JP3472783B2 - Magnetoresistive element and magnetically responsive device using the same - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、金属微粒子およ
び半導体により構成される磁気抵抗効果素子およびそれ
を用いた磁気感応装置に関するものであり、特に、電子
雪崩効果による大きな抵抗変化を磁場によって制御する
ことに基づく磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気
感応装置に関している。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetoresistive effect element composed of metal fine particles and a semiconductor and a magnetic sensitive device using the same, and in particular, a large resistance change due to an electron avalanche effect is controlled by a magnetic field. The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic sensitive device using the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、外部磁場の変化によって抵抗が変
化する効果、いわゆる磁気抵抗効果を用いて、磁気セン
サ素子の高感度化、磁気メモリ素子の開発等の研究が活
発に行われている。これらの素子は、日進月歩のスピー
ドで展開するインフォメーション・テクノロジーを支え
る先端技術分野の一つとして、激しい研究開発競争が進
められている。2. Description of the Related Art In recent years, active research has been conducted on the enhancement of sensitivity of magnetic sensor elements and the development of magnetic memory elements by utilizing the effect of changing resistance due to changes in external magnetic field, so-called magnetoresistive effect. These elements are undergoing intense R & D competition as one of the leading-edge technological fields that support information technology, which is developing at a speed of day by day.

【０００３】磁気抵抗材料の開発は様々な材料、及び構
造で行われている。従来、磁気センサ、磁気ヘッド材料
として用いられてきたのが、パーマロイ等の磁性金属合
金である。しかしながら、その磁気抵抗効果は高々数％
であり、既に現状では他の材料に置き換えられてしまっ
た。Development of magnetoresistive materials has been carried out on various materials and structures. Conventionally, magnetic metal alloys such as permalloy have been used as materials for magnetic sensors and magnetic heads. However, its magnetoresistive effect is at most a few percent.
Therefore, it has already been replaced by other materials.

【０００４】また、新しい磁気抵抗材料の一例として
は、磁性体と非磁性体を交互に積層した多層膜構造があ
る。これは、磁性金属合金に比べ格段に大きな磁気抵抗
効果を示すことから、注目をあびた。次に研究が行われ
た系が、強磁性体金属／絶縁体／強磁性体金属という単
位を持ったスピンバルブ構造である。スピンバルブ構造
は、既に磁気ランダムアクセスメモリ等に応用され、商
品化が行われている。また、最近では、更に大きな磁気
抵抗効果を示す材料を目指し、全く新しい磁気抵抗材料
の開発も進んでいる。Further, as an example of the new magnetoresistive material, there is a multilayer film structure in which magnetic substances and non-magnetic substances are alternately laminated. This has attracted attention because it exhibits a remarkably large magnetoresistive effect as compared with a magnetic metal alloy. The system studied next is a spin valve structure having units of ferromagnetic metal / insulator / ferromagnetic metal. The spin valve structure has already been applied to a magnetic random access memory or the like and commercialized. Further, recently, development of a completely new magnetoresistive material has been progressing, aiming at a material having a larger magnetoresistive effect.

【０００５】これら磁気抵抗効果を用いる素子の性能向
上の為には、磁気抵抗の変化率（磁気抵抗比）が大きい
ことが第一の条件である。ここで、磁気抵抗比は、 ΔR / R = 100 × (Rmax Rmin) / Rmin (%)、 のように、最大抵抗値Rmaxと最小抵抗値Rminの差を磁場
印加による抵抗の変化分ΔRとし、それとRminの比で定
義する。In order to improve the performance of the element using the magnetoresistive effect, the first condition is that the rate of change in magnetoresistance (magnetoresistance ratio) is large. Here, the magnetic resistance ratio is ΔR / R = 100 × (Rmax Rmin) / Rmin (%), and the difference between the maximum resistance value Rmax and the minimum resistance value Rmin is ΔR, which is the change in resistance due to the magnetic field application. It is defined by the ratio of it and Rmin.

【０００６】次に重要な条件は、磁場に対する感度であ
る。メモリデバイス等電子デバイスとして応用するなら
ば、電気的に容易に発生出来、更にデバイス内で発生出
来る100Oe(エルステッド)以下の磁場で駆動しなければ
ならない。自動車の速度センサ、位置決定センサ等に用
いる磁気センサとして用いるためには、磁場としては、
永久磁石で発生出来、しかも適当なセンサと磁石間の距
離を取れる磁場範囲が実現できる程度、即ち1000Oe以下
の磁場であり、センサは、このような磁場で作動しなけ
ればならない。The next important condition is the sensitivity to the magnetic field. When applied as an electronic device such as a memory device, it must be driven by a magnetic field of 100 Oe (Oersted) or less that can be easily generated electrically and can be generated in the device. In order to use it as a magnetic sensor used for automobile speed sensor, position determination sensor, etc., the magnetic field must be
The magnetic field can be generated by a permanent magnet, and a magnetic field range in which an appropriate distance between the sensor and the magnet can be obtained is realized, that is, a magnetic field of 1000 Oe or less, and the sensor must operate in such a magnetic field.

【０００７】素子の開発を行う上で、以上に挙げた大き
な磁気抵抗比と感度が重要な特性値であるが、更に既存
の半導体テクノロジー技術との互換性が良いことが、実
際にその材料を用いて工業化を計る際には必須となる。
例えば、半導体テクノロジーの主要材料である、シリコ
ン、砒化ガリウム等を用いたデバイス製造ラインに組み
込めない材料、あるいは組み込むことに大きな労力を必
要とする材料はこの点で不利である。多くの場合、鉄や
クロムやコバルトなどの磁性体金属元素を含む材料はそ
れに適さない。また更には、その素子作製工程の簡素化
が経済的には大いに求められるところである。The large magnetoresistance ratio and the sensitivity mentioned above are important characteristic values in the development of the device, but the fact that the compatibility with the existing semiconductor technology is good is the material It is indispensable when using it for industrialization.
For example, a material that cannot be incorporated into a device manufacturing line using silicon, gallium arsenide, or the like, which is a main material of semiconductor technology, or a material that requires a large amount of labor for incorporation is disadvantageous in this respect. In many cases, materials containing magnetic metal elements such as iron, chromium and cobalt are not suitable for it. Furthermore, economically, there is a great demand for simplification of the element manufacturing process.

【０００８】また、当然のことながら、これらの特性が
室温にて発揮されなければ実際の磁気抵抗効果素子とし
ては使用が困難である。Further, as a matter of course, unless these characteristics are exhibited at room temperature, it is difficult to use as an actual magnetoresistive effect element.

【０００９】各種磁気抵抗効果素子において、これらの
条件を比較、整理したものを表１に示す。Table 1 shows a comparison and arrangement of these conditions among various magnetoresistive effect elements.

【００１０】[0010]

【表１】 [Table 1]

【００１１】表１に明らかなように、大きな磁気抵抗効
果を示す材料、例えば表１のf、g、hには、低温でなけ
れば作動しない、あるいは極端に大きな磁場を必要する
といった欠点があった。半導体デバイス作製プロセスに
適合する表１のi、jは、100Oe以下の磁場で作動させる
と、その電気信号は、出力が小さすぎた。また、電子デ
バイスに応用されている表１のc、dは、その磁気抵抗比
が小さかった。As is clear from Table 1, materials exhibiting a large magnetoresistive effect, for example, f, g and h in Table 1, have the drawback that they do not operate at low temperatures or require an extremely large magnetic field. It was When i and j in Table 1 which are compatible with the semiconductor device manufacturing process were operated in a magnetic field of 100 Oe or less, the electric signal output was too small. Further, c and d of Table 1 applied to electronic devices had a small magnetoresistive ratio.

【００１２】また、最近、この発明の発明者により新し
い磁気抵抗効果が発見されている。この効果は、磁気抵
抗材料内で電子雪崩現象が生じる時に、磁場印加により
この雪崩現象が凍結することにより発現する磁気抵抗効
果で、この現象は、この発明の発明者により、磁気抵抗
スイッチ現象と名付けられており、次の文献に詳しく記
載されている。AppliedPhysics Letters, Vol.76, No.3
(2000) 357.、Applied Physics Letters, Vol.76,No.1
3 (2000) 1743.、Applied Physics Letters, Vol.76, N
o.18 (2000) 2600.、応用磁気学会誌、Vol.34,No.4-2
(2000) 451.、応用磁気学会誌、Vol.34, No.4-2 (2000)
499.。Recently, a new magnetoresistive effect has been discovered by the inventor of the present invention. This effect is a magnetoresistive effect that appears when the avalanche phenomenon is frozen by the application of a magnetic field when an electron avalanche phenomenon occurs in the magnetoresistive material. It is named and is described in detail in the following documents: Applied Physics Letters, Vol.76, No.3
(2000) 357., Applied Physics Letters, Vol.76, No.1
3 (2000) 1743., Applied Physics Letters, Vol.76, N
o.18 (2000) 2600., Journal of Applied Magnetics, Vol.34, No.4-2
(2000) 451., Journal of Applied Magnetics, Vol.34, No.4-2 (2000)
499 ..

【００１３】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
磁気抵抗効果素子では、低温でなければ作動しなかった
り、あるいは極端に大きな磁場を必要としたりした。ま
た、大量生産に適したものでは、実用的な100Oe以下の
磁場で用いるには信号が小さすぎたり、また、電子デバ
イスに応用されているものでも、磁気抵抗比が小さかっ
たりした。As described above, the conventional magnetoresistive effect element does not operate unless the temperature is low, or requires an extremely large magnetic field. In addition, the signal suitable for mass production was too small to be used in a practical magnetic field of 100 Oe or less, and the magnetic resistance ratio was small even for those applied to electronic devices.

【００１４】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的の一つは、室温にて非常に大きな磁
気抵抗効果を示し、従って磁場にたいする感度が高い磁
気抵抗効果素子を実現することであり、他の目的の一つ
は、その簡単な製造プロセスで製造できる磁気抵抗効果
素子を提案することであり、また、半導体作製プロセス
との整合性を取り易い磁気抵抗材料で構成された磁気抵
抗効果素子を提案することである。さらに、本発明は、
この磁気抵抗効果素子を用いた複数の磁気感応装置を提
案することを他の目的の一つとしている。The present invention has been made in view of such circumstances, and one of the objects thereof is to realize a magnetoresistive effect element which exhibits a very large magnetoresistive effect at room temperature and therefore has a high sensitivity to a magnetic field. One of the other purposes is to propose a magnetoresistive effect element that can be manufactured by the simple manufacturing process, and is composed of a magnetoresistive material that is easily compatible with the semiconductor manufacturing process. It is to propose a magnetoresistive effect element. Further, the present invention provides
Another object is to propose a plurality of magnetic sensitive devices using the magnetoresistive effect element.

【００１５】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、金属微粒子を半導体基板上に分散し、そ
の金属微粒子を必要に応じて更に半導体あるいは半金属
超薄膜キャップ層で覆った構造において、そのグラニュ
ラー薄膜の抵抗が磁場の印加により変化することを用い
るもので、第１の発明は、磁気抵抗効果素子に関してお
り、複数の孤立した１００μｍ以下の金属微粒子が設け
られた表面を持つ半導体領域と、上記の表面にそれぞれ
離間して設けられた複数の電極と、該複数の電極と電気
的に接続された複数の半導体領域あるいは半金属領域
と、を含むことを特徴としている。In order to achieve the above object, the present invention is to disperse metal fine particles on a semiconductor substrate and, if necessary, further cover the metal fine particles with a semiconductor or semimetal ultrathin film cap layer. In the structure described above, the resistance of the granular thin film is changed by applying a magnetic field, and the first invention relates to a magnetoresistive effect element, and relates to a surface provided with a plurality of isolated metal fine particles of 100 μm or less. The semiconductor device is characterized by including a semiconductor region, a plurality of electrodes provided separately from the surface, and a plurality of semiconductor regions or semi-metal regions electrically connected to the plurality of electrodes.

【００１６】また、第２の発明は、磁気抵抗効果素子に
関しており、上記した第１の発明の構成に加えて、金属
微粒子が金あるいはアルミニウムの金属微粒子であるこ
とを特徴としている。A second invention relates to a magnetoresistive effect element, and is characterized in that, in addition to the structure of the first invention, the metal fine particles are metal fine particles of gold or aluminum.

