JP5397902B2 - スピン緩和変動方法、スピン流検出方法、及び、スピン緩和を利用したスピントロニクスデバイス - Google Patents
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Description
近年、このスピンの自由度を利用したスピントロニクスが次世代の情報技術の担い手として注目を集めている。
このジュール熱の発生は情報処理単位の高集積度化に伴い消費電力の増加として問題となるため、電子流に代えてスピン流による情報の伝達が検討されている。
即ち、伝導電子の運動は時間をマイナス方向に反転させれば逆向きになるが、スピン流は伝導電子の運動によるものではあるが、スピン自体の運動量と、スピン角運動量とを有しているため、時間をマイナス方向に反転させた場合に、運動量とスピン角運動量の双方が反転して相殺するため、全体としては反転せずに可逆過程となる。
即ち、量子コンピュータが機能するためには、その演算時間が系のデコヒーレンス時間、即ち、スピン緩和時間より短いことが前提となる。
即ち、スピン或いは磁気モーメントの運動は、磁場方向を回転軸とする歳差運動であり、磁気モーメントの基本方程式に減衰項を加えた下記に示すLandau−Lifshitz−Gilbert(LLG)方程式で表される。
d vM/dt=−γ vM×Heff +(α/Ma ) vM×(d vM/dt)
但し、Ma は磁化の大きさ、Heff は有効磁場、αはGilbertの緩和定数である。
なお、ここでは、明細書作成の都合上、ベクトル記号の表記に、「 vM」或いは「 vH」を用いる。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、スピン緩和変動方法であって、スピンの向きが特定の方向にある部材或いはスピンまたは磁気モーメントが特定の歳差運動状態にある部材1に前記スピンの方向或いは歳差運動の状態を変化させる方向にスピン流4を注入してスピン緩和時間を制御する。
それによって、スピン流4を情報伝達手段として用いた場合の信号検出機構を構築することができる。
なお、平均自由行程が平均原子間距離の2倍未満の場合には絶縁体に近づき、一方、平均自由行程が平均原子間距離の5倍を超えると多結晶に近づきスピン流変換効率が低下する。
スピン注入電極3を構成する金属−絶縁体転移が生ずる寸前の短平均自由行程領域の材料としては、結晶性が低い場合には微結晶材料も該当するが、典型的には非晶質材料となる。
Pt、Au、或いは、その他のf軌道を有する元素、或いは、Pd等のスピン軌道相互作用の大きな元素を用いることによって、スピンホール効果を大きくすることでき、それによって、純スピン流の注入効果を高めることができる。
なお、これらのスピン注入電極3としては、スピン軌道相互作用の大きなPt或いはPdで構成することが望ましい。
図2は、厚さが10nmのPt層上に厚さが10nmのNi81Fe19層を堆積させた試料に対して、所定の方向に100kHzで2mTの強度の変調磁場Hを印加した状態でPt層に電流Iを流した場合の強磁性共鳴FMRを測定し、そのピーク幅をプロットしたものであり、図2においては、電流方向が磁場方向と垂直な場合(θ=90°)を示しており、挿入図は電流方向が磁場方向と平行な場合(θ=0°)を示している。
図から明らかなように、FMR信号のピーク間線幅は、電流ととともに広くなっており、このピーク間線幅は磁化Mの歳差運動の緩和と対応するので、さらに詳細に検討する。 なお、ここでは、磁性体としては、実験を容易に行うために、結晶磁気異方性の現れない組成であるNi81Fe19を用いている。
図3は、電流の向きによるピーク間線幅の差の電流の絶対強度依存性の説明図であり、図に示すように、電流方向が磁場方向と平行な場合(θ=0°)には電流の向きによる差はほとんどなく、電流の方向に対して対称性を示している。
この非対称性は、一方の電流方向の場合にはスピンポンピング現象によってNi81Fe19層から流れ出すスピン流を打ち消すように、スピンホール効果によってPt層からNi81Fe19層にスピン流が注入され、他方の電流方向の場合にはスピンポンピング現象によってNi81Fe19層から流れ出すスピン流を大きくするように、スピンホール効果によってPt層からNi81Fe19層にスピン流が注入されたためと考えられる。
