状態を維持することができる。各フリー層４，６に記憶された磁化の向きに応じて出力電圧が異なるので、このスピン流回路は、各フリー層４，６をセルとするメモリに適用することができる。
【００３４】
スピン流を複数のフリー層４，６で吸収させる場合において、各フリー層４，６とチャンネル層５Ａとの間にトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃを介在させておくことで、各フリー層４，６とチャンネル層５Ａとの間の電圧計Ｖ４，Ｖ６で計測される出力電圧のバラつきを低減させることができる。
【００３５】
なお、上述のように、ピンド層１８の磁化の向きは、形状異方性によって、及び／又は、反強磁性層１５との交換結合によって、固定されている。すなわち、強磁性体からなるピンド層１８の平面内のアスペクト比をフリー層４，６より大きくすれば、その形状異方性は高くなり、磁化の向きが容易には変化しなくなる。また、反強磁性層１５をピンド層１６に交換結合させれば、ピンド層１６の磁化の向きが強く固定されることになる。これらの磁化の向きの固定構造は、組み合わせることで、より強固に磁化の向きが固定される。これにより、ピンド層１８の磁化の向きの揺らぎが減少するため、出力電圧の均一性を向上させることができる。
【００３６】
また、チャンネル層５Ａとそれぞれのフリー層４，６との間に介在するトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃ（トンネル障壁層１９）は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）層からなることが好ましい。トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃが、このような絶縁層からなる場合、スピン透過特性に優れたトンネル障壁を構成することが可能である。
【００３７】
また、チャンネル層５Ａの材料は、（１）Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む導電体、又は、（２）Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＺｎＯからなる群から選択される半導体からなることが好ましい。これらの材料であれば、スピン流を大きく減少させることなくフリー層４，６に吸収させることができる。これらの材料はスピン拡散長が長く、且つ導電率が比較的小さいため、チャンネル層５Ａがスピン蓄積層として機能することを好適に実現することが可能となるためである。また、チャンネル層５Ａとして半導体を用いた場合には、金属や合金を用いたチャンネル層５Ａよりも、電位出力を高くすることができるという利点がある。
【００３８】
なお、各層の材料について補足説明をすると、基板７はＳｉＯ２などの絶縁体からなり、コンタクト電極２、基準電極３及び電極層５ＢはＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ又はＡｌなどの金属からなる。フリー層４，６は、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。
【００３９】
ピンド層１８、１６は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１種以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される一種以上の元素を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。また、磁気結合層１７の材料として、例えば、Ｒｕが挙げられる。反強磁性層１５の材料は、例えば、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ、Ｉｒ、及びＦｅのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。緩衝層１４は、非磁性導電体からなる上部電極層５Ｂと磁性層である反強磁性層１５を電気的に良好に接続するための層であり、ＲｕやＴａなどの非磁性の金属からなる。
【００４０】
図２は、スピン流回路の平面図である。
【００４１】
このスピン流回路の縦断面構造は、図１に示したものと同様である。このスピン流回路では、スピン注入素子ＳＩＥ、及び複数のフリー層４，６は、Ｘ軸に沿った一直線上に整列して配置されている。また、各種の電極２，３も同一直線上に配置されている。この構造の場合、複数のスピン流回路を隣接させて形成した場合、すなわち、同一形状のスピン流回路をＹ軸又はＸ軸方向に隣接して配置した場合、全体に含まれるフリー層の密度が高くなる。このように、このスピン流回路では、集積度が高くなり、構造が単純なので形成が容易となるという利点がある。
【００４２】
この素子の形成においては、図１に示した積層構造を下から順番に積層していけばよい。各層の形成方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法やスパッタ法を用いることができる。
【００４３】
次に、出力電圧のバラつきを抑制するトンネル障壁の効果について、比較例を用いて説明する。
【００４４】
図３は、単一のフリー層を備えたスピン流回路の平面図であり、図４は、図３に示したスピン流回路に係る実験データを示すグラフである。以下の説明において、フリー層に印加される磁界の向きはＹ軸方向、ピンド層（１８）の磁化の向きはＹ軸方向である。
【００４５】
この構造は、図１に示したスピン流回路から、中間位置に存在するフリー層６とトンネル障壁１９を省略したものである。スピン注入素子ＳＩＥから注入されチャンネル層５Ａ内を拡散するスピン流は、フリー層４に吸収され、出力電圧を生じる。フリー層４の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ４で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、３[ｍＶ／Ａ]を超えた。なお、単位電流Ｉは、電流計Ｉ２で測定される値である。なお、これらの磁化の向きが平行の場合は、出力電圧変化はゼロに近い値となる。
【００４６】
図５は、比較例に係るスピン流回路の平面図であり、図６は、比較例に係る実験データを示すグラフである。
【００４７】
この構造は、図１に示したスピン流回路から、トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃを省略したものであり、中間位置のフリー層６がチャンネル層６に接触している。フリー層４の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ４で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、１[ｍＶ／Ａ]に満たない。なお、これらの磁化の向きが平行の場合は、出力電圧変化はゼロに近い値となる。すなわち、中間位置のフリー層６が、スピン流を大きく吸収しているものと推定される。
