JP2020077841A - スピンテクスチャ制御装置、スピンテクスチャ制御方法、およびメモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電力が低く、長時間の安定した動作を可能とし、かつ情報損失を抑えることが可能なスピンテクスチャ制御装置、およびスピンテクスチャ制御方法を提供する。【解決手段】本発明のスピンテクスチャ制御装置は、基材１０１と、基材の一面１０１ａに、下部電極層１０４、磁性体膜１０５、絶縁層１０６、上部電極層１０７が順に積層されてなる積層体１０２と、下部電極層１０４と上部電極層１０７との間に電圧を印加する電源１０３と、を備え、磁性体膜１０５が、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有しており、磁気異方性が、積層体の積層方向Ｄ１に直交する方向において、連続的に単調に増加または減少している。【選択図】図１
Description
本発明は、磁壁、磁気バブル、スキルミオン等のトポロジカルなスピンテクスチャの制御装置、制御方法、および、スピンテクスチャの状態に対応したデータを記憶するメモリ装置に関する。
電場を利用した磁気ダイナミクスは、デバイスの電力消費を著しく低減させる技術として活用されている。例えば、強磁性体、重金属からなる多層構造体において生じるＤｚｙａｌｏｓｈｉｎｓｋｉｉ−Ｍｏｒｉｙａ相互作用により、磁壁、磁気バブル、スキルミオン等のトポロジカルなスピンテクスチャの安定した形成が可能であることが知られている（特許文献１）。これらのスピンテクスチャは、電場で制御することができるため、スピントロニクスデバイスへの応用が期待されている。スピンテクスチャは、数ｎｍ〜数百ｎｍのサイズで形成されるものであり、高密度メモリデバイスとしての活用が期待されている（特許文献２）。
これまで、メモリを構成する情報を担うスピンテクスチャを形成し、その動きを電流で制御する方法が開示されている（特許文献３）。ただし、この方法では、電流を流すことによって発生するジュール熱が、スピンテクスチャの形状に影響を及ぼすことが知られている。ジュール熱は、消費電力の増大、スピンテクスチャの欠損（情報の損失）を招き、その影響は、スピンテクスチャを適用するデバイスのサイズが小さいほど顕著となる。また、デバイスがナノスケールである場合、ジュール熱の影響によってデバイス自体が劣化してしまうことが知られており、長時間正常に動作させられないことが問題となっている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、消費電力が低く、長時間の安定した動作を可能とし、かつ情報損失を抑えることが可能なスピンテクスチャ制御装置、スピンテクスチャ制御方法、および、それらを利用したメモリ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
（１）本発明の一態様に係るスピンテクスチャ制御装置は、基材と、前記基材の一面に、下部電極層、磁性体膜、絶縁層、上部電極層が順に積層されてなる積層体と、前記下部電極層と前記上部電極層との間に電圧を印加する電源と、を備え、前記磁性体膜が、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有しており、前記磁気異方性が、前記積層体の積層方向に直交する方向において、連続的に単調に増加または減少している。
（２）前記（１）に記載のスピンテクスチャ制御装置において、前記磁性体膜が、鉄とコバルトのうち少なくとも一方と、重希土類金属と、の合金からなることが好ましい。
（３）前記（１）に記載のスピンテクスチャ制御装置において、前記積層体の積層方向において、前記磁性体膜が、磁性層と遷移金属層とが交互に積層されてなるサンドイッチ構造を有していてもよい。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載のスピンテクスチャ制御装置において、前記磁性体膜が、前記積層方向と直交する方向において、一端側に近づくにつれて薄くなっていることが好ましい。
（５）前記（４）に記載のスピンテクスチャ制御装置において、前記磁性体膜が、前記積層方向と直交する方向において、他端側に配置された板状の第一磁性体部と、前記第一磁性体部の側面から突出し、前記一端側に向かって延在する少なくとも一つの第二磁性体部と、で構成されていてもよい。
（６）前記（５）に記載のスピンテクスチャ制御装置において、前記磁性体膜が、前記積層方向と直交する方向において、前記一端側に近づくにつれて薄くなっており、前記積層方向からの平面視において、前記第二磁性体部の幅が１０ｎｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
（７）本発明の一態様に係るスピンテクスチャ制御方法は、前記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のスピンテクスチャ制御装置を用い、前記下部電極層と前記上部電極層との間に印加する電圧を調整することにより、前記磁性体膜内でスピンテクスチャを制御する。
（８）本発明の一態様に係るメモリ装置は、前記（１）〜（６）のいずれか一つに記載のスピンテクスチャ制御装置において制御される、前記スピンテクスチャの状態に対応したデータを記憶する。
本発明によれば、消費電力が低く、長時間の安定した動作を可能とし、かつ情報損失を抑えることが可能なスピンテクスチャ制御装置、スピンテクスチャ制御方法、および、それらを利用したメモリ装置を提供することができる。
