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WO2004059745A1 - 磁性スイッチ素子とそれを用いた磁気メモリ - Google Patents

磁性スイッチ素子とそれを用いた磁気メモリ Download PDF

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Publication number
WO2004059745A1
WO2004059745A1 PCT/JP2003/016519 JP0316519W WO2004059745A1 WO 2004059745 A1 WO2004059745 A1 WO 2004059745A1 JP 0316519 W JP0316519 W JP 0316519W WO 2004059745 A1 WO2004059745 A1 WO 2004059745A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
magnetic
transition
switch element
magnetic switch
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/016519
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Akihiro Odagawa
Nozomu Matsukawa
Yasunari Sugita
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority to JP2005509743A priority Critical patent/JP4231506B2/ja
Priority to AU2003296063A priority patent/AU2003296063A1/en
Priority to US10/783,286 priority patent/US6839273B2/en
Publication of WO2004059745A1 publication Critical patent/WO2004059745A1/ja

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    • H01F1/405—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials of magnetic semiconductor materials, e.g. CdCr2S4 diluted of IV type, e.g. Ge1-xMnx

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic switch element and a magnetic memory using the same.
  • Magnetic switch elements which contain magnetic materials and convert energy between electricity and magnetism, include read heads for magnetic recording devices, sensors such as force sensors and acceleration sensors, and magnetic solid-state memories such as magnetic random access memories. It is used in various magnetic devices. However, one of the issues is low energy conversion efficiency as described below, and a magnetic switch element with higher energy conversion efficiency (that is, reduced power consumption) has been demanded.
  • As a control method for example, the magnetization state of a magnetic material included in a magnetic switch element is changed. As a more specific example, the magnetization direction of the magnetic material is reversed. It is generally known that the magnetization state in a magnetic body is determined by the sum of exchange energy, crystal magnetic anisotropy energy, magnetostatic energy, and Zeeman energy due to an external magnetic field.
  • the physical quantities that can be controlled to change the magnetization state are magnetostatic energy and Zeeman energy.
  • the energy conversion efficiency of magnetic field generation by line current is about 1%.
  • the strength of the generated magnetic field depends on the distance. The relationship is inversely proportional.
  • the present invention provides a magnetic switch element having a configuration completely different from that of the related art and capable of improving the energy conversion efficiency for changing the magnetization state of a magnetic body, and a magnetic memory using the same. It is intended to provide.
  • the magnetic switch element includes: a magnetic layer; a transition layer magnetically coupled to the magnetic layer; and a carrier supplier including at least one material selected from metal and semiconductor. And the carrier supply are arranged between the transition layer and the carrier supply in a state where a voltage can be applied, and the transition layer performs a non-ferromagnetic-to-ferromagnetic transition by applying the voltage. An element in which the magnetization state of the magnetic layer is changed by the transition of the transition layer.
  • the transition layer is a layer in which, when the voltage is applied, one of carriers selected from electrons and holes is injected from the carrier supply into the transition layer.
  • the transition layer may be a layer in which the transition occurs when one of carriers selected from electrons and holes (holes) is induced in the transition layer when the voltage is applied.
  • the magnetic memory of the present invention includes: a plurality of the above-described magnetic switch elements further including a detection unit for detecting a change in a magnetization state of the magnetic layer; and an information recording device for recording information on the magnetic switch element. And an information reading wire for reading the information.
  • FIG. 1 is a schematic view showing one example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams showing an example of a change in the magnetization state of the magnetic layer in the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of magnetic transition in the transition layer of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view showing another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view showing another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view showing another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 8A, FIG. 8B and FIG. 8C are schematic diagrams showing an example of changes in the magnetization states of the transition layer and the magnetic layer in the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic view showing another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a circuit using the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram using another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram using another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the magnetic memory of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of the relationship between the magnetic switch element used in the magnetic memory of the present invention, the information recording conductor line and the information read conductor line.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing an example of the magnetic memory of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic memory circuit used in the example.
  • the magnetization state of the magnetic layer 2 can be changed by the non-ferromagnetic-to-ferromagnetic transition of the transition layer 3. That is, by applying a voltage between the transition layer 3 and the carrier supplier 4, the magnetic layer 2 Can be changed.
  • the magnetic switch element 1 of the present invention can perform electric-magnetic energy exchange. For example, when a voltage is applied between the transition layer 3 and the carrier supplier 4, one of carriers selected from electrons and holes (holes) is transferred from the carrier supplier 4 to the carrier layer 4. It may be a layer that causes the above-mentioned transition by being injected into the transition layer 3.
  • the transition layer 3 may be, for example, a layer that causes the transition when one of the carriers is induced by the transition layer 3 when the voltage is applied. Specific materials that can be used for such a transition layer 3 will be described later.
  • applying a voltage means applying a voltage between the transfer layer 3 and the carrier supplier 4 unless otherwise specified.
  • the magnetic layer 2 requires less power as compared with a conventional case in which a magnetic field generated in a line current is introduced into the magnetic layer to change the magnetization state of the magnetic layer. It is possible to change the magnetization state. Therefore, it is possible to provide the magnetic switch element 1 having high electric-magnetism energy conversion efficiency (reduced power consumption).
  • the change in the magnetization state of the magnetic layer 2 may be, for example, a change in the magnetization direction of the magnetic layer 2.
  • the degree of change in the magnetization direction is not particularly limited. From the viewpoint of the efficiency in reading the change in the magnetization direction of the magnetic layer 2, it is preferable that the magnetization direction of the magnetic layer 2 be reversed by the transition of the transition layer 3.
  • FIGS. 2A and 2B An example of a specific change in the magnetization state of the magnetic layer 2 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B.
  • the magnetization Suitsuchi device 1 shown in FIG. 2 A Oyopi Figure 2 B and the wiring is connected to the magnetic layer 2 and the carrier supplier 4, applying a voltage V g between the transition layer 3 and the Kiyaria supplier 4 can do.
  • the transition layer 3 changes from a paramagnetic state to a ferromagnetic state, and becomes a layer having a fixed magnetization direction. Since the magnetic layer 2 and the transition layer 3 are magnetically coupled, the magnetization direction of the magnetic layer 2 changes along with the transition of the transition layer 3 so as to be parallel to the magnetization direction of the transition layer 3.
  • the transition of the transition layer 3 The magnetization direction of the magnetic layer 2 can be reversed. That is, the magnetization direction of the magnetic layer 2 can be reversed by applying the voltage V g (V g ⁇ 0).
  • V g V g ⁇ 0
  • FIGS. 2A and 2B the magnetization direction of each layer is schematically represented by an arrow. The same applies to the following figures.
  • a non-ferromagnetic-ferromagnetic transition is a reversible or hysteretic transition between a non-ferromagnetic (eg, antiferromagnetic, non-magnetic, paramagnetic) state and a ferromagnetic state.
  • a non-ferromagnetic eg, antiferromagnetic, non-magnetic, paramagnetic
  • a voltage for example, when carriers are injected or induced
  • the transition from non-ferromagnetic to ferromagnetic occurs, but also from ferromagnetic to non-ferromagnetic. You may.
  • the magnetization direction of the transition layer 3 in the ferromagnetic state and the magnetization direction of the magnetic layer 2 in the non-ferromagnetic state of the transition layer 3 are preset, the application of voltage The magnetization direction of the magnetic layer 2 can be reversed.
  • paramagnetic-ferromagnetic transition a magnetic transition that changes between a paramagnetic state and a ferromagnetic state reversibly or with hysteresis
  • a nonmagnetic-ferromagnetic transition a magnetic transition that changes reversibly between a nonmagnetic state and a ferromagnetic state or with a hysteresis
  • paramagnetic-ferromagnetic transition is preferable.
  • the transition layer 3 may be a layer that transitions from a paramagnetic state to a ferromagnetic state when a voltage is applied.
  • the transition layer 3 is paramagnetic or non-magnetic (preferably paramagnetic) when no voltage is applied, and the transition layer 3 is ferromagnetic when voltage is applied. You may be in a state.
  • FIG. 3 An example of a change in the magnetic state of the transition layer 3 is shown in FIG.
  • the magnetic state of the transition layer changes from paramagnetic to ferromagnetic.
  • the magnetic state of the transition layer changes from ferromagnetic to paramagnetic.
  • Change of magnetic state even linearly as the straight line A shown in FIG. 3, may be nonlinear as shown by curve B, the applied voltage V g may have a threshold.
  • the change in the magnetic state may have a hysteresis such that the curve follows the curve B at the time of one change and the curve B 'at the time of the other change.
  • a method of arranging the magnetic layer 2, the transition layer 3, and the carrier supply 4 in the magnetic switch element 1 of the present invention will be described.
  • a specific arrangement method of each of the above-mentioned layers is that a voltage can be applied between the transition layer 3 and the carrier feeder 4,
  • the transition layer 3 and the magnetic layer 2 can be magnetically coupled.
  • the transition layer 3 and the magnetic layer 2 can be magnetically coupled.
  • another layer may be arranged between the above-mentioned layers as needed.
  • the carrier supply member 4 and the transition layer 3 are not particularly limited in their relative position and contact state (or junction state) when they are in contact, as long as carriers can be injected or induced when a voltage is applied.
  • the junction interface between the transition layer 3 and the carrier supplier 4 is in a PN junction state or a state similar to the PN junction.
  • the bonding interface may be in a two-dimensional electron gas state.
  • the carrier supply 4 and the transition layer 3 are selected and bonded so that avalanche-like carrier movement occurs when the carrier is injected from the carrier supply 4 into the transition layer 3.
  • the magnetization state of the magnetic layer 2 can be changed by applying a voltage to the junction between the transition layer 3 and the carrier supplier 4. It can also be said.
  • FIG. 4 shows another example of the magnetic switch element 1 of the present invention.
  • an insulating layer (I layer) 5 is arranged between the transition layer 3 and the carrier supply 4 of the magnetic switch element 1 shown in FIG.
  • the magnetic switch element 1 having higher energy conversion efficiency can be obtained.
  • the transition layer 3 and the carrier supplier 4 are p-type or n-type semiconductors having different shapes
  • the transition layer 3 and the carrier It is preferable that the bonding interface with the supply body 4 be in a state of a P-I-N junction or in a state similar to the P-I-N junction.
  • the I layer may be, for example, a Schottky barrier.
  • the bonding interface between the transition layer 3 and the carrier feeder 4 is a so-called M-I-S junction state or M-I- The state is preferably the same as that of the S junction. In these cases, carriers can be injected or induced with less power consumption when a voltage is applied. Even in the case where the I layer is arranged, it is preferable that the carrier supply 4 and the transition layer 3 are selected and bonded so that avalanche-like carrier movement from the carrier supply 4 to the transition layer 3 occurs.
  • the magnetic switch element 1 having such a P-I-N junction or a M-I-S junction, a voltage is applied to the junction of the transition layer 3, the insulating layer 5, and the carrier supply 4. By doing so, it can be said that the magnetization state of the magnetic layer 2 can be changed.
  • Specific materials used for the insulating layer 5 will be described later.
  • the material used for the transition layer 3 is not particularly limited as long as it causes a non-ferromagnetic-to-ferromagnetic transition when a voltage is applied (for example, when carriers are injected or induced).
  • the transition layer 3 may include a magnetic semiconductor.
  • a compound semiconductor may be used from the viewpoint of inducing magnetic transition of the transition layer 3.
  • a compound semiconductor may be used from the viewpoint of inducing magnetic transition of the transition layer 3.
  • M g 2 S is Mg 2 S n, M g 3 S b 2 T i 0 2, C u I n S e 2, C u H gl
  • Q 1 is Sc, Y, rare earth element (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er), Ti. , Z r, H f, V , n b, T a, C r, is at least one element selected from n i and Z n, Q 2 is, V, C r, Mn, F e, ⁇ .
  • a least one element selected from Oyobi 1 ⁇ 1, Q 3 is, C, N, 0, at least selected from F and S is the one element.
  • the composition ratio of the element Q 1, element Q 2 and the elemental Q 3 are not particularly limited.
  • a magnetic semiconductor having a composition represented by the formula R 1 ! ⁇ 2 ! ⁇ 3 may be used.
  • R 1 is at least one element selected from B, Al, G a and In
  • R 2 is at least one element selected from N and P
  • 3 is at least one element selected from Groups IVa to VIII and IVb.
  • the composition ratio of the element R 1 and the element R 2 and the element R 3 is not particularly limited.
  • R 3 is the above element R 3
  • Zn is zinc
  • O is oxygen.
  • the composition ratio of Zn, O, and element R 3 is not particularly limited.
  • a magnetic semiconductor having a composition represented by the formula TOR 3 may be used.
  • T is Ti, Zr, V, NbsFe, Ni, A1, In
  • at least one element selected from Sn and R 3 is the aforementioned element R 3 and O is oxygen.
  • the composition ratio of the elements T and O to the element R 3 is not particularly limited.
  • the transition layer 3 may include oxides having a composition represented by the formula 3 £ 0 7 0 2.
  • A is an alkali metal (Group Ia), an alkaline earth metal (Group IIa), Sc, Y and a rare earth element (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, G d, T b, D y, Ho, E r).
  • D is at least one element selected from Group Va, Group VIa, Group VIIa and Group VIII.
  • O is oxygen.
  • the above oxides generally have a crystal structure, in which the element D basically enters the central position in the unit cell of the corresponding crystal lattice, and a plurality of oxygen atoms surround the atom at the central position. have.
  • the transition layer 3 may include an oxide belonging to each of the following categories.
  • the values of x, y, and Z in the oxides belonging to each category do not necessarily have to completely satisfy the following values (including the examples).
  • a small amount of an element other than the element A and the element D eg, a group IVa element, a group Ib to group Vb element, etc. may be doped.
  • the category 1 shown below is not fixed as a common technical knowledge in the technical field of the present invention, but is a category 1 set for convenience in order to make the description of the oxide easy to understand.
  • n is 0, 1, 2 or 3.
  • the oxide belonging to this category for example, oxides of S r 2 R u O 4 is xyz index such as (L a, S r) 2 C o 0 4 (2 1 4), S r 3 R u 2 0 7 and (L a, S r) xyz index such as 3 Mn 2 ⁇ 7 include oxides (3 2 7). These oxides are oxides having a so-called Ruddlesden-Popper structure.
  • oxides in this category include oxides in which element D is located at the position of element A and / or oxides in which element A is located at the position of element D. May be.
  • an oxide having a composition represented by the formula D x A y O z or may contain an oxide having a composition represented by the formula D x D y ⁇ z.
  • C r 2 Mg_ ⁇ 4 (X yz index (2 1 4)) oxides having a spinel structure such as, F e 2 C o 0 4 , F e 2 F e 0 4 ( that, F e 3 0 4) oxide (xyz index (2 1 4) which does not include an element a including) may be included, such as.
  • n is 1, 2, 3 or 4.
  • the oxides belonging to this category include, for example, oxides partially having oxygen intercalation.
  • oxides such as NiO, MnO, and CoO can be mentioned.
  • oxides such as V0 2, Mn O 2.
  • oxides such as V 2 O 3 and the like.
  • the transition layer 3 may include a plurality of types of the above-described oxides.
  • an oxide having a superlattice in which structural unit cells / small unit cells of oxides having different values of n in the same category may be included.
  • Specific categories 1 include, for example, the above-mentioned category 1 (oxides having a Ruddlesden-Pop per structure) and category 2 (oxides having oxygen intercalation).
  • An oxide having such a superlattice has, for example, a crystal lattice structure in which one or more oxygen octahedral layers of element D are separated by one or more block layers containing element A and oxygen. I have.
  • the transition layer 3 may include a material that undergoes metamagnetic transition by an externally applied electric field.
  • L a (F e, S i) or F e R h may be used.
  • the shape of the transition layer 3 is not particularly limited. In the case of a layer as in the example shown in FIG. 1, the thickness of the transition layer 3 is, for example, in the range of 0.3 nm to 1 000 nm. And a range of 1 nm to 100 nm is preferable. Further, the transition layer 3 may be formed by laminating a plurality of layers, and the thickness of each layer, the material included therein, and the like may be arbitrarily set according to the characteristics required for the transition layer 3.
  • the material used for the carrier supply member 4 is not particularly limited as long as it includes at least one material selected from metals and semiconductors. Further, it is preferable that carriers can be injected or induced into the transition layer 3 when a voltage is applied. Specifically, for example, in a state where no voltage is applied, one of the carrier selected from electron or halls may be any material that contains 1 0 18 Zc in 3 or more. More specifically, in the case of a semiconductor, for example, A 1 N: Si may be used. Further, the carrier supplier 4 may derconnection like mere metal, for example, or the like may be used S r Ru0 3, P t.
  • the shape of the carrier supply member 4 is not particularly limited, and may be arbitrarily set according to the shape required for the magnetic switch element. For example, it may be layered as in the example shown in FIG. 1. In this case, the thickness of the carrier supplier 4 is, for example, in the range of 1 nm to: L00 m.
  • the magnetic layer 2 is not particularly limited as long as it is magnetically capable of being magnetically coupled to the transition layer 3 and the magnetization state changes with the magnetic transition of the transition layer 3.
  • a magnetic material having excellent soft magnetic properties is preferable.
  • a metal or alloy containing at least one selected from Fe, Co, and Ni eg, FeCo alloy, NiFe alloy, CoNi alloy, N i FeCo alloy
  • an alloy having a composition represented by the formula LU 2 !! 3 (where U 1 is at least one element selected from Fe, Co and Ni, and U 2 is Mg, C a, T i, Z r, H f, V, Nb, T a, C r, a 1, S i, Mg, at least selected from G e and G a Ri one element der, U 3 is At least one element selected from N, B, O, F and C Is prime.
