JP2001196661A - 磁化制御方法、情報記憶方法、磁気機能素子および情報記憶素子 - Google Patents
磁化制御方法、情報記憶方法、磁気機能素子および情報記憶素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 磁界を用いることなく磁化を容易に制御す
る。 【解決手段】 磁性体を含む領域１１と直接または間接
的に接するようにポテンシャル障壁領域１２を配置す
る。磁性体を含む領域１１は例えば２層の強磁性体層１
１ａ、１１ｂが非磁性の中間層１１ｃによって分離され
た積層構造を有する。ポテンシャル障壁領域１２は例え
ば金属層１２ａおよび半導体層１２ｂからなり、それら
の間にショットキー障壁が形成される。電界印加による
ポテンシャル障壁領域１２のポテンシャル障壁の変調に
よって、磁性体を含む領域１１の磁化を制御する。磁性
体を含む領域１１の磁化の少なくとも一つを用いて情報
記憶を行う。
る。 【解決手段】 磁性体を含む領域１１と直接または間接
的に接するようにポテンシャル障壁領域１２を配置す
る。磁性体を含む領域１１は例えば２層の強磁性体層１
１ａ、１１ｂが非磁性の中間層１１ｃによって分離され
た積層構造を有する。ポテンシャル障壁領域１２は例え
ば金属層１２ａおよび半導体層１２ｂからなり、それら
の間にショットキー障壁が形成される。電界印加による
ポテンシャル障壁領域１２のポテンシャル障壁の変調に
よって、磁性体を含む領域１１の磁化を制御する。磁性
体を含む領域１１の磁化の少なくとも一つを用いて情報
記憶を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、磁化制御方法、
情報記憶方法、磁気機能素子および情報記憶素子に関
し、例えば、固体磁気メモリに適用して好適なものであ
る。
情報記憶方法、磁気機能素子および情報記憶素子に関
し、例えば、固体磁気メモリに適用して好適なものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】情報通信機器、特に携帯端末などの個人
用小型情報機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成する
メモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、
低消費電力化など、さらなる高性能化が求められてい
る。特に不揮発性メモリの高密度化・大容量化は、可動
部分の存在等の原因により本質的に小型化・高速化・低
消費電力化が困難な磁気ハードディスクなどと相補的な
技術として、ますます重要になってきている。
用小型情報機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成する
メモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、
低消費電力化など、さらなる高性能化が求められてい
る。特に不揮発性メモリの高密度化・大容量化は、可動
部分の存在等の原因により本質的に小型化・高速化・低
消費電力化が困難な磁気ハードディスクなどと相補的な
技術として、ますます重要になってきている。
【０００３】不揮発性メモリとしては、半導体フラッシ
ュメモリやＦｅＲＡＭ（強誘電体不揮発性メモリ) など
が実用化されており、さらなる高性能化に向けての活発
な研究開発が行われている。しかしながら、フラッシュ
メモリおよびＦｅＲＡＭには、以下に示すような、その
動作原理、構造、使用材料等に基づく本質的な欠点が存
在する。
ュメモリやＦｅＲＡＭ（強誘電体不揮発性メモリ) など
が実用化されており、さらなる高性能化に向けての活発
な研究開発が行われている。しかしながら、フラッシュ
メモリおよびＦｅＲＡＭには、以下に示すような、その
動作原理、構造、使用材料等に基づく本質的な欠点が存
在する。
【０００４】< フラッシュメモリ> １．書き込みに浮遊ゲートへのホットエレクトロンの注
入を利用しているが、この注入効率は一般に１０-6程度
と低く、記憶に十分な電荷を蓄えるためにはμｓオーダ
の書き込み時間を必要とする。 ２．１．において注入効率を上げようとすると（例え
ば、Fowler-Nordheim トンネル注入の利用など) 、素子
構造が複雑にならざるを得ないため、高集積化が困難と
なる。また、複雑な構造は高コストの原因となる。 ３．ホットエレクトロン注入あるいはトンネル注入のい
ずれにしても、高電圧（一般に１０Ｖ以上) が必須であ
る。したがって、消費電力が大きい。また、携帯用途で
はインバータが必要となるため、小型化に不利となる。 ４．浮遊ゲート周囲のトンネル酸化膜は書換回数が増え
るに伴って劣化する。これはリーク電流を誘起し、記憶
電荷の流出を促進して信頼性を低下させる。一般的な書
き換え可能回数は１０万回程度である。
入を利用しているが、この注入効率は一般に１０-6程度
と低く、記憶に十分な電荷を蓄えるためにはμｓオーダ
の書き込み時間を必要とする。 ２．１．において注入効率を上げようとすると（例え
ば、Fowler-Nordheim トンネル注入の利用など) 、素子
構造が複雑にならざるを得ないため、高集積化が困難と
なる。また、複雑な構造は高コストの原因となる。 ３．ホットエレクトロン注入あるいはトンネル注入のい
ずれにしても、高電圧（一般に１０Ｖ以上) が必須であ
る。したがって、消費電力が大きい。また、携帯用途で
はインバータが必要となるため、小型化に不利となる。 ４．浮遊ゲート周囲のトンネル酸化膜は書換回数が増え
るに伴って劣化する。これはリーク電流を誘起し、記憶
電荷の流出を促進して信頼性を低下させる。一般的な書
き換え可能回数は１０万回程度である。
【０００５】< ＦｅＲＡＭ> １．金属酸化物である強誘電体は、シリコンプロセスに
おいて避けて通ることのできない還元雰囲気に弱く、プ
ロセス整合性が悪い。 ２．酸化物は一般に高温プロセスを必要とするが、これ
はデザインルールの微細化において不利な条件である。
すなわち高密度化できない。素子構造としてはＤＲＡＭ
等と同等の集積度を達成できるはずであるが、これらの
要因により、集積度は高々１０Ｍｂ／inch2 であるとも
言われている。
おいて避けて通ることのできない還元雰囲気に弱く、プ
ロセス整合性が悪い。 ２．酸化物は一般に高温プロセスを必要とするが、これ
はデザインルールの微細化において不利な条件である。
すなわち高密度化できない。素子構造としてはＤＲＡＭ
等と同等の集積度を達成できるはずであるが、これらの
要因により、集積度は高々１０Ｍｂ／inch2 であるとも
言われている。
【０００６】これらの欠点を有さない不揮発性メモリと
して近年注目され始めたのが、例えば「Wang et al., I
EEE Trans. Magn. 33(1997), 4498 」に記載されている
ような、ＭＲＡＭ（Magnetic Ramdom Access Memory)と
呼ばれる磁気メモリである。
して近年注目され始めたのが、例えば「Wang et al., I
EEE Trans. Magn. 33(1997), 4498 」に記載されている
ような、ＭＲＡＭ（Magnetic Ramdom Access Memory)と
呼ばれる磁気メモリである。
【０００７】ＭＲＡＭとは、磁性体からなる微小な記憶
担体を規則的に配置し、その各々にアクセスできるよう
な配線を施した構造を有する磁気情報記憶素子である。
書き込みは、この記憶担体の上方に配した選択用導線(
ワード線) および読み出し用導線( ビット線) の両方に
電流を流すことにより発生する電流磁界を用いて、記憶
担体を構成する各磁性体の磁化を制御することにより行
う。一方、読み出しは電流磁気効果を利用して行う。Ｍ
ＲＡＭは構造が単純であるため高集積化が容易であり、
また、磁気モーメントの回転により記憶を行うために書
き換え可能回数が大である。さらに、高電圧も必要とし
ないし、作製の困難な酸化物もほとんど使用しない。提
案された当初にはアクセス( 読み出し) 時間が長い点が
問題であったが、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistance)効
果やＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance)効果の利用
により高出力が得られるようになった現在では、アクセ
ス時間は大きく改善されている。
担体を規則的に配置し、その各々にアクセスできるよう
な配線を施した構造を有する磁気情報記憶素子である。
書き込みは、この記憶担体の上方に配した選択用導線(
ワード線) および読み出し用導線( ビット線) の両方に
電流を流すことにより発生する電流磁界を用いて、記憶
担体を構成する各磁性体の磁化を制御することにより行
う。一方、読み出しは電流磁気効果を利用して行う。Ｍ
ＲＡＭは構造が単純であるため高集積化が容易であり、
また、磁気モーメントの回転により記憶を行うために書
き換え可能回数が大である。さらに、高電圧も必要とし
ないし、作製の困難な酸化物もほとんど使用しない。提
案された当初にはアクセス( 読み出し) 時間が長い点が
問題であったが、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistance)効
果やＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance)効果の利用
により高出力が得られるようになった現在では、アクセ
ス時間は大きく改善されている。
【０００８】ところがこのＭＲＡＭの書き込み方法に
は、さらなる高集積化を考えた際に、本質的な問題点が
存在する。すなわち、高集積化によって配線が細くなる
に従い、書き込み線に流すことのできる臨界電流値が下
がるため、得られる磁界が小さくなり、被記憶領域の保
磁力を下げざるを得ないことである。これは情報記憶素
子の信頼性が低下することを意味する。また磁界という
ものは、光や電子ビームのように絞ることができないた
め、高集積化した場合にはクロストークを発生させる恐
れがある。このように、電流磁界による書き込みには本
質的に問題があり、ＭＲＡＭの大きな欠点になる恐れも
ある。
は、さらなる高集積化を考えた際に、本質的な問題点が
存在する。すなわち、高集積化によって配線が細くなる
に従い、書き込み線に流すことのできる臨界電流値が下
がるため、得られる磁界が小さくなり、被記憶領域の保
磁力を下げざるを得ないことである。これは情報記憶素
子の信頼性が低下することを意味する。また磁界という
ものは、光や電子ビームのように絞ることができないた
め、高集積化した場合にはクロストークを発生させる恐
れがある。このように、電流磁界による書き込みには本
質的に問題があり、ＭＲＡＭの大きな欠点になる恐れも
ある。
【０００９】この問題点は、フラッシュメモリやＦｅＲ
ＡＭなどと同様に、純粋な電気刺激のみによって、すな
わち電流磁界を利用することなく磁化の制御を行うこと
ができれば解消される。このような方法はすでに提案さ
れており、例えば「Mattsonet al., Phys. Rev. Lett.
71(1993)185」に記載されているように、２層の強磁性
体層が半導体層によって分離された構造を用いる手法が
ある。
ＡＭなどと同様に、純粋な電気刺激のみによって、すな
わち電流磁界を利用することなく磁化の制御を行うこと
ができれば解消される。このような方法はすでに提案さ
れており、例えば「Mattsonet al., Phys. Rev. Lett.