図4は、電流方向が磁場方向と平行な場合(θ=0°)の磁化Mとスピンの向きσの関係の説明図であり、スピン流js は電流jc に対して垂直になるとともに、スピンの向きσはスピン流js 及び電流jc に対して垂直になり、スピンの向きσは磁化Mと垂直になる。
磁化Mの方向は、平均として磁場Hの方向に向く。
図5は、電流方向が磁場方向と垂直な場合(θ=90°)の磁化Mとスピンの向きσの関係の説明図であり、この場合もスピン流js は電流jc に対して垂直になり、スピンの向きσはスピン流js 及び電流jc に対して垂直になる。
この時、FMR信号の変化は電流jc の向きに依存すると考えられ、上記の図3の電流方向が磁場方向と垂直な場合(θ=90°)の非対称性の結果と整合する。
そうすると、スピン注入電極における消費電力が問題となり、それが、高集積度化の妨げとなる。
図6は、本発明の実施の形態のスピンRAMのメモリセルを構成する磁気抵抗効果素子近傍の概略的斜視図であり、下部電極11上にフリー層13、MgO或いはAl−O等のトンネル絶縁膜14、ピンド層15、及び、反強磁性層16からなるTMR要素12を設け、反強磁性層16に接するようにビット線17を設け、一方、フリー層13に接するようにPt或いはAu等からなるスピン注入電極18を設け、このスピン注入電極18に対して接続配線19,20を設けたものである。
この場合、スピン注入電極18の長手方向がTMR要素12の長手方向と直交する方向に配置する。
図7は、純スピン流注入原理の説明図であり、このスピン注入電極18に対して電流Jc を流すと、電流Jc に垂直な向きに電荷の流れを伴わない純スピン流Js が発生してフリー層13に注入される。
この時、純スピン流Js におけるスピンの向きσs は電流Jc 及び純スピン流Js の双方に対して直交する向きとなり、フリー層13の磁化方向Mを変換するように作用する。
なお、平均原子間距離は密度で評価し、また、平均自由行程は残留抵抗で評価する。
また、このようなスピン注入電極18のスパッタ工程においては、Cu等が不純物として混入してスピン注入電極18における電子平均自由行程をさらに短くすることになる。
アモルファスAu:θSHE (α−Au)〜0.132
であった。
一方、多結晶Pt或いは多結晶Alのスピン流変換効率θSHE は、
多結晶Pt:θSHE (p−Pt)〜0.0037
多結晶Al:θSHE (p−Al)〜0.0001
であり、スピン注入電極をアモルファス化することによって、スピン流変換効率を大幅に向上することに成功した。
再び図3参照
W(Jc )はスピン注入電極18に電流Jc を流した場合のFMR(強磁性共鳴)信号のピーク間線幅であり、W(−Jc )はスピン注入電極18に先程と逆向き方向に電流Jc を流した場合のFMR(強磁性共鳴)信号のピーク間線幅である。
このΔαSHE は、γを磁気回転比、js SHをスピン流密度、ωをスピンの歳差運動の角振動数、Ms を飽和磁化、dF を強磁性体の膜厚とすると、
ΔαSHE =γjs SH/(ωMs dF ) ・・・(1)
で表される。
なお、スピン流密度js SHは、ηをスピン注入効率(変換されたスピン流が強磁性体に注入される効率)、hをプランク常数、eを電気素量、AN をスピン注入される部分の強磁性体の面積とすると、
js SH=ηθSHE 〔h/(2πe)〕×Jc /AN ・・・(2)
で表される。
なお、この場合のスピン流変換効率θSHE は、σSHE をスピン流のスピンホール伝導度、σc をイオン注入電極を流れる電子の電気伝導度とすると、
θSHE =σSHE /σc
で定義され、スピン注入電極18において電流がスピン流に変換される効率を表す。
このようなスピン流変換効率の高い材料としては、Pt,Au、その他のf軌道を有する元素、或いは、Pd等のスピン軌道相互作用の大きな元素が好適となる。
なお、逆スピンホール効果を利用して、磁性部材の両端に発生する電位差を検出することによってスピン流の注入の有無を検出するように構成しても良い。
図8参照
図8は、本発明の実施例1の改良型スピンRAMを構成するメモリセルの概念的断面図であり、構成自体は、従来のスピンRAMと全く同様である。