以下、本発明を適用した実施形態に係るスピンテクスチャ制御装置、スピンテクスチャ制御方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る、スピンテクスチャ制御装置１００の構成を模式的に示す断面図である。スピンテクスチャ制御装置１００は、主に、基材１０１と、基材の一面１０１ａに形成された積層体１０２と、積層体１０２に接続された電源１０３と、を備えている。本明細書では、スキルミオン、磁気バブル、磁壁等に代表されるトポロジカルな磁気構造（磁気秩序、磁気模様）のことを総称して、「スピンテクスチャ」と呼ぶ。
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る、スピンテクスチャ制御装置１００の構成を模式的に示す断面図である。スピンテクスチャ制御装置１００は、主に、基材１０１と、基材の一面１０１ａに形成された積層体１０２と、積層体１０２に接続された電源１０３と、を備えている。本明細書では、スキルミオン、磁気バブル、磁壁等に代表されるトポロジカルな磁気構造（磁気秩序、磁気模様）のことを総称して、「スピンテクスチャ」と呼ぶ。
基材１０１としては、ガラス、表面に絶縁体を有するシリコンウェーハ等の非磁性の絶縁材料からなるものを用いることができる。基材１０１の厚みについて制限されることはない。
積層体１０２は、下部電極層１０４、磁性体膜１０５、絶縁層１０６、上部電極層１０７が順に積層されてなる。磁性体膜１０５は、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有しており、この磁気異方性が、積層体１０２の積層方向Ｄ１（ｚ方向）と直交する方向Ｄ２（ｘ方向）において、連続的に単調に増加または減少している。
本実施形態の第二磁性体部１０２Ｂは、方向Ｄ２において、一端１０２ａ側に近づくにつれて、連続的または断続的に、徐々に薄くなっている。本実施形態では、第二磁性体部１０２Ａが、一端１０２ａ側に近づくにつれて、連続的に薄くなる楔形状を有する場合について例示している。なお、図１（ａ）に示すように、一端１０２ａ側に近づくにつれ、下部電極層１０４の厚みも、磁性体膜１０５と同様に薄くなっていてもよい。
本実施形態の磁性体膜１０５は、方向Ｄ２において、他端１０２ｂ側に配置された板状の第一磁性体部１０２Ｂと、第一磁性体部１０２Ｂの側面から突出し、一端１０２ａ側に向かって延在する複数の第二磁性体部１０２Ａと、で構成されている。
第二磁性体部１０２Ａの頂面（上面）は、図１（ａ）に示すように平坦な傾斜面であってもよいし、曲面であってもよい。また、本実施形態では、下部電極層１０４、磁性体膜１０５のいずれも、方向Ｄ２における他端１０２ｂ側が、下部電極層１０４、磁性体膜１０５の厚みが固定された第一磁性体部１０２Ｂとなっている場合について例示している。
図１（ｂ）は、スピンテクスチャ制御装置１００を、上部電極層１０７側から見た斜視図である。本実施形態では、積層体１０２の積層方向Ｄ１からの平面視において、第一磁性体部１０２Ｂから複数の第二磁性体部１０２Ａが突出し、一端１０２ａ側に向かって延在している場合について例示している。複数の第二磁性体部１０２Ａのうち、一部または全部の幅が揃っていなくてもよい。なお、第二磁性体部１０２Ａは複数でなく一つであってもよい。
積層体１０２を構成する各層は、いずれも、マスクスパッタリング法、マスク蒸着法等の公知の方法で成膜し、フォトリソグラフィ等でパターニングすることによって得られる。なお、積層体の第二磁性体部１０２Ａの形状は、たとえばマスクスパッタリング法により積層体１０２の各層を形成する際に、マスクを移動させながら行うことによって形成することができる。また、マスク位置を固定しマスクの側面の影を利用することによって形成することができる。下部電極層１０４は、導電性を有し、レーザー光を反射させる材料からなる。上部電極層１０７は、酸化インジウムスズ（Ｉｎ２Ｏ３とＳｎＯ２の無機混合物）、厚さ３ｎｍ以下の金属薄膜等のレーザー光を透過させる材料からなる。
本実施形態の磁性体膜１０５は、例えば、ＣｏＮｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等の磁性材料からなる磁性層１０５Ａと、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の遷移金属材料からなる遷移金属層１０５Ｂと、が交互に積層されてなるサンドイッチ構造（多層構造）を有する。これは、ナノメートルレベルの厚さ範囲において、磁性層１０５Ａが、上下層の遷移金属層１０５Ｂに挟まれることにより、それぞれの遷移金属層１０５Ｂとの境界面に対して略垂直な方向（すなわち積層方向Ｄ１）に、磁気異方性を発現させるためである。磁性層１０５Ａと遷移金属層１０５Ｂとを積層することにより、室温において、積層体（磁性体膜１０５）の垂直磁気異方性を発現させることができる。なお、単層構造の磁性層１０５Ａでは、このような垂直磁気異方性が発現しない。
本実施形態では、ＣｏＮｉからなる磁性層１０５Ａ、Ｐｔからなる遷移金属層１０５Ｂを、それぞれ二層ずつ有する場合について例示しているが、磁性層１０５Ａと遷移金属層１０５Ｂは、それぞれ少なくとも１層あればよい。第一磁性体部１０２Ｂにおける磁性層１０５Ａの厚みは、０．１〜１ｎｍ程度であることが好ましく、遷移金属層１０５Ｂの厚みは０．１〜２ｎｍ程度であることが好ましい。
