JP3848622B2 - スピンスイッチおよびこれを用いた磁気記憶素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
［技術分野］
本発明は、スピンスイッチおよびこれを用いた磁気記憶素子に関する。
【０００２】
［背景技術］
磁場の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗素子については、磁気ヘッド、磁気記憶素子であるＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などのデバイスへの応用開発が盛んに行われている。特に、トンネル接合を備えた磁気抵抗素子の潜在的に高い磁気抵抗変化率には注目が集まっている。磁気抵抗素子では、通常、複数の強磁性体の一部の磁化方向を変化させることにより、メモリの書き込みが行われる。メモリの読み出しは、磁化方向の変化に伴う電気抵抗の変化を検出することにより行われる。
【０００３】
メモリの大容量化などの要請から磁気抵抗素子は微細化の一途を辿っている。微細化により、強磁性体の磁化方向を変化させるために必要な磁場は増大することが予想されている。しかし、磁場を発生させるための導線も微細化する必要があるため、電流の増加による磁場の増大には限界がある。また、磁場を増大させると、磁気クロストークが問題となる。磁気クロストークは、磁場を印加するべき素子に隣接する素子の誤動作を引き起こす。これらの事情から、従来の磁気抵抗素子を用いたデバイスの大容量化および高集積化には限界がある。
【０００４】
一方、電圧の印加により、常磁性と強磁性とを制御できる磁性半導体と呼ばれる材料について、基礎的な研究が始まっている（H. Ohno; Nature, Vol.408, 21/28 December (2000) P944）。磁性半導体については、磁気ヘッドへの応用も提案されている（特開平１１−８７７９６号公報）。
【０００５】
［発明の開示］
磁性半導体の使用により、電圧で駆動する新しい磁気デバイスが実現する可能性がある。しかし、磁性半導体を用いたスピンスイッチについては未だ具体的な提案がない。そこで、本発明は、磁性半導体を用いたスピンスイッチ、およびこれを用いた磁気記憶素子を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の第１のスピンスイッチは、強磁性体と、この強磁性体に磁気的に結合した磁性半導体と、この磁性半導体に磁気的に結合した反強磁性体と、この磁性半導体に絶縁体を介して接続する電極とを含む。この電極における電位の変化により、磁性半導体は、強磁性と常磁性との間を可逆的に変化する。そして、第１のスピンスイッチでは、磁性半導体を強磁性とすると、強磁性体は、磁性半導体との磁気的結合により、所定方向に磁化される。なお、磁気的に結合とは、磁化方向について相互に影響を及ぼし合う関係にあることをいう。
【０００７】
本発明の第２のスピンスイッチは、磁性半導体と、この磁性半導体に絶縁体を介して接し、この磁性半導体の少なくとも一部を覆う少なくとも１つの電極とを含んでいる。磁性半導体は、所定方向（第１方向）を長手方向とする磁化変化領域と、この領域に隣接する周辺領域とを含んでいる。そして、磁化変化領域と周辺領域とを合わせた合計領域が上記所定方向とは異なる方向（第２方向）に長手方向を有する。第２のスピンスイッチでは、上記少なくとも１つの電極の電位の変化により、磁性半導体には、上記少なくとも１つの電極が覆う部分において、強磁性と常磁性との間の可逆的な変化が生じ、この変化により、磁化変化領域および周辺領域が強磁性となる第１状態と、磁化変化領域が強磁性となって周辺領域が常磁性となる第２状態とを実現できる。第２のスピンスイッチでは、形状異方性による反磁界を利用した磁化反転を実現できる。第１状態でその長手方向（第１方向）に沿って磁化された磁化変化領域は、第２状態では合計領域の長手方向（第２方向）に磁化方向が変化する。
【０００８】
［発明の実施の形態］
まず、本発明の第１のスピンスイッチについて説明する。
【０００９】
図１および図２に示した第１のスピンスイッチの一形態では、強磁性体１０には、第１磁性半導体１１および第２磁性半導体２１が接している。この形態では、強磁性体と第１および第２磁性半導体とがそれぞれ交換相互作用により磁気的に結合しているが、磁気的結合の形態はこれに限らず、結合が十分に大きければ、例えば静磁結合に基づくものであってもよい。第１および第２磁性半導体１１，２１は、それぞれ絶縁体１２，２２を介して第１電極１３および第２電極２３に接している。第１および第２磁性半導体１１，２１には、それぞれ、さらに第１反強磁性体１４および第２反強磁性体２４が接している。これらの反強磁性体には、それぞれ図中矢印で示したように、相互に１８０°の角度をなすように、すなわち反対向きに一方向異方性が付与されている。
【００１０】
このスピンスイッチにおけるスイッチ動作の一例を説明する。第１電極１３からの電圧の印加により第１磁性半導体１１が常磁性から強磁性へと変化すると、第１磁性半導体は、第１反強磁性体１４との磁気的結合により、この反強磁性体の一方向異方性と同じ向きに磁化される。その結果、強磁性体１０も、第１磁性半導体１１との磁気的相互作用により、同じ向き（第１方向）に磁化される。
【００１１】
引き続き、第１電極１３に電圧を印加せず、第２電極２３に電圧を印加すると、第１磁性半導体１１は常磁性へと戻り、第２磁性半導体２１が常磁性から強磁性へと変化する。これに伴い、強磁性体１０は、第２反強磁性体２４と第２磁性半導体２１との間の磁気的結合、および第２磁性半導体２１と強磁性体１０との磁気的結合を介して、第２反強磁性体により規定される逆方向（第２方向）へと磁化される。こうして、電流ではなく電圧による強磁性体１０の磁化反転が可能となる。このスピンスイッチでは、電極の電位により磁性半導体にホールまたは電子を注入することによって、強磁性体の磁化を保持または反転を制御できる。
【００１２】
上記動作は一例に過ぎない。磁性半導体は、ドープ量を調整すれば、電圧の印加により強磁性から常磁性へと変化する。これを利用すれば、電極からの電圧の印加ではなくその停止により、磁化を反転させることもできる。
【００１３】
第１反強磁性体１４の一方向異方性の向きと、第２反強磁性体の一方向異方性の向きとがなす角度は、９０°以上１８０°以下が好ましい。一方、後述するようにスピン反転素子を用いていずれかの反強磁性体の一方向異方性を反転させて作用させる場合は、上記角度は０°以上９０°以下が好ましい。
【００１４】
強磁性体に磁気的に結合させる磁性半導体の数は２に限られず、３以上であってもよく、１つのみであってもよい。
【００１５】
磁性半導体を１つのみ用いる場合は、他の磁化変更手段、例えば磁場を印加するための導線、を追加してもよい。また、後述するように、強磁性体の形状異方性を利用することもできる。この場合は、例えば、磁性半導体を常磁性に戻したときに形状異方性により磁化方向が変化するように、強磁性体の形状を選択するとよい。あるいは、他の磁化変更手段をデバイス内に配置せず、書き換えが１回のみであるライトワンス型のメモリとして用いてもよい。この場合には、デバイス外に備えた磁化変更手段により、メモリの初期化を行ってもよい。
【００１６】
図３〜図５に示すように、反強磁性体と磁性半導体との間、および強磁性体と磁性半導体との間には、他の層が介在していてもよい。これら部材は、互いに磁気的に結合していればよく、必ずしも接触している必要はない。
【００１７】
図３の素子では、第１および第２磁性半導体１１，２１と、第１および第２反強磁性体１４，２４との間に、それぞれ、強磁性体１５，２５が介在している。
【００１８】
