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Specification :(In Japanese)スピントロニクスデバイス

Country (In Japanese)日本国特許庁(JP)
Gazette (In Japanese)特許公報(B2)
Patent Number P6143051
Publication number P2014-086448A
Date of registration May 19, 2017
Date of issue Jun 7, 2017
Date of publication of application May 12, 2014
Title of the invention, or title of the device (In Japanese)スピントロニクスデバイス
IPC (International Patent Classification) H01L  29/82        (2006.01)
H01L  21/8246      (2006.01)
H01L  27/105       (2006.01)
H01L  37/00        (2006.01)
H01L  51/05        (2006.01)
H01L  51/30        (2006.01)
FI (File Index) H01L 29/82 Z
H01L 27/10 447
H01L 37/00
H01L 29/28 100A
H01L 29/28 250G
H01L 29/28 220B
H01L 29/28 220D
Number of claims or invention 8
Total pages 21
Application Number P2012-231849
Date of filing Oct 19, 2012
Date of request for substantive examination Oct 13, 2015
Patentee, or owner of utility model right (In Japanese)【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
Inventor, or creator of device (In Japanese)【氏名】安藤 和也
【氏名】齊藤 英治
Representative (In Japanese)【識別番号】100105337、【弁理士】、【氏名又は名称】眞鍋 潔
【識別番号】100072833、【弁理士】、【氏名又は名称】柏谷 昭司
Examiner (In Japanese)【審査官】加藤 俊哉
Document or reference (In Japanese)国際公開第2013/047255(WO,A1)
特開2009-295824(JP,A)
特開2003-092412(JP,A)
国際公開第2011/118374(WO,A1)
Field of search H01L 29/82
H01L 21/8246
H01L 27/105
H01L 37/00
H01L 51/05
H01L 51/30
Scope of claims (In Japanese)【請求項1】
エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生するスピン流発生部材層と、
前記スピン流発生部材層に接合し、スピン流を電流に変換する或いは電流をスピン流に変換するスピン流-電流相互変換部材層と、
前記スピン流-電流相互変換部材層に設けられ、前記電流の流れる方向の上流側と下流側に設けられた一対の電極と
を有し、
前記スピン流-電流相互変換部材層が、スピン流の流入方向の電気伝導度が他の方向の電気伝導度より低い異方導電性を有し、
前記異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材層が、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、層状遷移金属酸化物、或いは、3次元トポロジカル絶縁体のいずれかからなるスピントロニクスデバイス。
【請求項2】
前記スピン流発生部材層が磁性体層であり、
前記スピン流-電流相互変換部材層が、逆スピンホール効果部材層である請求項1に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項3】
前記供給されるエネルギーが、熱、マイクロ波、光或いは音波のいずれかである請求項2に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項4】
前記逆スピンホール効果部材層を、絶縁性基板上に設けるとともに、前記逆スピンホール効果部材層の上に前記磁性層を設けた請求項3に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項5】
前記磁性層を、絶縁性基板上に設けるとともに、前記磁性層の上に前記逆スピンホール効果部材層を設けた請求項3に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項6】
前記スピン流発生部材層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体層であり、
前記スピン流-電流相互変換部材層が、逆スピンホール効果部材層であり、
前記供給されるエネルギーが円偏光光である請求項1に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項7】
前記スピン流発生部材層が磁性体層であり、
前記スピン流-電流相互変換部材層が、スピンホール効果部材層であり、
前記供給されるエネルギーが注入電流である請求項1に記載のスピントロニクスデバイス。
【請求項8】