【００４８】
図７は、実施例に係るスピン流回路の平面図であり、図８は、実施例に係る実験データを示すグラフである。
【００４９】
この構造は、図1に示したものであり、トンネル障壁層１９がフリー層４，６の直下に位置している。遠距離側のフリー層４の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ４で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、３[ｍＶ／Ａ]を超えている（図８（Ａ）最大値３．１[ｍＶ／Ａ]）。
【００５０】
同様に、近距離側のフリー層６の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ６で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、同様に９[ｍＶ／Ａ]を超えている（図８（Ｂ）最大値９．１[ｍＶ／Ａ]）。これらの電圧の差は、トンネル障壁を用いない場合の差よりも十分に小さく、出力電圧のバラつきが低減されていることが分かる。また、双方の場合において、絶対値の出力も増加している。言い換えれば、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層とフリー層４の間にフリー層６が挿入された場合、フリー層６が挿入されない場合と比較して１/３程度に出力が減少するはずであるが、絶縁層を挿入することでこの減衰はほとんど観測されなくなる。なお、これらの磁化の向きが反対の場合は、出力電圧変化はゼロに近い値となる。
【００５１】
以上、説明したように、比較例に係る構造ではスピン流がスピン注入位置（ＧＳＩＰ）から最も近いフリー層に最も多く吸収されるのに対して、実施例の構造ではフリー層の界面に高抵抗のトンネル障壁を挿入することによって、当該フリー層でのスピン流の吸収を抑制し、選択的にスピン流が吸収されるのを阻害する。これによって、各フリー層で得られる出力は均一化されることになる。
【００５２】
図９は、スピン流回路を用いたメモリの回路図である。
【００５３】
上述のように、フリー層４，６の磁化の向きは、これらに近接して配置される外部配線ＭＧ４、ＭＧ６を流れる電流によって制御することができる。例えば、外部配線ＭＧ４、ＭＧ６の電流の周囲に形成される磁界を用いて、フリー層４，６の磁化の向きを制御すると、磁化の向きの情報がフリー層４，６に記憶されることになる。この状態で、電流源Ｉ２から電子をスピン注入素子ＳＩＥに供給すると、この電子はチャンネル層５Ａ１を通って電流源Ｉ２に帰還する。スピン注入位置ＧＳＩＰからは、スピン流がチャンネル層５Ａ２を通って流れ、トンネル障壁層１９を介して、フリー層４，６に吸収される。
【００５４】
フリー層４，６の一端は、増幅回路Ａ４，Ａ６の一方の入力端子にそれぞれ接続されており、フリー層４，６からの出力電圧は、増幅回路Ａ４，Ａ６によって増幅され、後段の回路に伝達される。増幅回路Ａ４，Ａ６の他方の入力端子は、基準電位Ｒｅｆ４，Ｒｅｆ６に接続されている。本例では、基準電位Ｒｅｆ４，Ｒｅｆ６の大きさは、スピン注入位置ＧＳＩＰから遠いものほど小さく設定されているが、比較的小さな値にすれば同一の値とすることもできる。増幅回路Ａ４，Ａ６は、入力端子間の電圧の差分を増幅する。なお、基準電位を、各フリー層４，６の磁化の向きの変動による電圧変動の平均値に設定し、増幅回路Ａ４，Ａ６をコンパレータとして使用すれば、各フリー層４，６に記憶された磁化の向きの情報を、コンパレータ出力（Ｈレベル、Ｌレベル）として読み出すこともできる。なお、この回路は、いずれの実施形態のスピン回路にも適用することができる。
【００５５】
上述のように、フリー層４，６の磁化容易軸は、ピンド層１８の磁化容易軸と平行であり、フリー層４，６の磁化の向きは、ピンド層１８の磁化の向きに対して、平行と反平行という２つの状態を明確にとることができるため、この素子を２つの状態を記憶するメモリに適用することができる。
【００５６】
図１０は、第２実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【００５７】
このスピン回路では、チャンネル層５Ａは、環状の平面形状を有しており、その上に環状のトンネル障壁層１９が形成されている。この素子の縦断面構造は、平面内の素子位置を除いて、図１に示したものと同じである。上述のように、チャンネル層５Ａ上には複数のフリー層４，６がトンネル障壁（トンネル障壁層１９）を介して配置されているが、スピン注入素子ＳＩＥの設けられたスピン注入位置から、各フリー層４，５までの距離は、フリー層４，６の数が２つであってチャンネル層５Ａが環状であれば、等しく設定することができる。
【００５８】
すなわち、スピン注入素子ＳＩＥから各フリー層４，６までのスピン流の伝播に伴う減衰量を等しくすることができ、更に出力電圧の均一性を向上させることができる。もちろん、フリー層の数が３つ以上であっても、チャンネル層が環状であれば、スピン流注入位置から各フリー層までの距離の差異を、これらが一直線上に配列されているよりは、小さく設定することができる。
【００５９】
スピン流の流れやすさを示すスピン拡散長は金属で数百ｎｍ、半導体で１０μｍ程度と言われており、スピン注入素子ＳＩＥとフリー層４，６の距離が離れるだけで出力が減少してしまうが、各層が円上に並んだ構造の場合、スピン注入素子ＳＩＥとフリー層４，６を同程度に近づけることも可能であるため、高い出力を得ることができる。
【００６０】
図１１は、第３実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【００６１】
また、このスピン流回路は、図１に示したスピン回路と比較して、第２スピン注入素子（第２スピン流注入手段）ＳＩＥ−Ａを備え、必要に応じて電流源Ｉ２Ａを更に具備した点のみが、図１に示したものと異なる。第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａは、第1スピン注入素子ＳＩＥと共にチャンネル層５Ａを挟む位置に設けられている。第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａの磁性層１２，１０の磁化の向きは、第1スピン注入素子ＳＩＥ内の各磁性層１８，１６の磁化の向きとは、チャンネル層５Ａ内の点（双方の素子の重心位置を結ぶ線分の中点Ｐ）に対して点対称である。
【００６２】