71(1993)185」に記載されているように、２層の強磁性
体層が半導体層によって分離された構造を用いる手法が
ある。
【００１０】この方法は、強磁性体層間の磁気的な結合
が、中間層である半導体層のキャリア濃度に依存してい
ることを利用するものである。このような強磁性体／半
導体／強磁性体を積層した積層体では、中間層である半
導体層のキャリア濃度を制御することにより、強磁性体
層間の磁気的結合を、例えば平行から反平行へと変化さ
せることが可能である。そこで、一方の強磁性体層( 固
定層) の保磁力を大としておけば、他方の強磁性体層(
可動層) の磁化を固定層に対して回転させることができ
る。このような電気的な入力で磁化を回転させる方法
は、小型全固体素子を実現する技術として有望である。
が、中間層である半導体層のキャリア濃度に依存してい
ることを利用するものである。このような強磁性体／半
導体／強磁性体を積層した積層体では、中間層である半
導体層のキャリア濃度を制御することにより、強磁性体
層間の磁気的結合を、例えば平行から反平行へと変化さ
せることが可能である。そこで、一方の強磁性体層( 固
定層) の保磁力を大としておけば、他方の強磁性体層(
可動層) の磁化を固定層に対して回転させることができ
る。このような電気的な入力で磁化を回転させる方法
は、小型全固体素子を実現する技術として有望である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述のような強磁性体
／半導体／強磁性体を積層した積層体においては、半導
体層を介して強磁性体層間で間接的に磁気的な相互作用
が生じる。このとき、中間層である半導体層の厚さは十
分に薄くする必要がある。これは半導体層を介した強磁
性体層間の相互作用の大きさが、半導体層の厚さに対し
て指数関数的に減衰するためである。
／半導体／強磁性体を積層した積層体においては、半導
体層を介して強磁性体層間で間接的に磁気的な相互作用
が生じる。このとき、中間層である半導体層の厚さは十
分に薄くする必要がある。これは半導体層を介した強磁
性体層間の相互作用の大きさが、半導体層の厚さに対し
て指数関数的に減衰するためである。
【００１２】いま、現実的な相互作用の大きさを得るた
め、例えば厚さ２ｎｍ、飽和磁化１２５００Ｇ（ガウ
ス）のニッケル−鉄合金において、交換バイアス等の方
法により１００Ｏｅ（エルステッド）の保磁力を与えた
ものを考える。このニッケル−鉄合金の磁化を反転させ
るために必要なエネルギと同等なエネルギを、半導体層
を介した間接相互作用で与えるためには、交換結合定数
Ｊが０．０２ｍＪ（ジュール）／ｍ2 以上なくてはなら
ないことが簡単な計算により見積もられる。この大きさ
以上の相互作用を与えるためには、例えば「J.J. de Vr
ies, Physical Review Letters 78(1997) 3023」にある
ように、中間層である半導体層の厚さは約２．５ｎｍ以
下でなくてはならないことが分かる。これが実用的な素
子を提供するために中間層である半導体層に課せられる
条件である。
め、例えば厚さ２ｎｍ、飽和磁化１２５００Ｇ（ガウ
ス）のニッケル−鉄合金において、交換バイアス等の方
法により１００Ｏｅ（エルステッド）の保磁力を与えた
ものを考える。このニッケル−鉄合金の磁化を反転させ
るために必要なエネルギと同等なエネルギを、半導体層
を介した間接相互作用で与えるためには、交換結合定数
Ｊが０．０２ｍＪ（ジュール）／ｍ2 以上なくてはなら
ないことが簡単な計算により見積もられる。この大きさ
以上の相互作用を与えるためには、例えば「J.J. de Vr
ies, Physical Review Letters 78(1997) 3023」にある
ように、中間層である半導体層の厚さは約２．５ｎｍ以
下でなくてはならないことが分かる。これが実用的な素
子を提供するために中間層である半導体層に課せられる
条件である。
【００１３】一方、中間層である半導体層のキャリア濃
度を制御することで強磁性体層間の磁気的結合を制御す
るには、半導体層に対し、電圧印加もしくは電流注入の
ために何らかの形で電極を取付ける必要がある。さらに
この電極を含めた素子の構造は、二つの強磁性体領域(
記憶担体となる) の間の半導体領域のキャリア濃度を効
果的に制御できるように最適化される必要がある。しか
しながら、上述のように半導体層の厚さは２．５ｎｍ以
下でなくてはならないため、実際に素子を作製すること
は現在の微細加工技術では困難である。また、仮にその
ような素子が実際に作製できたとしても、半導体層と強
磁性体層との界面でのショットキー障壁や界面障壁など
の形成に伴う空乏層の生成によって、この程度の薄い半
導体層は殆ど絶縁障壁になっていると考えられるため、
キャリア濃度の変調を磁気結合の制御に反映させるのは
極めて困難である。
度を制御することで強磁性体層間の磁気的結合を制御す
るには、半導体層に対し、電圧印加もしくは電流注入の
ために何らかの形で電極を取付ける必要がある。さらに
この電極を含めた素子の構造は、二つの強磁性体領域(
記憶担体となる) の間の半導体領域のキャリア濃度を効
果的に制御できるように最適化される必要がある。しか
しながら、上述のように半導体層の厚さは２．５ｎｍ以
下でなくてはならないため、実際に素子を作製すること
は現在の微細加工技術では困難である。また、仮にその
ような素子が実際に作製できたとしても、半導体層と強
磁性体層との界面でのショットキー障壁や界面障壁など
の形成に伴う空乏層の生成によって、この程度の薄い半
導体層は殆ど絶縁障壁になっていると考えられるため、
キャリア濃度の変調を磁気結合の制御に反映させるのは
極めて困難である。
【００１４】この発明は、以上のような従来の技術の問
題に鑑みて提案されたものであり、磁界を用いることな
く磁化を容易に制御することが可能な磁化制御方法、こ
れを利用した情報記憶方法、磁気機能素子および情報記
憶素子を提供することを目的とする。
題に鑑みて提案されたものであり、磁界を用いることな
く磁化を容易に制御することが可能な磁化制御方法、こ
れを利用した情報記憶方法、磁気機能素子および情報記
憶素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の第１の発明は、磁性体を含む領域と直接
または間接的に接するようにポテンシャル障壁領域を配
置し、このポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の
変調によって、磁性体を含む領域の磁化を制御するよう
にしたことを特徴とする磁化制御方法である。
に、この発明の第１の発明は、磁性体を含む領域と直接
または間接的に接するようにポテンシャル障壁領域を配
置し、このポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の
変調によって、磁性体を含む領域の磁化を制御するよう
にしたことを特徴とする磁化制御方法である。
【００１６】この発明の第２の発明は、磁性体を含む領
域と直接または間接的に接するようにポテンシャル障壁
領域を配置し、このポテンシャル障壁領域のポテンシャ
ル障壁の変調によって、磁性体を含む領域の磁化を制御
し、磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする情報記憶方
法である。
域と直接または間接的に接するようにポテンシャル障壁
領域を配置し、このポテンシャル障壁領域のポテンシャ
ル障壁の変調によって、磁性体を含む領域の磁化を制御
し、磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする情報記憶方
法である。
【００１７】この発明の第３の発明は、磁性体を含む領
域と直接または間接的に接するようにポテンシャル障壁
領域を配置した構造を有し、このポテンシャル障壁領域
のポテンシャル障壁の変調によって、磁性体を含む領域
の磁化を制御するようにしたことを特徴とする磁気機能
素子である。
域と直接または間接的に接するようにポテンシャル障壁
領域を配置した構造を有し、このポテンシャル障壁領域
のポテンシャル障壁の変調によって、磁性体を含む領域
の磁化を制御するようにしたことを特徴とする磁気機能
素子である。
【００１８】この発明の第４の発明は、磁性体を含む領
域と直接または間接的に接するようにポテンシャル障壁
領域を配置した構造を有し、このポテンシャル障壁領域
のポテンシャル障壁の変調によって、磁性体を含む領域
の磁化を制御し、磁性体を含む領域の磁化の少なくとも
一つを用いて情報記憶を行うようにしたことを特徴とす
る情報記憶素子である。
域と直接または間接的に接するようにポテンシャル障壁
領域を配置した構造を有し、このポテンシャル障壁領域
のポテンシャル障壁の変調によって、磁性体を含む領域
の磁化を制御し、磁性体を含む領域の磁化の少なくとも
一つを用いて情報記憶を行うようにしたことを特徴とす
る情報記憶素子である。
【００１９】この発明においては、典型的には、磁性体
を含む領域は複数の強磁性体層が中間層によって分離さ
れた積層構造を有し、ポテンシャル障壁領域はこの積層
構造の積層方向の外側に配設されたポテンシャル障壁層
であり、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の
高さおよび／または幅を制御することにより、磁性体を
含む領域内の複数の強磁性体層の磁化の相対的配置を制
御する。より具体的には、例えば、磁性体を含む領域は
複数の強磁性金属層が非磁性金属中間層によって分離さ
れた積層構造を有し、ポテンシャル障壁領域はこの積層
構造の積層方向の外側に配設された半導体層との界面に
形成されたポテンシャル障壁層であり、このポテンシャ
ル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよび／または幅を
このポテンシャル障壁層への電界の印加によって制御す
ることにより、磁性体を含む領域内の複数の強磁性金属
層の磁化の相対的配置を制御する。あるいは、磁性体を
含む領域は複数の強磁性金属層が非磁性金属中間層によ
って分離された積層構造を有し、ポテンシャル障壁領域
はこの積層構造の積層方向の外側に配設された絶縁体層
からなるポテンシャル障壁層であり、このポテンシャル
障壁層のポテンシャル障壁の高さおよび／または幅をこ
のポテンシャル障壁層への電界の印加によって制御する
ことにより、磁性体を含む領域内の複数の強磁性金属層
の磁化の相対的配置を制御する。
を含む領域は複数の強磁性体層が中間層によって分離さ
れた積層構造を有し、ポテンシャル障壁領域はこの積層
構造の積層方向の外側に配設されたポテンシャル障壁層
であり、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の
高さおよび／または幅を制御することにより、磁性体を
含む領域内の複数の強磁性体層の磁化の相対的配置を制
御する。より具体的には、例えば、磁性体を含む領域は
複数の強磁性金属層が非磁性金属中間層によって分離さ
れた積層構造を有し、ポテンシャル障壁領域はこの積層
構造の積層方向の外側に配設された半導体層との界面に
形成されたポテンシャル障壁層であり、このポテンシャ
ル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよび／または幅を
このポテンシャル障壁層への電界の印加によって制御す
ることにより、磁性体を含む領域内の複数の強磁性金属
層の磁化の相対的配置を制御する。あるいは、磁性体を
含む領域は複数の強磁性金属層が非磁性金属中間層によ
って分離された積層構造を有し、ポテンシャル障壁領域
はこの積層構造の積層方向の外側に配設された絶縁体層
からなるポテンシャル障壁層であり、このポテンシャル
障壁層のポテンシャル障壁の高さおよび／または幅をこ
のポテンシャル障壁層への電界の印加によって制御する
ことにより、磁性体を含む領域内の複数の強磁性金属層
の磁化の相対的配置を制御する。
【００２０】この発明においては、磁性体を含む領域は
単一の強磁性体層からなり、ポテンシャル障壁領域はこ
の強磁性体層に、一原子層以上の厚さの非磁性体層を介
して接するように配設されたポテンシャル障壁層であ
り、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さ
および／または幅を制御することにより、強磁性体層の
磁化の方向を制御することもある。より具体的には、例
えば、磁性体を含む領域は単一の強磁性体層からなり、
ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子層以
上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設された
半導体層との界面に形成されたポテンシャル障壁層であ
り、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さ
および／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の
印加によって制御することにより、強磁性体層の磁化の
方向を制御する。あるいは、磁性体を含む領域は単一の
強磁性体層からなり、ポテンシャル障壁領域はこの強磁
性体層に、一原子層以上の厚さの非磁性体層を介して接
するように配設された絶縁体層からなるポテンシャル障
壁層であり、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障
壁の高さおよび／または幅をこのポテンシャル障壁層へ
の電界の印加によって制御することにより、強磁性体層
の磁化の方向を制御する。
単一の強磁性体層からなり、ポテンシャル障壁領域はこ
の強磁性体層に、一原子層以上の厚さの非磁性体層を介
して接するように配設されたポテンシャル障壁層であ
り、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さ
および／または幅を制御することにより、強磁性体層の
磁化の方向を制御することもある。より具体的には、例
えば、磁性体を含む領域は単一の強磁性体層からなり、
ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子層以
上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設された
半導体層との界面に形成されたポテンシャル障壁層であ
り、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さ