前記導電性ポリマーが、PEDOTとPSSとを混合したポリマーであるPEDOT:PSSまたはPBTTTとF4-TCNQとを混合したポリマーであるPBTTT:F4-TCNQである請求項1に記載のスピントロニクスデバイス。
Detailed description of the invention (In Japanese)【技術分野】
【0001】
本発明は、スピントロニクスデバイスに関するものであり、例えば、逆スピンホール効果部材として異方導電性を有する部材を用いてスピン流-電流変換効率を高めたスピントロニクスデバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
現在の半導体装置等のエレクトロニクス分野においては、電子の有する電荷の自由度を利用しているが、電子は電荷以外にスピンという自由度を有している。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。
【0003】
このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指しているが、スピントロニクス機能の多くはスピン流によって駆動される。
【0004】
スピン流はエネルギーの散逸が少ないため、効率の良いエネルギー伝達に利用できる可能性が期待されており、スピン流の生成方法や検出方法の確立が急務になっている。スピン流の生成方法としては、スピンポンピングによるスピン流が提案されており(例えば、非特許文献1参照)、スピン流の検出方法についても、本発明者等により逆スピンホール効果(ISHE)によるスピン流を電流に変換して電圧として取り出すことが提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
【0005】
このような逆スピンホール効果を得るために用いる逆スピンホール効果部材としては、Pt、Au、Pd、Ag、Bi、f軌道或いは3d軌道を有する遷移金属を有する元素、若しくはそれらの合金のいずれかを有する元素、或いは、前記各材料とCu、Al、或いは、Siの合金が用いられており、なかでも、逆スピンホール効果の生成効率の高いPt或いはBiドープCuが有望視されている。なお、逆スピンホール効果部材に外部磁場を印加すると外部磁場と直交する方向に逆スピンホール電圧EISHEが発生する。
【0006】
このようなスピンホール効果或いは逆スピンホール効果における電子の運動は、下記の式(1)で表わされるボルツマン方程式で記述される。
【数1】
JP0006143051B2_000002t.gif
ここで、vkは電子速度であり、fは電子の分布関数であり、eは素電荷、Eは外部電場であり、hはプランク常数であり、hスラッシュはh/2πを表し、右辺は、不純物による電子の散乱項である。ここで、kを電子の運動量とし、mを電子の質量とすると、
Vk=(h/2π)k/mで表わされる。
【0007】
式(1)における右辺の不純物による散乱項は、下記の式(2)で記述される。
【数2】
JP0006143051B2_000003t.gif
なお、式(2)における左項は、k′σ′の運動量・スピン状態からkσの運動量・スピン状態への散乱項であり、右項はkσの運動量・スピン状態からk′σ′の運動量・スピン状態への散乱項である。
【0008】
また、式(2)における右項の分布関数に掛る係数は、下記の式(3)で表わされ、kσの運動量・スピン状態(|kσ>)からk′σ′の運動量・スピン状態(|k′σ′>)への散乱確率を表す。
【数3】
JP0006143051B2_000004t.gif
また、式中のnimpは不純物濃度、T(山記号付き)は散乱マトリクスである。なお、左項の分布関数に掛る係数も、「′」の位置を変えて表わされる。
【0009】
このボルツマン方程式を解くことによって、分布fは下記の式(4)で記述される。
【数4】
JP0006143051B2_000005t.gif
なお、式(4)におけるσは電気伝導度を表し、τtrは不純物に起因する散乱時間を表し、μ(r)は電気化学ポテンシャルを表し、αHはスピン流-電流変換係数を表し、σσσはスピンの向きを表すパウリマトリクスである。
【0010】
また、αHは下記の式(5)で表わされる。
【数5】
JP0006143051B2_000006t.gif
式(5)におけるηSOバーは無次元のスピン-軌道結合パラメータを表し、N(0)はフェルミ準位における電子の状態密度を表し、Vimpは不純物ポテンシャルの強度を表す。また、電気化学ポテンシャルμは下記の式(6)で表わされる。
【数6】
JP0006143051B2_000007t.gif
なお、μに付けられた矢印はアップスピン或いはダウンスピンを意味する。また、εFはフェルミエネルギーであり、φは電気ポテンシャルであり、φ=-▽Eである。
【0011】
ここで、x方向のスピン流密度jsxは下記の式(7)で表わされ、式(7)におけるσx(一般式σi)は下記の式(8)で表わされる。
【数7】
JP0006143051B2_000008t.gif
【数8】
JP0006143051B2_000009t.gif

【0012】
また、スピン流から変換される電流密度jcは、下記の式(9)で表わされ、x方向のスピン流に伴うy方向に流れる電流jcyは下記の式(10)で表わされ、最終的には、
jcy=αH・jsx
となり、逆スピンホール効果による電流密度jcyはスピン流-電流変換係数αHに規定されることになる。
【数9】
JP0006143051B2_000010t.gif
【数10】
JP0006143051B2_000011t.gif

【0013】
したがって、逆スピンホール効果によって多くの電流を取り出すためには、大きなスピン流-電流変換係数αHを有する物質を逆スピンホール効果部材として用いることが重要になる。
【先行技術文献】
【0014】

【非特許文献1】Phys.Rev.,B19,p.4382,1979