図４の素子では、第１磁性半導体１１と第１反強磁性体１４との間に、スピン反転素子として積層フェリ１６が用いられている。この積層フェリでは、一対の強磁性体とその間に介在する非磁性体とからなり、一対の強磁性体が非磁性体を介して交換結合している。スピン反転素子を介在させると、磁性半導体１１は反強磁性体１４の一方向異方性と反対向きに磁化される。このため、図４に示したように、第１反強磁性体１４と第２反強磁性体２４との一方向異方性を揃えても、強磁性体１０の磁化を反転させることができる。この形態の素子を作製する工程では、反強磁性体に一方向異方性を付与するための磁界中の熱処理を、１回で済ませることができる。
【００１９】
図５の素子では、強磁性体１０と第１磁性半導体１１との間に積層フェリ１６が介在しており、図４の素子と同様、両反強磁性体１４，２４には同一方向の異方性を付与すれば足りる。スピン反転素子は、第２磁性半導体側に介在させてもよい。
【００２０】
このように、本発明の好ましい形態には、第１反強磁性体１４から強磁性体１０に至るまでの磁気的結合、または第２反強磁性体２４から強磁性体１０に至るまでの磁気的結合が、磁化が反転する磁気的結合を含み、両反強磁性体１４，２４に同一の一方向異方性が付与された素子が含まれる。具体的には、図５および図６に示したように、強磁性体と磁性半導体との間、および磁性半導体と反強磁性体との間から選ばれる少なくとも一方に、あるいはいずれか一方にスピン反転素子を介在させればよい。
【００２１】
反対向きに一方向異方性を付与する場合には、第１反強磁性体１４と第２反強磁性体２４とに、ブロッキング温度が互いに異なる材料を用いるとよい。この好ましい形態を用いた異方性の付与方法については、実施例の欄に具体例を示す。
【００２２】
次に、本発明の第２のスピンスイッチについて説明する。
【００２３】
図６に示した第２のスピンスイッチの一形態は、長辺ＬＬおよび短辺ＬＷを有する磁性半導体３１と、その一部を覆う第１電極４１および第２電極４２とを備えている。この磁性半導体３１は、平面視、即ち膜厚方向に沿って観察したときに、略直方形の形状を備えている。電極４１，４２は、それぞれ、図示を省略する絶縁体を介して磁性半導体の第１領域５１（図中Ｉ）および第３領域５３（図中III）に接している。第１電極４１は、磁性半導体３１の一方の短辺から長辺に沿って長さＬ２だけ磁性半導体を覆っており、第２電極４２は磁性半導体の他方の短辺から長辺に沿って長さＬ１だけ磁性半導体を覆っている。磁化変化領域となる第２領域（図中II）５２は、ともに周辺領域に相当する第１領域５１と第３領域５３との間に介在している。
【００２４】
図６に示したように、磁性半導体３１では、第１領域５１、第３領域５３および第２領域５２が、合計領域の長手方向（第２方向）に沿ってこの順に配列していることが好ましい。
【００２５】
ここで、ＬＬ，ＬＷ，Ｌ１およびＬ２は、以下の関係式ａ）〜ｄ）を満たすように設定することが好ましい。
ａ）Ｌ１＋Ｌ２＜ＬＬ
ｂ）ＬＬ／ＬＷ＞１、好ましくはＬＬ／ＬＷ＞１．５
ｃ）ＬＷ／｛ＬＬ−（Ｌ１＋Ｌ２）｝＞１、好ましくはＬＷ／｛ＬＬ−（Ｌ１＋Ｌ２）｝＞１．５
ｄ）０．５＜ＬＷ／（ＬＬ−Ｌ１）＜２、好ましくは０．６７＜ＬＷ／（ＬＬ−Ｌ１）＜１．５
ただし、Ｌ１およびＬ２はそれぞれ合計領域（第１〜第３領域）の長手方向（第２方向）に沿った第３領域および第１領域の長さであり、ＬＬは上記合計領域の長手方向（第２方向）に沿った長さであり、ＬＷは第２領域の長手方向（第１方向）に沿った長さである。
【００２６】
この素子の動作の一例を、図７〜図１０を参照しながら説明する。以下は、すべての領域において、磁性半導体が、電圧の印加がない状態で強磁性であり、電圧が印加されると常磁性へと変化する特性を有する場合の動作例である。
【００２７】
図７に示したように、いずれの領域にも電圧が印加されていない場合、磁性半導体３１はすべての領域で強磁性体となる。この状態では、形状異方性により、領域全体において磁化は長手方向（第２方向）に沿う。第２電極４２に電圧を印加して第３領域５３を常磁性としても、図８に示したように、強磁性である第１領域５１および第２領域５２における磁化方向は変化せず維持される。
【００２８】
しかし、図９に示したように、さらに第１電極４１にも電圧を印加して第１領域５１を常磁性とすると、強磁性領域は第２領域５２のみに制限される。この状態に至ると、形状異方性により、第２領域はその長手方向（第１方向）に沿って磁化される。こうして、第２領域において磁化方向がほぼ９０°だけ変化する。この状態で、第１電極４１からの電圧の印加を終了すると、図１０に示したように、磁化方向の変化は第１領域５１にまで拡大する。こうして、上記動作により、第１領域５１および第２領域５２において、磁化方向が変化する。
【００２９】
この動作例では、第１領域５１および第２領域５２がメモリ領域となる。上記関係式ｄ）に示したように、メモリ領域は、形状異方性の影響を受けにくい形状とすることが好ましい。
【００３０】
図１０に示した状態において、さらに第２電極４２の電圧の印加を解放すると、形状異方性が作用するため、磁性半導体３１は、図７に示したように、再びその全領域において第２方向に磁化される。
【００３１】
こうして、電流ではなく電圧による磁化反転動作が可能となる。このスピンスイッチにおいても、磁性半導体にホールまたは電子を注入することによって、強磁性体の磁化を保持または反転を制御できる。
【００３２】
形状異方性に起因して磁化が反転する限り、磁性半導体の形状には制限はなく、例えば図１１に示したように、平面視で略楕円であってもよい。電極の配置にも制限はなく、必ずしも磁性半導体を端部から覆う必要はない。電極は、磁化変化領域にではなく周辺領域に配置することが好ましい。
【００３３】
このスピンスイッチにおいても、各領域において、磁性半導体の特性を変更するためにドープ量を調整すると、異なるスイッチ動作が可能となる。好ましいドープ量の調整には、電圧を印加しない状態で、第１領域５１および第２領域５２が強磁性体であって、第３領域５３が常磁性体となるように、わずかにドープ量を変化させた形態が含まれる。この調整によれば、磁化を保持する状態（図８，図１０参照）において、電圧を印加しておく必要がなくなる。
【００３４】
上記のようにドープ量を調整すると、図１２に示したように、第１電極および第２電極を短絡させて１つの電極４３としても同様の動作を実現できる。この動作は、磁性半導体の特性に依存している。
【００３５】
即ち、ホール濃度でＴｃ（キュリー温度）が変化する磁性半導体では、強磁性の状態にさらにホールを注入しても、Ｔｃがさらに上がるだけで強磁性は維持される。同様に、電子密度でＴｃが変化する磁性半導体では、強磁性の状態にさらに電子を注入しても、Ｔｃがさらに上がるだけで強磁性は維持される。このため、例えば、上記のようにドープ量を調整した磁性半導体と、図１２に示した電極とを用いて、例えば電極４３から正電圧を印加して第１〜第３領域の磁化をその長手方向に沿わせ（図７参照）、負電圧を印加して第２領域の磁化を短手方向に沿わせる（図９参照）ことができる。電圧を印加しなければ、磁化は維持される（図８、図１０参照）。
【００３６】
本発明のスピンスイッチは、例えば磁気記憶素子に応用できる。磁気記憶素子の例を以下に説明する。ただし、本発明の磁気記憶素子が、以下の構成に制限されるわけではない。
【００３７】
図１３に示した磁気記憶素子は、本発明の第１のスピンスイッチを含み、スイッチ動作により磁化方向が変化する強磁性体１０に、さらに上部電極７１が接続されている。この磁気記憶素子には、強磁性体１０を自由磁性層とする磁気抵抗素子が含まれており、この磁気抵抗素子は自由磁性層（強磁性体）１０／高抵抗層７２／固定磁性層（強磁性体）７３／反強磁性体７４の積層構造を有している。高抵抗層７２は、例えばトンネル絶縁層である。また、この磁気抵抗素子では、図示を省略する下部電極と上部電極７１との間に電流を流し、強磁性体１０の磁化方向の変化に伴う抵抗値の変化が検出される。