および／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の
印加によって制御することにより、強磁性体層の磁化の
方向を制御する。あるいは、磁性体を含む領域は単一の
強磁性体層からなり、ポテンシャル障壁領域はこの強磁
性体層に、一原子層以上の厚さの非磁性体層を介して接
するように配設された絶縁体層からなるポテンシャル障
壁層であり、このポテンシャル障壁層のポテンシャル障
壁の高さおよび／または幅をこのポテンシャル障壁層へ
の電界の印加によって制御することにより、強磁性体層
の磁化の方向を制御する。
【００２１】この発明において、磁気機能素子として
は、例えば、電圧印加によって磁気抵抗が変化すること
を利用する、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に類似の
スイッチング素子が挙げられる。このスイッチング素子
を一つまたは複数用いて種々の回路、例えば論理回路を
構成することができる。
は、例えば、電圧印加によって磁気抵抗が変化すること
を利用する、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に類似の
スイッチング素子が挙げられる。このスイッチング素子
を一つまたは複数用いて種々の回路、例えば論理回路を
構成することができる。
【００２２】上述のように構成されたこの発明において
は、磁性体を含む領域と直接または間接的に接するよう
に配置したポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の
変調によって、磁性体を含む領域とポテンシャル障壁領
域との界面における電子の量子力学的反射率を変調させ
ることができる。そして、磁性体を含む領域内部の磁気
相互作用には電子波の干渉が関与するため、この量子力
学的反射率の変調を通して、磁性体を含む領域の磁化を
制御することができる。この場合、ポテンシャル障壁領
域は磁性体を含む領域の外部に配置することができるこ
とから、電圧印加などの入力を行うための電極を容易に
配設することができる。このため、磁界を印加すること
なく磁性体を含む領域の磁化を容易に制御することが可
能となり、例えば、磁性体を含む領域の磁化の少なくと
も一つを用いて情報記憶を行うことが可能となる。
は、磁性体を含む領域と直接または間接的に接するよう
に配置したポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の
変調によって、磁性体を含む領域とポテンシャル障壁領
域との界面における電子の量子力学的反射率を変調させ
ることができる。そして、磁性体を含む領域内部の磁気
相互作用には電子波の干渉が関与するため、この量子力
学的反射率の変調を通して、磁性体を含む領域の磁化を
制御することができる。この場合、ポテンシャル障壁領
域は磁性体を含む領域の外部に配置することができるこ
とから、電圧印加などの入力を行うための電極を容易に
配設することができる。このため、磁界を印加すること
なく磁性体を含む領域の磁化を容易に制御することが可
能となり、例えば、磁性体を含む領域の磁化の少なくと
も一つを用いて情報記憶を行うことが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの発明
の第１の実施形態による磁気機能素子を示し、図１Ａは
この磁気機能素子の断面図、図１Ｂはこの磁気機能素子
の電子のポテンシャル図を図１Ａに対応して示したもの
である。図１Ｂのポテンシャル図において、実線は上向
きスピンの感じるポテンシャルであり、点線は下向きス
ピンの感じるポテンシャルである。非磁性層中などでポ
テンシャルにスピン非対称がない場合には実線で示して
ある。
て図面を参照しながら詳細に説明する。図１はこの発明
の第１の実施形態による磁気機能素子を示し、図１Ａは
この磁気機能素子の断面図、図１Ｂはこの磁気機能素子
の電子のポテンシャル図を図１Ａに対応して示したもの
である。図１Ｂのポテンシャル図において、実線は上向
きスピンの感じるポテンシャルであり、点線は下向きス
ピンの感じるポテンシャルである。非磁性層中などでポ
テンシャルにスピン非対称がない場合には実線で示して
ある。
【００２４】この第１の実施形態においては、磁性体を
含む領域と直接または間接的に接するようにポテンシャ
ル障壁領域を配置する。すなわち、図１Ａに示すよう
に、磁性体を含む領域１１は、２層の強磁性体層１１
ａ、１１ｂが非磁性の中間層１１ｃによって分離された
積層構造であり、ポテンシャル障壁領域１２は、磁性体
を含む領域１１の表面に積層された金属層１２ａおよび
半導体層１２ｂからなる。また、このポテンシャル障壁
領域１２のポテンシャル障壁の高さおよび／または幅を
変調させるために必要な電界を印加するために、半導体
層１２ｂ上に電極１３が配設されている。
含む領域と直接または間接的に接するようにポテンシャ
ル障壁領域を配置する。すなわち、図１Ａに示すよう
に、磁性体を含む領域１１は、２層の強磁性体層１１
ａ、１１ｂが非磁性の中間層１１ｃによって分離された
積層構造であり、ポテンシャル障壁領域１２は、磁性体
を含む領域１１の表面に積層された金属層１２ａおよび
半導体層１２ｂからなる。また、このポテンシャル障壁
領域１２のポテンシャル障壁の高さおよび／または幅を
変調させるために必要な電界を印加するために、半導体
層１２ｂ上に電極１３が配設されている。
【００２５】いま、図２Ａに示すように電極１３に正の
電圧を印加すると、この場合のポテンシャル図は、図２
Ｂのようになる。この時ショットキー効果が起こり、磁
性体を含む領域１１とポテンシャル障壁領域１２との界
面のショットキー障壁、すなわちポテンシャル障壁の高
さが、電圧印加前のＶb からＶb ´に下がっている。こ
の磁気機能素子では、このポテンシャル障壁の高さの減
少を、磁性体を含む領域１１の内部における磁気相互作
用の変調に反映させることを特徴とする。
電圧を印加すると、この場合のポテンシャル図は、図２
Ｂのようになる。この時ショットキー効果が起こり、磁
性体を含む領域１１とポテンシャル障壁領域１２との界
面のショットキー障壁、すなわちポテンシャル障壁の高
さが、電圧印加前のＶb からＶb ´に下がっている。こ
の磁気機能素子では、このポテンシャル障壁の高さの減
少を、磁性体を含む領域１１の内部における磁気相互作
用の変調に反映させることを特徴とする。
【００２６】ここで、ポテンシャル障壁の高さの減少に
よって磁性体を含む領域１１の磁気相互作用が変調させ
られる原理について説明する。数ｎｍの厚さを有する非
磁性金属中間層によって分離された強磁性金属層の間に
は、非磁性金属中間層を介した間接的な磁気相互作用が
働くことが広く知られている。この磁気相互作用の大き
さや符号（平行配列と反平行配列とのいずれが安定であ
るかを決める）は、強磁性金属層を構成する強磁性物質
と非磁性金属中間層を構成する非磁性物質との組み合わ
せや、非磁性金属体中間層の厚さなどに依存する。例え
ば、図１Ａにおいては、上記の間接的磁気相互作用によ
って、強磁性体層１１ａ、１１ｂの磁化が互いに反平行
になるような配置で安定化されている。
よって磁性体を含む領域１１の磁気相互作用が変調させ
られる原理について説明する。数ｎｍの厚さを有する非
磁性金属中間層によって分離された強磁性金属層の間に
は、非磁性金属中間層を介した間接的な磁気相互作用が
働くことが広く知られている。この磁気相互作用の大き
さや符号（平行配列と反平行配列とのいずれが安定であ
るかを決める）は、強磁性金属層を構成する強磁性物質
と非磁性金属中間層を構成する非磁性物質との組み合わ
せや、非磁性金属体中間層の厚さなどに依存する。例え
ば、図１Ａにおいては、上記の間接的磁気相互作用によ
って、強磁性体層１１ａ、１１ｂの磁化が互いに反平行
になるような配置で安定化されている。
【００２７】交換結合定数をＪとすると、Ｊは非磁性金
属中間層の厚さのみならず、強磁性体層の厚さや外部に
配置した保護膜などの厚さに対しても振動する場合があ
ることが知られている。この起源については量子干渉モ
デルによる説明がなされている（P.Bruno ／Journal of
magnetism and magnetic materials 121(1993)p.248な
ど) 。非磁性金属中間層、強磁性体層、保護膜、基板、
真空等の全てを含めた系において、非磁性金属中間層の
フェルミ面電子が、各層の界面で量子力学的に反射され
多重干渉することによって強め合うような定在波を形成
する場合があるが、これは全エネルギの上昇を意味す
る。強磁性体層における電子ポテンシャルはスピンの向
きによって異なるため、強磁性体層が平行配列している
場合と反平行配列している場合とでは上記の定在波形成
の条件が異なり、いずれがエネルギ的に安定であるかが
決定される。この定在波形成条件は電子波の位相整合条
件であり、層厚に対して振動的に成立するため、Ｊは層
厚に対して振動的に変化する。
属中間層の厚さのみならず、強磁性体層の厚さや外部に
配置した保護膜などの厚さに対しても振動する場合があ
ることが知られている。この起源については量子干渉モ
デルによる説明がなされている（P.Bruno ／Journal of
magnetism and magnetic materials 121(1993)p.248な
ど) 。非磁性金属中間層、強磁性体層、保護膜、基板、
真空等の全てを含めた系において、非磁性金属中間層の
フェルミ面電子が、各層の界面で量子力学的に反射され
多重干渉することによって強め合うような定在波を形成
する場合があるが、これは全エネルギの上昇を意味す
る。強磁性体層における電子ポテンシャルはスピンの向
きによって異なるため、強磁性体層が平行配列している
場合と反平行配列している場合とでは上記の定在波形成
の条件が異なり、いずれがエネルギ的に安定であるかが
決定される。この定在波形成条件は電子波の位相整合条
件であり、層厚に対して振動的に成立するため、Ｊは層
厚に対して振動的に変化する。
【００２８】しかしこの層厚に対するＪの変化は、層厚
を外部刺激で変調させることが困難であるため、磁気相
互作用の変調に利用しづらい。そこで、位相整合条件を
決定する別のパラメータを制御する必要がある。この第
１の実施形態においては、電子の量子力学的反射率を変
調させることにより、多重干渉における位相整合条件を
変調させるものである。
を外部刺激で変調させることが困難であるため、磁気相
互作用の変調に利用しづらい。そこで、位相整合条件を
決定する別のパラメータを制御する必要がある。この第
１の実施形態においては、電子の量子力学的反射率を変
調させることにより、多重干渉における位相整合条件を
変調させるものである。
【００２９】すなわち、図１におけるポテンシャル障壁
領域１２のポテンシャル障壁を変調させることによっ
て、磁性体を含む領域１１とポテンシャル障壁領域１２
との界面における、電子の量子力学的反射率を変調させ
る。磁性体を含む領域１１の内部の磁気相互作用には、
磁性体を含む領域１１の外部も含めた系全体の干渉が影
響するため、磁性体を含む領域１１の外部における量子
力学的反射率の変化であっても磁気相互作用の変調につ
なげることができる。
領域１２のポテンシャル障壁を変調させることによっ
て、磁性体を含む領域１１とポテンシャル障壁領域１２
との界面における、電子の量子力学的反射率を変調させ
る。磁性体を含む領域１１の内部の磁気相互作用には、
磁性体を含む領域１１の外部も含めた系全体の干渉が影
響するため、磁性体を含む領域１１の外部における量子
力学的反射率の変化であっても磁気相互作用の変調につ
なげることができる。
【００３０】この第１の実施形態におけるポテンシャル
障壁の高さおよび／または幅の変調により得られるＪの
大きさの変化の一例を計算で求めた結果を図３に示す。
図３の縦軸は交換結合定数Ｊ、横軸は金属層１２ａを基
準として測ったポテンシャル障壁の高さＷである。ただ
し、強磁性体層１１ａ、１１ｂとしてＦｅ層を用い、中
間層１１ｃおよび金属層１２ａとしてＡｕ層を用い、中
間層１１ｃの厚さｄ＝１．４２８ｎｍ、強磁性体層１１
ａ、１１ｂの厚さｌ＝２．０１６ｎｍ、金属層１２ａの
厚さｔ＝１．８３６ｎｍとした。また、半導体層１２ｂ
としてはｎ型Ｇｅ層を用い、この場合の金属層１２ａと
半導体層１２ｂとの界面のショットキー障壁の高さは
０．５９ｅＶである。図３に示すように、電極１３に電
圧を印加する前にはＷ＝６．１ｅＶであり、その時Ｊ＝
−０．０１９ｍＪ／ｍ2 であったのが、電極１３に１
３．８Ｖの電圧を印加した時にはＷ＝５．６ｅＶとな
り、その時Ｊ＝−０．０４１ｍＪ／ｍ2 となり、電圧印
加前後のＪの変化量は−０．０２２ｍＪ／ｍ2 であり、
これは磁化反転を起こすのに十分な大きさである。
障壁の高さおよび／または幅の変調により得られるＪの
大きさの変化の一例を計算で求めた結果を図３に示す。
図３の縦軸は交換結合定数Ｊ、横軸は金属層１２ａを基
準として測ったポテンシャル障壁の高さＷである。ただ
し、強磁性体層１１ａ、１１ｂとしてＦｅ層を用い、中
間層１１ｃおよび金属層１２ａとしてＡｕ層を用い、中
間層１１ｃの厚さｄ＝１．４２８ｎｍ、強磁性体層１１
ａ、１１ｂの厚さｌ＝２．０１６ｎｍ、金属層１２ａの
厚さｔ＝１．８３６ｎｍとした。また、半導体層１２ｂ
としてはｎ型Ｇｅ層を用い、この場合の金属層１２ａと
半導体層１２ｂとの界面のショットキー障壁の高さは
０．５９ｅＶである。図３に示すように、電極１３に電
圧を印加する前にはＷ＝６．１ｅＶであり、その時Ｊ＝
−０．０１９ｍＪ／ｍ2 であったのが、電極１３に１
３．８Ｖの電圧を印加した時にはＷ＝５．６ｅＶとな
り、その時Ｊ＝−０．０４１ｍＪ／ｍ2 となり、電圧印
加前後のＪの変化量は−０．０２２ｍＪ／ｍ2 であり、
これは磁化反転を起こすのに十分な大きさである。
【００３１】以上のように、この第１の実施形態によれ
ば、磁性体を含む領域１１と接するようにポテンシャル
障壁領域１２を配置し、このポテンシャル障壁領域１２
のポテンシャル障壁を電極１３に電圧を印加することに
より変調し、この変調によって、磁性体を含む領域１１
の磁化、具体的には強磁性体層１１ｂの磁化を制御する
ようにしているので、従来のように磁界を用いることな
く、強磁性体層１１ｂの磁化を容易に制御することがで
きる。また、この場合、ポテンシャル障壁領域１２は磁
性体を含む領域１１の外部に配置することができること
から、電圧印加による入力を行うための電極１３を容易
に配設することができる。
ば、磁性体を含む領域１１と接するようにポテンシャル
障壁領域１２を配置し、このポテンシャル障壁領域１２
のポテンシャル障壁を電極１３に電圧を印加することに
より変調し、この変調によって、磁性体を含む領域１１
