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JP2008166608A - Spin device - Google Patents

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JP2008166608A
JP2008166608A JP2006356430A JP2006356430A JP2008166608A JP 2008166608 A JP2008166608 A JP 2008166608A JP 2006356430 A JP2006356430 A JP 2006356430A JP 2006356430 A JP2006356430 A JP 2006356430A JP 2008166608 A JP2008166608 A JP 2008166608A
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JP
Japan
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layer
spin
tunnel barrier
nonmagnetic metal
free layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2006356430A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Asatani
崇史 麻谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Priority to JP2006356430A priority Critical patent/JP2008166608A/en
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Abstract

【課題】 スピン注入によってフリー層の磁化の向きを制御可能なスピンデバイスを提供する。
【解決手段】 スピンデバイス1においては、副トンネル障壁Fが、非磁性金属層Dから強磁性層Eに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層C内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層Cの磁化の向きの制御を行うことが可能となる。絶縁層としての副トンネル障壁Fを構成する材料がZnOである場合には、副トンネル障壁Fのトンネル抵抗を低くすることが可能なので、その影響を抑制し、他方のトンネル障壁層Bに関する磁気抵抗変化を読み出すのに有利である。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin device capable of controlling the magnetization direction of a free layer by spin injection.
In a spin device, a secondary tunnel barrier F is absorbed in a free layer C in order to prevent the flow of electrons having a specific polarized spin flowing from a nonmagnetic metal layer D to a ferromagnetic layer E. As a result, the spin magnetic moment of electrons of a specific polarized spin is increased, and the magnetization direction of the free layer C can be controlled by spin injection at a low current. When the material constituting the sub-tunnel barrier F as the insulating layer is ZnO, the tunnel resistance of the sub-tunnel barrier F can be lowered, so that the influence is suppressed and the magnetoresistance related to the other tunnel barrier layer B is suppressed. This is advantageous for reading out changes.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、TMR(トンネル磁気抵抗)素子を備えたスピンデバイスに関する。   The present invention relates to a spin device including a TMR (tunnel magnetoresistance) element.

TMR(トンネル磁気抵抗)素子は、ハードディスクのヘッドやMRAM(磁気抵抗メモリ)等のスピンデバイスに利用できるものとして知られている。TMR素子の基本構造は、トンネル障壁を構成する絶縁層を2つの強磁性体で挟んだものであり、双方の強磁性体の磁化の向きが同一であれば、抵抗が小さくなることで偏極スピン電子の通過量が大きくなり、双方の強磁性体の磁化の向きが逆向きであれば、抵抗が大きくなることで偏極スピン電子の通過量が小さくなる。   A TMR (tunnel magnetoresistive) element is known to be usable for a spin device such as a hard disk head or an MRAM (magnetoresistance memory). The basic structure of a TMR element is a structure in which an insulating layer constituting a tunnel barrier is sandwiched between two ferromagnets. If the directions of magnetization of both ferromagnets are the same, the resistance becomes small and polarization is achieved. If the amount of spin electrons passing increases and the magnetization directions of both ferromagnets are opposite, the resistance increases and the amount of polarized spin electrons passing decreases.

例えば、下記特許文献1には、CPP(current perpendicular plane)型のMR素子が積層されてなるデュアル構造のTMR素子が開示されている。この素子によれば、2つのMR素子を積層しているため、偶然に、フリー層に2つのトンネル障壁層が接触することとなっているが、本発明との関連性は少ない。
特開2002−157708号公報
For example, Patent Document 1 below discloses a TMR element having a dual structure in which MR elements of a CPP (current perpendicular plane) type are stacked. According to this element, since two MR elements are laminated, two tunnel barrier layers are accidentally brought into contact with the free layer, but this is not relevant to the present invention.
JP 2002-157708 A

図9は、比較例となるTMR素子を備えたスピンデバイスの縦断面構造を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a longitudinal sectional structure of a spin device including a TMR element as a comparative example.

このスピンデバイスにおいては、一方向の磁化の向きを有するピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層(軟磁性の強磁性体)C、非磁性金属層D、上記とは逆方向の磁化の向きを有する強磁性層(スピンフィルター層)Eを順次積層してある。なお、積層の順序は逆であってもよい。ピンド層Aに注入された電子のうち、一方向のスピンを有する電子はトンネル障壁層Bを通過して、フリー層C内に流れる。フリー層Cに注入された偏極スピンの一部分は、そのスピン磁気モーメントをフリー層Cに与え、非磁性金属層D及び強磁性層E内に流れる。   In this spin device, a pinned layer A having a unidirectional magnetization direction, a tunnel barrier layer B, a free layer (soft magnetic ferromagnet) C, a nonmagnetic metal layer D, and a magnetization direction opposite to the above. Are sequentially laminated. The order of stacking may be reversed. Among the electrons injected into the pinned layer A, electrons having a spin in one direction pass through the tunnel barrier layer B and flow into the free layer C. A part of the polarized spin injected into the free layer C gives the spin magnetic moment to the free layer C and flows into the nonmagnetic metal layer D and the ferromagnetic layer E.

前者の三層A,B,Cを電子を通過する場合には、TMR効果が生じるため、トンネル障壁層Bは、アップ及びダウンの各スピンに対して所定の磁気抵抗を有することとなる。後者の三層C,D,Eを電子が通過する場合には、GMR効果が生じるため、非磁性金属層Dは、各スピンに対して所定の磁気抵抗を有することとなる。   When electrons pass through the former three layers A, B, and C, the TMR effect occurs, so the tunnel barrier layer B has a predetermined magnetic resistance for each of the up and down spins. When electrons pass through the latter three layers C, D, and E, a GMR effect occurs, and therefore the nonmagnetic metal layer D has a predetermined magnetic resistance for each spin.

ピンド層Aからトンネル障壁層Bを介してフリー層Cに注入された偏極スピンによって、フリー層Cに大きなスピン磁気モーメントが与えられるので、これによってフリー層Cの磁化の向きを制御することが可能となる。これはスピン注入法と言われる。後者の三層C,D,Eは特定の偏極スピンが素子から抜けていく確率を減少させている。   A large spin magnetic moment is applied to the free layer C by the polarized spin injected from the pinned layer A through the tunnel barrier layer B to the free layer C, so that the magnetization direction of the free layer C can be controlled by this. It becomes possible. This is called a spin injection method. The latter three layers C, D, and E reduce the probability that a specific polarized spin will escape from the device.

図10は、図9に示したスピンデバイスの等価回路である。   FIG. 10 is an equivalent circuit of the spin device shown in FIG.

同図において、R1はトンネル障壁層Bのアップスピンの電子に対する抵抗、R2はトンネル障壁層Bでのダウンスピンの電子に対する抵抗、R3は強磁性層Eのアップスピンの電子に対する抵抗、R4は強磁性層Eでのダウンスピンの電子に対する抵抗、R5はフリー層Cのスピン抵抗であってフリー層のスピンの吸収し難さを示している。   In the figure, R1 is the resistance to the up-spin electrons of the tunnel barrier layer B, R2 is the resistance to the down-spin electrons in the tunnel barrier layer B, R3 is the resistance to the up-spin electrons of the ferromagnetic layer E, and R4 is the strong resistance The resistance to down-spin electrons in the magnetic layer E, R5, is the spin resistance of the free layer C and indicates the difficulty of absorbing the spin of the free layer.