【００３８】
図１４に本発明の磁気記憶素子の別の例を示す。この素子には、本発明の第２のスピンスイッチが用いられている。この素子では、スイッチ動作により磁化方向が変化する磁性半導体３１の磁化変化領域（第２領域）に上部電極７１が接続されている。この磁気記憶素子にも、強磁性体を自由磁性層とする上記と同様の磁気抵抗素子が含まれており、図示を省略する下部電極と上部電極７１とを用いて、磁化方向の相違による抵抗値の変化が検出される。
【００３９】
磁性半導体としては、特に制限されないが、式（Ｌ1-xＭx）Ｑ、または式（Ｒ1-xＭx）（Ｔ1-yＱy）により表される材料が好適である。
【００４０】
ここで、ＬはＢ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｌから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＡｌ、ＧａおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ＭはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＭｎであり、ＱはＮ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＮ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂから選ばれる少なくとも１種の元素である。
【００４１】
ＲはＺｎ、ＣｄおよびＨｇから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｍは上記と同様であり、ＴはＯ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＰｏから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＯ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｑは上記と同様である。
【００４２】
Ｌ、Ｍ、Ｑ、ＲおよびＴが２種以上の元素から構成されていてもよく、例えば、Ｍは、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＣｒ、ＭｎＦｅなどであってもよく、また例えばＲは、ＺｎＣｄ、ＺｎＨｇなどであってもよい。
【００４３】
ｘは０．００１以上０．３以下の数値であり、ｙは０以上０．３以下の数値である。
【００４４】
上記に例示した磁性半導体では、例えば、ｘの値を変えてドープ量を調整することにより、その特性を変化させることができる。磁性半導体のＴｃを定めるドープ量には２種類ある。Ｍに示したようなスピンを有する元素によるスピンのドープ量と、一般の半導体と同様のキャリアのドープ量である。例えば、Ｌ＝Ｇａ、Ｍ＝Ｍｎ、Ｑ＝Ａｓの時には、Ｍｎはスピンのドープとともにホールをドープしている。スピンのドープ量は、基本的には、Ｍで示したような磁性元素の添加量で制御できる。一方、キャリアのドープ量は、ｘやｙを変化させる以外にも、（Ｌ1-xＭx）とＱとの比、または（Ｒ1-xＭx）と（Ｔ1-yＱy）との比を１：１からわずかにずらすことによって、即ち格子欠陥をドープすることによっても制御できる。以上に述べたような組成・添加元素の制御により、磁性半導体の特性を制御することができる。
【００４５】
強磁性体、反強磁性体、非磁性体（高抵抗膜）などその他の部材には、従来から知られている材料を特に制限なく使用できる。
【００４６】
本発明の磁気記憶素子は、基板上に、多層膜を形成することにより得ることができる。基板としては、表面が絶縁体で覆われた物体、例えば、熱酸化処理されたシリコン基板、石英基板、サファイア基板などを用いればよい。基板表面を平滑にするために、必要に応じてケモメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）などの平滑化処理を行ってもよい。予めＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子が形成された基板を用いてもよい。
【００４７】
多層膜は、スパッタ法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、パルスレーザーデポジション法、イオンビームスパッタ法などの一般の薄膜作成法を用いることができる。微細加工法としては、公知の微細加工法、例えば、コンタクトマスクやステッパを用いたフォトリソグラフィ法や、ＥＢ（Electron Beam）リソグラフィ法、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工法を用いればよい。
【００４８】
エッチング法としては、イオンミリングやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いればよい。表面の平滑化、膜の部分的な除去には、ＣＭＰや精密ラッピング法を用いることができる。
【００４９】
多層膜には、必要に応じて、真空中、不活性ガス中または水素中において、無磁界中でまたは磁場を印加しながら熱処理してもよい。
【００５０】
［実施例］
（実施例１）
図１３に示した構成を有する磁気記憶素子を作製した。ここでは、反強磁性体１４，７４としてＰｔＭｎを、反強磁性体２４としてＩｒＭｎを、高抵抗膜（トンネル絶縁層）７２として膜厚１．２ｎｍのＡｌＯx（ｘ≦１．５）を、強磁性体１０，７３として膜厚３ｎｍのＣｏ75Ｆｅ25を、磁性半導体１１，２１として膜厚１．５ｎｍの（Ｉｎ0.97Ｍｎ0.03）Ａｓを、絶縁体１２，２２として膜厚７ｎｍのＴａ2Ｏ5を、電極１３，２３としてＴｉＮ（３ｎｍ）／Ｐｔを 上部電極７１としてＴａ（３ｎｍ）／Ｃｕをそれぞれ用いた。
【００５１】
なお、（Ｉｎ0.97Ｍｎ0.03）Ａｓは、電圧が印加されていない状態で、Ｔｃが約３０Ｋであった。このため、３０Ｋをわずかに超える温度では、電圧が印加されていない状態では常磁性である。当該温度下において、電圧でホールを注入することにより、この磁性半導体を強磁性とすることができた。一方、３０Ｋをわずかに下回る温度では、無電圧で強磁性体であり、電圧により電子を注入し、ホールキャリアをコンペンセイトすることにより、常磁性とすることができた。
【００５２】
磁性半導体の形成には、ＭＢＥ法を用い、その他の成膜にはスパッタリング法などを適宜適用した。トンネル絶縁層は成膜した金属Ａｌを酸化することにより形成した。各部材は、フォトリソグラフィなどを適用して所定形状とした。なお、図１３では、図示を省略したが、反強磁性体の下方に、Ｃｕからなる下部電極を配置した。また、同じく図示は省略されているが、各部材の間はＳｉＯ2により絶縁した。
【００５３】
スピンスイッチを構成する２つの反強磁性体１４，２１には、ＰｔＭｎとＩｒＭｎとが異なるブロッキング温度を有することを利用して異なる一方向異方性を付与した。まず、所定方向に５ｋOe（３９８ｋＡ／ｍ）の磁場を印加しながら３００℃で５時間熱処理し、引き続いて上記所定方向とは反対方向に５００Oeの磁場を印加しながら２５０℃で１時間熱処理し、この磁場を印加しながら冷却した。ＰｔＭｎのブロッキング温度は３８０℃であり、上記素子では約１ｋOe程度の交換結合磁界が付与されるように素子を設計したため、５００Oe、２５０℃の条件では、ＰｔＭｎの一方向異方性の向きは変化せず、ＩｒＭｎの一方向異方性の向きのみが変化した。
【００５４】