  • an alloy having a composition represented by the formula (C o, F e) X (where X is selected from Ti, Zr, ⁇ ⁇ , V, Nb, Ta, Cu, and B At least one element),
  • an alloy having a composition represented by the formula Z 1 Z 2 (where Z 1 is at least one element selected from Fe, Co and Ni, and Z 2 is Cu, Ag , Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ru, Os, Ru, Si, Ge, Al, Ga, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta , Ti, Zr, Hi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and L It is at least one element selected from u, for example, FeCr, FeSiAl, FeSi, FeA1, FeCoSi, FeCoAl.
  • Fe 3 O 4 an alloy having a composition represented by the formula EMnSb (where E is at least one element selected from Ni, Cu and Pt.
  • E is at least one element selected from Ni, Cu and Pt.
  • La Half metal materials such as SrMnO, LaCaSrMnO, Cr02, etc.
  • an alloy having a composition represented by the formula G i GSG 3 (where G 1 is Sc, Y, lanthanoid (including La, Ce), T i, Z, H f, N b G 2 is at least one element selected from C, N, 0, F and S, and G 3 is V, C r, Mn, Fe, Co and Ni At least one element),
  • J 1 is at least one element selected from B, Al, G a and I n
  • J 2 is selected from V
  • J 3 is at least one element selected from As, C, N, 0, P and S.
  • a perovskite-type oxide magnetic material a spinel-type oxide magnetic material such as ferrite, a garnet-type oxide magnetic material, or the like may be used.
  • the shape of the magnetic layer 2 is not particularly limited. In the case of a layered structure as in the example shown in FIG. 1, the thickness of the magnetic layer 2 is, for example, 2 nn! The range is ⁇ 100 nm and 2 nn! A range of 5050 nm is preferred.
  • the magnetic layer 2 may be formed by laminating a plurality of magnetic layers (magnetic films). The thickness of each magnetic layer (each magnetic film), the magnetic material included, and the like are required for the magnetic layer 2. It may be set arbitrarily according to. Note that another layer may be provided between the magnetic layer 2 and the transition layer 3 as needed as long as the magnetic coupling between the magnetic layer 2 and the transition layer 3 is not hindered.
  • the material used for the insulating layer 5 is at least one material selected from insulators and semiconductors.
  • the material selected from insulators and semiconductors There is no particular limitation.
  • Group IIa-VIa elements including Mg, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta and Cr, and lanthanoids (including La, Ce), Zn, At least one element selected from the group lib to IVb including B, Al, G a and S i and at least one element selected from the group F, 0, C, N and B A compound may be used.
  • S i 0 2, A 1 2 0 3, Mg O, etc. as the semiconductor, Z n O, S r T i ⁇ 3, L a A l ⁇ 3, A 1 N, it is preferable to use such S i C.
  • the thickness of the insulating layer 5 is, for example, in the range of 0.1 nm to 100 nm, and from the viewpoint of tunnel insulating characteristics, the range of 0.1 nm to 10 nm is preferable.
  • the method of applying a voltage between the transition layer 3 and the carrier supplier 4 is not particularly limited.
  • a wiring for applying a voltage may be connected.
  • the magnetic switch element 1 may further include an electrode 6 for applying a voltage.
  • the electrode 6 to which a voltage is applied is arranged so as to sandwich the carrier supply 4 between the electrode 6 and the transition layer 3. In such a magnetic switch element 1, a voltage can be applied more stably. Note that, in the example shown in FIG.
  • the electrode 6 is arranged only on the carrier supply side, but even if the electrode 6 is arranged on the magnetic layer 2 side (for example, the electrode 6 may be in contact with the magnetic layer 2). May be arranged).
  • the magnetic layer 2 and the carrier supplier 4 are made of metal, the magnetic layer 2 and the carrier supplier 4 themselves can also serve as electrodes.
  • the material used for the electrode 6 is not particularly limited as long as it is a conductive material. Among them, a material having a linear resistivity of, for example, 100 ⁇ cm or less is preferable. Specifically, for example, Au, Cu, Al, Pt, etc. may be used.
  • FIG. 6 is a schematic view showing another example of the magnetic switch element 1 of the present invention.
  • the insulating layer 7 is disposed between the electrode 6 and the carrier supplier 4.
  • the power for magnetically transitioning the transition layer 3 that is, for example, the power is transferred to the transition layer 3). Power for the injection or induction of
  • the magnetic switch element 1 having higher energy conversion efficiency can be obtained.
  • the magnetic switch element 1 in which each layer is disposed in the plane of the insulating layer 7 can be used.
  • the material used for the insulating layer 7 may be the same as the material used for the insulating layer 5 described above.
  • the thickness of the insulating layer 7 is, for example, 0.1 ⁇ ! When it is arranged between the electrode 6 and the carrier supplier 4, the range is preferably 0.1 nm to 100 nm.
  • the magnetic switch element of the present invention may further include a magnetic field generating unit that applies a magnetic field to at least one layer selected from the transition layer 3 and the magnetic layer 2.
  • a magnetic field generating unit that applies a magnetic field to at least one layer selected from the transition layer 3 and the magnetic layer 2.
  • the magnetic switch element 1 shown in FIGS. 8A to 8C is the same as the magnetic switch element 1 shown in FIG.
  • the transition layer is in a paramagnetic state.
  • V g V g ⁇ 0
  • the carrier is injected from the carrier supplier 4 into the transition layer 3 so that the transition layer 3 becomes magnetic.
  • Initiate metastasis Figure 8B).
  • the saturation magnetization of the transition layer 3 is still weak, and the transition layer 3 is in a state where a clear magnetization state (eg, magnetization direction) has not been developed.
  • the direction of the magnetic field Hex applied by the magnetic field generator is, for example, a direction that complements the magnetization state of the transition layer 3 that occurs when the transition layer 3 enters the ferromagnetic state (for example, the same as the magnetization direction that occurs in the transition layer 3).
  • the strength of the magnetic field Hex is not particularly limited, and may be arbitrarily set according to the characteristics required for the magnetic switch element 1. For example, in the range of 4 X 1 0 2 A Zm ⁇ 4 X 1 0 5 A / m.
  • the magnetic field Hex is preferably applied to the transition layer 3.
  • the structure and configuration of the magnetic field generator are not particularly limited as long as a magnetic field can be applied to at least one layer selected from the transition layer 3 and the magnetic layer 2.
  • the magnetic field generator may include at least one selected from a ferromagnetic material and a coil and a conducting wire. When at least one selected from the coil and the conducting wire is included, the magnetic field can be applied only during a necessary period during the magnetic transition of the transition layer 3. When a ferromagnetic material is included, power for applying a magnetic field can be omitted.
  • FIG. 9 shows another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • a magnetic field generating section 8 composed of a conducting wire is disposed on the magnetic layer 2 of the magnetic switch element 1 shown in FIG.
  • the magnetic field generator 8 and the carrier supplier 4 are arranged so as to sandwich at least one layer selected from the transition layer 3 and the magnetic layer 2.
  • the position where the magnetic field generator 8 is arranged is not limited to the example shown in FIG. 9, and is not particularly limited as long as the magnetic field can be applied to at least one layer selected from the transfer layer 3 and the magnetic layer 2.
  • Insulating portion 9 is not particularly limited as long as Ru material der insulating, for example, an inorganic insulator such as S i 0 2, resins etc. May be used.
  • the magnetic switch element of the present invention may further include a detection unit that detects a change in the magnetization state of the magnetic layer 2.
  • a detection unit that detects a change in the magnetization state of the magnetic layer 2.
  • an element which can store an electric signal as magnetic information, convert the electric signal into an electric signal when necessary, and read the electric signal can be used.
  • a circuit 11 as shown in FIG. 10 may be formed.
  • the magnetic switch element 1 is divided into a detection unit 12 and a transition unit 13 including a transition layer 3 and a carrier supply 4, and a voltage V g is applied to the transition unit 13. as can also from the detection unit 1 2 so as to measure the resistance value of the detecting unit by measuring the voltage V D and the current I D, the wiring have been made.
  • the detecting unit is not particularly limited as long as it can detect a change in the magnetization state of the magnetic layer 2.
  • any detection unit that can detect a change in the magnetization state of the magnetic layer 2 as an electrical resistance value may be used.
  • a detecting unit for example, a detecting unit including a magnetoresistive effect element (MR element) is exemplified.
  • MR element magnetoresistive effect element
  • FIG. 11 shows an example of the magnetic switch element 1 including such a detecting unit.
  • the magnetic switch element 1 shown in FIG. 11 has a free magnetic layer 14, a non-magnetic layer 15, a pinned magnetic layer 16 and an electrode 6 laminated in this order on the magnetic layer 2 of the magnetic switch element shown in FIG. Have been.
  • the detecting section 12 includes an MR element 17 including a free magnetic layer 14, a nonmagnetic layer 15, and a fixed magnetic layer 16.
  • the free magnetic layer 1 and the magnetic layer 2 included in the transition portion 13 are magnetically coupled, and the magnetization state of the free magnetic layer 2 may change as the magnetization state of the magnetic layer 2 changes. it can.
  • a magnetoresistive element is designed to sandwich a nonmagnetic layer.
  • a magnetic material may be used for the free magnetic layer 14 and the pinned magnetic layer 16. However, since the free magnetic layer 14 needs to easily change the magnetization direction relative to the fixed magnetic layer 16, it is preferable to use magnetic materials having different characteristics for each layer. .
  • the same material as the material used for the magnetic layer 2 may be used. Among them, it is preferable to use a magnetic material having excellent soft magnetic properties.
  • the thickness of the free magnetic layer 14 is, for example, 2 ⁇ ! It is in the range of ⁇ 50 nm.
  • a magnetic material having a larger coercive force than the free magnetic layer 14 may be used.
  • a high coercive force magnetic material, a laminated ferrimagnetic material, or an antiferromagnetic material and / or a laminate of a laminated ferrimagnetic material and a ferromagnetic material may be used.
  • a laminated ferrimagnetic or ferromagnetic material needs to face the nonmagnetic layer 15.
  • Examples of high coercivity magnetic materials include holding of CoPt, FePt, CoCrPt, CoTaPt, FeTaPt, FeCrPt, etc.
  • a material having a force of 100 Oe (100 Oersted) or more may be used.
  • an Mn-based antiferromagnetic material such as PtMn, PtPdMn, FeMn, IrMn, and NiMn may be used.
  • the laminated ferrimagnetic material may be, for example, a laminate of a magnetic film and a nonmagnetic film in which a pair of magnetic films are laminated so as to sandwich the nonmagnetic film.
  • the sex film for example, C o, or 6 ⁇ 0 containing 00, C o F e N i , C o N i, C o Z r T a s C o Z r B, C o Z r Nb , etc. It is only necessary to use the alloy.
  • the nonmagnetic film used for the laminated ferrimagnetic material include Cu, Ag, Au, Ru, Rh, Ir, Re, and Os, and alloys and oxides of these metals. It may be used.
  • the ferromagnetic material is not particularly limited, and for example, the same material as that of the magnetic layer 2 may be used.
  • a magnetic material generally used for an MR element may be used.
  • the thickness of the pinned magnetic layer 16 is not particularly limited, and is, for example, in the range of 2 nm to 100 nm.
  • the fixed magnetic layer is formed while applying a magnetic field in one direction, or heat treatment is performed while applying a magnetic field after forming the fixed magnetic layer. Just go there.
  • the pinned magnetic layer 16 is a laminate of a ferromagnetic material and an antiferromagnetic material, for example, by using an antiferromagnetic material having one-way anisotropy, the magnetization of the ferromagnetic material is The direction can be fixed.
  • the nonmagnetic layer 15 may be a layer made of an insulating material or a layer made of a conductive material. That is, the MR element 17 may be a so-called TMR element (tunnel magnetoresistance effect element) or a GMR element (giant magnetoresistance effect element). From the viewpoint of the energy conversion efficiency of the detection unit, it is preferable that the nonmagnetic layer 15 be made of an insulating material, that is, be a tunnel insulating layer.
  • the conductive material used for the nonmagnetic layer 15 may be, for example, Cu, Ag, Au, Ru, or the like. In this case, the thickness of the nonmagnetic layer 15 is, for example, 0.1 nn ! Nm10 nm.
  • the insulating material used for the nonmagnetic layer 15 may be, for example, an oxide, nitride, oxynitride, or the like such as Al, Mg, or Zu.
  • the thickness of the nonmagnetic layer 15 Is, for example, in the range of 0.1 nm to: L 0 nm.
  • the free magnetic layer 14 may include the above-described laminated ferrimagnetic material. No.
  • the free magnetic layer 14 preferably includes a laminated ferrimagnetic material. The demagnetizing field component generated when the element is miniaturized can be reduced, and even when the element size is reduced, deterioration of the soft magnetic characteristics of the free magnetic layer 14 can be suppressed.
  • FIG. 12 shows another example of the magnetic switch element of the present invention.
  • the magnetic switch element 1 shown in FIG. 12 includes a detection unit 12 that detects the magnetization state of the magnetic layer 2.
  • the detection unit 12 includes a fixed magnetic layer 16 and a nonmagnetic layer 15, and the nonmagnetic layer 15 and the fixed magnetic layer 16 sandwich the nonmagnetic layer 15 together with the magnetic layer 2.
  • a magnetoresistive element section (MR element section) 19 is formed by the magnetic layer 2, the nonmagnetic layer 15 and the fixed magnetic layer 16 so that a change in the magnetization state of the magnetic layer 2 can be obtained. It can be detected by a change in the resistance value of the MR element 19.
  • the MR element 17 arranged on the magnetic layer 2 as in the example shown in FIG. 11, but also the MR element section 19 including the magnetic layer 2 as a free magnetic layer is formed. Thus, the magnetization state of the magnetic layer 2 can be detected.
  • the entire magnetic switch element 1 shown in FIG. 12 is arranged on the substrate 18.
  • a substrate generally used for a semiconductor element or the like may be used.
  • a glass substrate, S I_ ⁇ 2 substrate, Safa I ⁇ substrate, M g O board, or the like may be used S i T i 0 3.
  • an interlayer insulating portion 10 for preventing leakage between the electrode 6 and each layer is disposed, and the width of the interlayer insulating portion 10 (see FIG. By changing h 2 ), the distance between the carrier supplier 4 and the electrode 6 can be controlled.
  • characteristics of the device can be more control to the width of the interlayer insulating section 1 0.
  • Width of interlayer insulation part 10 ⁇ h 2 is marked Depending on the applied voltage V g , when the voltage V g is 50 V or more, for example, it is in the range of 1 nm to 100 nm. When the voltage V g is in the range of about 1 V to 50 V, from the viewpoint of energy conversion efficiency, I nn! The range is preferably about 50 nm to about 50 nm.
  • Interlayer insulating unit 1 0 is not particularly limited as long as the material of the insulation, for example, oxides such as A l 2 O 3, S i 0 2, a resin such as polyimide, or the like may be used C a F 2 . If the width of the interlayer insulating part 1 0 is not less than 1 0 0 nm, A l 2 0 it is preferable to use an oxide such as 3, 5 00 or more nm, the manufacturing process using a resin such as polyimide It is preferable from the viewpoint of simplicity.
  • PLD pulse laser deposition
  • IBD ion beam deposition
  • cluster ion beam RF, DC, electron cyclotron resonance (ECR) , Helicon, inductively coupled plasma (ICP), opposing targets
  • various sputtering methods molecular beam epitaxy (MBE), ion plating, etc.
  • CVD chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • ion plating etc.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • etching methods such as ion milling, reactive ion etching (RIE), and FIB (Focused Ion Beam), steppers for forming fine patterns, and electron beam (EB) methods It is sufficient to combine photolithography technology using the above.
  • the magnetic memory of the present invention includes a plurality of magnetic switch elements including the above-described detection unit, and an information recording conductor line for recording information on the magnetic switch element. And an information reading conductor line for reading information recorded in the element.
  • An example of such a magnetic memory is shown in FIG.
  • the magnetic switch element 1 includes a first recording line (word line) 101 composed of Cu, A1, and the like and a second recording line (bit line) 102. Are arranged in a matrix at the intersections of. At the same time, the magnetic switch elements 1 are arranged in a matrix at the intersections of the second recording lines 102 and the read lines (sense lines) 103 made of Cu, A1, or the like.
  • the word line 101 and the bit line 102 correspond to information recording conductor lines.
  • the bit line 102 and the sense line 103 correspond to an information reading conductor line.
  • the magnetic switch element 1 includes an MR element as a detection unit.
  • the word line 101 is connected to a carrier supply 4 included in the magnetic switch element 1 via an electrode 6 and an insulating layer 7.
  • the sense line 103 is connected to a fixed magnetic layer 16 in a detection unit included in the magnetic switch element 1 via an electrode 6.
  • the bit line 102 is connected to the magnetic layer 2.
  • the sense line 103 can be used as a magnetic field generator (assist line) for applying a magnetic field Hex to the magnetic switch element.
  • the sense line (assist line) 103a may be turned on as shown in FIG. Note that the assist line may be arranged separately from the sense line.
  • a sense current may be passed through the sensing portion of the magnetic switch element 1a via the 2a and the sense line 103a. Since the resistance value of the MR element section included in the magnetic switch element 1 differs depending on the information, the bit line 102 a and the sense line 10
  • switching between the “on” state and the “off” state of the lead line 101, the bit line 102, and the sense line 103 includes, for example, a switch element such as a FET, a varistor, and a tunnel.
