JP2008192712A - トンネル磁気抵抗素子 - Google Patents
トンネル磁気抵抗素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008192712A JP2008192712A JP2007023585A JP2007023585A JP2008192712A JP 2008192712 A JP2008192712 A JP 2008192712A JP 2007023585 A JP2007023585 A JP 2007023585A JP 2007023585 A JP2007023585 A JP 2007023585A JP 2008192712 A JP2008192712 A JP 2008192712A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- ferromagnetic metal
- metal nanoparticles
- magnetoresistive element
- nanoparticles
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Pending
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 60
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 75
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 73
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 50
- 125000006239 protecting group Chemical group 0.000 claims abstract description 19
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000003475 lamination Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 description 18
- 229910005335 FePt Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 6
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 5
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- -1 Aliphatic amines Chemical class 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910018979 CoPt Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910015187 FePd Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910016583 MnAl Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- WRIDQFICGBMAFQ-UHFFFAOYSA-N (E)-8-Octadecenoic acid Natural products CCCCCCCCCC=CCCCCCCC(O)=O WRIDQFICGBMAFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QGLWBTPVKHMVHM-KTKRTIGZSA-N (z)-octadec-9-en-1-amine Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCCN QGLWBTPVKHMVHM-KTKRTIGZSA-N 0.000 description 2
- LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 20:1omega9c fatty acid Natural products CCCCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QSBYPNXLFMSGKH-UHFFFAOYSA-N 9-Heptadecensaeure Natural products CCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O QSBYPNXLFMSGKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005642 Oleic acid Substances 0.000 description 2
- ZQPPMHVWECSIRJ-UHFFFAOYSA-N Oleic acid Natural products CCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- CUJRVFIICFDLGR-UHFFFAOYSA-N acetylacetonate Chemical compound CC(=O)[CH-]C(C)=O CUJRVFIICFDLGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- GHVNFZFCNZKVNT-UHFFFAOYSA-N decanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCC(O)=O GHVNFZFCNZKVNT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- POULHZVOKOAJMA-UHFFFAOYSA-N dodecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCC(O)=O POULHZVOKOAJMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- IPCSVZSSVZVIGE-UHFFFAOYSA-N hexadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O IPCSVZSSVZVIGE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- QXJSBBXBKPUZAA-UHFFFAOYSA-N isooleic acid Natural products CCCCCCCC=CCCCCCCCCC(O)=O QXJSBBXBKPUZAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N oleic acid Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N 0.000 description 2
- 239000013110 organic ligand Substances 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000938 samarium–cobalt magnet Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- KLFRPGNCEJNEKU-FDGPNNRMSA-L (z)-4-oxopent-2-en-2-olate;platinum(2+) Chemical compound [Pt+2].C\C([O-])=C\C(C)=O.C\C([O-])=C\C(C)=O KLFRPGNCEJNEKU-FDGPNNRMSA-L 0.000 description 1
- BTOOAFQCTJZDRC-UHFFFAOYSA-N 1,2-hexadecanediol Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCC(O)CO BTOOAFQCTJZDRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005632 Capric acid (CAS 334-48-5) Substances 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005639 Lauric acid Substances 0.000 description 1