第二磁性体部１０２Ａの厚みは、磁性層１０５Ａの磁気異方性係数の面直分量Ｋｕｚが、下記式（１）を満たす範囲で変動するものとする。ここで、μ０は真空の透磁率（１２．５５６×１０−７Ｈ／ｍ）を示し、Ｍｓは磁性層１０５Ａの飽和磁化を示している。
第二磁性体部１０２Ａを楔形状とする場合、一端１０２ａ側の厚みＴａ、他端１０２ｂ側の厚みＴｂ、長さＴｃは、それぞれ次に示す範囲に含まれる。
０．２ｎｍ＜Ｔａ＜０．５ｎｍ
０．５ｎｍ＜Ｔｂ＜３．５ｎｍ
Ｔｃ＞５０ｎｍ
０．２ｎｍ＜Ｔａ＜０．５ｎｍ
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Ｔｃ＞５０ｎｍ
電源１０３は、直流電源であり、下部電極層１０４と上部電極層１０７との間に電圧を印加することができるように、両電極層１０４、１０７に接続されている。なお、磁性体膜１０５の最下層の遷移金属層１０５Ｂを下部電極層１０４を兼ねるように構成することができる。
絶縁層１０６は、下部電極層１０４と上部電極層１０７との間に電圧を印加した際に、積層体１０２に電流が流れないようにする層であり、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁材料からなる。絶縁層１０６の厚みは、数十ｎｍから数百ｎｍ程度であることが好ましい。本実施形態では、絶縁層１０６が、上部電極層１０７と磁性体膜１０５との間にある場合について例示しているが、絶縁層１０６は、下部電極層１０４と磁性体膜１０５との間にあってもよい。
スピンテクスチャ制御装置１００は、レーザー光スポットを用いたスピンテクスチャの移動の検出手段１０８を、さらに備えていてもよい。レーザー光スポットを用いたスピンテクスチャの移動の検出手段１０８により、磁性層１０５Ａ内の所定の位置に、スキルミオン、磁壁等のトポロジカルなスピンテクスチャ（磁気構造）の移動をリアルタイム的に検出することができる。実験では径０．３μｍのレーザ光スポットを使用した。
スピンテクスチャ制御装置１００おいて、積層体１０２の積層方向Ｄ１に電圧を印加する（電場ＥＦを発生させる）ことにより、磁性層１０５Ａの磁化方向が局所的に傾き、スキルミオンＳが発生する。図２は、スピンテクスチャ制御装置１００の第二磁性体部１０２Ａの一部を拡大し、スキルミオンＳが発生した状態（右側）、消滅した状態または発生していない状態（左側）、およびスキルミオンの構成（中央）を示すイメージ図である。下部電極層１０４と上部電極層１０７との間に印加する電圧を調整することにより、磁性層１０５Ａ内の磁壁、スキルミオン、磁気バブル等のスピンテクスチャの生成および消滅を制御することができ、また、生成したスピンテクスチャを制御することができる。
以上のように、本実施形態に係るスピンテクスチャ制御装置１００では、磁性層１０５Ａが、一端１０２ａ側に近づくにつれて薄くなり、それに伴って厚み方向に沿った磁気異方性（垂直磁気異方性）が小さくなっている。すなわち、スピンテクスチャを動かす方向（ｘ方向）において、磁性層１０５Ａの垂直磁気異方性の強さが勾配を有している。そして、この磁性層１０５Ａの厚み方向に印加する電圧を調整することにより、スピンテクスチャを動かす方向における、垂直磁気異方性の勾配の大きさを変えることができ、スピンテクスチャを構成するスピンの反転しやすさ、すなわち、スピンテクスチャの拡大縮小または移動のしやすさを変えることができる。したがって、本実施形態に係るスピンテクスチャ制御装置１００では、磁性層１０５Ａに印加する電圧を調整することによって、磁性層１０５Ａ中のスピンテクスチャの動きを容易に制御することができる。
本実施形態のスピンテクスチャ制御装置１００では、従来のスピンテクスチャ制御装置のように磁性層１０５Ａ中に電流を流さないため、ジュール熱が発生することがなく、熱拡散による情報の損失を抑えるとともに、消費電力を低く抑えることができる。スピンテクスチャ制御装置１００は、形成されるスピンテクスチャをメモリの単位データとすることにより、メモリデバイスとして活用することができ、さらに、ジュール熱の影響による劣化の虞がないため、長時間連続して駆動することができる。
本実施形態のスピンテクスチャ制御装置１００では、例えば、実施例５として後述するように、積層体１０２を、幅が約１０ｎｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは約１０ｎｍ以上１μｍ以下の細線パターンとすることにより、磁性層１０５内に、スピンテクスチャを一つずつ生成・消滅させることができる。スピンテクスチャの生成・消滅状態については、電圧制御が可能である。たとえば細線内に一つのスキルミオンを生成させ、生成させたスキルミオンにプローブ等を利用して電界を作用させることでスキルミオンの磁化を反転させ（書き込み）、レーザカー効果あるいは磁気抵抗効果素子等によりスキルミオンの磁化状態を検知（読み取り）することにより、スピンテクスチャ制御装置１００をメモリ素子として利用することが可能である。細線パターンは、きわめて微細に高密度に形成することが可能であり、細線に生成させたスキルミオンを利用することで、データを記憶するメモリ装置を構成することが可能である。
本実施形態に係るスピンテクスチャの制御装置１００によれば、電界の作用のみによってスキルミオンを制御することが可能であり、電流を利用して制御する方法と比較して、制御時にまったくジュール熱を発生させないという利点がある。
＜第二実施形態＞