スピンデバイスの両端には、電位Vと0がそれぞれ与えられ、各抵抗R1,R2,R3,R4、R5には、スピン電流(電子流)I1,I2,I3,I4,I5がそれぞれ流れる。電位Vは、負である。   Potentials V and 0 are respectively applied to both ends of the spin device, and spin currents (electron currents) I1, I2, I3, I4, and I5 flow through the resistors R1, R2, R3, R4, and R5, respectively. The potential V is negative.

同図中のI5はフリー層Cで吸収されるスピン流であり、これはフリー層Cが吸収するスピン磁気モーメントに比例している。フリー層Cで吸収されたスピン磁気モーメントの一部はフリー層Cの磁化の変化を引き起こす。   In the figure, I5 is a spin current absorbed by the free layer C, which is proportional to the spin magnetic moment absorbed by the free layer C. A part of the spin magnetic moment absorbed in the free layer C causes a change in magnetization of the free layer C.

強磁性層Eが通常のCoFeなどの強磁性金属の場合、強磁性層Eのアップスピン電流I3に対する抵抗R3が小さいので、多くのスピン流がフリー層Cに吸収されることなく強磁性層Eから流出してしまう。   When the ferromagnetic layer E is a normal ferromagnetic metal such as CoFe, since the resistance R3 to the up-spin current I3 of the ferromagnetic layer E is small, a large amount of spin current is not absorbed by the free layer C. Leaked from.

なお、フリー層Cにおいて吸収されるスピン流I5は、以下の式で与えられる。

Figure 2008166608
The spin current I5 absorbed in the free layer C is given by the following equation.
Figure 2008166608

この式から、抵抗R3が小さい場合、スピン流I5が小さくなり、フリー層Cに多くのスピンを吸収させ、フリー層Cの磁化の向きを制御することができなくなることが分かる。   From this equation, it can be seen that when the resistance R3 is small, the spin current I5 becomes small, so that the free layer C absorbs a lot of spins and the magnetization direction of the free layer C cannot be controlled.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、スピン注入によってフリー層の磁化の向きを制御可能なスピンデバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a spin device capable of controlling the magnetization direction of a free layer by spin injection.

上述の課題を解決するため、本発明は以下のスピンデバイスを提供する。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides the following spin device.

第1の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、非磁性金属層と強磁性層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。   A spin device according to a first aspect of the present invention is a spin device in which a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a nonmagnetic metal layer, and a ferromagnetic layer are sequentially laminated, and between the nonmagnetic metal layer and the ferromagnetic layer. A secondary tunnel barrier is provided.

このスピンデバイスにおいては、トンネル障壁層をピンド層及びフリー層によって挟むことにより、TMR素子として機能している。副トンネル障壁が、非磁性金属層から強磁性層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   This spin device functions as a TMR element by sandwiching a tunnel barrier layer between a pinned layer and a free layer. The secondary tunnel barrier prevents the flow of electrons with a specific polarization spin flowing from the nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic layer, so that the spin magnetic moment of the electrons of the specific polarization spin absorbed in the free layer is increased. In addition, the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection at a low current.

第2の発明に係るスピンデバイスは、上記スピンデバイスにおいて、強磁性層と副トンネル障壁の間に第2の非磁性金属層を備えている。このように第2の非磁性金属層が強磁性層と副トンネル障壁との間に介在している場合においても、副トンネル障壁が、非磁性金属層から強磁性層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   A spin device according to a second aspect of the present invention is the above spin device, further comprising a second nonmagnetic metal layer between the ferromagnetic layer and the subtunnel barrier. As described above, even when the second nonmagnetic metal layer is interposed between the ferromagnetic layer and the subtunnel barrier, the subtunnel barrier has a specific polarized spin flowing from the nonmagnetic metal layer to the ferromagnetic layer. In order to prevent the flow of electrons having a certain amount, the spin magnetic moment of a specific polarized spin absorbed in the free layer increases, and the magnetization direction of the free layer is controlled by spin injection at a low current. Is possible.

第3の発明に係るスピンデバイスは、注入されるスピンによって磁化の向きが変化するフリー層を有するスピンデバイスであって、ピンド層、トンネル障壁層、前記フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、フリー層と非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。   A spin device according to a third aspect of the present invention is a spin device having a free layer whose magnetization direction changes according to injected spin, and includes a pinned layer, a tunnel barrier layer, the free layer, a nonmagnetic metal layer, and a ferromagnetic layer. Is characterized in that a sub-tunnel barrier is provided between the free layer and the nonmagnetic metal layer.

この構造の場合、副トンネル障壁が、フリー層と非磁性金属層との間に介在しているため、副トンネル障壁が、フリー層から非磁性金属層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   In this structure, since the secondary tunnel barrier is interposed between the free layer and the nonmagnetic metal layer, the secondary tunnel barrier has a specific polarized spin that flows from the free layer to the nonmagnetic metal layer. In order to prevent the flow, the spin magnetic moment of the electrons of a specific polarized spin absorbed in the free layer increases, and it becomes possible to control the magnetization direction of the free layer by spin injection at a low current. .

第4の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、強磁性層の非磁性金属層とは反対側に副トンネル障壁と第2の強磁性層とを順次を備えたことを特徴とする。   A spin device according to a fourth aspect of the present invention is a spin device in which a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a nonmagnetic metal layer, and a ferromagnetic layer are sequentially laminated, wherein the ferromagnetic layer is opposite to the nonmagnetic metal layer. And a secondary tunnel barrier and a second ferromagnetic layer.

この構造の場合、副トンネル障壁及び第2の強磁性層が、第1の強磁性層から流出しようとする特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   In this structure, the secondary tunnel barrier and the second ferromagnetic layer are absorbed in the free layer in order to prevent the flow of electrons having a particular polarized spin that is about to flow out of the first ferromagnetic layer. The spin magnetic moment of the electrons of a specific polarized spin is increased, and the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection at a low current.

第5の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、第1の非磁性金属層及び第2の非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、第1の非磁性金属層と第2の非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。   A spin device according to a fifth aspect of the present invention is a spin device in which a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a first nonmagnetic metal layer, and a second nonmagnetic metal layer are sequentially stacked. A sub-tunnel barrier is provided between the metal layer and the second nonmagnetic metal layer.

このスピンデバイスにおいては、トンネル障壁層をピンド層及びフリー層によって挟むことにより、TMR素子として機能している。副トンネル障壁が、第1の非磁性金属層から第2の非磁性金属層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   This spin device functions as a TMR element by sandwiching a tunnel barrier layer between a pinned layer and a free layer. The secondary tunnel barrier prevents the flow of electrons having a specific polarization spin flowing from the first nonmagnetic metal layer to the second nonmagnetic metal layer, so that the specific polarization spin absorbed in the free layer is reduced. The spin magnetic moment of the electrons increases, and the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection at a low current.

第6の発明に係るスピンデバイスは、ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、非磁性金属層とフリー層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とする。   A spin device according to a sixth aspect of the present invention is a spin device in which a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, and a nonmagnetic metal layer are sequentially laminated, and a sub-tunnel barrier is provided between the nonmagnetic metal layer and the free layer. It is characterized by that.