- 235000021314 Palmitic acid Nutrition 0.000 description 1
- 235000021355 Stearic acid Nutrition 0.000 description 1
- PLZVEHJLHYMBBY-UHFFFAOYSA-N Tetradecylamine Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCN PLZVEHJLHYMBBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- DKNWSYNQZKUICI-UHFFFAOYSA-N amantadine Chemical compound C1C(C2)CC3CC2CC1(N)C3 DKNWSYNQZKUICI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960003805 amantadine Drugs 0.000 description 1
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000007771 core particle Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- JRBPAEWTRLWTQC-UHFFFAOYSA-N dodecylamine Chemical compound CCCCCCCCCCCCN JRBPAEWTRLWTQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 1
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 1
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 1
- 150000002258 gallium Chemical class 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N iron;(z)-4-oxoniumylidenepent-2-en-2-olate Chemical compound [Fe].C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O.C\C(O)=C\C(C)=O LZKLAOYSENRNKR-LNTINUHCSA-N 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- WQEPLUUGTLDZJY-UHFFFAOYSA-N n-Pentadecanoic acid Natural products CCCCCCCCCCCCCCC(O)=O WQEPLUUGTLDZJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Natural products CCCCCCCC(C)CCCCCCCCC(O)=O OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IOQPZZOEVPZRBK-UHFFFAOYSA-N octan-1-amine Chemical compound CCCCCCCCN IOQPZZOEVPZRBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000002094 self assembled monolayer Substances 0.000 description 1
- 239000013545 self-assembled monolayer Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000008117 stearic acid Substances 0.000 description 1
- 125000004079 stearyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- TUNFSRHWOTWDNC-HKGQFRNVSA-N tetradecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCC[14C](O)=O TUNFSRHWOTWDNC-HKGQFRNVSA-N 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/7613—Single electron transistors; Coulomb blockade devices
Abstract
【課題】積層構造を有さないでトンネル接合を形成した新規な構造のトンネル接合磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】強磁性体からなる第１の電極１２と強磁性体からなる第２の電極１３と第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置されるナノ粒子１４とを備え、ナノ粒子１４が強磁性金属ナノ粒子１４ａの外周に絶縁性を有する保護基１４ｂを有する。強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２との間に第１のトンネル接合１５ａが形成され、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第２の電極１３との間に第２のトンネル接合１５ｂが形成される。
【選択図】図１
【解決手段】強磁性体からなる第１の電極１２と強磁性体からなる第２の電極１３と第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置されるナノ粒子１４とを備え、ナノ粒子１４が強磁性金属ナノ粒子１４ａの外周に絶縁性を有する保護基１４ｂを有する。強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２との間に第１のトンネル接合１５ａが形成され、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第２の電極１３との間に第２のトンネル接合１５ｂが形成される。
【選択図】図１
Description
本発明は、磁気センサやＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）などに用いられるトンネル磁気抵抗素子に係り、特に積層構造を用いることなくトンネル接合を形成したトンネル磁気抵抗素子に関する。
トンネル磁気抵抗素子は一般に磁気固定層（ピン層）／絶縁層／磁気自由層（フリー層）の３層を含み、この絶縁層が厚さ２ｎｍ前後以下と非常に薄いために電子の一部がトンネルして絶縁層を通過する。トンネル磁気抵抗素子における磁気固定層の磁化方向は、トンネル磁気抵抗素子を流れる電流の向きに直交した方向に固定されているのに対し、磁気自由層の磁化方向は、検出しようとする外部磁場の方向に応じて、磁気固定層の磁化方向と同じ方向か逆方向の何れかの方向となる。磁気自由層の磁化方向が磁気固定層の磁化方向と同じ方向である場合には、大きなトンネル電流が流れるためトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は小さくなる。逆に、磁気自由層の磁化方向が磁気固定層の磁化方向と逆方向である場合には小さなトンネル電流しか流れないためトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は大きくなる。よって、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値の大小によって、外部磁界をセンシングすることができる（特許文献１及び２、非特許文献１〜３）。
ガリウム・マンガン・ヒ素薄膜からなる単一電子トランジスタ構造を採用したクーロンブロッケード異方性磁気抵抗効果素子では、トンネル磁気抵抗が１００倍を超えて変化することが報告されている（非特許文献４）。