  • a switch element such as a FET, a varistor, and a tunnel.
  • a non-linear element such as an element or a rectifying element may be used.
  • sample 1 having the following film configuration was fabricated.
  • Sample 1 had the shape shown in FIG. Sapphire substrate ZA IN (500) / A 1 N: S i (100) / 1 Mn N: S i (10) / C o F e (1 0) / 1 O (1) / C o F e (1 0) / P t Mn (2 5) / T a (3) / C u (1 0 0) / T a (2 5)
  • the numerical values in parentheses indicate the film thickness.
  • the unit is nm, and the film thickness is similarly indicated below.
  • the A1N layer on the sapphire substrate is the insulating layer 7, the A1N: Si layer is the carrier supply 4, the A1MnN: the Si layer is the transition layer 3, and the CoFe layer is the magnetic layer.
  • 2 A 1 O is the nonmagnetic layer 15, and the CoFe / PtMn layer is the fixed magnetic layer 16 on which an antiferromagnetic material (PtMn) is laminated.
  • the PtMn layer which is an antiferromagnetic material, uses the adjacent Coffe layer as a fixed magnetic layer by magnetic coupling.
  • the Ta / Cu_ / Ta laminated body is the electrode 6 on the fixed magnetic layer 16. The same applies to the other electrodes 6. Note that the orientation constant of the sapphire substrate was (00001).
  • an A 1 N layer was formed on a sapphire substrate.
  • the temperature of the substrate was in a range of about 500 ° C. to 600 ° C. (mainly 550 ° C.).
  • the A 1 layer was prepared in advance on the substrate, and the A 1 N layer was formed by nitriding the A 1 layer by plasma nitridation.
  • the A1N: Si / A1MnN: Si multilayer film is formed on the A1N layer at a substrate temperature of about 200 ° C to 300 ° C (mainly 250 ° C). C) and the layers were laminated.
  • a CoFe layer was laminated on the A1MnN: Si layer while keeping the substrate temperature in the range of room temperature to 200 ° C (mainly room temperature).
  • the composition ratio of the transition layer, A 1 Mn N: S i layer, is Al. 8 Mn. 2 N: S i
  • the Mn content of A 1 MnN is 0.001 atom 0 /. ⁇ 0.25 atomic%. It was separately confirmed that when Mn was within the above range, the reproducibility of paramagnetic-ferromagnetic transition was the best.
  • the AlMnN: Si layer exhibits paramagnetism when electrons are not injected or induced as carriers, and exhibits ferromagnetism when electrons are injected or induced.
  • AIO layer an AIO layer, a CoFe layer, and a PtMn layer were stacked on the AlN: Si layer.
  • the value in parentheses of the AlO layer is the total value of the designed film thickness of A1 before the oxidation treatment.
  • A1 was formed to a thickness of 0.3 nm to 0.7 nm. After that, it was manufactured by repeating oxidation in an oxygen-containing atmosphere.
  • the element size in the region to which the voltage Vg is applied (that is, the size of the carrier supplier 4, the transition layer 3, and the magnetic layer 2) is about 1.5 ⁇ m when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the element. ⁇ 3 / ⁇ . Also in the subsequent actual ⁇ , similarly, the size of the area for applying a voltage V g to the element size.
  • an electrode by laminating a T au / T a layer finally, the sample 1 was prepared by placing the interlayer insulating part 1 0 consisting of A 1 2 0 3.
  • the width of the interlayer insulating portion 10 was set to 300 nm.
  • the layers were formed by transporting in a vacuum even when switching the layers to be formed, and avoiding exposure to the atmosphere as much as possible.
  • the PtMn layer was heat-treated at a temperature of 280 ° C. in a magnetic field of 5 kOe at the time of stacking the multilayer film to give unidirectional anisotropy.
  • the heat treatment in a magnetic field may be performed after the microfabrication of the element.
  • the temperature range in which the magnetoresistive effect of the detecting section was detected was measured for the magnetic switch element manufactured as described above.
  • the magnetoresistance effect was confirmed by applying a magnetic field to the element within a range of ⁇ 5 kOe and measuring whether the resistance of the detector changes.
  • the magnetoresistance effect can be detected at least over the temperature range from 4 K (Kelvin) to 370 K.
  • the magnetic switch element was maintained at 23 K, and a voltage was applied between the carrier supplier and the transition layer.
  • a voltage was applied between the carrier supplier and the transition layer.
  • the potential of the carrier donor with respect to the transition layer When a voltage (0 V to 200 V) was applied to increase the resistance, no change was observed in the resistance of the detector.
  • a voltage (0 V to 200 V) was applied to lower the potential of the carrier supplier with respect to the transition layer, electrons moved from the carrier supplier to the transition layer, and the resistance value of the detection unit was reduced.
  • An MR ratio of about 30% was obtained as the magnetoresistance ratio (MR ratio) that is an indicator of change.
  • the change in the resistance of the detector started when a voltage of about 20 V was applied, and the largest MR ratio was obtained when a voltage of about 120 V was applied. In the region where the applied voltage was above 120 V, the obtained MR ratio was almost unchanged and tended to saturate.
  • the MR ratio can be determined as follows. The maximum resistance value of the detection unit obtained when a voltage is applied to the R MAX, the minimum resistance and R MI N. At this time, the MR ratio is a value given by the following equation (1).
  • MR ratio (%) (RMAX-RMIN) / RMI NX 100 (%) (1)
  • the free magnetic layer and the fixed magnetic layer magnetization direction is resistance Kone minimum (R M1 N), and the thus the resistance value to both the magnetization direction deviates from the same direction is large when the same (parallel) of.
  • nitride was used for the insulating layer / carrier carrier / transition layer.
  • the same material for example, all nitride or all oxides
  • the characteristics of the magnetic switch element tended to be good because the interface between the layers was hardly disturbed. This tendency was the same in the following examples.
  • a 1 Mn was used to sample 1 as a transition layer N: in addition to the S i layer, G a ⁇ - ,, ⁇ ⁇ ⁇ : S i layer, (.. G a 0 5 A 1 0 5) ⁇ One ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ : S i Layer, (A l .. 9 B 0. ⁇ ,, ⁇ perhapsN: Similar element operation could be confirmed even when the Si layer was used.
  • ⁇ is 0.0 1 ⁇ ⁇ It is a numerical value that satisfies 0.2.
  • the conditions for fabricating the device were the same as those of Sample 1.
  • A1N Si layer used in Sample 1 as a carrier material
  • A1N Similar device operation was confirmed when a Ge layer or a G aN: S i layer was used.
  • Example 1 a sample was prepared by the MBE method. However, a similar sample was prepared by using a pulse laser deposition (PLD) method, a magnetron sputtering method, and an electron beam (EB) evaporation method. We were able to. The results of these samples were similar to those of sample 1.
  • PLD pulse laser deposition
  • EB electron beam
  • Example 2 a magnetic memory as shown in FIGS. 13 and 15 was manufactured using the magnetic switch element (Sample 1) manufactured in Example 1, and its characteristics were evaluated.
  • the substrate was a CMOS substrate, and the arrangement of the elements was 16 blocks x 16 elements, one block, for a total of eight blocks.
  • a magnetic switch element having the film configuration of Sample 1 was fabricated on a CMOS substrate in the same manner as in Example 1.
  • FETs are arranged in a matrix on a CMOS substrate as switch elements, an interlayer insulating part is arranged on the FETs, and the surface is flattened by CMP. They were arranged in a matrix corresponding to ET.
  • hydrogen sintering was performed at 400 ° C.
  • One element in each block was a dummy element for canceling wiring resistance, element minimum resistance, FET resistance, and the like.
  • Word lines, bit lines, sense lines, etc. were all made of Cu, and their element size was 0.5 ⁇ 0.7 ⁇ m.
  • TEO for connecting CMOS switch and magnetic switch element
  • the transition layer of the blocks each 8 elements is magnetic transition was recorded signal.
  • the gate of the FET was turned on one element at a time in each block, and a sense current was applied to the elements.
  • the voltage generated on the bit line, element, and FET in each block is compared with the dummy voltage by a comparator, and the output of each element is read. It was confirmed that it could operate as a magnetic memory.
  • the circuit shown in Fig. 16 is a circuit that applies a basic circuit used in a programmable memory or a reconfigurable memory equipped with a memory function, or a programmable gate array (FPGA).
  • R c is the on-resistance value of FET2
  • R v is the resistance value of the MR element part, which is the detection part of the magnetic switch element
  • R i is the wiring resistance.
  • V d V d ⁇ V.
  • X R vap + R c
  • the load circuit 104 when a logic circuit is used as the load circuit 104, it is a nonvolatile programmable element.
  • the load circuit 104 is a display circuit device, a nonvolatile storage element such as a still image is used.
  • the smashable switch element of the present invention can be used as the above. Also, application as a system LSI integrating these multiple functions is possible.
  • a magnetic switch element (sample 2) having the following film configuration was fabricated.
  • Sample 2 had the shape shown in Fig. 12.
  • Sapphire substrate AIN 500
  • A1N Si (100)
  • A1CoN Si (10) / NiFe (10) / A10 (1) / C o F e (10) / P t Mn (25) / T a (3) / C u (100) / T a (2 5
  • the A1N layer on the sapphire substrate is an insulating layer
  • A1N: Si layer is a carrier supply
  • A1CoN: Si layer is a transition layer
  • NiFe layer is a magnetic layer.
  • AIO is a non-magnetic layer
  • the CoFe, PtMn layer is a fixed magnetic layer formed by stacking antiferromagnetic materials (PtMn).
  • the PtMn layer which is an antiferromagnetic material, uses the adjacent CoFe layer as a fixed magnetic layer by magnetic coupling.
  • the Ta Cu / Ta laminate is an electrode on the fixed magnetic layer. The same applies to other electrodes.
  • the orientation constant of the sapphire substrate is (0 00 1) And
  • an A 1 N layer was formed on a sapphire substrate.
  • the temperature of the substrate was in the range of about 600 ° C to 800 ° C (mainly 650 ° C).
  • the preparation of the A 1 N layer was the same as in Example 1.
  • the A1N: SiA1Con: Si multilayer film is formed on the A1N layer, and the substrate temperature is in a range of about 400 ° C to 600 ° C (mainly 550 ° C). In a state of being kept.
  • a NiFe layer was laminated on the AlMnN: Si layer while keeping the substrate temperature in the range of room temperature to 200 ° C (mainly room temperature).
  • the composition ratio of the transition layer, A 1 C O N: S i layer, is Al. 8 C o. 2 N: S i
  • the Mn content of A 1 Co N was set to about 0.001 at% to 0.25 at%. It was separately confirmed that when Mn was within the above range, the reproducibility of paramagnetic-ferromagnetic transition was the best.
  • the AlCoN: Si layer exhibits paramagnetism when electrons are not injected or induced as carriers, and exhibits ferromagnetism when electrons are injected or induced.
  • the Si doping amount in the A 1 N: Si layer, which is the carrier supplier, was set at 0.1 atomic%.
  • the Si doping amount in the transition layer was also set to 0.1 atomic%.
  • Lamination of the A1O layer, the CoFe layer, and the PtMn layer was performed in the same manner as in Example 1.
  • the element size was about 1.5 ⁇ m ⁇ 3 ⁇ m.
  • the temperature range in which the magnetoresistive effect of the detection unit is detected was measured for the magnetic switch element manufactured in this manner in the same manner as in Example 1. As a result, the temperature range was at least 4 to 370 K. It was confirmed that the magnetoresistance effect could be detected.
  • a magnetic switch element (sample 3) having the following film configuration was manufactured.
  • Sample 3 had the shape shown in Fig.12.
  • a 1 2 0 3 layer is an insulating layer, Z n N i O layer carrier supplier, Z n C o O
  • the / MnZnO layer is the transition layer
  • the CoFeZNiFeRu_NiFe layer is the magnetic layer containing the NiFe / Ru / NiFe layer, which is a laminated ferrimagnetic material.
  • a 1 0 x is a non-magnetic layer
  • C o F e / P t Mn layer is a fixed magnetic layer formed by laminating an antiferromagnetic material (P TMN).
  • the PtMn layer which is a body, uses the adjacent CoFe layer as a fixed magnetic layer by magnetic coupling.
  • the Ta / Cu / Ta laminate is an electrode on the fixed magnetic layer. The same applies to other electrodes except for the electrode (ITO layer) arranged between the substrate and the carrier supplier.
  • the temperature of the substrate was in the range of about 450 ° C to 650 ° C (mainly 600 ° C).
  • the oxygen partial pressure was set to 1 ⁇ 10 or more.
  • the composition ratio of the ZnO layer serving as a carrier supplier is Zn. 5 N i. , It was 5 0.
  • the composition ratio of the transition layer, ZnCoOZnMnO layer is Zn. . 75 C o 0 2 5 O / Z n 0. 75 Mn.
  • the ZnCoO / ZnMnO layer exhibits paramagnetism as a carrier when electrons are not injected or induced, and exhibits ferromagnetism when electrons are injected or induced.
  • the remaining layers such as a CoFe / NiFe / Ru / NiFe layer were stacked on the ZnMnO layer by a sputtering method.
  • the laminated ferrimagnetic material was arranged for the purpose of smoothing the magnetization rotation in the magnetic layer.
  • MR element portion is formed is a detection unit by the C o F e / N i F eZR u / N i F e / A 10 x / C o F e / P t Mn multilayer film.
  • the CoFe layer in contact with the ZnMnO layer can be considered as a magnetic layer
  • the NiFe / Ru / NiFe multilayer film can be considered as a free magnetic layer. If, N i F e Roh R uZN i F e / a 1 O x / C o F e / P t Mn multilayer film by the MR element is a detection part can you to as being formed.
  • the temperature range in which the magnetoresistive effect of the detection unit is detected was measured for the magnetic switch element fabricated in this manner in the same manner as in Example 1. As a result, at least 4 K to 370 It was confirmed that the magnetoresistance effect can be detected over the K temperature range.
  • the magnetic switch element was kept at 5K, and a voltage was applied between the carrier supplier and the transition layer.
  • a voltage (0 V to 18 OV) was applied so that the potential of the carrier supplier increased with respect to the transition layer, no change was observed in the resistance value of the detection unit.
  • a voltage (OV to 180 V) was applied to lower the potential of the carrier supplier with respect to the transition layer, electrons moved from the carrier supplier to the transition layer, and the resistance of the detector changed.
  • An MR ratio of about 10% was obtained as a magnetoresistive ratio (MR ratio), which is an indicator of the above.
  • the change in the resistance of the detector starts with a voltage of about 20 V applied, and the largest MR ratio was obtained when a voltage of about 50 V was applied. In the region where the applied voltage was 50 V or higher, the obtained MR ratio hardly changed, but tended to saturate.
  • the magnetic switch element of the present invention can be applied to a device using a TFT (thin film transistor) material.
  • TFT thin film transistor
  • matrix image information can be stored in a nonvolatile magnetic memory. It can be stored in a unit, for example, it is possible to configure an instant-on image display body.
  • Example 5 Using the PLD method, a magnetic switch element (Sample 4) having the following film configuration was fabricated. Sample 4 had the shape shown in FIG.
  • Mg O P r B a 2 C u 3 0 7 -layer on the substrate is an insulating layer, (S r, C a) R u 0 3 layer carrier supplier, (N d, S r) 2 Mn_ ⁇ 4
  • the layer is a transition layer and the N i Fe layer is a magnetic layer.
  • a 1 O is a nonmagnetic layer, and the CoFe / PtMn layer is a pinned magnetic layer in which an antiferromagnetic material (PtMn) is laminated.
  • the TaZCuZTa laminate is an electrode on the fixed magnetic layer. The same applies to other electrodes. Note that the orientation constant of the MgO substrate was (100).
  • the magnetic switch element was kept at 100 K, and a voltage was applied between the carrier supplier and the transition layer.
  • a voltage OV to 100 V
  • no change was observed in the resistance value of the detection unit.
  • a voltage (0 V to 100 V) was applied to lower the potential of the transition layer with respect to the carrier supplier, the holes moved from the carrier supplier to the transition layer, and the resistance value of the detection unit was changed.
  • An MR ratio of about 10% was obtained as a magnetoresistance ratio (MR ratio), which is an index of the change in the magnetic field.
  • the change in the resistance of the detector started with a voltage of about 5 V applied, and the largest MR ratio was obtained when a voltage of about 5 OV was applied. In the region where the applied voltage was 50 V or higher, the obtained MR ratio remained almost unchanged and tended to saturate.
  • Example 5 the magnetic switch element was manufactured by the PLD method. However, similar results were obtained when the element was manufactured by the MBE method, the sputtering method, the electron beam evaporation method, or the like.
  • the composition ratio of the three layers (Sr, Ca) Ru0, which is a carrier supplier, is Sr. 8 C a. 2 R u ⁇ 3 A transition layer (N d, S r) the composition ratio of 2 Mn_ ⁇ 4 layer, N d. . Was 25 S r 75 Mn O 4.
  • the other layers were laminated in the same manner as in Example 1.
  • the element size was about 1.5 ⁇ m ⁇ 3 ⁇ m.
  • the temperature range in which the magnetoresistive effect of the detection unit is detected was measured for the magnetic switch element thus manufactured in the same manner as in Example 1. As a result, the temperature was at least 100 to 370 K. It was confirmed that the magnetoresistance effect could be detected over the range.