図３（ａ）は、本発明の第二実施形態に係る、スピンテクスチャ制御装置２００の構成を模式的に示す断面図である。図３（ｂ）は、スピンテクスチャ制御装置２００を、上部電極層１０７側から見た斜視図である。スピンテクスチャ制御装置２００では、第二磁性体部１０２Ａ、ひいては磁性体膜１０５の厚みが、積層方向と直交する方向Ｄ２において略一様となっている。磁性体膜１０５以外の構成については、第一実施形態のスピンテクスチャ制御装置１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。
図３（ａ）は、本発明の第二実施形態に係る、スピンテクスチャ制御装置２００の構成を模式的に示す断面図である。図３（ｂ）は、スピンテクスチャ制御装置２００を、上部電極層１０７側から見た斜視図である。スピンテクスチャ制御装置２００では、第二磁性体部１０２Ａ、ひいては磁性体膜１０５の厚みが、積層方向と直交する方向Ｄ２において略一様となっている。磁性体膜１０５以外の構成については、第一実施形態のスピンテクスチャ制御装置１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。
磁性体膜１０５は、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有しており、磁気異方性が、積層方向と直交する方向Ｄ２において、連続的に単調に変化（増加または減少）している。すなわち、磁性体膜の一端１０２ａから他端１０２ｂまでの間において、位置が変わるにつれて、磁気異方性の向きが緩やかに回転するように構成されている。一端１０２ａにおける磁気異方性の向きと、他端１０２ｂにおける磁気異方性の向きとは、ほぼ直交している。
このような磁気異方性を有する磁性体膜１０５としては、例えば、鉄とコバルトのうち少なくとも一方と、重希土類金属と、の合金からなるものが挙げられる。重希土類金属は、希土類元素のランタノイド類の中でＧｄ（ガドリニウム）以上の原子量をもつ元素である。具体的な磁性体膜１０５の材料としては、例えば、ＴｂＦｅＣｏ（テリビウム−鉄−コバルト）、ＴｂＦｅ（テリビウム−鉄）、ＴｂＣｏ（テリビウム−コバルト）、ＧｄＦｅＣｏ（ガドリニウム−鉄−コバルト）、ＧｄＦｅ（ガドリニウム−鉄）、ＧｄＣｏ（ガドリニウム−コバルト）、ＤｙＦｅＣｏ（ジスプロシウム−鉄−コバルト）等が挙げられる。
磁性体膜１０５は、スピンテクスチャを動かす方向（ｘ方向）において、垂直磁気異方性の強さが勾配を有していればよく、本実施形態の磁性層のように平板状であってもよいし、他の形状であってもよい。
図４は、本実施形態の積層体１０２の製造方法について説明する図である。まず、基材２０を、回転可能な基材ホルダ（回転板）１０上（図４では下側の表面）に設置する。さらに、基材ホルダの回転中心（回転軸）１０Ｃから偏位（離間）し、かつ回転軸１０Ｃ方向からの平面視において基材２０の回転軌道と重なる位置に、磁性体膜１０５の材料からなるターゲット３０を設置する。その他に、下部電極層用のターゲット３１、絶縁層用のターゲット（図示を省略している）および上部電極層用のターゲット（図示を省略している）を設置する。なお、基材２０は磁性体膜１０５の材料からなるターゲット３０の直上になく、基材ホルダ（回転板）１０の回転円の半径方向に対して、基材２０の中心はターゲット３０の中心からずれている。
その上で、基材ホルダ１０を回転させながら、磁性体膜用のタ−ゲット３０およびその他のターゲットを用いたスパッタリングを行い、回転板１０とともに回転する基材２０に対し、それぞれのターゲットからたたき出された下部電極層１０４の材料、磁性体膜１０５の材料、絶縁層１０６の材料、上部電極層１０７の材料を、順に堆積させることにより、積層体１０２を形成する。このとき、基材ホルダの回転円の半径方向に対して基材２０の中心がターゲット３０の中心とずれているため、磁性体膜１０５は、斜めスパッタリングによって成膜される。
このような斜めスパッタリングを行うことにより、形成される磁性体膜１０５の磁気異方性は、基材２０の長手方向（すなわち基材ホルダの回転円の半径方向）においてグラディエーションを有するものとなる。具体的には、磁気異方性の向きが、基材２０の一端側では積層方向Ｄ１に垂直であり、基材２０の他端側では積層方向Ｄ１に平行である。基材２０の両端の間では、一端側から他端側に向かって、あるいは他端側から一端側に向かって、磁気異方性の向きが、垂直方向から平行方向に連続的に変化している。ここで用いる磁性体膜用のターゲット３０としては、例えば、ＴｂＦｅＣｏ等の重希土類金属とＦｅ、Ｃｏの三元系の合金ターゲット等が挙げられる。重希土類金属の組成をｘ（ａｔ％）、ＦｅＣｏの組成を１００−ｘ（ａｔ％）とすると、磁性体膜に垂直磁気異方性を生じさせるためには、ｘ＝１９〜３２（ａｔ％）の範囲であることが好ましい。また、ここで用いる下部電極層のターゲット３１としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）等が挙げられる。さらに、絶縁層用のターゲットとしては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁材料からなる。また、上部電極層用のターゲットは、酸化インジウムスズ、ＰｔＡｕ、Ｃｕ等が挙げられる。