一方、本発明者らは、コア粒径及び有機配位子材料を設計した金属ナノ粒子を合成してＳＰＭプローブの電極としてエレクトロンシャトルを作製し、単一金属ナノ粒子における有機配位子のトンネル抵抗を見積もり、単一金属ナノ粒子上の単一電子測定などに成功している。また、粒径１０ｎｍ以下のシングルナノメートルの金属ナノ粒子は、サイズ特異的な電子物性や磁気物性を示すことから、次世代のナノ電子素子やナノ磁気素子の構成単位として大きな注目を集めている。
ところで、ナノギャップ電極を作製する方法として、例えばメカニカルブレイクジャンクション法（非特許文献５）やエレクトロマイグレーション法（非特許文献６）、エアブリッジマスクを用いた斜め蒸着法（非特許文献７及び８）、電子線露光法（Electron Beam Lithography、ＥＢＬ法）による直接描画法（非特許文献９）、めっき法（非特許文献１０及び１１）などの各種方法が提案されている。そのうちＥＢＬや光リソグラフィーで数十ｎｍのギャップを形成し、このギャップ間をめっきで狭めることにより、３．３ｎｍ±１．４ｎｍや５ｎｍ以下のギャップ幅を再現性よく、かつ９０％の歩留まりでナノギャップ電極を作製することが報告されている（非特許文献１２）。
しかしながら、一般的な磁気抵抗素子では磁気固定層／絶縁層／磁気自由層の積層構造を有し、その絶縁層の絶縁性能を安定して得ることが困難であり、動作安定に悪影響を及ぼす。クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子では、ガリウム・マンガン・ヒ素薄膜の二次元電子ガス構造を有する積層構造を有する。
そこで、本発明は、積層構造を有さないでトンネル接合を形成した新規な構造のトンネル接合磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第１の電極と、第２の電極と、第１の電極及び第２の電極間に配置されるナノ粒子とを備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第１の電極との間にトンネル接合が形成されることを特徴とする。
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第１の電極と、強磁性体からなる第２の電極と、第１の電極及び第２の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第１の電極との間に第１のトンネル接合が形成され、強磁性金属ナノ粒子と第２の電極との間に第２のトンネル接合が形成されることを特徴とする。
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性体からなる第１の電極と、強磁性体からなる第２の電極と、第１の電極及び第２の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、強磁性金属ナノ粒子と第１の電極との間に第１のトンネル接合が形成され、強磁性金属ナノ粒子と第２の電極との間に第２のトンネル接合が形成されることを特徴とする。
上記構成によれば、強磁性金属ナノ粒子と電極との間にトンネル接合が形成されるので、積層構造を採用する必要がなく、安定して動作させることができる。また、従来の一般的なトンネル磁気抵抗素子と比べ歩留まり良く作製することができる。
上記構成において、強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが外部磁場により制御され、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小でスイッチング機能を有する ようにしてもよい。特に、強磁性金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を備える。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することが好ましい。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で第１の電極又は第２の電極のスピンの向きが変化することで、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出するようにしてもよい。
さらに、第１の電極と第２の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることが好ましい。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することが好ましい。
強磁性金属ナノ粒子は、トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で第１の電極又は第２の電極のスピンの向きが変化することで、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出するようにしてもよい。
さらに、第１の電極と第２の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることが好ましい。
上記構成によれば、一重トンネル接合磁気抵抗素子や二重トンネル接合磁気抵抗素子で、スイッチング素子や磁気センサなどを実現することができる。また、ゲート電極を有する構成では二重トンネル接合抵抗素子を含んだ単一電子トランジスタ構造を採用することになるので、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子を実現でき、磁気抵抗効果の大きさと信号変化の正負とをゲート電極で制御することもできる。
本発明によれば、少なくとも一方が強磁性体でなる一対の電極間にナノ粒子を配置し、ナノ粒子が強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁層を保護基として有してなるので、電極と強磁性金属ナノ粒子との間にトンネル接合が形成される。従って、従来のような磁気固定層／絶縁層／磁気自由層の積層構造を有さないため、安定して動作することができる。一重トンネル接合磁気抵抗素子や二重トンネル磁気抵抗素子で、スイッチング素子や磁場検出素子を実現することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明のトンネル磁気抵抗素子１０の構造を模式的に示す図である。本発明のトンネル磁気抵抗素子１０は、図１に示すように、基板１１上に所定の隙間を有するよう対向配置される第１の電極１２及び第２の電極１３と、第１の電極１２と第２の電極１３との隙間に配置されるナノ粒子１４とを備えて構成される。基板１１は、例えば導体基板又は半導体基板１１ｂ上に絶縁層１１ａが形成されてなる。
図１は、本発明のトンネル磁気抵抗素子１０の構造を模式的に示す図である。本発明のトンネル磁気抵抗素子１０は、図１に示すように、基板１１上に所定の隙間を有するよう対向配置される第１の電極１２及び第２の電極１３と、第１の電極１２と第２の電極１３との隙間に配置されるナノ粒子１４とを備えて構成される。基板１１は、例えば導体基板又は半導体基板１１ｂ上に絶縁層１１ａが形成されてなる。
図２は、図１に示すトンネル抵抗磁気抵抗素子１０におけるナノ粒子１４を示す図である。図３は、図２の具体的な例として、保護基を有するＬ１0-ＦｅＰｔナノ粒子を模式的に示す図である。図３において白抜きの球はＰｔを表し、斜線付きの球はＦｅを表している。ナノ粒子１４は、図２及び図３に示すように、強磁性体でなる金属ナノ粒子１４ａの外周に絶縁性を有する保護基１４ｂを設けてなる。ここで、強磁性体でなる金属ナノ粒子、即ち強磁性金属ナノ粒子１４ａは、Ｆｅ，Ｃｏ，γ-Ｆｅ2Ｏ3などの軟磁性体や、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ,ＦｅＰｄ，ＭｎＡｌなどの硬磁性体でなる単分散ナノ粒子である。単分散ナノ粒子とは、粒径分布における標準偏差が１０％以下のナノ粒子である。強磁性金属ナノ粒子１４ａは、所定の粒径、形状、組成、結晶構造、収量（ｇ／バッチ）を有する。例えば所定の粒径としては３〜１０ｎｍであり、所定の形状としてはｃｕｂｏ−八面体、立方体である。