このスピンデバイスにおいては、トンネル障壁層をピンド層及びフリー層によって挟むことにより、TMR素子として機能している。副トンネル障壁が、非磁性金属層とフリー層との間に介在しているので、フリー層から非磁性金属層に流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   This spin device functions as a TMR element by sandwiching a tunnel barrier layer between a pinned layer and a free layer. Since the secondary tunnel barrier is interposed between the nonmagnetic metal layer and the free layer, in order to prevent the flow of electrons having a specific polarized spin flowing from the free layer to the nonmagnetic metal layer, The spin magnetic moment of the electrons of the specific polarized spin that is absorbed is increased, and the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection at a low current.

第7の発明に係るスピンデバイスにおいて、副トンネル障壁は、MgO、ZnO及びAlOx、TiO、ZrO、HfO、Taからなる絶縁体群から選択された少なくとも1種を含むことを特徴とする。MgOはトンネル抵抗のスピン依存性が大きいので、スピン分極率を向上させることができる。ZnOは副トンネル障壁のトンネル抵抗を低くすることが可能なので、その影響を抑制し、他方のトンネル障壁層に関する磁気抵抗変化を読み出すのに有利である。Al等のAlOxは、手軽に利用できる絶縁体として知られているため、コストを低下することができる。 In the spin device according to the seventh invention, the sub-tunnel barrier includes at least one selected from the group consisting of MgO, ZnO and AlOx, TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5. Features. Since MgO has a large spin dependency of tunnel resistance, the spin polarizability can be improved. Since ZnO can reduce the tunnel resistance of the sub-tunnel barrier, it is advantageous for suppressing the influence and reading the magnetoresistance change related to the other tunnel barrier layer. Since AlOx such as Al 2 O 3 is known as an easily usable insulator, the cost can be reduced.

第8の発明に係るスピンデバイスは、前記副トンネル障壁は、絶縁層、又は、半導体層を挿入することで半導体と金属との接触面に生じるショットキ障壁から構成されることを特徴とする。ショットキ障壁は、絶縁層の代わりに、これに隣接する金属層に接触する半導体層を挿入すれば形成することができる。副トンネル障壁を絶縁層から形成した場合には、厚みが正確に制御された層を形成することができるため、特性バラツキが抑制されたスピンデバイスとなるという利点がある。副トンネル障壁が半導体層を挿入することで形成するショットキ障壁からなる場合、挿入する半導体材料に応じてショットキ障壁の種類を変えることができるという利点がある。   The spin device according to an eighth aspect of the invention is characterized in that the sub-tunnel barrier is composed of an insulating layer or a Schottky barrier generated at a contact surface between a semiconductor and a metal by inserting a semiconductor layer. The Schottky barrier can be formed by inserting a semiconductor layer in contact with a metal layer adjacent to the insulating layer instead of the insulating layer. In the case where the sub-tunnel barrier is formed of an insulating layer, a layer whose thickness is accurately controlled can be formed, so that there is an advantage that a spin device with suppressed characteristic variation is obtained. When the sub-tunnel barrier includes a Schottky barrier formed by inserting a semiconductor layer, there is an advantage that the type of the Schottky barrier can be changed according to the semiconductor material to be inserted.

なお、上述の発明において、積層の順序は逆であってもよい。   In the above-described invention, the order of stacking may be reversed.

本発明のスピンデバイスによれば、スピン注入によってフリー層の磁化の向きを制御することができる。   According to the spin device of the present invention, the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection.

以下、実施の形態に係るスピンデバイスについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
(第1の実施形態)
Hereinafter, the spin device according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.
(First embodiment)

図1は、第1の実施形態に係るTMR素子を備えたスピンデバイス1の縦断面構成を示す図である。   FIG. 1 is a view showing a longitudinal sectional configuration of a spin device 1 including a TMR element according to the first embodiment.

スピンデバイス1は、ピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層C、非磁性金属層D及び強磁性層(スピンフィルタ層)Eを順次積層してなり、非磁性金属層Dと強磁性層Eとの間に副トンネル障壁Fを備えている。なお、各実施形態において、積層の順序は逆であってもよい。また、各図面に示される如く、隣接する層は接触している。   The spin device 1 is formed by sequentially laminating a pinned layer A, a tunnel barrier layer B, a free layer C, a nonmagnetic metal layer D, and a ferromagnetic layer (spin filter layer) E. The nonmagnetic metal layer D and the ferromagnetic layer E A secondary tunnel barrier F is provided therebetween. In each embodiment, the order of stacking may be reversed. Also, as shown in each drawing, adjacent layers are in contact.

一方向の磁化の向き(+Y方向とする)Fを有するピンド層Aに注入された電子のうち、一方向のスピンを有する電子(負電荷を有する)は、トンネル障壁層Bを通過して、フリー層C内に流れる。フリー層Cに注入された偏極スピンの一部分は、そのスピン磁気モーメントをフリー層Cに与え、フリー層Cの磁化の向きFを変更し、続いて、非磁性金属層D、副トンネル障壁F及び逆の磁化の向きF(−Y方向)を有する強磁性層Eを順次に流れて外部に流出する。注入された電子は、X方向に沿って各層内を伝導する。 Of the electrons injected into the pinned layer A having a unidirectional magnetization direction (+ Y direction) F A , electrons having a unidirectional spin (having a negative charge) pass through the tunnel barrier layer B. , Flows into the free layer C. A portion of the injected polarized spin in the free layer C, giving the spin magnetic moment in the free layer C, to change the direction F C of the magnetization of the free layer C, followed by the non-magnetic metal layer D, the sub-tunnel barrier F and the ferromagnetic layer E having the opposite magnetization direction F E (−Y direction) sequentially flow to the outside. The injected electrons are conducted in each layer along the X direction.

スピンデバイス1においては、トンネル障壁層Bをピンド層A及びフリー層Cによって挟むことにより、TMR素子として機能している。フリー層Cの磁化の向きFが、ピンド層Aの磁化の向きFと同一(+Y方向)の場合、TMR素子を通過する電子量は多くなり、フリー層Cの磁化の向きFが、ピンド層Aの磁化の向きFとは逆向き(−Y方向)の場合、TMR素子を通過する電子量は少なくなる。 The spin device 1 functions as a TMR element by sandwiching the tunnel barrier layer B between the pinned layer A and the free layer C. Orientation F C of the magnetization of the free layer C is, for a same orientation F A of magnetization of the pinned layer A (+ Y direction), the amount of electrons passing through the TMR element increases, the orientation F C of the magnetization of the free layer C and the magnetization direction F a of the pinned layer a case opposite (-Y direction), the amount of electrons passing through the TMR element is reduced.