  • a magnetic switch element having a completely different configuration from the conventional one and capable of improving the energy conversion efficiency for changing the magnetization state of a magnetic body, and a magnetic memory using the same Can provide Monkey
  • the magnetic switch element of the present invention includes, for example, a reproducing head of a magnetic recording device such as a magneto-optical disk, a hard disk, a digital data streamer (DDS), and a digital VTR, a magnetic sensor for detecting a rotational speed, a stress change and an acceleration. It can be applied to sensors such as stress / acceleration sensors, heat sensors, and chemical reaction sensors that detect changes, and magnetic memories such as magnetic random access memory (MRAM).
  • a reproducing head of a magnetic recording device such as a magneto-optical disk, a hard disk, a digital data streamer (DDS), and a digital VTR
  • DDS digital data streamer
  • VTR digital VTR
  • MRAM magnetic random access memory

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Abstract

従来とは全く異なる構成を有し、磁性体の磁化状態を変化させるためのエネルギー変換効率を向上できる磁性スイッチ素子と、それを用いた磁気メモリを提供する。磁性層と、前記磁性層と磁気的に結合した転移層と、金属および半導体から選ばれる少なくとも１つを含むキャリア供給体とを含み、前記転移層と前記キャリア供給体とは、前記転移層と前記キャリア供給体との間に電圧が印加可能な状態で配置されており、前記転移層は、前記電圧の印加によって非強磁性−強磁性転移を起こす層であり、前記転移層の前記転移によって前記磁性層の磁化状態が変化する磁性スイッチ素子とする。

Description

明 細 書 磁性スィツチ素子とそれを用いた磁気メモリ 技術分野
本発明は、 磁性スィツチ素子とそれを用いた磁気メモリに関する。 背景技術
磁性体を含み、 電気—磁気間のエネルギー変換を行う磁性スィッチ素 子は、 磁気記録装置の再生ヘッドや、 力センサー、 加速度センサーなど のセンサー類、 磁気ランダムアクセスメモリなどの磁気固体メモリ類な ど、 様々な磁気デバイスに用いられている。 しかし、 以下に示すエネル ギー変換効率の低さが課題の一つであり、 よりエネルギー変換効率が高 い （即ち、 消費電力が低減された） 磁性スィッチ素子が求められている 磁性スィ ッチ素子の制御方法として、 例えば、 磁性スィ ッチ素子に含 まれる磁性体の磁化状態を変化させる、 より具体的な例としては、 上記 磁性体の磁化方向を反転させることが行われている。 磁性体内の磁化状 態は、 交換エネルギー、 結晶磁気異方性エネルギー、 静磁エネルギー、 および、 外部磁場によるゼーマンエネルギーの和によって決定されるこ とが一般的に知られている。 このうち、 磁化状態を変化させるために制 御可能な物理量は、 静磁エネルギーとゼーマンエネルギーである。 この ため、 磁性体の磁化状態を電気エネルギーにより制御する場合、 電流が 流れる際に発生する外部磁場を利用することが従来行われてきた。 しか しながら、 例えば、 線電流による磁場発生のエネルギー変換効率は、 約 1 %程度である。 さらに、 線電流の場合、 発生した磁界の強度は距離に 反比例する関係にある。 多くの場合、 線電流を流す導線と、 磁性スイツ チ素子中の磁性体との間には絶縁体を配置する必要があるため、 ェネル ギー変換効率は 1 %よりさらに低下していると考えられる。 このような エネルギー変換効率の低さが、 磁性スィツチ素子および磁性スィツチ素 子を用いた磁気デバイスのさらなる普及が妨げられている一因であると 考えられる。 発明の開示
このような状況を鑑み、 本発明は、 従来とは全く異なる構成を有する ことにより、 磁性体の磁化状態を変化させるためのエネルギー変換効率 が向上できる磁性スィツチ素子と、 それを用いた磁気メモリを提供する ことを目的とする。
本発明の磁性スィッチ素子は、 磁性層と、 前記磁性層と磁気的に結合 した転移層と、 金属おょぴ半導体から選ばれる少なく とも 1つの材料を 含むキャリア供給体とを含み、 前記転移層と前記キャリア供給体とは、 前記転移層と前記キヤリァ供給体との間に電圧が印加可能な状態で配置 されており、 前記転移層は、 前記電圧の印加によって非強磁性一強磁性 転移を起こす層であり、 前記転移層の前記転移によって前記磁性層の磁 化状態が変化する素子である。
ここで、 前記転移層は、 前記電圧の印加時に、 電子およびホール （正 孔） から選ばれるいずれか一方のキヤリァが前記キヤリァ供給体から前 記転移層に注入されることによって前記転移が起きる層であってもよい また、 前記転移層は、 前記電圧の印加時に、 電子およびホール （正孔 ) から選ばれるいずれか一方のキャリアが前記転移層に誘起されること によって、 前記転移が起きる層であってもよい。 次に、 本発明の磁気メモリは、 前記磁性層の磁化状態の変化を検知す る検知部をさらに含む複数の上述した磁性スィツチ素子と、 前記磁性ス ィツチ素子に情報を記録するための情報記録用導線と、 前記情報を読み 出すための情報読出用導線とを含んでいる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の磁性スィツチ素子の一例を示す模式図である。 図 2 Aおよび図 2 Bは、 本発明の磁性スィツチ素子における磁性層の 磁化状態の変化の一例を示す模式図である。
図 3は、 本発明の磁性スィッチ素子の転移層における磁性転移の例を 説明するための模式図である。
図 4は、 本発明の磁性スィツチ素子の別の一例を示す模式図である。 図 5は、 本発明の磁性スィツチ素子のまた別の一例を示す模式図であ る。
図 6は、 本発明の磁性スィッチ素子のまた別の一例を示す模式図であ る。
図 7は、 本発明の磁性スィツチ素子のまた別の一例を示す模式図であ る。
図 8 A、 図 8 Bおよぴ図 8 Cは、 本発明の磁性スィ ッチ素子における 転移層および磁性層の磁化状態の変化の一例を示す模式図である。 図 9は、 本発明の磁性スィツチ素子のまた別の一例を示す模式図であ る。
図 1 0は、 本発明の磁性スィツチ素子を用いた回路の一例を示す模式 図である。
図 1 1は、 本発明の磁性スィツチ素子のまた別の一例を用いた模式図 である。 図 1 2は、 本発明の磁性スィッチ素子のまた別の一例を用いた模式図 である。
図 1 3は、 本発明の磁気メモリの一例を示す模式図である。
図 1 4は、 本発明の磁気メモリに用いる磁性スィッチ素子と、 情報記 録用導体線および情報読出用導体線との関係の一例を示すための模式図 である。
図 1 5は、 本発明の磁気メモリの一例を示す模式図である。
図 1 6は、 実施例で用いた、 磁気メモリ回路の一例を示す模式図であ る。 発明の実施形態
以下、 図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。 な お、 以下の実施の形態において、 同一の部分に同一の符号を付して、 重 複する説明を省略する場合がある。
最初に、 本発明の磁性スィツチ素子について説明する。
図 1に示す磁性スィッチ素子 1は、 磁性層 2と、 磁性層 2と磁気的に 結合した転移層 3と、 金属および半導体から選ばれる少なく とも 1つの 材料を含むキヤリァ供給体 4とを含んでいる。 転移層 2とキヤリァ供給 体 4とは、 転移層 2とキヤリァ供給体 4との間に電圧が印加可能な状態 で配置されている。 例えば、 図 1に示す磁性スィッチ素子 1では、 キヤ リア供給体 4、 転移層 3および磁性層 2が順に積層されている。 ここで 、 転移層 3は、 転移層 2とキャリア供給体 4との間に電圧を印加するこ とによって非強磁性一強磁性転移を起こす層である。 磁性層 2と転移層 3とは磁気的に結合しているため、 転移層 3の非強磁性一強磁性転移に よって、 磁性層 2の磁化状態を変化させることができる。 即ち、 転移層 3とキャリア供給体 4との間に電圧を印加することによって、 磁性層 2 の磁化状態を変化させることができる。 このようにして、 本発明の磁性 スィツチ素子 1では電気一磁気のエネルギー交換を行うことができる。 転移層 3は、 例えば、 転移層 3とキャリア供給体 4との間に電圧を印 加した際に、 電子およびホール （正孔） から選ばれるいずれか一方のキ ャリアが、 キャリア供給体 4から転移層 3に注入されることによつ.て上 記転移を起こす層であってもよい。 また、 転移層 3は、 例えば、 上記電 圧を印加した際に、 上記いずれか一方のキヤリァが転移層 3に誘起され ることによって上記転移を起こす層であってもよい。 このような転移層 3に用いることができる具体的な材料については、 後述する。 なお、 以 降の明細書において 「電圧を印加する」 とは、 特に記載がない限り、 転 移層 3とキャリア供給体 4との間に電圧を印加することを意味するとす る。
このような磁性スィツチ素子 1では、 従来のように線電流に生じる磁 界を磁性層に導入することによつて磁性層の磁化状態を変化させる場合 に比べて、 より少ない電力で磁性層 2の磁化状態を変化させることが可 能である。 よって、 電気一磁気のエネルギー変換効率が高い （消費電力 が低減された） 磁性スィツチ素子 1とすることができる。
本発明の磁性スィッチ素子 1では、 磁性層 2の磁化状態の変化は、 例 えば、 磁性層 2の磁化方向の変化であればよい。 磁化方向の変化の程度 は特に限定されない。 磁性層 2の磁化方向の変化を読み出す際の効率の 観点からは、 転移層 3の転移によって磁性層 2の磁化方向が反転するこ とが好ましい。
磁性層 2における具体的な磁化状態の変化の一例を図 2 Aおよび図 2 Bを用いて示す。 図 2 Aおよぴ図 2 Bに示す磁化スィツチ素子 1では、 磁性層 2およびキャリア供給体 4に配線が接続されており、 転移層 3と キヤリァ供給体 4との間に電圧 V gを印加することができる。 転移層 3 は、 キヤリァの注入または誘起によって常磁性から強磁性の状態へと転 移する層である。 図 2 Aに示すように V g = 0の時、 転移層 3は常磁性 の状態にあり、 磁性層 2の磁化方向は予め定められた方向 （例えば、 磁 化容易軸方向） を向いている。 ここで、 図 2 Bに示すように、 転移層 3 とキャリア供給体 4との間に電圧 V g ( V g≠ 0 ) を印加すると、 例え ば、 転移層 3にキヤリァが注入または誘起されることによって転移層 3 が常磁性から強磁性の状態へと転移し、 一定の磁化方向を有する層とな る。 磁性層 2と転移層 3とは磁気的に結合しているため、 転移層 3の転 移に伴い、 磁性層 2の磁化方向が転移層 3の磁化方向と平行になるよう に変化する。 このとき、 磁性層 2における上記予め定められた方向を、 転移層 3が強磁性の状態になったときに発現する磁化方向に対して反平 行に定めておけば、 転移層 3の転移によって磁性層 2の磁化方向を反転 することができる。 即ち、 電圧 V g ( V g≠ 0 ) の印加によって磁性層 2の磁化方向を反転することができる。 なお、 図 2 Aおよぴ図 2 Bでは 、 各層の磁化方向を矢印により模式的に表現している。 以降の図におい ても同様とする。
転移層 3の非強磁性一強磁性転移について説明する。 非強磁性ー強磁 性転移とは、 強磁性以外 （例えば、 反強磁性、 非磁性、 常磁性） の状態 と強磁性の状態との間を可逆的に、 あるいはヒステリシスを有して変化 する磁性転移である限り、 特に限定されない。 電圧を印加した際に （例 えば、 キャリアが注入または誘起された際に） 、 非強磁性から強磁性の 状態へと転移しても、 強磁性の状態から非強磁性の状態へと転移しても よい。 いずれの場合も、 例えば、 強磁性の状態における転移層 3の磁化 方向と、 転移層 3が非強磁性の状態における磁性層 2の磁化方向とを予 め設定しておけば、 電圧の印加によって磁性層 2の磁化方向を反転させ ることができる。 なかでも、 転移に要するエネルギーの観点からは、 常磁性一強磁性転 移 （常磁性の状態と強磁性の状態との間を可逆的に、 あるいはヒステリ シスを有して変化する磁性転移） 、 または、 非磁性一強磁性転移 （非磁 性の状態と強磁性の状態との間を可逆的に、 あるいはヒステリシスを有 して変化する磁性転移） が好ましい。 なかでも、 常磁性一強磁性転移が 好ましい。 このような転移を起こす転移層 3を用いれば、 転移に要する エネルギーを低減することができるため、 よりエネルギー変換効率が高 い磁性スィツチ素子とすることができる。
より具体的には、 転移層 3は、 電圧の印加時に、 常磁性の状態から強 磁性の状態へと転移する層であってもよい。 また、 換言すれば、 電圧が 印加されていない状態で転移層 3が常磁性または非磁性 （常磁性が好ま しい） の状態にあり、 電圧が印加されている状態で転移層 3が強磁性の 状態にあってもよレ、。
転移層 3の磁性状態の変化の一例を図 3に示す。 図 3に示す例では、 常磁性の状態 （V g = 0 ) から印加電圧 V gを加えるに従って （例えば 、 キャリアが注入または誘起されるに従って） 、 転移層の磁性状態が常 磁性から強磁性へと変化している。 また、 逆に、 強磁性の状態 （V g = V f s ) から印加電圧を減少させるのに従って、 転移層の磁性状態が強 磁性から常磁性へと変化している。 磁性状態の変化は、 図 3に示す直線 Aのように線形的であっても、 曲線 Bのように非線形的であってもよく 、 印加電圧 V gが閾値を有していてもよい。 また、 一方の変化時には曲 線 Bに従い、 他方の変化時には曲線 B ' に従うといったように、 磁性状 態の変化がヒステリシスを有していてもよい。
本発明の磁性スィッチ素子 1における、 磁性層 2、 転移層 3およびキ ャリア供給体 4の配置方法について説明する。 上記各層の具体的な配置 方法は、 転移層 3とキヤリァ供給体 4との間に電圧が印加可能であり、 かつ、 転移層 3と磁性層 2とが磁気的に結合できる限り特に限定されな い。 例えば、 図 1に示す例のように、 磁性層 2とキャリア供給体 4とに よって転移層 3を狭持するように、 転移層 3、 磁性層 2およびキャリア 供給体 4が配置されていてもよい。 なお、 上記各層の間に、 必要に応じ て別の層が配置されていてもよい。
キャリア供給体 4と転移層 3とは、 電圧印加時に、 例えば、 キャリア が注入または誘起できる限り、 その相対位置、 接している場合における 両者の接触状態 （あるいは、 接合状態） などは特に限定されない。 なか でも、 転移層 3とキャリア供給体 4とが半導体である場合、 転移層 3と キャリア供給体 4との接合界面が、 P— N接合の状態、 または、 P— N 接合と同様の状態であることが好ましい。 また、 上記接合界面が 2次元 電子ガス状態であってもよい。 電圧印加時に、 キャリアの注入または誘 起をより少ない消費電力で行うことができる。 なかでも、 キャリア供給 体 4から転移層 3へのキヤリァの注入にあたってアバランシェ的なキヤ リア移動が生じるように、 キャリア供給体 4および転移層 3を選択し、 接合させることが好ましい。 なお、 このような P— N接合を有する磁性 スィツチ素子 1では、 転移層 3とキヤリァ供給体 4との接合体に電圧を 印加することによって、 磁性層 2の磁化状態を変化させることができる 、 ともいえる。
本発明の磁性スィッチ素子 1の別の一例を図 4に示す。 図 4に示す磁 性スィツチ素子 1では、 図 1に示す磁性スィッチ素子 1の転移層 3とキ ャリア供給体 4との間に絶縁層 （ I層） 5が配置されている。 このとき 絶縁層 5に用いる材料およびノまたは絶縁層 5の構成を選択することに よって、 よりエネルギー変換効率が高い磁性スィツチ素子 1とすること ができる。 なかでも、 転移層 3とキャリア供給体 4とが、 それぞれ異な る形を有する p形または n形の半導体である場合、 転移層 3とキャリア 供給体 4との接合界面が、 P— I一 N接合の状態、 または、 P— I—N 接合と同様の状態であることが好ましい。 I層は、 例えば、 ショットキ 一障壁であってもよい。 転移層 3が半導体であり、 キヤリナ供給体 4が 金属である場合、 転移層 3とキャリア供給体 4との接合界面が、 いわゆ る M— I一 S接合の状態、 または、 M— I— S接合と同様の状態である ことが好ましい。 これらの場合、 電圧印加時に、 キャリアの注入または 誘起をより少ない消費電力で行うことができる。 I層が配置されている 場合においても、 キヤリァ供給体 4から転移層 3へのアバランシェ的な キヤリァ移動が生じるように、 キヤリァ 給体 4および転移層 3を選択 し、 接合させることが好ましい。 なお、 このような P— I— N接合、 あ るいは、 M— I— S接合を有する磁性スィッチ素子 1では、 転移層 3と 絶縁層 5とキヤリァ供給体 4との接合体に電圧を印加することによって 、 磁性層 2の磁化状態を変化させることができる、 ともいえる。 絶縁層 5に用いる具体的な材料については後述する。
