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公開番号2025013618
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-24
出願番号2024195845,2021141316
出願日2024-11-08,2021-08-31
発明の名称磁気センサ
出願人国立大学法人東京科学大学,キオクシア株式会社
代理人弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
主分類H10D 48/40 20250101AFI20250117BHJP()
要約【課題】耐熱性を向上させ、強磁性体の磁化反転の消費電力を低減できる磁気センサを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、磁気センサは、ディラック型の表面状態を有し、スピンホール角が1を超える非磁性のハーフホイスラー合金トポロジカル半金属であるYPtBiを含む検出層901と、検出層に接し、検出層に接する第1面の面内方向に向いている磁化を有する強磁性体902とを含む。
【選択図】図22
特許請求の範囲【請求項１】
ディラック型の表面状態を有し、スピンホール角が１を超える非磁性のハーフホイスラー合金トポロジカル半金属であるＹＰｔＢｉを含む検出層と、
前記検出層に接し、前記検出層に接する第１面の面内方向に向いている磁化を有する強磁性体と、
を備える、
磁気センサ。
続きを表示（約 390 文字）【請求項２】
前記強磁性体において、前記第１面に対して垂直方向に電流を流し、前記ＹＰｔＢｉにスピン偏極電流を注入することにより、前記ＹＰｔＢｉの逆スピンホール効果によって前記強磁性体の磁化の向きに依存する電圧を発生する、
請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】
前記強磁性体は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、及びＧｄの少なくとも１つを含む、
請求項１または２に記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記ＹＰｔＢｉは、（１１１）面の結晶面を有する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記ＹＰｔＢｉは、３００℃以上且つ６００℃以下の耐熱性を有する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、トポロジカル材料を用いたスピン注入源、磁気メモリ、スピンホール発振器、計算機、及び磁気センサに関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
強磁性体は、その抵抗値が磁化の向きに依存して変化する磁気抵抗効果を有する。このため、強磁性体は、強磁性体の磁化の向きを利用して情報を記録する磁気メモリへの応用が注目されている。また、ＮＡＮＤフラッシュメモリを超える大容量メモリ用途として、強磁性体の磁壁移動を利用した磁壁駆動型の磁気メモリが注目されている。さらに、強磁性体の磁化は数ＧＨｚ以上での歳差運動が可能である。このため、強磁性体は、スピンホール発振器への応用や、そのスピンホール発振器を用いたニューロモーフィック・コンピュータをはじめとした計算機への応用も期待されている。
【０００３】
これらデバイスの基盤技術の１つとして、強磁性体の磁化の向きの制御技術が重要である。磁化の制御手法として、電子のスピン角運動量の流れであるスピン流を用いる手法が主流である。スピン流の生成手法は２つの手法に大別される。
【０００４】
１つめの手法は、強磁性体に電流を流し、その強磁性体のスピンフィルタリング効果によりスピン偏極電流を生成する手法である。この手法であれば、このスピン偏極電流を制御対象の強磁性体に流すことにより、その強磁性体の磁化の向きを制御できる。この手法は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ：Spin Transfer Torque）方式と呼ばれている。ＳＴＴ方式の適用例として、ＳＴＴ磁気メモリ(ＳＴＴ－ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory)のセル構造の一例を図１に示す。ＳＴＴ磁気メモリは、例えば、制御対象の磁化を有する強磁性体（磁化自由層）と、スピン流生成用の強磁性体（磁化固定層）との間に、トンネルバリア層として機能する非磁性の絶縁体が設けられた構造を有する。強磁性体の膜面と垂直方向に電流を流すことにより、電流に対して平行方向にスピン流が生じる。このとき、スピン流の生成効率は、磁化固定層に用いた強磁性材料のスピン分極率Ｐで決まる。しかし、スピン分極率Ｐは、一般に０．５～０．８と小さく、原理的に１を超えることができない。このため、ＳＴＴ磁気メモリは、磁化制御に大電流を要する。大電流を用いた磁化制御は、デバイス劣化の原因の１つとなっていた。磁化制御に大電流が要求されるという問題はＳＴＴ方式に内在する問題であり、ＳＴＴ方式を利用するすべてのデバイスにおいて共通の問題である。
