JP2012019073A - Three terminal-type magnetoresistance effect element - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control characteristics of a single-dimensional linear giant magnetoresistance element and movement of a magnetic wall from the outside regarding a three terminal-type magnetoresistance effect element.SOLUTION: The three terminal-type magnetoresistance effect element includes: a first ferromagnetic layer; a second ferromagnetic layer having a larger magnetic coercive force than that of the first ferromagnetic layer; a nonmagnetic material of which the film thickness provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer monotonously changes; and a gate electrode provided on the first ferromagnetic layer via a gate insulating film.

Description

本発明は、ゲート電極に印加するゲート電極により磁壁ポテンシャルの形状を制御する三端子型磁気抵抗効果素子に関するものである。   The present invention relates to a three-terminal magnetoresistive element that controls the shape of a domain wall potential by a gate electrode applied to the gate electrode.

不揮発性メモリとして期待されている磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や磁気シフトレジスタ、トランスなどでは、磁化反転をどのように制御するかが重要な課題になっている。   In a magnetic random access memory (MRAM), a magnetic shift register, a transformer, and the like that are expected as a nonvolatile memory, how to control magnetization reversal is an important issue.

磁化反転機構としては、回転磁化と磁壁移動という２つの過程がある。回転磁化は、磁気モーメントが印加された磁場方向に磁化反転する過程である。一方、強磁性体は、通常、磁気構造を安定に保つために磁区構造を形成していることが多い。   As the magnetization reversal mechanism, there are two processes of rotational magnetization and domain wall motion. Rotational magnetization is a process in which magnetization is reversed in the direction of a magnetic field to which a magnetic moment is applied. On the other hand, ferromagnetic materials usually have a magnetic domain structure in order to keep the magnetic structure stable.

磁区構造は、磁区と磁壁という領域から成り立っている。ここで、磁区とは、磁気モーメントが同じ方向に揃った領域であり、磁壁とは隣接する磁区の間に存在する磁気モーメントの空間的な遷移領域である。磁化が反転するとは、磁壁が移動することによっても実現する。磁化反転を制御するとは、回転磁化と磁壁移動のどちらか、あるいは両方を制御することになる。   The magnetic domain structure is composed of a domain and a domain wall. Here, a magnetic domain is a region where magnetic moments are aligned in the same direction, and a domain wall is a spatial transition region of magnetic moments existing between adjacent magnetic domains. The reversal of magnetization is also realized by moving the domain wall. Controlling magnetization reversal means controlling either or both of rotational magnetization and domain wall motion.

磁化反転を制御することができれば、スイッチやインピーダンス変化が起きるため、様々な素子への応用が期待される。磁化反転の様々な制御や素子応用について、例えば、強磁性／非磁性／強磁性という多層構造を作製することで、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ： ＧＭＲ効果）が起きることがグリュンベルグ、フェルトらによって発見され（例えば、非特許文献１或いは非特許文献２参照）、わずか１０年でハードディスク（ＨＤＤ）の読み取りヘッドとして応用され、ハードディスクの記録密度を何億倍と向上させることに成功した。   If magnetization reversal can be controlled, switches and impedance changes occur, so application to various elements is expected. For various control of magnetization reversal and device application, for example, a giant magnetoresistance effect (GMR effect) may occur by producing a multilayer structure of ferromagnetic / non-magnetic / ferromagnetism. (See, for example, Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2), and was applied as a read head of a hard disk (HDD) in just 10 years, and succeeded in improving the recording density of the hard disk by several hundred million times.

ＭＲＡＭという新しい素子も、基本的には巨大磁気抵抗効果による原理が基礎になっている。この巨大磁気抵抗効果は、巨大な磁気抵抗だけではなく、非磁性層を挟んだ強磁性層に対して、層間結合という効果を発揮する。層間結合のほうが、むしろ巨大磁気抵抗効果の原理になっている。   The new element called MRAM is also basically based on the principle of the giant magnetoresistive effect. This giant magnetoresistance effect exhibits not only a giant magnetoresistance but also an interlayer coupling effect on a ferromagnetic layer sandwiching a non-magnetic layer. Interlayer coupling is rather the principle of the giant magnetoresistance effect.

層間結合は、２つの強磁性層を平行・反平行状態にする力を有しており、非磁性層の厚みによって、その大きさを変えることが発見された。非磁性層の厚みによって、強磁性層の磁気状態を制御できることが分かったので、それと反強磁性体との組み合わせを利用して、強力な磁化固着層を形成できるようになった。しかし、磁壁移動を制御することは報告されていない。   It has been discovered that the interlayer coupling has the force to bring the two ferromagnetic layers into parallel and antiparallel states, and the size of the interlayer coupling changes depending on the thickness of the nonmagnetic layer. Since it has been found that the magnetic state of the ferromagnetic layer can be controlled by the thickness of the nonmagnetic layer, a strong magnetization pinned layer can be formed using a combination of this and an antiferromagnetic material. However, it has not been reported to control the domain wall motion.

磁壁を用いたシフトレジスタやＭＲＡＭには、磁壁を人工的にピン（留める）あるいはデピン（留めない）させる機構が必要不可欠である。そこで、よく用いられる方法としては、静磁エネルギーの変化を用いた手法である。   A mechanism for artificially pinning (pinning) or depinning (not pinning) a domain wall is indispensable for shift registers and MRAMs using domain walls. Therefore, a method often used is a method using a change in magnetostatic energy.

静磁エネルギーは、磁性体の形状を操作することによって、古典的な電磁気のエネルギーから計算されるエネルギーである（例えば、特許文献１参照）。例えば、図５のような形状を操作する手法では、磁壁構造が途中で変化したり、電流による磁壁駆動を行う際に線幅が細くなった領域で電流集中によるジュール加熱などで細線が切れてしまう虞がある。   The magnetostatic energy is energy calculated from classical electromagnetic energy by manipulating the shape of the magnetic material (see, for example, Patent Document 1). For example, in the method of manipulating the shape as shown in FIG. 5, the thin line is cut by Joule heating or the like due to current concentration in a region where the domain wall structure is changed in the middle or when the domain wall is driven by current. There is a risk of it.

また、静磁エネルギーは、作製時の水平面における加工精度に大きく依存する。このような強磁性体そのものの形状操作による磁壁移動の制御は、信頼性を低下させるばかりか製造や素子構造の作りこみが難しいなど困難なことが多い。   The magnetostatic energy greatly depends on the processing accuracy in the horizontal plane at the time of production. Control of the domain wall motion by the shape manipulation of the ferromagnetic material itself is often difficult because it not only reduces the reliability but also makes it difficult to manufacture and build the element structure.