の磁化、具体的には強磁性体層１１ｂの磁化を制御する
ようにしているので、従来のように磁界を用いることな
く、強磁性体層１１ｂの磁化を容易に制御することがで
きる。また、この場合、ポテンシャル障壁領域１２は磁
性体を含む領域１１の外部に配置することができること
から、電圧印加による入力を行うための電極１３を容易
に配設することができる。
【００３２】図４はこの発明の第２の実施形態による磁
気機能素子を示す。この第２の実施形態においては、第
１の実施形態による磁気機能素子の構造をより具体化し
た例について説明する。図４に示すように、この磁気機
能素子においては、基板２１上に、下地層２２ａ、２２
ｂを介して、２層の強磁性体層２３ａ、２３ｂが非磁性
の中間層２３ｃによって分離された積層構造からなる、
磁性体を含む領域２３が配置されており、その上に金属
層２４ａおよび半導体層２４ｂからなるポテンシャル障
壁領域２４が配設され、さらにその上に電極２５が配設
されている。
気機能素子を示す。この第２の実施形態においては、第
１の実施形態による磁気機能素子の構造をより具体化し
た例について説明する。図４に示すように、この磁気機
能素子においては、基板２１上に、下地層２２ａ、２２
ｂを介して、２層の強磁性体層２３ａ、２３ｂが非磁性
の中間層２３ｃによって分離された積層構造からなる、
磁性体を含む領域２３が配置されており、その上に金属
層２４ａおよび半導体層２４ｂからなるポテンシャル障
壁領域２４が配設され、さらにその上に電極２５が配設
されている。
【００３３】基板２１としては、例えば、酸化マグネシ
ウム（ＭｇＯ）基板、サファイア基板、ガラス基板、シ
リコン基板、プラスチック基板などを用いることができ
る。下地層２２ａとしては例えば銀（Ａｇ）膜、下地層
２２ｂとしては例えば金（Ａｕ）膜を用いることができ
る。これらの下地層２２ａ、２２ｂはそれらの上層の成
長を良好に行うためのものであるが、必要に応じて省略
してもよい。これらの下地層２２ａ、２２ｂは下部電極
として用いることもできる。強磁性体層２３ａ、２３ｂ
としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）およびそれらの合金、さらにはこれらの
元素を含む合金などを用いることができる。非磁性の中
間層２３ｃとしては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａ
ｇ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒ
ｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの貴金属や遷移金属な
どのなかから、強磁性体層２３ａ、２３ｂ間に間接的な
磁気相互作用が働くような組み合わせとなるものを選ん
で用いる。ポテンシャル障壁領域２４を構成する金属層
２４ａおよび半導体層２４ｂとしてはショットキー障壁
を形成するもの、例えばそれぞれ金（Ａｕ）およびゲル
マニウム（Ｇｅ）（特にｎ型のもの）の組み合わせが用
いられる。
ウム（ＭｇＯ）基板、サファイア基板、ガラス基板、シ
リコン基板、プラスチック基板などを用いることができ
る。下地層２２ａとしては例えば銀（Ａｇ）膜、下地層
２２ｂとしては例えば金（Ａｕ）膜を用いることができ
る。これらの下地層２２ａ、２２ｂはそれらの上層の成
長を良好に行うためのものであるが、必要に応じて省略
してもよい。これらの下地層２２ａ、２２ｂは下部電極
として用いることもできる。強磁性体層２３ａ、２３ｂ
としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）およびそれらの合金、さらにはこれらの
元素を含む合金などを用いることができる。非磁性の中
間層２３ｃとしては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａ
ｇ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、ルテニウム（Ｒ
ｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの貴金属や遷移金属な
どのなかから、強磁性体層２３ａ、２３ｂ間に間接的な
磁気相互作用が働くような組み合わせとなるものを選ん
で用いる。ポテンシャル障壁領域２４を構成する金属層
２４ａおよび半導体層２４ｂとしてはショットキー障壁
を形成するもの、例えばそれぞれ金（Ａｕ）およびゲル
マニウム（Ｇｅ）（特にｎ型のもの）の組み合わせが用
いられる。
【００３４】典型的な一つの例では、基板２１は厚さ５
００μｍのＭｇＯ基板、下地層２２ａは厚さ１５０ｎｍ
のＡｇ膜、下地層２２ｂは厚さ１６ｎｍのＡｕ膜、強磁
性体層２３ａ、２３ｂは厚さ２ｎｍのＦｅ膜、非磁性の
中間層２３ｃは厚さ１．４ｎｍのＡｕ膜、金属層２４ａ
は厚さ１．８ｎｍのＡｕ膜、半導体層２４ｂは厚さ５ｎ
ｍのｎ型Ｇｅ膜、電極１５は厚さ１００ｎｍのＡｌ膜で
ある。
００μｍのＭｇＯ基板、下地層２２ａは厚さ１５０ｎｍ
のＡｇ膜、下地層２２ｂは厚さ１６ｎｍのＡｕ膜、強磁
性体層２３ａ、２３ｂは厚さ２ｎｍのＦｅ膜、非磁性の
中間層２３ｃは厚さ１．４ｎｍのＡｕ膜、金属層２４ａ
は厚さ１．８ｎｍのＡｕ膜、半導体層２４ｂは厚さ５ｎ
ｍのｎ型Ｇｅ膜、電極１５は厚さ１００ｎｍのＡｌ膜で
ある。
【００３５】図５はこの発明の第３の実施形態による磁
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第２の実施形
態による磁気機能素子における金属層２４ａを省略した
ものに相当する。すなわち、図５に示すように、この磁
気機能素子においては、基板３１上に、下地層３２ａ、
３２ｂを介して、２層の強磁性体層３３ａ、３３ｂが非
磁性の中間層３３ｃによって分離された積層構造からな
る、磁性体を含む領域３３が配置されており、その上に
半導体層３４が配設され、さらにその上に電極３５が配
設されている。この場合、強磁性体層３３ｂと半導体層
３４との間にショットキー障壁が形成されており、これ
らの強磁性体層３３ｂおよび半導体層３４がポテンシャ
ル障壁領域を構成する。
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第２の実施形
態による磁気機能素子における金属層２４ａを省略した
ものに相当する。すなわち、図５に示すように、この磁
気機能素子においては、基板３１上に、下地層３２ａ、
３２ｂを介して、２層の強磁性体層３３ａ、３３ｂが非
磁性の中間層３３ｃによって分離された積層構造からな
る、磁性体を含む領域３３が配置されており、その上に
半導体層３４が配設され、さらにその上に電極３５が配
設されている。この場合、強磁性体層３３ｂと半導体層
３４との間にショットキー障壁が形成されており、これ
らの強磁性体層３３ｂおよび半導体層３４がポテンシャ
ル障壁領域を構成する。
【００３６】基板３１、下地層３２ａ、３２ｂ、強磁性
体層３３ａ、３３ｂ、非磁性の中間層３３ｃ、半導体層
３４および電極３５としては、第２の実施形態と同様な
ものを用いることができる。
体層３３ａ、３３ｂ、非磁性の中間層３３ｃ、半導体層
３４および電極３５としては、第２の実施形態と同様な
ものを用いることができる。
【００３７】図６はこの発明の第４の実施形態による磁
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第２の実施形
態による磁気機能素子における金属層２４ａと半導体層
２４ｂとによるショットキー障壁の代わりに絶縁障壁を
用いたものに相当する。すなわち、図６に示すように、
この磁気機能素子においては、基板４１上に、下地層４
２ａ、４２ｂを介して、２層の強磁性体層４３ａ、４３
ｂが非磁性の中間層４３ｃによって分離された積層構造
膜からなる、磁性体を含む領域４３が配置されており、
その上に絶縁体層４４が配設され、さらにその上に電極
４５が配設されている。この場合、絶縁体層４４がポテ
ンシャル障壁領域を構成する。
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第２の実施形
態による磁気機能素子における金属層２４ａと半導体層
２４ｂとによるショットキー障壁の代わりに絶縁障壁を
用いたものに相当する。すなわち、図６に示すように、
この磁気機能素子においては、基板４１上に、下地層４
２ａ、４２ｂを介して、２層の強磁性体層４３ａ、４３
ｂが非磁性の中間層４３ｃによって分離された積層構造
膜からなる、磁性体を含む領域４３が配置されており、
その上に絶縁体層４４が配設され、さらにその上に電極
４５が配設されている。この場合、絶縁体層４４がポテ
ンシャル障壁領域を構成する。
【００３８】基板４１、下地層４２ａ、４２ｂ、強磁性
体層４３ａ、４３ｂ、非磁性の中間層４３ｃおよび電極
４５としては、第２の実施形態と同様なものを用いるこ
とができる。絶縁体層４４としては、例えば、酸化アル
ミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ
2 ）、酸化タンタル（ＴａＯ2 ）などを用いることがで
きる。
体層４３ａ、４３ｂ、非磁性の中間層４３ｃおよび電極
４５としては、第２の実施形態と同様なものを用いるこ
とができる。絶縁体層４４としては、例えば、酸化アル
ミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ
2 ）、酸化タンタル（ＴａＯ2 ）などを用いることがで
きる。
【００３９】図７はこの発明の第５の実施形態による磁
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第２の実施形
態における磁性体を含む領域２３とポテンシャル障壁領
域２４との上下関係を逆にし、基板側にポテンシャル障
壁領域を配置したものに相当する。すなわち、図７に示
すように、この磁気機能素子においては、基板５１上
に、下地層５２ａ、５２ｂを介して、半導体層５３ａお
よび金属層５３ｂからなるポテンシャル障壁領域５３が
配設され、その上に、２層の強磁性体層５４ａ、５４ｂ
が非磁性の中間層５４ｃによって分離された積層構造か
らなる、磁性体を含む領域５４が配置され、さらにその
上に電極５５が配設されている。
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第２の実施形
態における磁性体を含む領域２３とポテンシャル障壁領
域２４との上下関係を逆にし、基板側にポテンシャル障
壁領域を配置したものに相当する。すなわち、図７に示
すように、この磁気機能素子においては、基板５１上
に、下地層５２ａ、５２ｂを介して、半導体層５３ａお
よび金属層５３ｂからなるポテンシャル障壁領域５３が
配設され、その上に、２層の強磁性体層５４ａ、５４ｂ
が非磁性の中間層５４ｃによって分離された積層構造か
らなる、磁性体を含む領域５４が配置され、さらにその
上に電極５５が配設されている。
【００４０】基板５１、下地層５２ａ、５２ｂ、半導体
層５３ａ、金属層５３ｂ、強磁性体層５４ａ、５４ｂ、
非磁性の中間層５４ｃおよび電極５５としては、第２の
実施形態と同様なものを用いることができる。
層５３ａ、金属層５３ｂ、強磁性体層５４ａ、５４ｂ、
非磁性の中間層５４ｃおよび電極５５としては、第２の
実施形態と同様なものを用いることができる。
【００４１】図８はこの発明の第６の実施形態による磁
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第５の実施形
態による磁気機能素子における金属層５３ａを省略した
ものに相当する。すなわち、図８に示すように、この磁
気機能素子においては、基板６１上に、下地層６２ａ、
６２ｂを介して、半導体層６３が配設され、その上に、
２層の強磁性体層６４ａ、６４ｂが非磁性の中間層６４
ｃによって分離された積層構造からなる、磁性体を含む
領域６４が配置されており、さらにその上に電極６５が
配設されている。この場合、半導体層６３と強磁性体層
６４ａとの間にショットキー障壁が形成されており、こ
れらの半導体層６３および強磁性体層６４ａがポテンシ
ャル障壁領域を構成する。
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第５の実施形
態による磁気機能素子における金属層５３ａを省略した
ものに相当する。すなわち、図８に示すように、この磁
気機能素子においては、基板６１上に、下地層６２ａ、
６２ｂを介して、半導体層６３が配設され、その上に、
２層の強磁性体層６４ａ、６４ｂが非磁性の中間層６４
ｃによって分離された積層構造からなる、磁性体を含む
領域６４が配置されており、さらにその上に電極６５が
配設されている。この場合、半導体層６３と強磁性体層
６４ａとの間にショットキー障壁が形成されており、こ
れらの半導体層６３および強磁性体層６４ａがポテンシ
ャル障壁領域を構成する。
【００４２】基板６１、下地層６２ａ、６２ｂ、半導体
層６３、強磁性体層６４ａ、６４ｂ、非磁性の中間層６
４ｃおよび電極６５としては、第２の実施形態と同様な
ものを用いることができる。
層６３、強磁性体層６４ａ、６４ｂ、非磁性の中間層６
４ｃおよび電極６５としては、第２の実施形態と同様な
ものを用いることができる。
【００４３】図９はこの発明の第７の実施形態による磁
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第５の実施形
態による磁気機能素子における金属層５３ｂと半導体層
５３ａとによるショットキー障壁の代わりに絶縁障壁を
用いたものに相当する。すなわち、図９に示すように、
この磁気機能素子においては、基板７１上に、下地層７
２ａ、７２ｂを介して、絶縁体層７３が配設され、その
上に、２層の強磁性体層７４ａ、７４ｂが非磁性の中間
層７４ｃによって分離された積層構造からなる、磁性体
を含む領域７４が配置されており、さらにその上に電極
７５が配設されている。この場合、絶縁体層７３がポテ
ンシャル障壁領域を構成する。
気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第５の実施形
態による磁気機能素子における金属層５３ｂと半導体層
５３ａとによるショットキー障壁の代わりに絶縁障壁を
用いたものに相当する。すなわち、図９に示すように、
この磁気機能素子においては、基板７１上に、下地層７
２ａ、７２ｂを介して、絶縁体層７３が配設され、その
上に、２層の強磁性体層７４ａ、７４ｂが非磁性の中間
層７４ｃによって分離された積層構造からなる、磁性体
を含む領域７４が配置されており、さらにその上に電極