強磁性金属ナノ粒子１４ａは、所定の粒径、金属組成及び焼成温度の何れか一つ以上を制御することで、所定の保磁力を有するようにする。例えば、粒径３．１ｎｍのＦｅＰｔから形成されるナノ粒子を６００℃で焼成処理した場合の保磁力はＦｅ49Ｐｔ51で約２．８ｋＯｅ、Ｆｅ55Ｐｔ45で約６．４ｋＯｅ、Ｆｅ64Ｐｔ36で約４ｋＯｅとなり、鉄の組成比が増す毎に保磁力も増加する。さらに、焼成温度が高くなると、ｆｃｃ（面心立方）からｆｃｔ（面心直方）構造への規則度が増加するので、保磁力も増加する。
単磁区構造を有するナノ粒子では、粒径２０ｎｍ程度までは粒径の増大に従い熱擾乱による磁化反転が抑制されるので、保磁力も増大する。
単磁区構造を有するナノ粒子では、粒径２０ｎｍ程度までは粒径の増大に従い熱擾乱による磁化反転が抑制されるので、保磁力も増大する。
一方、保護基１４ｂは、有機酸、有機アミンなどの有機物である。有機酸としては、化学式（１）で示されるオレイン酸の他、ステアリン酸、パルチミン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸、カプリン酸などの脂肪酸、有機アミンとして化学式（２）で示されるオレイルアミンの他、ステアリルアミン、ミリスチルアミン、ラウリルアミン、カプリルアミン、アダマンチルアミンなどの脂肪族アミンが好ましい。
有機酸と有機アミンとはほぼ等モル、即ち４／６〜６／４のモル比で、特に好ましくは５／５のモル比で、強磁性金属ナノ粒子１４ａの回りに保護基１４ｂとして付着している。
第１の電極１２及び第２の電極１３は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ（パーマロイ）、ＣｏＰｔＣｒ、ＢａＦｅＯ、ＭｎＡｌ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＦｅＮｄＢ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏなど強磁性体でなる。よって、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２との間には第１のトンネル接合１５ａが形成され、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第２の電極１３との間には第２のトンネル接合１５ｂが形成され、第１の電極１２と強磁性金属ナノ粒子１４ａとは第１のトンネル接合１５ａで接続され、第２の電極１３と強磁性金属ナノ粒子１４ａとは第２のトンネル接合１５ｂで接続されている。
ここで、第１の電極１２及び第２の電極１３を異なる電極材料で構成したり、電極幅や電極長など電極形状の構造を対称構造、非対称構造にすることで、電極１２、電極１３それぞれの保磁力を変化させることができる。即ち、電極構造が対称の場合、一定外部磁場中では第１の電極１２、第２の電極１３の磁気モーメントは平行（parllel）となるが、非対称な電極構造では、一定外部磁場中では、第１電極１２、第２の電極１３の磁気モーメントを逆平行（antiparallel）状態にすることができる。
以上のように、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０は、表面が絶縁性の基板１１上に第１及び第２の電極１２，１３がギャップを有するよう配置され、保護基１４ｂを強磁性金属ナノ粒子１４ａの外周に設けてなるナノ粒子１４が配置される構造であることから、積層構造を有しないで、第１及び第２のトンネル接合１５ａ，１５ｂで二重トンネル接合を有している。よって、従来のように、トンネル接合を形成するために磁気固定層／絶縁層／磁気自由層の積層構造を有しない。
ここで、第１の電極１２と第２の電極１３との隙間、即ちギャップは、１〜１０ｎｍのナノオーダー、特に３〜５ｎｍであることが好ましい。これは、不要なトンネル過程によるリーク電流を少なくするためである。トンネル電流はトンネル距離に対して指数関数的に減少し、真空や大気中では０．１ ｎｍで１桁電流が変化する。よって、ギャップが１ｎｍ以下となると、強磁性金属ナノ粒子１４ａを介在せずに第１の電極１２と第２の電極１３の間をトンネルすることで、不要なトンネル過程によるリーク電流が流れてしまうため、好ましくない。
特に、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子とする場合には、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２及び第２の電極１３との間の静電容量が小さいほうが温度特性に優れるため、強磁性金属ナノ粒子の粒径が小さい方が好ましく、その結果としてギャップ間は狭い方が好ましい。
特に、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子とする場合には、強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１の電極１２及び第２の電極１３との間の静電容量が小さいほうが温度特性に優れるため、強磁性金属ナノ粒子の粒径が小さい方が好ましく、その結果としてギャップ間は狭い方が好ましい。
図４は、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０を動作させるための回路構成を模式的に示す図である。図４に示すように、トンネル接合磁気抵抗素子１０における第１の電極１２側に可変直流電源２１を接続し、第２の電極１３側に、トンネル接合磁気抵抗素子１０に流れる電流を測定するための電流計２２を接続する。これで、トンネル接合磁気抵抗素子１０に流れる電流を電流計２２で計測し、電流の変化を検出することができる。
次に、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の好ましい形態として、第１の電極１２及び第２の電極１３と比べ強磁性金属ナノ粒子１４ａが、外部磁場に対する小さい又は大きい保磁力を有する形態について説明する。
先ず、強磁性金属ナノ粒子１４ａが第１の電極１２及び第２の電極１３より、外部磁場に対する保磁力が小さい場合を説明する。ここで、強磁性金属ナノ粒子１４ａが第１の電極１２及び第２の電極１３より外部磁場に対する保磁力を小さくするためには、前述したように、強磁性金属ナノ粒子１４ａの粒径や組成を調節し、かつ第１の電極１２及び第２の電極１３の電極材料又は電極形状を調節することで実現することができる。この形態では、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを外部磁場で制御することができる。
先ず、強磁性金属ナノ粒子１４ａが第１の電極１２及び第２の電極１３より、外部磁場に対する保磁力が小さい場合を説明する。ここで、強磁性金属ナノ粒子１４ａが第１の電極１２及び第２の電極１３より外部磁場に対する保磁力を小さくするためには、前述したように、強磁性金属ナノ粒子１４ａの粒径や組成を調節し、かつ第１の電極１２及び第２の電極１３の電極材料又は電極形状を調節することで実現することができる。この形態では、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを外部磁場で制御することができる。
図５は、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の動作を示すための説明図である。なお、図中において白抜きの矢印は電子のスピン状態を示し、太字の矢印は電子の流れを示している。
外部磁場を強磁性金属ナノ粒子１４ａに印加して、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きと揃えると（図５（Ａ）に示す状態）、第１のトンネル接合１５ａ，強磁性金属ナノ粒子１４ａ及び第２のトンネル接合１５ｂを介して第１の電極１２と第２の電極１３との間に流れる電流を大きくすることができる。
逆に、外部磁場を強磁性金属ナノ粒子１４ａに印加して、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きと逆向きにすると（図５（Ｂ）に示す状態）、第１のトンネル接合１５ａ，強磁性金属ナノ粒子１４ａ及び第２のトンネル接合１５ｂを介して第１の電極１２と第２の電極１３との間に流れる電流を小さくすることができる。
よって、トンネル磁気抵抗素子１０は、外部磁場で電流の大小を制御するスイッチング機能を有したり、流れる電流の測定により外部磁場を検出する検出機能を有する。