転移層 3に用いる材料は、 電圧を印加した際に （例えば、 キャリアが 注入または誘起された際に） 非強磁性一強磁性転移を起こす材料であれ ば特に限定されない。 例えば、 転移層 3が磁性半導体を含んでいればよ い。
磁性半導体のより具体的な材料について、 以下に述べる。
磁性半導体の母材となる半導体には、 例えば、 転移層 3の磁性転移を 誘起する観点から化合物半導体を用いればよい。 具体的には、 例えば、 G a A s、 G a S e、 A l A s、 I nA s、 A 1 P、 A l S b、 G a P 、 G a S b s I n P、 I n S b、 I n 2T e 3、 Z n O、 Z n S、 Z n S e、 Z n T e、 C d S e、 C d T e、 C d S b、 Hg S、 H g S e、 H g T e、 S i C、 G e S e、 P b S、 B i 2T e 3、 S b 2 S e 3、 M g 2 S i s Mg 2 S n、 M g 3 S b 2 T i 02、 C u I n S e 2、 C u H g l n 4、 Z n I n 2 S e 4 s C d S nA s 2、 A g I n T e 2、 A g S b S e 2、 G a N、 A 1 N、 G a A l N、 BN、 A 1 BN、 G a l nN A sなどの I 一 V族、 I—VI族、 n—IV族、 II一 V族、 II— VI族、 III — V族、 III— VI族、 IV— IV族、 I 一 III一 VI族、 I一 V— VI族、 II— II I— VI族、 II— IV— V族化合物半導体を母材として用い、 これらの化合 物半導体に IV a族〜 VIII族および IVb族から選ばれる少なく とも 1種の 元素を加えた磁性半導体を用いればよい。
あるいは、 式 Q iQSQ 3で示される組成を有する磁性半導体を用いて もよい。 ここで、 Q1は、 S c、 Y、 希土類元素 （L a、 C e、 P r、 N d、 Sm、 E u、 G d、 T b、 D y、 H o、 E r ) 、 T i、 Z r、 H f 、 V、 N b、 T a、 C r、 N iおよび Z nから選ばれる少なく とも 1 種の元素であり、 Q2は、 V、 C r、 Mn、 F e、 〇。ぉょび1^ 1から 選ばれる少なく とも 1種の元素であり、 Q3は、 C、 N、 0、 Fおよび Sから選ばれる少なく とも 1種の元素である。 元素 Q1と元素 Q2と元 素 Q3との組成比は特に限定されない。
あるいは、 式 R1!^2!^ 3で示される組成を有する磁性半導体を用いて もよい。 ここで、 R 1は、 B、 A l、 G aおよび I nから選ばれる少な く とも 1種の元素であり、 R2は、 Nおよび Pから選ばれる少なく とも 1種の元素であり、 R3は、 IVa族〜 VIII族および IVb族から選ばれる 少なく とも 1種の元素である。 元素 R1と元素 R 2と元素 R 3との組成比 は特に限定されない。
あるいは、 式 Z n OR 3で示される組成を有する磁性半導体を用いて もよい。 ここで、 R 3は上述の元素 R 3であり、 Z nは亜鉛、 Oは酸素 である。 Z nと Oと元素 R3との組成比は特に限定されない。
あるいは、 式 TOR3で示される組成を有する磁性半導体を用いても よレ、。 ここで、 Tは、 T i、 Z r、 V、 N b s F e、 N i、 A 1 , I n および S nから選ばれる少なく とも 1種の元素であり、 R 3は上述の元 素 R3であり、 Oは酸素である。 元素 Tと Oと元素 R3との組成比は特 に限定されない。
また、 転移層 3が、 例えば、 式 3£0702で示される組成を有する酸 化物を含んでいてもよい。 ここで、 Aは、 アルカリ金属 （ I a族） 、 ァ ルカリ土類金属 （II a族） 、 S c、 Yおよび希土類元素 （L a、 C e、 P r、 N d、 Sm、 E u、 G d、 T b、 D y、 Ho、 E r ) から選ばれ る少なく とも 1種の元素である。 Dは、 V a族、 VI a族、 VII a族およ び VIII族から選ばれる少なく とも 1種の元素である。 Oは酸素である。 上記酸化物は一般に結晶構造を有しており、 対応する結晶格子の単位胞 における中心位置には基本的に元素 Dが入り、 中心位置にある原子の周 囲を複数の酸素原子が囲んだ構造を有している。
x、 yおよび zは、 正の数であれば特に限定されない。 なかでも、 以 下に示す組み合わせを満たす数値であることが好ましく、 この組み合わ せによって上記酸化物は複数のカテゴリーに分類できる。 転移層 3は、 以下に示す各カテゴリーに属する酸化物を含んでいてもよい。 各カテゴ リーに属する酸化物における x、 yおよび Zの値は、 以下に示す値 （例 示を含む） を完全に満たしている必要は必ずしもなく、 例えば、 酸素が —部欠損した酸化物であってもよいし、 元素 Aおよび元素 D以外の元素 (例えば、 IVa族元素、 I b〜V b族元素など） が少量ドープされてい てもよい。 なお、 以下に示すカテゴリ一は本発明の技術分野において技 術常識として固定化されているものではなく、 酸化物の説明を分かりや すくするために便宜上設定したカテゴリ一である。
—カテゴリー 1一
x、 yおよび zは、 x = n+ 2、 y = n + 1および z = 3 n + 4を、満 たす数値である。 ここで、 nは、 0、 1、 2または 3である。 このカテゴリーに属する酸化物には、 例えば、 S r 2R u O4 (L a , S r ) 2C o 04などの x y z指数が （2 1 4) の酸化物、 S r 3R u 207や （L a， S r ) 3Mn 2〇7などの x y z指数が （ 3 2 7 ) の 酸化物が挙げられる。 これらの酸化物は、 いわゆる Ruddlesden- Popper 構造を示す酸化物である。
なお、 n = 0のとき、 本カテゴリーの酸化物には、 元素 Aの位置に元 素 Dが配置された、 および/または、 元素 Dの位置に元素 Aが配置され た酸化物が含まれていてもよい。 例えば、 式 DxAyOzで示される組成 を有する酸化物や、 式 D x D y〇 zで示される組成を有する酸化物などが 含まれていてもよい。 より具体的には、 例えば、 C r 2Mg〇4 ( X y z指数 （2 1 4) ) などのスピネル型構造を有する酸化物、 F e 2C o 04、 F e 2 F e 04 (即ち、 F e 304) などの元素 Aを含まない酸化 物 （x y z指数 （2 1 4) ) などが含まれていてもよい。
一カテゴリー 2—
x、 yおよび zは、 x = n+ l、 y = n + 1および z = 3 n + 5を、満 たす数値である。 ここで、 nは、 1、 2、 3または 4である。 このカテ ゴリーに属する酸化物には、 例えば、 部分的に酸素のインターカレーシ ョンを有する酸化物が挙げられる。
一カテゴリー 3—
x、 yおよび zは、 x = n、 y = nおよび z = 3 nを、満たす数ィ直であ る。 ここで、 nは、 1または 2である。 このカテゴリーに属する酸化物 には、 n = lのとき、 例えば、 S r Mn〇3、 S r R u 03などのぺロ ブスカイ ト型結晶構造を有する酸化物が挙げられる。 また、 n= 2のと き、 例えば、 S r 2F e Mo 06、 SmB aMn 206などの x y z指数 力 S (2 2 6) である酸化物が挙げられる。
一カテゴリー 4一 x、 yおよび zは、 x = n+ l、 y = nおよび z = 4 n + 1を満たす 数値である。 ここで、 nは、 1または 2である。 このカテゴリーに属す る酸化物には、 n = lのとき、 例えば、 Y2Mo O 5などの X y z指数 力 S (2 1 5) の酸化物が挙げられる。 また、 n = 2のとき、 例えば、 S r B i 2T a 209などの酸化物が挙げられる。
—その他のカテゴリ
例えば、 x = 0、 y = lおよび z = lのとき、 N i O、 MnO、 C o Oなどの酸化物が挙げられる。 x = 0、 y = nおよび z =n+ l (n = 1 ) のとき、 V02、 Mn O 2などの酸化物が挙げられる。 x = 0、 y 二 nおよび z = n + l (n = 2 ) のとき、 V 2 O 3などの酸化物が挙げ られる。 x = 0、 y = nおよぴ z = 2 n + 1 ( n = 2 ) のとき、 V20 5などの酸化物が挙げられる。
転移層 3は、 上述した酸化物を複数の種類含んでいてもよい。 例えば 、 同一のカテゴリーの中で nの値が異なる酸化物の構造単位胞ゃ小単位 胞が組み合わさった超格子を有する酸化物を含んでいてもよい。 具体的 なカテゴリ一としては、 例えば、 上述のカテゴリー 1 (Ruddlesden- Pop per型構造を示す酸化物） やカテゴリー 2 (酸素のインターカレーショ ンを有する酸化物） などが挙げられる。 このような超格子を有する酸化 物は、 例えば、 単独または複数の元素 Dの酸素八面体層が、 元素 Aと酸 素とを含む 1つ以上のプロック層により分離した結晶格子構造を有して いる。
また、 転移層 3が、 外部から与えられた電界によってメタ磁性転移す る材料を含んでいてもよい。 例えば、 L a (F e， S i ) や F e R hな どを用いればよい。
転移層 3の形状は特に限定されない。 図 1に示す例のように層状であ る場合、 転移層 3の厚さは、 例えば、 0. 3 nm〜 1 000 nmの範囲 であり、 1 nm〜 100 nmの範囲が好ましい。 また、 転移層 3は、 複 数の層が積層していてもよく、 各層の厚さ、 含まれる材料などは、 転移 層 3として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。
キヤリァ供給体 4に用いる材料は、 金属または半導体より選ばれる少 なく とも 1つの材料を含む限り、 特に限定されない。 また、 電圧を印加 した際に、 転移層 3にキヤリアを注入または誘起できることが好ましい 。 具体的には、 例えば、 電圧が印加されていない状態で、 電子またはホ ールから選ばれるいずれかのキヤリアを 1 018Zc in3以上含む材料で あればよい。 より具体的には、 半導体である場合、 例えば、 A 1 N : S iなどを用いればよい。 また、 キャリア供給体 4は単なる金属などであ つてもよく、 例えば、 S r Ru03、 P tなどを用いればよい。
キヤリァ供給体 4の形状は特に限定されず、 磁性スィツチ素子として 必要な形状などに応じて任意に設定すればよい。 例えば、 図 1に示す例 のように層状であってもよく、 この場合キャリア供給体 4の厚さは、 例 えば、 1 nm〜： L 00 mの範囲である。
磁性層 2は、 転移層 3と磁気的に結合が可能で、 転移層 3の磁性転移 に伴い磁化状態が変化する磁性体であれば特に限定されない。 なかでも 軟磁性特性に優れる磁性体が好ましい。 具体的には、 例えば、 F e、 C oおよび N iから選ばれる少なく とも 1種を含む金属あるいは合金 （例 えば、 F e C o合金、 N i F e合金、 C o N i合金、 N i F e C o合金 など） 、
あるいは、 式 L U2!!3で示される組成を有する合金 （ここで、 U1 は、 F e、 C oおよび N iから選ばれる少なく とも 1種の元素であり、 U2は、 Mg、 C a、 T i、 Z r、 H f 、 V、 Nb、 T a、 C r、 A 1 、 S i、 Mg、 G eおよび G aから選ばれる少なく とも 1種の元素であ り、 U3は、 N、 B、 O、 Fおよび Cから選ばれる少なく とも 1種の元 素である。 例えば、 F e N、 F e T i N、 F e A l N、 F e S i N、 F e T a N、 F e C o N、 F e C o T i N、 F e C o (A l， S i ) N、 F e C o T a Nなど）、
あるいは、 式 （C o , F e ) Xで示される組成を有する合金 （ここで 、 Xは、 T i、 Z r、 Η ί、 V、 N b、 T a、 C uおよび Bから選ばれ る少なく とも 1種の元素である） 、
あるいは、 式 Z 1 Z 2で示される組成を有する合金 （ここで、 Z 1は、 F e、 C oおよび N iから選ばれる少なくとも 1種の元素であり、 Z 2 は、 C u、 A g、 Au、 P d、 P t、 R h、 I r、 R u、 O s、 R u、 S i、 G e、 A l、 G a、 C r、 Mo、 W、 V、 N b、 T a、 T i、 Z r、 H i、 L a、 C e、 P r、 N d、 Pm、 Sm、 E u、 G d、 T b、 D y、 H o、 E r、 Tm、 Y bおよび L uから選ばれる少なく とも 1種 の元素である。 例えば、 F e C r、 F e S i A l、 F e S i、 F e A 1 、 F e C o S i、 F e C o A l、 F e C o S i A l、 F e C o T i、 F e (N i ) (C o ) P t、 F e (N i ) (C o) P d、 F e (N i ) ( C o ) R h、 F e (N i ) (C o ) I r、 F e (N i ) (C o ) R u、 F e P tなど） 、
あるいは、 F e 3O4、 式 EMn S bで示される組成を有する合金 （ ここで、 Eは、 N i、 C uおよび P tから選ばれる少なくとも 1種の元 素である。 例えば、 L a S r Mn O、 L a C a S r Mn O、 C r 02な ど）などのハーフメタル材料、
あるいは、 式 G i GSG3で示される組成を有する合金 （ここで、 G 1 は、 S c、 Y、 ランタノイ ド （L a、 C eを含む） 、 T i、 Z て、 H f 、 N b、 T aおよび Z nから選ばれる少なく とも 1種の元素であり、 G 2は、 C、 N、 0、 Fおよび Sから選ばれる少なく とも 1種の元素であ り、 G3は、 V、 C r、 Mn、 F e、 C oおよび N iから選ばれる少な く とも 1種の元素である）、
あるいは、 式 J 1 J 2 J 3で示される組成を有する磁性半導体 （ここで
、 J 1は、 B、 A l、 G aおよび I nから選ばれる少なく とも 1種の元 素であり、 J 2は、 V、 C r、 Mn、 F e、 C oおよび N iから選ばれ る少なく とも 1種の元素であり、 J 3は、 A s、 C、 N、 0、 Pおよび Sから選ばれる少なく とも 1種の元素である。 例えば、 G aMnN、 A 1 ΜηΝ、 G a A l MnN、 A l BMnNなど） 、
あるいは、 その他、 ぺロプスカイ ト型酸化物磁性体、 フェライ トなど のスピネル型酸化物磁性体、 ガーネット型酸化物磁性体などを用いれば よい。
磁性層 2の形状は特に限定されない。 図 1に示す例のように層状であ る場合、 磁性層 2の厚さは、 例えば、 2 nn！〜 1 0 0 nmの範囲であり 、 2 nn！〜 50 nmの範囲が好ましい。 また、 磁性層 2は、 複数の磁性 層 （磁性膜） が積層していてもよく、 各磁性層 （各磁性膜） の厚さ、 含 まれる磁性体などは、 磁性層 2として必要な特性に応じて任意に設定す ればよい。 なお、 磁性層 2と転移層 3との間には、 磁性層 2と転移層 3 との間の磁気的な結合を阻害しない限り、 必要に応じて別の層を配置し てもよい。
転移層 3とキャリア供給体 4との間に絶縁層 （ I層） 5が配置されて いる場合、 絶縁層 5に用いる材料は、 絶縁体おょぴ半導体から選ばれる 少なくとも 1つの材料を含む限り特に限定されない。 例えば、 Mg、 T i、 Z r、 H f 、 V、 N b、 T aおよび C rを含む II a族〜 VI a族元素 、 およびランタノイ ド （L a、 C eを含む） 、 Z n、 B、 A l、 G aお よび S i を含む lib族〜 IV b族から選ばれる少なく とも 1種の元素と、 F、 0、 C、 Nおよび Bから選ばれる少なく とも 1種の元素との化合物 を用いればよい。 なかでも、 絶縁体として、 S i 02、 A 1 203、 Mg Oなどを、 半導体として、 Z n O、 S r T i 〇3、 L a A l 〇3、 A 1 N、 S i Cなどを用いることが好ましい。
絶縁層 5の厚さは、 例えば、 0 . 1 n m〜 1 0 0 n mの範囲であり、 トンネル絶縁特性の観点からは、 0 . 1 n m〜 1 0 n mの範囲が好まし い。