こうして作製した磁気記憶素子において、上記で説明したスイッチ動作に従って電極１３，２３から電圧を印加したところ、強磁性体１０の磁化が変化することが確認できた。また、この変化に伴う磁気抵抗効果も測定できた。
【００５５】
なお、上記のような２段階の磁場中熱処理に適した反強磁性材料の好ましい組み合わせを以下に例示する。第１の材料は、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎおよびＣｒＭｎＰｔから選ばれる少なくとも１種である。これと組み合わせる第２の材料は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＣｒＡｌ、ＮｉＯおよびαＦｅ2Ｏ3から選ばれる少なくとも１種である。これらの材料から選択した組み合わせを、第１反強磁性体１４および第２反強磁性体２４に適用し、上記の方法を適用すれば、互いに異なる方向に一方向異方性を有する第１および第２反強磁性体を得ることができる。この方法は、第１の材料のブロッキング温度よりも高い温度で第１方向に磁場を印加しながら熱処理する工程と、第１の材料のブロッキング温度よりも低く第２の材料のブロッキング温度よりも高い温度において、好ましくは第１方向と９０〜１８０°の角度をなす第２方向に磁場を印加しながら熱処理する工程とをこの順に含む。
【００５６】
この方法を適用しながら、第１反強磁性体および第２反強磁性体の一方向異方性がなる角度を変化させて上記素子の特性を測定したところ、読み出しのＳ／Ｎは、上記角度が１８０°に近くなるほど向上し、９０°以上でほぼ実用的なＳ／Ｎが得られた。
【００５７】
（実施例２）
実施例１と同じ材料を用いて、図１４に示した素子を作製した。ただし、磁性半導体３１の膜厚は３ｎｍ、絶縁体３２の膜厚は１０ｎｍとした。
【００５８】
この素子に含まれる磁性半導体の形状は、図６と同様とした。図６を参照して素子の形状を以下に説明する。
【００５９】
ＬＬ＝１．８μｍ、ＬＷ＝０．９μｍ、Ｌ１＝０．９μｍ、Ｌ２＝０．５μｍ こうして作製した磁気記憶素子において、上記で説明したスイッチ動作に従って電極４１，４２から電圧を印加したところ、磁性半導体３１は、電極が接している磁化変化領域を含む領域において磁化が変化した。また、この変化に伴う磁気抵抗効果も測定できた。
【００６０】
さらに、実施例１、２において、各部材に用いた材料を適宜変更して素子を作製した。その結果、従来から知られている材料が本発明の素子に適用できることが確認できた。例えば、高抵抗層（トンネル絶縁層）７２としては、膜厚が０．８〜２ｎｍ程度のＡｌＯｘ、ＴａＯｘ、ＢＮ、Ｃ、ＡｌＮなどを使用できた。固定磁性層７３として、Ｃｏ90Ｆｅ10、Ｃｏ50Ｆｅ50、Ｎｉ80Ｆｅ20、Ｎｉ60Ｆｅ40、Ｎｉ40Ｆｅ60、Ｃｏ、Ｆｅなどを使用できた。固定磁性層と高抵抗層との界面に、Ｃｏ75Ｆｅ25、Ｎｉ60Ｆｅ40などを介在させた構成でも同様の効果が得られた。固定磁性層として、積層フェリを用いても素子は動作した。積層フェリとしては、Ｃｏ75Ｆｅ25／Ｒｕ（厚さ約０．７ｎｍ）／Ｃｏ75Ｆｅ25、Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｒｕ（厚さ約０．７ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10で表される３層構造の膜が有効であった。
【００６１】
自由磁性層となる強磁性体１０にも、固定磁性層７３と同様の材料を適用できた。自由磁性層では、Ｃｏ90Ｆｅ10、Ｎｉ80Ｆｅ20などの「軟らかい」磁性材料が好適であった。ただし、実施例２に示した本発明の第２のスピンスイッチにおける自由磁性層には積層フェリは適していない。これは、第２のスピンスイッチでは、反磁界が磁化を変化させるエネルギーとなっているため、積層フェリを用いて反磁界を低下させることは好ましくないからである。一方、第１のスピンスイッチでは、素子サイズが１μｍ未満にまで低下すると反磁界が磁化反転に要するエネルギーを引き上げる。このため、例えばＮｉ60Ｆｅ40／Ｉｒ（厚さ約０．５ｎｍ）／Ｎｉ60Ｆｅ40で表される積層フェリを自由磁性層に用いて磁化反転エネルギーの上昇を抑制してもよい。
【００６２】
上記各実施例において、上記式を満たす磁性半導体を適用した。各式を満たし、ｘ＝０．０１、０．２または０．２５、ｙ＝０、０．１または０．２５の磁性半導体について、定性的に同様の効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１のスピンスイッチの一例の断面図である。
【図２】 図２は、図１のスピンスイッチの平面図である。
【図３】 図３は、本発明の第１のスピンスイッチの別の例の断面図である。
【図４】 図４は、本発明の第１のスピンスイッチのまた別の例の断面図である。
【図５】 図５は、本発明の第１のスピンスイッチのさらに別の例の断面図である。
【図６】 図６は、本発明の第２のスピンスイッチの一例の平面図である。
【図７】 図７は、図６のスピンスイッチにおいて磁性半導体の合計領域（磁化変化領域と周辺領域）がすべて強磁性となった状態を示す平面図である。
【図８】 図８は、図６のスピンスイッチにおいて図７の状態から磁性半導体の周辺領域の一部が常磁性へと変化した状態を示す平面図である。
【図９】 図９は、図６のスピンスイッチにおいて図８の状態からさらに磁性半導体の周辺領域の残部が常磁性へと変化した状態を示す平面図である。
【図１０】 図１０は、図６のスピンスイッチにおいて図９の状態から磁性半導体の周辺領域の一部が強磁性へと変化した状態を示す平面図である。
【図１１】 図１１は、本発明の第２のスピンスイッチの別の例の平面図である。
【図１２】 図１２は、本発明の第２のスピンスイッチのまた別の例の平面図である。
【図１３】 図１３は、第１のスピンスイッチを用いた本発明の磁気記憶素子の一例の断面図である。
【図１４】 図１４は、第２のスピンスイッチを用いた本発明の磁気記憶素子の一例の断面図である。
［技術分野］
本発明は、スピンスイッチおよびこれを用いた磁気記憶素子に関する。
【０００２】
［背景技術］
磁場の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗素子については、磁気ヘッド、磁気記憶素子であるＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などのデバイスへの応用開発が盛んに行われている。特に、トンネル接合を備えた磁気抵抗素子の潜在的に高い磁気抵抗変化率には注目が集まっている。磁気抵抗素子では、通常、複数の強磁性体の一部の磁化方向を変化させることにより、メモリの書き込みが行われる。メモリの読み出しは、磁化方向の変化に伴う電気抵抗の変化を検出することにより行われる。
【０００３】
メモリの大容量化などの要請から磁気抵抗素子は微細化の一途を辿っている。微細化により、強磁性体の磁化方向を変化させるために必要な磁場は増大することが予想されている。しかし、磁場を発生させるための導線も微細化する必要があるため、電流の増加による磁場の増大には限界がある。また、磁場を増大させると、磁気クロストークが問題となる。磁気クロストークは、磁場を印加するべき素子に隣接する素子の誤動作を引き起こす。これらの事情から、従来の磁気抵抗素子を用いたデバイスの大容量化および高集積化には限界がある。
【０００４】
一方、電圧の印加により、常磁性と強磁性とを制御できる磁性半導体と呼ばれる材料について、基礎的な研究が始まっている（H. Ohno; Nature, Vol.408, 21/28 December (2000) P944）。磁性半導体については、磁気ヘッドへの応用も提案されている（特開平１１−８７７９６号公報）。
【０００５】
［発明の開示］