すなわち、第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａは、チャンネル層５Ａの下面側に、Ｚ軸の負方向に沿って順次形成されたトンネル障壁層１３、ピンド層１２、磁気結合層１１、ピンド層１０、反強磁性層９、緩衝層８、及び下部電極層５Ｃを備えており、ピンド層１２の磁化の向きはピンド層１８の磁化の向きとは逆向き、ピンド層１０の磁化の向きはピンド層１６の磁化の向きとは逆向きである。なお、第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａの形成においては、図１１に示した積層構造を上から順番に下向きに積層していけばよい。なお、積層工程における上下は反対にしておくこととする。各層の形成方法は、MBE法、CVD法、又はスパッタ法を用いることができる。
【００６３】
第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａは、第１スピン注入素子ＳＩＥとは点対称であり、その層構造と構成材料は同一である。すなわち、トンネル障壁層１３、ピンド層１２、磁気結合層１１、ピンド層１０、反強磁性層９、緩衝層８、及び下部電極層５Ｃの材料は、それぞれ、トンネル障壁層１９、ピンド層１８、磁気結合層１７、ピンド層１６、反強磁性層１５、緩衝層１４、及び下部電極層５Ｂの材料と同一である。
【００６４】
第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａでは、第１スピン注入素子ＳＩＥにおいて発生するスピン流と同一方向に磁気偏極したスピン流を発生する。この場合、いずれのスピン注入素子に電流を流す場合においても、同一方向に磁気偏極したスピンをチャンネル層５Ａ内に注入することができ、スピン流を大きくして、出力電圧を増加させることができる。
【００６５】
同図では、チャンネル層５Ａと下部電極５Ｃとの間に、電流源Ｉ２Ａから電流が供給されている。なお、電流源Ｉ２と電流源Ｉ２Ａを流れる電流の向きは反対であり、コンタクト電極２からチャンネル層５Ａに向かって共通の電流が流れている。この場合、同一方向に磁気偏極したスピンが上下双方のスピン注入素子からチャンネル層５Ａ内に注入されるが、電流源Ｉ２Ａを省略し、更にチャンネル層５Ａからコンタクト電極２への経路を省略し、電流源Ｉ２のみで上部電極層５Ｂから下部電極層５Ｃへ電子を流しても、これと同様にスピン注入を行うことができる。
【００６６】
なお、このスピン回路は、他の実施形態のスピン回路にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、スピン流の取り出しの均一性を高めたスピン流回路に利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
ＳＩＥ…第1スピン注入素子、ＳＩＥ−Ａ…第２スピン注入素子、５Ａ…チャンネル層、４，６…磁化自由層、１９Ｂ，１９Ｃ…トンネル障壁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流の取り出しの均一性を高めたスピン流回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の演算回路技術では、電流を回路に流し、その電流或いは電圧を利用することで計算を行っている。近年の大規模集積回路（ＬＳＩ）の重要な課題の１つは、消費電力の低減である。すなわち、非計算時におけるリーク電流が計算時と同等の電力を消費しており、かかる消費電力の低減が検討されている。この改善の方法として、１つの回路を複数のブロックに分けて、使用しない回路の電源を切る手法が採用されている。しかしながら、この方法では回路を使わないという予測を立てなければならないため、予測が外れると、回路のＯＮ／ＯＦＦ動作を行う際の電力消費量の方がむしろ増大してしまう。
【０００３】
その改善策として、磁気記録素子であるＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を採用し、不揮発な情報を保持することが提案されている。ＭＴＪは、従来、下記特許文献１，２に示されるように、磁気ヘッドに用いられてきたが、その他の用途には適用されてこなかった。ＭＴＪを用いた回路は、計算時以外では電流を遮断することができる。したがって、このような回路を用いることで、消費電力を大幅に低減し、省エネルギー化を実現することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９９４６７号公報
【特許文献２】特許第４０２９７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
消費電力を低減する回路としては、スピン流を用いたものが有効であると考えられる。スピン流はまさに回路におけるスピンの流れであり、電荷を伴わない。
【０００６】
スピン流に関しては幾つかの現象が知られている。例えば、上向きのスピン電子と下向きのスピン電子が互いに逆方向に同一量だけ流れる場合、電子の流れは相殺されるが、スピン流は発生している。すなわち、電子流が存在しない場合においてもスピン流は発生し、一領域内にスピン蓄積が行われる現象が存在する。このような現象は、スピン電子が蓄積された領域からスピン流が染み出していると捉えることもできる。
【０００７】
非磁性体からなるチャンネル層の両端に、磁化固定層（ピンド層）と、磁化自由層（フリー層）を配置し、ピンド層からチャンネル層内にスピン電子を注入した場合、この注入位置（ＧＳＩＰ：グローバルスピン注入位置）から、スピンが拡散してスピン流が発生し、このスピン流はフリー層によって吸収される。このときフリー層とピンド層の磁化の向きの相対角度によって、フリー層の電位が変動し、チャンネル層とフリー層との間に電圧変化が発生する。
【０００８】
フリー層の磁化の向きは、これに近接する配線を流れる電流に伴って発生する磁界などによって、変化させることができる。もちろん、フリー層の磁化の向きは、これにスピン注入磁化反転臨界値以上のスピン注入を行うことによっても制御することができる。いずれにしても、この配線に電流を流すことによって、フリー層の磁化の向きを変化させることができ、この状態は１つの情報として保持することができる。
【０００９】
１つのＧＳＩＰから拡散するスピン流を、複数のフリー層で吸収する場合、個々のフリー層を１つのセルとして取り扱うと、フリー層の磁化の向きを情報として記憶したメモリが完成する。各フリー層に書き込まれた情報は、スピン流の吸収時に生じる電圧を測定すれば読み出すことができる。また、スピン流を生成する電流を取り出した場合、出力電圧は急激に減衰することから、スピン流回路における電力消費量は極めて少なくなるものと推定され、低消費電力のメモリの実現が期待されている。
【００１０】