本発明の磁性スィツチ素子 1において、 転移層 3とキヤリァ供給体 4 との間に電圧を印加する方法は特に限定されず、 例えば、 図 1に示す例 のように、 磁性層 2とキャリア供給体 4とに （あるいは、 転移層 3とキ ャリア供給体 4とに） 電圧を印加するための配線を接続すればよい。 ま た、 図 5に示すように、 電圧を印加するための電極 6をさらに含む磁性 スィッチ素子 1としてもよい。 図 5に示す磁性スィッチ素子 1では、 電 圧を印加する電極 6は、 電極 6と転移層 3とによってキヤリァ供給体 4 を狭持するように配置されている。 このような磁性スィッチ素子 1では 、 より安定して電圧を印加することができる。 なお、 図 5に示す例では 、 キャリア供給体側にのみ電極 6が配置されているが、 磁性層 2側に電 極 6が配置されていても （例えば、 電極 6が磁性層 2に接するように配 置されていても） よい。 なお、 磁性層 2やキャリア供給体 4が金属であ る場合は、 磁性層 2、 キャリア供給体 4自体が電極としての役割を担う こともできる。
電極 6に用いる材料は、 導電性の材料である限り特に限定されない。 なかでも線抵抗率が、 例えば、 1 0 0 μ πι Ω c m以下の材料が好ましい 。 具体的には、 例えば、 A u、 C u、 A l、 P tなどを用いればよい。 図 6は、 本発明の磁性スィツチ素子 1のまた別の一例を示す模式図で ある。 図 6に示す磁性スィッチ 1では、 絶縁層 7が電極 6とキャリア供 給体 4との間に配置されている。 このような磁性スィッチ素子 1では、 転移層 3を磁性転移させるための電力 （即ち、 例えば、 転移層 3にキヤ リァが注入または誘起されるための電力） を低減することができるため
、 よりエネルギー変換効率が高い磁性スィツチ素子 1とすることができ る。 また、 電極 6とキャリア供給体 4との間に絶縁層 7を配置する場合 、 図 7に示すように、 絶縁層 7の面内に各層を配置した磁性スィッチ素 子 1とすることもできる。
絶縁層 7に用いる材料は、 上述した絶縁層 5に用いる材料と同様であ ればよい。 絶縁層 7の厚さは、 例えば、 0 . 1 η π！〜 1 0 0 μ mの範囲 であり、 電極 6とキャリア供給体 4との間に配置される場合には、 0 . 1 n m〜 1 0 0 n mの範囲が好ましい。
本発明の磁性スィッチ素子では、 転移層 3および磁性層 2から選ばれ る少なく とも 1つの層に磁界を印加する磁界発生部をさらに含んでいて もよい。 転移層 3が磁性転移により強磁性を発現する際に、 転移の過程 における飽和磁化が弱い段階で、 転移層 3の磁化状態 （例えば、 磁化方 向） を安定させることができるため、 よりエネルギー交換効率が高い磁 性スィッチ素子 1とすることができる。 このような磁性スィッチ素子に おける転移層 3の磁性転移の一例を図 8 A〜図 8 Cに示す。
図 8 A〜図 8 Cに示す磁性スィツチ素子 1は、 図 6に示す磁性スィッ チ素子 1と同様である。 図 8 Aのように、 印加電圧 V g = 0のときには 、 転移層は常磁性の状態にある。 印加電圧 V g ( V g≠ 0 ) をキャリア 供給体 4と転移層 3との間に加えると、 例えば、 キャリア供給体 4から 転移層 3にキヤリアが注入されることによって、 転移層 3が磁性転移を 開始する （図 8 B ) 。 開始してしばらくは転移層 3の飽和磁化がまだ弱 く、 転移層 3には明確な磁化状態 （例えば、 磁化方向） が発現していな い状態にある。 このとき、 転移層 3の転移後の磁化状態を実現するよう に磁界 H e xを印加すれば （例えば、 転移後に生じる磁性層 3の磁化方 向と同一の方向に転移層 3に磁界を印加すれば） 、 転移の過程における 早い段階で、 転移層 3の磁性転移および磁性層 2の磁化状態の変化を完 了する （図 8 C ) ことが可能になる。 即ち、 磁性層 2の磁化状態を変化 させるために必要なエネルギーを低減することができる。
磁界発生部により加える磁界 H e xの方向は、 例えば、 転移層 3が強 磁性の状態になったときに生じる転移層 3の磁化状態を補完する方向 （ 例えば、 転移層 3に生じる磁化方向と同一の方向） であればよい。 また. 、 磁界 H e xの強さは特に限定されず、 磁性スィ ッチ素子 1として必要 な特性に応じて任意に設定すればよい。 例えば、 4 X 1 0 2 A Zm ~ 4 X 1 0 5 A/mの範囲である。 なお、 磁界 H e xは、 転移層 3に印加する ことが好ましい。
磁界発生部は、 転移層 3および磁性層 2から選ばれる少なく とも 1つ の層に磁界を印加することができる限り、 その構造、 構成などは特に限 定されない。 例えば、 磁界発生部が、 強磁性体、 コイルおょぴ導線から 選ばれる少なくとも 1つを含んでいてもよい。 コイルおょぴ導線から選 ばれる少なく とも 1つを含む場合、 転移層 3の磁性転移時における必要 な期間のみ磁界を印加することができる。 強磁性体を含む場合、 磁界を 印加するための電力を省略することができる。
図 9に本発明の磁性スィツチ素子のまた別の一例を示す。 図 9に示す 磁性スィツチ素子 1は、 図 6に示す磁性スィツチ素子 1の磁性層 2の上 に、 絶縁部 9を挟んで導線からなる磁界発生部 8が配置されている。 換 言すれば、 磁界発生部 8とキヤリァ供給体 4とによって転移層 3および 磁性層 2から選ばれる少なくとも 1つの層を狭持するように配置されて いる。 磁界発生部 8を配置する位置は、 図 9に示す例に限定されず、 転 移層 3および磁性層 2から選ばれる少なく とも 1つの層に磁界を印加で きる位置である限り特に限定されない。 絶縁部 9は、 絶縁性の材料であ る限り特に限定されず、 例えば、 S i 0 2などの無機絶縁物、 樹脂など を用いればよい。
本発明の磁性スィツチ素子では、 磁性層 2の磁化状態の変化を検知す る検知部をさらに含んでいてもよい。 検知部をさらに配置することによ つて、 電気一磁気のエネルギー変換だけではなく、 磁気一電気のェネル ギー変換も可能な磁性スィッチ素子とすることができる。 具体的には、 例えば、 電気的な信号を磁気情報として保存しておき、 必要な時に電気 的な信号に変換して読み出すことが可能な素子とすることもできる。 こ のような素子を用いる場合、 例えば、 図 1 0に示すような回路 1 1を形 成すればよい。 図 1 0に示す回路 1 1では、 磁性スィッチ素子 1を検知 部 1 2と、 転移層 3およびキヤリァ供給体 4を含む転移部 1 3とに分け 、 転移部 1 3には電圧 V gが印加できるように、 また、 検知部 1 2から は電圧 V Dと電流 I Dとを測定することによって検知部の抵抗値を測定 できるように、 配線がなされている。
検知部は、 磁性層 2の磁化状態の変化を検知できれば、 その構造、 構 成などは特に限定されない。 例えば、 磁性層 2の磁化状態の変化を電気 的な抵抗値として検知できる検知部であればよい。 このような検知部と して、 例えば、 磁気抵抗効果素子 （M R素子） を含む検知部が挙げられ る。
このような検知部を含む磁性スィツチ素子 1の一例を図 1 1に示す。 図 1 1に示す磁性スィツチ素子 1は、 図 6に示す磁性スィツチ素子の磁 性層 2上に、 自由磁性層 1 4、 非磁性層 1 5、 固定磁性層 1 6および電 極 6が順に積層されている。 検知部 1 2は、 自由磁性層 1 4と非磁性層 1 5と固定磁性層 1 6とを含む M R素子 1 7を含んでいる。 自由磁性層 1 と転移部 1 3に含まれる磁性層 2とは磁気的に結合しており、 磁性 層 2の磁化状態の変化に伴って、 自由磁性層 2の磁化状態が変化するこ とができる。 磁気抵抗効果素子は、 一般に、 非磁性層を狭持するように 一対の磁性層が積層された構造を有しており、 相対的に磁化方向の変化 が容易な自由磁性層の磁化方向と、 相対的に磁化方向の変化が困難な固 定磁性層の磁化方向との相対角度に応じて抵抗値が異なる素子である。 このため、 図 1 1に示す磁性スィッチ素子 1では、 磁性層 2の磁化状態 に応じて MR素子 1 7の抵抗値が変化するため、 検知部 1 2によって磁 性層 2の磁化状態を検知することができる。
自由磁性層 1 4および固定磁性層 1 6には磁性体を用いればよい。 た. だし、 自由磁性層 1 4の方が固定磁性層 1 6に対して相対的に磁化方向 の変化が容易である必要があるため、 特性が異なる磁性体を各々の層に 用いることが好ましい。
自由磁性層 1 4には、 例えば、 磁性層 2に用いた材料と同様の材料を 用いればよい。 なかでも、 軟磁気特性に優れる磁性材料を用いることが 好ましい。 自由磁性層 1 4の厚さは、 例えば、 2 ηπ！〜 50 nmの範囲 である。
固定磁性層 1 6には、 例えば、 自由磁性層 1 4よりも保磁力が大きい 磁性体を用いればよい。 具体的には、 例えば、 高保持力磁性体、 積層フ エリ磁性体、 あるいは、 反強磁性体および /または積層フェリ磁性体と 強磁性体との積層体を用いればよい。 上記積層体を用いる場合、 積層フ ユリ磁性体または強磁性体が非磁性層 1 5に面している必要がある。 高保持力磁性体としては、 例えば、 C o P t、 F e P t、 C o C r P t、 C o T a P t、 F e T a P t、 F e C r P tなどの保持力が 1 0 0 O e (1 0 0ェルステツド） 以上の材料を用いればよい。 反強磁性体と しては、 例えば、 P tMn、 P t P dMn、 F eMn、 I rMn、 N i Mnなどの Mn系反強磁性体を用いればよい。 積層フェリ磁性体として は、 例えば、 非磁性膜を狭持するように一対の磁性膜が積層された、 磁 性膜と非磁性膜との積層体であればよい。 積層フユリ磁性体に用いる磁 性膜としては、 例えば、 C o、 あるいは、 00を含む 6 〇 0、 C o F e N i、 C o N i、 C o Z r T a s C o Z r B、 C o Z r Nbなどの合 金を用いればよい。 積層フェリ磁性体に用いる非磁性膜としては、 例え ば、 C u、 A g、 Au、 R u、 R h、 I r、 R e、 O sなど、 あるいは これらの金属の合金、 酸化物などを用いればよい。 強磁性体は特に限定 されず、 例えば、 磁性層 2と同様の材料を用いればよい。 その他、 MR 素子に一般的に用いる磁性材料を用いてもよい。 なお、 固定磁性層 1 6 の厚さは特に限定されず、 例えば、 2 nm〜 1 00 nmの範囲である。 固定磁性層 1 6の磁化方向を固定するためには、 例えば、 一方向に磁 界を印加しながら固定磁性層の成膜を行ったり、 固定磁性層の成膜後に 磁界を印加しながら熱処理を行ったりすればよい。 固定磁性層 1 6を強 磁性体と反強磁性体との積層体とする場合は、 例えば、 一方向異方性を 有する反強磁性体を用いることによって、 磁気交換結合により強磁性体 の磁化方向が固定できる。
非磁性層 1 5は、 絶縁性の材料からなる層であっても、 導電性の材料 からなる層であってもよい。 即ち、 MR素子 1 7がいわゆる TMR素子 (トンネル磁気抵抗効果素子） であっても GMR素子 （巨大磁気抵抗効 果素子） であってもよい。 検知部のエネルギー変換効率の観点からは、 非磁性層 1 5が絶縁性の材料からなる、 即ちトンネル絶縁層であること が好ましい。 非磁性層 1 5に用いる導電性の材料は、 例えば、 C u、 A g、 Au、 R uなどを用いればよく、 この場合の非磁性層 1 5の厚さは 、 例えば、 0. 1 nn！〜 1 0 nmの範囲である。 非磁性層 1 5に用いる 絶縁性の材料は、 例えば、 A l、 Mg、 Z uなどの酸化物、 窒化物、 酸 窒化物などを用いればよく、 この場合の非磁性層 1 5の厚さは、 例えば 、 0. 1 nm〜： L 0 nmの範囲である。
なお、 自由磁性層 1 4が上述した積層フェリ磁性体を含んでいてもよ い。 なかでも、 素子サイズをサブミクロンサイズにする場合、 自由磁性 層 1 4が積層フェリ磁性体を含むことが好ましい。 素子を微細化した場 合に生じる反磁界成分を低減することができ、 素子サイズを小さく した 場合においても自由磁性層 1 4の軟磁性特性の劣化を抑制することがで さる。
図 1 2に本発明の磁性スィツチ素子のまた別の一例を示す。 図 1 2に 示す磁性スィッチ素子 1は、 磁性層 2の磁化状態を検知する検知部 1 2 を含んでいる。 検知部 1 2は固定磁性層 1 6と非磁性層 1 5とを含んで おり、 磁性層 2とともに非磁性層 1 5を狭持するように、 非磁性層 1 5 および固定磁性層 1 6が配置されている。 図 1 2に示す素子では、 磁性 層 2、 非磁性層 1 5および固定磁性層 1 6によって磁気抵抗素子部 （M R素子部） 1 9が形成されており、 磁性層 2の磁化状態の変化を M R素 子部 1 9の抵抗値の変化によって検出することができる。 即ち、 図 1 1 に示す例のように M R素子 1 7を磁性層 2上に配置するだけではなく、 磁性層 2を自由磁性層として含む M R素子部 1 9を形成することによつ ても、 磁性層 2の磁化状態を検出することができる。
また、 図 1 2に示す磁性スィッチ素子 1は、 全体が基板 1 8上に配置 されている。 基板 1 8には、 例えば、 半導体素子などに一般的に用いら れる基板を用いればよい。 例えば、 ガラス基板、 S i〇2基板、 サファ ィァ基板、 M g O基板、 S i T i 0 3などを用いればよい。 なお、 図 1 2に示す磁性スィツチ素子 1では、 電極 6と各層とのリークを防ぐため の層間絶縁部 1 0が配置されており、 層間絶縁部 1 0の幅 （図 1 2に示 す、 h 2 ) を変化させることによって、 キャリア供給体 4と電極 6との距離を制御することができる。 即ち、 素子の特性 （例えば、 転移 層 3が磁性転移を起こす電圧 V gの閾値など） を層間絶縁部 1 0の幅に より制御することも可能である。 層間絶縁部 1 0の幅 ぃ h 2は、 印 加する電圧 Vgにもよるが、 電圧 Vgが 5 0 V以上である場合、 例えば 、 1 n m〜 1 00 0 n mの範囲である。 電圧 V gが 1 V〜 5 0 V程度の 範囲である場合は、 エネルギー変換効率の観点から、 I nn！〜 5 0 O n m程度の範囲が好ましい。
層間絶縁部 1 0は絶縁性の材料であれば特に限定されず、 例えば、 A l 2O3、 S i 02などの酸化物、 ポリイミ ドなどの樹脂、 C a F 2など を用いればよい。 層間絶縁部 1 0の幅が 1 0 0 nm以上の場合、 A l 2 03のような酸化物を用いることが好ましく、 5 00 nm以上の場合、 ポリイミ ドなどの樹脂を用いることが製造プロセスの簡便性の観点から 好ましい。
磁性スィッチ素子を構成する各層の形成には、 例えば、 パルスレーザ デポジション （P LD) 、 イオンビームデポジション （ I BD) 、 クラ スターイオンビーム、 および、 R F、 D C、 電子サイクロ トロン共鳴 （ E C R) 、 ヘリコン、 誘導結合プラズマ （ I C P) 、 対向ターゲッ トな どの各種スパッタリング法、 分子線エピタキシー法 （MB E) 、 イオン プレーティング法などを用いればよい。 また、 これら PVD法の他に、 CVD法、 メツキ法あるいはゾルゲル法などを用いてもよい。 微細加工 を行う必要がある場合、 半導体プロセスや磁気へッド作製プロセスなど に一般的に用いられている手法を組み合わせればよい。 具体的には、 ィ オンミ リング、 反応性イオンエッチング （R I E) 、 F I B (F o c u s e d I o n B e a m) などの物理的または化学的エッチング法、 微細パターン形成のためのステッパー、 電子ビーム （EB) 法などを用 いたフォトリソグラフィー技術などを組み合わせればよい。
次に、 本発明の磁気メモリについて説明する。
本発明の磁気メモリは、 上述した検知部を含む、 複数の磁性スィッチ 素子と、 磁性スィツチ素子に情報を記録するための情報記録用導体線と 、 素子に記録した情報を読み出すための情報読出用導体線とを含んでい る。 このような磁気メモリの一例を図 1 3に示す。
図 1 3に示す磁気メモリでは、 磁性スィツチ素子 1は、 C uや A 1な どからなる第 1の記録線 （ワード線） 1 0 1と第 2の記録線 （ビット線 ) 1 0 2との交点にマトリクス状に配置されている。 同時に、 磁性スィ ツチ素子 1は、 第 2の記録線 1 0 2と、 C uや A 1などからなる読出線 (センス線） 1 0 3との交点にマトリクス状に配置されている。 ワード 線 1 0 1およぴビット線 1 0 2は情報記録用導体線に相当する。 ビッ ト 線 1 0 2およびセンス線 1 0 3は、 情報読出用導体線に相当する。 磁性 スィッチ素子 1は、 検知部として M R素子部を含んでいる。
図 1 4に示すように、 ワード線 1 0 1は、 磁性スィツチ素子 1に含ま れるキヤリァ供給体 4と、 電極 6および絶縁層 7を介して接続されてい る。 センス線 1 0 3は、 磁性スィッチ素子 1に含まれる検知部内の固定 磁性層 1 6と、 電極 6を介して接続されている。 ビット線 1 0 2は、 磁 性層 2と接続されている。
図 1 3に示すように、 ヮード線 1 0 1とビッ ト線 1 0 2との間に電圧 V gを印加することによって、 磁性スィツチ素子 1の磁性層 2に情報が 記録される。 情報は、 「オン」 状態のワード線 1 0 1とビット線 1 0 2 とが交差する位置に配置された磁性スィッチ素子 1 (図 1 3では、 ヮー ド線 1 0 1 aとビット線 1 0 2 aとが交差する位置に配置された磁性ス イッチ素子 l a ) に記録される。 このとき、 センス線 1 0 3を、 磁性ス イッチ素子に磁界 H e xを印加する磁界発生部 （アシス ト線） として用 いることができる。 磁界発生部として用いる場合には、 図 1 3に示すよ うに、 センス線 （アシスト線） 1 0 3 aを 「オン」 状態とすればよい。 なお、 アシス ト線は、 センス線とは別に配置してもよい。