７５が配設されている。この場合、絶縁体層７３がポテ
ンシャル障壁領域を構成する。
【００４４】基板７１、下地層７２ａ、７２ｂ、強磁性
体層７４ａ、７４ｂ、非磁性の中間層７４ｃおよび電極
７５としては、第２の実施形態と同様なものを用いるこ
とができる。絶縁体層７３としては、第４の実施形態と
同様なものを用いることができる。
体層７４ａ、７４ｂ、非磁性の中間層７４ｃおよび電極
７５としては、第２の実施形態と同様なものを用いるこ
とができる。絶縁体層７３としては、第４の実施形態と
同様なものを用いることができる。
【００４５】図１０はこの発明の第８の実施形態による
情報記憶素子を示し、一個のメモリセルを示す。ここ
で、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは図１０ＡのＢ−Ｂ線
に沿っての断面図である。
情報記憶素子を示し、一個のメモリセルを示す。ここ
で、図１０Ａは平面図、図１０Ｂは図１０ＡのＢ−Ｂ線
に沿っての断面図である。
【００４６】この情報記憶素子は、第５〜第７の実施形
態による磁気機能素子と同様に、ポテンシャル障壁領域
を基板側に設けた構造をとっている。すなわち、図１０
に示すように、この情報記憶素子においては、基板８１
上に、下部電極８２、半導体層８３および一軸磁気異方
性を有する軟磁性体層８４が順次積層されている。基板
８１としては、第２の実施形態と同様なものを用いるこ
とができる。これらの下部電極８２および半導体層８３
がポテンシャル障壁領域を構成する。ここで、下部電極
８２および半導体層８３は、それらの間にショットキー
障壁が形成されるような材料により形成され、具体的に
は例えば、下部電極８２はＡｕにより、半導体層８３は
ｎ型Ｇｅにより形成される。軟磁性体層８４の所定部分
の上には、所定形状にパターン化された非磁性の中間層
８５ａ、硬磁性体層８６ａおよび上部電極８７ａが順次
積層されて、第１の書き込み部が形成されている。軟磁
性体層８４上には、この第１の書き込み部に隣接して、
所定形状にパターン化された非磁性の中間層８５ｂ、硬
磁性体層８６ｂおよび上部電極８７ｂが順次積層され
て、第２の書き込み部が形成されている。第１の書き込
み部においては、軟磁性体層８４および硬磁性体層８６
ａが非磁性の中間層８５ａによって分離された積層構造
が磁性体を含む領域を構成している。同様に、第２の書
き込み部においては、軟磁性体層８４および硬磁性体層
８６ｂが非磁性の中間層８５ｂによって分離された積層
構造が磁性体を含む領域を構成している。
態による磁気機能素子と同様に、ポテンシャル障壁領域
を基板側に設けた構造をとっている。すなわち、図１０
に示すように、この情報記憶素子においては、基板８１
上に、下部電極８２、半導体層８３および一軸磁気異方
性を有する軟磁性体層８４が順次積層されている。基板
８１としては、第２の実施形態と同様なものを用いるこ
とができる。これらの下部電極８２および半導体層８３
がポテンシャル障壁領域を構成する。ここで、下部電極
８２および半導体層８３は、それらの間にショットキー
障壁が形成されるような材料により形成され、具体的に
は例えば、下部電極８２はＡｕにより、半導体層８３は
ｎ型Ｇｅにより形成される。軟磁性体層８４の所定部分
の上には、所定形状にパターン化された非磁性の中間層
８５ａ、硬磁性体層８６ａおよび上部電極８７ａが順次
積層されて、第１の書き込み部が形成されている。軟磁
性体層８４上には、この第１の書き込み部に隣接して、
所定形状にパターン化された非磁性の中間層８５ｂ、硬
磁性体層８６ｂおよび上部電極８７ｂが順次積層され
て、第２の書き込み部が形成されている。第１の書き込
み部においては、軟磁性体層８４および硬磁性体層８６
ａが非磁性の中間層８５ａによって分離された積層構造
が磁性体を含む領域を構成している。同様に、第２の書
き込み部においては、軟磁性体層８４および硬磁性体層
８６ｂが非磁性の中間層８５ｂによって分離された積層
構造が磁性体を含む領域を構成している。
【００４７】軟磁性体層８４上にはさらに、第２の書き
込み部に隣接して、所定形状にパターン化された絶縁体
層８８、硬磁性体層８９および上部電極９０が順次積層
されて、読み出し部が形成されている。この場合、絶縁
体層８８および硬磁性体層８９が読み出し部の強磁性ト
ンネル接合を構成する。
込み部に隣接して、所定形状にパターン化された絶縁体
層８８、硬磁性体層８９および上部電極９０が順次積層
されて、読み出し部が形成されている。この場合、絶縁
体層８８および硬磁性体層８９が読み出し部の強磁性ト
ンネル接合を構成する。
【００４８】ここで、硬磁性体層８６ａ、硬磁性体層８
６ｂおよび硬磁性体層８９は保磁力が大きく、磁化が固
定しているものであり、軟磁性体層８４は保持力が硬磁
性体層８６ａ、硬磁性体層８６ｂおよび硬磁性体層８９
よりも小さい。軟磁性体層８４の材料としては例えばパ
ーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、硬磁性体層８６ａ、硬磁
性体層８６ｂおよび硬磁性体層８９の材料としては例え
ばＣｏ−Ｐｔ合金を用いることができる。
６ｂおよび硬磁性体層８９は保磁力が大きく、磁化が固
定しているものであり、軟磁性体層８４は保持力が硬磁
性体層８６ａ、硬磁性体層８６ｂおよび硬磁性体層８９
よりも小さい。軟磁性体層８４の材料としては例えばパ
ーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、硬磁性体層８６ａ、硬磁
性体層８６ｂおよび硬磁性体層８９の材料としては例え
ばＣｏ−Ｐｔ合金を用いることができる。
【００４９】この情報記憶素子においては、下部電極８
２と上部電極８７ａまたは上部電極８７ｂとの間に電圧
を印加して下部電極８２および半導体層８３からなるポ
テンシャル障壁領域のポテンシャル障壁を変調すること
により、第１の書き込み部における軟磁性体層８４と硬
磁性体層８６ａとの間の磁気的相互作用または第２の書
き込み部における軟磁性体層８４と硬磁性体層８６ｂと
の間の磁気的相互作用を制御することができるように非
磁性の中間層８５ａ、８５ｂの厚さなどが選ばれてい
る。
２と上部電極８７ａまたは上部電極８７ｂとの間に電圧
を印加して下部電極８２および半導体層８３からなるポ
テンシャル障壁領域のポテンシャル障壁を変調すること
により、第１の書き込み部における軟磁性体層８４と硬
磁性体層８６ａとの間の磁気的相互作用または第２の書
き込み部における軟磁性体層８４と硬磁性体層８６ｂと
の間の磁気的相互作用を制御することができるように非
磁性の中間層８５ａ、８５ｂの厚さなどが選ばれてい
る。
【００５０】次に、この情報記憶素子に対する情報の書
き込み方法および読み出し（再生）方法について説明す
る。ここでは、図１０に示すように、第１の書き込み部
における硬磁性体層８６ａは図中右方向の固定磁化を有
し、第２の書き込み部における硬磁性体層８６ｂは図中
左方向の固定磁化を有すると仮定する。また、軟磁性体
層８４の磁化が図中右方向を向いているときを情報
「１」に対応させ、図中左方向を向いているときを情報
「０」に対応させる。情報の対応関係をこれと逆にして
もよいことは言うまでもない。さらに、読み出し部の硬
磁性体層８９は図中左方向の固定磁化を有すると仮定す
る。
き込み方法および読み出し（再生）方法について説明す
る。ここでは、図１０に示すように、第１の書き込み部
における硬磁性体層８６ａは図中右方向の固定磁化を有
し、第２の書き込み部における硬磁性体層８６ｂは図中
左方向の固定磁化を有すると仮定する。また、軟磁性体
層８４の磁化が図中右方向を向いているときを情報
「１」に対応させ、図中左方向を向いているときを情報
「０」に対応させる。情報の対応関係をこれと逆にして
もよいことは言うまでもない。さらに、読み出し部の硬
磁性体層８９は図中左方向の固定磁化を有すると仮定す
る。
【００５１】まず、書き込み方法について説明する。い
ま、メモリセルに情報「１」を書き込む場合には、第１
の書き込み部の上部電極８７ａと下部電極８２との間
に、軟磁性体層８４と硬磁性体層８６ａとの間の交換結
合定数Ｊが０．０２ｍＪ／ｍ2以上となるような電圧を
印加する。すると、軟磁性体層８４の磁化は硬磁性体層
８６ａの磁化と同じ向きに揃い、図中右方向を向く。こ
れによって、メモリセルに情報「１」が書き込まれる。
一方、メモリセルに情報「０」を書き込む場合には、第
２の書き込み部の上部電極８７ｂと下部電極８２との間
に、軟磁性体層８４と硬磁性体層８６ｂとの間の交換結
合定数Ｊが０．０２ｍＪ／ｍ2 以上となるような電圧を
印加する。すると、軟磁性体層８４の磁化は硬磁性体層
８６ｂの磁化と同じ向きに揃い、図中左方向を向く。こ
れによって、メモリセルに情報「０」が書き込まれる。
ま、メモリセルに情報「１」を書き込む場合には、第１
の書き込み部の上部電極８７ａと下部電極８２との間
に、軟磁性体層８４と硬磁性体層８６ａとの間の交換結
合定数Ｊが０．０２ｍＪ／ｍ2以上となるような電圧を
印加する。すると、軟磁性体層８４の磁化は硬磁性体層
８６ａの磁化と同じ向きに揃い、図中右方向を向く。こ
れによって、メモリセルに情報「１」が書き込まれる。
一方、メモリセルに情報「０」を書き込む場合には、第
２の書き込み部の上部電極８７ｂと下部電極８２との間
に、軟磁性体層８４と硬磁性体層８６ｂとの間の交換結
合定数Ｊが０．０２ｍＪ／ｍ2 以上となるような電圧を
印加する。すると、軟磁性体層８４の磁化は硬磁性体層
８６ｂの磁化と同じ向きに揃い、図中左方向を向く。こ
れによって、メモリセルに情報「０」が書き込まれる。
【００５２】次に、情報の読み出し方法について説明す
る。読み出しには、軟磁性体層８４の磁化が図１０中右
方向を向いているときと左方向を向いているときとで、
第１の書き込み部の上部電極８７ａまたは第２の書き込
み部の上部電極８７ｂと読み出し部の上部電極９０との
間に電圧を印加した時に流れる電流に差があることを利
用する。すなわち、軟磁性体層８４の磁化が図１０中右
方向を向いているか左方向を向いているかで、絶縁体層
８８および硬磁性体層８９からなる強磁性トンネル接合
の抵抗が異なり、流れる電流の大きさが異なるため、こ
の電流の大小を図示省略したセンスアンプなどにより検
出することで、メモリセルに記憶されている情報を読み
出すことができる。
る。読み出しには、軟磁性体層８４の磁化が図１０中右
方向を向いているときと左方向を向いているときとで、
第１の書き込み部の上部電極８７ａまたは第２の書き込
み部の上部電極８７ｂと読み出し部の上部電極９０との
間に電圧を印加した時に流れる電流に差があることを利
用する。すなわち、軟磁性体層８４の磁化が図１０中右
方向を向いているか左方向を向いているかで、絶縁体層
８８および硬磁性体層８９からなる強磁性トンネル接合
の抵抗が異なり、流れる電流の大きさが異なるため、こ
の電流の大小を図示省略したセンスアンプなどにより検
出することで、メモリセルに記憶されている情報を読み
出すことができる。
【００５３】この第８の実施形態による情報記憶素子に
よれば、磁界を用いることなく磁化制御を行うことによ
り情報の書き込みを行うことができ、しかも情報の読み
出しも電流の検出により行うことができる。そして、磁
界を用いないで磁化制御を行うこの情報記憶素子によ
り、アクセス時間が短く、高集積化が容易であり、不揮
発性であり、書き換え可能回数も多く、クロストークも
ない、極めて理想的な固体メモリを実現することができ
る。
よれば、磁界を用いることなく磁化制御を行うことによ
り情報の書き込みを行うことができ、しかも情報の読み
出しも電流の検出により行うことができる。そして、磁
界を用いないで磁化制御を行うこの情報記憶素子によ
り、アクセス時間が短く、高集積化が容易であり、不揮
発性であり、書き換え可能回数も多く、クロストークも
ない、極めて理想的な固体メモリを実現することができ
る。
【００５４】図１１はこの発明の第９の実施形態による
情報記憶素子を示し、一個のメモリセルを示す。ここ
で、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは図１１ＡのＢ−Ｂ線
に沿っての断面図である。
情報記憶素子を示し、一個のメモリセルを示す。ここ
で、図１１Ａは平面図、図１１Ｂは図１１ＡのＢ−Ｂ線
に沿っての断面図である。
【００５５】この情報記憶素子は、第８の実施形態によ
る情報記憶素子における第１の書き込み部における硬磁
性体層を軟磁性体層と半導体層との間に配置し、第１の
書き込み部の上に第２の書き込み部を形成したものに相
当する。すなわち、図１１に示すように、この情報記憶
素子においては、基板１０１上に、下部電極１０２、半
導体層１０３、硬磁性体層１０４ａ、非磁性の中間層１
０５ａおよび一軸磁気異方性を有する軟磁性体層１０６
が順次積層されている。下部電極１０２および半導体層
１０３がポテンシャル障壁領域を構成する。ここで、下
部電極１０２および半導体層１０３は、それらの間にシ
ョットキー障壁が形成されるような材料により形成さ
れ、具体的には例えば、下部電極１０２はＡｕにより、
半導体層１０３はｎ型Ｇｅにより形成される。硬磁性体
層１０４ａ、中間層１０５ａおよび軟磁性体層１０６に
より第１の書き込み部が形成されている。軟磁性体層１
０６の所定部分の上には、所定形状にパターン化された
非磁性の中間層１０５ｂ、硬磁性体層１０４ｂおよび上
部電極１０７が順次積層されて、第２の書き込み部が形
成されている。第１の書き込み部においては、硬磁性体
層１０４ａおよび軟磁性体層１０６が非磁性の中間層１
０５ａによって分離された積層構造が磁性体を含む領域
を構成している。同様に、第２の書き込み部において
は、軟磁性体層１０６および硬磁性体層１０４ｂが非磁
性の中間層１０５ｂによって分離された積層構造が磁性
体を含む領域を構成している。
る情報記憶素子における第１の書き込み部における硬磁
性体層を軟磁性体層と半導体層との間に配置し、第１の
書き込み部の上に第２の書き込み部を形成したものに相
当する。すなわち、図１１に示すように、この情報記憶
素子においては、基板１０１上に、下部電極１０２、半
導体層１０３、硬磁性体層１０４ａ、非磁性の中間層１
０５ａおよび一軸磁気異方性を有する軟磁性体層１０６
が順次積層されている。下部電極１０２および半導体層
１０３がポテンシャル障壁領域を構成する。ここで、下
部電極１０２および半導体層１０３は、それらの間にシ
ョットキー障壁が形成されるような材料により形成さ
れ、具体的には例えば、下部電極１０２はＡｕにより、
半導体層１０３はｎ型Ｇｅにより形成される。硬磁性体
層１０４ａ、中間層１０５ａおよび軟磁性体層１０６に
より第１の書き込み部が形成されている。軟磁性体層１