現在、磁性体を用いた不揮発性メモリは、書き込み技術に電流を用いる点で、書き込み耐性や反応速度、省エネ化という点で問題があり、ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）を置き換えるまでは至っていない。   At present, non-volatile memories using magnetic materials have problems in terms of write endurance, reaction speed, and energy saving in that current is used for writing technology. Until DRAM (dynamic random access memory) is replaced. Not reached.

それに対して、本発明者は巨大磁気抵抗効果素子を構成する非磁性層の厚さを非対称にすることによって、対向する強磁性層間に働く磁気的な層間結合力が膜厚により振動する可能性を提案している（例えば、非特許文献３或いは非特許文献４参照）。   On the other hand, the present inventor may make the magnetic interlayer coupling force acting between the opposing ferromagnetic layers oscillate with the film thickness by making the thickness of the nonmagnetic layer constituting the giant magnetoresistive element asymmetric. (For example, see Non-Patent Document 3 or Non-Patent Document 4).

巨大磁気抵抗効果を呈する強磁性（Ｆ１）／非磁性（Ｎ）／強磁性（Ｆ２）複合多層膜は、Ｎ層膜厚によって、Ｆ１とＦ２が自発的に平行・反平行状態をとることがよく知られており、この結合はｓｉｎ（ｋ_Ｆｔ_Ｎ）／ｋ_Ｆｔ_Ｎに比例すると言われている。ここでｋ_Ｆとｔ_ＮはＮ層のフェルミ波長（フェルミ面の形状によって変化する）と膜厚である。 In the ferromagnetic (F1) / nonmagnetic (N) / ferromagnetic (F2) composite multilayer film exhibiting a giant magnetoresistance effect, F1 and F2 may spontaneously take parallel / antiparallel states depending on the N layer thickness. well known and this binding is said to be proportional to _{sin (k F t N) /} k F t N. Here k _F and t _N is the thickness of the Fermi wavelength of N layers (varies depending on the shape of the Fermi surface).

その結果、Ｆ１層とＦ２層の間に働く磁気的な層間結合力は、Ｎ層の膜厚によって図６のように振動する。今、Ｆ２層の磁化方向を一定にして、Ｆ１層の磁化反転を行うと、Ｆ１層内では磁壁（ＤＷ）と呼ばれる磁気モーメントの方向遷移領域が移動する。   As a result, the magnetic interlayer coupling force acting between the F1 layer and the F2 layer vibrates as shown in FIG. 6 depending on the film thickness of the N layer. If the magnetization direction of the F1 layer is made constant while the magnetization reversal of the F1 layer is performed, a direction transition region of a magnetic moment called a domain wall (DW) moves in the F1 layer.

この時、磁壁（ＤＷ）は層間結合の空間変化によって生まれた振動ポテンシャルの井戸内に閉じ込められることになる。図６のような位置に磁壁がある場合、熱揺らぎが十分小さく、そこに交流磁場等の対称な外部入力があると、磁壁は障壁ポテンシャルの小さい方向にのみ移動すると考えられる。   At this time, the domain wall (DW) is confined in the well of the vibration potential generated by the spatial change of the interlayer coupling. When there is a domain wall at a position as shown in FIG. 6, if the thermal fluctuation is sufficiently small and there is a symmetrical external input such as an alternating magnetic field, the domain wall is considered to move only in the direction in which the barrier potential is small.

国際公開パンフレット ＷＯ ２００６／０４６５９１International publication pamphlet WO 2006/046591

Ｇｒｕｎｂｅｒｇ，Ｐ．ｅｔ．ａｌ．， Ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｆｏｒ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ Ｆｅ Ｌａｙｅｒｓ ａｃｒｏｓｓ Ｃｒ Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５７，２４４２−２４４５（１９８６）Grunberg, P.M. et. al. , Evidence for Antiferromagnetic Coupling of Fe Layers cross Cr Interlayers. Phys. Rev. Lett. 57, 2442-2445 (1986) Ｂａｉｂｉｃｈ，Ｍ．Ｎ．ｅｔ．ａｌ．，Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ（００１）Ｆｅ／（００１）Ｃｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ.６１，ｐｐ．２４７２−２４７５（１９８８）Baibich, M.M. N. et. al. , Giant Magnetoresistivity of (001) Fe / (001) Cr Magnetic Superlattices, Phys. Rev. Lett. Vol. 61, pp. 2472-2475 (1988) 物理学会講演予稿集 ｐ．４０４，１８ａＰＳ−１３ （２００７）Proceedings of Physics Society p. 404, 18aPS-13 (2007) 物理学会講演予稿集 ｐ．３１８，２３ａＰＳ−１８ （２００６）Proceedings of Physics Society p. 318, 23aPS-18 (2006)

本発明者等は上述の非磁性層は非対称な巨大磁気抵抗効果素子について、鋭意研究を進めた結果、非磁性層の膜厚が勾配をもつ非磁性層を挟んだ多層膜中を進行する磁壁の移動が非対称的なラチェット運動をすることを発見した。このラチェット効果は、強磁性細線中を移動する磁壁にとっては力として作用することから、非磁性層中に形成された量子干渉効果によるポテンシャルエネルギーの空間微分によって発現していると考えられる。   As a result of diligent research on a giant magnetoresistive effect element in which the above-described nonmagnetic layer is asymmetric, the inventors of the present invention have developed a domain wall that travels in a multilayer film with a nonmagnetic layer having a gradient in thickness. It has been found that the movement of the car has an asymmetric ratchet movement. Since this ratchet effect acts as a force for the domain wall moving in the ferromagnetic fine wire, it is considered that the ratchet effect is manifested by the spatial differentiation of the potential energy due to the quantum interference effect formed in the nonmagnetic layer.

特性がよく分かっているＦｅ_１９Ｎｉ_８１Ｆｅ／Ａｕ／Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１について磁気抵抗効果のＡｕ膜厚依存性を測定した。磁気抵抗効果の測定は、磁気抵抗比と反転磁場がＡｕ層、即ち、Ｎ層膜厚の関数として振舞っているかを実験的に確認した。なお、磁気抵抗比（ＭＲ比）は、フリー層とピン層が平行と反平行の時の磁気抵抗をそれぞれＲ_Ｐ，Ｒ_ＡＰと記述すると、ＭＲ比は、〔（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐ〕×１００％と記述できる。 For Fe ₁₉ Ni ₈₁ Fe / Au / Fe ₁₉ Ni ₈₁ whose characteristics are well known, the Au film thickness dependence of the magnetoresistance effect was measured. In the measurement of the magnetoresistance effect, it was experimentally confirmed whether the magnetoresistance ratio and the reversal magnetic field behave as a function of the Au layer, that is, the N layer thickness. The magnetic resistance ratio (MR ratio), respectively _R P magnetic resistance when the free and pinned layers is parallel to _{antiparallel,} when described as _{R AP,} MR ratio, _[(R AP _-R P) / R _P ] × 100%.