磁性スィツチ素子 1に記録された情報を読出す際には、 図 1 5に示す ように、 情報を記録した磁性スィツチ素子 1 aと交差するビット線 1 0
2 aとセンス線 1 0 3 aとを介して磁性スィツチ素子 1 aの検知部にセ ンス電流を流せばよい。 情報に応じて磁性スィツチ素子 1に含まれる M R素子部の抵抗値が異なるため、 ビット線 1 0 2 aおよびセンス線 1 0
3 a間に生じる電圧 VDを検知することによって情報を読出すことがで きる。
なお、 ヮード線 1 0 1、 ビット線 1 0 2およぴセンス線 1 0 3におけ る 「オン」 状態および 「オフ」 状態の切り替えには、 例えば、 F ETな どのスィッチ素子、 バリスタ、 トンネル素子などの非線形素子や整流素 子などを用いればよい。
(実施例）
以下、 実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。 なお、 本発明 は以下に示す実施例に限定されない。
(実施例 1 )
MB E (分子線エピタキシー） 法を用いて、 以下に示す膜構成を有す る磁性スィッチ素子 (サンプル 1 ) を作製した。 サンプル 1は図 1 2に 示す形状とした。 サファイア基板 ZA I N (5 00) /A 1 N ： S i ( 1 00) / 1 Mn N : S i ( 1 0) /C o F e ( 1 0) / 1 O ( 1 ) /C o F e ( 1 0) /P t Mn (2 5) /T a (3) /C u ( 1 0 0) /T a (2 5 )
ここで、 括弧内の数値は膜厚を示している。 単位は nmであり、 以下 、 同様にして膜厚を表示する。
サファイア基板上の A 1 N層は絶縁層 7であり、 A 1 N： S i層はキ ャリァ供給体 4、 A 1 Mn N： S i層は転移層 3、 C o F e層は磁性層 2である。 A 1 Oは、 非磁性層 1 5であり、 C o F e/P tMn層は、 反強磁性体 （P tMn) を積層した固定磁性層 1 6である。 反強磁性体 である P t Mn層は、 隣接する C o F e層を磁気結合により固定磁性層 としている。 T a /C u_/T a積層体は、 固定磁性層 1 6上の電極 6で ある。 その他の電極 6についても、 同様とした。 なお、 サファイア基板 の配向定数は （0 00 1 ) とした。
サンプル 1の作製方法を示す。
最初に、 サファイア基板上に A 1 N層を作製した。 このとき、 基板の 温度は約 5 00°C~60 0°Cの範囲 （主に 5 5 0°C) とした。 A 1 N層 の作製にあたっては、 予め基板上に A 1層を作製しておき、 プラズマ窒 化によって A 1層を窒化することによって A 1 N層とした。 次に、 A 1 N層上に、 A 1 N ： S i /A 1 Mn N ： S i多層膜を、 基板の温度を約 200°C〜 3 00°Cの範囲 （主に 2 5 0°C) に保った状態で積層した。 次に、 A 1 Mn N ： S i層上に、 C o F e層を、 基板の温度を室温〜 2 0 0°Cの範囲 （主に室温） に保った状態で積層した。
転移層である A 1 Mn N ： S i層の組成比は、 A l。. 8Mn。. 2N : S i とした。 また、 A 1 MnNのMn量は0. 00 1原子0/。〜 0. 2 5 原子％程度とした。 Mnが上記範囲含まれる場合に、 常磁性一強磁性転 移の再現性が最も良好であることが別途確認できた。 なお、 A l MnN ： S i層はキャリアとして電子が注入または誘起されていない状態では 常磁性を示し、 電子が注入または誘起された状態では強磁性を示す。 キヤリァ供給体である A 1 N ： S i層における S i ドープ量は、 0. 1原子％とした。 このとき、 A 1 N ： S i層に含まれるキヤリァ数をホ ール測定により確認したところ、 1 018/ c m3以上であった。 転移層 における S i ドープ量も、 同じく 0. 1原子0 /0とした。 なお、 S iのド ープ量が 0. 00 1原子％から 0. 3原子％程度の範囲において、 キヤ リア供給体としての特性が最も良好であることが別途確認できた。
次に、 A l N : S i層上に、 A I O層、 C o F e層、 P t Mn層を積 層した。 A l O層の括弧内の値は、 酸化処理前の A 1の設計膜厚の合計 値であり、 実際には、 A 1を 0. 3 nm〜0. 7 nmの厚さで成膜した 後に、 酸素含有雰囲気下において酸化を繰り返して作製した。
次に、 フォトリソグラフィ一法を用いて、 全体を図 1 2に示すような 形状に微細加工した。 なお、 電圧 Vgを印加する領域の素子サイズは （ 即ち、 キャリア供給体 4、 転移層 3および磁性層 2のサイズは） 、 素子 の主面に垂直な方向から見て、 約 1. 5 μ ΐηΧ 3 / πιとした。 以降の実 施例においても、 同様に、 電圧 Vgを印加する領域のサイズを素子サイ ズとする。 次に、 T a u/T a層を積層して電極とし、 最後に、 A 1 203からなる層間絶縁部 1 0を配置してサンプル 1を作製した。 層 間絶縁部 1 0の幅は 3 0 0 n mとした。
なお、 各層の成膜は、 成膜する層を切り替える際にも真空中を搬送し 、 可能な限り大気曝露を回避して行った。 また、 P tMn層は多層膜を 積層した時点で、 2 8 0°Cの温度、 5 k O eの磁場中において熱処理し 、 一方向異方性の付与を行った。 以降の実施例においても同様である。 なお、 素子の微細加工実施後に上記磁場中熱処理を行ってもよい。
このようにして作製した磁性スィッチ素子に対して、 最初に、 検出部 の磁気抵抗効果が検出される温度範囲を測定した。 磁気抵抗効果の確認 は、 素子に ± 5 k O eの範囲で磁場を印加し、 検出部の抵抗値が変化す るかどうかを測定することによって行った。
その結果、 少なく とも 4 K (ケルビン） から 3 7 0 Kの温度範囲にわ たって磁気抵抗効果が検出できることが確認された。
次に、 磁性スィッチ素子を 2 3 Kに保ち、 キャリア供給体と転移層と の間に電圧を印加した。 最初に、 転移層に対してキャリア供給体の電位 が高くなるように電圧 （0 V〜 200V) を印加した場合、 検出部の抵 抗値には何の変化も見られなかった。 次に、 転移層に対してキャリア供 給体の電位が低くなるように電圧 （0 V〜 20 0 V) を印加したところ 電子がキヤリァ供給体から転移層に移動し、 検出部の抵抗値の変化の指 標となる磁気抵抗比 （MR比） として 3 0 %程度の MR比を得ることが できた。 検出部の抵抗値の変化は、 約 20 Vの電圧を印加した状態で始 まり、 約 1 20 Vの電圧を印加した際に最も大きい MR比を得ることが できた。 印加電圧が 1 2 0 V以上の領域では得られる MR比はほぼ変化 せず、 飽和する傾向を示した。
なお、 MR比は > 以下のように求めることができる。 電圧を印加した 際に得られる検出部の最大抵抗値を RMAXとし、 最小抵抗値を RMI Nと する。 このとき、 MR比は以下の式 （1) によって与えられる数値であ る。
MR比 （％) = (RMAX-RMI N) /RMI NX 1 00 (%) ( 1) なお、 検出部が上述した TMR素子や GMR素子を構成レている場合 、 自由磁性層と固定磁性層との磁化方向が同一 （平行） であるときに抵 抗値は最小 （RM1 N) となり、 双方の磁化方向が同一方向からずれるに 従って抵抗値は大きくなる。
なお、 サンプル 1では、 絶縁層/キャリア供給体/転移層ともに窒化 物を用いたが、 このように同系統の材料 （例えば、 すべて窒化物、 ある いは、 すべて酸化物など） をキャリア供給体および転移層に用いた場合 、 各層間の界面の乱れが生じにくいからか、 磁性スィッチ素子としての 特性が良好である傾向となった。 この傾向は、 以降の実施例においても 同様であった。
また、 転移層としてサンプル 1に用いた A 1 Mn N ： S i層の他にも 、 G a χ-,,Μη αΝ ： S i層、 （G a 0. 5 A 1 0. 5) 丄一 αΜη αΝ : S i 層、 （A l 。. 9B 0. ^,,Μη„N ： S i層などを用いた場合におい ても同様の素子動作を確認することができた。 αは、 0. 0 1≤ α ^ 0 . 2を満たす数値である。 素子の作製条件はサンプル 1と同様とした。 また、 キヤリァ供^体としてサンプル 1に用いた A 1 N ： S i層の他 にも、 A 1 N ： G e層や G a N ： S i層を用いた場合にも同様の素子動 作を確認することができた。
なお、 実施例 1では MB E法によりサンプルを作製したが、 その他、 パルスレーザー堆積 （P LD) 法、 マグネトロンスパッタリング法、 電 子ビーム （EB) 蒸着法を用いた場合においても同様のサンプルを作製 することができた。 また、 これらのサンプルの結果もサンプル 1と同様 であった。
(実施例 2 )
実施例 2では、 実施例 1で作製した磁性スィッチ素子 （サンプル 1) を用いて図 1 3およぴ図 1 5に示すような磁気メモリを作製し、 その特 性を評価した。 ただし、 基板は CMO S基板とし、 素子の配列は 1 6 X 1 6素子を 1プロックとし、 合計 8プロックとした。
最初に、 CMOS基板上に、 実施例 1と同様にしてサンプル 1の膜構 成を有する磁性スィッチ素子を作製した。 まず、 CMO S基板上に、 ス ィツチ素子として F ETをマトリックス状に配置し、 その上に層間絶縁 部を配置して CMPで表面を平坦化した後、 サンプル 1の磁性スィ ッチ 素子を F ETに対応してマトリックス状に配置した。 磁性スィツチ素子 の配置後、 水素シンター処理を 400°Cにて行った。 なお、 各ブロック 中 1素子は、 配線抵抗や素子最低抵抗、 F ET抵抗などをキャンセルす るためのダミー素子とした。 また、 ワード線、 ビット線およびセンス線 などは全て C uを用い、 それぞれの素子サイズは 0. 5 μπιΧ 0. 7 μ mとした。 CMO S基板と磁性スィッチ素子とを接続するための TEO S層間コンタク ト層には、 P tノ S r R u 03層を用いた。
このように作製した磁気メモリに対し、 ヮード線およぴビット線間に 電圧 Vgを印加することによって、 各ブロックそれぞれ 8素子の転移層 を磁性転移させ、 信号を記録させた。 次に、 F ETのゲートを、 それぞ れのブロックに付き 1素子ずつ ONし、 素子にセンス電流を流した。 こ のとき、 各ブロック内におけるビット線、 素子おょぴ F ETに発生する 電圧と、 ダミー電圧とをコンパレータにより比較し、 それぞれの素子の 出力を読みとつたところ、 素子出力を得ることができ磁気メモリとして 動作可能であることが確認された。
さらに、 Vgを印加する際に、 センス線に電流を流すことによって転 移層に磁界を印加した場合においても、 各素子の素子出力を得ることが でき磁気メモリとして動作可能であることが確認された。
また、 同様に、 図 1 6に示すような回路を有する磁気メモリを形成し たところ、 本発明の磁性スィッチ素子を用いてリコンフギユアブルな磁 気メモリを構成できることが確認できた。
図 1 6に示す回路は、 メモリ機能を搭載したプログラマブルメモリや リコンフィギュアブ メモリ、 あるいはプログラマプノレゲートアレイ ( F PGA) などに用いられる基本回路を応用した回路である。 図 1 6に おいて、 Rcは F ET 2のオン抵抗値であり、 Rvは磁性スィッチ素子 の検知部である MR素子部の抵抗値であり、 R iは配線抵抗である。 こ こで、 電圧 V。と電圧 Viとの間には、 一般に、
V Vi X (R V + R J / (R i +RV + R0)
の関係がある。 MR素子部の抵抗値について、 磁性層 2の磁化方向と 固定磁性層 1 6の磁化方向とが互いに平行なときを Rv pとし、 互いに 反平行なときを Rv a pとし、 反平行時の抵抗の方が大きいとする。 この とき、 負荷回路 1 04のゲート電圧 Vdと、 MR素子部の抵抗値との関 係を
Vd< V。二 V； X (Rv a p + Rc) / (R i + Rv a p + Rc) 、 かつ、
Vd>V。 = Vi X (RVp + R0) / (R i + Rv p + Rc)
のようにしたところ、 不揮発性のリコンフィギュアブルメモリとして 用いることができた。
なお、 例えば、 負荷回路 1 04として論理回路を用いた場合には不揮 発性のプログラマブル素子として、 また、 負荷回路 1 04を表示回路装 置とした場合には静止画像などの不揮発性保存素子として本発明の碎性 スィ ッチ素子を使用することができる。 また、 これら複数の機能を集積 したシステム L S I としての応用も可能である。
(実施例 3)
P LD (パルスレーザー堆積） 法を用いて、 以下に示す膜構成を有す る磁性スィ ッチ素子 （サンプル 2) を作製した。 サンプル 2は図 1 2に 示す形状とした。
—サンプル 2—
サファイア基板 A I N ( 5 0 0) /A 1 N ： S i ( 1 00) /A 1 C o N : S i (1 0) /N i F e (1 0) /A 1 O ( 1 ) / C o F e ( 1 0) /P t Mn (25) /T a (3) /C u ( 1 00) /T a (2 5
)
サファイア基板上の A 1 N層は絶縁層であり、 A 1 N ： S i層はキヤ リァ供給体、 A 1 C oN ： S i層は転移層、 N i F e層は磁性層である 。 A I Oは、 非磁性層であり、 C o F e,P tMn層は、 反強磁性体 （ P tMn) を積層した固定磁性層である。 反強磁性体である P tMn層 は、 隣接する C o F e層を磁気結合により固定磁性層としている。 T a C u/T a積層体は、 固定磁性層上の電極である。 その他の電極につ いても、 同様とした。 なお、 サファイア基板の配向定数は （0 00 1 ) とした。
サンプル 2の作製方法を示す。
最初に、 サファイア基板上に A 1 N層を作製した。 このとき、 基板の 温度は約 600°C〜 800°Cの範囲 （主に 6 50°C) とした。 A 1 N層 の作製は実施例 1と同様とした。 次に、 A 1 N層上に、 A 1 N ： S i A 1 C o N ： S i多層膜を、 基板の温度を約 400°C〜 600°Cの範囲 (主に 5 50°C) に保った状態で積層した。 次に、 A l MnN : S i層 上に、 N i F e層を、 基板の温度を室温〜 200°Cの範囲 （主に室温） に保った状態で積層した。
転移層である A 1 C o N ： S i層の組成比は、 A l。. 8C o。. 2N : S i とした。 また、 A 1 C o Nの Mn量は 0. 00 1原子％〜0. 25 原子％程度とした。 Mnが上記範囲含まれる場合に、 常磁性一強磁性転 移の再現性が最も良好であることが別途確認できた。 なお、 A l C oN ： S i層はキャリアとして電子が注入または誘起されていない状態では 常磁性を示し、 電子が注入または誘起された状態では強磁性を示す。 キヤリァ供給体である A 1 N ： S i層における S i ドープ量は、 0 · 1原子％とした。 転移層における S i ドープ量も、 同じく 0. 1原子％ とした。
A 1 O層、 C o F e層、 P t Mn層の積層は、 実施例 1と同様に行つ た。 素子サイズは、 約 1. 5 μ mX 3 μ mとした。
このようにして作製した磁性スィッチ素子に対して、 最初に、 検出部 の磁気抵抗効果が検出される温度範囲を実施例 1と同様にして測定した その結果、 少なくとも 4 から 370 Kの温度範囲にわたって磁気抵 抗効果が検出できることが確認された。
次に、 磁性スィッチ素子を 100 Kに保ち、 キャリア供給体と転移層 との間に電圧を印加した。 最初に、 転移層に対してキャリア供給体の電 位が高くなるように電圧 （OV〜8 0 V) を印加した場合、 検出部の抵 抗値には何の変化も見られなかった。 次に、 転移層に対してキャリア供 給体の電位が低くなるように電圧 （0 V~8 0 V) を印加したところ電 子がキャリア供給体から転移層に移動し、 検出部の抵抗値の変化の指標 となる磁気抵抗比 （MR比） として 1 0%程度の MR比を得ることがで きた。 検出部の抵抗値の変化は、 約 1 8 Vの電圧を印加した状態で始ま り、 約 5 0 Vの電圧を印加した際に最も大きい MR比を得ることができ た。 印加電圧が 5 0 V以上の領域では得られる MR比はほぼ変化せず、 飽和する傾向を示した。
(実施例 4)
P LD法およびスパッタリング法を用いて、 以下に示す膜構成を有す る磁性スィッチ素子 （サンプル 3) を作製した。 サンプル 3は図 1 2に 示す形状とした。
—サンプノレ 3—
ガラス基板 Z I TOZA 1 203 ( 1 0 0) ZZ n N i O ( 1 5) / Z n C o O ( 5 ) /Mn Z nO (20) / C o F e (5) /N i F e ( 2 ) /R u (0. 7 ) /N i F e (5 ) /A 1 Ox ( 1 ) /C o F e ( 1 5) /P tMn (2 5) /T a (5) /C u ( 1 0 0) /T a ( 1 0 )