磁化の向きFは、スピン注入によって制御されるので、情報の書き込み電流として、多量の偏極スピンをピンド層Aからフリー層Cに注入した場合には、フリー層Cの磁化の向きFがピンド層Aの磁化の方向を向き、この後、読み出し出し電流として、少量の偏極スピンをピンド層Aからフリー層Cに注入した場合には、大きな電子流が検出されることとなる(磁気抵抗は小さくなる)。一方、逆向きの偏極スピンを有する電子を強磁性層Eからフリー層Cに注入し、注入された電子のスピン偏極とは逆向きのスピン偏極を有する電子をピンド層から流出させた場合には、フリー層Cの磁化の向きFがピンド層Aの磁化と反平行になり、この後、読み出し出し電流として、少量の偏極スピンをピンド層Aからフリー層Cに注入した場合には、小さな電子流が検出されることとなる(磁気抵抗は大きくなる)。 Orientation F C of the magnetization, since it is controlled by the spin injection, as the write current information, when injected into the free layer C a large amount of polarized spin from the pinned layer A, the magnetization of the free layer C direction F C Is directed to the magnetization direction of the pinned layer A, and then a small amount of polarized spin is injected from the pinned layer A to the free layer C as a readout current, a large electron current is detected ( Magnetoresistance is reduced). On the other hand, electrons having a reverse polarization spin are injected from the ferromagnetic layer E into the free layer C, and electrons having a spin polarization opposite to the spin polarization of the injected electrons are caused to flow out of the pinned layer. In this case, the magnetization direction F C of the free layer C is antiparallel to the magnetization of the pinned layer A, and then a small amount of polarized spin is injected from the pinned layer A into the free layer C as a readout current. In this case, a small electron current is detected (the magnetic resistance increases).

スピンデバイス1においては、副トンネル障壁Fが、非磁性金属層Dから強磁性層Eに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層C内で吸収される特定の偏極スピンの電子量が増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層Cの磁化の向きの制御を行うことが可能となる。強磁性層Eとは逆向きの偏極スピンは、副トンネル障壁Fによって反射されるが、同極性の偏極スピンは副トンネル障壁Fを透過する。なお、これとは逆向きのスピン注入を行った場合には、ピンド層Aとフリー層Cとの間に位置するトンネル障壁層Bが、ピンド層Aとは逆極性の偏極スピンを反射する。   In the spin device 1, the sub-tunnel barrier F prevents a flow of electrons having a specific polarization spin flowing from the nonmagnetic metal layer D to the ferromagnetic layer E, so that a specific polarization absorbed in the free layer C is obtained. The amount of electrons in the polar spin increases, and the magnetization direction of the free layer C can be controlled by spin injection at a low current. Polarized spins in the direction opposite to that of the ferromagnetic layer E are reflected by the sub-tunnel barrier F, but polarized spins having the same polarity are transmitted through the sub-tunnel barrier F. When spin injection is performed in the opposite direction, the tunnel barrier layer B positioned between the pinned layer A and the free layer C reflects polarized spins having a polarity opposite to that of the pinned layer A. .

上述の比較例のスピンデバイスにおいて、フリー層Cへのスピン注入効率を上げるには、スピン蓄積電位を大きくする必要がある。しかしながら、上述の比較例の構造ではそれが十分ではない。その理由はフリー層Cのトンネル障壁層Bに接する面とは反対側の金属と接する面からスピン流が流出するからである。上述の比較例では、フリー層Cのトンネル障壁層Bに接する面とは反対側の面に対向して、スピンフィルター層として強磁性層Eを設けているが、強磁性金属からなる強磁性層Eを用いた場合には、強磁性層Eの少数スピンに対する抵抗が十分でないので、スピン流の多くが流出してしまう。これとは逆向きに電流を流して、逆向きのスピン注入を行う場合においては、強磁性体層Eの少数スピンに対する抵抗が十分でないので、フリー層Cでのスピン蓄積電位が大きくならないためにフリー層Cで吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが小さい。このためにフリー層Cに吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが小さいのでスピン注入効率が低い。   In the spin device of the comparative example described above, in order to increase the efficiency of spin injection into the free layer C, it is necessary to increase the spin accumulation potential. However, the structure of the comparative example described above is not sufficient. The reason is that the spin current flows out from the surface of the free layer C in contact with the metal opposite to the surface in contact with the tunnel barrier layer B. In the comparative example described above, the ferromagnetic layer E is provided as the spin filter layer facing the surface of the free layer C opposite to the surface in contact with the tunnel barrier layer B. When E is used, since the resistance of the ferromagnetic layer E to a small number of spins is not sufficient, most of the spin current flows out. In the case of performing reverse spin injection by flowing a current in the opposite direction, the resistance to the minority spin of the ferromagnetic layer E is not sufficient, so the spin accumulation potential in the free layer C does not increase. The spin magnetic moment of a specific polarized spin electron absorbed in the free layer C is small. For this reason, since the spin magnetic moment of the electrons of the specific polarized spin absorbed in the free layer C is small, the spin injection efficiency is low.

一方、実施の形態に係るスピンデバイスにおいては、副トンネル障壁Fが設けられておる。副トンネル障壁Fを通過する際の強磁性体の多数スピンを持つ電子と少数スピンを持つ電子のトンネルコンダクタンスの比は、トンネル層の両側の強磁性体の多数スピンを持つ電子のフェルミ面での状態密度の積と、トンネル層の両側の強磁性体の少数スピンを持つ電子のフェルミ面での状態密度の積の比と見積もられる。また、トンネルコンダクタンスは強磁性体金属のコンダクタンスよりもかなり小さい。従って、トンネル抵抗を加えた、多数スピンの電子と少数スピンの電子に対する強磁性層Eの抵抗の差は副トンネル障壁Fを挿入しない場合に比べて大きくなる。これにより、スピン流が逃げることが無くなり、注入したスピン流は有効にフリー層Cに吸収され、フリー層の磁化の変化に使われることとなる。   On the other hand, in the spin device according to the embodiment, a sub-tunnel barrier F is provided. The ratio of the tunnel conductance of electrons with a large number of spins and electrons with a small number of spins when passing through the sub-tunnel barrier F is determined by the Fermi surface of the electrons having a large number of spins on both sides of the tunnel layer. It can be estimated as the ratio of the product of the density of states and the product of the density of states at the Fermi surface of electrons with a small number of spins on both sides of the tunnel layer. Moreover, the tunnel conductance is much smaller than the conductance of the ferromagnetic metal. Therefore, the difference in resistance of the ferromagnetic layer E with respect to the majority spin electrons and the minority spin electrons to which the tunnel resistance is added becomes larger than when the sub tunnel barrier F is not inserted. As a result, the spin current does not escape, and the injected spin current is effectively absorbed in the free layer C and used for the change in magnetization of the free layer.

ピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層C、非磁性金属層D及び強磁性層Eの材料及び好適な厚みの範囲は以下の通りである。

Figure 2008166608
The materials and preferred thickness ranges of the pinned layer A, tunnel barrier layer B, free layer C, nonmagnetic metal layer D and ferromagnetic layer E are as follows.
Figure 2008166608

特に、非磁性金属層Dの厚みは、強磁性層Eとフリー層Cの磁気的結合を防止するという理由から、上述の範囲に設定されることが好ましい。   In particular, the thickness of the nonmagnetic metal layer D is preferably set in the above-mentioned range because the magnetic coupling between the ferromagnetic layer E and the free layer C is prevented.

なお、ピンド層A及び又は強磁性層Eは、磁化の向きを固定するため、それぞれ強磁性層単体、又は、強磁性層及びこれにIrMnなどの反強磁性層が交換結合した層からなることとしてもよい。   The pinned layer A and / or the ferromagnetic layer E are each composed of a ferromagnetic layer alone or a layer in which a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer such as IrMn are exchange-coupled to each other in order to fix the magnetization direction. It is good.

図2は、図1に示したスピンデバイスの等価回路である。   FIG. 2 is an equivalent circuit of the spin device shown in FIG.