【００１７】また、第３の発明は、磁気抵抗効果素子に
関しており、上記した第２の発明の構成に加えて、半導
体領域がＩＩＩ−Ｖ族に属する半導体であることを特徴
としている。A third invention relates to a magnetoresistive effect element, and is characterized in that, in addition to the structure of the second invention, the semiconductor region is a semiconductor belonging to the III-V group.

【００１８】また、第４の発明は、磁気抵抗効果素子に
関しており、上記した第１乃至第３のいずれかに記載の
発明の構成に加えて、金属微粒子が設けられた表面を持
つ半導体領域がアンチモン、砒化ガリウムあるいはビス
マスにより覆われた領域を持つことを特徴としている。Further, a fourth invention relates to a magnetoresistive effect element, and in addition to the constitution of the invention described in any one of the above-mentioned first to third inventions, a semiconductor region having a surface provided with metal fine particles is provided. It is characterized by having a region covered with antimony, gallium arsenide or bismuth.

【００１９】また、第５の発明は、磁気感応装置に関し
ており、第１乃至第４の発明のいずれかに記載の磁気抵
抗効果素子を用いた装置で、上記の電極間の半導体層表
面の磁界の強度の変化を与える構成と、上記の電極間の
電気抵抗の変化を検知する構成を備えた構成とを有する
事を特徴としている。A fifth aspect of the present invention relates to a magnetically sensitive device, which is a device using the magnetoresistive effect element according to any one of the first to fourth aspects of the invention, wherein the magnetic field on the surface of the semiconductor layer between the electrodes is Is provided, and a configuration for detecting a change in the electrical resistance between the electrodes is provided.

【００２０】また、第６の発明は、磁気感応装置に関し
ており、第５の発明の構成に加えて、上記の電極間の電
圧を調整することにより、あるいは、上記の半導体層表
面の磁界の強度を調整するためのバイアス磁界を調整す
ることにより、磁界の強度の変化に対する上記の電極間
の電気抵抗の変化を増大ならしめる構成をもつ事を特徴
としている。A sixth aspect of the present invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the structure of the fifth aspect of the invention, by adjusting the voltage between the electrodes, or the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. By adjusting the bias magnetic field for adjusting the magnetic field, it is possible to increase the change in the electric resistance between the electrodes with respect to the change in the magnetic field strength.

【００２１】また、第７の発明は、磁気感応装置に関し
ており、第５の発明の構成に加えて、上記の電極間の電
圧を調整することにより、あるいは、上記の半導体層表
面の磁界の強度を調整するためのバイアス磁界を調整す
ることにより、上記の電極間に起こる電子雪崩現象の起
こる領域で動作せしめる構成をもつ事を特徴としてい
る。A seventh aspect of the present invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the structure of the fifth aspect of the invention, by adjusting the voltage between the electrodes, or the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. By adjusting the bias magnetic field for adjusting, the device is characterized in that it is operated in a region where the electron avalanche phenomenon occurs between the electrodes.

【００２２】また、第８の発明は、磁気感応装置に関し
ており、第５の発明の構成に加えて、上記の電極間の電
圧を調整することにより、あるいは、上記の半導体層表
面の磁界の強度を調整するためのバイアス磁界を調整す
ることにより、磁界の強度の変化に対する上記の電極間
の電気抵抗の変化がヒステリシス特性を持った領域で動
作せしめる構成をもつ事を特徴としている。An eighth aspect of the present invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the structure of the fifth aspect, the voltage between the electrodes is adjusted or the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer is increased. By adjusting the bias magnetic field for adjusting the magnetic field, the change in the electric resistance between the electrodes with respect to the change in the magnetic field strength is operated in a region having a hysteresis characteristic.

【００２３】また、第９の発明は、磁気感応装置に関し
ており、第５の発明の構成に加えて、上記の電極間の半
導体層表面に照射される光強度の変化を与える構成を備
えたことを特徴としている。A ninth aspect of the invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the configuration of the fifth aspect of the invention, is provided with a configuration for changing the intensity of light applied to the surface of the semiconductor layer between the electrodes. Is characterized by.

【００２４】また、第１０の発明は、磁気感応装置に関
しており、第９の発明の構成に加えて、上記の電極間の
電圧を調整することにより、あるいは、上記の半導体層
表面の磁界の強度を調整するためのバイアス磁界を調整
することにより、あるいは、照射する光強度を調整する
ことにより、磁界の強度の変化に対する上記の電極間の
電気抵抗の変化、あるいは、光強度の変化に対する上記
の電極間の電気抵抗の変化を増大ならしめる構成をもつ
事を特徴としている。A tenth aspect of the invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the structure of the ninth aspect of the invention, by adjusting the voltage between the electrodes, or the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. By adjusting the bias magnetic field for adjusting the intensity of the magnetic field, or by adjusting the intensity of the light to be irradiated, the change in the electric resistance between the electrodes with respect to the change in the intensity of the magnetic field, or the change in the light intensity It is characterized by having a structure that increases the change in electrical resistance between the electrodes.

【００２５】また、第１１の発明は、磁気感応装置に関
しており、第９の発明の構成に加えて、上記の電極間の
電圧を調整することにより、あるいは、上記の半導体層
表面の磁界の強度を調整するためのバイアス磁界を調整
することにより、あるいは、照射する光強度を調整する
ことにより、磁界の強度の変化に対する上記の電極間の
電気抵抗の変化、あるいは、光強度の変化に対する上記
の電極間の電気抵抗の変化がヒステリシス特性を持った
領域で動作せしめる構成をもつ事を特徴としている。The eleventh invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the structure of the ninth invention, by adjusting the voltage between the electrodes, or the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. By adjusting the bias magnetic field for adjusting the intensity of the magnetic field, or by adjusting the intensity of the light to be irradiated, the change in the electric resistance between the electrodes with respect to the change in the intensity of the magnetic field, or the change in the light intensity It is characterized by having a structure in which the change in the electric resistance between the electrodes allows operation in a region having a hysteresis characteristic.

【００２６】また、第１２の発明は、磁気感応装置に関
しており、第９の発明の構成に加えて、上記の電極間の
電圧を調整することにより、あるいは、上記の半導体層
表面の磁界の強度を調整するためのバイアス磁界を調整
することにより、あるいは、照射する光強度を調整する
ことにより、上記の電極間に起こる電子雪崩現象の起こ
る領域で動作せしめる構成をもつ事を特徴としている。The twelfth invention relates to a magnetically sensitive device, and in addition to the structure of the ninth invention, by adjusting the voltage between the electrodes, or the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. It is characterized in that it is operated in a region where the electron avalanche phenomenon occurs between the electrodes by adjusting the bias magnetic field for adjusting the above or by adjusting the intensity of the irradiation light.

【００２７】また、第１３の発明は、磁気感応装置に関
しており、第１乃至第４の発明のいずれかに記載の磁気
抵抗効果素子を用いた装置で、上記の電極間の半導体層
表面に磁界を与える構成と、上記の電極間に電圧を与え
る構成と、該電極間に流れる電流の振動成分を含む出力
を取り出す構成とを備えることを特徴としている。A thirteenth invention relates to a magnetically sensitive device, which is a device using the magnetoresistive effect element according to any one of the first to fourth inventions, wherein a magnetic field is applied to the surface of the semiconductor layer between the electrodes. Is provided, a configuration for applying a voltage between the electrodes, and a configuration for taking out an output including an oscillating component of a current flowing between the electrodes.

【００２８】[0028]

【発明の実施の形態】先ず、磁気抵効果素子の実施の形
態を説明し、次にそれを用いた磁気感応装置の実施の形
態を説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, an embodiment of a magnetic resistance effect element will be described, and then an embodiment of a magnetic sensitive device using the same will be described.

【００２９】本発明の磁気抵効果素子は、図１３に示す
様に、金属微粒子を半導体基板上に分散し、その金属微
粒子を必要に応じて更に半導体あるいは半金属超薄膜キ
ャップ層で覆った構造を持つもので、そのグラニュラー
薄膜の抵抗が磁場の印加により変化するという磁気抵抗
効果を動作原理としている。As shown in FIG. 13, the magnetoresistive element of the present invention has a structure in which metal fine particles are dispersed on a semiconductor substrate, and the metal fine particles are further covered with a semiconductor or semimetal ultrathin film cap layer as needed. The operating principle is the magnetoresistive effect that the resistance of the granular thin film changes with the application of a magnetic field.

【００３０】このような磁気抵効果素子においては、10
0 Oe以下の磁場でも、既存材料に比較して１桁以上も大
きな磁気抵抗効果を示す。更に、図１３に示された２つ
の電極間の印加電圧を変えることによってその磁気抵抗
比を磁場の大きさに合わせて調整することも可能であ
る。更に、一般に半導体製造工程の汚染物質となる磁性
元素を含まないため、既存の半導体製造プロセスに投入
することが容易で、かつ、その製造プロセスが簡単であ
る。これらの特性は、表１に示した既存の素子に比較し
て、格段に性能が向上した新しい磁気抵抗効果素子であ
る。In such a magnetic resistance effect element,
Even at a magnetic field of 0 Oe or less, it exhibits a magnetoresistive effect that is one digit or more larger than existing materials. Furthermore, it is also possible to adjust the magnetoresistive ratio according to the magnitude of the magnetic field by changing the applied voltage between the two electrodes shown in FIG. Further, since it generally does not contain a magnetic element that becomes a contaminant in the semiconductor manufacturing process, it can be easily added to the existing semiconductor manufacturing process and the manufacturing process is simple. These characteristics are new magnetoresistive effect elements having significantly improved performance as compared with the existing elements shown in Table 1.

【００３１】この磁気抵効果素子は、半導体基板上に作
製したものであり、複数の１００μｍ以下の金属微粒子
が１μｍ以下の間隔でお互いに接触せず孤立しており、
キャップ層の厚みが1から100ナノメートルであることを
特徴とする素子である。更に好ましくは、複数の１μｍ
以下の金属微粒子が１から１００nmでお互いに接触せず
孤立しており、キャップ層の厚みが1から100ナノメート
ルであることを特徴とする材料である。金属微粒子の形
状は、球状でも、平凸型でも、ディスク状でも、不定形
平板状でも、矩形でも構わないが、それらの間隔が上記
範囲にあることが必要である。This magnetoresistive effect element is manufactured on a semiconductor substrate, and a plurality of metal fine particles of 100 μm or less are isolated from each other at intervals of 1 μm or less without contacting each other.
The device is characterized in that the thickness of the cap layer is 1 to 100 nm. More preferably, a plurality of 1 μm
The material is characterized in that the following metal fine particles are 1 to 100 nm and are isolated without contacting each other, and the cap layer has a thickness of 1 to 100 nm. The shape of the metal fine particles may be spherical, plano-convex, disk-shaped, irregular flat plate-shaped, or rectangular, but it is necessary that the distance between them is within the above range.

【００３２】更に詳しくは、半導体基板が砒化ガリウム
（GaAs）であり、金属微粒子とキャップ層の組み合わせ
が金（Au）とアンチモン（Sb）、アルミニウム（Al）と
アンチモン（Sb）、金（Au）と砒化ガリウム（GaAs）、
アルミニウム（Al）と砒化ガリウム（GaAs）で、電極が
インジウム（In）、金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、ア
ルミニウム（Al）等の金属であること、あるいは、半導
体基板がIII-V族半導体で、III族元素が、Ga、Al、Inの
少なくとも１種類の元素より選ばれることを特徴とし、
V族元素がAsであることを特徴とするもの、あるいは、
キャップ層がBiのような半金属であることを特徴とする
上記の磁気抵抗効果素子である。More specifically, the semiconductor substrate is gallium arsenide (GaAs), and the combination of the metal fine particles and the cap layer is gold (Au) and antimony (Sb), aluminum (Al) and antimony (Sb), and gold (Au). And gallium arsenide (GaAs),
Aluminum (Al) and gallium arsenide (GaAs), the electrode is a metal such as indium (In), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), or the semiconductor substrate is In a III-V group semiconductor, the group III element is selected from at least one element of Ga, Al and In,
Characterized in that the group V element is As, or
The magnetoresistive effect element is characterized in that the cap layer is a semimetal such as Bi.

