JP3472783B2 - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気感応装置 - Google Patents
磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気感応装置Info
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- JP3472783B2 JP3472783B2 JP2000360215A JP2000360215A JP3472783B2 JP 3472783 B2 JP3472783 B2 JP 3472783B2 JP 2000360215 A JP2000360215 A JP 2000360215A JP 2000360215 A JP2000360215 A JP 2000360215A JP 3472783 B2 JP3472783 B2 JP 3472783B2
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Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
条件を比較、整理したものを表1に示す。
【0010】
【表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。
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。
【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.。
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.。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
(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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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(Hw)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、HwとHw、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。
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(Hw)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、HwとHw、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。
【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、Hw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。
とワードラインを、Hw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。
【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Hwより低
いより低いHRとし、選択されないワード線のレベル
を、HR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Hwより低い
より低いHR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。
Lとし、選択するワード線のレベルを上記のHwより低
いより低いHRとし、選択されないワード線のレベル
を、HR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Hwより低い
より低いHR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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
気抵抗効果素子の断面像である。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
の測定結果の例を示す図である。
【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。
び印加電圧−印加磁場の関係を示す図である。
【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。
効果素子の磁場−抵抗値の測定結果の例を示す図であ
る。
【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。
果素子の磁場−抵抗値の測定結果の例を示す図である。
【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。
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。
【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。
−電流の測定結果の例を示す図である。
【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。
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。
【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。
効果素子の磁場−電流の測定結果の例を示す図である。
【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。
効果素子の電流の時間的変化を示す図である。
【図13】磁気抵効果素子の断面を示す模式図である。
【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。
態を示す回路図である。
【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。
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。
【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。
施の形態を示す回路図である。
【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。
場合の実施の形態を示す回路図である。
【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。
ージに納める場合の実施の形態を示す模式図である。
【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。
場合の実施の形態を示す回路図である。
【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。
形態を示す回路図である。
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)
Claims (13)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000360215A JP3472783B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気感応装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000360215A JP3472783B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気感応装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002164589A JP2002164589A (ja) | 2002-06-07 |
JP3472783B2 true JP3472783B2 (ja) | 2003-12-02 |
Family
ID=18831848
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000360215A Expired - Lifetime JP3472783B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気感応装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3472783B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4543142B2 (ja) * | 2002-03-01 | 2010-09-15 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 電子雪崩効果による抵抗変化を磁場によって制御した素子及びそれを用いた磁気感応装置 |
DE10297743B4 (de) | 2002-05-24 | 2010-01-07 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Vorrichtung mit Magnetwiderstandseffekt |
-
2000
- 2000-11-27 JP JP2000360215A patent/JP3472783B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Applied Physics Letters,2000年 1月17日,Vol.76,No.3,pp.357−359 |
Applied Physics Letters,2000年 5月 1日,Vol.76,No.18,pp.2600−2602 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002164589A (ja) | 2002-06-07 |
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Legal Events
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