同図において、R1はトンネル障壁層Bのアップスピンの電子に対する抵抗、R2はトンネル障壁層Bでのダウンスピンの電子に対する抵抗、R3’は強磁性層Eのアップスピンの電子に対する抵抗、R4は強磁性層Eでのダウンスピンの電子に対する抵抗、R5はフリー層Cのスピン抵抗であってフリー層のスピンの吸収し難さを示している。   In the figure, R1 is the resistance to the up-spin electrons of the tunnel barrier layer B, R2 is the resistance to the down-spin electrons in the tunnel barrier layer B, R3 'is the resistance to the up-spin electrons of the ferromagnetic layer E, and R4 is The resistance to down-spin electrons in the ferromagnetic layer E, R5, is the spin resistance of the free layer C and indicates the difficulty of absorbing the spin of the free layer.

スピンデバイスの両端には、電位Vと0がそれぞれ与えられ、各抵抗R1,R2,R3’,R4、R5には、スピン電流(電子流)I1,I2,I3’,I4,I5がそれぞれ流れる。同図の電位Vは、負である。   Potentials V and 0 are respectively applied to both ends of the spin device, and spin currents (electron currents) I1, I2, I3 ′, I4, and I5 flow through the resistors R1, R2, R3 ′, R4, and R5, respectively. . The potential V in the figure is negative.

同図中のI5はフリー層Cで吸収されるスピン流であり、これはフリー層Cが吸収するスピン磁気モーメントに比例している。フリー層Cで吸収されたスピン磁気モーメントの一部はフリー層Cの磁化の変化を引き起こす。   In the figure, I5 is a spin current absorbed by the free layer C, which is proportional to the spin magnetic moment absorbed by the free layer C. A part of the spin magnetic moment absorbed in the free layer C causes a change in magnetization of the free layer C.

非磁性金属層Dと強磁性層Eとの間には副トンネル障壁Fが挿入されており、電子は非磁性金属層Dと強磁性層Eの界面でスピン依存トンネルを起こすので、大きなスピン依存抵抗が生じる。その結果、R3’を大きくすることが出来る。   A secondary tunnel barrier F is inserted between the nonmagnetic metal layer D and the ferromagnetic layer E, and electrons cause a spin-dependent tunnel at the interface between the nonmagnetic metal layer D and the ferromagnetic layer E. Resistance occurs. As a result, R3 'can be increased.

なお、フリー層Cにおいて吸収されるスピン流I5は、以下の式で与えられる。

Figure 2008166608
The spin current I5 absorbed in the free layer C is given by the following equation.
Figure 2008166608

この式から、抵抗R3’が大きい場合、スピン流I5が大きくなるので、スピン注入の効率が向上することが分かる。   From this equation, it can be seen that when the resistance R3 'is large, the spin current I5 becomes large, so that the efficiency of spin injection is improved.

なお、第1の実施形態及び以下の実施形態において、トンネル障壁Fは、トンネル効果が生じる厚みの絶縁層からなることが望ましいが、これは半導体層とこれに接触する(非磁性)金属層から構成されるショットキ障壁によって構成することとしてもよい。ショットキ障壁は、絶縁層の代わりに、これに隣接する金属層に接触する半導体層を挿入すれば形成することができる。すなわち、トンネル障壁Fの位置に半導体層を挿入し、非磁性金属層Dなどとの接触面にショットキ障壁を形成する。副トンネル障壁Fは、絶縁層又はショットキ障壁から構成される。副トンネル障壁Fを絶縁層から形成した場合には、厚みが正確に制御された層を形成することができるため、特性バラツキが抑制されたスピンデバイスとなるという利点がある。副トンネル障壁Fがショットキ障壁からなる場合、半導体材料に応じてショットキ障壁の種類を変えることができるという利点がある。   In the first embodiment and the following embodiments, the tunnel barrier F is preferably made of an insulating layer having a thickness that causes a tunnel effect, but this is made of a semiconductor layer and a (nonmagnetic) metal layer in contact with the semiconductor layer. It is good also as comprising by the Schottky barrier comprised. The Schottky barrier can be formed by inserting a semiconductor layer in contact with a metal layer adjacent to the insulating layer instead of the insulating layer. That is, a semiconductor layer is inserted at the position of the tunnel barrier F, and a Schottky barrier is formed on the contact surface with the nonmagnetic metal layer D or the like. The sub tunnel barrier F is composed of an insulating layer or a Schottky barrier. In the case where the sub-tunnel barrier F is formed of an insulating layer, a layer whose thickness is accurately controlled can be formed, so that there is an advantage that a spin device with suppressed characteristic variation is obtained. When the sub-tunnel barrier F is a Schottky barrier, there is an advantage that the type of the Schottky barrier can be changed according to the semiconductor material.

半導体材料としては、例えばSiを用いることができ、n型のSiに対してショットキ障壁を構成する金属としては、φをショットキ障壁高さとして、Al(φ=0.72V),Mo(φ=0.68V),Pt(φ=0.90V),W(φ=0.67V),TiSi(φ=0.60V)、WSi(φ=0.65V),Au(φ=0.80V)などが知られており、p型のSiに対しては、Al(φ=0.58V),Mo(φ=0.42V),W(φ=0.45V)、Au(φ=0.34V)などが知られている。ショットキ障壁を利用する場合には、これらの金属を隣接する非磁性金属層に用いればよい。 As a semiconductor material, for example, Si can be used. As a metal constituting a Schottky barrier with respect to n-type Si, φ is a Schottky barrier height, and Al (φ = 0.72 V), Mo (φ = φ = 0.68 V), Pt (φ = 0.90 V), W (φ = 0.67 V), TiSi 2 (φ = 0.60 V), WSi 2 (φ = 0.65 V), Au (φ = 0.80 V) ) And the like, and for p-type Si, Al (φ = 0.58 V), Mo (φ = 0.42 V), W (φ = 0.45 V), Au (φ = 0. 34V) is known. When a Schottky barrier is used, these metals may be used for the adjacent nonmagnetic metal layer.

また、絶縁層としての副トンネル障壁Fを構成する材料がMgOである場合には、トンネル抵抗のスピン依存性が大きいので、スピン分極率を向上させることができる。この材料がZnOである場合には、副トンネル障壁Fのトンネル抵抗を低くすることが可能なので、その影響を抑制し、他方のトンネル障壁層Bに関する磁気抵抗変化を読み出すのに有利である。Al等のAlOxは、手軽に利用できる絶縁体として知られているため、コストを低下することができる。これらの材料はトンネル障壁層Bに用いることができる。副トンネル障壁Fは、MgO、ZnO及びAlOx、TiO、ZrO、HfO、Taからなる絶縁体群から選択された少なくとも1種を含む。
(第2の実施形態)
Further, when the material constituting the sub-tunnel barrier F as the insulating layer is MgO, the spin resistance of the tunnel resistance is large, so that the spin polarizability can be improved. When this material is ZnO, it is possible to reduce the tunnel resistance of the sub-tunnel barrier F, which is advantageous in suppressing the influence and reading out the magnetoresistance change related to the other tunnel barrier layer B. Since AlOx such as Al 2 O 3 is known as an easily usable insulator, the cost can be reduced. These materials can be used for the tunnel barrier layer B. The sub-tunnel barrier F includes at least one selected from the group consisting of MgO, ZnO and AlOx, TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 .
(Second Embodiment)

図3は、第2の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。   FIG. 3 is a view showing a longitudinal sectional structure of the spin device 1 according to the second embodiment.