本実施形態の磁性体膜１０５においても、厚み方向に印加する電圧を調整することにより、スピンテクスチャを動かす方向における、垂直磁気異方性の勾配の大きさを変えることができる。これにより、磁性体膜１０５におけるスピンテクスチャを構成するスピンの反転しやすさ、すなわち、スピンテクスチャの拡大縮小または移動のしやすさを変えることができる。したがって、本実施形態に係るスピンテクスチャ制御装置２００でも、磁性体膜１０５に印加する電圧を調整することによって、磁性体膜１０５中のスピンテクスチャの動きを容易に制御することができる。本実施形態では、磁性体膜１０５の形状が平坦であり、所定の厚みを有する領域が増える分、スピンテクスチャの駆動距離をより長くすることができる。
＜第三実施形態＞
本発明の第三実施形態に係るスピンテクスチャ制御装置（不図示）は、磁性体膜が、鉄とコバルトのうち少なくとも一方と、重希土類金属と、の合金からなり、かつ第二磁性体部が、積層方向と直交する方向において、一端側に近づくにつれて薄くなっている。磁性体膜以外の構成については、第一実施形態のスピンテクスチャ制御装置と同様である。第三実施形態のスピンテクスチャ制御装置においても、第一実施形態、第二実施形態のスピンテクスチャ制御装置と同様の効果を得ることができる。
本発明の第三実施形態に係るスピンテクスチャ制御装置（不図示）は、磁性体膜が、鉄とコバルトのうち少なくとも一方と、重希土類金属と、の合金からなり、かつ第二磁性体部が、積層方向と直交する方向において、一端側に近づくにつれて薄くなっている。磁性体膜以外の構成については、第一実施形態のスピンテクスチャ制御装置と同様である。第三実施形態のスピンテクスチャ制御装置においても、第一実施形態、第二実施形態のスピンテクスチャ制御装置と同様の効果を得ることができる。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
（実施例１）
上述したスピンテクスチャ制御装置１００において、積層体１０２内の位置、積層体１０２に印加する電圧と、ヒステリシス曲線の関係について調べた。
上述したスピンテクスチャ制御装置１００において、積層体１０２内の位置、積層体１０２に印加する電圧と、ヒステリシス曲線の関係について調べた。
図５（ａ）は、積層体の一端１０２ａからの距離ｌを１０μｍ、２０μｍ、３０μｍとしたときのヒステリシス曲線を示すグラフである。印加電圧ＶＧを０Ｖとした。さらに、このグラフには、積層体の一端１０２ａからの距離ｌと磁化ＭＲ／ＭＳとの関係を示すグラフが、内挿されている。一端１０２ａからの距離が約２０μｍとなる位置で磁化（反転）が発生し、約２５μｍとなる位置で飽和していることが分かる。
図５（ｂ）は、積層体１０２に印加する電圧ＶＧを０Ｖ、−４Ｖ、−１０Ｖとしたときのヒステリシス曲線を示すグラフである。電圧印加は一端１０２ａから３０μｍ離れた位置で行った。さらに、このグラフには、印加電圧ＶＧと磁化ＭＲ／ＭＳとの関係を示すグラフが、内挿されている。印加電圧ＶＧが約−８Ｖとなったときに磁化が発生し、約−６Ｖとなったときに飽和していることが分かる。この結果から、印加電圧を調整することによる、磁化方向の反転が可能であることが分かる。
（実施例２）
上述したスピンテクスチャ制御装置１００において、磁性層１０５Ａ（磁性体膜１０５）に印加した電圧ＶＧ、磁場Ｈｚの大きさに依存して、磁性層１０５Ａの磁化状態が変化する様子を調べた。磁性層１０５ＡをＣｏＮｉで形成し、その厚さを０．５ｎｍとした。遷移金属層１０５ＢをＰｔで形成し、その厚さを０．５ｎｍとした。絶縁層１０６をＳｉＯ２で形成し、その厚さを１００ｎｍとした。上部電極層１０７をＩＴＯとし、下部電極層１０４は遷移金属層（Ｐｔ）で兼用する構成とした。図６（ａ）〜（ｄ）は、各条件において、上部電極層１０７側から見た磁性層１０５Ａの磁気光学カー効果画像（ＭＯＫＥ）画像である。
上述したスピンテクスチャ制御装置１００において、磁性層１０５Ａ（磁性体膜１０５）に印加した電圧ＶＧ、磁場Ｈｚの大きさに依存して、磁性層１０５Ａの磁化状態が変化する様子を調べた。磁性層１０５ＡをＣｏＮｉで形成し、その厚さを０．５ｎｍとした。遷移金属層１０５ＢをＰｔで形成し、その厚さを０．５ｎｍとした。絶縁層１０６をＳｉＯ２で形成し、その厚さを１００ｎｍとした。上部電極層１０７をＩＴＯとし、下部電極層１０４は遷移金属層（Ｐｔ）で兼用する構成とした。図６（ａ）〜（ｄ）は、各条件において、上部電極層１０７側から見た磁性層１０５Ａの磁気光学カー効果画像（ＭＯＫＥ）画像である。
図６（ｂ）は、磁場を印加していない状態（Ｈｚ＝０ｍＴ）で、上から順に、印加する電圧ＶＧを−２．０Ｖ、−６．５Ｖ、−９．０Ｖ、−６．５Ｖ、−４．５Ｖとした場合のＭＯＫＥ画像を示している。スピンテクスチャは、磁場がない状態であっても発生させることができ、電圧の大きさ（絶対値）を変えることにより、スピンテクスチャの大きさ、動きを制御することができる。具体的には、磁性層１０５Ａに印加する電圧ＶＧを大きくすると、一端１０２ａ側（薄膜側（ここでは左側））の端部で発生した磁壁が他端１０２ｂ側（厚膜側（ここでは右側））に拡大し、さらに大きくするとスキルミオンが発生する。反対に、電圧ＶＧを小さくすると、スキルミオンが消失し、磁壁は一端１０２ａ側（ここでは左側）に縮小する。電圧ＶＧの増減を何度繰り返しても、同様の振る舞いが見られることになる。
図６（ｄ）は、電圧を印加せず（ＶＧ＝０Ｖ）、磁場Ｈｚのみによってスピンテクスチャを増大させた場合のＭＯＫＥ画像を示している。図６（ｄ）から分かるように、磁場Ｈｚは磁化の反転をアシストする機能を有しているため、電圧ＶＧによるスピンテクスチャの拡大縮小の効果を強めることができる。図６（ａ）、（ｃ）は、それぞれ磁場Ｈｚを−０．２ｍＴ、０．２ｍＴとし、電圧については、図６（ｂ）と同様とした場合のＭＯＫＥ画像を示している。磁場のアシストにより、スピンテクスチャの拡大率と縮小率のいずれも高くなる。