図７は、実験に用いた試料形状の説明図であり、リフトオフ法を用いて、厚さが５０ｎｍのＦｅ_１９Ｎｉ_８１層４１上に非磁性体層として、厚さｄを異なった値にしたＡｕ層４２を設け、その上に厚さが１０ｎｍのＦｅ_１９Ｎｉ_８１層４３を積層したＦ１／Ｎ／Ｆ２構造を形成し、幅が５００ｎｍで長さが５００μｍの細線状試料を作製した。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the shape of the sample used in the experiment, and the thickness d was varied as a nonmagnetic material layer on the Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 41 having a thickness of 50 nm using the lift-off method. An F1 / N / F2 structure in which an Au layer 42 was provided and an Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 43 having a thickness of 10 nm was formed thereon was formed, and a thin wire sample having a width of 500 nm and a length of 500 μm was produced.

図８は、ＭＲ比と反転磁場Ｈ_ｓのＡｕ層の膜厚依存性の説明図であり、図８（ａ）に示すようにＭＲ比はＡｕ層の膜厚の増加とともに振動している。なお、上図における組込図は、左図はＡｕ層の膜厚を３．７ｎｍにした場合のＭＲ比の外部磁場依存性であり、右図はＡｕ層の膜厚を５．５ｎｍにした場合のＭＲ比の外部磁場依存性である。 Figure 8 is an explanatory diagram of film thickness dependency of the Au layer of the switching magnetic field H _s and MR ratio, MR ratio as shown in FIG. 8 (a) is vibrating with increasing film thickness of the Au layer. In the embedded diagram in the upper figure, the left figure shows the external magnetic field dependence of the MR ratio when the film thickness of the Au layer is 3.7 nm, and the right figure shows the film thickness of the Au layer is 5.5 nm. This is the dependence of the MR ratio on the external magnetic field.

また、図８（ｂ）に示すように、Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１層４３の反転磁場もＡｕ層の膜厚の増加とともに、ＭＲ比と同様な振動を示している。以上の結果を踏まえて非磁性層の膜厚を傾斜させた試料を作製した。 Further, as shown in FIG. 8B, the reversal magnetic field of the Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 43 also shows the same vibration as the MR ratio as the film thickness of the Au layer increases. Based on the above results, a sample having a nonmagnetic layer with a tilted thickness was prepared.

図９は、非磁性層の膜厚を傾斜させた試料の構成説明図であり、図９（ａ）は概念的斜視図であり、図９（ｂ）は概念的断面図である。試料は幅を１μｍとし、４端子測定のための電圧端子４４_１,４４_２との間の間隔を５ｍｍとし、その外側に電流端子４５_１，４５_２を設けている。また、一方の端部はテーパ状としている。なお、試料としては、直線導入による成膜時遮蔽板移動蒸着によってＡｕ層４２の膜厚が１ｎｍから１０ｎｍへと変化する試料１と、１ｎｍから５ｎｍに変化する試料２の２つの試料を作製した。 FIG. 9 is a structural explanatory view of a sample in which the thickness of the nonmagnetic layer is tilted, FIG. 9A is a conceptual perspective view, and FIG. 9B is a conceptual cross-sectional view. The sample has a width of 1 μm, a distance between the voltage terminals 44 ₁ and 44 ₂ for four-terminal measurement of 5 mm, and current terminals 45 ₁ and 45 ₂ provided outside thereof. One end is tapered. As samples, two samples were prepared, sample 1 in which the film thickness of the Au layer 42 was changed from 1 nm to 10 nm and sample 2 in which the film thickness was changed from 1 nm to 5 nm by moving the shielding plate during deposition by linear introduction. .

図９（ｃ）は、層間交換結合ポテンシャルの非磁性層膜厚依存性の概念図であり、層間結合距離、即ち、非磁性層の膜厚の変化が磁壁の運動に対して振動ポテンシャルとして作用していることを示したものである。Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１層４１に磁壁４６が導入されると、振動ポテンシャルの極小値のところに閉じ込められることになる。 FIG. 9C is a conceptual diagram of the dependence of the interlayer exchange coupling potential on the thickness of the nonmagnetic layer. The change in the interlayer coupling distance, that is, the thickness of the nonmagnetic layer acts as a vibration potential on the motion of the domain wall. It shows that it is doing. When the domain wall 46 is introduced into the Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 41, it is confined at the minimum value of the vibration potential.

図１０は、作製した試料１における磁壁移動の測定結果の説明図であり、図１０（ａ）は、膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図であり、図１０（ｂ）は膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図である。   FIG. 10 is an explanatory diagram of the measurement result of the domain wall movement in the manufactured sample 1, and FIG. 10A illustrates the dependence of the MR ratio on the external magnetic field when the domain wall is moved in the direction of increasing the film thickness. FIG. 10B is an explanatory diagram of the dependence of the MR ratio on the external magnetic field when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness decreases.

図１０（ａ）に示すように、膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合には、磁化の方向がいずれの場合もある値の外部磁場が印加されるまで磁壁の移動は起こらず、それ以上の外部磁界で磁壁の移動が急速に起こることを示している。   As shown in FIG. 10A, when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness increases, the domain wall does not move until an external magnetic field having a certain value is applied in any direction. It shows that the domain wall moves rapidly with an external magnetic field of more than that.

図１０（ｂ）に示すように、膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合には、磁化の方向がいずれの場合もある値の外部磁場が印加されるまで磁壁の移動は起こらず、それ以上の外部磁場を印加した場合には２段階の停止状態を示す階段状（ラチェット状）の変化を示す。このように、巨大磁気抵抗効果を細線に適用した場合は、Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１層４３とＦｅ_１９Ｎｉ_８１層４１の磁化の方向が平行な場合には磁気抵抗は低抵抗になり、反平行である場合には、高抵抗になるので、磁気抵抗の変化が磁壁位置の情報にそのまま変換されることになる。 As shown in FIG. 10B, when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness decreases, the domain wall does not move until an external magnetic field having a certain value is applied in any direction. When a higher external magnetic field is applied, a step-like (ratchet-like) change indicating a two-stage stop state is shown. As described above, when the giant magnetoresistance effect is applied to a thin wire, when the magnetization directions of the Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 43 and the Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 41 are parallel, the magnetoresistance becomes low resistance and antiparallel. In some cases, the resistance becomes high, so that the change in magnetoresistance is directly converted into information on the domain wall position.