【非特許文献2】Applied Physics Letters Vol.88,p.182509,2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
上述のように、逆スピンホール効果による電流jcyはスピン流-電流変換係数αHに規定されることになるため、逆スピンホール効果によって多くの電流を取り出すためには、大きなスピン流-電流変換係数αHを有する物質を逆スピンホール効果部材として用いる必要がある。
【0016】
しかし、従来、逆スピンホール効果部材として用いられている材料のスピン流-電流変換係数αHは、大きくてもPtの10パーセント程度であり、BiドープCuを用いても25%程度が期待できるだけであり、スピン流-電流変換係数の増大には限界がある。
【0017】
したがって、本発明は、スピン流-電流変換効率をさらに高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
上記課題を解決するために、本発明は、スピントロニクスデバイスであって、エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生するスピン流発生部材層と、前記スピン流発生部材層に接合し、スピン流を電流に変換する或いは電流をスピン流に変換するスピン流-電流相互変換部材層と、前記スピン流-電流相互変換部材層に設けられ、前記電流の流れる方向の上流側と下流側に設けられた一対の電極とを有し、前記スピン流-電流相互変換部材層が、スピン流の流入方向の電気伝導度が他の方向の電気伝導度より低い異方導電性を有し、前記異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材層が、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、層状遷移金属酸化物、或いは、3次元トポロジカル絶縁体のいずれかからなる
【0019】
本発明者は、各種の導電性材料のスピン流-電流変換効率に相当するスピンホール角θSHEを実験により確認した結果、通常の導電体では、θSHEHであるが、異方導電性を有する導電性材料の場合には、スピン流の流入方向の電気伝導率をσx、それと直交する方向の電気伝導率をσyとすると、スピンホール角θSHE
θSHE=(σy/σx)×αH
で表わされることを発見した。因みに、異方導電性がない材料の場合にはσy=σxとなる。
【0020】
したがって、σy>σxなる異方導電性を有する材料を逆スピンホール効果部材として用いることによって、従来のαHで規定される10%程度のスピン流-電流変換効率(スピンホール角θSHE)を100%以上にすることが可能であることを新規に見出した。また、このことは、電流をスピン流に変換するスピンホール効果においても、電流からスピン流への変換効率を高めることができることを意味する。
【0021】
このような異方導電性を有する逆スピンホール効果部材等のスピン流-電流相互変換部材としては、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、金属積層膜、層状遷移金属酸化物、或いは、3次元トポロジカル絶縁体のいずれかを用いれば良い。
【0022】
特に、導電性ポリマーとしては、PEDOT〔poly(3,4-ethylenedioxythiophene)〕とPSS〔poly(4-styrenesufonate)〕とを混合したポリマーであるPEDOT:PSS、或いは、PBTTT〔poly(2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene〕とF4-TCNQ〔2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane〕とを混合したポリマーであるPBTTT:F4-TCNQが挙げられる。
【0023】
異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材層を逆スピンホール効果部材層とした場合、逆スピンホール効果部材層を絶縁性基板上に設けるとともに、逆スピンホール効果部材層の上に磁性層を設けても良い。或いは、磁性層を、絶縁性基板上に設けるとともに、磁性層の上に異方導電性を有する逆スピンホール効果部材層を設けても良い。
【発明の効果】
【0024】
開示のスピントロニクスデバイスによれば、従来は逆スピンホール効果部材等のスピン流-電流相互変換部材の有するスピン流-電流変換係数αHで規定されていたスピン流-電流変換効率をαH以上にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスの構成説明図である。
【図2】本発明の実施例1のスピン流-電流変換素子の製造工程の説明図である。
【図3】PEDOTとPSSの分子構造図である。
【図4】本発明の実施例1のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図である。
【図5】磁場をH方向に印加した場合の特性図である。
【図6】磁場を-H方向に印加した場合の特性図である。
【図7】マイクロ波の吸収スペクトル及び出力電圧Vの磁場強度依存性の説明図である。
【図8】他の諸特性の説明図である。
【図9】本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の製造工程の途中までの説明図である。
【図10】本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の製造工程の図9以降の説明図である。
【図11】本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図である。
【図12】本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子のマイクロ波吸収特性及び出力電圧の説明図である。