（実施例３）
上述したスピンテクスチャ制御装置１００において、上部電極層１０７と下部電極層１０４との間に電圧ＶＧを印加した。振動電圧ＶＧの周波数を７Ｈｚとし、振動の範囲を−８Ｖ〜０Ｖとした。初期状態の磁性層１０５Ａの磁化を、上向きとした。
上述したスピンテクスチャ制御装置１００において、上部電極層１０７と下部電極層１０４との間に電圧ＶＧを印加した。振動電圧ＶＧの周波数を７Ｈｚとし、振動の範囲を−８Ｖ〜０Ｖとした。初期状態の磁性層１０５Ａの磁化を、上向きとした。
図７（ａ）は、磁性層１０５Ａのレーザー光の照射スポット周辺を拡大した図である。図７（ａ）の下側の図は、上部電極層１０７と下部電極層１０４との間に最大電圧を印加した状態を示している。この状態では、被照射スポットである中央部の磁化が反転し、局所的に下向き磁化の磁壁が形成されている。図７（ａ）の上側の図は、上部電極層１０７と下部電極層１０４との間に最小電圧を印加した状態を示している。この状態では、磁化の反転が戻り、下向きになっていた磁化が上向きになり、磁壁がなくなっている。
図７（ｂ）は、印加する電圧の向きを周期的に変えた場合に、得られるカー信号の様子を示すグラフである。グラフの横軸は経過時間を示し、グラフの縦軸はカー信号を示している。このグラフから、電圧の増減を複数回繰り返して行っても、スピンテクスチャ移動の再現性があることが分かる。したがって、本発明のスピンテクスチャ制御装置１００は、メモリを構成する単位データとして、磁壁等のスピンテクスチャを制御することにより、メモリデバイスとして活用することができる。
（実施例４）
積層体の第二磁性体部１０２Ａを構成する磁性体膜１０５の細線パターンに対し、時間変動する電圧を印加した。細線パターンについては、幅を６μｍとし、長手方向の長さを５００μｍとした。磁場は印加しなかった。
積層体の第二磁性体部１０２Ａを構成する磁性体膜１０５の細線パターンに対し、時間変動する電圧を印加した。細線パターンについては、幅を６μｍとし、長手方向の長さを５００μｍとした。磁場は印加しなかった。
図８（ａ）は、電圧ＶＧの時間変化（階段状のグラフ）および磁化反転距離Δｘの時間変化（○印）のグラフ（上段）と、磁化反転速度ｖの時間変化のグラフ（下段）を示している。電圧ＶＧを０Ｖから−４Ｖまで変化させた場合、細線パターンの薄膜側の端部（図１の一端１０２ａ部）近傍で磁化反転している。さらに、電圧ＶＧを−４Ｖから−７Ｖまで変化させた場合、磁化反転領域が、細線パターンの厚膜側（図１では他端１０２ｂ側）に広がり、その結果として、磁壁が移動する様子が見られている。移動中の磁壁からはスキルミオンも発生している。電圧ＶＧを−７Ｖから−３．５Ｖに変化させた場合、磁壁とスキルミオンの両方が、薄膜側の端部に移動する。
これらの結果から、磁化反転量および磁壁の移動速度は、磁性層に印加された電圧の絶対値に比例して変わることが分かる。そして、細線パターン中における磁壁、スキルミオン、磁気バブルの行き来を、電圧で制御できていることが分かる。
図８（ｂ）〜（ｉ）は、それぞれ、電圧ＶＧとして−４Ｖ、―５Ｖ、−６Ｖ、−７Ｖ、−６Ｖ、−５Ｖ、−４Ｖ、−３Ｖを印加した場合に得られる、磁性層のＭＯＫＥ画像である（細線のパターン幅は６μｍ）。印加電圧の大きさに比例して、磁化反転領域の面積が変化する。
（実施例５）
図１のスピンテクスチャ制御装置１００において、積層体の第二磁性体部１０２Ａを構成する磁性体膜１０５に対し、厚み方向Ｄ１に電圧を印加し、積層方向と直交する方向Ｄ２（ｘ方向）における磁性層１０５Ａの垂直磁気異方性の勾配を小さくした。磁性層１０５Ａとしては、ｘ方向に１０００ｎｍ、ｙ方向に２００ｎｍ、ｚ方向に０〜０．５ｎｍの長さを有するものを用いた。この磁性層１０５Ａについて、飽和磁化Ｍｓを５５０ｋＡ・ｍ−１とし、Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ交換係数Ａを２２ｐＪ・ｍ−１とし、ＤＭＩ定数を１．２ｍＪ・ｍ−２とした。
図１のスピンテクスチャ制御装置１００において、積層体の第二磁性体部１０２Ａを構成する磁性体膜１０５に対し、厚み方向Ｄ１に電圧を印加し、積層方向と直交する方向Ｄ２（ｘ方向）における磁性層１０５Ａの垂直磁気異方性の勾配を小さくした。磁性層１０５Ａとしては、ｘ方向に１０００ｎｍ、ｙ方向に２００ｎｍ、ｚ方向に０〜０．５ｎｍの長さを有するものを用いた。この磁性層１０５Ａについて、飽和磁化Ｍｓを５５０ｋＡ・ｍ−１とし、Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ交換係数Ａを２２ｐＪ・ｍ−１とし、ＤＭＩ定数を１．２ｍＪ・ｍ−２とした。
図９（ａ）は、電圧印加による、磁性層１０５Ａの垂直磁気異方性の変化を示すグラフである。グラフの横軸はｘ方向における位置を示している。グラフの縦軸は、垂直磁気異方性の強さについて、ｘ＝１０００ｎｍでの値で規格化したものを示している。このグラフから、電圧印加に伴って、垂直磁気異方性の勾配が、初期の０．００１ｎｍ−１より小さくなっていることが分かる。