図に示すように、p型シリコン基板31を選択酸化することによって素子分離酸化膜32を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜33を介してワード線34となるWSiからなるゲート電極を形成する。ついで、このゲート電極をマスクとしてAs等のイオンを注入することによってn+ 型ドレイン領域35及びn+ 型ソース領域36を形成する。 なお、図8においては、概念的構成を示すものであるので、技術思想と直接の関連のないサイドウォールやエクステンション領域等の詳細な構成は説明を省略する。
次いで、再び、TEOS−NSG膜からなる厚い第2層間絶縁膜42を形成したのち、接続導体40に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをTi/TiNを介してWで埋め込むことによってWプラグ43を形成する。
次いで、全面に、TiN/Al/TiN構造の多層導電層を堆積させたのち、ワード線34となるゲート電極と直交する方向に延在するようにパターニングしてビット線51を形成することによって、本発明の実施例1の改良型スピンRAMの基本構造が完成する。
図9は、本発明の実施例1の改良型スピンRAMの書込方法の説明図であり、まず、情報を書き込む際に、第1の方向、例えばピンド層48側から書込電流を流すことによって“0”を書き込んだのち、フリー層46における磁気モーメントの歳差運動が収束する前に、フリー層46側から逆方向の弱い電流を流してスピン緩和を促進する。
図10参照
図10は、本発明の実施例2の磁界書込型MRAMを構成するメモリセルの概念的断面図であり、構成自体は、従来のMRAMにスピン注入電極を設けるものである。
図に示すように、上述の実施例1と同様に、p型シリコン基板31を選択酸化することによって素子分離酸化膜32を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜33を介してセンス線52となるWSiからなるゲート電極を形成する。次いで、このゲート電極をマスクとしてAs等のイオンを注入することによってn+ 型ドレイン領域35及びn+ 型ソース領域36を形成する。
次いで、再び、TEOS−NSG膜からなる厚い第2層間絶縁膜42を形成したのち、接続導体40に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをTi/TiNを介してWで埋め込むことによってWプラグ43を形成する。
次いで、再び、TEOS−NSG膜からなる厚い第3層間絶縁膜55を堆積したのち、接続導体53に達するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールをTi/TiNを介してWで埋め込むことによってWプラグ56を形成する。
この時、磁気記憶部64の形状の長手方向がスピン注入電極58の延在方向と垂直になるように形成する。
次いで、全面に、TiN/Al/TiN構造の多層導電層を堆積させたのち、センス線52となるゲート電極と直交する方向に延在するようにパターニングしてビット線51を形成することによって、本発明の実施例2の磁気書込型MRAMの基本構造が完成する。
この時、書込初期においてスピン注入電極58にスピン緩和を減少させる方向に微小電流を流すことによって、フリー層59にスピン流を注入して情報を書込を容易にする。一方、書込終期においては、フリー層60における磁気モーメントの歳差運動が収束する前に、スピン注入電極58に逆方向の弱い電流を流してスピン流を注入してスピン緩和を促進する。
図11参照
図11は、本発明の実施例3の磁界書込型MRAMを構成するメモリセルの概略的構成図であり、構成自体は、実施例1のMRAMに書込用ワード線を設けたものである。
なお、図11(a)は概略的断面図であり、図11(b)は配線の状況を示す概略的平面図である。
図に示すように、p型シリコン基板31を選択酸化することによって素子分離酸化膜32を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜331 ,332 を介してセンス線521 及び注入用配線522 となるWSiからなるゲート電極を形成し、このゲート電極をマスクとしてAs等のイオンを注入することによってn+ 型ドレイン領域351 ,352 及びn+ 型ソース領域361 ,362 を形成して一対のMOSFETを構成する。