ところが、本願発明者らが鋭意検討した結果、１つのＧＳＩＰから拡散するスピン流を、複数のフリー層で吸収させようとすると、ＧＳＩＰからの距離が離れるにしたがって、各フリー層から出力される電圧が低下することが判明した。これは、近距離に位置するフリー層によって多くのスピン流が吸収され、残り少ないスピン流成分が遠距離に位置するフリー層に吸収され、このような吸収量の違いが出力電圧の差となって観察されたものと考えられる。
【００１１】
上述のような現象が生じる場合、各フリー層における出力電圧のバラつきが大きく、現実的なメモリ等には適用することができない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、複数の出力電圧のバラつきを低減可能なスピン流回路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】
【００１２】
上述の課題を解決するため、本発明に係るスピン流回路は、スピン流を発生する第1スピン流発生手段と、第1スピン流発生手段において発生したスピン流が流れる非磁性のチャンネル層と、チャンネル層上の異なる位置に設けられた複数の磁化自由層（フリー層）と、チャンネル層とそれぞれの前記磁化自由層との間に介在するトンネル障壁と、を備え、それぞれの磁化自由層とチャンネル層の間の電圧がそれぞれ検出されることを特徴とする。
【００１３】
フリー層は、磁化固定層（ピンド層）に対して相対的に磁化の向きが外部磁場に応じて容易に変化する磁性層であり、フリー層の保持力は、ピンド層の保持力よりも小さい。本願発明者らは、スピン流を複数のフリー層で吸収させる場合において、各フリー層とチャンネル層との間に比較的高抵抗のトンネル障壁を介在させておくことで、各フリー層とチャンネル層との間の出力電圧のバラつきを低減させることができる旨を発見した。このように本発明によれば、出力電圧のバラつきを低減することができるため、スピン流回路のメモリへの適用が可能となる。
【００１４】
また、磁化自由層の磁化容易軸は、磁化固定層の磁化容易軸と平行であることが好ましい。この場合には、磁化自由層の磁化の方向は、磁化固定層の磁化の方向に対して、平行と反平行という２つの状態を明確にとることができるため、この素子を２つの状態を記憶するメモリに適用することができる。
【００１５】
また、第１スピン流発生手段は、ピンド層と、ピンド層とチャンネル層との間に介在するトンネル障壁とを備えていることが好ましい。ピンド層とトンネル障壁を透過した電子は、特定の向きに磁気偏極したスピンを有しており、チャンネル層へのスピン注入位置からスピン流が拡散し、フリー層へと流れ込む。各フリー層に吸収されたスピン流の量が同一であれば、各フリー層とピンド層の磁化の向きの相対角度に応じて、出力電圧が同様に変動する。各フリー層の磁化の向きは、外部磁界や磁化反転閾値以上のスピン注入によって反転することができ、その状態を維持することができる。各フリー層に記憶された磁化の向きに応じて出力電圧が異なるので、スピン流回路は、各フリー層をセルとするメモリに適用することができる。
【００１６】
また、ピンド層の磁化の向きは、形状異方性によって、及び／又は、反強磁性層との交換結合によって、固定されていることが好ましい。すなわち、強磁性体からなるピンド層の平面内のアスペクト比をフリー層より大きくすれば、その形状異方性は高くなり、磁化の向きが容易には変化しなくなる。また、反強磁性層をピンド層に交換結合させれば、ピンド層の磁化の向きが強く固定されることになる。これらの磁化の向きの固定構造を、組み合わせることで、より強固に磁化の向きが固定される。これにより、ピンド層の磁化の向きの揺らぎが減少するため、出力電圧の均一性を向上させることができる。
【００１７】
また、チャンネル層とそれぞれのフリー層との間に介在するトンネル障壁は、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、又は酸化亜鉛層からなることが好ましい。トンネル障壁が、このような絶縁層からなる場合、スピン透過特性に優れたトンネル障壁を構成することが可能である。
【００１８】
また、チャンネル層の材料は、（１）Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む導電体、又は、（２）Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＺｎＯからなる群から選択される半導体からなることが好ましい。これらの材料であれば、スピン流を大きく減少させることなくフリー層に吸収させることができる。
【００１９】
また、第1スピン流発生手段、及び複数のフリー層は、一直線上に整列して配置されていることが好ましい。この構造の場合、複数のスピン流回路を隣接させて形成した場合の集積度が高くなり、また、構造が単純なので形成が容易となるという利点がある。
【００２０】
また、チャンネル層は、環状の平面形状を有していることが好ましい。上述のように、チャンネル層上には複数のフリー層がトンネル障壁を介して配置されているが、スピン注入位置から各フリー層までの距離は、フリー層の数が２つであってチャンネル層が環状であれば、等しく設定することができる。すなわち、各フリー層までのスピン流の伝播に伴う減衰量を等しくすることができ、更に出力電圧の均一性を向上させることができる。もちろん、フリー層の数が３つ以上であっても、チャンネル層が環状であれば、スピン流注入位置から各フリー層までの距離の差異を、これらが一直線上に配列されているよりは、小さく設定することができる。
【００２１】
また、本発明に係るスピン流回路は、第1スピン流発生手段と共にチャンネル層を挟む位置に設けられ、この第1スピン流発生手段内の各磁性層の磁化の向きとは、チャンネル層内の点に対して点対称な磁化の向きを有する磁性層を有し、第１スピン流発生手段において発生するスピン流と同一方向に磁気偏極したスピン流を発生する第２スピン流注入手段を更に備えることが好ましい。
【００２２】
この場合、いずれのスピン流注入手段に電流を流す場合においても、同一方向に磁気偏極したスピンをチャンネル層内に注入することができ、スピン流を大きくして、出力電圧を増加させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のスピン流回路によれば、複数の出力電圧のバラつきを低減することができ、したがって、現実的なメモリ等にこれを適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第1実施形態に係るスピン流回路の縦断面図である。
【図２】スピン流回路の平面図である。
【図３】単一のフリー層を備えたスピン流回路の平面図である。
【図４】図３に示したスピン流回路に係る実験データを示すグラフである。
【図５】比較例に係るスピン流回路の平面図である。
【図６】比較例に係る実験データを示すグラフである。
【図７】実施例に係るスピン流回路の平面図である。
【図８】実施例に係る実験データを示すグラフである。