【００３３】本発明において、金属微粒子の大きさを1
から100ナノメートルでお互いに接触せず孤立して配置
するのは、デバイスサイズがナノメートルオーダーにな
っても使用可能にするためで、かつ金属微粒子が密着し
てしまうと金属微粒子を通じた電気伝導が支配的になっ
て、所望の磁気抵抗効果が発現しなくなってしまうこと
を防ぐためである。In the present invention, the size of the fine metal particles is set to 1
From 100 to 100 nanometers so that they can be placed in isolation without touching each other so that they can be used even if the device size is in the nanometer order. Is to prevent the desired magnetoresistive effect from not being exhibited.

【００３４】このような磁気抵抗効果素子の製造プロセ
スの概要を次に説明する。半導体基板は、分子線エピタ
キシー法、電子ビーム蒸着法、スパッタリング法、電着
法等のいずれの方法でも作製することができる。いずれ
かの方法で高抵抗の半導体領域を形成した後、基板上に
金属微粒子を分散させる。その後に、キャップ層を形成
する。金属微粒子は、結晶工学的格子定数の違いや、基
板と金属との表面エネルギーの差、あるいは材料の相分
離などのプロセスを用いて形成することができることが
既に知られている。An outline of the manufacturing process of such a magnetoresistive effect element will be described below. The semiconductor substrate can be manufactured by any method such as a molecular beam epitaxy method, an electron beam vapor deposition method, a sputtering method, and an electrodeposition method. After forming the high resistance semiconductor region by any method, the metal fine particles are dispersed on the substrate. After that, a cap layer is formed. It is already known that the metal fine particles can be formed by using a process such as a difference in crystal engineering lattice constant, a difference in surface energy between the substrate and the metal, or phase separation of materials.

【００３５】金属微粒子やキャップ層の構造は、走査型
電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡
等で評価することができる。図１に走査型電子顕微鏡を
用いて観察した断面像を示す。この走査型電子顕微鏡像
から、長さ１０ｎｍ程度の金属微粒子が１〜２ｎｍ程度
の間隔で配置されているのが分かる。なお、磁気抵抗効
果素子の表面には、酸化防止、あるいは電極との絶縁の
ため、酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁体膜を設け
ることが望ましい。The structure of the metal fine particles and the cap layer can be evaluated by a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, a scanning probe microscope or the like. FIG. 1 shows a cross-sectional image observed using a scanning electron microscope. From this scanning electron microscope image, it can be seen that the fine metal particles having a length of about 10 nm are arranged at intervals of about 1 to 2 nm. An insulating film of silicon oxide, silicon nitride or the like is preferably provided on the surface of the magnetoresistive effect element in order to prevent oxidation or insulate the electrodes.

【００３６】また、この素子には、複数の金属電極が磁
気抵抗効果素子の抵抗変化の読み出し用に設けられる。
この電極には、In、Au、Cu、Alなどの金属を用いること
ができる。これらの電極間に電流を流して磁気抵抗効果
を検出するが、この電流が、本発明に係わる磁気抵効果
素子で電子雪崩現象を生じ、磁場印加によりこの雪崩現
象が凍結することにより従来のものに比べて大きな磁気
抵抗効果を引起すものである。Further, this element is provided with a plurality of metal electrodes for reading the resistance change of the magnetoresistive effect element.
Metals such as In, Au, Cu and Al can be used for this electrode. A current is caused to flow between these electrodes to detect the magnetoresistive effect. This current causes an electron avalanche phenomenon in the magnetoresistive element according to the present invention, and this avalanche phenomenon is frozen by application of a magnetic field. It causes a large magnetoresistive effect compared to.

【００３７】これらの電極間の抵抗の測定法について
は、２つの向かい合った電極間にさらに２つの電圧測定
用電極、計４つの電極を設置する４探子法、電圧及び電
流端子を共通にする２探子法、任意の電極を設置するva
nder Pauw法(Philips Technical Review, Vol.20 No.8,
p.220 (1958/1959))、マルチ探子法、コビノ探子法、
ホール素子型(IEEETransactions on Magnetics, Vol.3
4, No.4, p.1300 (1998))等、などが良く知られてい
る。このための電極の配置としては、測定法に応じて配
置することが望ましい。更に、磁気抵効果素子に磁気異
方性が生じる場合には、その異方性に従った配置に電極
を配置することによって、相互配置の違いによる磁気抵
抗効果を読み取り、磁気方向を知ることができる。Regarding the method of measuring the resistance between these electrodes, two voltage measuring electrodes are additionally provided between two electrodes facing each other, the four probe method in which a total of four electrodes are installed, and the voltage and current terminals are commonly used. Probe method, va to install any electrode
nder Pauw method (Philips Technical Review, Vol.20 No.8,
p.220 (1958/1959)), multi-search method, Cobino search method,
Hall element type (IEEE Transactions on Magnetics, Vol.3
4, No. 4, p. 1300 (1998)), etc. are well known. It is desirable that the electrodes be arranged according to the measuring method. Further, when magnetic anisotropy occurs in the magnetoresistive element, by arranging the electrodes according to the anisotropy, the magnetoresistive effect due to the difference in mutual arrangement can be read and the magnetic direction can be known. it can.

【００３８】これらの電極間に印加する電圧は、電子雪
崩現象を誘起する程度の電圧である。その値は磁気抵効
果素子のサイズおよび特性によって異なってくる。この
ため、電圧を印加する電極間の距離に従って、印加する
電圧を調整して、出力信号が望ましい値になるように設
計することが必要である。このためには、定電流で駆動
することが望ましいが、定電流源の代わりに、抵抗素子
で代用することもできる。本発明の実施例においては、
磁気抵抗効果を明らかに示すために110V以下の電圧で適
当な値に設定したが、電子デバイスとして活用するに
は、用途に応じて設定できることが望ましい。多くの場
合は、なるべく低い電圧で動作することが望まれるが、
そのためには、電極間の距離を小さくすれば良いこと
は、明らかである。The voltage applied between these electrodes is a voltage that induces an electron avalanche phenomenon. Its value depends on the size and characteristics of the magnetic resistance effect element. Therefore, it is necessary to adjust the applied voltage according to the distance between the electrodes to which the voltage is applied and design the output signal to have a desired value. For this purpose, it is desirable to drive with a constant current, but a resistance element can be used instead of the constant current source. In an embodiment of the invention,
The voltage was set to an appropriate value at a voltage of 110 V or less to clearly show the magnetoresistive effect, but it is desirable to be able to set it according to the application in order to utilize it as an electronic device. In many cases it is desirable to operate at the lowest possible voltage,
For that purpose, it is clear that the distance between the electrodes should be reduced.

【００３９】以下に、本発明の磁気抵効果素子の作製方
法の詳細を示す。本発明の磁気抵抗効果素子の構造を、
添付図面にて説明する。図１は、本発明に係わる磁気抵
抗効果素子の断面を、高分解能透過型電子顕微鏡で観察
した像である。この像からわかるように、GaAs基板上に
ディスク状の金属Al粒子が存在し、その上にGaAsキャッ
プ層がつけられている。The details of the method for producing the magnetoresistive effect element of the present invention will be described below. The structure of the magnetoresistive effect element of the present invention,
It will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an image of a cross section of a magnetoresistive effect element according to the present invention observed by a high resolution transmission electron microscope. As can be seen from this image, disk-shaped metal Al particles are present on the GaAs substrate, and the GaAs cap layer is provided thereon.

【００４０】なお、金属微粒子の構造は、この例におい
てはディスク状であるが、所望の特性が得られるのであ
れば、球状でも、平凸型でも、いかなる形でも構わな
い。この形状は、一般にプロセスに依存している。例え
ば、GaAs基板上ではAu粒子は平凸型になっている。金属
微粒子の大きさは、ここではその直径が約10ナノメート
ルであるが、それぞれが孤立しているのであれば、それ
に限らない。本実施例で述べるような作製方法により、
その形状、大きさ、配列を制御し、磁気抵抗材料の特性
を制御することが可能になる。The structure of the metal fine particles is disk-shaped in this example, but may be spherical, plano-convex or any shape as long as desired characteristics can be obtained. This shape is generally process dependent. For example, Au particles are plano-convex on a GaAs substrate. The size of the metal fine particles has a diameter of about 10 nanometers here, but is not limited thereto as long as they are isolated from each other. By the manufacturing method as described in this example,
It is possible to control the shape, size and arrangement of the magnetoresistive material and control the characteristics of the magnetoresistive material.

【００４１】本発明に係わる半導体基板は、絶縁性ある
いは半絶縁性であることが望ましいが、これらに準じた
高い抵抗値でも良い。例えば、基板上に作製するグラニ
ュラー構造の抵抗値の高抵抗状態に比べて、少なくとも
5〜10倍以上、好ましくは100倍から1000倍以上高いもの
である。The semiconductor substrate according to the present invention is preferably insulative or semi-insulating, but may have a high resistance value according to these. For example, compared with the high resistance state of the resistance value of the granular structure manufactured on the substrate, at least
It is 5 to 10 times or more, preferably 100 to 1000 times or more higher.

【００４２】本発明に係わる磁気抵抗効果素子基板は、
分子線エピタキシー法を用いて作製した。まず、GaAs(1
11)B基板を真空チャンバー内に導入する。GaAs基板の面
方位はここでは(111)Bを用いたが、金属微粒子が成長す
るのであれば(111)Aや(001)等、他の面指数を持つ面で
も構わない。10^-8torr（1.3310^-6Pa）台の真空度を保ち
ながら400℃程度まで基板を加熱し、表面を清浄化し
た。次に、その真空度を破らずに、成長用チャンバーに
基板を移送し、まずGaAsバッファ層を基板上に作製し
た。その際の基板温度は550℃から650℃、望ましくは58
0℃から600℃の範囲で設定した。そして、そのバッファ
層上にAlあるいはAuの金属微粒子を蒸着した。その際の
基板温度は300℃以下、望ましくはAlに関しては250℃以
下、Auに関しては50℃以下の範囲で設定した。バッファ
層は、所望の基板表面が得るために作製したのであり、
なくても構わない。金属微粒子を蒸着した後は、Sbある
いはGaAsのキャップ層を作製した。その際の基板温度は
300℃以下、望ましくはSbに関しては50℃以下、GaAsに
関しては250℃以下の範囲で設定した。The magnetoresistive element substrate according to the present invention is
It was prepared using the molecular beam epitaxy method. First, GaAs (1
11) Introduce the B substrate into the vacuum chamber. Although the plane orientation of the GaAs substrate is (111) B here, other plane indices such as (111) A and (001) may be used as long as the metal fine particles grow. The surface of the substrate was cleaned by heating the substrate to about 400 ° C while maintaining the degree of vacuum on the order of 10 ^-8 torr (1.3310 ^-6 Pa). Next, the substrate was transferred to the growth chamber without breaking the degree of vacuum, and a GaAs buffer layer was first formed on the substrate. The substrate temperature at that time is 550 to 650 ° C, preferably 58 ° C.
It was set in the range of 0 ° C to 600 ° C. Then, Al or Au metal fine particles were vapor-deposited on the buffer layer. The substrate temperature at that time was set to 300 ° C. or lower, desirably 250 ° C. or lower for Al and 50 ° C. or lower for Au. The buffer layer was created in order to obtain the desired substrate surface,
It doesn't matter. After depositing the metal fine particles, a cap layer of Sb or GaAs was prepared. The substrate temperature at that time is
The temperature was set to 300 ° C. or lower, preferably 50 ° C. or lower for Sb and 250 ° C. or lower for GaAs.

【００４３】図２は、その金属微粒子がAlで、キャップ
層がGaAsである場合の、磁気抵抗効果素子表面を、反射
型高エネルギー電子線回折法で観察したものである。
(a)は、GaAsバッファ層、(b)は、Al蒸着後、(c)は、GaA
sキャップ層形成後の、表面からの像である。(a)のスト
リークに比較して、(b)のストリークは幅広であり、金
属微粒子の成長を示している。また(c)には、像の中に
スポットが現れ、キャップ層が双晶等を含む多結晶質で
あることを示している。FIG. 2 shows the surface of the magnetoresistive effect element observed by the reflection type high energy electron diffraction method when the metal fine particles are Al and the cap layer is GaAs.
(a) is a GaAs buffer layer, (b) is Al vapor-deposited, and (c) is GaA.
s It is an image from the surface after forming the cap layer. Compared to the streak of (a), the streak of (b) is wider and shows the growth of the metal fine particles. Further, in (c), spots appear in the image, indicating that the cap layer is polycrystalline including twins and the like.