図１１は試料２について膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図であり、膜厚の傾斜が緩くなると、１段階の停止状態を示す階段状（ラチェット状）の変化を示す。   FIG. 11 is an explanatory diagram of the dependence of the MR ratio on the external magnetic field when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness decreases with respect to the sample 2. As the film thickness becomes gentle, a staircase pattern showing a one-stage stop state is shown. (Ratchet-like) change is shown.

次に、比較のために膜厚が１３ｎｍで一定の試料について同様の実験を行った。図１２に示すように、どちらの方向に磁壁を移動させた場合にもラチェット効果を示さないことがわかる。   Next, for comparison, a similar experiment was performed on a sample having a constant film thickness of 13 nm. As shown in FIG. 12, it can be seen that the ratchet effect is not exhibited when the domain wall is moved in either direction.

次に、解析的に現象を理解するために、図１３を参照して、既知の一次元の磁壁移動モデルに、交換結合を磁場に変換して、空間変調を行った磁場を導入した場合の計算結果を説明する。この一次元の磁壁移動モデルは、Ｘを磁壁の位置、φを磁壁中心にある磁気モーメントの細線面内からの立ち上がり角度（仰俯角）、Ｍｓを飽和磁化、γを回転磁気係数、Δを磁壁の幅、αをＧｉｌｂｅｒｔ減衰パラメータ、Ｈｅｘｔを外部磁場を含む実効磁場、Ｈｅｘを層間交換結合による実効磁場とすると、下記の式（１）及び式（２）の連立方程式であらわされる。

Next, in order to understand the phenomenon analytically, referring to FIG. 13, a case where a magnetic field subjected to spatial modulation is introduced into a known one-dimensional domain wall motion model by converting exchange coupling into a magnetic field. The calculation result will be described. In this one-dimensional domain wall motion model, X is the position of the domain wall, φ is the rising angle (elevation angle) of the magnetic moment in the center of the domain wall, Ms is the saturation magnetization, γ is the rotational magnetic coefficient, and Δ is the domain wall. , Α is a Gilbert damping parameter, Hext is an effective magnetic field including an external magnetic field, and Hex is an effective magnetic field due to interlayer exchange coupling, the following equations (1) and (2) are expressed as simultaneous equations.

図１３（ａ）は、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合の磁壁の位置Ｘの外部磁場依存性の説明図であり、また、図１３（ｂ）は、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合の磁壁面からの仰俯角φの外部磁場依存性の説明図である。なお、また、図１３の組込図は解析モデルの構成説明図であり、図１３（ｂ）の組込図は、上述の図１３（ｃ）と同様の層間交換結合ポテンシャルの非磁性層膜厚依存性の説明図である。   FIG. 13A is an explanatory diagram of the dependence of the domain wall position X on the external magnetic field when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer increases, and FIG. It is explanatory drawing of the external magnetic field dependence of the elevation angle (phi) from the magnetic wall surface at the time of moving a magnetic wall in the direction which the film thickness of a magnetic layer increases. 13 is an explanatory diagram of the structure of the analysis model, and the embedded diagram in FIG. 13B is a nonmagnetic layer film having an interlayer exchange coupling potential similar to that in FIG. 13C described above. It is explanatory drawing of thickness dependence.

図１３（ａ）に示すように、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合には、磁壁の位置ＸはＸ＝１ｍｍの位置（ポテンシャル井戸の深い位置）にとどまったままで、外部磁界が２０〔Ｏｅ〕以上になるとＸ＝１ｍｍの位置から移動を始める。   As shown in FIG. 13A, when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer increases, the domain wall position X remains at the position X = 1 mm (the position where the potential well is deep). Until the external magnetic field becomes 20 [Oe] or more, the movement starts from the position of X = 1 mm.

また、図１３（ｂ）に示すように、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合には、磁壁の移動に対応する仰俯角φは、外部磁場が２０〔Ｏｅ〕以上になるまでφ＝０°であり、磁壁が移動しないことを示している。   As shown in FIG. 13B, when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer increases, the elevation angle φ corresponding to the movement of the domain wall is 20 [Oe] from the external magnetic field. Until this is reached, φ = 0 °, indicating that the domain wall does not move.

一方、図１３（ｃ）は、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合の磁壁の位置Ｘの外部磁場依存性の説明図であり、また、図１３（ｄ）は、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合の仰俯角φの外部磁場依存性の説明図である。   On the other hand, FIG. 13C is an explanatory diagram of the external magnetic field dependence of the domain wall position X when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer decreases, and FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram of the dependence of the elevation angle φ on the external magnetic field when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer decreases.

図１３（ｃ）に示すように、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合には、磁壁の位置Ｘは２段階で移動することを示している。また、図１３（ｄ）に示すように、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合には、仰俯角φは、外部磁場が２０〔Ｏｅ〕以上になるまでの間に２段階のφ＝０°の停止状態が生じることを示している。これらの解析結果を、上記の図１０に示した実験結果と対比すると、理論と実験との良好な一致が見られた。   As shown in FIG. 13C, when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer decreases, the domain wall position X moves in two stages. In addition, as shown in FIG. 13D, when the domain wall is moved in the direction in which the film thickness of the nonmagnetic layer decreases, the elevation angle φ is a period until the external magnetic field becomes 20 [Oe] or more. This shows that a two-stage stop state of φ = 0 ° occurs. When these analysis results were compared with the experimental results shown in FIG. 10 above, good agreement was found between the theory and the experiment.

このような非磁性層の膜厚が傾斜した一次元線状巨大磁気抵抗効果素子は、磁壁の移動方向によりラチェット効果が現れるが、特性は、膜厚及び材質により規定されるため、外部的力により特性や磁壁の移動を制御することができないという問題がある。   Such a one-dimensional linear giant magnetoresistive effect element with a non-magnetic layer thickness gradient has a ratchet effect depending on the moving direction of the domain wall, but the characteristics are defined by the film thickness and material. Therefore, there is a problem that the characteristics and the movement of the domain wall cannot be controlled.

したがって、本発明は、一次元線状巨大磁気抵抗効果素子の特性や磁壁の移動を外部から制御することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to externally control the characteristics of the one-dimensional linear giant magnetoresistive element and the domain wall movement.