【図９】スピン流回路を用いたメモリの回路図である。
【図１０】第２実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【図１１】第３実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施の形態に係るスピン流回路について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２６】
図１は、第1実施形態に係るスピン流回路の縦断面図である。
【００２７】
このスピン回路は、絶縁性の基板（絶縁層）７上に配置された非磁性のチャンネル層５Ａを備えている。チャンネル層５Ａの一端には、コンタクト電極２が設けられており、他端には基準電極３が設けられている。なお、本例では、基準電極３は、比較的高抵抗のトンネル障壁層（絶縁層：好適には厚さ１０ｎｍ以下）１９を介してチャンネル層５Ａ上に設けられているが、これは直接チャンネル層１９上に接触して設けられていてもよい。
【００２８】
トンネル障壁層１９上の異なる位置には、磁化自由層（フリー層）４，６が設けられている。また、トンネル障壁層１９上には、磁化固定層（ピンド層）１８、磁気結合層１７、磁化固定層（ピンド層）１６、反強磁性層１５、緩衝層１４、及び上部電極層５Ｂが順次Ｚ軸方向に沿って積層されており、磁化の向きが矢印で示す如く固定されている。すなわち、下側のピンド層１８の磁化の向きはＸ軸の負方向に向いており、上側のピンド層１６の磁化の向きはＸ軸の正方向に向いている。互いに逆の磁化の向きを有する上下のピンド層１６，１８は、Ｒｕなどの磁気結合層１７を介して結合しており、上側のピンド層１６は反強磁性層１５と交換結合することにより、磁化の向きが固定されている。この構造は、シンセティックピンド構造といわれる。
【００２９】
なお、同図では、Ｘ軸方向に沿った磁化の向きが示されているが、これらはＹ軸方向に沿った磁化の向きとすることもできる。強磁性体は、長軸方向に沿って磁化が揃う傾向にあり、形状異方性を有するものである。このような形状異方性と上述の反強磁性層との交換結合を用いれば、更に強力に磁化の向きを固定することができる。なお、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交している。
【００３０】
ここで、トンネル障壁層１９におけるピンド層１８直下の領域をトンネル障壁１９Ａとすると、トンネル障壁１９Ａから上部電極５Ｂに至るまでの要素は、スピン注入素子（第1スピン流発生手段）ＳＩＥを構成している。電極２と電極５Ｂとの間に電流源Ｉ２から電流を流すと、スピン注入素子ＳＩＥは、トンネル障壁１９Ａを介して、チャンネル層５Ａ内にスピンを注入し、このスピン注入位置（ＧＳＩＰ）からフリー層４，６に向けて拡散するスピン流ＳＰを発生する。
【００３１】
スピン注入素子ＳＩＥにおいて発生したスピン流ＳＰはチャンネル層５Ａ内を流れる。電流通過経路に位置するチャンネル層５Ａの図面右側の領域５Ａ１では、チャンネル層５Ａ１からコンタクト電極２に向けて電子が流れる。一方、スピン注入位置ＧＳＩＰから、図面左側のチャンネル層５Ａの領域５Ａ２には、電荷は流れず、スピン流ＳＰのみがフリー層４，６の方向に向かって流れる。フリー層４．６は、チャンネル層５Ａ上の異なる位置に設けられており、チャンネル層５Ａとそれぞれのフリー層４，６との間には、トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃが介在している。トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃは、トンネル障壁層１９の一部分の領域である。それぞれのフリー層４，６と、電極３を介したチャンネル層５Ａとの間の電圧が、それぞれ、電圧計Ｖ４，Ｖ６によって検出される。
【００３２】
また、上述のように、スピン注入素子ＳＩＥは、ピンド層１８と、ピンド層１８とチャンネル層５Ａとの間に介在するトンネル障壁１９Ａとを備えており、ピンド層１８とトンネル障壁１９Ａを透過した電子は、特定の向きに磁気偏極したスピンを有している。このチャンネル層５Ａへのスピン注入位置ＧＳＩＰから、スピン流が拡散し、フリー層４，６へと流れ込む。各フリー層４，６に吸収されたスピン流の量が同一であれば、各フリー層４，６とピンド層１８の磁化の向きの相対角度に応じて、電圧計Ｖ４，Ｖ６の出力電圧が同様に変動する。
【００３３】
フリー層４，６は、ピンド層１８に対して相対的に、磁化の向きが外部磁場に応じて容易に変化する磁性層であり、フリー層４，６の保持力は、ピンド層１８の保持力よりも小さい。各フリー層４，６の磁化の向きは、外部磁界や磁化反転閾値以上のスピン注入によって反転することができ、その状態を維持することができる。各フリー層４，６に記憶された磁化の向きに応じて出力電圧が異なるので、このスピン流回路は、各フリー層４，６をセルとするメモリに適用することができる。
【００３４】
スピン流を複数のフリー層４，６で吸収させる場合において、各フリー層４，６とチャンネル層５Ａとの間にトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃを介在させておくことで、各フリー層４，６とチャンネル層５Ａとの間の電圧計Ｖ４，Ｖ６で計測される出力電圧のバラつきを低減させることができる。
【００３５】
なお、上述のように、ピンド層１８の磁化の向きは、形状異方性によって、及び／又は、反強磁性層１５との交換結合によって、固定されている。すなわち、強磁性体からなるピンド層１８の平面内のアスペクト比をフリー層４，６より大きくすれば、その形状異方性は高くなり、磁化の向きが容易には変化しなくなる。また、反強磁性層１５をピンド層１６に交換結合させれば、ピンド層１６の磁化の向きが強く固定されることになる。これらの磁化の向きの固定構造は、組み合わせることで、より強固に磁化の向きが固定される。これにより、ピンド層１８の磁化の向きの揺らぎが減少するため、出力電圧の均一性を向上させることができる。
【００３６】
また、チャンネル層５Ａとそれぞれのフリー層４，６との間に介在するトンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃ（トンネル障壁層１９）は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）層からなることが好ましい。トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃが、このような絶縁層からなる場合、スピン透過特性に優れたトンネル障壁を構成することが可能である。
【００３７】