外部磁場を強磁性金属ナノ粒子１４ａに印加して、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きと揃えると（図５（Ａ）に示す状態）、第１のトンネル接合１５ａ，強磁性金属ナノ粒子１４ａ及び第２のトンネル接合１５ｂを介して第１の電極１２と第２の電極１３との間に流れる電流を大きくすることができる。
逆に、外部磁場を強磁性金属ナノ粒子１４ａに印加して、強磁性金属ナノ粒子１４ａのスピンの向きを第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きと逆向きにすると（図５（Ｂ）に示す状態）、第１のトンネル接合１５ａ，強磁性金属ナノ粒子１４ａ及び第２のトンネル接合１５ｂを介して第１の電極１２と第２の電極１３との間に流れる電流を小さくすることができる。
よって、トンネル磁気抵抗素子１０は、外部磁場で電流の大小を制御するスイッチング機能を有したり、流れる電流の測定により外部磁場を検出する検出機能を有する。
逆に、第１の電極１２及び第２の電極１３と比べ強磁性金属ナノ粒子１４ａが外部磁場に対して大きい保磁力を有するトンネル接合磁気抵抗素子１０であっても、外部磁場による第１の電極１２及び第２の電極１３のスピンの向きの変化を検出することができ、磁場検出素子を実現することができる。
さらに、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０は、強磁性体でなる第１の電極１２及び第２の電極１３との間に金属ナノ粒子を埋め込んだ構造、即ち、二重トンネル接合磁気抵抗素子となっているので、金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を実現することができる。
即ち、強磁性金属ナノ微粒子１４をクーロン島とする二重トンネル接合構造においては、電子が第１の電極１２又は第２の電極１３から強磁性金属ナノ粒子１４にトンネルする際に、中間電極の役目を果たす強磁性金属ナノ粒子１４上を単一電子が輸送され、電流値が電子一つ一つに対応した不連続値をとる、いわゆるクーロンブロッケード現象が観察される。このような単一電子素子は、単一電子の振る舞いを検知することが可能であり、非常に高感度なセンサとして動作することができる。さらに今回は電極材料として磁性体を用いることで、電子がトンネルする際にスピン相互作用の影響を受けることになる。
即ち、強磁性金属ナノ微粒子１４をクーロン島とする二重トンネル接合構造においては、電子が第１の電極１２又は第２の電極１３から強磁性金属ナノ粒子１４にトンネルする際に、中間電極の役目を果たす強磁性金属ナノ粒子１４上を単一電子が輸送され、電流値が電子一つ一つに対応した不連続値をとる、いわゆるクーロンブロッケード現象が観察される。このような単一電子素子は、単一電子の振る舞いを検知することが可能であり、非常に高感度なセンサとして動作することができる。さらに今回は電極材料として磁性体を用いることで、電子がトンネルする際にスピン相互作用の影響を受けることになる。
これに対し、従来作製されてきたトンネル抵抗素子は積層構造を有しており、二重トンネル接合は形成可能でも、中間電極のサイズを制御することはできなかった。中間電極のサイズが大きくなると、中間電極と電極１２及び電極１３の間の静電容量が増加することによりクーロンブロッケード現象が観察されにくくなると共に、トンネルする電子の個数も増え、そのためノイズも大きくなる。
よって、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の構造では、中間電極は理想的には強磁性ナノ粒子が１つであるので、クーロンブロッケード現象により電子が一つ一つトンネルし、ノイズが少なくなり、より高い磁気抵抗比を実現することができる。
よって、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０の構造では、中間電極は理想的には強磁性ナノ粒子が１つであるので、クーロンブロッケード現象により電子が一つ一つトンネルし、ノイズが少なくなり、より高い磁気抵抗比を実現することができる。
次に、変形例を説明する。
変形例として、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０のように二重トンネル接合を形成しておらず、第１の電極１１か第２の電極１２の何れかのみが強磁性体でなり一重のトンネル接合を形成していてもよい。即ち、第１の電極１２、第２の電極１３の何れか一方を強磁性体、もう一方を非磁性体とする。この場合には、非磁性体の電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎなどで形成される。
変形例として、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０のように二重トンネル接合を形成しておらず、第１の電極１１か第２の電極１２の何れかのみが強磁性体でなり一重のトンネル接合を形成していてもよい。即ち、第１の電極１２、第２の電極１３の何れか一方を強磁性体、もう一方を非磁性体とする。この場合には、非磁性体の電極は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎなどで形成される。
別の変形例として、一対の電極のうち、例えば第１の電極１１が強磁性金属ナノ粒子１４ａとトンネル接合し、第２の電極１２が強磁性金属ナノ粒子１４ａとトンネル接合していなくてもよい。この場合、トンネル接合していない一方の電極１１又は１２と強磁性金属ナノ粒子１４ａとは導通しているか、又はナノギャップ電極間にナノ粒子が埋め込まれて構成される。
別の変形例として、第１の電極１２及び第２の電極１３の配置方向に対し、交わる方向に、ゲート電極や一対のゲート電極を配置してもよい。ここで、ゲート電極は磁性又は非磁性の何れでも良く、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＰｔＣｒ、ＢａＦｅＯ、ＭｎＡｌ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＦｅＮｄＢ、ＦｅＰｔ、ＳｍＣｏなどで形成される。
図６は、本発明のトンネル接合磁気抵抗素子３０を模式的に示す図である。本発明のトンネル接合磁気抵抗素子３０は、ギャップを形成する第１の電極１２及び第２の電極１３の配置方向に直交するように、第３の電極としてゲート電極３１を設けて構成される。
図７は、本発明のトンネル接合磁気抵抗素子４０を模式的に示す図である。本発明のトンネル接合磁気抵抗素子４０は、ギャップを形成する第１の電極１２及び第２の電極１３の配置方向に直交するように、第３の電極として第１ゲート電極４１と第４の電極として第２ゲート電極４２を設けて構成される。
このように、ゲート電極３１，４１及び４２を有することで、二重トンネル接合磁気抵抗素子を含んだ単一電子トランジスタ構造を採用し、これにより、ゲート電極３１，４１及び４２に印加する電圧（ゲート電圧）で、磁気抵抗効果の大きさと信号変化の正負を制御することができる。即ち、中間電極となる強磁性金属ナノ粒子１４ａ上の電子数は、第１の電極１２又は第２の電極１３からの電子のトンネル、ゲート電圧の制御により変化する。強磁性金属ナノ粒子１４ａ上に電子が存在する場合、強磁性金属ナノ粒子１４ａ上に次にトンネルしようとする電子に対し静電気力による反発力が存在するため、強磁性金属ナノ粒子１４ａ上に電子が存在しない場合と比べその反発力分だけ余分に電圧を加える必要がある。つまりゲート電極３１，４１及び４２により素子の抵抗や正負を制御することができる。特にゲート電極３１，４１及び４２を磁性体で構成した場合には、ゲート電極３１，４１及び４２からのスピン注入により強磁性金属ナノ粒子１４ａ上の電子スピンの向きを制御することが可能であり、外部磁場だけでなく、ゲート電極による磁気抵抗効果の発現も期待できる。
次に、トンネル磁気抵抗素子１０の製造方法について説明する。
先ず、ナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極１３とを形成する。その際、電子ビームリソグラフィー（ＥＢＬ）や光リソグラフィーで数十ｎｍのギャップを形成し、次にギャップ間をめっきで狭めて既定の距離とすることが好ましい。これは、再現性やプロセスの適合性がよく、多数の素子を一度に構築することができるからである。また、電子ビームリソグラフィーで、１０ｎｍ程度のギャップを直接形成しても良い。