【図13】本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の共鳴磁場強度HFMRのマイクロ波周波数依存性及び出力電圧のマイクロ波周波数依存性の説明図である。
【図14】本発明の実施例3のスピン流-電流変換素子の概略的斜図である。
【図15】PBTTTとF4-TCNQの分子構造図である。
【図16】本発明の実施例3のスピン流-電流変換素子の出力特性の説明図である。
【図17】本発明の実施例4のスピン流-電流変換素子の説明図である。
【図18】本発明の実施例5のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図である。
【図19】本発明の実施例6のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図である。
【図20】本発明の実施例7のスピンRAMの説明図である。

【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
ここで、図1を参照して、本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスを説明する。図1は、本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスの構成説明図であり、図1(a)は、本発明の実施の形態のスピントロニクスデバイスの概念的斜視図であり、図1(b)はスピン流及び電流の状態を示す図である。
【0027】
図1(a)に示すように、絶縁性基板1上に異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材層2を設け、その上に、エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生するスピン流発生部材層3を形成するとともに、スピン流-電流相互変換部材層2の両端に一対の電極41,42を形成する。なお、試験測定に際しては、一対の電極41,42に引出電極51,52を介して電圧計6に接続する。
【0028】
このスピントロニクスデバイスをスピン流-電流変換素子として説明すると、上記の一対の電極と直交する方向に磁場を印加した状態でマイクロ波を照射してスピンポンピングを行うことにより、スピン流発生部材層3である磁性層に誘起されたスピン流jsがx方向に流れ、スピン流-電流相互変換部材層2である逆スピンホール効果部材層との界面近傍においてスピン-軌道相互作用によってy方向の電流jcに変換されて一対の電極41,42の間に起電力EISHEが出力される。
【0029】
本願発明者は、大きなスピン流-電流変換効率を実現する過程で、スピン-軌道相互作用がほとんどなく、したがって、スピンホール角θSHEが0に近いと予測される有機導電体についても、逆スピンホール効果の検証を行った。その結果、強いスピン-軌道相互作用を有しているGaAsのスピンホール角θSHEが0.1%程度であるのに対して、0.042%以上という予想外の大きな値が得られた。
【0030】
この測定結果について、鋭意検討を行った結果、スピンホール角θSHEはαHとイコールではなく、逆スピンホール効果部材の有する異方導電性により、スピン流の流れる方向の電気伝導度をσxとし、電流の流れる方向の電気伝導度をσyとすると、
θSHE=(σy/σx)×αH
で表わされるとの結論に至った。したがって、σy/σxの値の大きな異方導電性を有する材料を用いることにより100%以上の変換効率も可能になることを見出した。
【0031】
なお、この場合の絶縁性基板1としては、表面が絶縁性であれば何でも良いが、ガラス基板、表面にSiO2膜を設けたシリコン基板或いはサファイア基板等が挙げられ、スピン流発生部材層3を単結晶にする場合には、GGG(Gd3Ga5O12)等の単結晶基板を用いる。
【0032】
スピン流発生部材層3を磁性体層とする場合には、原理的には、Ni80Fe20等の金属磁性体でも、磁性半導体でも、或いは、磁性誘電体でも良い。磁性誘電体としては、FeやCoを含むものであれば何でも良いが、ガーネットフェライト、スピネルフェライト、或いは、六方晶フェライト、特に、実用的には、入手が容易で且つスピン角運動量の散逸の小さいYIG(イットリウム鉄ガーネット)やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとY3Fe5-xGaxO12(但し、0≦x<5)からなるガーネットフェライト、或いは、YIGのYサイトをBi等の原子で置換したガーネットフェライト、例えば、BixY3-xFe5O12等を用いることが望ましい。
【0033】
また、磁性体層として、Y3Fe5-xGaxO12(但し、0≦x<5)等の磁性誘電体を用いる場合には、スパッタ法、MOD法(Metal-organic decomposition Method:有機金属塗布熱分解法)、ゾル-ゲル法、液相エピタキシー法、フローティングゾーン法、或いは、エアロゾルデポジッション法のいずれを用いても良い。また、磁性誘電体の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。
【0034】
MOD法を用いる場合には、例えば、GGG(Gd3Ga5O12)単結晶基板上に、例えば、Y3Fe4GaO12組成のMOD溶液をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、まず、500rpmで5秒間回転させたのち、3000~4000rpmで30秒間回転させてMOD溶液を焼成後の膜厚が100nmになるように均一に塗布する。なお、MOD溶液としては、例えば、(株)高純度化学研究所製のMOD溶液を用いる。
【0035】