このスピンデバイス1は、第1の実施形態のスピンデバイス1において、強磁性層Eと副トンネル障壁Fの間に第2の非磁性金属層Gを備えている。このように第2の非磁性金属層Gが強磁性層Eと副トンネル障壁Fとの間に介在している場合においても、副トンネル障壁Fが、非磁性金属層Dから強磁性層Eに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層C内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、従来では不可能であったスピン注入によるフリー層Cの磁化の向きの制御を行うことが可能となる。   The spin device 1 includes a second nonmagnetic metal layer G between the ferromagnetic layer E and the subtunnel barrier F in the spin device 1 of the first embodiment. Thus, even when the second nonmagnetic metal layer G is interposed between the ferromagnetic layer E and the subtunnel barrier F, the subtunnel barrier F is changed from the nonmagnetic metal layer D to the ferromagnetic layer E. In order to block the flow of electrons having a specific polarized spin that flows, the spin magnetic moment of the electrons of the specific polarized spin absorbed in the free layer C increases, and free by spin injection, which was impossible in the past, It becomes possible to control the magnetization direction of the layer C.

なお、第2の非磁性金属層Gの好適な厚みの範囲は、伝導電子のスピン偏極率が減衰しないためという理由から、その非磁性金属層Gのスピン拡散長以下である。なお、非磁性金属層Gと強磁性層Eとの間の電子伝導が弾性的であれば、第1の実施形態と同様の作用・効果が得られる。また、等価回路も同様に表される。
(第3の実施形態)
Note that the preferred thickness range of the second nonmagnetic metal layer G is equal to or less than the spin diffusion length of the nonmagnetic metal layer G because the spin polarization of conduction electrons is not attenuated. If the electron conduction between the nonmagnetic metal layer G and the ferromagnetic layer E is elastic, the same operation and effect as in the first embodiment can be obtained. An equivalent circuit is also expressed in the same manner.
(Third embodiment)

図4は、第3の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。   FIG. 4 is a view showing a longitudinal sectional structure of the spin device 1 according to the third embodiment.

このスピンデバイス1は、注入されるスピンによって磁化の向きFが変化するフリー層Cを有し、ピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層C、非磁性金属層D及び強磁性層Eを順次積層してなり、フリー層Cと非磁性金属層Dとの間に副トンネル障壁Fを備えている。 This spin device 1 has a free layer C in which the magnetization direction F C changes according to the injected spin, and includes a pinned layer A, a tunnel barrier layer B, a free layer C, a nonmagnetic metal layer D, and a ferromagnetic layer E. A sub tunnel barrier F is provided between the free layer C and the nonmagnetic metal layer D.

この構造の場合、副トンネル障壁Fが、フリー層Cと非磁性金属層Dとの間に介在しているため、副トンネル障壁Fが、フリー層Cから非磁性金属層Dに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、従来では不可能であったスピン注入によるフリー層Cの磁化の向きFの制御を行うことが可能となる。 In the case of this structure, since the secondary tunnel barrier F is interposed between the free layer C and the nonmagnetic metal layer D, the secondary tunnel barrier F has a specific bias that flows from the free layer C to the nonmagnetic metal layer D. In order to prevent the flow of electrons having a polar spin, the spin magnetic moment of electrons of a specific polarized spin absorbed in the free layer increases, and the magnetization of the free layer C due to spin injection, which has been impossible in the past, is increased. it is possible to control the orientation F C.

本実施形態のスピンデバイス1は、第1の実施形態のスピンデバイスとは、副トンネル障壁Fの挿入位置のみが異なる。なお、非磁性金属層Dの好適な厚みの範囲は、伝導電子のスピン偏極率が減衰しないためという理由から、その非磁性金属層Gのスピン拡散長以下である。なお、非磁性金属層Dと強磁性層Eとの間の電子伝導が弾性的であれば、第1の実施形態と同様の作用・効果が得られる。また、等価回路も同様に表される。また、非磁性金属層Dと強磁性層Eとの界面においては、特定の偏極スピンの電子の通過を選択するスピンフィルター効果が生じており、スピン分極率が向上している。
(第4の実施形態)
The spin device 1 of this embodiment differs from the spin device of the first embodiment only in the insertion position of the sub-tunnel barrier F. Note that the preferable thickness range of the nonmagnetic metal layer D is equal to or less than the spin diffusion length of the nonmagnetic metal layer G because the spin polarization rate of conduction electrons is not attenuated. If the electron conduction between the nonmagnetic metal layer D and the ferromagnetic layer E is elastic, the same operations and effects as in the first embodiment can be obtained. An equivalent circuit is also expressed in the same manner. In addition, at the interface between the nonmagnetic metal layer D and the ferromagnetic layer E, a spin filter effect that selects the passage of electrons of a specific polarized spin occurs, and the spin polarizability is improved.
(Fourth embodiment)

図5は、第4の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。   FIG. 5 is a view showing a longitudinal sectional structure of the spin device 1 according to the fourth embodiment.

このスピンデバイス1は、ピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層C、非磁性金属層D及び強磁性層Eを順次積層してなるスピンデバイス1において、強磁性層Eの非磁性金属層Dとは反対側に副トンネル障壁Fと第2の強磁性層Hとを順次を備えている。   The spin device 1 includes a pinned layer A, a tunnel barrier layer B, a free layer C, a nonmagnetic metal layer D, and a ferromagnetic layer E, which are sequentially stacked. A sub-tunnel barrier F and a second ferromagnetic layer H are sequentially provided on the opposite side.

この構造の場合、各層A〜Eの機能は上述の通りであるが、副トンネル障壁F及び第2の強磁性層Hが、第1の強磁性層Eから流出しようとする特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層C内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、従来では不可能であったスピン注入によるフリー層Cの磁化の向きFの制御を行うことが可能となる。 In the case of this structure, the functions of the layers A to E are as described above, but the specific polarized spin that the secondary tunnel barrier F and the second ferromagnetic layer H try to flow out of the first ferromagnetic layer E is used. In order to prevent the flow of electrons having the above, the spin magnetic moment of the electrons of a specific polarized spin absorbed in the free layer C increases, and the magnetization direction of the free layer C caused by spin injection, which was impossible in the past, it becomes possible to control the F C.

すなわち、同一の磁化の向きF,Fを有する強磁性層E,Hの間に、副トンネル障壁Fが介在しているため、これらの三層がTMR素子を構成して、スピンフィルターとして機能し、これとは異なる極性のスピンを有する電子の通過を阻止し、フリー層C内にスピンが蓄積する。 That is, since the sub-tunnel barrier F is interposed between the ferromagnetic layers E and H having the same magnetization directions F E and F H , these three layers constitute a TMR element and serve as a spin filter. Functions and blocks the passage of electrons having spins of different polarity, and spins accumulate in the free layer C.