ここで、ギャップ間隔は狭い方が好ましい。これは、クーロン島としての強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１及び第２の電極１２，１３との静電容量が小さくなり、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子の温度特性が優れるためである。
先ず、ナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極１３とを形成する。その際、電子ビームリソグラフィー（ＥＢＬ）や光リソグラフィーで数十ｎｍのギャップを形成し、次にギャップ間をめっきで狭めて既定の距離とすることが好ましい。これは、再現性やプロセスの適合性がよく、多数の素子を一度に構築することができるからである。また、電子ビームリソグラフィーで、１０ｎｍ程度のギャップを直接形成しても良い。
ここで、ギャップ間隔は狭い方が好ましい。これは、クーロン島としての強磁性金属ナノ粒子１４ａと第１及び第２の電極１２，１３との静電容量が小さくなり、クーロンブロッケード異方性磁気抵抗素子の温度特性が優れるためである。
次に、第１の電極１２及び第２の電極１３の間に、超常磁性ナノ粒子を配置して埋め込み、その後加熱処理を施すことで、超常磁性ナノ粒子を変態させて強磁性ナノ粒子１４ａとする。強磁性ＦｅＰｔナノ粒子の場合を例に挙げると、第１の手法として、第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置した超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を所定温度、例えば３００〜６００℃程度で熱処理し強磁性に変態させる。その後、保護基１４ｂを含む溶液に浸漬することで、ナノ粒子表面にトンネル層となる保護基１４ｂを配位させる。ここで、ナノギャップ電極間に、塗布法、スプレージェット法、浸漬法、ＬＢ法などによりナノ粒子１４を配置することができる。
第２の手法として、第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置した超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を水素雰囲気下で熱処理することにより、保護基１４ｂを残したまま部分的に規則化した強磁性ＦｅＰｔナノ粒子とする。例えば、４％水素雰囲気下３００℃で熱処理した場合、保磁力は３ｋＯｅ程度である。この場合には、保護基１４ｂを含む溶液に浸漬することは必要としない。
トンネル磁気抵抗素子１０の製造方法の変形例を説明する。
ナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極１３とを形成する点は同じであるが、予め作製した強磁性金属ナノ粒子１４を第１の電極１２及び第２の電極１３の間に埋め込む点で異なる。強磁性ＦｅＰｔナノ粒子の場合には、例えばオートクレーブ中４００℃程度で保護基１４ｂを有する金属ナノ粒子１４ａを作製することで、部分的に規則化した強磁性体でなるＦｅＰｔナノ粒子を得ることができる。また、シリカシェル中又はＮａＣｌ微結晶中に超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を閉じ込め、６００℃程度で強磁性に変態させた後、シリカシェル又はＮａＣｌ微結晶を溶解することにより、保護基１４ｂが付いた強磁性ＦｅＰｔナノ粒子１４を得ることができる。このようにして作製した強磁性金属ナノ粒子１４を第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置して埋め込む。このとき、ナノギャップが形成された基板をナノ粒子１４が含まれた溶液中に浸漬したり、ナノギャップが形成された基板上にナノ粒子１４を含む溶液を滴下することで、埋め込みがなされる。
ナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極１３とを形成する点は同じであるが、予め作製した強磁性金属ナノ粒子１４を第１の電極１２及び第２の電極１３の間に埋め込む点で異なる。強磁性ＦｅＰｔナノ粒子の場合には、例えばオートクレーブ中４００℃程度で保護基１４ｂを有する金属ナノ粒子１４ａを作製することで、部分的に規則化した強磁性体でなるＦｅＰｔナノ粒子を得ることができる。また、シリカシェル中又はＮａＣｌ微結晶中に超常磁性ｆｃｃ−ＦｅＰｔナノ粒子を閉じ込め、６００℃程度で強磁性に変態させた後、シリカシェル又はＮａＣｌ微結晶を溶解することにより、保護基１４ｂが付いた強磁性ＦｅＰｔナノ粒子１４を得ることができる。このようにして作製した強磁性金属ナノ粒子１４を第１の電極１２及び第２の電極１３の間に配置して埋め込む。このとき、ナノギャップが形成された基板をナノ粒子１４が含まれた溶液中に浸漬したり、ナノギャップが形成された基板上にナノ粒子１４を含む溶液を滴下することで、埋め込みがなされる。
以上により、図１に示すトンネル接合磁気抵抗素子１０を作製することができる。なお、トンネル磁気抵抗素子３０，４０を作製する場合には、第１の電極１２及び第２の電極１３を形成すると同時に又はその後に、第３の電極や第４の電極としてのゲート電極３１，４１及び４２を形成することで、トンネル接合磁気抵抗素子１０と同様に作製することができる。
次に、実施例を説明する。
先ず、リソグラフィー法を用いてナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極とを形成した。
先ず、リソグラフィー法を用いてナノギャップを有するよう第１の電極１２と第２の電極とを形成した。
次に、温度計、還流冷却器及び窒素導入管を備えた三口フラスコ、鉄アセチルアセトナート（Ｆｅ（ａｃａｃ））３０．７ｍｍｏｌ、白金アセチルアセトナート（Ｐｔ（ａｃａｃ））２０．３０ｍｍｏｌ、オレイン酸５．０ｍｍｏｌ、オレイルアミン０．５ｍｍｏｌ及び１，２−ヘキサデカンジオール１．５ｍｍｏｌを投入し、窒素ガスを流しながら１６０℃に昇温した。続いて３００℃で３０分間攪拌することにより、合金ナノ粒子を合成した。合成した合金ナノ粒子を４００〜６００℃で熱処理することにより、ナノ粒子を強磁性体に変態させた。
図８は、実施例で作製したナノ粒子のＴＥＭ像を示す図である。図から、５．１ｎｍ±０．７ｎｍのＦｅＰｔナノ粒子が形成されていることが分かる。
その後、ナノギャップが形成された基板を、ナノ粒子を含む溶液中に浸漬することで、第１の電極１２及び第２の電極１３のギャップ間に、ナノ粒子１４を配置させ、トンネル接合磁気抵抗素子を得た。
本発明のトンネル接合磁気抵抗素子１０は、将来需要が高まると考えられるｎｍスケールのメモリ・センサへの展開が期待され、分子ナノエレクトロニクスの分野において重要な役割を果たすことが期待される。
１０，３０，４０：トンネル抵抗磁気抵抗素子
１１：基板
１１ａ：絶縁層
１１ｂ：導体基板又は半導体基板
１２：第１の電極
１３：第２の電極
１４：ナノ粒子
１４ａ：強磁性金属ナノ粒子
１４ｂ：保護基
１５ａ：第１のトンネル接合
１５ｂ：第２のトンネル接合
２１：可変直流電源
２２：電流計
３１，４１，４２：ゲート電極
１１：基板
１１ａ：絶縁層
１１ｂ：導体基板又は半導体基板
１２：第１の電極
１３：第２の電極
１４：ナノ粒子
１４ａ：強磁性金属ナノ粒子
１４ｂ：保護基
１５ａ：第１のトンネル接合
１５ｂ：第２のトンネル接合
２１：可変直流電源
２２：電流計
３１，４１，４２：ゲート電極
Claims (7)
- 強磁性体からなる第１の電極と、第２の電極と、上記第１の電極及び上記第２の電極間に配置されるナノ粒子とを備え、
上記ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、
上記強磁性金属ナノ粒子と上記第１の電極との間にトンネル接合が形成されることを特徴とする、トンネル磁気抵抗素子。 - 強磁性体からなる第１の電極と、強磁性体からなる第２の電極と、上記第１の電極及び上記第２の電極の間に配置されるナノ粒子と、を備え、
上記ナノ粒子は強磁性金属ナノ粒子の外周に絶縁性を有する保護基を有してなり、
上記強磁性金属ナノ粒子と上記第１の電極との間に第１のトンネル接合が形成され、