磁性半導体の使用により、電圧で駆動する新しい磁気デバイスが実現する可能性がある。しかし、磁性半導体を用いたスピンスイッチについては未だ具体的な提案がない。そこで、本発明は、磁性半導体を用いたスピンスイッチ、およびこれを用いた磁気記憶素子を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の第１のスピンスイッチは、強磁性体と、この強磁性体に磁気的に結合した磁性半導体と、この磁性半導体に磁気的に結合した反強磁性体と、この磁性半導体に絶縁体を介して接続する電極とを含む。この電極における電位の変化により、磁性半導体は、強磁性と常磁性との間を可逆的に変化する。そして、第１のスピンスイッチでは、磁性半導体を強磁性とすると、強磁性体は、磁性半導体との磁気的結合により、所定方向に磁化される。なお、磁気的に結合とは、磁化方向について相互に影響を及ぼし合う関係にあることをいう。
【０００７】
本発明の第２のスピンスイッチは、磁性半導体と、この磁性半導体に絶縁体を介して接し、この磁性半導体の少なくとも一部を覆う少なくとも１つの電極とを含んでいる。磁性半導体は、所定方向（第１方向）を長手方向とする磁化変化領域と、この領域に隣接する周辺領域とを含んでいる。そして、磁化変化領域と周辺領域とを合わせた合計領域が上記所定方向とは異なる方向（第２方向）に長手方向を有する。第２のスピンスイッチでは、上記少なくとも１つの電極の電位の変化により、磁性半導体には、上記少なくとも１つの電極が覆う部分において、強磁性と常磁性との間の可逆的な変化が生じ、この変化により、磁化変化領域および周辺領域が強磁性となる第１状態と、磁化変化領域が強磁性となって周辺領域が常磁性となる第２状態とを実現できる。第２のスピンスイッチでは、形状異方性による反磁界を利用した磁化反転を実現できる。第１状態でその長手方向（第１方向）に沿って磁化された磁化変化領域は、第２状態では合計領域の長手方向（第２方向）に磁化方向が変化する。
【０００８】
［発明の実施の形態］
まず、本発明の第１のスピンスイッチについて説明する。
【０００９】
図１および図２に示した第１のスピンスイッチの一形態では、強磁性体１０には、第１磁性半導体１１および第２磁性半導体２１が接している。この形態では、強磁性体と第１および第２磁性半導体とがそれぞれ交換相互作用により磁気的に結合しているが、磁気的結合の形態はこれに限らず、結合が十分に大きければ、例えば静磁結合に基づくものであってもよい。第１および第２磁性半導体１１，２１は、それぞれ絶縁体１２，２２を介して第１電極１３および第２電極２３に接している。第１および第２磁性半導体１１，２１には、それぞれ、さらに第１反強磁性体１４および第２反強磁性体２４が接している。これらの反強磁性体には、それぞれ図中矢印で示したように、相互に１８０°の角度をなすように、すなわち反対向きに一方向異方性が付与されている。
【００１０】
このスピンスイッチにおけるスイッチ動作の一例を説明する。第１電極１３からの電圧の印加により第１磁性半導体１１が常磁性から強磁性へと変化すると、第１磁性半導体は、第１反強磁性体１４との磁気的結合により、この反強磁性体の一方向異方性と同じ向きに磁化される。その結果、強磁性体１０も、第１磁性半導体１１との磁気的相互作用により、同じ向き（第１方向）に磁化される。
【００１１】
引き続き、第１電極１３に電圧を印加せず、第２電極２３に電圧を印加すると、第１磁性半導体１１は常磁性へと戻り、第２磁性半導体２１が常磁性から強磁性へと変化する。これに伴い、強磁性体１０は、第２反強磁性体２４と第２磁性半導体２１との間の磁気的結合、および第２磁性半導体２１と強磁性体１０との磁気的結合を介して、第２反強磁性体により規定される逆方向（第２方向）へと磁化される。こうして、電流ではなく電圧による強磁性体１０の磁化反転が可能となる。このスピンスイッチでは、電極の電位により磁性半導体にホールまたは電子を注入することによって、強磁性体の磁化を保持または反転を制御できる。
【００１２】
上記動作は一例に過ぎない。磁性半導体は、ドープ量を調整すれば、電圧の印加により強磁性から常磁性へと変化する。これを利用すれば、電極からの電圧の印加ではなくその停止により、磁化を反転させることもできる。
【００１３】
第１反強磁性体１４の一方向異方性の向きと、第２反強磁性体の一方向異方性の向きとがなす角度は、９０°以上１８０°以下が好ましい。一方、後述するようにスピン反転素子を用いていずれかの反強磁性体の一方向異方性を反転させて作用させる場合は、上記角度は０°以上９０°以下が好ましい。
【００１４】
強磁性体に磁気的に結合させる磁性半導体の数は２に限られず、３以上であってもよく、１つのみであってもよい。
【００１５】
磁性半導体を１つのみ用いる場合は、他の磁化変更手段、例えば磁場を印加するための導線、を追加してもよい。また、後述するように、強磁性体の形状異方性を利用することもできる。この場合は、例えば、磁性半導体を常磁性に戻したときに形状異方性により磁化方向が変化するように、強磁性体の形状を選択するとよい。あるいは、他の磁化変更手段をデバイス内に配置せず、書き換えが１回のみであるライトワンス型のメモリとして用いてもよい。この場合には、デバイス外に備えた磁化変更手段により、メモリの初期化を行ってもよい。
【００１６】
図３〜図５に示すように、反強磁性体と磁性半導体との間、および強磁性体と磁性半導体との間には、他の層が介在していてもよい。これら部材は、互いに磁気的に結合していればよく、必ずしも接触している必要はない。
【００１７】
図３の素子では、第１および第２磁性半導体１１，２１と、第１および第２反強磁性体１４，２４との間に、それぞれ、強磁性体１５，２５が介在している。
【００１８】
図４の素子では、第１磁性半導体１１と第１反強磁性体１４との間に、スピン反転素子として積層フェリ１６が用いられている。この積層フェリでは、一対の強磁性体とその間に介在する非磁性体とからなり、一対の強磁性体が非磁性体を介して交換結合している。スピン反転素子を介在させると、磁性半導体１１は反強磁性体１４の一方向異方性と反対向きに磁化される。このため、図４に示したように、第１反強磁性体１４と第２反強磁性体２４との一方向異方性を揃えても、強磁性体１０の磁化を反転させることができる。この形態の素子を作製する工程では、反強磁性体に一方向異方性を付与するための磁界中の熱処理を、１回で済ませることができる。
【００１９】
図５の素子では、強磁性体１０と第１磁性半導体１１との間に積層フェリ１６が介在しており、図４の素子と同様、両反強磁性体１４，２４には同一方向の異方性を付与すれば足りる。スピン反転素子は、第２磁性半導体側に介在させてもよい。
【００２０】
このように、本発明の好ましい形態には、第１反強磁性体１４から強磁性体１０に至るまでの磁気的結合、または第２反強磁性体２４から強磁性体１０に至るまでの磁気的結合が、磁化が反転する磁気的結合を含み、両反強磁性体１４，２４に同一の一方向異方性が付与された素子が含まれる。具体的には、図５および図６に示したように、強磁性体と磁性半導体との間、および磁性半導体と反強磁性体との間から選ばれる少なくとも一方に、あるいはいずれか一方にスピン反転素子を介在させればよい。
【００２１】
反対向きに一方向異方性を付与する場合には、第１反強磁性体１４と第２反強磁性体２４とに、ブロッキング温度が互いに異なる材料を用いるとよい。この好ましい形態を用いた異方性の付与方法については、実施例の欄に具体例を示す。
【００２２】
次に、本発明の第２のスピンスイッチについて説明する。
【００２３】