上記課題を解決するために、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a three-terminal magnetoresistive element, a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer having a coercive force larger than that of the first ferromagnetic layer. A body layer, a non-magnetic body monotonically changing in thickness between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, and on the first ferromagnetic layer And a gate electrode provided with a gate insulating film interposed therebetween.

このように、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けることによって、量子干渉性の境界条件をゲート電圧によって制御することができ、それによって、第２の強磁性体層中の磁壁が変化するので、この磁壁の位置の変化を抵抗値の変化とすることによって電界効果型トランジスタとして機能させることができる。   Thus, by providing the gate electrode through the gate insulating film, the boundary condition of the quantum coherence can be controlled by the gate voltage, thereby changing the domain wall in the second ferromagnetic layer. The change in the position of the domain wall can be used as a field effect transistor by changing the resistance value.

この場合の非磁性体層の膜厚の変化は、テーパ状に単調変化するものであっても或いは階段状に増減一方向に変化するものでも良いが、量子干渉性の境界条件の制御性を高めるためにはテーパ状であることが望ましい。   In this case, the change in the film thickness of the nonmagnetic material layer may be monotonously changed in a taper shape or may be changed in one step in a stepwise manner. In order to raise, it is desirable that it is tapered.

また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで情報を記憶することを特徴とする。   The present invention is also a three-terminal magnetoresistive element, comprising a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer having a coercive force larger than that of the first ferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer. A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic material layer and the second ferromagnetic material layer, and a gate insulating film on the first ferromagnetic material layer; An exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is controlled by a voltage applied to the gate electrode; Information is stored by controlling the position of the domain wall in the ferromagnetic layer.

このように、第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御して情報を記憶することによって、メモリとして動作させることができる。   As described above, by storing the information by controlling the position of the domain wall in the first ferromagnetic layer, it can be operated as a memory.

また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御した状態で外部磁場を検出することを特徴とする。   The present invention is also a three-terminal magnetoresistive element, comprising a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer having a coercive force larger than that of the first ferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer. A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic material layer and the second ferromagnetic material layer, and a gate insulating film on the first ferromagnetic material layer; An exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is controlled by a voltage applied to the gate electrode; An external magnetic field is detected in a state where the position of the domain wall in the ferromagnetic layer is controlled.

このように、第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御した状態で電流を流して、磁気抵抗の変化、典型的にはラチェット特性を検出することによって、三端子型磁気抵抗効果素子に印加されている外部磁界の強度及び方向を検出することができる。   In this way, a three-terminal magnetoresistive element is detected by flowing a current with the position of the domain wall in the first ferromagnetic layer controlled to detect a change in magnetoresistance, typically a ratchet characteristic. The intensity and direction of the external magnetic field applied to the can be detected.

また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することでインピーダンス整合を行うことを特徴とする。   The present invention is also a three-terminal magnetoresistive element, comprising a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer having a coercive force larger than that of the first ferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer. A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic material layer and the second ferromagnetic material layer, and a gate insulating film on the first ferromagnetic material layer; An exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is controlled by a voltage applied to the gate electrode; The impedance matching is performed by controlling the position of the domain wall in the ferromagnetic layer.

このように、第１の強磁性体層中の磁壁の位置により抵抗が変化するので、可変抵抗素子、即ち、インピーダンス整合器として使用することができる。   As described above, since the resistance varies depending on the position of the domain wall in the first ferromagnetic layer, it can be used as a variable resistance element, that is, an impedance matching device.

また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで発振を行うことを特徴とする。   The present invention is also a three-terminal magnetoresistive element, comprising a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer having a coercive force larger than that of the first ferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer. A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic material layer and the second ferromagnetic material layer, and a gate insulating film on the first ferromagnetic material layer; An exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is controlled by a voltage applied to the gate electrode; The oscillation is performed by controlling the position of the domain wall in the ferromagnetic layer.

このように、第１の強磁性体層中の磁壁を直流電流によるスピン角運動量移行或いはエルステッド磁場によって動かすことによって、素子の電気抵抗が時間的に変化するので、発振素子として使用することができる。   As described above, the electric resistance of the element changes with time by moving the domain wall in the first ferromagnetic layer by the spin angular momentum transfer by the direct current or the Oersted magnetic field, so that it can be used as an oscillation element. .

開示した三端子型磁気抵抗効果素子によれば、ゲート電圧により線状巨大磁気抵抗効果素子の特性や磁壁の移動を外部から制御することが可能になり、それによって、電界効果型トランジスタ、メモリ、磁気センサ、インピーダンス整合器或いは発振素子として用いることができる。   According to the disclosed three-terminal magnetoresistive effect element, it becomes possible to control the characteristics of the linear giant magnetoresistive effect element and the movement of the domain wall from the outside by the gate voltage, so that a field effect transistor, a memory, It can be used as a magnetic sensor, an impedance matching device, or an oscillation element.

本発明の実施の形態の三端子型磁気抵抗効果素子の概念的構成図である。It is a notional block diagram of the three-terminal magnetoresistive effect element of embodiment of this invention. 本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the 3 terminal type | mold magnetoresistive effect element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 2 of the 3 terminal type | mold magnetoresistive effect element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子の図３以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 3 of the 3 terminal type | mold magnetoresistive effect element of Example 1 of this invention. 細線形状操作による磁壁の移動制御の説明図である。It is explanatory drawing of the movement control of the domain wall by fine wire shape operation. 層間結合の空間変化によって生まれた振動ポテンシャルの説明図である。It is explanatory drawing of the vibration potential produced by the space change of interlayer coupling. 実験に用いた試料形状の説明図である。It is explanatory drawing of the sample shape used for experiment. ＭＲ比と反転磁場Ｈ_ｓのＡｕ層の膜厚依存性の説明図である。MR ratio is an explanatory diagram of film thickness dependency of the Au layer of the switching magnetic field H _s. 非磁性層の膜厚を傾斜させた試料の構成説明図である。It is composition explanatory drawing of the sample which made the film thickness of the nonmagnetic layer inclined. 作製した試料１における磁壁移動の測定結果の説明図である。It is explanatory drawing of the measurement result of the domain wall movement in the produced sample. 試料２について膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the external magnetic field dependence of MR ratio at the time of moving a magnetic wall in the direction which a film thickness reduces about the sample 2. FIG. 比較のための膜厚が一定の試料の測定結果の説明図である。It is explanatory drawing of the measurement result of the sample with a fixed film thickness for a comparison. 一次元モデルによる解析結果の説明図である。It is explanatory drawing of the analysis result by a one-dimensional model.