上記強磁性金属ナノ粒子と上記第２の電極との間に第２のトンネル接合が形成されることを特徴とする、トンネル磁気抵抗素子。 - 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、該強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが外部磁場により制御され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の大小でスイッチング機能を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記強磁性金属ナノ粒子をクーロン島とし、クーロンブロッケード現象により高い磁気抵抗比を有するスイッチング機能を備えることを特徴とする、請求項３に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が小さく、外部磁場で前記強磁性金属ナノ粒子のスピンの向きが変化することで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することを特徴とする、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記強磁性金属ナノ粒子は、前記トンネル接合で接続される電極と比べ外部磁場に対する保磁力が大きく、外部磁場で前記第１の電極又は前記第２の電極のスピンの向きが変化することで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の大小に基づいて磁場を検出することを特徴とする、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
- 前記第１の電極と前記第２の電極との配置方向に対し交わる方向に、ゲート電極を備えることを特徴とする、請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007023585A JP2008192712A (ja) | 2007-02-01 | 2007-02-01 | トンネル磁気抵抗素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007023585A JP2008192712A (ja) | 2007-02-01 | 2007-02-01 | トンネル磁気抵抗素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008192712A true JP2008192712A (ja) | 2008-08-21 |
Family
ID=39752552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007023585A Pending JP2008192712A (ja) | 2007-02-01 | 2007-02-01 | トンネル磁気抵抗素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008192712A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008219007A (ja) * | 2007-02-23 | 2008-09-18 | Samsung Electronics Co Ltd | 強誘電体ナノドットを有する強誘電体情報記録媒体及びその製造方法 |
| JP2011210191A (ja) * | 2010-03-30 | 2011-10-20 | Brother Industries Ltd | Ｈｔｍｌファイルの印刷方法 |
| WO2012121067A1 (ja) * | 2011-03-08 | 2012-09-13 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ナノギャップ長を有する電極構造の作製方法並びにそれにより得られるナノギャップ長を有する電極構造及びナノデバイス |
| WO2013074037A1 (en) * | 2011-11-18 | 2013-05-23 | Klaus Leifer | Molecular junction platform and method of fabricating such a platform |
| JP5674220B2 (ja) * | 2012-02-28 | 2015-02-25 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ナノデバイス及びその製造方法 |
| WO2015033600A1 (ja) * | 2013-09-06 | 2015-03-12 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 電極対、その作製方法、デバイス用基板及びデバイス |
| CN110261640A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-20 | 东南大学 | 一种基于隧道磁阻效应的mems微流速传感器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11238924A (ja) * | 1998-02-20 | 1999-08-31 | Toshiba Corp | スピン依存伝導素子とそれを用いた電子部品および磁気部品 |
| JP2003507889A (ja) * | 1999-08-18 | 2003-02-25 | ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ | 化学的にゲート動作する単一電子トランジスタを使用したセンシングデバイス |
| JP2003168788A (ja) * | 2001-11-30 | 2003-06-13 | Nec Corp | 量子ドットをベースにした磁気ランダムアクセスメモリセルとそのアレイ、および、これらの製造方法 |
| JP2004281548A (ja) * | 2003-03-13 | 2004-10-07 | Japan Science & Technology Agency | 強磁性単電子素子とこれを用いた記憶素子 |
-
2007
- 2007-02-01 JP JP2007023585A patent/JP2008192712A/ja active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11238924A (ja) * | 1998-02-20 | 1999-08-31 | Toshiba Corp | スピン依存伝導素子とそれを用いた電子部品および磁気部品 |
| JP2003507889A (ja) * | 1999-08-18 | 2003-02-25 | ノース・キャロライナ・ステイト・ユニヴァーシティ | 化学的にゲート動作する単一電子トランジスタを使用したセンシングデバイス |
| JP2003168788A (ja) * | 2001-11-30 | 2003-06-13 | Nec Corp | 量子ドットをベースにした磁気ランダムアクセスメモリセルとそのアレイ、および、これらの製造方法 |
| JP2004281548A (ja) * | 2003-03-13 | 2004-10-07 | Japan Science & Technology Agency | 強磁性単電子素子とこれを用いた記憶素子 |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008219007A (ja) * | 2007-02-23 | 2008-09-18 | Samsung Electronics Co Ltd | 強誘電体ナノドットを有する強誘電体情報記録媒体及びその製造方法 |
| JP2011210191A (ja) * | 2010-03-30 | 2011-10-20 | Brother Industries Ltd | Ｈｔｍｌファイルの印刷方法 |
| WO2012121067A1 (ja) * | 2011-03-08 | 2012-09-13 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ナノギャップ長を有する電極構造の作製方法並びにそれにより得られるナノギャップ長を有する電極構造及びナノデバイス |