【００４４】図３は、その金属微粒子がAuで、キャップ
層がSbである場合の、磁気抵抗効果素子表面を、反射型
高エネルギー電子線回折法で観察したものである。(a)
は、GaAsバッファ層、(b)は、Au蒸着後、(c)は、Sbキャ
ップ層形成後の、表面からの像である。(a)のストリー
クに比較して、(b)のストリークの輝度が落ちており、
金属微粒子の成長を示している。また(c)では、像の中
に回折像が出現せず、キャップ層が非晶質であることを
示している。FIG. 3 is an image obtained by observing the surface of the magnetoresistive effect element when the metal fine particles are Au and the cap layer is Sb by the reflection type high energy electron diffraction method. (a)
Is a GaAs buffer layer, (b) is an image from the surface after Au deposition, and (c) is an image from the surface after formation of the Sb cap layer. The brightness of the streak of (b) is lower than that of the streak of (a),
It shows the growth of fine metal particles. Further, in (c), no diffraction image appears in the image, indicating that the cap layer is amorphous.

【００４５】金属微粒子の形成時におけるその蒸着量
は、金属が基板表面を平たんに覆った時の厚み（公称膜
厚）に換算して、0.2〜0.5ナノメートルにした。金属微
粒子同士が基板上において完全に癒着してしまわないの
であれば、この範囲でなくても良い。この金属微粒子の
形状、大きさや配列は、製造方法によって調整すること
ができ、以下の実施例に述べる電子雪崩現象における降
伏電圧や、オン・オフ時の抵抗値比等の特性パラメータ
が決まるので、所望の電子素子の特性に合致するよう
に、金属微粒子の形状、大きさ、配列を変えることが重
要である。またその蒸着速度には、特に制限はないが、
膜圧の制御が可能なように、0.05〜0.2ナノメートル毎
秒にすることが望ましい。このような蒸着制御により、
適当な形状、大きさ、配列を持った、金属微粒子を半導
体基板上に作製することができる。The amount of vapor deposition of the fine metal particles at the time of formation was 0.2 to 0.5 nanometer in terms of the thickness (nominal film thickness) when the metal evenly covered the surface of the substrate. If the metal fine particles do not completely adhere to each other on the substrate, it may not be in this range. The shape, size and arrangement of the metal fine particles can be adjusted by the manufacturing method, and the breakdown voltage in the electron avalanche phenomenon described in the following examples and the characteristic parameters such as the resistance value ratio at the time of turning on and off are determined, It is important to change the shape, size and arrangement of the metal fine particles so as to match the desired characteristics of the electronic device. The vapor deposition rate is not particularly limited,
It is desirable to set it to 0.05 to 0.2 nanometer per second so that the membrane pressure can be controlled. By such vapor deposition control,
Metal fine particles having an appropriate shape, size and arrangement can be produced on a semiconductor substrate.

【００４６】以下の実施例は、このようにして作製した
磁気抵抗効果素子の形成された基板を真空チャンバーか
ら取り出し、2〜4mm幅で、5〜15mm長さの短冊上に劈開
した試料の長さ方向の両端にInで電極を設け、２探子法
にてその特性を評価したものである。電極の材料は、A
u、Ag、Cuのような良導電性のものであればいかなるも
のでも良い。また、その形状を変えることにより試料に
印加される電圧の大きさや方向を変えることができる。
更に、電子線リソグラフィー、光リソグラフィー等、既
存の半導体プロセスに用いられるフォトリソグラフィー
を用いて、電極幅をナノメートル〜マイクロメートルに
した素子を作製することができる。この際には、磁気抵
抗効果素子の特性を悪化させないために、また、電極と
の電気的絶縁性を保つために、適当な抵抗値を持った、
絶縁層を更に形成することが必要である。特に、以下の
実施例に述べる電子雪崩現象における降伏電圧の大きさ
は、電極幅と電極形状を制御することによって制御可能
である。電極形状が同じならば、降伏電圧の開始される
閾値（Vth）は、電極間距離Dの間に、Vth = A / D 、の
関係がある。ここで、Aは試料の特性と、電極の形状に
よって決まる比例係数である。In the following examples, the substrate on which the magnetoresistive effect element thus formed was taken out from the vacuum chamber, and the length of the sample was cleaved into a strip having a width of 2 to 4 mm and a length of 5 to 15 mm. Electrodes were made of In at both ends in the vertical direction, and their characteristics were evaluated by the two-probe method. The material of the electrode is A
Any material having good conductivity such as u, Ag and Cu may be used. Moreover, the magnitude and direction of the voltage applied to the sample can be changed by changing its shape.
Further, by using photolithography used in existing semiconductor processes such as electron beam lithography and photolithography, an element having an electrode width of nanometer to micrometer can be manufactured. At this time, in order to prevent deterioration of the characteristics of the magnetoresistive effect element and to maintain electric insulation with the electrodes, a suitable resistance value was provided,
It is necessary to further form an insulating layer. In particular, the magnitude of the breakdown voltage in the electron avalanche phenomenon described in the examples below can be controlled by controlling the electrode width and the electrode shape. If the electrode shape is the same, the threshold value (Vth) at which the breakdown voltage starts has a relationship of Vth = A / D between the interelectrode distances D. Here, A is a proportional coefficient determined by the characteristics of the sample and the shape of the electrode.

【００４７】表１の参考文献jにあげたような、半導体
ヘテロ構造が、半導体のみを用いた既存の磁気抵抗効果
素子としては最も高性能のものである。半導体ヘテロ構
造が、何層もの異なる半導体層を積層することによって
得られるものであるのに対し、本発明に係わる磁気抵抗
効果素子の基本構造は極めて単純であり、かつその製造
プロセスも上記に述べたように簡素である。更には、前
記半導体ヘテロ構造を製造するために用いる装置や、製
造プロセスとの互換性も高く、従来のものに比べて、本
発明の磁気抵抗効果素子は、工業的価値の高いものであ
る。The semiconductor heterostructure as shown in the reference document j of Table 1 has the highest performance as the existing magnetoresistive effect element using only the semiconductor. While the semiconductor heterostructure is obtained by stacking several different semiconductor layers, the basic structure of the magnetoresistive effect element according to the present invention is extremely simple, and its manufacturing process is also described above. It's as simple as that. Furthermore, the magnetoresistive effect element of the present invention has a high industrial value as compared with the conventional one, because it is highly compatible with the device used for manufacturing the semiconductor heterostructure and the manufacturing process.

【００４８】次に、上記で説明した磁気抵抗効果素子を
用いた磁気感応装置の実施の形態として、磁気センサ素
子、磁気メモリ素子、磁気スイッチング素子、磁気制御
フォトダイオード素子、磁気制御定電圧ダイオード素
子、磁気制御発振素子への応用例を示す。Next, as an embodiment of the magnetic sensitive device using the magnetoresistive effect element described above, a magnetic sensor element, a magnetic memory element, a magnetic switching element, a magnetic control photodiode element, a magnetic control constant voltage diode element. , An example of application to a magnetically controlled oscillator is shown.

【００４９】まず、磁気センサ素子として用いる場合の
実施の形態を図１４示す。磁気センサ素子として用いた
磁気抵抗効果素子の測定結果の例を図４に示す。ここで
用いた磁気抵抗効果素子は、上記の手順に従って作製し
たもので、その半導体基板がGaAs(111)Bであり、そのバ
ッファ層が12ナノメートルのGaAs(111)Bであり、その金
属微粒子が公称膜厚0.2ナノメートルのAuで、そのキャ
ップ層が5ナノメートルのSbである。磁気抵抗曲線の測
定は、２探子法にて室温で行った。磁場は、試料面と電
流の向きに平行に印加した。図に示した様に、30エルス
テッドの磁場を印加した場合に、その抵抗値が急激に上
昇した。ここで、RminとRmaxの比から決定される磁気抵
抗比は、約450％もの大きさに達し、これは100エルステ
ッド以下の磁場で作動する、表１における最も性能の高
い既存の素子と比較して、１桁以上もの値となる性能で
ある。この測定は、室温で行われたものであり、容易に
磁気センサ素子として用いることが可能である。First, FIG. 14 shows an embodiment in the case of being used as a magnetic sensor element. FIG. 4 shows an example of measurement results of the magnetoresistive effect element used as the magnetic sensor element. The magnetoresistive element used here was manufactured according to the above procedure, the semiconductor substrate was GaAs (111) B, the buffer layer was GaAs (111) B of 12 nm, and the metal fine particles were Is Au with a nominal thickness of 0.2 nanometers and its cap layer is Sb with a thickness of 5 nanometers. The measurement of the magnetoresistive curve was performed at room temperature by the two-probe method. The magnetic field was applied parallel to the sample surface and the direction of the current. As shown in the figure, when a magnetic field of 30 oersted was applied, the resistance value rapidly increased. Here, the magnetoresistive ratio, determined from the ratio of Rmin and Rmax, reaches as high as about 450%, which compares to the highest performing existing devices in Table 1 that operate in magnetic fields below 100 Oersteds. Therefore, the performance is a value of one digit or more. This measurement was performed at room temperature and can be easily used as a magnetic sensor element.

【００５０】図１４においては、磁気抵抗効果素子の負
荷として基準抵抗を用い、これらの直列接続回路に定電
圧を印加しているが、定電流を磁気抵抗効果素子に印加
して、その両端の電位差を出力としても良い。磁気抵抗
効果素子を高感度で用いる場合は、この様に定電流にお
いて用いたほうが望ましい。In FIG. 14, the reference resistance is used as the load of the magnetoresistive effect element, and a constant voltage is applied to these series-connected circuits. However, a constant current is applied to the magnetoresistive effect element and both ends thereof are connected. The potential difference may be used as the output. When the magnetoresistive effect element is used with high sensitivity, it is desirable to use it in such a constant current.

【００５１】ここで、２探子法にて測定する際に、その
探子間に印加する電圧を変えることにより、磁気抵抗比
を劇的に変化することが可能である。その性能を、図５
に示す。図中黒丸が磁気抵抗比を表し、450%から100,00
0%まで、印加電圧を上げることによりその抵抗比が上昇
することが示されている（これらは、表１のｏ、ｐ、
ｑ、ｒ、に対応している）。ただし、白丸に示すよう
に、印加電圧の上昇に伴い、その磁気抵抗効果を発現す
るのに必要な磁場の値も上昇するので、磁気センサ素子
を設計する際には、検出する磁場の値に従って印加電圧
の値も変えることが必要となる。Here, when measuring with the two-probe method, it is possible to dramatically change the magnetoresistive ratio by changing the voltage applied between the probes. The performance is shown in FIG.
Shown in. The black circles in the figure represent the magnetic resistance ratio, from 450% to 100,00.
It has been shown that increasing the applied voltage up to 0% increases its resistance ratio (these are o, p, and
corresponding to q, r). However, as indicated by the white circles, the value of the magnetic field required to develop the magnetoresistive effect also rises as the applied voltage rises.Therefore, when designing the magnetic sensor element, follow the value of the magnetic field to be detected. It is also necessary to change the value of the applied voltage.

【００５２】別の見方をすれば、本発明は、印加電圧を
変えることによって、その磁気抵抗比、磁場感度を変え
ることのできる磁気センサ素子を提供するものである。
これは、従来にない機能である。From another point of view, the present invention provides a magnetic sensor element whose magnetic resistance ratio and magnetic field sensitivity can be changed by changing the applied voltage.
This is an unprecedented function.

【００５３】このための印加電圧としては、素子の電極
間距離に依存するため、磁気センサ素子を設計する際に
は、先に説明した、Vth= A / D 、の関係などを用いる
等により、連結する電子回路に適した値を選ぶことが望
ましい。Since the applied voltage for this depends on the distance between the electrodes of the element, when designing the magnetic sensor element, the above-mentioned relationship of Vth = A / D is used. It is desirable to select a value suitable for the electronic circuit to be connected.