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の三端子型磁気抵抗効果素子を説明する。図１は、本発明の実施の形態の三端子型磁気抵抗効果素子の概念的構成図であり、図１（ａ）はゲート電圧を正電圧にした場合の概念的構成図であり、図１（ｂ）はゲート電圧を負電圧にした場合の概念的構成図である。   Here, with reference to FIG. 1, the three-terminal magnetoresistive effect element of embodiment of this invention is demonstrated. 1 is a conceptual configuration diagram of a three-terminal magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a conceptual configuration diagram when a gate voltage is set to a positive voltage. (B) is a conceptual block diagram at the time of making a gate voltage into a negative voltage.

第１の強磁性体層１１上に、膜厚がテーパ状に変化する非磁性体層１２を設け、その上に第２の強磁性体層１３を設け、さらに、第２の強磁性体層１３の上にゲート絶縁膜１４を介してゲート電極１５を設ける。なお、ここでは、基板の図示を省略しているが、基板としては、ガラス基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ基板等を用いる。 On the first ferromagnetic layer 11, a nonmagnetic layer 12 whose film thickness changes in a taper shape is provided, a second ferromagnetic layer 13 is provided thereon, and a second ferromagnetic layer is further provided. A gate electrode 15 is provided on 13 via a gate insulating film 14. Note that although illustration of a substrate is omitted here, a glass substrate, a Si substrate, a GaAs substrate, a sapphire substrate, an Al ₂ O ₃ —TiC substrate, or the like is used as the substrate.

この場合、第１の強磁性体層１１の保磁力は第２の強磁性体層１３の保磁力より大きくする。そのためには、第１の強磁性体層１１としては相対的に保磁力の大きな材料を用いるか、或いは、同じ材料を用いた場合には、膜厚を相対的に厚く形成すれば良い。例えば、第１の強磁性体層１１としてはＦｅ_１９Ｎｉ_８１等のＦｅＮｉ合金を用い、第２の強磁性体層１３としては、ＦｅやＦｅ_１９Ｎｉ_８１等のＦｅＮｉ合金を用いる。 In this case, the coercive force of the first ferromagnetic layer 11 is made larger than the coercive force of the second ferromagnetic layer 13. For this purpose, a material having a relatively large coercive force is used for the first ferromagnetic layer 11 or, if the same material is used, the film thickness may be made relatively thick. For example, an FeNi alloy such as Fe ₁₉ Ni ₈₁ is used as the first ferromagnetic layer 11, and an FeNi alloy such as Fe or Fe ₁₉ Ni ₈₁ is used as the second ferromagnetic layer 13.

また、非磁性体層１２としては、非磁性金属であればなんでも良いが、作製容易性や耐酸化性等の観点からＡｕが望ましい。また、ゲート絶縁膜１４としては、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等を用い、その厚さは、０．１ｎｍ〜３０ｎｍとする。またゲート電極１５の材料も任意であるが、ＩＴＯ，Ａｕ、Ｃｕ等が好適である。 The nonmagnetic layer 12 may be anything as long as it is a nonmagnetic metal, but Au is desirable from the viewpoint of ease of manufacture and oxidation resistance. As the gate insulating film 14, using the SiO _2, SiN, or the like, the thickness thereof shall be 0.1Nm～30nm. Moreover, although the material of the gate electrode 15 is arbitrary, ITO, Au, Cu, etc. are suitable.

また、この三端子型磁気抵抗効果素子の平面サイズは、幅が１０μｍ以下、好適には１μｍ以下とし、長さは、幅より長くすれば良く、典型的には１μｍ〜１００μｍとする。また、第１の強磁性体層１１の厚さは１ｎｍ〜５０ｎｍとし、第２の強磁性体層１３の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍとする。非磁性体層１２の厚さは、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で、テーパ状に単調変化する厚さであれば良く、両端部の厚さの比は１倍〜２０倍の範囲であれば良い。   The plane size of the three-terminal magnetoresistive element is 10 μm or less, preferably 1 μm or less, and the length may be longer than the width, typically 1 μm to 100 μm. The thickness of the first ferromagnetic layer 11 is 1 nm to 50 nm, and the thickness of the second ferromagnetic layer 13 is 1 nm to 100 nm. The thickness of the non-magnetic layer 12 may be in the range of 0.1 nm to 50 nm, as long as it is a thickness that monotonously changes in a tapered shape, and the thickness ratio at both ends is in the range of 1 to 20 times. good.

このような三端子型磁気抵抗効果素子のゲート電極１５に正電圧、例えば、１Ｖの電圧を印加すると図１（ａ）に示すように、無バイアスの場合に比べて非磁性体層１２中のポテンシャルが変調し、第１の強磁性体層１１中に導入した磁壁１６は、ポテンシャルの変調とともに移動して、最も近い低エネルギー状態の位置に閉じ込められる。   When a positive voltage, for example, a voltage of 1 V, is applied to the gate electrode 15 of such a three-terminal magnetoresistive effect element, as shown in FIG. The domain wall 16 introduced into the first ferromagnetic layer 11 with the potential modulated moves with the modulation of the potential and is confined at the nearest low energy state position.

一方、三端子型磁気抵抗効果素子のゲート電極１５に負電圧、例えば、−１Ｖの電圧を印加すると図１（ｂ）に示すように、正バイアスの場合に比べて非磁性体層１２中のポテンシャルが変調し、第１の強磁性体層１１中に導入した磁壁１６は、ポテンシャルの変調とともに移動して、最も近い低エネルギー状態の位置に閉じ込められる。   On the other hand, when a negative voltage, for example, a voltage of −1 V, is applied to the gate electrode 15 of the three-terminal magnetoresistive effect element, as shown in FIG. The domain wall 16 introduced into the first ferromagnetic layer 11 with the potential modulated moves with the modulation of the potential and is confined at the nearest low energy state position.

この三端子型磁気抵抗効果素子の抵抗値は第１の強磁性体層１１と対向する第２の強磁性体層の磁化方向における反平行／平行の割合、したがって、磁壁１６の位置で決まるのでゲート電圧によって素子の抵抗値を制御することができる。   The resistance value of the three-terminal magnetoresistive element is determined by the antiparallel / parallel ratio in the magnetization direction of the second ferromagnetic layer facing the first ferromagnetic layer 11 and, therefore, the position of the domain wall 16. The resistance value of the element can be controlled by the gate voltage.