０６の所定部分の上には、所定形状にパターン化された
非磁性の中間層１０５ｂ、硬磁性体層１０４ｂおよび上
部電極１０７が順次積層されて、第２の書き込み部が形
成されている。第１の書き込み部においては、硬磁性体
層１０４ａおよび軟磁性体層１０６が非磁性の中間層１
０５ａによって分離された積層構造が磁性体を含む領域
を構成している。同様に、第２の書き込み部において
は、軟磁性体層１０６および硬磁性体層１０４ｂが非磁
性の中間層１０５ｂによって分離された積層構造が磁性
体を含む領域を構成している。
【００５６】軟磁性体層１０６上にはさらに、第２の書
き込み部に隣接して、所定形状にパターン化された絶縁
体層１０８、硬磁性体層１０９および上部電極１１０が
順次積層されて、読み出し部が形成されている。この場
合、絶縁体層１０８および硬磁性体層１０９が読み出し
部の強磁性トンネル接合を構成する。
き込み部に隣接して、所定形状にパターン化された絶縁
体層１０８、硬磁性体層１０９および上部電極１１０が
順次積層されて、読み出し部が形成されている。この場
合、絶縁体層１０８および硬磁性体層１０９が読み出し
部の強磁性トンネル接合を構成する。
【００５７】ここで、硬磁性体層１０４ａ、硬磁性体層
１０４ｂおよび硬磁性体層１０９は保持力が大きく、磁
化が固定しているものであり、軟磁性体層１０６は保持
力が硬磁性体層１０４ａ、硬磁性体層１０４ｂおよび硬
磁性体層１０９よりも小さい。軟磁性体層１０４の材料
としては例えばパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、硬磁性
体層１０４ａ、硬磁性体層１０４ｂおよび硬磁性体層１
０９の材料としては例えばＣｏ−Ｐｔ合金を用いること
ができる。
１０４ｂおよび硬磁性体層１０９は保持力が大きく、磁
化が固定しているものであり、軟磁性体層１０６は保持
力が硬磁性体層１０４ａ、硬磁性体層１０４ｂおよび硬
磁性体層１０９よりも小さい。軟磁性体層１０４の材料
としては例えばパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）、硬磁性
体層１０４ａ、硬磁性体層１０４ｂおよび硬磁性体層１
０９の材料としては例えばＣｏ−Ｐｔ合金を用いること
ができる。
【００５８】この情報記憶素子においては、第８の実施
形態による情報記憶素子と異なり、第１の書き込み部お
よび第２の書き込み部の上部電極の選択により軟磁性体
層１０６の磁化方向を選択することができないので、中
間層１０５ａの厚さは、下部電極１０２の電位のみで硬
磁性体層１０４ａと軟磁性体層１０６との間の磁気的相
互作用を制御することができる厚さに選び、中間層１０
５ｂの厚さは、下部電極１０２および上部電極１０７の
両方に電位を与えて初めて硬磁性体層１０４ｂと軟磁性
体層１０６との間の磁気的相互作用を制御することがで
きるような厚さにそれぞれ設計される。
形態による情報記憶素子と異なり、第１の書き込み部お
よび第２の書き込み部の上部電極の選択により軟磁性体
層１０６の磁化方向を選択することができないので、中
間層１０５ａの厚さは、下部電極１０２の電位のみで硬
磁性体層１０４ａと軟磁性体層１０６との間の磁気的相
互作用を制御することができる厚さに選び、中間層１０
５ｂの厚さは、下部電極１０２および上部電極１０７の
両方に電位を与えて初めて硬磁性体層１０４ｂと軟磁性
体層１０６との間の磁気的相互作用を制御することがで
きるような厚さにそれぞれ設計される。
【００５９】この情報記憶素子に対する情報の書き込み
方法および読み出し方法は、上記のことを除いて、第８
の実施形態と同様であるので、説明を省略する。この第
９の実施形態によれば、第８の実施形態と同様な利点を
得ることができるほか、第１の書き込み部の上に第２の
書き込み部が形成されていることにより、メモリセルの
占有面積の低減を図ることができ、メモリセルの高集積
化にさらに有利であるという利点を得ることができる。
方法および読み出し方法は、上記のことを除いて、第８
の実施形態と同様であるので、説明を省略する。この第
９の実施形態によれば、第８の実施形態と同様な利点を
得ることができるほか、第１の書き込み部の上に第２の
書き込み部が形成されていることにより、メモリセルの
占有面積の低減を図ることができ、メモリセルの高集積
化にさらに有利であるという利点を得ることができる。
【００６０】図１２はこの発明の第１０の実施形態によ
るトランジスタを示す。このトランジスタは、電圧印加
によって磁気抵抗が変化することを利用する磁気機能素
子である。
るトランジスタを示す。このトランジスタは、電圧印加
によって磁気抵抗が変化することを利用する磁気機能素
子である。
【００６１】図１２に示すように、このトランジスタに
おいては、基板１２１上に、２層の強磁性体層１２２、
１２３が非磁性の中間層１２４によって分離された積層
構造からなる、磁性体を含む領域が配置されており、そ
の上にゲート絶縁膜１２５が配設され、さらにその上に
ゲート電極１２６が配設されている。この場合、ゲート
絶縁膜１２５がポテンシャル障壁領域を構成する。磁性
体を含む領域の両側にはソース電極１２７およびドレイ
ン電極１２８が、２層の強磁性体層１２２、１２３が非
磁性の中間層１２４によって分離された積層構造と電気
的に接触して、配設されている。
おいては、基板１２１上に、２層の強磁性体層１２２、
１２３が非磁性の中間層１２４によって分離された積層
構造からなる、磁性体を含む領域が配置されており、そ
の上にゲート絶縁膜１２５が配設され、さらにその上に
ゲート電極１２６が配設されている。この場合、ゲート
絶縁膜１２５がポテンシャル障壁領域を構成する。磁性
体を含む領域の両側にはソース電極１２７およびドレイ
ン電極１２８が、２層の強磁性体層１２２、１２３が非
磁性の中間層１２４によって分離された積層構造と電気
的に接触して、配設されている。
【００６２】基板１２１、強磁性体層１２２、１２３お
よび非磁性の中間層１２４としては、第２の実施形態に
おける基板４１、強磁性体層４３ａ、４３ｂおよび非磁
性の中間層４３ｃと同様なものを用いることができ、同
様に、ゲート電極１２６としては、第２の実施形態にお
ける電極４５と同様なものを用いることができる。さら
に、ゲート絶縁膜１２５としては、第４の実施形態にお
ける絶縁体層４４と同様なものを用いることができる。
強磁性体層１２２、１２３および非磁性の中間層１２４
からなる積層構造は、好適には、下地層を介して基板１
２１上に配置され、この下地層としては、第２の実施形
態における下地層４２ａ、４２ｂと同様なものを用いる
ことができる。
よび非磁性の中間層１２４としては、第２の実施形態に
おける基板４１、強磁性体層４３ａ、４３ｂおよび非磁
性の中間層４３ｃと同様なものを用いることができ、同
様に、ゲート電極１２６としては、第２の実施形態にお
ける電極４５と同様なものを用いることができる。さら
に、ゲート絶縁膜１２５としては、第４の実施形態にお
ける絶縁体層４４と同様なものを用いることができる。
強磁性体層１２２、１２３および非磁性の中間層１２４
からなる積層構造は、好適には、下地層を介して基板１
２１上に配置され、この下地層としては、第２の実施形
態における下地層４２ａ、４２ｂと同様なものを用いる
ことができる。
【００６３】このトランジスタにおいては、強磁性体層
１２２と強磁性体層１２３との間には、非磁性の中間層
１２４を介して層間交換結合が働いている。このため、
ゲート電極１２６に正の電圧を印加すると、ゲート絶縁
膜１２５と強磁性体層１２３との界面でショットキー効
果が起こり、強磁性体層１２２、１２３が非磁性の中間
層１２４を介して積層された積層構造における磁気交換
結合が制御される。これにより、強磁性体層１２２の磁
化と強磁性体層１２３の磁化との相対角度が変化し、こ
れに伴い磁気抵抗も変化する。そこで、例えば、ソース
電極１２７に対してドレイン電極１２８に正の電圧を印
加すると、ゲート電圧の有無（０もしくは＋Ｖ）によ
り、強磁性体層１２２、１２３および非磁性の中間層１
２４からなる積層構造における磁化の相対角度が変化
し、磁気抵抗が変化することにより、ドレイン電流の変
化が生ずる。このようにして、電圧入力で電流変調を行
うことができる。
１２２と強磁性体層１２３との間には、非磁性の中間層
１２４を介して層間交換結合が働いている。このため、
ゲート電極１２６に正の電圧を印加すると、ゲート絶縁
膜１２５と強磁性体層１２３との界面でショットキー効
果が起こり、強磁性体層１２２、１２３が非磁性の中間
層１２４を介して積層された積層構造における磁気交換
結合が制御される。これにより、強磁性体層１２２の磁
化と強磁性体層１２３の磁化との相対角度が変化し、こ
れに伴い磁気抵抗も変化する。そこで、例えば、ソース
電極１２７に対してドレイン電極１２８に正の電圧を印
加すると、ゲート電圧の有無（０もしくは＋Ｖ）によ
り、強磁性体層１２２、１２３および非磁性の中間層１
２４からなる積層構造における磁化の相対角度が変化
し、磁気抵抗が変化することにより、ドレイン電流の変
化が生ずる。このようにして、電圧入力で電流変調を行
うことができる。
【００６４】この第１０の実施形態によれば、従来のＦ
ＥＴと異なり、金属と絶縁体のみでトランジスタを構成
することができ、微細化を図ることができる。また、報
告されているスピントランジスタと異なり、現実的なデ
バイスであり、電流磁界を一切使用していないために高
密度化も可能である。
ＥＴと異なり、金属と絶縁体のみでトランジスタを構成
することができ、微細化を図ることができる。また、報
告されているスピントランジスタと異なり、現実的なデ
バイスであり、電流磁界を一切使用していないために高
密度化も可能である。
【００６５】上述の第１〜第１０の実施形態において用
いた方法、つまり電子波の干渉によって決定される系の
安定状態を、表面障壁高さの変調（すなわち、表面での
電子の量子力学的反射率の変調）によって制御する方法
は、上述のような磁性層間の間接的磁気相互作用の制御
以外にも利用することができる。具体的には、この方法
は、磁気異方性の制御にも利用することができる。これ
について説明すると次のとおりである。
いた方法、つまり電子波の干渉によって決定される系の
安定状態を、表面障壁高さの変調（すなわち、表面での
電子の量子力学的反射率の変調）によって制御する方法
は、上述のような磁性層間の間接的磁気相互作用の制御
以外にも利用することができる。具体的には、この方法
は、磁気異方性の制御にも利用することができる。これ
について説明すると次のとおりである。
【００６６】磁性薄膜の磁気異方性は、その上に堆積さ
せた非磁性層の厚さに対して振動的に変化する場合があ
ることが知られている（C.H.Back et al.,Journal of A
pplied Physics 81(1997)5054)。この現象の起源は、非
磁性層の厚さが一原子層以上の場合には、磁性層間の間
接的磁気相互作用の振動現象と同じであると言われてい
る。すなわち、非磁性層中での電子波の干渉における位
相整合の条件は、厚さに対して振動的に成立し、これが
状態密度の変化を通じて磁性層／非磁性層界面の電子の
バンド構造を振動的に変化させ、磁気異方性の振動的な
変調につながっている。
せた非磁性層の厚さに対して振動的に変化する場合があ
ることが知られている（C.H.Back et al.,Journal of A
pplied Physics 81(1997)5054)。この現象の起源は、非
磁性層の厚さが一原子層以上の場合には、磁性層間の間
接的磁気相互作用の振動現象と同じであると言われてい
る。すなわち、非磁性層中での電子波の干渉における位
相整合の条件は、厚さに対して振動的に成立し、これが
状態密度の変化を通じて磁性層／非磁性層界面の電子の
バンド構造を振動的に変化させ、磁気異方性の振動的な
変調につながっている。
【００６７】一方で位相整合条件は、非磁性層表面のポ
テンシャル障壁を変調することによって制御することが
できることは、すでに述べたとおりである。したがっ
て、間接的磁気相互作用と同様に、ショットキー効果な
どを利用することで、電圧によって磁気異方性を制御す
ることができることになる。
テンシャル障壁を変調することによって制御することが
できることは、すでに述べたとおりである。したがっ
て、間接的磁気相互作用と同様に、ショットキー効果な
どを利用することで、電圧によって磁気異方性を制御す
ることができることになる。
【００６８】以下、この電圧による磁気異方性の制御を
利用した磁気機能素子の実施形態について説明する。図
１３はこの発明の第１１の実施形態による磁気機能素子
を示し、図１３Ａはこの磁気機能素子の断面図、図１３
Ｂはこの磁気機能素子の電子のポテンシャル図を図１３
Ａに対応して示したものである。図１３Ｂのポテンシャ
ル図において、実線は上向きスピンの感じるポテンシャ
ルであり、点線は下向きスピンの感じるポテンシャルで
ある。非磁性層中などでポテンシャルにスピン非対称が
ない場合には実線で示してある。
利用した磁気機能素子の実施形態について説明する。図
１３はこの発明の第１１の実施形態による磁気機能素子
を示し、図１３Ａはこの磁気機能素子の断面図、図１３
Ｂはこの磁気機能素子の電子のポテンシャル図を図１３
Ａに対応して示したものである。図１３Ｂのポテンシャ
ル図において、実線は上向きスピンの感じるポテンシャ
ルであり、点線は下向きスピンの感じるポテンシャルで
ある。非磁性層中などでポテンシャルにスピン非対称が
ない場合には実線で示してある。
【００６９】この第１１の実施形態においては、磁性体
を含む領域と非磁性体を介して接するようにポテンシャ
ル障壁領域を配置する。すなわち、図１３Ａに示すよう
に、強磁性体層１３１が磁性体を含む領域を形成し、そ
の表面に非磁性体１３２が積層されている。ポテンシャ
ル障壁領域は、非磁性体層１３２の表面に積層された絶
縁体層１３３である。このポテンシャル障壁領域として
の絶縁体層１３３のポテンシャル障壁の高さおよび／ま
たは幅を変調させるために必要な電界を印加するため
に、絶縁体層１３３上に電極１３４が配設されている。
を含む領域と非磁性体を介して接するようにポテンシャ
ル障壁領域を配置する。すなわち、図１３Ａに示すよう
に、強磁性体層１３１が磁性体を含む領域を形成し、そ
の表面に非磁性体１３２が積層されている。ポテンシャ
ル障壁領域は、非磁性体層１３２の表面に積層された絶
縁体層１３３である。このポテンシャル障壁領域として
の絶縁体層１３３のポテンシャル障壁の高さおよび／ま
たは幅を変調させるために必要な電界を印加するため
に、絶縁体層１３３上に電極１３４が配設されている。
【００７０】いま、図１３Ａに示すように電極１３４に