図６に示した第２のスピンスイッチの一形態は、長辺ＬＬおよび短辺ＬＷを有する磁性半導体３１と、その一部を覆う第１電極４１および第２電極４２とを備えている。この磁性半導体３１は、平面視、即ち膜厚方向に沿って観察したときに、略直方形の形状を備えている。電極４１，４２は、それぞれ、図示を省略する絶縁体を介して磁性半導体の第１領域５１（図中Ｉ）および第３領域５３（図中III）に接している。第１電極４１は、磁性半導体３１の一方の短辺から長辺に沿って長さＬ２だけ磁性半導体を覆っており、第２電極４２は磁性半導体の他方の短辺から長辺に沿って長さＬ１だけ磁性半導体を覆っている。磁化変化領域となる第２領域（図中II）５２は、ともに周辺領域に相当する第１領域５１と第３領域５３との間に介在している。
【００２４】
図６に示したように、磁性半導体３１では、第１領域５１、第３領域５３および第２領域５２が、合計領域の長手方向（第２方向）に沿ってこの順に配列していることが好ましい。
【００２５】
ここで、ＬＬ，ＬＷ，Ｌ１およびＬ２は、以下の関係式ａ）〜ｄ）を満たすように設定することが好ましい。
ａ）Ｌ１＋Ｌ２＜ＬＬ
ｂ）ＬＬ／ＬＷ＞１、好ましくはＬＬ／ＬＷ＞１．５
ｃ）ＬＷ／｛ＬＬ−（Ｌ１＋Ｌ２）｝＞１、好ましくはＬＷ／｛ＬＬ−（Ｌ１＋Ｌ２）｝＞１．５
ｄ）０．５＜ＬＷ／（ＬＬ−Ｌ１）＜２、好ましくは０．６７＜ＬＷ／（ＬＬ−Ｌ１）＜１．５
ただし、Ｌ１およびＬ２はそれぞれ合計領域（第１〜第３領域）の長手方向（第２方向）に沿った第３領域および第１領域の長さであり、ＬＬは上記合計領域の長手方向（第２方向）に沿った長さであり、ＬＷは第２領域の長手方向（第１方向）に沿った長さである。
【００２６】
この素子の動作の一例を、図７〜図１０を参照しながら説明する。以下は、すべての領域において、磁性半導体が、電圧の印加がない状態で強磁性であり、電圧が印加されると常磁性へと変化する特性を有する場合の動作例である。
【００２７】
図７に示したように、いずれの領域にも電圧が印加されていない場合、磁性半導体３１はすべての領域で強磁性体となる。この状態では、形状異方性により、領域全体において磁化は長手方向（第２方向）に沿う。第２電極４２に電圧を印加して第３領域５３を常磁性としても、図８に示したように、強磁性である第１領域５１および第２領域５２における磁化方向は変化せず維持される。
【００２８】
しかし、図９に示したように、さらに第１電極４１にも電圧を印加して第１領域５１を常磁性とすると、強磁性領域は第２領域５２のみに制限される。この状態に至ると、形状異方性により、第２領域はその長手方向（第１方向）に沿って磁化される。こうして、第２領域において磁化方向がほぼ９０°だけ変化する。この状態で、第１電極４１からの電圧の印加を終了すると、図１０に示したように、磁化方向の変化は第１領域５１にまで拡大する。こうして、上記動作により、第１領域５１および第２領域５２において、磁化方向が変化する。
【００２９】
この動作例では、第１領域５１および第２領域５２がメモリ領域となる。上記関係式ｄ）に示したように、メモリ領域は、形状異方性の影響を受けにくい形状とすることが好ましい。
【００３０】
図１０に示した状態において、さらに第２電極４２の電圧の印加を解放すると、形状異方性が作用するため、磁性半導体３１は、図７に示したように、再びその全領域において第２方向に磁化される。
【００３１】
こうして、電流ではなく電圧による磁化反転動作が可能となる。このスピンスイッチにおいても、磁性半導体にホールまたは電子を注入することによって、強磁性体の磁化を保持または反転を制御できる。
【００３２】
形状異方性に起因して磁化が反転する限り、磁性半導体の形状には制限はなく、例えば図１１に示したように、平面視で略楕円であってもよい。電極の配置にも制限はなく、必ずしも磁性半導体を端部から覆う必要はない。電極は、磁化変化領域にではなく周辺領域に配置することが好ましい。
【００３３】
このスピンスイッチにおいても、各領域において、磁性半導体の特性を変更するためにドープ量を調整すると、異なるスイッチ動作が可能となる。好ましいドープ量の調整には、電圧を印加しない状態で、第１領域５１および第２領域５２が強磁性体であって、第３領域５３が常磁性体となるように、わずかにドープ量を変化させた形態が含まれる。この調整によれば、磁化を保持する状態（図８，図１０参照）において、電圧を印加しておく必要がなくなる。
【００３４】
上記のようにドープ量を調整すると、図１２に示したように、第１電極および第２電極を短絡させて１つの電極４３としても同様の動作を実現できる。この動作は、磁性半導体の特性に依存している。
【００３５】
即ち、ホール濃度でＴｃ（キュリー温度）が変化する磁性半導体では、強磁性の状態にさらにホールを注入しても、Ｔｃがさらに上がるだけで強磁性は維持される。同様に、電子密度でＴｃが変化する磁性半導体では、強磁性の状態にさらに電子を注入しても、Ｔｃがさらに上がるだけで強磁性は維持される。このため、例えば、上記のようにドープ量を調整した磁性半導体と、図１２に示した電極とを用いて、例えば電極４３から正電圧を印加して第１〜第３領域の磁化をその長手方向に沿わせ（図７参照）、負電圧を印加して第２領域の磁化を短手方向に沿わせる（図９参照）ことができる。電圧を印加しなければ、磁化は維持される（図８、図１０参照）。
【００３６】
本発明のスピンスイッチは、例えば磁気記憶素子に応用できる。磁気記憶素子の例を以下に説明する。ただし、本発明の磁気記憶素子が、以下の構成に制限されるわけではない。
【００３７】
図１３に示した磁気記憶素子は、本発明の第１のスピンスイッチを含み、スイッチ動作により磁化方向が変化する強磁性体１０に、さらに上部電極７１が接続されている。この磁気記憶素子には、強磁性体１０を自由磁性層とする磁気抵抗素子が含まれており、この磁気抵抗素子は自由磁性層（強磁性体）１０／高抵抗層７２／固定磁性層（強磁性体）７３／反強磁性体７４の積層構造を有している。高抵抗層７２は、例えばトンネル絶縁層である。また、この磁気抵抗素子では、図示を省略する下部電極と上部電極７１との間に電流を流し、強磁性体１０の磁化方向の変化に伴う抵抗値の変化が検出される。
【００３８】
図１４に本発明の磁気記憶素子の別の例を示す。この素子には、本発明の第２のスピンスイッチが用いられている。この素子では、スイッチ動作により磁化方向が変化する磁性半導体３１の磁化変化領域（第２領域）に上部電極７１が接続されている。この磁気記憶素子にも、強磁性体を自由磁性層とする上記と同様の磁気抵抗素子が含まれており、図示を省略する下部電極と上部電極７１とを用いて、磁化方向の相違による抵抗値の変化が検出される。
【００３９】
磁性半導体としては、特に制限されないが、式（Ｌ1-xＭx）Ｑ、または式（Ｒ1-xＭx）（Ｔ1-yＱy）により表される材料が好適である。
【００４０】
ここで、ＬはＢ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｌから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＡｌ、ＧａおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種の元素であり、ＭはＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＭｎであり、ＱはＮ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＮ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂから選ばれる少なくとも１種の元素である。
【００４１】
ＲはＺｎ、ＣｄおよびＨｇから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｍは上記と同様であり、ＴはＯ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＰｏから選ばれる少なくとも１種の元素、特にＯ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅから選ばれる少なくとも１種の元素であり、Ｑは上記と同様である。