【００５４】次に、磁気メモリ素子として用いる場合の
実施の形態を図１５（ａ）に示す。図１５（ａ）は４セ
ル配列を示している。図中のＡ点Ｂ点間にセル選択用の
ダイオードをいれることもできる。Next, FIG. 15A shows an embodiment when it is used as a magnetic memory element. FIG. 15A shows a 4-cell array. A diode for cell selection can be inserted between points A and B in the figure.

【００５５】この様に、磁気メモリ素子として用いた場
合の、磁気抵抗効果素子の測定結果の例を図６に示す。
この磁気抵抗効果素子は、上記の手順に従って作製した
ものであり、その半導体基板がGaAs(111)Bであり、その
バッファー層が12ナノメートルのGaAs(111)Bであり、そ
の金属微粒子が公称膜厚0.2ナノメートルのAuで、その
キャップ層が5ナノメートルのSbである。磁気抵抗曲線
の測定は２探子法にて室温で行った。磁場は、試料面と
電流の向きに平行に印加した。また、電極とした２端子
間の印加電圧を、それぞれ59V、61V、64Vと変えた場合
の曲線を、図６(a)、(b)、(c)で示す。図中の矢印は、
磁場の掃引方向を示す。FIG. 6 shows an example of the measurement result of the magnetoresistive effect element when it is used as the magnetic memory element in this way.
This magnetoresistive effect element is manufactured according to the above procedure, the semiconductor substrate is GaAs (111) B, the buffer layer is GaAs (111) B of 12 nm, and the metal fine particles are nominally The Au layer has a thickness of 0.2 nanometers and the cap layer is Sb having a thickness of 5 nanometers. The measurement of the magnetoresistive curve was performed at room temperature by the two-probe method. The magnetic field was applied parallel to the sample surface and the direction of the current. 6A, 6B, and 6C show curves when the voltages applied between the two terminals used as electrodes are changed to 59V, 61V, and 64V, respectively. The arrow in the figure
The sweep direction of the magnetic field is shown.

【００５６】例えば、図６(b)では、初め5（任意単位）
であった抵抗値が、220エルステッド以上の磁場を印加
することにより、約70になり、その後は磁場を増減して
も、この値を保っていることが明らかである。図６で
は、どれでも、400%以上の大きな磁気抵抗比を持って、
ある一定（閾値）の磁場を印加することにより、低い抵
抗値から高い抵抗値への非可逆変化が起きている。For example, in FIG. 6B, initially 5 (arbitrary unit)
The resistance value was about 70 when a magnetic field of 220 oersted or more is applied, and it is clear that this value is maintained even if the magnetic field is increased or decreased thereafter. In Figure 6, all have a large magnetoresistive ratio of 400% or more,
By applying a certain constant (threshold) magnetic field, an irreversible change from a low resistance value to a high resistance value occurs.

【００５７】高い抵抗値から、低い抵抗値の状態に戻す
ことは、印加電圧をある閾値電圧以下に落とし、図中に
示す印加電圧（Ｖ）へ設定することによって可能とな
る。これを言い換えれば、磁場と電場を用いることによ
り、高い抵抗値（１）、低い抵抗値（０）の２状態を行
き来するメモリ素子を提供するものである。The high resistance value can be returned to the low resistance state by lowering the applied voltage below a certain threshold voltage and setting the applied voltage (V) shown in the figure. In other words, the use of a magnetic field and an electric field provides a memory element that switches between two states of high resistance (1) and low resistance (0).

【００５８】図１５の構成において、各セルに書きこむ
場合のタイミング図を図１５（ｂ）に示す。この図に示
される様に、選択されるセルについては、接続されたビ
ットラインを高（Ｈ_w）レベル、ワードラインを低
（Ｌ）レベルにする。また、選択されないセルについて
は、ビットラインとワードラインを、Ｈ_wとＨ_w、あるい
は、ＬとＬにする。この際、磁場は、両方のセルに印加
する。FIG. 15B shows a timing chart when writing data in each cell in the configuration of FIG. As shown in this figure, for the selected cell, the connected bit line is set to the high (H _w ) level and the word line is set to the low (L) level. For the unselected cells, the bit line and word line are set to H _w and H _w or L and L. At this time, the magnetic field is applied to both cells.

【００５９】また、どのセルについても、ビットライン
とワードラインを、Ｈ_wとＬとし、選択するセルにおけ
る磁場強度のみを上げることによっても、書きこみを行
なうことができる。Writing can also be performed by setting the bit line and the word line to H _w and L in all cells and increasing only the magnetic field strength in the selected cell.

【００６０】読み出しについては、ビット線のレベルを
Ｌとし、選択するワード線のレベルを上記のＨ_wより低
いより低いＨ_Rとし、選択されないワード線のレベル
を、Ｈ_Rより低いより中間レベル（Ｍ）とし、この際流
れる電流を、ビット線に接続されたセンスアンプで判定
することで、記憶の読み出しを行なうことができる。こ
こで、選択するワード線のレベルを上記のＨ_wより低い
より低いＨ_Rとし、選択されないワード線のレベルを中
間レベル（Ｍ）にするのは、読み出しによっても記憶内
容の書換が起こらない様にするためである。For reading, the level of the bit line is set to L, the level of the selected word line is set to H _R lower than the above H _w , and the level of the non-selected word line is set to the intermediate level below H _R ( M) and the current flowing at this time is determined by the sense amplifier connected to the bit line, whereby the memory can be read. Here, the level of the selected word line is set to H _{R, which} is lower than the above H _w , and the level of the non-selected word line is set to the intermediate level (M), so that the memory contents are not rewritten even by reading. This is because

【００６１】書換や読み出しを行なわない期間で、記憶
状態を保持するには、ビットラインレベルをＭとし、ワ
ードラインレベルをＬとする。In order to retain the storage state during the period when rewriting or reading is not performed, the bit line level is set to M and the word line level is set to L.

【００６２】また、電圧が取り除かれることにより情報
が消去されるので、ワードラインレベルとビットライン
レベルを、ＨとＨ、あるいはＬとＬにすることにより、
メモリ配列の消去を行なうことができる。Since the information is erased by removing the voltage, the word line level and the bit line level are set to H and H or L and L, respectively.
The memory array can be erased.

【００６３】一面から見ると、本発明は、磁場で書き込
み、電気的に抵抗値を読み取ることで１と０の信号を検
知し、電場でリフレッシュすることが可能な、磁気メモ
リ素子を提供する。別の面から見ると、本発明は、電気
的に抵抗値を読み取ることで１と０の信号を検知する
が、磁場が印加されることによりその情報が消去される
磁気メモリ素子を提供する。このメモリ素子は、個人情
報等セキュリティーの高い情報を保持し、予期されない
読み出しによりその情報が消えるメモリでもある。Viewed from one side, the present invention provides a magnetic memory element capable of detecting signals of 1 and 0 by writing in a magnetic field and electrically reading a resistance value and refreshing in an electric field. Viewed from another aspect, the present invention provides a magnetic memory element that electrically senses a 1 and 0 signal by reading a resistance value, but erases the information when a magnetic field is applied. This memory element is also a memory that holds highly secure information such as personal information, and that information is erased by unexpected reading.

【００６４】更に別の面から見ると、読み出しや、消去
に用いる磁場感度を、電圧で制御出来るメモリー素子で
もある。From another point of view, the magnetic field sensitivity used for reading and erasing can also be controlled by voltage.

【００６５】図７では、２端子間の印加電圧を、それぞ
れ66V、70Vと変えた場合の曲線を、(a)、(b)で示す。図
中の矢印は、磁場の掃引方向を示す。66Vにおいては、5
00エルステッド以下で、70Vにおいては500エルステッド
以上の磁場範囲で、数100エルステッドものヒステリシ
スが存在する。例えば図７(a)において、350エルステッ
ドの磁場では、約3と約50という１桁以上もその大きさ
に差がある２値の抵抗を示す。この２値を、メモリー動
作の１と０と定義すれば、この磁気抵抗材料が、外部磁
場によって駆動する磁気メモリー素子となっている。こ
の磁気メモリ素子では、そのヒステリシスが十分に大き
く、信号の変化も大きいため、磁場駆動の安定なメモリ
動作が可能となる。更に別の面からは、本発明は、外部
磁場の変化を記憶するメモリ素子を提供する。In FIG. 7, the curves when the applied voltage between the two terminals is changed to 66V and 70V are shown in (a) and (b). The arrow in the figure indicates the sweep direction of the magnetic field. At 66V, 5
Hysteresis of several hundred Oersted exists in the magnetic field range of 500 Oersted or more at 70V or less at 00 Oersted. For example, in FIG. 7 (a), in a magnetic field of 350 oersteds, there is a binary resistance of about 3 and about 50, which differs by more than one digit. If these two values are defined as 1 and 0 of memory operation, this magnetoresistive material is a magnetic memory element driven by an external magnetic field. In this magnetic memory element, the hysteresis is sufficiently large and the change in the signal is large, so that stable memory operation of magnetic field driving becomes possible. In yet another aspect, the present invention provides a memory device that stores changes in an external magnetic field.

【００６６】次に、磁気スイッチング素子として用いる
場合の実施の形態を図１６に示す。図１６は、制御電流
を流すことにより制御磁場を発生する形態のものを示し
ている。ここで、制御電流が流れる電気配線は、制御電
流によって発生する磁場が、素子を磁気制御することが
可能になるようにできるだけ接近して配置することが望
ましく、また、消費電力を低減するために、素子と配線
との距離は狭いことが望ましい。Next, FIG. 16 shows an embodiment when it is used as a magnetic switching element. FIG. 16 shows an embodiment in which a control magnetic field is generated by passing a control current. Here, it is desirable that the electric wiring through which the control current flows be arranged as close as possible so that the magnetic field generated by the control current can magnetically control the element, and in order to reduce the power consumption. It is desirable that the distance between the element and the wiring is small.

【００６７】この磁気スイッチング素子は、上記の手順
に従って作製した磁気抵抗効果素子で、その半導体基板
がGaAs(111)Bであり、そのバッファー層が12ナノメート
ルのGaAs(111)Bであり、その金属微粒子が公称膜厚0.2
ナノメートルのAuで、そのキャップ層が5ナノメートル
のSbである場合のものである。その、電流電圧特性を図
８に示す。電流電圧曲線の測定は、２探子法にて室温で
行った。磁場は、試料面と電流の向きに平行に印加し
た。図８の矢印は、電圧の掃引方向を示す。This magnetic switching element is a magnetoresistive element manufactured according to the above procedure, the semiconductor substrate of which is GaAs (111) B and the buffer layer of which is 12 nm GaAs (111) B. Metal fine particles have a nominal film thickness of 0.2
This is the case where Au is nanometer and the cap layer is Sb of 5 nanometer. The current-voltage characteristic is shown in FIG. The current-voltage curve was measured by the two-probe method at room temperature. The magnetic field was applied parallel to the sample surface and the direction of the current. The arrow in FIG. 8 indicates the sweep direction of the voltage.

【００６８】ゼロ磁場時の電流電圧特性は、図８の実線
で示すように、電圧の上昇時には約80ボルトで急激な電
流上昇を示す。この転移は非常に鋭く、低電流状態から
高電流状態へのスイッチ現象である。そのスイッチ幅
は、100ボルトの電圧印加時に3x10³に達している。この
スイッチ現象は、この閾値電圧での電子雪崩現象に起因
している。更にこのスイッチ現象は、磁場を印加するこ
とにより消滅する。As shown by the solid line in FIG. 8, the current-voltage characteristic at zero magnetic field shows a rapid current increase at about 80 V when the voltage increases. This transition is very sharp and is a switching phenomenon from a low current state to a high current state. The switch width reaches 3x10 ³ when a voltage of 100 V is applied. This switching phenomenon is due to the electron avalanche phenomenon at this threshold voltage. Furthermore, this switching phenomenon disappears when a magnetic field is applied.