また、チャンネル層５Ａの材料は、（１）Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む導電体、又は、（２）Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＺｎＯからなる群から選択される半導体からなることが好ましい。これらの材料であれば、スピン流を大きく減少させることなくフリー層４，６に吸収させることができる。これらの材料はスピン拡散長が長く、且つ導電率が比較的小さいため、チャンネル層５Ａがスピン蓄積層として機能することを好適に実現することが可能となるためである。また、チャンネル層５Ａとして半導体を用いた場合には、金属や合金を用いたチャンネル層５Ａよりも、電位出力を高くすることができるという利点がある。
【００３８】
なお、各層の材料について補足説明をすると、基板７はＳｉＯ２などの絶縁体からなり、コンタクト電極２、基準電極３及び電極層５ＢはＡｕ、Ｃｒ、Ｃｕ又はＡｌなどの金属からなる。フリー層４，６は、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。
【００３９】
ピンド層１８、１６は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１種以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される一種以上の元素を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。また、磁気結合層１７の材料として、例えば、Ｒｕが挙げられる。反強磁性層１５の材料は、例えば、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ、Ｉｒ、及びＦｅのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。緩衝層１４は、非磁性導電体からなる上部電極層５Ｂと磁性層である反強磁性層１５を電気的に良好に接続するための層であり、ＲｕやＴａなどの非磁性の金属からなる。
【００４０】
図２は、スピン流回路の平面図である。
【００４１】
このスピン流回路の縦断面構造は、図１に示したものと同様である。このスピン流回路では、スピン注入素子ＳＩＥ、及び複数のフリー層４，６は、Ｘ軸に沿った一直線上に整列して配置されている。また、各種の電極２，３も同一直線上に配置されている。この構造の場合、複数のスピン流回路を隣接させて形成した場合、すなわち、同一形状のスピン流回路をＹ軸又はＸ軸方向に隣接して配置した場合、全体に含まれるフリー層の密度が高くなる。このように、このスピン流回路では、集積度が高くなり、構造が単純なので形成が容易となるという利点がある。
【００４２】
この素子の形成においては、図１に示した積層構造を下から順番に積層していけばよい。各層の形成方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法やスパッタ法を用いることができる。
【００４３】
次に、出力電圧のバラつきを抑制するトンネル障壁の効果について、比較例を用いて説明する。
【００４４】
図３は、単一のフリー層を備えたスピン流回路の平面図であり、図４は、図３に示したスピン流回路に係る実験データを示すグラフである。以下の説明において、フリー層に印加される磁界の向きはＹ軸方向、ピンド層（１８）の磁化の向きはＹ軸方向である。
【００４５】
この構造は、図１に示したスピン流回路から、中間位置に存在するフリー層６とトンネル障壁１９を省略したものである。スピン注入素子ＳＩＥから注入されチャンネル層５Ａ内を拡散するスピン流は、フリー層４に吸収され、出力電圧を生じる。フリー層４の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ４で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、３[ｍＶ／Ａ]を超えた。なお、単位電流Ｉは、電流計Ｉ２で測定される値である。なお、これらの磁化の向きが平行の場合は、出力電圧変化はゼロに近い値となる。
【００４６】
図５は、比較例に係るスピン流回路の平面図であり、図６は、比較例に係る実験データを示すグラフである。
【００４７】
この構造は、図１に示したスピン流回路から、トンネル障壁１９Ｂ，１９Ｃを省略したものであり、中間位置のフリー層６がチャンネル層６に接触している。フリー層４の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ４で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、１[ｍＶ／Ａ]に満たない。なお、これらの磁化の向きが平行の場合は、出力電圧変化はゼロに近い値となる。すなわち、中間位置のフリー層６が、スピン流を大きく吸収しているものと推定される。
【００４８】
図７は、実施例に係るスピン流回路の平面図であり、図８は、実施例に係る実験データを示すグラフである。
【００４９】
この構造は、図1に示したものであり、トンネル障壁層１９がフリー層４，６の直下に位置している。遠距離側のフリー層４の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ４で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、３[ｍＶ／Ａ]を超えている（図８（Ａ）最大値３．１[ｍＶ／Ａ]）。
【００５０】
同様に、近距離側のフリー層６の磁化の向きが、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層（１８）の磁化の向きと反平行の場合、電圧計Ｖ６で測定される、単位電流当たりの出力電圧変化（ΔＶ／Ｉ[ｍＶ／Ａ]）は、同様に９[ｍＶ／Ａ]を超えている（図８（Ｂ）最大値９．１[ｍＶ／Ａ]）。これらの電圧の差は、トンネル障壁を用いない場合の差よりも十分に小さく、出力電圧のバラつきが低減されていることが分かる。また、双方の場合において、絶対値の出力も増加している。言い換えれば、スピン注入素子ＳＩＥのピンド層とフリー層４の間にフリー層６が挿入された場合、フリー層６が挿入されない場合と比較して１/３程度に出力が減少するはずであるが、絶縁層を挿入することでこの減衰はほとんど観測されなくなる。なお、これらの磁化の向きが反対の場合は、出力電圧変化はゼロに近い値となる。
【００５１】
以上、説明したように、比較例に係る構造ではスピン流がスピン注入位置（ＧＳＩＰ）から最も近いフリー層に最も多く吸収されるのに対して、実施例の構造ではフリー層の界面に高抵抗のトンネル障壁を挿入することによって、当該フリー層でのスピン流の吸収を抑制し、選択的にスピン流が吸収されるのを阻害する。これによって、各フリー層で得られる出力は均一化されることになる。
【００５２】
図９は、スピン流回路を用いたメモリの回路図である。