次いで、例えば、150℃に加熱したホットプレート上で5分間乾燥させて、MOD溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させ、次いで、電気炉中において、例えば、550℃で5分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。
【0036】
次いで、電気炉中において、750℃で1~2時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてYIG層とする。最後に、YIG層を所定のサイズに切り出せば良い。
【0037】
また、エアロゾルデポジション法を用いる場合には、例えば、平均粒径が1μmのFe2O3、NiO,ZnOそれぞれ、50mol%、27mol%、23mol%のエアロゾル用粉体を用い、例えば、開口が0.4mm×10mmのノズルを用いてキャリガスとなるArガスを1000sccm流して基板上に噴射させて堆積させれば良い。
【0038】
また、スピン流発生部材は、磁性体に限られるものではなく、エネルギーの供給により純スピン流或いはスピン波スピン流を発生する部材であれば何でも良く、例えば、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体、例えば、GaAs等を用いても良い。閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体は、半導体の有する基礎吸収端よりエネルギーが少し大きな円偏光した光で励起されると、価電子帯から伝導帯にスピン偏極電子が励起されてスピン流が発生する。
【0039】
また、このような異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材をスピンホール効果部材として用いた場合には、発生するスピン流を増大することができ、例えば、磁化スイッチングによる磁気メモリの性能を高めることができる。
【0040】
また、異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材としては、導電性ポリマー、有機自己組織化膜、有機電荷移動錯体伝導体、層状遷移金属酸化物、或いは、3次元トポロジカル絶縁体のいずれかを用いれば良い。
【0041】
導電性ポリマーとしては、π共役系ポリマーが好ましい。電子(ホール)がπ軌道を経由して移動するため、π軌道の方向に起因した電気伝導の異方性を有するからである。π共役系ポリマーとしては、ポリアセチレン等の脂肪族共役系ポリマー、ポリパラフェニレン等の芳香族共役系ポリマー、ポリパラフェニレンビニレン等の混合型共役系ポリマー、ポリチオフィン、ポリピロール、PEDOT〔poly(3,4-ethylenedioxythiophene)〕等の複素環共役系ポリマー、グラフェン等の二次元共役系ポリマーが挙げられる。ポリスチレンスルホン酸(PSS:poly(4-styrenesufonate))を高分子ドーパントにして水や有機溶剤に分散したPEDOT:PSSは、スピンコートという簡便な方法で導電性薄膜を製膜できるため好ましい。PSSに代えてPVS(ポリビニルスルホン酸)を用いても良い。或いは、PBTTT〔poly(2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene〕とF4-TCNQ〔2,3,5,6-tetrafluoro--7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane〕が挙げられる。
【0042】
また、層状遷移金属酸化物としてはLa2-xSrxCuO4等が挙げられる。なお、3次元トポロジカル絶縁体は、名称は絶縁体であるが内部が絶縁性であるだけで、表面は伝導体になっている。
【0043】
また、素子の積層構造としては、図1(a)に示した構造に限られるものではなく、絶縁性基板1上にスピン流発生部材層3を形成し、その上に異方導電性を有するスピン流-電流相互変換部材層2を形成しても良い。
【0044】
本発明の実施の形態においては、スピン流-電流相互変換部材として異方導電性を有する部材を用いているので、スピンホール角θSHEは(σy/σx)×αHとなり、注入されたスピン流を100%以上の変換効率で電流に変換することができる。また、スピン流-電流相互変換部材層2からスピン流発生部材層3に電流を注入した場合には、注入された電流を100%以上の変換効率でスピン流に変換することができる。
【実施例1】
【0045】
ここで、図2乃至図8を参照して、本発明の実施例1のスピン流-電流変換素子を説明する。図2は、本発明の実施例1のスピン流-電流変換素子の製造工程の説明図であり、まず、図2(a)に示すように、ガラス基板11上にPEDOT〔poly(3,4-ethylenedioxythiophene)〕とPSS〔poly(4-styrenesufonate)〕とを混合した液を滴化し、スピンコート法によりPEDOT:PSS被膜12を形成する。
【0046】
次いで、図2(b)に示すように、電子ビーム蒸着法を用いてPEDOT:PSS被膜12上に2.0mm×2.5mmのサイズのNi80Fe20膜13を堆積する。なお、電子ビーム蒸着法の代わりにスパッタリング法を用いても良い。次いで、図2(c)に示すように、マスク蒸着法を用いて、Ni80Fe20膜13の端部から500μm離れた位置に2.0mm×0.5mmの細部で一対のAu電極141,142を形成することによって、スピン流-電流変換素子の基本構造が完成する。
【0047】
図3は、PEDOTとPSSの分子構造図であり、図3(a)はPEDOTの分子構造図であり、図3(b)はPSSの分子構造図である。このPEDOT:PSS被膜12は、スピンコートした面内方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度より非常に大きくなる。
【0048】