この時、磁気記憶部72の形状の長手方向がスピン注入電極67の延在方向と垂直になるように形成する。
この時、書込初期においてスピン注入電極67にスピン緩和を減少させる方向に微小電流を流すことによって、フリー層68にスピン流を注入して情報を書込を容易にする。一方、書込終期においては、フリー層68における磁気モーメントの歳差運動が収束する前に、スピン注入電極67に逆方向の弱い電流を流してスピン流を注入してスピン緩和を促進する。
図12参照
図12は、本発明の実施例4の純スピン流書込型MRAMを構成するメモリセルの概念的断面図であり、構成自体は、従来のMRAMの書込用ワード線の代わりにスピン注入電極を設けたものである。
図に示すように、上述の実施例1と同様に、p型シリコン基板31を選択酸化することによって素子分離酸化膜32を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜33を介してワード線34となるWSiからなるゲート電極を形成する。次いで、このゲート電極をマスクとしてAs等のイオンを注入することによってn+ 型ドレイン領域35及びn+ 型ソース領域36を形成する。
この時、磁気記憶部64の形状の長手方向がスピン注入電極58の延在方向と垂直になるように形成する。
次いで、全面に、TiN/Al/TiN構造の多層導電層を堆積させたのち、ワード線34となるゲート電極と直交する方向に延在するようにパターニングしてビット線51を形成することによって、本発明の実施例4の純スピン書込型MRAMの基本構造が完成する。
図13参照
図13は、本発明の実施例5の純スピン流書込型MRAMを構成するメモリセルの概略的構成図であり、図13(a)は概略的断面図であり、図13(b)は、配線の状況を示す概略的平面図である。
図に示すように、p型シリコン基板31を選択酸化することによって素子分離酸化膜32を形成したのち、素子形成領域にゲート絶縁膜331 ,332 を介してワード線341 及び書込用配線342 となるWSiからなるゲート電極を形成する。このゲート電極をマスクとしてAs等のイオンを注入することによってn+ 型ドレイン領域351 ,352 及びn+ 型ソース領域361 ,362 を形成して一対のMOSFETを構成する。
なお、図13においては、概念的構成を示すものであるので、技術思想と直接の関連のないサイドウォールやエクステンション領域等の詳細な構成は説明を省略する。
この時、磁気記憶部72の形状の長手方向がスピン注入電極67の延在方向と垂直になるように形成する。
図14は、本発明の実施例5の純スピン流書込型MRAMの書込方法の説明図であり、この本発明の実施例5の純スピン流書込型MRAMに情報を書き込む場合には、書込初期においてスピン注入電極67に書込電流を流すことによって、フリー層68にスピン流を注入して情報の書込を行う。一方、書込終期においては、フリー層68における磁気モーメントの歳差運動が収束する前に、スピン注入電極67に書込電流と逆方向の弱い電流を流してスピン流を注入してスピン緩和を促進する。
図15参照
図15は、本発明の実施例6の量子演算装置の概念的構成図であり、上述の特許文献3の量子演算素子に接するようにスピン注入電極を設けたものである。
図に示すように、核スピンが零以外の値を有する原子、例えば、窒素(14N)やリン(31P)等の内包原子83を内包した複数個の内包フラーレン82を収容したカーボンナノチューブ81をPtからなるスピン注入電極84と接するようにように配置したものである。
図16参照
図16は、本発明の実施例7のスピン流検出部の概念的構成図であり、図16(a)が概念的斜視図であり、図16(b)はその概念的断面図であり、また、図16(c)はマイクロ波の印加状態の説明図である。
図に示すように、マイクロストリップ線92上に絶縁膜93を介してNiFe等の磁性材料からなるスピン流検出部94を設けるとともに、スピン流検出部94の長手方向と垂直方向に延在する例えば、Al或いはCuからなるスピン流信号線96を設けたものである。