【００５３】
上述のように、フリー層４，６の磁化の向きは、これらに近接して配置される外部配線ＭＧ４、ＭＧ６を流れる電流によって制御することができる。例えば、外部配線ＭＧ４、ＭＧ６の電流の周囲に形成される磁界を用いて、フリー層４，６の磁化の向きを制御すると、磁化の向きの情報がフリー層４，６に記憶されることになる。この状態で、電流源Ｉ２から電子をスピン注入素子ＳＩＥに供給すると、この電子はチャンネル層５Ａ１を通って電流源Ｉ２に帰還する。スピン注入位置ＧＳＩＰからは、スピン流がチャンネル層５Ａ２を通って流れ、トンネル障壁層１９を介して、フリー層４，６に吸収される。
【００５４】
フリー層４，６の一端は、増幅回路Ａ４，Ａ６の一方の入力端子にそれぞれ接続されており、フリー層４，６からの出力電圧は、増幅回路Ａ４，Ａ６によって増幅され、後段の回路に伝達される。増幅回路Ａ４，Ａ６の他方の入力端子は、基準電位Ｒｅｆ４，Ｒｅｆ６に接続されている。本例では、基準電位Ｒｅｆ４，Ｒｅｆ６の大きさは、スピン注入位置ＧＳＩＰから遠いものほど小さく設定されているが、比較的小さな値にすれば同一の値とすることもできる。増幅回路Ａ４，Ａ６は、入力端子間の電圧の差分を増幅する。なお、基準電位を、各フリー層４，６の磁化の向きの変動による電圧変動の平均値に設定し、増幅回路Ａ４，Ａ６をコンパレータとして使用すれば、各フリー層４，６に記憶された磁化の向きの情報を、コンパレータ出力（Ｈレベル、Ｌレベル）として読み出すこともできる。なお、この回路は、いずれの実施形態のスピン回路にも適用することができる。
【００５５】
上述のように、フリー層４，６の磁化容易軸は、ピンド層１８の磁化容易軸と平行であり、フリー層４，６の磁化の向きは、ピンド層１８の磁化の向きに対して、平行と反平行という２つの状態を明確にとることができるため、この素子を２つの状態を記憶するメモリに適用することができる。
【００５６】
図１０は、第２実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【００５７】
このスピン回路では、チャンネル層５Ａは、環状の平面形状を有しており、その上に環状のトンネル障壁層１９が形成されている。この素子の縦断面構造は、平面内の素子位置を除いて、図１に示したものと同じである。上述のように、チャンネル層５Ａ上には複数のフリー層４，６がトンネル障壁（トンネル障壁層１９）を介して配置されているが、スピン注入素子ＳＩＥの設けられたスピン注入位置から、各フリー層４，５までの距離は、フリー層４，６の数が２つであってチャンネル層５Ａが環状であれば、等しく設定することができる。
【００５８】
すなわち、スピン注入素子ＳＩＥから各フリー層４，６までのスピン流の伝播に伴う減衰量を等しくすることができ、更に出力電圧の均一性を向上させることができる。もちろん、フリー層の数が３つ以上であっても、チャンネル層が環状であれば、スピン流注入位置から各フリー層までの距離の差異を、これらが一直線上に配列されているよりは、小さく設定することができる。
【００５９】
スピン流の流れやすさを示すスピン拡散長は金属で数百ｎｍ、半導体で１０μｍ程度と言われており、スピン注入素子ＳＩＥとフリー層４，６の距離が離れるだけで出力が減少してしまうが、各層が円上に並んだ構造の場合、スピン注入素子ＳＩＥとフリー層４，６を同程度に近づけることも可能であるため、高い出力を得ることができる。
【００６０】
図１１は、第３実施形態に係るスピン流回路の平面図である。
【００６１】
また、このスピン流回路は、図１に示したスピン回路と比較して、第２スピン注入素子（第２スピン流注入手段）ＳＩＥ−Ａを備え、必要に応じて電流源Ｉ２Ａを更に具備した点のみが、図１に示したものと異なる。第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａは、第1スピン注入素子ＳＩＥと共にチャンネル層５Ａを挟む位置に設けられている。第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａの磁性層１２，１０の磁化の向きは、第1スピン注入素子ＳＩＥ内の各磁性層１８，１６の磁化の向きとは、チャンネル層５Ａ内の点（双方の素子の重心位置を結ぶ線分の中点Ｐ）に対して点対称である。
【００６２】
すなわち、第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａは、チャンネル層５Ａの下面側に、Ｚ軸の負方向に沿って順次形成されたトンネル障壁層１３、ピンド層１２、磁気結合層１１、ピンド層１０、反強磁性層９、緩衝層８、及び下部電極層５Ｃを備えており、ピンド層１２の磁化の向きはピンド層１８の磁化の向きとは逆向き、ピンド層１０の磁化の向きはピンド層１６の磁化の向きとは逆向きである。なお、第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａの形成においては、図１１に示した積層構造を上から順番に下向きに積層していけばよい。なお、積層工程における上下は反対にしておくこととする。各層の形成方法は、MBE法、CVD法、又はスパッタ法を用いることができる。
【００６３】
第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａは、第１スピン注入素子ＳＩＥとは点対称であり、その層構造と構成材料は同一である。すなわち、トンネル障壁層１３、ピンド層１２、磁気結合層１１、ピンド層１０、反強磁性層９、緩衝層８、及び下部電極層５Ｃの材料は、それぞれ、トンネル障壁層１９、ピンド層１８、磁気結合層１７、ピンド層１６、反強磁性層１５、緩衝層１４、及び下部電極層５Ｂの材料と同一である。
【００６４】
第２スピン注入素子ＳＩＥ−Ａでは、第１スピン注入素子ＳＩＥにおいて発生するスピン流と同一方向に磁気偏極したスピン流を発生する。この場合、いずれのスピン注入素子に電流を流す場合においても、同一方向に磁気偏極したスピンをチャンネル層５Ａ内に注入することができ、スピン流を大きくして、出力電圧を増加させることができる。
【００６５】
同図では、チャンネル層５Ａと下部電極５Ｃとの間に、電流源Ｉ２Ａから電流が供給されている。なお、電流源Ｉ２と電流源Ｉ２Ａを流れる電流の向きは反対であり、コンタクト電極２からチャンネル層５Ａに向かって共通の電流が流れている。この場合、同一方向に磁気偏極したスピンが上下双方のスピン注入素子からチャンネル層５Ａ内に注入されるが、電流源Ｉ２Ａを省略し、更にチャンネル層５Ａからコンタクト電極２への経路を省略し、電流源Ｉ２のみで上部電極層５Ｂから下部電極層５Ｃへ電子を流しても、これと同様にスピン注入を行うことができる。
【００６６】
なお、このスピン回路は、他の実施形態のスピン回路にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、スピン流の取り出しの均一性を高めたスピン流回路に利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