正の電圧を印加すると、この場合のポテンシャル図は、
図１３Ｂのようになる。この時ショットキー効果が起こ
り、非磁性体層１３２とポテンシャル障壁領域との界面
のポテンシャル障壁の高さが、電圧印加前のＶb からＶ
b ´に下がっている。この磁気機能素子では、このポテ
ンシャル障壁の高さの減少を、強磁性体層１３１の磁気
異方性の変調に反映させることを特徴とする。
正の電圧を印加すると、この場合のポテンシャル図は、
図１３Ｂのようになる。この時ショットキー効果が起こ
り、非磁性体層１３２とポテンシャル障壁領域との界面
のポテンシャル障壁の高さが、電圧印加前のＶb からＶ
b ´に下がっている。この磁気機能素子では、このポテ
ンシャル障壁の高さの減少を、強磁性体層１３１の磁気
異方性の変調に反映させることを特徴とする。
【００７１】ポテンシャル障壁の高さの減少によって強
磁性体層１３１の磁気異方性が変調させられる原理は、
すでに述べたとおりである。図１３における強磁性体層
１３１の磁化方向は、磁気異方性の強さが不十分である
ために比較的不安定であったのに対し、図１４では電圧
の印加により磁気異方性が増大し、磁化方向が安定にな
ったことが示されている。
磁性体層１３１の磁気異方性が変調させられる原理は、
すでに述べたとおりである。図１３における強磁性体層
１３１の磁化方向は、磁気異方性の強さが不十分である
ために比較的不安定であったのに対し、図１４では電圧
の印加により磁気異方性が増大し、磁化方向が安定にな
ったことが示されている。
【００７２】このように、この第１１の実施形態によれ
ば、強磁性体層１３１と、非磁性体層１３２を介して接
するようにポテンシャル障壁領域を構成する絶縁体層１
３３を配置し、このポテンシャル障壁領域のポテンシャ
ル障壁を電極１３４に電圧を印加することにより変調
し、この変調によって強磁性体層１３１の磁化を制御す
るようにしているので、従来のように磁界を用いること
なく、強磁性体層１３１の磁化を容易に制御することが
できる。また、この場合、ポテンシャル障壁領域を構成
する絶縁体層１３３は強磁性体層１３１の外部に配置す
ることができることから、電圧印加による入力を行うた
めの電極１３４を容易に配設することができる。
ば、強磁性体層１３１と、非磁性体層１３２を介して接
するようにポテンシャル障壁領域を構成する絶縁体層１
３３を配置し、このポテンシャル障壁領域のポテンシャ
ル障壁を電極１３４に電圧を印加することにより変調
し、この変調によって強磁性体層１３１の磁化を制御す
るようにしているので、従来のように磁界を用いること
なく、強磁性体層１３１の磁化を容易に制御することが
できる。また、この場合、ポテンシャル障壁領域を構成
する絶縁体層１３３は強磁性体層１３１の外部に配置す
ることができることから、電圧印加による入力を行うた
めの電極１３４を容易に配設することができる。
【００７３】図１５はこの発明の第１２の実施形態によ
る磁気機能素子を示す。この第１２の実施形態において
は、第１１の実施形態による磁気機能素子の構造をより
具体化した例について説明する。図１５に示すように、
この磁気機能素子においては、基板１４１上に、下地層
１４２を介して、一層の強磁性体層１４３が配設されさ
れており、その上に非磁性体層１４４およびポテンシャ
ル障壁領域を構成する絶縁体層１４５が配設され、さら
にその上に電極１４６が配設されている。
る磁気機能素子を示す。この第１２の実施形態において
は、第１１の実施形態による磁気機能素子の構造をより
具体化した例について説明する。図１５に示すように、
この磁気機能素子においては、基板１４１上に、下地層
１４２を介して、一層の強磁性体層１４３が配設されさ
れており、その上に非磁性体層１４４およびポテンシャ
ル障壁領域を構成する絶縁体層１４５が配設され、さら
にその上に電極１４６が配設されている。
【００７４】基板１４１、下地層１４２および強磁性体
層１４３としては、第２の実施形態と同様なものを用い
ることができる。また、非磁性体層１４４としては、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの貴金属や遷移金属を用いることが
できる。ポテンシャル障壁領域を構成する絶縁体層１４
５としては、第２の実施形態と同様なものを用いること
ができる。
層１４３としては、第２の実施形態と同様なものを用い
ることができる。また、非磁性体層１４４としては、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの貴金属や遷移金属を用いることが
できる。ポテンシャル障壁領域を構成する絶縁体層１４
５としては、第２の実施形態と同様なものを用いること
ができる。
【００７５】図１６はこの発明の第１３の実施形態によ
る磁気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第１２の
実施形態による磁気機能素子における絶縁体層１４５か
らなるポテンシャル障壁領域の代わりに、半導体と金属
との界面に形成されるショットキー障壁を用いたものに
相当する。すなわち、図１６に示すように、この磁気機
能素子においては、基板１５１上に、下地層１５２を介
して、一層の強磁性体層１５３が配設されており、その
上に非磁性体層１５４および半導体層１５５が順次配設
され、さらにその上に電極１５６が配設されている。こ
の場合、このショットキー障壁領域がポテンシャル障壁
領域を構成する。
る磁気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第１２の
実施形態による磁気機能素子における絶縁体層１４５か
らなるポテンシャル障壁領域の代わりに、半導体と金属
との界面に形成されるショットキー障壁を用いたものに
相当する。すなわち、図１６に示すように、この磁気機
能素子においては、基板１５１上に、下地層１５２を介
して、一層の強磁性体層１５３が配設されており、その
上に非磁性体層１５４および半導体層１５５が順次配設
され、さらにその上に電極１５６が配設されている。こ
の場合、このショットキー障壁領域がポテンシャル障壁
領域を構成する。
【００７６】図１７はこの発明の第１４の実施形態によ
る磁気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第１２の
実施形態における強磁性体層１４３、非磁性体層１４４
およびポテンシャル障壁領域を構成する絶縁体層１４５
の上下関係を逆にし、基板側にポテンシャル障壁領域を
配置したものに相当する。すなわち、図１７に示すよう
に、この磁気機能素子においては、基板１６１上に、下
地層１６２を介して、絶縁体層１６３からなるポテンシ
ャル障壁領域が配設され、その上に非磁性体層１６４お
よび強磁性体層１６５が順次配設され、さらにその上に
電極１６６が配設されている。
る磁気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第１２の
実施形態における強磁性体層１４３、非磁性体層１４４
およびポテンシャル障壁領域を構成する絶縁体層１４５
の上下関係を逆にし、基板側にポテンシャル障壁領域を
配置したものに相当する。すなわち、図１７に示すよう
に、この磁気機能素子においては、基板１６１上に、下
地層１６２を介して、絶縁体層１６３からなるポテンシ
ャル障壁領域が配設され、その上に非磁性体層１６４お
よび強磁性体層１６５が順次配設され、さらにその上に
電極１６６が配設されている。
【００７７】図１８はこの発明の第１５の実施形態によ
る磁気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第１４の
実施形態による磁気機能素子における絶縁体層１６３か
らなるショットキー障壁の代わりに、半導体と金属との
界面に形成されるショットキー障壁を用いたものに相当
する。すなわち、図１８に示すように、この磁気機能素
子においては、基板１７１上に、下地層１７２を介し
て、半導体層１７３が配設され、その上に非磁性体層１
７４および強磁性体層１７５が順次配設され、さらにそ
の上に電極１７６が配設されている。この場合、半導体
層１７３と非磁性体層１７４との界面に形成されたショ
ットキー障壁がポテンシャル障壁領域となる。
る磁気機能素子を示す。この磁気機能素子は、第１４の
実施形態による磁気機能素子における絶縁体層１６３か
らなるショットキー障壁の代わりに、半導体と金属との
界面に形成されるショットキー障壁を用いたものに相当
する。すなわち、図１８に示すように、この磁気機能素
子においては、基板１７１上に、下地層１７２を介し
て、半導体層１７３が配設され、その上に非磁性体層１
７４および強磁性体層１７５が順次配設され、さらにそ
の上に電極１７６が配設されている。この場合、半導体
層１７３と非磁性体層１７４との界面に形成されたショ
ットキー障壁がポテンシャル障壁領域となる。
【００７８】以上、この発明の実施形態につき具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。
説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。
【００７９】すなわち、上述の実施形態において挙げた
数値、構造、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、
必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、材料
などを用いることも可能である。
数値、構造、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、
必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、材料
などを用いることも可能である。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、磁性体を含む領域と直接または間接的に接するよう
にポテンシャル障壁領域を配置し、このポテンシャル障
壁領域のポテンシャル障壁の変調によって、磁性体を含
む領域の磁化を制御するので、磁界を用いることなく磁
化を制御することができる。これによって、電圧印加な
どの入力を行うための電極を容易に配設することができ
るようになるなど、従来の技術が有する多くの問題を一
挙に解決することができる。そして、これによって、例
えば、アクセス時間が短く、高集積化が容易であり、不
揮発性であり、書き換え可能回数も多く、クロストーク
もない、極めて理想的な固体メモリを実現することがで
きる。
ば、磁性体を含む領域と直接または間接的に接するよう
にポテンシャル障壁領域を配置し、このポテンシャル障
壁領域のポテンシャル障壁の変調によって、磁性体を含
む領域の磁化を制御するので、磁界を用いることなく磁
化を制御することができる。これによって、電圧印加な
どの入力を行うための電極を容易に配設することができ
るようになるなど、従来の技術が有する多くの問題を一
挙に解決することができる。そして、これによって、例
えば、アクセス時間が短く、高集積化が容易であり、不
揮発性であり、書き換え可能回数も多く、クロストーク
もない、極めて理想的な固体メモリを実現することがで
きる。
【図１】この発明の第１の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図および電圧印加前のポテンシャル図であ
る。
を示す断面図および電圧印加前のポテンシャル図であ
る。
【図２】この発明の第１の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図および電圧印加後のポテンシャル図であ
る。
を示す断面図および電圧印加後のポテンシャル図であ
る。
【図３】この発明の第１の実施形態による磁気機能素子
の動作を説明するための略線図である。
の動作を説明するための略線図である。
【図４】この発明の第２の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図６】この発明の第４の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図７】この発明の第５の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図８】この発明の第６の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図９】この発明の第７の実施形態による磁気機能素子
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図１０】この発明の第８の実施形態による情報記憶素
子を示す平面図および断面図である。
子を示す平面図および断面図である。
【図１１】この発明の第９の実施形態による情報記憶素
子を示す平面図および断面図である。
子を示す平面図および断面図である。
【図１２】この発明の第１０の実施形態によるトランジ
スタを示す断面図である。
スタを示す断面図である。
【図１３】この発明の第１１の実施形態による磁気機能
素子を示す断面図および電圧印加前のポテンシャル図で
ある。
素子を示す断面図および電圧印加前のポテンシャル図で
ある。
【図１４】この発明の第１１の実施形態による磁気機能
素子を示す断面図および電圧印加後のポテンシャル図で
ある。
素子を示す断面図および電圧印加後のポテンシャル図で
ある。
【図１５】この発明の第１２の実施形態による磁気機能
素子を示す断面図である。
素子を示す断面図である。
【図１６】この発明の第１３の実施形態による磁気機能
素子を示す断面図である。
素子を示す断面図である。
【図１７】この発明の第１４の実施形態による磁気機能
素子を示す断面図である。
素子を示す断面図である。
【図１８】この発明の第１５の実施形態による磁気機能
素子を示す断面図である。
素子を示す断面図である。
１１、２３、３３、４３、５４、６４、７４・・・磁性
体を含む領域、１２、２４、５３・・・ポテンシャル障
壁領域、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、
１０１、１２１、１４１、１５１、１６１、１７１・・
・基板、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４
３ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４
ｂ、１２２、１２３、１３１、１４３、１５３、１６
５、１７５・・・強磁性体層、１１ｃ、２３ｃ、３３
ｃ、４３ｃ、５４ｃ、６４ｃ、７４ｃ、８５ａ、１０５