なお、非磁性金属層Dの好適な厚みの範囲は、伝導電子のスピン偏極率が減衰しないためという理由から、その非磁性金属層Gのスピン拡散長以下である。なお、本例でも、第1の実施形態と同様の作用・効果が得られる。   Note that the preferable thickness range of the nonmagnetic metal layer D is equal to or less than the spin diffusion length of the nonmagnetic metal layer G because the spin polarization rate of conduction electrons is not attenuated. Also in this example, the same operation and effect as the first embodiment can be obtained.

図6は、図5に示したスピンデバイス1の等価回路である。   FIG. 6 is an equivalent circuit of the spin device 1 shown in FIG.

同図において、R1はトンネル障壁層Bのアップスピンの電子に対する抵抗、R2はトンネル障壁層Bでのダウンスピンの電子に対する抵抗、R3’は強磁性層Eのアップスピンの電子に対する抵抗、R4は強磁性層Eでのダウンスピンの電子に対する抵抗、R5はフリー層Cのスピン抵抗であってフリー層のスピン磁気モーメントの吸収し難さを示し、R6は強磁性層Eでのスピン抵抗であり強磁性層Eのスピン磁気モーメントの吸収のし難さを示している。   In the figure, R1 is the resistance to the up-spin electrons of the tunnel barrier layer B, R2 is the resistance to the down-spin electrons in the tunnel barrier layer B, R3 'is the resistance to the up-spin electrons of the ferromagnetic layer E, and R4 is Resistance to down-spin electrons in the ferromagnetic layer E, R5 is the spin resistance of the free layer C, indicating that it is difficult to absorb the spin magnetic moment of the free layer, and R6 is the spin resistance in the ferromagnetic layer E This shows the difficulty of absorbing the spin magnetic moment of the ferromagnetic layer E.

スピンデバイスの両端には、電位Vと0がそれぞれ与えられ、各抵抗R1,R2,R3’,R4、R5,R6には、スピン電流(電子流)I1,I2,I3’,I4,I5、I6がそれぞれ流れる。同図の電位Vは、負である。   Potentials V and 0 are respectively applied to both ends of the spin device, and each of the resistors R1, R2, R3 ′, R4, R5, and R6 has spin currents (electron currents) I1, I2, I3 ′, I4, I5, Each I6 flows. The potential V in the figure is negative.

同図中のI5はフリー層Cで吸収されるスピン流であり、これはフリー層Cが吸収するスピン磁気モーメントに比例している。フリー層Cで吸収されたスピン磁気モーメントの一部はフリー層Cの磁化の変化を引き起こす。   In the figure, I5 is a spin current absorbed by the free layer C, which is proportional to the spin magnetic moment absorbed by the free layer C. A part of the spin magnetic moment absorbed in the free layer C causes a change in magnetization of the free layer C.

強磁性層E,Hの間に副トンネル障壁Fを挿入することにより、アップスピン電流I3に対する抵抗R3’を大きく出来るので、スピン流の多くをフリー層Cに吸収させることが出来る。この場合には、スピンフィルター層を構成する強磁性層Eにもスピン流が吸収されるが、抵抗R6が大きい場合には第1の実施形態と同様のスピン注入効率を得ることが出来る。この実施形態の長所は、Co,Fe、CoFe及びCoFeBから選択される群からなる強磁性金属から選択される強磁性層E,Hに副トンネル障壁Fが挟まれた構造をしているために、トンネル抵抗のスピン依存性を大きくすることが出来る点である。   By inserting the sub-tunnel barrier F between the ferromagnetic layers E and H, the resistance R3 'with respect to the up spin current I3 can be increased, so that most of the spin current can be absorbed by the free layer C. In this case, the spin current is also absorbed by the ferromagnetic layer E constituting the spin filter layer, but when the resistance R6 is large, the same spin injection efficiency as in the first embodiment can be obtained. The advantage of this embodiment is that the sub-tunnel barrier F is sandwiched between the ferromagnetic layers E and H selected from the ferromagnetic metal selected from the group selected from Co, Fe, CoFe, and CoFeB. The spin dependency of the tunnel resistance can be increased.

なお、フリー層Cにおいて吸収されるスピン流I5は、以下の式で与えられる。

Figure 2008166608
The spin current I5 absorbed in the free layer C is given by the following equation.
Figure 2008166608

この式からも、抵抗R3’が大きい場合、スピン流I5が大きくなるので、スピン注入の効率が向上することが分かる。   This formula also shows that when the resistance R3 'is large, the spin current I5 becomes large, so that the efficiency of spin injection is improved.

なお、上述のスピンデバイス1は、そのY軸方向両端又はZ軸方向両端に一対の硬磁性体を配置することで、ハードディスクの読み出しヘッドやMRAMとして利用することができる。   The spin device 1 described above can be used as a read head of a hard disk or an MRAM by arranging a pair of hard magnetic bodies at both ends in the Y-axis direction or both ends in the Z-axis direction.

図7は、第5の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。   FIG. 7 is a view showing a longitudinal sectional structure of the spin device 1 according to the fifth embodiment.

このスピンデバイス1は、ピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層C、第1の非磁性金属層D及び第2の非磁性金属層Kを順次積層してなるスピンデバイスにおいて、第1の非磁性金属層Dと第2の非磁性金属層Kとの間に副トンネル障壁Fを備えている。   The spin device 1 is a spin device in which a pinned layer A, a tunnel barrier layer B, a free layer C, a first nonmagnetic metal layer D, and a second nonmagnetic metal layer K are sequentially stacked. A sub-tunnel barrier F is provided between the magnetic metal layer D and the second nonmagnetic metal layer K.

このスピンデバイス1においては、トンネル障壁層Bをピンド層A及びフリー層Cによって挟むことにより、TMR素子として機能している。副トンネル障壁Fが、第1の非磁性金属層Dから第2の非磁性金属層Kに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層C内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。非磁性金属層D,Kの材料は上述の通りであるが、非磁性金属層Dは、Mgなどのスピン緩和が小さい金属が好ましい。   In this spin device 1, the tunnel barrier layer B is sandwiched between the pinned layer A and the free layer C, thereby functioning as a TMR element. Since the sub-tunnel barrier F prevents the flow of electrons having a specific polarized spin flowing from the first nonmagnetic metal layer D to the second nonmagnetic metal layer K, a specific tunnel absorbed in the free layer C The spin magnetic moment of the polarized spin electrons increases, and the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection at a low current. The materials of the nonmagnetic metal layers D and K are as described above. However, the nonmagnetic metal layer D is preferably a metal with small spin relaxation such as Mg.

この構造の場合、その等価回路は、図2に示したものと同じであり、抵抗R4の値が抵抗R3’に等しくなる。すなわち、電流I5は以下の式で与えられる。

Figure 2008166608
In the case of this structure, the equivalent circuit is the same as that shown in FIG. 2, and the value of the resistor R4 is equal to the resistor R3 ′. That is, the current I5 is given by the following equation.
Figure 2008166608

図1に示したように、強磁性層Eのある場合の等価回路ではR3’>R4であったが、本例では、R3’=R4となる。しかしながら、抵抗R3’が、R5<R3’<R2を満たす場合、すなわち、抵抗R3’が、TMR素子のマイノリティスピン電子に対する抵抗(R2)よりも小さく、フリー層Cのスピン抵抗(R5)よりも大きい場合には、電流I5が大きくなることが分かる。従って、この場合には副トンネル障壁Fが無い場合に比較して、スピン注入の効率は向上することが分かる。   As shown in FIG. 1, in the equivalent circuit in the case where the ferromagnetic layer E is present, R3 ′> R4, but in this example, R3 ′ = R4. However, when the resistance R3 ′ satisfies R5 <R3 ′ <R2, that is, the resistance R3 ′ is smaller than the resistance (R2) to the minority spin electrons of the TMR element and is smaller than the spin resistance (R5) of the free layer C. When it is large, it can be seen that the current I5 becomes large. Therefore, it can be seen that the efficiency of spin injection is improved in this case as compared with the case where there is no sub-tunnel barrier F.