ＳＩＥ…第1スピン注入素子、ＳＩＥ−Ａ…第２スピン注入素子、５Ａ…チャンネル層、４，６…磁化自由層、１９Ｂ，１９Ｃ…トンネル障壁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン流を発生する第1スピン流発生手段と、
前記第1スピン流発生手段において発生したスピン流が流れる非磁性のチャンネル層と、
前記チャンネル層上の異なる位置に設けられた複数の磁化自由層と、
前記チャンネル層とそれぞれの前記磁化自由層との間に介在するトンネル障壁と、
を備え、それぞれの前記磁化自由層と前記チャンネル層の間の電圧がそれぞれ検出される、
ことを特徴とするスピン流回路。
【請求項２】
前記第1スピン流発生手段は、
磁化固定層と、
前記磁化固定層と前記チャンネル層との間に介在するトンネル障壁と、
を備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のスピン流回路。
【請求項３】
前記磁化固定層の磁化の向きは、
形状異方性によって、及び／又は、
反強磁性層との交換結合によって、
固定されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のスピン流回路。
【請求項４】
前記チャンネル層とそれぞれの前記磁化自由層との間に介在する前記トンネル障壁は、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、又は酸化亜鉛層からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項５】
前記チャンネル層の材料は、
Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む導電体、又は、
Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＺｎＯからなる群から選択される半導体、
からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項６】
前記第1スピン流発生手段、及び複数の前記磁化自由層は、一直線上に整列して配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項７】
前記チャンネル層は、環状の平面形状を有している、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項８】
前記第1スピン流発生手段と共に前記チャンネル層を挟む位置に設けられ、この第1スピン流発生手段内の各磁性層の磁化の向きとは、前記チャンネル層内の点に対して点対称な磁化の向きを有する磁性層を有し、前記第1スピン流発生手段において発生するスピン流と同一方向に磁気偏極したスピン流を発生する第２スピン流注入手段を更に備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項９】
前記磁化自由層の磁化容易軸は、前記磁化固定層の磁化容易軸と平行であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスピン流回路。
【請求項１】
スピン流を発生する第1スピン流発生手段と、
前記第1スピン流発生手段において発生したスピン流が流れる非磁性のチャンネル層と、
前記チャンネル層上の異なる位置に設けられた複数の磁化自由層と、
前記チャンネル層とそれぞれの前記磁化自由層との間に介在するトンネル障壁と、
を備え、それぞれの前記磁化自由層と前記チャンネル層の間の電圧がそれぞれ検出される、
ことを特徴とするスピン流回路。
【請求項２】
前記第1スピン流発生手段は、
磁化固定層と、
前記磁化固定層と前記チャンネル層との間に介在するトンネル障壁と、
を備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のスピン流回路。
【請求項３】
前記磁化固定層の磁化の向きは、
形状異方性によって、及び／又は、
反強磁性層との交換結合によって、
固定されている、
ことを特徴とする請求項２に記載のスピン流回路。
【請求項４】
前記チャンネル層とそれぞれの前記磁化自由層との間に介在する前記トンネル障壁は、酸化アルミニウム層、酸化マグネシウム層、又は酸化亜鉛層からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項５】
前記チャンネル層の材料は、
Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される一つ以上の元素を含む導電体、又は、
Ｓｉ、ＧａＡｓ及びＺｎＯからなる群から選択される半導体、
からなる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項６】
前記第1スピン流発生手段、及び複数の前記磁化自由層は、一直線上に整列して配置されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項７】
前記チャンネル層は、環状の平面形状を有している、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項８】
前記第1スピン流発生手段と共に前記チャンネル層を挟む位置に設けられ、この第1スピン流発生手段内の各磁性層の磁化の向きとは、前記チャンネル層内の点に対して点対称な磁化の向きを有する磁性層を有し、前記第1スピン流発生手段において発生するスピン流と同一方向に磁気偏極したスピン流を発生する第２スピン流注入手段を更に備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピン流回路。
【請求項９】
前記磁化自由層の磁化容易軸は、前記磁化固定層の磁化容易軸と平行であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスピン流回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１９２６８７（Ｐ２０１０−１９２６８７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３５５９１（Ｐ２００９−３５５９１）
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１８日（２００９．２．１８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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