【００６９】言い換えれば、本発明は、電圧印加により
設定された高電流状態と磁場によりもたらされる低電流
状態の２状態間のスイッチ現象を用いた、磁気スイッチ
ング素子を提供する。In other words, the present invention provides a magnetic switching element using a switching phenomenon between a high current state set by voltage application and a low current state brought about by a magnetic field.

【００７０】また、一方で、本発明は、制御回路とスイ
ッチング回路が磁気的に結合はしているが電気的には分
離されたスイッチング素子を提供する。既存の半導体メ
モリ構造では、半導体ダイオードやトランジスタなどの
電子素子による絶縁方法であり、本発明のスイッチング
素子は、それらに比べて構造が簡単で、絶縁効果が高い
いう利点を持っている。On the other hand, the present invention provides a switching element in which the control circuit and the switching circuit are magnetically coupled but electrically separated. In the existing semiconductor memory structure, an insulating method using an electronic element such as a semiconductor diode or a transistor is used, and the switching element of the present invention has an advantage that the structure is simple and the insulating effect is high as compared with them.

【００７１】次に、磁気制御フォトダイオード素子とし
て用いる場合の実施の形態を図１７に示す。図１７は、
制御磁場によりその特性を変更することのできる形態の
ものを示している。また、パッケージに納める場合の実
施の形態を図１８に示す。図１８において、光は、電極
パターンのついた基板面のほうに入力され、制御磁束
は、紙面に平行に発生される。ここで、受光面内におけ
る磁気抵抗素子（薄膜）を挟む電極の長さを、なるべく
長くとるようにし、磁場発生用制御電流は、磁気抵抗素
子の裏面に配置し、受光面を遮らないようにすることが
望ましい。Next, FIG. 17 shows an embodiment in the case of being used as a magnetically controlled photodiode element. Figure 17
It shows a configuration in which its characteristics can be changed by a control magnetic field. Further, FIG. 18 shows an embodiment in the case of being housed in a package. In FIG. 18, the light is input to the surface of the substrate with the electrode pattern, and the control magnetic flux is generated parallel to the paper surface. Here, the length of the electrodes sandwiching the magnetoresistive element (thin film) in the light receiving surface is set to be as long as possible, and the magnetic field generating control current is arranged on the back surface of the magnetoresistive element so as not to block the light receiving surface. It is desirable to do.

【００７２】この磁気抵抗効果素子は、上述の手順に従
って作製したもので、その半導体基板がGaAs(111)Bであ
り、そのバッファー層が12ナノメートルのGaAs(111)Bで
あり、その金属微粒子が公称膜厚0.2ナノメートルのAu
で、そのキャップ層が5ナノメートルのSbである場合の
ものである。電流電圧特性測定は室温で、２探子法にて
行った。磁場依存性の測定には、試料面と電流の向きに
平行に磁場を印加した。また、光照射には、一例として
636ナノメートルの波長を持った赤色半導体レーザーダ
イオードの光を用いた。試料面に垂直に、2ミリワット
のレーザー光を絞らずに照射した。This magnetoresistive effect element was manufactured according to the above-mentioned procedure, the semiconductor substrate was GaAs (111) B, the buffer layer was GaAs (111) B having a thickness of 12 nm, and the metal fine particles were Has a nominal thickness of 0.2 nm
And the cap layer is Sb of 5 nm. The current-voltage characteristics were measured by the two-probe method at room temperature. To measure the magnetic field dependence, a magnetic field was applied parallel to the sample surface and the direction of the current. In addition, as an example of light irradiation,
Light from a red semiconductor laser diode with a wavelength of 636 nanometers was used. Irradiation was performed perpendicularly to the sample surface without 2 mW of laser light being focused.

【００７３】図９に、電流電圧特性の、光照射及び磁場
依存性を示す。この図を用いて、磁気制御フォトダイオ
ード素子の動作を説明する。まず、電極２端子間の電圧
を80〜84ボルトに設定する。するとゼロ磁場では、約20
0マイクロアンペアの電流が流れるが、そこに更に光が
照射されると、電流値がほぼゼロまで落ちてしまう。こ
の電流値の差を読み取ることで、光信号を読み取ること
が出来る。この動作は、磁場を印加することで停止する
ことが出来ることが、この素子の特徴である。例えば50
0エルステッドの磁場を印加すると、閾値電圧が84ボル
ト以上になるため、図からも明らかなように、光照射の
オン・オフによって変化する電流値が極端に小さくなっ
てしまうのである。FIG. 9 shows the dependence of current-voltage characteristics on light irradiation and magnetic field. The operation of the magnetically controlled photodiode element will be described with reference to this figure. First, the voltage between the two terminals of the electrode is set to 80 to 84 volts. Then, at zero magnetic field, about 20
A current of 0 microamps flows, but if more light is applied to it, the current value drops to almost zero. An optical signal can be read by reading the difference between the current values. This device is characterized in that this operation can be stopped by applying a magnetic field. For example 50
When a magnetic field of 0 oersted is applied, the threshold voltage becomes 84 V or more, and as is clear from the figure, the current value that changes depending on whether the light irradiation is turned on or off becomes extremely small.

【００７４】言い換えれば、本発明は、磁場の印加によ
って、その動作のオン・オフが可能な、高性能フォトダ
イオード素子を提供するものである。In other words, the present invention provides a high-performance photodiode device whose operation can be turned on / off by applying a magnetic field.

【００７５】動作電圧は、電子雪崩現象の降伏電圧によ
って決まるので、上に述べたように、Vth= A / D 、の
関係に従って電極間距離によって容易に変えることが出
来る。Since the operating voltage is determined by the breakdown voltage of the electron avalanche phenomenon, it can be easily changed by the distance between the electrodes according to the relationship of Vth = A / D, as described above.

【００７６】本実施例では、光照射の波長を636ナノメ
ートルにしたが、本発明に係わる磁気抵抗効果素子を構
成する半導体のエネルギーバンドギャップに対応する波
長よりも短い波長領域であればいかなるものでも良い。
言い換えれば、本発明に係わるフォトダイオード素子の
波長特性は、使用する半導体のエネルギーバンドギャッ
プを変えることによって、任意に変えることが出来る。
半導体のエネルギーバンドギャップを変えるには、例え
ばIII族元素の混合比を変えれば良く、この方法は半導
体レーザーダイオード、フォトダイオードにおいて既に
よく知られている。In this embodiment, the wavelength of light irradiation is set to 636 nm, but any wavelength region shorter than the wavelength corresponding to the energy band gap of the semiconductor constituting the magnetoresistive effect element according to the present invention can be used. But good.
In other words, the wavelength characteristics of the photodiode element according to the present invention can be arbitrarily changed by changing the energy band gap of the semiconductor used.
In order to change the energy band gap of the semiconductor, for example, the mixing ratio of the group III element may be changed, and this method is already well known in semiconductor laser diodes and photodiodes.

【００７７】なお、既存の半導体フォトダイオード素子
では、光が照射されることにより電流値が増える方向
（正）にあるが、本発明の磁気抵抗効果素子では光に対
する信号の強弱の符号が逆で、光が照射されることによ
って電流値が減少する（負になる）ことに特徴がある。
これは、本発明の磁気抵抗効果素子においては、光によ
ってもたらされた電子によって、電子雪崩効果が起きに
くくなる効果が働いていることによる。In the existing semiconductor photodiode element, the current value increases (positive) due to the irradiation of light, but in the magnetoresistive effect element of the present invention, the sign of the signal strength against light is opposite. The characteristic is that the current value decreases (becomes negative) when irradiated with light.
This is because the magnetoresistive effect element of the present invention has an effect that the electron avalanche effect does not easily occur due to the electrons brought by the light.

【００７８】また、光の波長を本発明の磁気抵抗効果素
子を構成する半導体のエネルギーバンドギャップに対応
する波長に一致させ、更に光の照射パワーを調整するこ
とにより、光の侵入長を、試料の表面から金属微粒子が
存在する距離と同等にすることにより、この信号の強弱
の符号を変えることが出来る、という特徴がある。これ
は、金属微粒子が存在する領域においては、光によって
もたらされる電子が、電子雪崩効果を誘起するからであ
る。従って、信号の強弱の符号を正にするか負にするか
は、本発明に係わる磁気制御フォトダイオード素子をど
のような電子回路に組み込むかによって、選択すること
ができる。Further, by making the wavelength of light coincide with the wavelength corresponding to the energy band gap of the semiconductor which constitutes the magnetoresistive effect element of the present invention, and further by adjusting the irradiation power of light, the penetration length of light can be determined. There is a feature that the sign of the strength of this signal can be changed by making it equal to the distance where the metal fine particles exist from the surface of. This is because electrons brought by light induce an electron avalanche effect in the region where the metal fine particles are present. Therefore, whether the sign of the signal strength is to be positive or negative can be selected depending on the electronic circuit in which the magnetically controlled photodiode element according to the present invention is incorporated.

【００７９】次に、磁気制御定電圧ダイオード素子とし
て用いる場合の実施の形態を図１９に示す。図１９は、
制御磁場により電圧設定を変えることのできる形態のも
のを示している。ここで、制御電流が流れる電気配線
は、制御電流によって発生する磁場が、ダイオードを磁
気制御することが可能になるような位置に配置し、消費
電力を低減するために、ダイオードと配線との距離は狭
いことが望ましい。Next, FIG. 19 shows an embodiment in the case of being used as a magnetically controlled constant voltage diode element. FIG. 19 shows
It shows a configuration in which the voltage setting can be changed by the control magnetic field. Here, the electric wiring through which the control current flows is arranged at a position where the magnetic field generated by the control current can magnetically control the diode, and in order to reduce power consumption, the distance between the diode and the wiring is reduced. Is preferably narrow.

【００８０】定電圧ダイオードは、良く知られている様
に、電圧を一定に保つことが目的であるダイオードを指
し、既存の定電圧ダイオードは、PN接合のツェナー降伏
や、アバランシェ降伏をその原理とし、それぞれ固有の
閾値電圧以上の電圧がかからないことを必要とする回路
に用いられる。本発明では、制御磁場を用いて、その閾
値電圧を変化させることが可能な磁気制御定電圧ダイオ
ード素子を提供する。As is well known, the constant voltage diode refers to a diode whose purpose is to keep the voltage constant, and the existing constant voltage diode uses the Zener breakdown of the PN junction or the avalanche breakdown as its principle. , Each of which is used in a circuit that requires no voltage higher than its own threshold voltage. The present invention provides a magnetically controlled constant voltage diode element capable of changing its threshold voltage using a control magnetic field.

【００８１】磁気制御定電圧ダイオード素子に用いた磁
気抵抗効果素子は、上記の手順に従って作製したもの
で、その半導体基板がGaAs(111)Bであり、そのバッファ
ー層が12ナノメートルのGaAs(111)Bであり、その金属微
粒子が公称膜厚0.2ナノメートルのAuで、そのキャップ
層が5ナノメートルのSbである場合のものである。電流
電圧特性測定結果の例を図１０に示す。この測定は、室
温で、２探子法にて行った。この際、磁場は、試料面と
電流の向きに平行に印加した。図１０中の矢印は、電圧
の掃引方向を示す。The magnetoresistive effect element used for the magnetically controlled constant voltage diode element was manufactured according to the above procedure, the semiconductor substrate was GaAs (111) B, and the buffer layer was GaAs (111) of 12 nm. ) B, the metal particles are Au having a nominal thickness of 0.2 nanometers, and the cap layer is Sb having a thickness of 5 nanometers. FIG. 10 shows an example of the current-voltage characteristic measurement result. This measurement was performed at room temperature by the two-probe method. At this time, the magnetic field was applied parallel to the sample surface and the direction of the current. The arrow in FIG. 10 indicates the sweep direction of the voltage.