或いは、磁壁は直流電流によるスピン角運動量移行或いはエルステッド磁場によって動かすことが可能であり、磁壁が電流で移動するとポテンシャルの影響を受けて元の位置に戻ろうとする。即ち、閾電流値を超えると、磁壁が動く→ポテンシャルの影響で元の位置に戻る→磁壁が動く・・・と繰り返して、素子の電気抵抗が時間的に変化する、即ち、発振する。この時、ゲート電圧を印加することによって、ポテンシャルの形状を変化させることによって、電圧制御型の発振素子として動作することが可能である。   Alternatively, the domain wall can be moved by a spin angular momentum transfer by a direct current or an Oersted magnetic field, and when the domain wall is moved by an electric current, it tries to return to the original position under the influence of the potential. That is, when the threshold current value is exceeded, the domain wall moves → returns to the original position due to the influence of the potential → the domain wall moves ... and the electrical resistance of the element changes over time, that is, oscillates. At this time, it is possible to operate as a voltage-controlled oscillation element by changing the shape of the potential by applying a gate voltage.

したがって、このような、特性は電界効果型トランジスタ、メモリ、磁気センサ、インピーダンス変換素子或いは発振素子として用いることができる。なお、実施の形態の説明においては、非磁性層の膜厚の変化をテーパ状としているが、階段的に単調変化させても良いものである。   Therefore, such characteristics can be used as a field effect transistor, a memory, a magnetic sensor, an impedance conversion element, or an oscillation element. In the description of the embodiment, the change in the film thickness of the nonmagnetic layer is tapered, but it may be monotonously changed stepwise.

次に、図２乃至図４を参照して、本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子を説明する。なお、各図における左図は平面図であり、右図は断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板２１上に電子線レジスト２２を塗布したのち、図２（ｂ）に示すように、幅が１μｍで長さが５ｍｍの開口部を形成するために、電子線２３を照射する。   Next, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 4, the 3 terminal type | mold magnetoresistive effect element of Example 1 of this invention is demonstrated. In each figure, the left figure is a plan view, and the right figure is a sectional view. First, as shown in FIG. 2A, an electron beam resist 22 is applied on a glass substrate 21, and then an opening having a width of 1 μm and a length of 5 mm is formed as shown in FIG. 2B. Therefore, the electron beam 23 is irradiated.

次いで、図２（ｃ）に示すように、現像することによってストライプ状の開口部２４を形成する。次いで、図２（ｄ）に示すように、蒸着法を用いて厚さが５０ｎｍのＦｅ_１９Ｎｉ_８１からなる第１の強磁性体層２５を形成する。 Next, as shown in FIG. 2C, development is performed to form striped openings 24. Next, as shown in FIG. 2D, a first ferromagnetic layer 25 made of Fe ₁₉ Ni ₈₁ having a thickness of 50 nm is formed by vapor deposition.

次いで、図３（ｅ）乃至図３（ｇ）に示すように、直線導入機２６を用いて直線導入機２６を開口部２４の長手方向に移動させながらＡｕ２７を蒸着することによって、厚さが１０ｎｍから１ｎｍにテーパ状に単調変化する傾斜非磁性層２８を形成する。なお、図３（ｅ）乃至図３（ｇ）は、図３（ａ）乃至図４（ｄ）の図面上の縦方向を横方向に変換するとともに、ガラス基板２１を反転させて下側から蒸着する様子を示している。次いで、図３（ｈ）に示すように、蒸着法を用いて厚さが１０ｎｍのＦｅ_１９Ｎｉ_８１からなる第２の強磁性体層２９を形成する。 Next, as shown in FIGS. 3E to 3G, Au 27 is deposited by moving the linear introduction machine 26 in the longitudinal direction of the opening 24 using the linear introduction machine 26, thereby increasing the thickness. An inclined nonmagnetic layer 28 that monotonously changes in a taper shape from 10 nm to 1 nm is formed. 3 (e) to 3 (g) convert the vertical direction on the drawings of FIGS. 3 (a) to 4 (d) into the horizontal direction, and also invert the glass substrate 21 from the lower side. The state of vapor deposition is shown. Next, as shown in FIG. 3H, a second ferromagnetic layer 29 made of Fe ₁₉ Ni ₈₁ having a thickness of 10 nm is formed by vapor deposition.

次いで、図４（ｉ）に示すように、電子線レジスト２２を除去することによって、電子線レジスト２２上に堆積したＦｅ_１９Ｎｉ_８１／Ａｕ／Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１を除去することによって線状巨大磁気抵抗効果素子３０が得られる。 Next, as shown in FIG. 4 (i), the linear giant magnetism is removed by removing the Fe ₁₉ Ni ₈₁ / Au / Fe ₁₉ Ni ₈₁ deposited on the electron beam resist 22 by removing the electron beam resist 22. The resistance effect element 30 is obtained.

次いで、図４（ｊ）に示すように、再び、電子線レジスト３１を塗布して、露光・現像することによって、線状巨大磁気抵抗効果素子３０の中央部に１μｍ×１０μｍの開口部３２を形成する。次いで、図４（ｋ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが２ｎｍのＳｉＯ_２膜からなるゲート絶縁膜３３を形成したのち、蒸着法を用いた厚さが５０ｎｍのＡｕ膜を蒸着してゲート電極３４を形成する。 Next, as shown in FIG. 4 (j), an electron beam resist 31 is applied again, and exposure / development is performed. Form. Next, as shown in FIG. 4 (k), a gate insulating film 33 made of a SiO ₂ film having a thickness of ₂ nm is formed using a sputtering method, and then an Au film having a thickness of 50 nm is deposited using a vapor deposition method. Thus, the gate electrode 34 is formed.

次いで、図４（ｌ）に示すように、電子線レジスト３１を除去することによって、電子線レジスト３１上に堆積したＳｉＯ_２／Ａｕを除去する。以降は、図示は省略するがゲート電極３４に対してゲート引出電極を形成するとともに、第２の強磁性体層２９の両端に電極を形成することによって、三端子型磁気抵抗効果素子２０の基本構成が完成する。 Next, as shown in FIG. 4L, the SiO ₂ / Au deposited on the electron beam resist 31 is removed by removing the electron beam resist 31. Thereafter, although not shown, a gate extraction electrode is formed with respect to the gate electrode 34, and electrodes are formed at both ends of the second ferromagnetic layer 29, whereby the basic structure of the three-terminal magnetoresistive effect element 20 is achieved. The configuration is complete.