【０００５】
この問題を解決するため、２つめの手法として、スピンホール効果（ＳＨＥ：Spin Hall Effect）という現象を利用した手法が注目を集めている。ＳＨＥとは、非磁性材料に電流を注入した際に、電流に対して垂直方向にスピン流が生じる現象である。ＳＨＥの強い材料として、スピン軌道相互作用の強い重金属やトポロジカル絶縁体が知られている。これらの材料群は、スピン注入源材料の候補となり得る。ＳＨＥを利用した手法は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）方式と呼ばれている。ＳＯＴ方式の適用例として、ＳＯＴ磁気メモリ（ＳＯＴ－ＭＲＡＭ）のセル構造の一例を図２に示す。ＳＯＴ方式は、ＳＴＴ方式と同様の積層構造に加え、磁化自由層に接するスピン注入源（スピンホール層）を有する。ＳＯＴ方式では電流とスピン流の方向が直交している。このため、実効的なスピン流生成効率は、ＳＨＥの強さを表すスピンホール角と、磁化自由層の長さＬ
ＦＭ
とスピンホール層の膜厚ｔ
ＳＨ
との比Ｌ
ＦＭ
／ｔ
ＳＨ
との積に基づく。このように、ＳＯＴ方式はスピンホール材料だけでなく、構造の工夫によってもスピン流生成効率を高めることができる。さらに、スピンホール角及び比Ｌ
ＦＭ
／ｔ
ＳＨ
は、ともに１を超えることができるため、磁化制御に要する電流量を低減することが容易である。
【０００６】
スピン流生成効率の観点から、スピンホール層の材料は大きなスピンホール角を有することが望ましい。一方、スピンホール層は磁化自由層と接しているため、スピンホール層に注入した電流の一部は、磁化自由層に分流されてしまう。したがって、スピンホール材料は、磁化自由層の強磁性材料と同等以上の電気伝導率である方が望ましい。磁気抵抗効果の大きさから、磁化自由層の材料には、例えばＣｏＦｅ合金等の強磁性体が用いられるため、スピンホール材料としては、１０
５
Ｓ／ｍ以上の電気伝導率を有するものが望ましい。
【０００７】
１０
５
Ｓ／ｍを超える高い電気伝導率を有するスピンホール材料として、Ｐｔ、Ｔａ、及びＷなどの重金属が研究されている。しかし、非特許文献１～非特許文献３に示すように、重金属のスピンホール角は０．１台と小さいため、磁化制御電流量の低減効果は限定的である。一方、１以上の巨大スピンホール角を有する材料として、Ｂｉ
２
Ｓｅ
３
、あるいはＢｉ
２
Ｔｅ
３
などのトポロジカル絶縁体が知られている。これら材料のスピンホール角は、ディラック型の表面状態から生じる強いアンチダンピングトルクに起因していることが特徴的である。非特許文献４～非特許文献６に示すように、これらの材料は、電気伝導率が１０
３
～１０
４
Ｓ／ｍと低い。しかし、１を超えるスピンホール角は、スピン流の生成効率の観点で有望である。近年、１０
５
Ｓ／ｍを超える高い電気伝導率と、１を超える巨大スピンホール角とを両立可能なトポロジカル絶縁体の一種であるＢｉＳｂ合金が開発された。特許文献１に示すように、ＢｉＳｂ合金をスピンホール材料に用いることにより、磁化制御電流量をＳＴＴ方式よりも１桁以上低減させることが可能である。
【０００８】
トポロジカル絶縁体は、ディラック型の表面状態に起因する１を超えるスピンホール角を有する。このため、重金属より高いスピン流生成効率の実現が可能である。しかし、既存のトポロジカル絶縁体は主にＶ族とＶＩ族から構成されるため融点が低く、４００℃以上の加熱を伴う半導体製造プロセスとの親和性が低いという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
国際公開第２０１９／０５４４８４号
【非特許文献】
【００１０】
ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，（米国），２０１１年，１０６，０３６６０１
Ｓｃｉｅｎｃｅ，（米国），２０１２年，Ｖｏｌ．３３６，ｐ．５５５－５５８
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，（米国），２０１２年，１０１，１２２４０４
Ｎａｔｕｒｅ，（米国），２０１４年，Ｖｏｌ．５１１，ｐ．４４９
ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，（米国），２０１８年，Ｖｏｌ．１７，ｐ．８００－８０７
ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，（米国），２０１９年，１２３，２０７２０５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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