図8は、第6の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。   FIG. 8 is a view showing a longitudinal sectional structure of the spin device 1 according to the sixth embodiment.

このスピンデバイス1は、ピンド層A、トンネル障壁層B、フリー層C、非磁性金属層Dを順次積層してなるスピンデバイスにおいて、非磁性金属層Dとフリー層Cとの間に副トンネル障壁Fを備えている。   The spin device 1 is a spin device in which a pinned layer A, a tunnel barrier layer B, a free layer C, and a nonmagnetic metal layer D are sequentially stacked, and a sub-tunnel barrier between the nonmagnetic metal layer D and the free layer C. F is provided.

このスピンデバイス1においては、トンネル障壁層Bをピンド層A及びフリー層Cによって挟むことにより、TMR素子として機能している。副トンネル障壁Fが、非磁性金属層Dとフリー層Cとの間に介在しているので、フリー層Cから非磁性金属層Dに流れる特定の偏極スピンを有する電子の流れを阻止するため、フリー層C内で吸収される特定の偏極スピンの電子のスピン磁気モーメントが増加し、低電流でのスピン注入によるフリー層の磁化の向きの制御を行うことが可能となる。なお、このスピンデバイス1の等価回路は、図7のものと同一である。   In this spin device 1, the tunnel barrier layer B is sandwiched between the pinned layer A and the free layer C, thereby functioning as a TMR element. Since the secondary tunnel barrier F is interposed between the nonmagnetic metal layer D and the free layer C, the flow of electrons having a specific polarized spin flowing from the free layer C to the nonmagnetic metal layer D is prevented. As a result, the spin magnetic moment of electrons of a specific polarized spin absorbed in the free layer C increases, and the magnetization direction of the free layer can be controlled by spin injection at a low current. The equivalent circuit of the spin device 1 is the same as that of FIG.

なお、上述のスピンデバイスのX方向両端の層には、それぞれ図示しない電極が設けられており、配線に接続されている。   Note that electrodes (not shown) are provided on layers at both ends in the X direction of the above-described spin device, and are connected to the wiring.

本発明は、TMR素子を有するスピンデバイスに利用することができる。   The present invention can be used for a spin device having a TMR element.

第1の実施形態に係るTMR素子を備えたスピンデバイス1の縦断面構成を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-sectional structure of the spin device 1 provided with the TMR element which concerns on 1st Embodiment. 図1に示したスピンデバイスの等価回路である。2 is an equivalent circuit of the spin device shown in FIG. 1. 第2の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the spin device 1 which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the spin device 1 which concerns on 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the spin device 1 which concerns on 4th Embodiment. 図5に示したスピンデバイス1の等価回路である。6 is an equivalent circuit of the spin device 1 shown in FIG. 第5の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the spin device 1 which concerns on 5th Embodiment. 第6の実施形態に係るスピンデバイス1の縦断面構造を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the spin device 1 which concerns on 6th Embodiment. 比較例となるTMR素子を備えたスピンデバイスの縦断面構造を示す図である。It is a figure which shows the longitudinal cross-section of the spin device provided with the TMR element used as a comparative example. 図9に示したスピンデバイスの等価回路である。10 is an equivalent circuit of the spin device shown in FIG. 9.

符号の説明Explanation of symbols

1…スピンデバイス、A…ピンド層、B…トンネル障壁層、C…フリー層、D…非磁性金属層、E…強磁性層、F…副トンネル障壁、G…非磁性金属層、H…強磁性層、K…非磁性金属層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spin device, A ... Pinned layer, B ... Tunnel barrier layer, C ... Free layer, D ... Nonmagnetic metal layer, E ... Ferromagnetic layer, F ... Sub tunnel barrier, G ... Nonmagnetic metal layer, H ... Strong Magnetic layer, K: nonmagnetic metal layer.

Claims (8)

ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記非磁性金属層と前記強磁性層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。 In a spin device in which a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a nonmagnetic metal layer, and a ferromagnetic layer are sequentially stacked, a sub-tunnel barrier is provided between the nonmagnetic metal layer and the ferromagnetic layer. Characteristic spin device. 前記強磁性層と前記副トンネル障壁の間に第2の非磁性金属層を備えたことを特徴とする請求項1に記載のスピンデバイス。 The spin device according to claim 1, further comprising a second nonmagnetic metal layer between the ferromagnetic layer and the sub-tunnel barrier. 注入されるスピンによって磁化の向きが変化するフリー層を有するスピンデバイスであって、ピンド層、トンネル障壁層、前記フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記フリー層と前記非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。 A spin device having a free layer in which the direction of magnetization changes according to injected spin, wherein the pinned layer, tunnel barrier layer, free layer, nonmagnetic metal layer, and ferromagnetic layer are sequentially stacked. A spin device comprising a sub-tunnel barrier between the free layer and the nonmagnetic metal layer. ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層及び強磁性層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記強磁性層の前記非磁性金属層とは反対側に副トンネル障壁と第2の強磁性層とを順次を備えたことを特徴とするスピンデバイス。 In a spin device formed by sequentially laminating a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a nonmagnetic metal layer, and a ferromagnetic layer, a sub tunnel barrier and a second layer on the opposite side of the ferromagnetic layer from the nonmagnetic metal layer A spin device comprising a ferromagnetic layer and a sequential layer. ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、第1の非磁性金属層及び第2の非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記第1の非磁性金属層と前記第2の非磁性金属層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。 In the spin device formed by sequentially laminating a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a first nonmagnetic metal layer, and a second nonmagnetic metal layer, the first nonmagnetic metal layer and the second nonmagnetic layer A spin device comprising a secondary tunnel barrier between a metal layer and a spin layer. ピンド層、トンネル障壁層、フリー層、非磁性金属層を順次積層してなるスピンデバイスにおいて、前記非磁性金属層と前記フリー層との間に副トンネル障壁を備えたことを特徴とするスピンデバイス。 A spin device comprising a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, and a nonmagnetic metal layer sequentially stacked, wherein the spin device comprises a subtunnel barrier between the nonmagnetic metal layer and the free layer. . 前記副トンネル障壁は、MgO、ZnO及びAlOx、TiO、ZrO、HfO、Taからなる絶縁体群から選択された少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のスピンデバイス。 The sub-tunnel barrier includes at least one selected from an insulator group consisting of MgO, ZnO, AlOx, TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , and Ta 2 O 5 . The spin device according to any one of claims. 前記副トンネル障壁は、絶縁層、又は、半導体層を挿入することで半導体と金属との接触面に生じるショットキ障壁から構成されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のスピンデバイス。 7. The sub-tunnel barrier is configured by an insulating layer or a Schottky barrier generated at a contact surface between a semiconductor and a metal by inserting a semiconductor layer. Spin device.
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