この三端子型磁気抵抗効果素子２０の第１の強磁性体層２５及び第２の強磁性体層２９に例えば、１０００〔Ｏｅ〕の外部磁場を印加して一方向に磁化させたのち、例えば、４０〔Ｏｅ〕の逆方向の外部磁場を印加して第２の強磁性体層２９の磁化方向を反転させる。この時、保磁力の大きな第１の強磁性体層２５に磁壁が導入され、ポテンシャルの小さな位置に閉じ込められる。なお、このような外部磁場の印加は、従来の書込線を利用した磁場書込型ＭＲＡＭと同様に、配線層に流す電流に起因する磁界或いはスピントランスファートルクを用いた電流による磁壁移動により書き込みを行えば良い。   For example, after applying an external magnetic field of 1000 [Oe] to the first ferromagnetic layer 25 and the second ferromagnetic layer 29 of the three-terminal magnetoresistive effect element 20 and magnetizing in one direction, for example, , 40 [Oe] in the reverse direction is applied to reverse the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 29. At this time, a domain wall is introduced into the first ferromagnetic layer 25 having a large coercive force and is confined in a position having a small potential. In addition, the application of such an external magnetic field is performed by a magnetic wall movement by a magnetic field caused by a current flowing in a wiring layer or a current using a spin transfer torque, similarly to a magnetic field writing type MRAM using a conventional writing line. Just do it.

このような状態において、ゲート電極３４にゲート電圧を印加すると、印加されたゲート電圧の大きさに基づいてポテンシャルの形状が変化して、ポテンシャルの極小値の位置が変わるので、磁壁もポテンシャルの極小値の位置に移動する。磁壁が移動すると第１の強磁性体層２２と第２の強磁性体層２９とが平行な領域と反平行な領域の割合が変化するので、電極間の抵抗値が変化することになる。したがって、この三端子型磁気抵抗効果素子２０の素子抵抗はゲート電圧で制御することができることになる。   In such a state, when a gate voltage is applied to the gate electrode 34, the shape of the potential changes based on the magnitude of the applied gate voltage, and the position of the potential minimum value changes. Move to the position of the value. When the domain wall moves, the ratio of the parallel region and the antiparallel region of the first ferromagnetic layer 22 and the second ferromagnetic layer 29 changes, so that the resistance value between the electrodes changes. Therefore, the element resistance of the three-terminal magnetoresistive element 20 can be controlled by the gate voltage.

このように、本発明の実施例１においては、線状巨大磁気抵抗効果素子３０の中央部にゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４を形成しているので、従来は素子構造により規定されていた素子特性や磁壁の移動を外部から制御することが可能になる。   As described above, in the first embodiment of the present invention, the gate electrode 34 is formed through the gate insulating film 33 in the central portion of the linear giant magnetoresistive element 30, so that it is conventionally defined by the element structure. It is possible to control the element characteristics and domain wall movement from the outside.

１１ 第１の強磁性体層
１２ 非磁性体層
１３ 第２の強磁性体層
１４ ゲート絶縁膜
１５ ゲート電極
１６ 磁壁
２０ 三端子型磁気抵抗効果素子
２１ ガラス基板
２２ 電子線レジスト
２３ 電子線
２４ 開口部
２５ 第１の強磁性体層
２６ 直線導入機
２７ Ａｕ
２８ 傾斜非磁性層
２９ 第２の強磁性体層
３０ 線状巨大磁気抵抗効果素子
３１ 電子線レジスト
３２ 開口部
３３ ゲート絶縁膜
３４ ゲート電極
４１ Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１層
４２ Ａｕ層
４３ Ｆｅ_１９Ｎｉ_８１層
４４_１,４４_２ 電圧端子
４５_１,４５_２ 電流端子
４６ 磁壁 11 First ferromagnetic layer 12 Non-magnetic layer 13 Second ferromagnetic layer 14 Gate insulating film 15 Gate electrode 16 Domain wall 20 Three-terminal magnetoresistive element 21 Glass substrate 22 Electron beam resist 23 Electron beam 24 Opening Part 25 first ferromagnetic layer 26 straight line introduction machine 27 Au
28 Gradient nonmagnetic layer 29 Second ferromagnetic layer 30 Linear giant magnetoresistive element 31 Electron beam resist 32 Opening 33 Gate insulating film 34 Gate electrode 41 Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 42 Au layer 43 Fe ₁₉ Ni ₈₁ layer 44 ₁ , 44 ₂ Voltage terminal 45 ₁ , 45 ₂ Current terminal 46 Domain wall

Claims (6)

第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と
を有する三端子型磁気抵抗効果素子。 A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a coercive force greater than that of the first ferromagnetic layer;
A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A three-terminal magnetoresistive element having a gate electrode provided on the first ferromagnetic layer via a gate insulating film. 前記非磁性体層の膜厚の変化が、テーパ状に単調変化する請求項１に記載の三端子型磁気抵抗効果素子。   The three-terminal magnetoresistive element according to claim 1, wherein a change in film thickness of the non-magnetic layer monotonously changes in a taper shape. 第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで情報を記憶する三端子型磁気抵抗効果素子。 A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a coercive force greater than that of the first ferromagnetic layer;
A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A gate electrode provided on the first ferromagnetic layer via a gate insulating film,
The position of the domain wall in the first ferromagnetic layer is controlled by controlling the exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer by the voltage applied to the gate electrode. A three-terminal magnetoresistive element that stores information by controlling. 第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御した状態で外部磁場を検出する三端子型磁気抵抗効果素子。 A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a coercive force greater than that of the first ferromagnetic layer;
A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A gate electrode provided on the first ferromagnetic layer via a gate insulating film,
The position of the domain wall in the first ferromagnetic layer is controlled by controlling the exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer by the voltage applied to the gate electrode. A three-terminal magnetoresistive element that detects an external magnetic field in a controlled state. 第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することでインピーダンス整合を行う三端子型磁気抵抗効果素子。 A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a coercive force greater than that of the first ferromagnetic layer;
A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A gate electrode provided on the first ferromagnetic layer via a gate insulating film,
The position of the domain wall in the first ferromagnetic layer is controlled by controlling the exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer by the voltage applied to the gate electrode. A three-terminal magnetoresistive element that performs impedance matching by controlling. 第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで発振を行う三端子型磁気抵抗効果素子。
A first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer having a coercive force greater than that of the first ferromagnetic layer;
A nonmagnetic material having a monotonous change in film thickness provided between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A gate electrode provided on the first ferromagnetic layer via a gate insulating film,
The position of the domain wall in the first ferromagnetic layer is controlled by controlling the exchange coupling energy between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer by the voltage applied to the gate electrode. A three-terminal magnetoresistive element that oscillates by controlling.

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