【００８２】図１０から、その閾値電圧が磁場の印加に
より変化する様子がわかる。まず、ゼロ磁場時の電流電
圧特性は、約80ボルトで急激な電流増加を示し、言い換
えれば、80ボルト以上の電圧がかからない定電圧ダイオ
ード特性を示している。更に1000エルステッドという磁
気素子として適当な磁場以下で、磁場を大きくすること
により、その閾値電圧が、約80ボルトから約100ボルト
まで大きくなっていくことがわかる。即ち、本発明は、
磁場の印加により、定電圧ダイオード特性が変化する磁
気制御定電圧ダイオード素子を提供する。From FIG. 10, it can be seen that the threshold voltage changes with the application of the magnetic field. First, the current-voltage characteristic at zero magnetic field shows a rapid current increase at about 80 V, in other words, it shows the constant voltage diode characteristic that a voltage of 80 V or more is not applied. Further, it can be seen that the threshold voltage increases from about 80 volts to about 100 volts by increasing the magnetic field below a magnetic field of 1000 oersteds, which is an appropriate magnetic field or less. That is, the present invention is
(EN) Provided is a magnetically controlled constant voltage diode element whose constant voltage diode characteristics are changed by applying a magnetic field.

【００８３】次に、磁気制御発振素子として用いる場合
の実施の形態を図２０に示す。図２０は、制御磁場によ
り発振周波数を制御する形態のものを示している。この
実施形態は、上記の磁気スイッチング素子に類似してい
る。ここで、制御電流が流れる電気配線は、制御電流に
よって発生する磁場が、発振素子を磁気制御することが
可能になるような位置に配置し、消費電力を低減するた
めに、発振素子と配線との距離は狭いことが望ましい。Next, FIG. 20 shows an embodiment when it is used as a magnetically controlled oscillator. FIG. 20 shows a mode in which the oscillation frequency is controlled by the control magnetic field. This embodiment is similar to the magnetic switching element described above. Here, the electric wiring through which the control current flows is arranged at a position where the magnetic field generated by the control current can magnetically control the oscillation element, and in order to reduce power consumption, the electric wiring is It is desirable that the distance is small.

【００８４】発振素子用ダイオードには、電子雪崩効果
を用いたインパットダイオードや、ガン効果を用いたガ
ンダイオードがあり、高い電圧を用いた半導体素子内で
の発振現象を用いたものである。本発明では、磁場の印
加により、１つの素子においてもその印加電圧と印加磁
場を制御することにより、発振波長を変えることの出来
る磁気制御発振素子を提供する。The diode for the oscillation element includes an impatt diode using the electron avalanche effect and a Gunn diode using the Gunn effect, which uses the oscillation phenomenon in the semiconductor element using a high voltage. The present invention provides a magnetically controlled oscillation element capable of changing the oscillation wavelength by controlling the applied voltage and applied magnetic field even in one element by applying a magnetic field.

【００８５】この磁気制御発振素子は、上記の手順に従
って作製した磁気抵抗効果素子で、その半導体基板がGa
As(111)Bであり、そのバッファ層が4ナノメートルのGaA
s(111)Bであり、その金属微粒子が公称膜厚0.5ナノメー
トルのAlで、そのキャップ層が20ナノメートルのGaAsで
ある場合のものである。磁気制御発振素子の測定、電流
時間特性測定は、２探子法にて室温で行った。磁場は、
試料面と電流の向きに平行に印加した。This magnetically controlled oscillator is a magnetoresistive element manufactured according to the above procedure, and its semiconductor substrate is made of Ga.
As (111) B, whose buffer layer is 4 nm GaA
s (111) B, where the metal particles are Al with a nominal film thickness of 0.5 nanometers and the cap layer is GaAs with a thickness of 20 nanometers. The measurement of the magnetically controlled oscillator and the current-time characteristic measurement were performed at room temperature by the two-probe method. The magnetic field is
The voltage was applied parallel to the sample surface and the direction of the current.

【００８６】図１１(a)には、電流−磁場特性の測定結
果を示す。２端子電極間の定電圧は、100ボルトに設定
した。磁場の印加により、電流値が急激に減少してい
る。ここで、注目すべきは、低電流値にスイッチした後
に、磁場に対する振動が見られる点である。その振動を
拡大したのが、図１１(b)である。この現象は、これま
で報告された例は無く、初めて観測されたものであり、
電子雪崩現象を凍結しようとする磁場の働きと、促進し
ようとする電界の働きが拮抗することによる発振現象で
ある。FIG. 11A shows the measurement result of the current-magnetic field characteristic. The constant voltage between the two terminal electrodes was set to 100 volts. The current value sharply decreases due to the application of the magnetic field. Here, it should be noted that the oscillation with respect to the magnetic field is observed after switching to the low current value. The vibration is magnified in FIG. 11 (b). This phenomenon has not been reported so far and is the first observed,
It is an oscillation phenomenon due to the action of the magnetic field that tries to freeze the electron avalanche phenomenon and the action of the electric field that tries to promote it.

【００８７】図１２に、その発振現象について、電場と
磁場を変えた場合の電流の時間的変化を示す。図１２
(a)100ボルトを印加しても、磁場がない場合には、電流
値に発振現象は現れていない。図１２(b)100ボルトを印
加した状態で、1000エルステッドの磁場を印加すると、
発振する。図１２(c)100ボルトを印加したままで、印加
磁場を4000エルステッドまで上昇すると、発振振動数が
小さくなる。図１２(d)80ボルト印加時には、2000エル
ステッドの磁場の印加で、さらに遅い発振が観測され
る。FIG. 12 shows the change over time in the current when the electric field and the magnetic field are changed for the oscillation phenomenon. 12
(a) Even if 100 V is applied, no oscillation phenomenon appears in the current value when there is no magnetic field. Fig. 12 (b) When a magnetic field of 1000 Oersted is applied with 100 V applied,
Oscillate. 12 (c) When the applied magnetic field is increased to 4000 Oersted with 100 V applied, the oscillation frequency decreases. In FIG. 12 (d), when 80 V is applied, a slower oscillation is observed by applying a magnetic field of 2000 Oersted.

【００８８】この様に、図１２は、電圧（すなわち電
場）と磁場の値を制御することによって、発振周波数が
変化する事を表しており、言い換えれば、本発明は印加
電圧と印加磁場を制御することにより、発振波長を変え
ることの出来る高性能磁気制御発振素子を提供する。As described above, FIG. 12 shows that the oscillation frequency changes by controlling the value of the voltage (that is, the electric field) and the magnetic field. In other words, the present invention controls the applied voltage and the applied magnetic field. By doing so, a high performance magnetically controlled oscillation element capable of changing the oscillation wavelength is provided.

【００８９】発振周波数は、本実施例では6〜10ヘルツ
で変化させたが、電極の形状、電極間の距離を変えるこ
とにより、その周波数を自由に変えられることは、発振
素子に携わる当業者には良く知られている。一般に、電
極間の距離の短くすると、その発振周波数は上昇する。
また、本発明に係わる磁気スイッチング素子において
は、金属微粒子の形状、大きさ、配列を変えることによ
って、その駆動電圧が変わるので、従って発振様式もそ
れに従って変化することが明らかである。別の一面から
見れば、本発明に係わる磁気スイッチング素子は、磁気
制御発振素子として、高いポテンシャルを持っていると
言える。The oscillating frequency was changed in the range of 6 to 10 Hz in this embodiment, but the frequency can be freely changed by changing the shape of the electrodes and the distance between the electrodes. Is well known to. Generally, the shorter the distance between the electrodes, the higher the oscillation frequency.
Further, in the magnetic switching element according to the present invention, it is apparent that the driving voltage changes by changing the shape, size, and arrangement of the metal fine particles, and therefore the oscillation mode also changes accordingly. From another aspect, it can be said that the magnetic switching element according to the present invention has a high potential as a magnetic controlled oscillation element.

【００９０】以上、本発明の実施形態を説明したが、本
発明はこれらに限定されるものではなく、更に、半導体
基板材料や金属微粒子材料、あるいはキャップ層を構成
する材料を変えても、本発明と同様な効果が得られるこ
とは容易に理解できる。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and even if the semiconductor substrate material, the metal fine particle material, or the material forming the cap layer is changed, the present invention is not limited thereto. It can be easily understood that the same effect as the invention can be obtained.

【００９１】[0091]

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明は、磁場敏感
であることを利用した従来にない多彩な機能を発現する
ものであり、製造プロセスは簡単であり、かつ既存の半
導体薄膜作製プロセスとの相性が良く、工業的に有益な
技術である。この発明は上記した構成からなるので、以
下に説明するような効果を奏することができる。Industrial Applicability As described above, the present invention exerts a variety of unprecedented functions that utilize magnetic field sensitivity, has a simple manufacturing process, and is compatible with existing semiconductor thin film manufacturing processes. It has a good compatibility with and is an industrially useful technology. Since the present invention is configured as described above, it is possible to achieve the effects described below.

【００９２】請求項１乃至４に記載の発明では、磁場感
度が高く、従来の半導体プロセスと整合性の取り易い磁
気抵抗効果素子が実現できる様になった。According to the invention described in claims 1 to 4, it is possible to realize a magnetoresistive effect element having a high magnetic field sensitivity and being easily compatible with a conventional semiconductor process.

【００９３】また、請求項５に記載の発明では、磁気抵
抗効果素子を用いて磁気センサを構成できるようになっ
た。Further, according to the invention described in claim 5, the magnetic sensor can be constructed by using the magnetoresistive effect element.

【００９４】また、請求項６に記載の発明では、磁気抵
抗効果素子にバイアス磁界を印加して、磁気抵抗比を最
適化できる様になった。According to the sixth aspect of the invention, the magnetic resistance ratio can be optimized by applying the bias magnetic field to the magnetoresistive effect element.

【００９５】また、請求項７に記載の発明では、磁気抵
抗効果素子の動作点を、電極間の電圧あるいはバイアス
磁界を指定して、磁気抵抗比を最適化できる様になっ
た。Further, in the invention described in claim 7, the operating point of the magnetoresistive effect element can be designated by the voltage between the electrodes or the bias magnetic field to optimize the magnetoresistive ratio.

【００９６】また、請求項８に記載の発明では、電極間
の電圧あるいはバイアス磁界により磁気抵抗効果素子の
動作点を指定して、ヒステリシス特性をもった領域で機
能素子を実現することができる様になった。According to the invention described in claim 8, the operating point of the magnetoresistive effect element can be designated by the voltage between the electrodes or the bias magnetic field to realize the functional element in the region having the hysteresis characteristic. Became.

【００９７】また、請求項９に記載の発明では、請求項
５に記載の磁気抵抗効果素子に光を照射して、磁気抵抗
効果素子の動作点を遠隔した点から変えることができる
様になった。According to the invention described in claim 9, the magnetoresistive effect element according to claim 5 can be irradiated with light to change the operating point of the magnetoresistive effect element from a remote point. It was

【００９８】また、請求項１０に記載の発明では、電極
間の電圧あるいはバイアス磁界あるいは照射する光強度
を指定して、磁気抵抗比を最適化できる様になった。According to the tenth aspect of the invention, the magnetoresistance ratio can be optimized by designating the voltage between electrodes, the bias magnetic field, or the intensity of light to be irradiated.

【００９９】また、請求項１１に記載の発明では、電極
間の電圧あるいはバイアス磁界あるいは照射する光強度
により磁気抵抗効果素子の動作点を指定して、ヒステリ
シス特性をもった領域で機能素子を実現することができ
る様になった。According to the eleventh aspect of the present invention, the operating point of the magnetoresistive effect element is specified by the voltage between the electrodes, the bias magnetic field, or the intensity of light to be applied, and the functional element is realized in the region having the hysteresis characteristic. I was able to do it.

【０１００】また、請求項１２に記載の発明では、光あ
るいは印加電圧あるいは印加するバイアス磁界の調整に
より磁気抵抗効果素子の明確な動作点を指定して、機能
素子を実現することができる様になった。According to the twelfth aspect of the invention, a functional element can be realized by designating a clear operating point of the magnetoresistive effect element by adjusting light, an applied voltage or an applied bias magnetic field. became.

【０１０１】また、請求項１３に記載の発明では、新た
に見出した磁気抵抗効果素子に起こる振動現象を用いて
発振装置を実現できる様になった。In the thirteenth aspect of the invention, the oscillation device can be realized by using the newly found vibration phenomenon in the magnetoresistive effect element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】走査型電子顕微鏡を用いて観察した本発明の磁
気抵抗効果素子の断面像である。FIG. 1 is a cross-sectional image of a magnetoresistive effect element of the present invention observed with a scanning electron microscope.