| JPWO2012121067A1 (ja) * | 2011-03-08 | 2014-07-17 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ナノギャップ長を有する電極構造の作製方法並びにそれにより得られるナノギャップ長を有する電極構造及びナノデバイス |
| JP5942297B2 (ja) * | 2011-03-08 | 2016-06-29 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | ナノギャップ長を有する電極構造の作製方法、メッキ液及びナノデバイス |
| WO2013074037A1 (en) * | 2011-11-18 | 2013-05-23 | Klaus Leifer | Molecular junction platform and method of fabricating such a platform |
| JP5674220B2 (ja) * | 2012-02-28 | 2015-02-25 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ナノデバイス及びその製造方法 |
| KR20160050019A (ko) * | 2013-09-06 | 2016-05-10 | 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 | 전극쌍, 그 제작 방법, 디바이스용 기판 및 디바이스 |
| CN105474398A (zh) * | 2013-09-06 | 2016-04-06 | 国立研究开发法人科学技术振兴机构 | 电极对、其制作方法、器件用基板以及器件 |
| WO2015033600A1 (ja) * | 2013-09-06 | 2015-03-12 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 電極対、その作製方法、デバイス用基板及びデバイス |
| JPWO2015033600A1 (ja) * | 2013-09-06 | 2017-03-02 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 電極対、その作製方法、デバイス用基板及びデバイス |
| EP3043386A4 (en) * | 2013-09-06 | 2017-06-07 | Japan Science and Technology Agency | Electrode pair, method for producing same, substrate for device, and device |
| TWI629789B (zh) * | 2013-09-06 | 2018-07-11 | 國立研究開發法人科學技術振興機構 | 電極組、電極組之製作方法及裝置 |
| US10164080B2 (en) | 2013-09-06 | 2018-12-25 | Japan Science And Technology Agency | Electrode pair, method for fabricating the same, substrate for device, and device |
| KR102150053B1 (ko) * | 2013-09-06 | 2020-08-31 | 고쿠리츠켄큐카이하츠호진 카가쿠기쥬츠신코키코 | 전극쌍, 그 제작 방법, 디바이스용 기판 및 디바이스 |
| CN110261640A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-09-20 | 东南大学 | 一种基于隧道磁阻效应的mems微流速传感器 |
| CN110261640B (zh) * | 2019-06-27 | 2024-04-09 | 东南大学 | 一种基于隧道磁阻效应的mems微流速传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101093776B1 (ko) | 자기 센서 | |
| CN107923956B (zh) | 磁阻传感器 | |
| Maqableh et al. | Low-resistivity 10 nm diameter magnetic sensors | |
| JP4682998B2 (ja) | 記憶素子及びメモリ | |
| CN101901867B (zh) | 磁阻存储器器件和集成电路以及形成自旋扭矩结构的方法 | |
| CN108292703A (zh) | 自旋流磁化反转元件、磁阻效应元件及磁存储器 | |
| US8189302B2 (en) | Magnetic field sensor with graphene sense layer and ferromagnetic biasing layer below the sense layer | |
| JP4880669B2 (ja) | 磁気／非磁気／磁気多層フィルムに用いられるコア複合膜及びその用途 | |
| CN105745760B (zh) | 磁阻效应元件、Spin-MOSFET、磁传感器以及磁头 | |
| JP6866694B2 (ja) | 磁気抵抗効果素子 | |
| JP2008192712A (ja) | トンネル磁気抵抗素子 | |
| US6730395B2 (en) | Magnetic tunnel junction using nanoparticle monolayers and applications therefor | |
| JP2009130371A (ja) | 磁気抵抗デバイス | |
| JP2005217422A (ja) | 磁気抵抗素子 | |
| JP5034317B2 (ja) | 記憶素子及びメモリ | |
| Schneider et al. | Towards molecular spintronics: magnetotransport and magnetism in carbon nanotube-based systems | |
| Garcia et al. | Ballistic magnetoresistance in different nanocontact configurations: a basis for future magnetoresistance sensors | |
| US11163023B2 (en) | Magnetic device | |
| Mancoff et al. | Spin-current-induced magnetotransport in Co-Cu-Co nanostructures | |
| Sarveena et al. | Multifunctional magnetic nanostructures: exchange bias model and applications | |
| JP5057338B2 (ja) | 反平行結合膜構造体、トンネル磁気抵抗素子および磁気デバイス | |
| JPH1091921A (ja) | デュアルスピンバルブ型薄膜磁気ヘッド | |
| JP2004335259A (ja) | 電気配線、電子デバイス、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気媒体、記録装置、及びそれらの製造方法 | |
| JP2007035944A (ja) | 電子スピン利用素子及びその製造方法 | |
| Fábián | Engineered magnetoconductance in InAs nanowire quantum dots |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100125 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110926 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111004 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120529 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20121002 |