図4は、本発明の実施例1のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図であり、一対のAu電極141,142を結ぶ線と直交する方向に磁場Hを印加した状態でマイクロ波を照射する。
【0049】
図5は、磁場をH方向に印加した場合の特性図であり、図5(a)は出力電圧Vの磁場強度依存性の説明図であり、共鳴磁場HFMRが136mT近傍にあり、この、共鳴磁場HFMRの近傍で大きな出力電圧が観測された。図5(b)は出力電圧のマイクロ波電力依存性の説明図であり、出力電圧はマイクロ波電力の増大と共にリニアに増大する。PEDOT:PSSは、σy/σx>105であることは知られており、スピン-軌道相互作用が極めて小さいにもかかわらず、このような出力電圧が得られた理由は非常大きな異方導電性にあると考えられる。
【0050】
図6は、磁場を-H方向に印加した場合の特性図であり、図6(a)は出力電圧Vの磁場強度依存性の説明図であり、図6(b)は出力電圧のマイクロ波電力依存性の説明図であり、出力電圧はマイクロ波電力の増大と共にリニアに増大する。この場合、図4の特性と出力電圧の正負が反対になった特性が得られた。
【0051】
図7は、図5及び図6の結果をまとめたものであり、図7(a)はマイクロ波の吸収スペクトルであり、136mTの近傍に吸収ピークが見られ、この位置が共鳴磁場HFMRとなる。図7(b)は、出力電圧Vの磁場強度依存性の説明図であり、ここでは、Ni80Fe20膜13とPEDOT:PSS被膜12との間にSiO2膜を介在させた試料の測定結果も併せて示している。SiO2膜を介在させた試料においては、SiO2が絶縁膜であることからNi80Fe20膜13からPEDOT:PSS被膜12にスピン流が注入されないので、出力電圧は0になる。
【0052】
図8は、他の諸特性の説明図である。図8(a)は、測定開始から15秒後に100mWのマイクロ波を照射した場合の出力電圧の説明図であり、マイクロ波を照射すると5μV程度の出力電圧ΔV=V100mW-V0mW)が得られた。
【0053】
図8(b)は出力電圧のスイープレート依存性の説明図であり、スイープレートを1mT/s,3mT/s,5mT/sの3つのレートでマイクロ波を照射しても出力電圧に変化は見られなかった。この結果は、マイクロ波を吸収すると素子温度が上昇するが、出力電圧に変化がないということは、出力電圧に温度は寄与していないことを意味する。なお、スイープレート1mT/sは、1秒間に1mT〔ミリテスラ〕変化させる磁場スイープを表す。
【0054】
図8(c)は、出力電圧のPEDOT:PSS膜厚依存性の説明図であり、PEDOT:PSSの膜厚が50nmを超えると出力電圧が低下することが実験的にも確認された。これは、スピン-軌道相互作用によるスピン流-電流変換が、Ni80Fe20膜13とPEDOT:PSS被膜12との界面近傍で生じていることを意味する。
【0055】
このように、本発明の実施例1においては、逆スピン-ホール効果部材として異方導電性の大きなPEDOT:PSSを用いているので、スピン-軌道相互作用が非常に小さいにもかかわらず、大きな出力電圧EISHEが得られた。
【実施例2】
【0056】
次に、図9乃至図13を参照して、本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子を説明する。図9及び図10は、本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の製造工程の説明図であり、まず、図9(a)に示すように、GGG(Gd3Ga5O12)単結晶基板21上に、Y3Fe5O12組成のMOD溶液をスピンコート法で塗布する。この場合のスピンコート条件としては、5000rpmで60秒間回転させてMOD溶液22を焼成後の膜厚が200nmになるように均一に塗布する。
【0057】
次いで、図9(b)に示すように、例えば、50℃に加熱したホットプレート上で5分間乾燥させて、MOD溶液22に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させ、次いで、電気炉中において、例えば、480℃で60分間加熱する仮焼成によって酸化物層23とする。
【0058】
次いで、図9(c)に示すように、電気炉中において、725℃で10時間加熱する本焼成において酸化物層23の結晶化を進めてYIG層24とする。次いで、図10(d)に示すように、YIG層24を2mm×2mmのサイズにGGG単結晶基板21ごと切り出す。
【0059】
次いで、図10(e)に示すように、YIG層24の表面にPEDOTとPSSとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが50nmのPEDOT:PSS被膜25を形成する。最後に、図10(f)に示すように、PEDOT:PSS被膜25の両端に一対のAu電極261,262を形成する。
【0060】
図11は、本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図であり、一対のAu電極261,262を結ぶ線と直交する方向に磁場Hを印加した状態でのマイクロ波を照射する。
【0061】
図12は、本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子のマイクロ波吸収特性及び出力電圧の説明図であり、図12(a)に示すように、この実施例2においても実施例1と同様のマイクロ波吸収特性が得られた。また、図12(b)に示すように、6.5GHzのマイクロ波を照射した場合、実施例1と同様の出力特性が得られた。
【0062】
図13は、本発明の実施例2のスピン流-電流変換素子の共鳴磁場強度HFMRのマイクロ波周波数依存性及び出力電圧のマイクロ波周波数依存性の説明図である。図13(a)に示すように、共鳴磁場強度HFMRはマイクロ波周波数の増大と共に増大する。また、図13(b)に示すように、出力電圧はマイクロ波周波数の増大と共に若干低下する。
【0063】