【図２】金属微粒子がAlでキャップ層がGaAsである場合
の磁気抵抗効果素子表面を、反射型高エネルギー電子線
回折法で観察した回折像である。FIG. 2 is a diffraction image obtained by observing the surface of the magnetoresistive effect element in the case where the metal fine particles are Al and the cap layer is GaAs by a reflection type high energy electron diffraction method.

【図３】金属微粒子がAuでキャップ層がSbである場合の
磁気抵抗効果素子表面を、反射型高エネルギー電子線回
折法で観察した回折像である。FIG. 3 is a diffraction image obtained by observing the surface of the magnetoresistive effect element when the metal fine particles are Au and the cap layer is Sb by a reflection type high energy electron diffraction method.

【図４】磁気センサ素子として用いた磁気抵抗効果素子
の測定結果の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of measurement results of a magnetoresistive effect element used as a magnetic sensor element.

【図５】磁気抵抗効果素子の印加電圧−磁気抵抗比およ
び印加電圧−印加磁場の関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between applied voltage-magnetoresistance ratio and applied voltage-applied magnetic field of the magnetoresistive effect element.

【図６】磁気メモリ素子として用いた場合の、磁気抵抗
効果素子の磁場−抵抗値の測定結果の例を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing an example of measurement results of a magnetic field-resistance value of a magnetoresistive effect element when used as a magnetic memory element.

【図７】ヒステリシスを持つように設定した磁気抵抗効
果素子の磁場−抵抗値の測定結果の例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of measurement results of a magnetic field-resistance value of a magnetoresistive effect element set so as to have hysteresis.

【図８】磁気スイッチング素子として用いた場合の、磁
気抵抗効果素子の電圧−電流の測定結果の例を示す図で
ある。FIG. 8 is a diagram showing an example of measurement results of voltage-current of a magnetoresistive effect element when used as a magnetic switching element.

【図９】光照射がある場合の、磁気抵抗効果素子の電圧
−電流の測定結果の例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of measurement results of voltage-current of a magnetoresistive effect element when light irradiation is performed.

【図１０】磁気制御定電圧ダイオード素子に用いた場合
の、磁気抵抗効果素子の電圧−電流の測定結果の例を示
す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of voltage-current measurement results of a magnetoresistive effect element when used in a magnetically controlled constant voltage diode element.

【図１１】磁気制御発振素子に用いた場合の、磁気抵抗
効果素子の磁場−電流の測定結果の例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of measurement results of magnetic field-current of a magnetoresistive effect element when used in a magnetically controlled oscillator.

【図１２】磁気制御発振素子に用いた場合の、磁気抵抗
効果素子の電流の時間的変化を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a temporal change of the current of the magnetoresistive effect element when used in the magnetically controlled oscillation element.

【図１３】磁気抵効果素子の断面を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic view showing a cross section of a magnetic resistance effect element.

【図１４】磁気センサ素子として用いる場合の実施の形
態を示す回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram showing an embodiment when used as a magnetic sensor element.

【図１５】（ａ）は、磁気メモリ素子として用いる場合
の実施の形態を示すブロック図であり、（ｂ）は、動作
のタイミングを示すチャート図である。FIG. 15A is a block diagram showing an embodiment when used as a magnetic memory element, and FIG. 15B is a chart diagram showing operation timing.

【図１６】磁気スイッチング素子として用いる場合の実
施の形態を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram showing an embodiment when used as a magnetic switching element.

【図１７】磁気制御フォトダイオード素子として用いる
場合の実施の形態を示す回路図である。FIG. 17 is a circuit diagram showing an embodiment when used as a magnetically controlled photodiode element.

【図１８】磁気制御フォトダイオード素子としてパッケ
ージに納める場合の実施の形態を示す模式図である。FIG. 18 is a schematic diagram showing an embodiment in the case of being housed in a package as a magnetic control photodiode element.

【図１９】磁気制御定電圧ダイオード素子として用いる
場合の実施の形態を示す回路図である。FIG. 19 is a circuit diagram showing an embodiment when used as a magnetically controlled constant voltage diode element.

【図２０】磁気制御発振素子として用いる場合の実施の
形態を示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram showing an embodiment when used as a magnetically controlled oscillator.

フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−340425（ＪＰ，Ａ) 特開2001−108951（ＪＰ，Ａ) 米国特許4288708（ＵＳ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，2000年 １月17日，Ｖｏ ｌ．76，Ｎｏ．３，ｐｐ．357−359 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，2000年 ５月 １日，Ｖ ｏｌ．76，Ｎｏ．18，ｐｐ．2600−2602 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)Front Page Continuation (56) References JP 2000-340425 (JP, A) JP 2001-108951 (JP, A) US Patent 4288708 (US, A) Applied Physics Letters, January 17, 2000, Vo l. 76, No. 3, pp. 357-359 Applied Physics Letters, May 1, 2000, Vol. 76, No. 18, pp. 2600-2602 (58) Fields investigated (Int.Cl. ⁷ , DB name) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/08 JISST file (JOIS)

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 半導体層と、該半導体層の表面に１μｍ
以下の間隔で離れて孤立して設けられた複数の金属微粒
子と、該金属微粒子上を被覆して設けられた半導体また
は半金属からなるキャップ層と、当該素子にそれぞれ離
間して設けられた複数の電極と、を含み、前記電極間に
電子雪崩に起因する電流が流れ、該電子雪崩は磁界印加
により凍結し得るものであることを特徴とする磁気抵抗
効果素子。 And 1. A semiconductor layer, 1 [mu] m on the surface of the semiconductor layer
A plurality of metal fine particles provided separately at the following intervals and a semiconductor provided by coating the metal fine particles or
Is a cap layer made of a semimetal, seen including a plurality of electrodes provided, the spaced apart respectively on the element, between the electrodes
A current caused by an electron avalanche flows, and the electron avalanche applies a magnetic field.
A magnetoresistive effect element characterized by being capable of being frozen by . 【請求項２】 金属微粒子が金あるいはアルミニウムの
金属微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の磁
気抵抗効果素子。2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the metal fine particles are metal fine particles of gold or aluminum. 【請求項３】 前記半導体層がIII−Ｖ族に属する半導
体により形成されていることを特徴とする請求項１また
は２に記載の磁気抵抗効果素子。3. Also claim 1, wherein the semiconductor layer is formed by a semiconductor belonging to the group III-V
Is a magnetoresistive element according to 2. 【請求項４】 前記キャップ層が、アンチモン、砒化ガ
リウムあるいはビスマスにより形成されていることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効
果素子。Wherein said cap layer, antimony, magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is formed by gallium arsenide or bismuth. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気
抵抗効果素子を用いた装置で、上記の電極間の半導体層
表面の磁界の強度の変化を与える構成と、上記の電極間
の電気抵抗の変化を検知する構成を備えた構成とを有す
る事を特徴とする磁気感応装置。5. A device using the magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the magnetic field strength of the semiconductor layer surface between the electrodes is changed, and the device between the electrodes is provided. And a structure provided with a structure for detecting a change in electric resistance. 【請求項６】 上記の電極間の電圧を調整することによ
り、あるいは、上記の半導体層表面の磁界の強度を調整
するためのバイアス磁界を調整することにより、磁界の
強度の変化に対する上記の電極間の電気抵抗の変化を増
大ならしめる構成をもつ事を特徴とする請求項５に記載
の磁気感応装置。6. The electrode according to the change of the magnetic field strength by adjusting the voltage between the electrodes or by adjusting the bias magnetic field for adjusting the magnetic field strength of the semiconductor layer surface. The magnetically sensitive device according to claim 5, wherein the magnetically sensitive device has a structure for increasing a change in electric resistance between them. 【請求項７】 上記の電極間の電圧を調整することによ
り、あるいは、上記の半導体層表面の磁界の強度を調整
するためのバイアス磁界を調整することにより、上記の
電極間に起こる電子雪崩現象の起こる領域で動作せしめ
る構成をもつ事を特徴とする請求項５に記載の磁気感応
装置。7. An electron avalanche phenomenon occurring between the electrodes by adjusting the voltage between the electrodes or by adjusting the bias magnetic field for adjusting the strength of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. 6. The magnetically sensitive device according to claim 5, wherein the magnetically sensitive device has a structure for operating in a region in which the magnetic field occurs. 【請求項８】 上記の電極間の電圧を調整することによ
り、あるいは、上記の半導体層表面の磁界の強度を調整
するためのバイアス磁界を調整することにより、磁界の
強度の変化に対する上記の電極間の電気抵抗の変化がヒ
ステリシス特性をもった領域で動作せしめる構成をもつ
事を特徴とする請求項５に記載の磁気感応装置。8. The electrode according to the change of the magnetic field strength by adjusting the voltage between the electrodes or by adjusting the bias magnetic field for adjusting the magnetic field strength of the semiconductor layer surface. 6. The magnetic responsive device according to claim 5, wherein the magnetic responsive device has a configuration in which a change in electric resistance between them causes the device to operate in a region having a hysteresis characteristic. 【請求項９】 上記の電極間の半導体層表面に照射され
る光強度の変化を与える構成を備えたことを特徴とする
請求項５に記載の磁気感応装置。9. The magnetic sensitive device according to claim 5, further comprising a structure for changing the intensity of light applied to the surface of the semiconductor layer between the electrodes. 【請求項１０】 上記の電極間の電圧を調整することに
より、あるいは、上記の半導体層表面の磁界の強度を調
整するためのバイアス磁界を調整することにより、ある
いは、照射する光強度を調整することにより、磁界の強
度の変化に対する上記の電極間の電気抵抗の変化、ある
いは、光強度の変化に対する上記の電極間の電気抵抗の
変化を最大ならしめる構成をもつ事を特徴とする請求項
９に記載の磁気感応装置。10. The intensity of irradiation light is adjusted by adjusting the voltage between the electrodes or by adjusting the bias magnetic field for adjusting the intensity of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. 10. Thus, a configuration is provided that maximizes a change in electric resistance between the electrodes with respect to a change in magnetic field strength or a change in electric resistance between the electrodes with respect to a change in light intensity. The magnetically sensitive device according to. 【請求項１１】 上記の電極間の電圧を調整することに
より、あるいは、上記の半導体層表面の磁界の強度を調
整するためのバイアス磁界を調整することにより、ある
いは、照射する光強度を調整することにより、磁界の強
度の変化に対する上記の電極間の電気抵抗の変化、ある
いは、光強度の変化に対する上記の電極間の電気抵抗の
変化がヒステリシス特徴を持った領域で動作せしめる構
成をもつ事を特徴とする請求項９に記載の磁気感応装
置。11. The intensity of irradiation light is adjusted by adjusting the voltage between the electrodes or by adjusting the bias magnetic field for adjusting the intensity of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. Thus, the change in the electric resistance between the electrodes with respect to the change in the strength of the magnetic field or the change in the electric resistance between the electrodes with respect to the change in the light intensity can be operated in a region having a hysteresis characteristic. The magnetically sensitive device according to claim 9, characterized in that 【請求項１２】 上記の電極間の電圧を調整することに
より、あるいは、上記の半導体層表面の磁界の強度を調
整するためのバイアス磁界を調整することにより、ある
いは、照射する光強度を調整することにより、上記の電
極間に起こる電子雪崩現象の起こる領域で動作せしめる
構成をもつ事を特徴とする請求項９に記載の磁気感応装
置。12. The light intensity of irradiation is adjusted by adjusting the voltage between the electrodes, or by adjusting the bias magnetic field for adjusting the intensity of the magnetic field on the surface of the semiconductor layer. The magnetically sensitive device according to claim 9, characterized in that the magnetically sensitive device is configured to be operated in a region where an electron avalanche phenomenon occurs between the electrodes. 【請求項１３】 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁
気抵抗効果素子を用いた装置で、上記の電極間の半導体
層表面に磁界を与える構成と、上記の電極間に電圧を与
える構成と、該電極間に流れる電流の振動成分を含む出
力を取り出す構成とを備えることを特徴とする磁気感応
装置。13. A device using the magnetoresistive element according to claim 1, wherein a magnetic field is applied to the surface of the semiconductor layer between the electrodes and a voltage is applied between the electrodes. And a structure for taking out an output including an oscillating component of a current flowing between the electrodes.