この時、マイクロストリップ線92にスピン流検出部94の固有共鳴周波数の近傍のマイクロ波100、即ち、マイクロ波帯の高周波電流を流すことによって、高周波電流によって発生するマイクロ波帯で振動する磁界101がスピン流検出部94に印加されて、スピン流検出部94における磁気モーメント97が強磁性共鳴を起こして歳差運動することになる。
なお、図における符号99は、スピンの向きである。
例えば、上記の各実施例においては、スピン注入電極としてPtを用いているが、Ptに限られるものではなく、どの様な導電体を用いても良いが、効率の点からは、PtやAuと同様にf軌道を有する元素が望ましいが、スピン軌道相互作用の大きなPdを用いても良い。
但し、PdPtMnを用いる場合には、下地にNiFe等の配向制御膜が必要になるので、フリー層とピンド層の上下関係は逆転することなる。
Claims (13)
- スピンの向きが特定の方向にある部材或いはスピンまたは磁気モーメントが特定の歳差運動状態にある部材に前記スピンの方向或いは歳差運動の状態を変化させる方向にスピン流を注入してスピン緩和時間を制御するスピン緩和変動方法。
- 上記スピン流を、フリー層の磁化方向を電流注入、スピン注入、或いは、外部磁場のいずれかによって制御する磁気抵抗効果型ランダム・アクセス・メモリを構成するフリー層に注入することによって、スピン緩和時間を制御する請求項1記載のスピン緩和変動方法。
- 上記スピン流を、固体量子コンピュータを構成する量子ビットに注入することによって、スピン緩和時間を制御する請求項1記載のスピン緩和変動方法。
- 磁気モーメントが歳差運動している磁性部材にスピン流を注入してスピン緩和時間を変化させるスピン緩和変動方法を利用し、前記磁性部材に部材固有の強磁性共鳴周波数近傍のマイクロ波を印加して前記スピン緩和の変化を検出することによって前記スピン流を検出するスピン流検出方法。
- 前記マイクロ波の印加を、上記磁性部材の磁化方向に平行な方向に延在するマイクロストリップ線にマイクロ波帯の電流を流すことによって行う請求項4記載のスピン流検出方法。
- フリー層の磁化方向を外部磁場で制御する磁気抵抗効果型ランダム・アクセス・メモリを構成するフリー層に接するようにスピン注入電極を設けた請求項1に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- フリー層の磁化方向をスピン注入で制御する磁気抵抗効果型ランダム・アクセス・メモリを構成するフリー層に接するようにスピン注入電極を設けた請求項1に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- 上記フリー層に純スピン流を注入するスピン注入電極を、金属−絶縁体転移が生ずる寸前の短平均自由行程領域の材料で構成する請求項6または7に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- フリー層に純スピン流を注入するスピン注入電極を非晶質層で構成する請求項6または7に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- 上記スピン注入電極が、Pt、Au、Pd、或いは、f軌道を有する元素のいずれかからなる請求項8記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- 磁気抵抗効果型ランダム・アクセス・メモリを構成するフリー層の近傍に、前記フリー層の長手方向に平行な方向に延在するマイクロストリップ線を設けた請求項1に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- 固体量子コンピュータを構成する量子ビットに接するようにスピン注入電極を設けた請求項1に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
- 情報をスピン流として伝送するスピン流伝送配線の一部に接するように、前記スピン流伝送配線の延在方向と直交方向が長手方向となる磁性体からなるスピン流検出部を設けるとともに、前記スピン流検出部の長手方向に延在するマイクロストリップ線を設けた請求項1に記載のスピン緩和現象を利用したスピントロニクスデバイス。
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