図９（ｂ）は、ｘ＝１０００ｎｍにおける垂直磁気異方性の強さと、スキルミオンが形成される位置の関係について示すグラフである。グラフの横軸、縦軸は、それぞれ、ｘ方向、ｙ方向における位置を示している。このグラフから、ｘ＝２２０ｎｍのところでスキルミオンが発生しており、ｘ＝１０００ｎｍにおける垂直磁気異方性が弱くなるにつれて、すなわち、垂直磁気異方性の勾配が小さくなるにつれて、スキルミオンがｘ方向に沿って直線状に移動していることが分かる。この結果は、磁性層１０５Ａに電圧を印加することによって、スキルミオンの動きを高い精度で制御し得ることを示している。
図９（ｃ）は、ｘ＝１０００ｎｍにおける垂直磁気異方性の強さを、１．０、０．９６、０．９２、０．８８、０．７２、０．６０としたときのスキルミオン発生の様子を示す図である。これらの図から、ｘ＝１０００ｎｍにおける垂直磁気異方性が弱くなるにつれて、すなわち、垂直磁気異方性の勾配が小さくなるにつれて、発生するスキルミオンが小さくなっていることが分かる。この結果は、磁性層１０５Ａに電圧を印加することによって、スキルミオンの大きさを制御することができ、ひいてはスキルミオンの生成・消滅を制御し得ることを示している。
（実施例６）
第二実施形態のスピンテクスチャ制御装置２００において、斜めスパッタリングを行って形成された磁性体膜１０５について、長手方向Ｄ２における位置と、ヒステリシス曲線の関係について調べた。ここでは、磁性体膜１０５として、下地層、ＴｂＦｅＣｏ層、キャッピング層を順に積層したものを用いた。ＴｂＦｅＣｏ層の膜厚は３ｎｍである。下地層とキャッピング層としては、Ｐｔからなり、１．５ｎｍの厚みを有するものを用いた。
第二実施形態のスピンテクスチャ制御装置２００において、斜めスパッタリングを行って形成された磁性体膜１０５について、長手方向Ｄ２における位置と、ヒステリシス曲線の関係について調べた。ここでは、磁性体膜１０５として、下地層、ＴｂＦｅＣｏ層、キャッピング層を順に積層したものを用いた。ＴｂＦｅＣｏ層の膜厚は３ｎｍである。下地層とキャッピング層としては、Ｐｔからなり、１．５ｎｍの厚みを有するものを用いた。
図１０（ａ）は、磁性体膜１０５の斜視図である。図１０（ｂ）〜（ｄ）は、磁性体膜の一端側１０５ａ、中央１０５ｂ、他端側１０５ｃで測定された、膜面に平行方向（‖）に磁場を印加したときと、膜面に垂直方向（膜厚方向）（⊥）に磁場を印加したときのヒステリシス曲線を示すグラフである。ヒステリシス曲線の測定には、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer（振動試料型磁力計））を用いた。印加磁場を±１０ｋＯｅとした。ここでの磁性体膜の一端側１０５ａは、斜めスパッタリングを行った際の回転軸１０Ｃから遠い側に相当する。反対に、磁性体膜の他端側１０５ｃは、回転軸１０Ｃに近い側に相当する。
図１０（ｂ）のグラフによれば、磁性体膜の一端側１０５ａでは、磁化容易軸が膜面に平行方向、磁化困難軸が膜面に垂直方向となっている。また、図１０（ｃ）のグラフによれば、磁性体膜の中央１０５ｂでは、ヒステリシス曲線がほぼ同じとなっており磁気的に等方膜となっている。また、図１０（ｄ）のグラフによれば、磁性体膜の他端側１０５ｃでは、磁化困難軸が膜面に平行方向、磁化容易軸が膜面に垂直方向となっている。これらの結果から、上述した斜めスパッタリングによって形成される磁性体膜は、磁気異方性が、磁性体膜１０５の長手方向Ｄ２においてグラディエーションを有していることが分かる。
（実施例７）
第二実施形態のスピンテクスチャ制御装置２００において、電圧印加に伴ってＴｂＦｅＣｏからなる磁性体膜１０５中の磁壁（スピンテクスチャ）が移動する様子を、磁気光学カー効果（極カー効果）による磁区観測装置を用いて調べた。図１１（ａ）は、磁性体膜１０５を上部電極層１０７と下部電極層１０４とで挟み、両電極を介し、磁性体膜１０５に対して電圧ＶＧを印加する状態を、模式的に示す図である。磁性体膜１０５の膜厚は３ｎｍ、上部電極層１０７と下部電極層１０４の膜厚は共に１．５ｎｍである。ここでは、磁性体膜１０５と上部電極層１０７との間にある酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層の図示を省略している。また、磁性体膜１０５と下部電極層１０４との間にもＳｉＯ２絶縁層（不図示）が挿入されている。絶縁層の膜厚は何れも１００ｎｍである。図１１（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、印加する電圧ＶＧを１．０Ｖ、１．５Ｖ、２．０Ｖ、２．５Ｖとした場合の磁性体膜１０５の極カー効果画像において、磁壁近傍を拡大したものである。上部電極層の膜厚が１．５ｎｍと薄いため、光が上部電極層を透過し磁性体膜１０５の表面で反射することができる。磁性体膜１０５は、その厚み方向（上部電極１０７側）に磁化した黒色領域（磁区）と、厚み方向と直交する面内方向に磁化した白色領域（磁区）とで構成されており、二つの領域（磁区）の境界が磁壁に相当する。