【００４２】
Ｌ、Ｍ、Ｑ、ＲおよびＴが２種以上の元素から構成されていてもよく、例えば、Ｍは、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＣｒ、ＭｎＦｅなどであってもよく、また例えばＲは、ＺｎＣｄ、ＺｎＨｇなどであってもよい。
【００４３】
ｘは０．００１以上０．３以下の数値であり、ｙは０以上０．３以下の数値である。
【００４４】
上記に例示した磁性半導体では、例えば、ｘの値を変えてドープ量を調整することにより、その特性を変化させることができる。磁性半導体のＴｃを定めるドープ量には２種類ある。Ｍに示したようなスピンを有する元素によるスピンのドープ量と、一般の半導体と同様のキャリアのドープ量である。例えば、Ｌ＝Ｇａ、Ｍ＝Ｍｎ、Ｑ＝Ａｓの時には、Ｍｎはスピンのドープとともにホールをドープしている。スピンのドープ量は、基本的には、Ｍで示したような磁性元素の添加量で制御できる。一方、キャリアのドープ量は、ｘやｙを変化させる以外にも、（Ｌ1-xＭx）とＱとの比、または（Ｒ1-xＭx）と（Ｔ1-yＱy）との比を１：１からわずかにずらすことによって、即ち格子欠陥をドープすることによっても制御できる。以上に述べたような組成・添加元素の制御により、磁性半導体の特性を制御することができる。
【００４５】
強磁性体、反強磁性体、非磁性体（高抵抗膜）などその他の部材には、従来から知られている材料を特に制限なく使用できる。
【００４６】
本発明の磁気記憶素子は、基板上に、多層膜を形成することにより得ることができる。基板としては、表面が絶縁体で覆われた物体、例えば、熱酸化処理されたシリコン基板、石英基板、サファイア基板などを用いればよい。基板表面を平滑にするために、必要に応じてケモメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）などの平滑化処理を行ってもよい。予めＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子が形成された基板を用いてもよい。
【００４７】
多層膜は、スパッタ法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、パルスレーザーデポジション法、イオンビームスパッタ法などの一般の薄膜作成法を用いることができる。微細加工法としては、公知の微細加工法、例えば、コンタクトマスクやステッパを用いたフォトリソグラフィ法や、ＥＢ（Electron Beam）リソグラフィ法、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工法を用いればよい。
【００４８】
エッチング法としては、イオンミリングやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いればよい。表面の平滑化、膜の部分的な除去には、ＣＭＰや精密ラッピング法を用いることができる。
【００４９】
多層膜には、必要に応じて、真空中、不活性ガス中または水素中において、無磁界中でまたは磁場を印加しながら熱処理してもよい。
【００５０】
［実施例］
（実施例１）
図１３に示した構成を有する磁気記憶素子を作製した。ここでは、反強磁性体１４，７４としてＰｔＭｎを、反強磁性体２４としてＩｒＭｎを、高抵抗膜（トンネル絶縁層）７２として膜厚１．２ｎｍのＡｌＯx（ｘ≦１．５）を、強磁性体１０，７３として膜厚３ｎｍのＣｏ75Ｆｅ25を、磁性半導体１１，２１として膜厚１．５ｎｍの（Ｉｎ0.97Ｍｎ0.03）Ａｓを、絶縁体１２，２２として膜厚７ｎｍのＴａ2Ｏ5を、電極１３，２３としてＴｉＮ（３ｎｍ）／Ｐｔを 上部電極７１としてＴａ（３ｎｍ）／Ｃｕをそれぞれ用いた。
【００５１】
なお、（Ｉｎ0.97Ｍｎ0.03）Ａｓは、電圧が印加されていない状態で、Ｔｃが約３０Ｋであった。このため、３０Ｋをわずかに超える温度では、電圧が印加されていない状態では常磁性である。当該温度下において、電圧でホールを注入することにより、この磁性半導体を強磁性とすることができた。一方、３０Ｋをわずかに下回る温度では、無電圧で強磁性体であり、電圧により電子を注入し、ホールキャリアをコンペンセイトすることにより、常磁性とすることができた。
【００５２】
磁性半導体の形成には、ＭＢＥ法を用い、その他の成膜にはスパッタリング法などを適宜適用した。トンネル絶縁層は成膜した金属Ａｌを酸化することにより形成した。各部材は、フォトリソグラフィなどを適用して所定形状とした。なお、図１３では、図示を省略したが、反強磁性体の下方に、Ｃｕからなる下部電極を配置した。また、同じく図示は省略されているが、各部材の間はＳｉＯ2により絶縁した。
【００５３】
スピンスイッチを構成する２つの反強磁性体１４，２１には、ＰｔＭｎとＩｒＭｎとが異なるブロッキング温度を有することを利用して異なる一方向異方性を付与した。まず、所定方向に５ｋOe（３９８ｋＡ／ｍ）の磁場を印加しながら３００℃で５時間熱処理し、引き続いて上記所定方向とは反対方向に５００Oeの磁場を印加しながら２５０℃で１時間熱処理し、この磁場を印加しながら冷却した。ＰｔＭｎのブロッキング温度は３８０℃であり、上記素子では約１ｋOe程度の交換結合磁界が付与されるように素子を設計したため、５００Oe、２５０℃の条件では、ＰｔＭｎの一方向異方性の向きは変化せず、ＩｒＭｎの一方向異方性の向きのみが変化した。
【００５４】
こうして作製した磁気記憶素子において、上記で説明したスイッチ動作に従って電極１３，２３から電圧を印加したところ、強磁性体１０の磁化が変化することが確認できた。また、この変化に伴う磁気抵抗効果も測定できた。
【００５５】
なお、上記のような２段階の磁場中熱処理に適した反強磁性材料の好ましい組み合わせを以下に例示する。第１の材料は、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎおよびＣｒＭｎＰｔから選ばれる少なくとも１種である。これと組み合わせる第２の材料は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＣｒＡｌ、ＮｉＯおよびαＦｅ2Ｏ3から選ばれる少なくとも１種である。これらの材料から選択した組み合わせを、第１反強磁性体１４および第２反強磁性体２４に適用し、上記の方法を適用すれば、互いに異なる方向に一方向異方性を有する第１および第２反強磁性体を得ることができる。この方法は、第１の材料のブロッキング温度よりも高い温度で第１方向に磁場を印加しながら熱処理する工程と、第１の材料のブロッキング温度よりも低く第２の材料のブロッキング温度よりも高い温度において、好ましくは第１方向と９０〜１８０°の角度をなす第２方向に磁場を印加しながら熱処理する工程とをこの順に含む。
【００５６】
この方法を適用しながら、第１反強磁性体および第２反強磁性体の一方向異方性がなる角度を変化させて上記素子の特性を測定したところ、読み出しのＳ／Ｎは、上記角度が１８０°に近くなるほど向上し、９０°以上でほぼ実用的なＳ／Ｎが得られた。
【００５７】
（実施例２）
実施例１と同じ材料を用いて、図１４に示した素子を作製した。ただし、磁性半導体３１の膜厚は３ｎｍ、絶縁体３２の膜厚は１０ｎｍとした。
【００５８】
この素子に含まれる磁性半導体の形状は、図６と同様とした。図６を参照して素子の形状を以下に説明する。
【００５９】