本発明の実施例2においては磁性体として、磁性誘電体を用いているが、金属磁性体を用いた場合と同様に、逆スピンホール効果部材の有する大きな異方導電性によりスピン-軌道相互作用の強さからは予測し得ない程度の大きさの出力電圧が得られた。
【実施例3】
【0064】
次に、図14乃至図16を参照して、本発明の実施例3のスピン流-電流変換素子を説明する。図14は、本発明の実施例3のスピン流-電流変換素子の概略的斜図であり、ガラス基板31上にNi80Fe20膜32を形成し、その上に、逆スピンホール効果部材層となるPBTTTとF4-TCNQとを混合した溶液を滴化して、スピンコート法により厚さが50nmのPBTTT:F4-TCNQ膜33を形成する。
【0065】
次いで、PBTTT:F4-TCNQ膜33の両端に一対のAu電極341,342を形成し、一対のAu電極341,342を結ぶ線と直交する方向に磁場Hを印加した状態でのマイクロ波を照射する。
【0066】
図15は、PBTTTとF4-TCNQの分子構造図であり、図15(a)はPBTTTの分子構造図であり、図15(b)はF4-TCNQの分子構造図である。このPBTTT:F4-TCNQ膜33も、スピンコートした面内方向の電気伝導度が膜厚方向の電気伝導度より非常に大きくなる。
【0067】
図16は、本発明の実施例3のスピン流-電流変換素子の出力特性の説明図であり、この場合も理論計算結果とほぼ一致する出力電圧特性が得られた。
【0068】
本発明の実施例3においては、導電性ポリマーとして、PBTTTとF4-TCNQを用いているが、実施例1に示したPEDOT:PSSと同様の出力電圧特性が得られた。このことは、逆スピンホール効果によるスピン流-電流変換効率の増大は、限られた特定の材料によるものではなく、異方導電性を有する部材であれば、同様な結果が得られることを意味する。
【実施例4】
【0069】
次に、図17を参照して、本発明の実施例4のスピン流-電流変換素子を説明する。図17は、本発明の実施例4のスピン流-電流変換素子を説明図であり、図17(a)は本発明の実施例4のスピン流-電流変換素子の概念的斜視図であり、図17(b)は電流とスピン流の関係を示す斜視図である。
【0070】
図17(a)に示すように、4.7×1018cm-3のSiをドープしたn型GaAs層41の上に、PEDOTとPSSとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが50nmのPEDOT:PSS被膜42を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて、2.0mm×0.5mmの細部で一対のAu電極431,432を形成することによって、スピン流-電流変換素子の基本構造が完成する。
【0071】
このスピン流-電流変換素子に波長λがλ=670nm(hν=1.85eV)で10mWの円偏光光44を照射すると、GaAs層41においてスピン流が発生する。即ち、GaAsの有する基礎吸収端よりエネルギーが少し大きな円偏光光44で励起しているので、価電子帯から伝導帯にスピン偏極電子が励起されてスピン流が発生する。なお、この場合、円偏光光44は、一対のAu電極431,432を結ぶ方向と交差する方向に照射する必要があり、典型的には直交する方向に照射する。
【0072】
図17(b)に示すように、発生したスピン流JsはPEDOT:PSS被膜42に流入する際に、界面においてスピン-軌道相互作用によって電流に変換され、一対のAu電極431,432の間に起電力EISHEが出力される。この時、PEDOT:PSS被膜42はスピン流Jsの流入方向の導電性が低い異方導電性を有しているので、変換効率が高くなる。
【0073】
この実施例4のスピン流-電流変換素子は、円偏光光の高感度な検出素子として使用することが期待できるともに、環境中の光における円偏光成分を電力変換することも可能になる。
【実施例5】
【0074】
次に、図18を参照して、本発明の実施例5のスピン流-電流変換素子を説明する。図18は、本発明の実施例5のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図であり、GGG単結晶基板51上に、YIG層52を形成する。その上に、PEDOTとPSSとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが50nmのPEDOT:PSS被膜53を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて、2.0mm×0.5mmの細部で一対のAu電極541,542を形成することによって、スピン流-電流変換素子の基本構造が完成する。
【0075】
ここで、磁場Hを図において長手方向に印加した状態でPEDOT:PSS被膜53を設けなかった側に熱源55を当接させて、図において長手方向に温度差▽Tを形成すると、スピン-ゼーベック効果により熱的にスピン流が発生し、逆スピンホール効果によりPEDOT:PSS被膜53の両端に設けた一対のAu電極541,542の間に熱起電力が得られる。
【0076】
この実施例5のスピン流-電流変換素子は、熱電素子とし機能するので、環境中の熱源、例えば、体温や廃熱を利用した発電が可能になる。
【実施例6】
【0077】
次に、図19を参照して、本発明の実施例6のスピン流-電流変換素子を説明する。図19は、本発明の実施例6のスピン流-電流変換素子の概略的斜視図であり、一対の電極631,632で挟まれたPZT層62からなるピエゾ効果素子61上に、YIG層64を設ける。その上に、PEDOTとPSSとを混合した液を滴化し、スピンコート法により厚さが50nmのPEDOT:PSS被膜65を形成する。次いで、マスク蒸着法を用いて、2.0mm×0.5mmの細部で一対のAu電極661,662を形成し、その上にヒートシンクとなるシリコーン樹脂層67を設けることによって、スピン流-電流変換素子の基本構造が完成する。