ａ、１０５ｂ、１２４・・・中間層、１２ａ、２４ａ、
５３ｂ・・・金属層、１２ｂ、２４ｂ、３４、５３ａ、
６３、８３、１０３、１５５、１７３・・・半導体層、
４４、７３、１４５、１６３・・・絶縁体層
体を含む領域、１２、２４、５３・・・ポテンシャル障
壁領域、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、
１０１、１２１、１４１、１５１、１６１、１７１・・
・基板、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、４３ａ、４
３ｂ、５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４
ｂ、１２２、１２３、１３１、１４３、１５３、１６
５、１７５・・・強磁性体層、１１ｃ、２３ｃ、３３
ｃ、４３ｃ、５４ｃ、６４ｃ、７４ｃ、８５ａ、１０５
ａ、１０５ｂ、１２４・・・中間層、１２ａ、２４ａ、
５３ｂ・・・金属層、１２ｂ、２４ｂ、３４、５３ａ、
６３、８３、１０３、１５５、１７３・・・半導体層、
４４、７３、１４５、１６３・・・絶縁体層
Claims (28)
- 【請求項１】 磁性体を含む領域と直接または間接的に
接するようにポテンシャル障壁領域を配置し、 このポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の変調に
よって、上記磁性体を含む領域の磁化を制御するように
したことを特徴とする磁化制御方法。 - 【請求項２】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性体
層が中間層によって分離された積層構造を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設されたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記磁性体を含む
領域内の上記複数の強磁性体層の磁化の相対的配置を制
御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁化
制御方法。 - 【請求項３】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性金
属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造を
有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された半導体層との界面に形成されたポテン
シャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御す
るようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁化制御
方法。 - 【請求項４】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性金
属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造を
有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された絶縁体層からなるポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御す
るようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁化制御
方法。 - 【請求項５】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性体
層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記強磁性体層の
磁化の方向を制御するようにしたことを特徴とする請求
項１記載の磁化制御方法。 - 【請求項６】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性体
層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた半導体層との界面に形成されたポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記
載の磁化制御方法。 - 【請求項７】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性体
層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた絶縁体層からなるポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記
載の磁化制御方法。 - 【請求項８】 磁性体を含む領域と直接または間接的に
接するようにポテンシャル障壁領域を配置し、 このポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の変調に
よって、上記磁性体を含む領域の磁化を制御し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする情報記憶方
法。 - 【請求項９】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性体
層が中間層によって分離された積層構造を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設されたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記磁性体を含む
領域内の上記複数の強磁性体層の磁化の相対的配置を制
御し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする請求項８記
載の情報記憶方法。 - 【請求項１０】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
金属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された半導体層との界面に形成されたポテン
シャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御
し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする請求項８記
載の情報記憶方法。 - 【請求項１１】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
金属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された絶縁体層からなるポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御
し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする請求項８記
載の情報記憶方法。 - 【請求項１２】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記強磁性体層の
磁化の方向を制御するようにしたことを特徴とする請求
項８記載の情報記憶方法。 - 【請求項１３】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた半導体層との界面に形成されたポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項８記
載の情報記憶方法。 - 【請求項１４】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた絶縁体層からなるポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項８記
載の情報記憶方法。 - 【請求項１５】 磁性体を含む領域と直接または間接的
に接するようにポテンシャル障壁領域を配置した構造を
有し、 このポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の変調に
よって、上記磁性体を含む領域の磁化を制御するように
したことを特徴とする磁気機能素子。 - 【請求項１６】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
体層が中間層によって分離された積層構造を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設されたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記磁性体を含む
領域内の上記複数の強磁性体層の磁化の相対的配置を制
御するようにしたことを特徴とする請求項１５記載の磁
気機能素子。 - 【請求項１７】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
金属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された半導体層との界面に形成されたポテン
シャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御す
るようにしたことを特徴とする請求項１５記載の磁気機
能素子。 - 【請求項１８】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
金属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された絶縁体層からなるポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御す
るようにしたことを特徴とする請求項１５記載の磁気機
能素子。 - 【請求項１９】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記強磁性体層の
磁化の方向を制御するようにしたことを特徴とする請求
項１５記載の磁気機能素子。 - 【請求項２０】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた半導体層との界面に形成されたポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項１５
記載の磁気機能素子。 - 【請求項２１】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた絶縁体層からなるポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項１５
記載の磁気機能素子。 - 【請求項２２】 磁性体を含む領域と直接または間接的
に接するようにポテンシャル障壁領域を配置した構造を
有し、 このポテンシャル障壁領域のポテンシャル障壁の変調に
よって、上記磁性体を含む領域の磁化を制御し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする情報記憶素
子。 - 【請求項２３】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
体層が中間層によって分離された積層構造を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設されたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記磁性体を含む
領域内の上記複数の強磁性体層の磁化の相対的配置を制
御し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする請求項２２
記載の情報記憶素子。 - 【請求項２４】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
金属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された半導体層との界面に形成されたポテン
シャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御
し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする請求項２２
記載の情報記憶素子。 - 【請求項２５】 上記磁性体を含む領域は複数の強磁性
金属層が非磁性金属中間層によって分離された積層構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁領域はこの積層構造の積層方向の
外側に配設された絶縁体層からなるポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記磁性体を含む領域内
の上記複数の強磁性金属層の磁化の相対的配置を制御
し、 上記磁性体を含む領域の磁化の少なくとも一つを用いて
情報記憶を行うようにしたことを特徴とする請求項２２
記載の情報記憶素子。 - 【請求項２６】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れたポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅を制御することにより、上記強磁性体層の
磁化の方向を制御するようにしたことを特徴とする請求
項２２記載の情報記憶素子。 - 【請求項２７】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた半導体層との界面に形成されたポテンシャル障壁層
であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項２２
記載の情報記憶素子。 - 【請求項２８】 上記磁性体を含む領域は単一の強磁性
体層からなり、 上記ポテンシャル障壁領域はこの強磁性体層に、一原子
層以上の厚さの非磁性体層を介して接するように配設さ
れた絶縁体層からなるポテンシャル障壁層であり、 このポテンシャル障壁層のポテンシャル障壁の高さおよ
び／または幅をこのポテンシャル障壁層への電界の印加
によって制御することにより、上記強磁性体層の磁化の
方向を制御するようにしたことを特徴とする請求項２２
記載の情報記憶素子。
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