第二実施形態のスピンテクスチャ制御装置２００において、電圧印加に伴ってＴｂＦｅＣｏからなる磁性体膜１０５中の磁壁（スピンテクスチャ）が移動する様子を、磁気光学カー効果（極カー効果）による磁区観測装置を用いて調べた。図１１（ａ）は、磁性体膜１０５を上部電極層１０７と下部電極層１０４とで挟み、両電極を介し、磁性体膜１０５に対して電圧ＶＧを印加する状態を、模式的に示す図である。磁性体膜１０５の膜厚は３ｎｍ、上部電極層１０７と下部電極層１０４の膜厚は共に１．５ｎｍである。ここでは、磁性体膜１０５と上部電極層１０７との間にある酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層の図示を省略している。また、磁性体膜１０５と下部電極層１０４との間にもＳｉＯ２絶縁層（不図示）が挿入されている。絶縁層の膜厚は何れも１００ｎｍである。図１１（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ、印加する電圧ＶＧを１．０Ｖ、１．５Ｖ、２．０Ｖ、２．５Ｖとした場合の磁性体膜１０５の極カー効果画像において、磁壁近傍を拡大したものである。上部電極層の膜厚が１．５ｎｍと薄いため、光が上部電極層を透過し磁性体膜１０５の表面で反射することができる。磁性体膜１０５は、その厚み方向（上部電極１０７側）に磁化した黒色領域（磁区）と、厚み方向と直交する面内方向に磁化した白色領域（磁区）とで構成されており、二つの領域（磁区）の境界が磁壁に相当する。
図１１（ｂ）〜（ｅ）の画像同士の比較から、印加電圧を大きくするにつれて、磁性体膜１０５における磁壁の位置が、一端側（左側）から他端側（右側）に移動している様子を確認することができる。ここでは、約３０μｍの範囲での磁壁の移動を示しているが、印加電圧を増加させることにより、この範囲を大きく超えて移動させることもできる。これらの結果から、本発明のスピンテクスチャ制御方法は、磁壁を電場（電圧）で駆動させることができ、ジュール熱の発生を伴う電流で駆動させる場合に比べ、消費エネルギーを抑えることができる点において、極めて有効な方法であることが分かる。
１００、２００・・・スピンテクスチャ制御装置
１０１・・・基材
１０１ａ・・・基材の一面
１０２・・・積層体
１０２Ａ・・・第二磁性体部
１０２Ｂ・・・第一磁性体部
１０２ａ・・・積層体の一端
１０２ｂ・・・積層体の他端
１０３・・・電源
１０４・・・下部電極層
１０５・・・磁性体膜
１０５Ａ・・・磁性層
１０５Ｂ・・・遷移金属層
１０５ａ・・・磁性体膜の一端側
１０５ｂ・・・磁性体膜の中央
１０５ｃ・・・磁性体膜の他端側
１０６・・・絶縁層
１０７・・・上部電極層
１０８・・・レーザー光照射手段
１０・・・基材ホルダ
１０Ｃ・・・回転軸
２０・・・基材
３０、３１・・・ターゲット
Ｄ１・・・積層方向
Ｄ２・・・積層方向と直交する方向
ＥＦ・・・電場
Ｓ・・・スキルミオン
１０１・・・基材
１０１ａ・・・基材の一面
１０２・・・積層体
１０２Ａ・・・第二磁性体部
１０２Ｂ・・・第一磁性体部
１０２ａ・・・積層体の一端
１０２ｂ・・・積層体の他端
１０３・・・電源
１０４・・・下部電極層
１０５・・・磁性体膜
１０５Ａ・・・磁性層
１０５Ｂ・・・遷移金属層
１０５ａ・・・磁性体膜の一端側
１０５ｂ・・・磁性体膜の中央
１０５ｃ・・・磁性体膜の他端側
１０６・・・絶縁層
１０７・・・上部電極層
１０８・・・レーザー光照射手段
１０・・・基材ホルダ
１０Ｃ・・・回転軸
２０・・・基材
３０、３１・・・ターゲット
Ｄ１・・・積層方向
Ｄ２・・・積層方向と直交する方向
ＥＦ・・・電場
Ｓ・・・スキルミオン
Claims (8)
- 基材と、
前記基材の一面に、下部電極層、磁性体膜、絶縁層、上部電極層が順に積層されてなる積層体と、
前記下部電極層と前記上部電極層との間に電圧を印加する電源と、を備え、
前記磁性体膜が、膜面に垂直な方向に磁気異方性を有しており、前記磁気異方性が、前記積層体の積層方向に直交する方向において、連続的に単調に増加または減少している、ことを特徴とするスピンテクスチャ制御装置。 - 前記磁性体膜が、鉄とコバルトのうち少なくとも一方と、重希土類金属と、の合金からなることを特徴とする請求項１に記載のスピンテクスチャ制御装置。
- 前記積層体の積層方向において、前記磁性体膜が、磁性層と遷移金属層とが交互に積層されてなるサンドイッチ構造を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のスピンテクスチャ制御装置。
- 前記磁性体膜が、前記積層方向と直交する方向において、一端側に近づくにつれて薄くなっている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピンテクスチャ制御装置。
- 前記磁性体膜が、前記積層方向と直交する方向において、他端側に配置された板状の第一磁性体部と、
前記第一磁性体部の側面から突出し、前記一端側に向かって延在する少なくとも一つの第二磁性体部と、で構成されていることを特徴とする請求項４に記載のスピンテクスチャ制御装置。 - 前記磁性体膜が、前記積層方向と直交する方向において、前記一端側に近づくにつれて薄くなっており、前記積層方向からの平面視において、前記第二磁性体部の幅が１０ｎｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のスピンテクスチャ制御装置。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピンテクスチャ制御装置を用い、
前記下部電極層と前記上部電極層との間に印加する電圧を調整することにより、前記磁性体膜内でスピンテクスチャを制御することを特徴とする、スピンテクスチャ制御方法。 - 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピンテクスチャ制御装置において制御される、前記スピンテクスチャの状態に対応したデータを記憶することを特徴とするメモリ装置。
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