ＬＬ＝１．８μｍ、ＬＷ＝０．９μｍ、Ｌ１＝０．９μｍ、Ｌ２＝０．５μｍ こうして作製した磁気記憶素子において、上記で説明したスイッチ動作に従って電極４１，４２から電圧を印加したところ、磁性半導体３１は、電極が接している磁化変化領域を含む領域において磁化が変化した。また、この変化に伴う磁気抵抗効果も測定できた。
【００６０】
さらに、実施例１、２において、各部材に用いた材料を適宜変更して素子を作製した。その結果、従来から知られている材料が本発明の素子に適用できることが確認できた。例えば、高抵抗層（トンネル絶縁層）７２としては、膜厚が０．８〜２ｎｍ程度のＡｌＯｘ、ＴａＯｘ、ＢＮ、Ｃ、ＡｌＮなどを使用できた。固定磁性層７３として、Ｃｏ90Ｆｅ10、Ｃｏ50Ｆｅ50、Ｎｉ80Ｆｅ20、Ｎｉ60Ｆｅ40、Ｎｉ40Ｆｅ60、Ｃｏ、Ｆｅなどを使用できた。固定磁性層と高抵抗層との界面に、Ｃｏ75Ｆｅ25、Ｎｉ60Ｆｅ40などを介在させた構成でも同様の効果が得られた。固定磁性層として、積層フェリを用いても素子は動作した。積層フェリとしては、Ｃｏ75Ｆｅ25／Ｒｕ（厚さ約０．７ｎｍ）／Ｃｏ75Ｆｅ25、Ｃｏ90Ｆｅ10／Ｒｕ（厚さ約０．７ｎｍ）／Ｃｏ90Ｆｅ10で表される３層構造の膜が有効であった。
【００６１】
自由磁性層となる強磁性体１０にも、固定磁性層７３と同様の材料を適用できた。自由磁性層では、Ｃｏ90Ｆｅ10、Ｎｉ80Ｆｅ20などの「軟らかい」磁性材料が好適であった。ただし、実施例２に示した本発明の第２のスピンスイッチにおける自由磁性層には積層フェリは適していない。これは、第２のスピンスイッチでは、反磁界が磁化を変化させるエネルギーとなっているため、積層フェリを用いて反磁界を低下させることは好ましくないからである。一方、第１のスピンスイッチでは、素子サイズが１μｍ未満にまで低下すると反磁界が磁化反転に要するエネルギーを引き上げる。このため、例えばＮｉ60Ｆｅ40／Ｉｒ（厚さ約０．５ｎｍ）／Ｎｉ60Ｆｅ40で表される積層フェリを自由磁性層に用いて磁化反転エネルギーの上昇を抑制してもよい。
【００６２】
上記各実施例において、上記式を満たす磁性半導体を適用した。各式を満たし、ｘ＝０．０１、０．２または０．２５、ｙ＝０、０．１または０．２５の磁性半導体について、定性的に同様の効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１のスピンスイッチの一例の断面図である。
【図２】 図２は、図１のスピンスイッチの平面図である。
【図３】 図３は、本発明の第１のスピンスイッチの別の例の断面図である。
【図４】 図４は、本発明の第１のスピンスイッチのまた別の例の断面図である。
【図５】 図５は、本発明の第１のスピンスイッチのさらに別の例の断面図である。
【図６】 図６は、本発明の第２のスピンスイッチの一例の平面図である。
【図７】 図７は、図６のスピンスイッチにおいて磁性半導体の合計領域（磁化変化領域と周辺領域）がすべて強磁性となった状態を示す平面図である。
【図８】 図８は、図６のスピンスイッチにおいて図７の状態から磁性半導体の周辺領域の一部が常磁性へと変化した状態を示す平面図である。
【図９】 図９は、図６のスピンスイッチにおいて図８の状態からさらに磁性半導体の周辺領域の残部が常磁性へと変化した状態を示す平面図である。
【図１０】 図１０は、図６のスピンスイッチにおいて図９の状態から磁性半導体の周辺領域の一部が強磁性へと変化した状態を示す平面図である。
【図１１】 図１１は、本発明の第２のスピンスイッチの別の例の平面図である。
【図１２】 図１２は、本発明の第２のスピンスイッチのまた別の例の平面図である。
【図１３】 図１３は、第１のスピンスイッチを用いた本発明の磁気記憶素子の一例の断面図である。
【図１４】 図１４は、第２のスピンスイッチを用いた本発明の磁気記憶素子の一例の断面図である。
Claims (13)
- 強磁性体と、前記強磁性体と磁気的に結合した磁性半導体と、前記磁性半導体と磁気的に結合した反強磁性体と、前記磁性半導体に絶縁体を介して接続する電極とを含み、
前記電極の電位の変化により、前記磁性半導体が、強磁性と常磁性との間を可逆的に変化し、
前記磁性半導体を強磁性へと変化させたときに、前記強磁性体が、前記磁性半導体との磁気的結合により、所定方向に磁化されるスピンスイッチ。 - 前記磁性半導体を第１磁性半導体、前記反強磁性体を第１反強磁性体、前記電極を第１電極として、さらに、第２磁性半導体、第２反強磁性体および第２電極を含み、
前記強磁性体が前記第２磁性半導体に磁気的に結合し、前記第２磁性半導体が前記第２反強磁性体に磁気的に結合し、前記第２磁性半導体が絶縁体を介して前記第２電極に接続し、
前記第２電極の電位の変化により、前記第２磁性半導体が、強磁性と常磁性との間を可逆的に変化し、
前記第２磁性半導体を強磁性へと変化させたときに、前記強磁性体が、前記第２磁性半導体との磁気的結合により、前記所定方向を第１方向として第２方向に磁化される請求項１に記載のスピンスイッチ。 - 前記第１反強磁性体および前記第２反強磁性体が一方向異方性を有し、前記第１反強磁性体の一方向異方性の向きと前記第２反強磁性体の一方向異方性の向きとが９０°以上１８０°以下の角度をなす請求項２に記載のスピンスイッチ。
- 前記第１反強磁性体の材料と前記第２反強磁性体の材料とが互いに異なるブロッキング温度を有する請求項３に記載のスピンスイッチ。
- 前記磁性半導体と前記反強磁性体との間に、強磁性体が介在した請求項１に記載のスピンスイッチ。
- 前記強磁性体と前記磁性半導体との間、および前記磁性半導体と前記反強磁性体との間から選ばれる少なくとも一方に、スピン反転素子が介在した請求項１に記載のスピンスイッチ。
- 磁性半導体と、前記磁性半導体に絶縁体を介して接続し、前記磁性半導体の少なくとも一部を覆う少なくとも１つの電極とを含み、
前記磁性半導体が、第１方向を長手方向とする磁化変化領域と、前記磁化変化領域に隣接する周辺領域とを含み、前記磁化変化領域と前記周辺領域とを合わせた合計領域が第１方向とは異なる第２方向を長手方向とし、
前記少なくとも１つの電極の電位の変化により、前記磁性半導体には、前記少なくとも１つの電極が覆う部分において、強磁性と常磁性との間の可逆的な変化が生じ、
前記変化により、前記磁化変化領域および前記周辺領域が強磁性となる第１状態と、前記磁化変化領域が強磁性となって前記周辺領域が常磁性となる第２状態とを実現できるスピンスイッチ。 - 前記磁性半導体が、前記周辺領域として第１領域および第３領域を備え、前記磁化変化領域として第２領域を備え、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域が前記第２方向に沿ってこの順に配列した請求項７に記載のスピンスイッチ。
- 以下の関係式が成立する請求項８に記載のスピンスイッチ。
Ｌ１＋Ｌ２＜ＬＬ
ＬＬ／ＬＷ＞１
ＬＷ／｛ＬＬ−（Ｌ１＋Ｌ２）｝＞１
０．５＜ＬＷ／（ＬＬ−Ｌ１）＜２
ただし、Ｌ１およびＬ２はそれぞれ前記第２方向に沿った前記第３領域および前記第１領域の長さであり、ＬＬは前記合計領域の前記第２方向に沿った長さであり、ＬＷは前記第２領域の前記第１方向に沿った長さである。 - 前記磁性半導体が、前記電極から電圧を印加しないときに、強磁性である請求項９に記載のスピンスイッチ。
- 前記磁性半導体が、前記電極から電圧を印加しないときに、前記第１領域および前記第２領域において強磁性であり、前記第３領域において常磁性である請求項９に記載のスピンスイッチ。
- 請求項１に記載のスピンスイッチを含み、前記強磁性体における磁化方向の変化を抵抗値の変化として検出する磁気記憶素子。
- 請求項７に記載のスピンスイッチを含み、前記磁性半導体におけ磁化方向の変化を抵抗値の変化として検出する磁気記憶素子。
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