ガラス基板上の I TO ( I n d i um T i n O i d e ) 層は電 極であり、 A 1 203層は絶縁層であり、 Z n N i O層はキャリア供給 体、 Z n C o O/Mn Z n O層は転移層、 C o F e ZN i F e R u _ N i F e層は、 積層フェリ磁性体である N i F e /R u/N i F e層を 含む磁性層である。 A 1 0xは、 非磁性層であり、 C o F e /P t Mn 層は、 反強磁性体 （P tMn) を積層した固定磁性層である。 反強磁性 体である P t Mn層は、 隣接する C o F e層を磁気結合により固定磁性 層としている。 T a/C u/T a積層体は、 固定磁性層上の電極である 。 基板とキャリア供給体との間に配置された電極 （ I TO層） を除く、 その他の電極についても同様とした。
サンプル 3の作製方法を示す。
最初に、 P LD法を用いて、 ガラス基板上に I TO/A 1 203/Z n N i O/Z n C o O/Z nMn Oの多層膜を作製した。 このとき、 基 板の温度は約 450°C〜 650°Cの範囲 （主に 600°C) とした。 P L D法による成膜時には、 酸素分圧を 1 X 1 0—ェ丁 o r r以下とした。 キャリア供給体である Z n N i O層の組成比は、 Z n。. 5N i 。， 50と した。 転移層である Z n C o OZZ nMn O層の組成比は、 Z n。. 75 C o 0 25 O/ Z n 0. 75Mn。. 250とした。 なお、 Z n C o O/Z n Mn O層はキヤリアとして電子が注入または誘起されていない状態では 常磁性を示し、 電子が注入または誘起された状態では強磁性を示す。 次に、 スパッタリング法を用いて、 Z nMn O層上に、 C o F e /N i F e /R u/N i F e層などの残りの層を積層した。 積層フェリ磁性 体は、 磁性層における磁化回転をより平滑にする目的で配置した。 サン プル 3では、 C o F e/N i F eZR u/N i F e/A 10x/C o F e /P t Mn多層膜によって検知部である MR素子部が形成されている 。 なお、 サンプル 3では、 Z nMn O層に接する C o F e層を磁性層、 N i F e /Ru/N i F e多層膜を自由磁性層と考えることもでき、 こ のように考えた場合、 N i F eノ R uZN i F e/A 1 Ox/C o F e /P t Mn多層膜によって検知部である MR素子が形成されているとす ることができる。
A 1 0x層の積層は、 実施例 1と同様に行い、 作製した素子のサイズ は、 約 0. 5 ^ πιΧ 1. 5 μ mとした。 なお、 A 1 Οχ層における Xは 、 1. 2≤ x≤ 1. 6を満たす数値である。
このようにして作製した磁性スィ ッチ素子に対して、 最初に、 検出部 の磁気抵抗効果が検出される温度範囲を実施例 1と同様にして測定した その結果、 少なく とも 4 Kから 3 70 Kの温度範囲にわたって磁気抵 抗効果が検出できることが確認された。
次に、 磁性スィッチ素子を 5 O Kに保ち、 キャリア供給体と転移層と の間に電圧を印加した。 最初に、 転移層に対してキャリア供給体の電位 が高くなるように電圧 （0 V〜 l 8 OV) を印加した場合、 検出部の抵 抗値には何の変化も見られなかった。 次に、 転移層に対してキャリア供 給体の電位が低くなるように電圧 （O V〜 1 8 0V) を印加したところ 電子がキヤリァ供給体から転移層に移動し、 検出部の抵抗値の変化の指 標となる磁気抵抗比 （MR比） として 1 0%程度の MR比を得ることが できた。 検出部の抵抗値の変化は、 約 20 Vの電圧を印加した状態で始 まり、 約 5 0 Vの電圧を印加した際に最も大きい MR比を得ることがで きた。 印加電圧が 5 0 V以上の領域では得られる MR比はほぼ変化せず 、 飽和する傾向を示した。
また、 サンプル 3によって、 キャリア注入用の電極として I TO電極 が使用可能であることが確認できた。 このため、 本発明の磁性スィッチ 素子は、 TF T (薄膜トランジスタ） 材を用いるデバイスなどにも応用 可能であると考えられる。 例えば、 T F T液晶のマ ト リ クス部に本発明 の磁性スィッチ素子、 あるいは、 本発明の磁性スィ ッチ素子を用いた磁 気メモリを応用することによって、 マトリクス画像情報を不揮発性の磁 気メモリ部に蓄えることができ、 例えば、 インスタントオンな画像表示 体を構成することも可能となる。
(実施例 5 ) P LD法を用いて、 以下に示す膜構成を有する磁性スィッチ素子 （サ ンプル 4) を作製した。 サンプル 4は図 1 2に示す形状とした。
M g O基板 ZP r B a 2 C u 307 ( 3 00) / (S r， C a ) R u O a (50) / (N d , S r ) 2Mn 04 ( 1 0) /N i F e ( 1 0) /A 1 O (1) / C o F e ( 1 0) /P t Mn (2 5) /T a (3) /C u ( 1 00) /T a (2 5)
Mg O基板上の P r B a 2C u 307層は絶縁層であり、 （S r， C a ) R u 03層はキャリア供給体、 （N d， S r ) 2Mn〇4層は転移層、 N i F e層は磁性層である。 A 1 Oは、 非磁性層であり、 C o F e/P tMn層は、 反強磁性体 （P tMn) を積層した固定磁性層である。 T a ZC uZT a積層体は、 固定磁性層上の電極である。 その他の電極に ついても、 同様とした。 なお、 Mg O基板の配向定数は （1 00) とし た。
サンプル 4の作製方法を示す。
最初に、 M g O基板上に P r B a 2C u 307/ (S r， C a ) R u O 3/ (N d, S r ) 2Mn 04積層体を作製した。 このとき、 基板の温度 は約 6 00°C〜 9 0 0°Cの範囲 （主に 75 0°C) とした。
キャリア供給体である （S r， C a ) R u 03層の組成比は、 S r 0. 8 C a。. 2R u 03とした。 転移層である （N d， S r ) 2Mn O4層の 組成比は、 N d。. 25 S r . 75Mn04とした。 なお、 転移層である （ N d, S r ) 2Mn 04層は、 キャリアとしてホ ルが注入または誘起 されていない状態では常磁性を示し、 ホールが注入または誘起されてい る状態では強磁性を示す。
その他の層の積層は実施例 1と同様に行った。 素子サイズは約 1. 5 μ πιΧ 3 /·ί Πΐと しに。 このようにして作製した磁性スィッチ素子に対して、 最初に、 検出部 の磁気抵抗効果が検出される温度範囲を実施例 1と同様にして測定した その結果、 少なく とも 4 K (ケルビン） から 3 70 Kの温度範囲にわ たって磁気抵抗効果が検出できることが確認された。
次に、 磁性スィッチ素子を 1 00 Kに保ち、 キャリア供給体と転移層 との間に電圧を印加した。 最初に、 キャリア供給体に対して転移層の電 位が高くなるように電圧 （O V〜1 00 V) を印加した場合、 検出部の 抵抗値には何の変化も見られなかった。 次に、 キャリア供給体に対して 転移層の電位が低くなるように電圧 （0 V〜 1 0 0 V) を印加したとこ ろホールがキヤリァ供給体から転移層に移動し、 検出部の抵抗値の変化 の指標となる磁気抵抗比 （MR比） として 1 0 %程度の MR比を得るこ とができた。 検出部の抵抗値の変化は、 約 5 Vの電圧を印加した状態で 始まり、 約 5 OVの電圧を印加した際に最も大きい MR比を得ることが できた。 印加電圧が 5 0 V以上の領域では得られる MR比はほぼ変化せ ず、 飽和する傾向を示した。
なお実施例 5では、 P L D法により磁性スィッチ素子を作製したが、 MB E法、 スパッタ法、 電子ビーム蒸着法などを用いて素子を作製した 場合にも同様の結果を得ることができた。
(実施例 6)
P LD法を用いて、 以下に示す膜構成を有する磁性スィッチ素子 （サ ンプル 5) を作製した。 サンプル 5は図 1 2に示す形状とした。
一サンプル 5―
Mg O基板/ P r。. 7C a。. 3Mn〇3 (3 0 0) / (L a。. 6 S r 0 . 4) Mn O 3 (1 0) / (N d , S r ) 2Mn 04 ( 1 0) /N i F e ( 1 0) /A 1 O (1 ) /C o F e ( 1 0) /P tMn (2 5) /T a ( 3 ) /C u (1 00) /T a (25)
1^§ 0基板上の？ r。， 7C a。. 3Mn O 3層は絶縁層であり、 （L a 0 . 6 S r 0. 4) Mn 03層はキャリア供給体、 （Nd， S r) 2MnO4層 は転移層、 N i F e層は磁性層である。 A 1 Oは、 非磁性層であり、 C o F eZP tMn層は、 反強磁性体 （P tMn) を積層した固定磁性層 である。 T aZC u/T a積層体は、 固定磁性層上の電極である。 その 他の電極についても、 同様とした。 なお、 Mg O基板の配向定数は （1 00) とした。
サンプル 5の作製方法を示す。
最初に、 Mg O基板上に P r。. 7C a。. 3MnO3Z (L a。. 6 S r 0 . 4) Mn O 3/ (N d, S r ) 2 M n O 4積層体を作製した。 このとき' 、 基板の温度は約 600 °C〜 900 °Cの範囲 （主に 8 50°C) とした。 キャリア供給体である （S r， C a) R u03層の組成比は、 S r。. 8C a。. 2R u〇3とした。 転移層である （N d， S r ) 2Mn〇4層の 組成比は、 N d。. 25 S r 75Mn O 4とした。 なお、 転移層である （ N d, S r ) 2Mn〇4層は、 キャリアとしてホールが注入または誘起 されていない状態では常磁性を示し、 ホールが注入または誘起されてい る状態でが強磁性を示す。
その他の層の積層は実施例 1と同様に行った。 素子サイズは、 約 1. 5 μ mX 3 μ mとした。
このようにして作製した磁性スィッチ素子に対して、 最初に、 検出部 の磁気抵抗効果が検出される温度範囲を実施例 1と同様にして測定した その結果、 少なく とも 100 から 3 70 Kの温度範囲にわたって磁 気抵抗効果が検出できることが確認された。
次に、 磁性スィッチ素子を室温に保ち、 キャリア供給体と転移層との 間に電圧を印加した。 最初に、 キャリア供給体に対して転移層の電位が 高くなるように電圧 （0 V〜 1 0 0 V ) を印加した場合、 検出部の抵抗 値には何の変化も見られなかった。 次に、 キャリア供給体に対して転移 層の電位が低くなるように電圧 （0 V〜 1 0 0 V ) を印加したところホ ールがキャリア供給体から転移層に移動し、 検出部の抵抗値の変化の指 標となる磁気抵抗比 （M R比） として 1 0 %程度の M R比を得ることが できた。 検出部の抵抗値の変化は、 約 5 Vの電圧を印加した状態で始ま り、 約 5 0 Vの電圧を印加した際に最も大きい M R比を得ることができ た。 印加電圧が 5 0 V以上の領域では得られる M R比はほぼ変化せず、 飽和する傾向を示した。
また、 キヤリァ供給体に対して転移層の電位が低くなるような印加電 圧を正として、 正の電圧の印加と負の電圧の印加とを繰り返したところ' 、 得られる M R比も印加電圧の正負の変化に対応して増減を操り返した 。 このことから、 サンプル 5における転移層の磁性転移が、 キャリア供 給体と転移層との間に印加する電圧によって可逆的に制御可能であるこ とがわかった。
本発明は、 その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、 他の矣 施形態に適用しうる。 この明細書に開示されている実施形態は、 あらゆ る点で説明的なものであってこれに限定されない。 本発明の範囲は、 上 記説明ではなく添付したクレームによって示されており、 クレームと均 等な意味おょぴ範囲にあるすベての変更はそれに含まれる。 産業上の利用の可能性
以上説明したように、 本発明によれば、 従来とは全く異なる構成を有 し、 磁性体の磁化状態を変化させるためのエネルギー変換効率を向上で きる磁性スィツチ素子と、 それを用いた磁気メモリを提供することがで さる。
本発明の磁性スィッチ素子は、 例えば、 光磁気ディスク、 ハードディ スク、 デジタルデータス トリーマ （DD S) 、 デジタル VTRなどの磁 気記録装置の再生ヘッドや、 回転速度検出用の磁気センサー、 応力変化 や加速度変化などを検知する応力/加速度センサー、 熱センサー、 化学 反応センサーなどのセンサー類、 あるいは、 磁気ランダムアクセスメモ リ （MR AM) などの磁気メモリ類などに応用することができる。

Claims

δ青 求 の 範 囲
1 . 磁性層と、 前記磁性層と磁気的に結合した転移層と、 金属および 半導体から選ばれる少なく とも 1つの材料を含むキヤリァ供給体とを含 み、
前記転移層と前記キヤリア供給体とは、 前記転移層と前記キヤリア供 給体との間に電圧が印加可能な状態で配置されており、
前記転移層は、 前記電圧の印加によって非強磁性一強磁性転移を起こ す層であり、
前記転移層の前記転移によつて前記磁性層の磁化状態が変化する磁性 スィツチ素子。
2 . 前記転移層は、 前記電圧の印加時に、 電子およびホール （正孔） か ら選ばれるいずれか一方のキヤリァが前記キヤリァ供給体から前記転移 層に注入されることによって前記転移が起きる層である請求項 1に記載 の磁性スィ ツチ素子。
3 . 前記転移層は、 前記電圧の印加時に、 電子おょぴホール （正孔） か ら選ばれるいずれか一方のキヤリァが前記転移層に誘起されることによ つて、 前記転移が起きる層である請求項 1に記載の磁性スィ ッチ素子。
4 . 前記転移が、 常磁性-強磁性転移、 または、 非磁性 -強磁性転移で ある請求項 1に記載の磁性スィツチ素子。
5 . 前記転移層は、 前記電圧の印加時に、 常磁性の状態から強磁性の状 態へと転移する層である請求項 4に記載の磁性スィツチ素子。
6 . 前記電圧が印加されていない状態で、 前記転移層が常磁性または非 磁性の状態にあり、 前記電圧が印加されている状態で、 前記転移層が強 磁性の状態にある請求項 1に記載の磁性スィツチ素子。
7 . 前記転移層が磁性半導体を含む請求項 1に記載の磁性スィツチ素子
8 . 前記磁性層における前記磁化状態の変化が、 前記磁性層の磁化方向 の変化である請求項 1に記載の磁性スィツチ素子。
9 . 前記磁性層と前記キヤリァ供給体とによつて前記転移層を挟持する ように、 前記転移層、 前記磁性層および前記キャリア供給体が配置され ている請求項 1に記載の磁性スィツチ素子。
1 0 . 第 1の絶縁層をさらに含み、 前記第 1の絶縁層が前記転移層と前 記キヤリァ供給体との間に配置されている請求項 1に記載の磁性スィッ チ素子。
1 1 . 前記転移層および前記キャリア供給体が、 それぞれ異なる形を有 する、 p形または n形の半導体であり、
前記転移層と前記第 1の絶縁層と前記キヤリァ供給体との間に P - I - N接合が形成されている請求項 1 0に記載の磁性スィツチ素子。
1 2 . 前記電圧を印加する電極をさらに含む請求項 1に記載の磁性スィ ツチ素子。
1 3 . 前記電極と前記転移層とによって前記キャリア供給体を挟持する ように、 前記キャリア供給体、 前記転移層および前記電極が配置されて いる請求項 1 2に記載の磁性スィッチ素子。
1 4 . 第 2の絶縁層をさらに含み、 前記第 2の絶縁層が前記キャリア供 給体と前記電極との間に配置されている請求項 1 3に記載の磁性スィッ チ素子。
1 5 . 前記転移層および前記磁性層から選ばれる少なく とも 1つの層に 磁界を印加する磁界発生部をさらに含む請求項 1に記載の磁性スィツチ 素子。
1 6 . 前記磁界発生部が、 前記磁界発生部と前記キャリア供給体とによ つて前記転移層および前記磁性層から選ばれる少なくとも 1つの層を挟 持するように配置されている請求項 1 5に記載の磁性スィツチ素子。
1 7 . 前記磁界発生部が、 強磁性体、 コイルおよび導線から選ばれる少 なく とも 1つを含む請求項 1 5に記載の磁性スィツチ素子。
1 8 . 前記磁性層の磁化状態の変化を検知する検知部をさらに含む請求 項 1に記載の磁性スィツチ素子。
1 9 . 前記検知部が、 非磁性層と前記非磁性層を狭持するように配置さ れた自由磁性層および固定磁性層とを含む磁気抵抗素子を含み、 前記磁性層と前記自由磁性層とが磁気的に結合され、 前記磁性層の磁化状態の変化に伴い前記自由磁性層の磁化状態が変化 することによって、 前記磁気抵抗素子の抵抗値が異なる請求項 1 8に記 载の磁性スィツチ素子。
2 0 . 前記検知部が、 固定磁性層と非磁性層とを含み、
前記磁性層と前記固定磁性層とによつて前記非磁性層を狭持するよう に、 前記固定磁性層と前記非磁性層とが配置され、
前記磁性層と前記非磁性層と前記固定磁性層とによつて磁気抵抗素子 部が形成されており、
前記磁性層の磁化状態の変化によって、 前記磁気抵抗素子部の抵抗値 が異なる請求項 1 8に記載の磁性スィ ッチ素子。
2 1 . 複数の請求項 1 8に記載の磁性スィ ッチ素子と、 前記磁性スイツ チ素子に情報を記録するための情報記録用導体線と、 前記情報を読み出 すための情報読出用導体線とを含む磁気メモリ。
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