【0078】
ここで、磁場Hを図において長手方向に直交する方向に印加した状態でピエゾ効果素子61に交流電圧を印加するとバルク音波が発生して、YIG層64中に伝達される。YIG層64中においてマグノン-フォノン相互作用により音波からスピン波へエネルギー移行することによって音響誘起のスピン流が発生する。
【0079】
発生したスピン流は、PEDOT:PSS被膜53に流入して逆スピンホール効果によりPEDOT:PSS被膜65の両端に設けた一対のAu電極661,662の間に起電力が得られる。
【0080】
ここでは、原理を明らかにするために、ピエゾ効果素子を設けているが、ピエゾ効果素子の代わりに振動源に対してYIG層/PEDOT:PSS被膜からなるスピン流-電流変換素子を当接することによって、振動源の振動を電圧に変換することができる。
【実施例7】
【0081】
次に、図20を参照して、本発明の実施例7のスピンRAMを説明するが、スピンRAM自体の構造は、従来のスピンRAMを同様であり、メモリセル部分が異なるだけであるので、メモリセル部分を説明する。なお、この実施例は、逆スピンホール効果を用いるものではなく、電流をスピン流に変換するスピンホール効果を用いるものである。
【0082】
図20は、本発明の実施例7のスピンRAMの説明図であり、図20(a)は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、図20(b)は純スピン流の注入原理の説明図である。図20(a)に示すように、下部電極71上にフリー層73、MgO或いはAl-O等のトンネル絶縁膜74、ピンド層75、及び、反強磁性層76からなるTMR要素72を設け、反強磁性層76に接するようにビット線77を設ける。
【0083】
一方、フリー層73に接するように層状遷移金属酸化物であるLa2-xSrxCuO4からなるスピン注入電極78を設け、このスピン注入電極78に対して接続配線791,792を設ける。この場合、スピン注入電極78の長手方向がTMR要素72の長手方向と直交する方向になるように配置する。ここでは、層状遷移金属酸化物であるLa2-xSrxCuO4の結晶方位を制御することによって、薄膜面直方向の電気伝導度が面内方向の電気伝導度より大きくして、異方導電性を持たせている。
【0084】
図20(b)に示すように、スピン注入電極78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73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73の磁化方向Mを変換するように作用する。
【0085】
この実施例7においては、スピン注入電極として異方導電性を有する層状遷移金属酸化物を用いているので、スピン流の注入効率を材料自身が有する電流-スピン流変換効率より大きくすることができる。
【符号の説明】
【0086】
1 絶縁性基板
2 スピン流-電流相互変換部材層
3 スピン流発生部材層
41,42 電極
51,52 引出電極
6 電圧計
11 ガラス基板
12 PEDOT:PSS被膜
13 Ni80Fe20
141,142 Au電極
21 GGG単結晶基板
22 MOD溶液
23 酸化物層
24 YIG層
25 PEDOT:PSS被膜
261,262 Au電極
31 ガラス基板
32 Ni80Fe20
33 PBTTT:F4-TCNQ膜
341,342 Au電極
41 GaAs層
42 PEDOT:PSS被膜
431,432 Au電極
44 円偏光光
51 GGG単結晶基板
52 YIG層
53 PEDOT:PSS被膜
541,542 Au電極
55 熱源
61 ピエゾ効果素子
62 PZT層
631,632 電極
64 YIG層
65 PEDOT:PSS被膜
661,662 Au電極
67 シリコーン樹脂
71 下部電極
72 TMR要素
73 フリー層
74 トンネル絶縁膜
75 ピンド層
76 反強磁性層
77 ビット線
78 スピン注入電極
791,792 接続配線
Drawing
(In Japanese)【図1】
0
(In Japanese)【図2】
1
(In Japanese)【図3】
2
(In Japanese)【図4】
3
(In Japanese)【図5】
4
(In Japanese)【図6】
5
(In Japanese)【図7】
6
(In Japanese)【図8】
7
(In Japanese)【図9】
8
(In Japanese)【図10】
9
(In Japanese)【図11】
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(In Japanese)【図12】
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(In Japanese)【図13】
12
(In Japanese)【図14】
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(In Japanese)【図15】
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(In Japanese)【図16】
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(In Japanese)【図17】
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(In Japanese)【図18】
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(In Japanese)【図19】
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(In Japanese)【図20】
19