JPH11238924A

JPH11238924A - スピン依存伝導素子とそれを用いた電子部品および磁気部品

Info

Publication number: JPH11238924A
Application number: JP10039343A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Inomata; 浩一郎猪俣; Yoshiaki Saito; 好昭斉藤; Tatsuya Kishi; 達也岸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-31
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JP3556457B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の電子伝導素子とは全く異なる電子のス
ピンを利用した電子伝導素子を提供する。極めて大きな
磁気抵抗変化率が室温で得られ、さらに増幅機能を持た
せたスピン依存伝導素子が求められている。【解決手段】 1層以上の強磁性層３と、少なくとも 1
層が強磁性体からなる 2層以上の電極層１、５と、これ
ら強磁性層３および電極層１、５間に 2重以上の多重ト
ンネル接合を形成するように積層配置された誘電体層
（トンネル層）２、４とを具備し、強磁性層３に離散的
なエネルギー準位が形成されており、かつエネルギー準
位を制御するための電極を有するスピン依存伝導素子で
ある。あるいは、誘電体マトリックス中に分散させた強
磁性微粒子を有するグラニュラー磁性層を介して多重ト
ンネル接合を形成すると共に、グラニュラー磁性層に静
電エネルギーに基づく離散的なエネルギー準位を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体のトンネ
ル効果を利用した磁気素子とその応用部品に係り、特に
強磁性体中に形成された離散的なエネルギー準位を外部
から制御するようにしたスピン依存伝導素子とそれを用
いた電子部品および磁気部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】スピン依存伝導素子としては、これまで
に巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が知られてい
る。磁気抵抗効果（ＭＲ）とは、ある種の磁性体に磁界
を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁
界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。例えば、
強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は温度
安定性に優れ、かつ使用範囲が広いというような特徴を
有している。

【０００３】従来より、磁性体を用いたＭＲ素子にはパ
ーマロイ合金などの薄膜が広く使用されてきた。これを
ハードディスクなどの再生ヘッドに使用することで高密
度磁気記録が達成されている。しかし、パーマロイ薄膜
の磁気抵抗変化率は 2〜3%程度と小さいため、さらなる
高密度記録を達成しようとすると十分な感度が得られな
いという問題があった。

【０００４】一方、近年磁気抵抗効果を示す新しい材料
として、磁性金属層と非磁性金属層とを数オングストロ
ームから数十オングストロームのオーダーの周期で交互
に積層した構造を有し、非磁性層を介して相対する磁性
層の磁気モーメントが反平行状態で磁気的に結合した人
工格子膜が、巨大磁気抵抗効果を示す材料として注目さ
れている。例えば、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜(Phys. Rev.
Lett.61, 2472(1988))や、Ｃｏ／Ｃｕ人工格子膜(J.Ma
g.Mag. Mater.94, L1(1991)、Phys. Rev. Lett.66, 215
2(1991)) などが見出されている。

【０００５】このような金属人工格子膜は、数 10%とい
う従来のパーマロイ合金薄膜よりも格段に大きな磁気抵
抗変化率を示す。このような巨大磁気抵抗効果は、伝導
を担う電子の散乱が磁性層のスピンの向きに依存するこ
とに起因している。しかしながら、このような金属人工
格子膜は、大きな磁気抵抗効果を得るためには積層数を
多くする必要があるという問題や、飽和磁界（抵抗値が
飽和する磁界）が数テスラ(T) 以上と大きく、このまま
では磁気ヘッドなどへの応用には不向きであるという問
題を有している。

【０００６】飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層／
非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜を有
し、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固
定し、他方の強磁性層を外部磁界により磁化反転させる
ことにより、 2つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変
化させる、いわゆるスピンバルブ膜が開発されている。
しかし、スピンバルブ膜は磁気抵抗変化率が 4〜8%程度
とあまり大きくなく、また積層膜の比抵抗そのものが数
10μΩcmと小さいため、外部磁界を検出するためには比
較的大きな電流を流す必要があるという問題を有してい
る。

【０００７】また、多層膜に対して電流を膜面に垂直方
向に流す、いわゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、非
常に大きな磁気抵抗効果か得られることが知られている
（Phys. Rev. Lett.66, 3060(1991)）。しかし、この場
合には電流パスが小さく、また各層が金属であるために
抵抗が小さく、サブミクロン以下に微細加工をしないと
室温での磁気抵抗効果を測定できないという問題があ
る。

【０００８】さらに、以上述べたような人工格子膜とは
異なり、非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分
散させた、いわゆるグラニュラー磁性膜もスピンに依存
した伝導に基づく巨大磁気抵抗効果を示すことが見出さ
れている（Phys. Rev. Lett.68, 3745(1992)）。このよ
うなグラニュラー磁性膜は、磁界を加えない状態では磁
性超微粒子の性質により、各磁性超微粒子のスピンは互
いに不規則な方向を向いて抵抗が高く、磁界を加えて各
スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下し、その結果
スピン依存散乱に基ずく磁気抵抗効果が発現する。しか
し、この場合の磁性超微粒子は超常磁性を示すため、飽
和磁界が本質的に非常に大きいという問題を有してい
る。

【０００９】一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異
にする、強磁性トンネル効果に基づく巨大磁気抵抗効果
が見出されている。これは強磁性層／絶縁層／強磁性層
の 3層積層膜からなり、一方の強磁性層の保磁力が他方
の強磁性層の保磁力よりも小さい構造において、両強磁
性層間に電圧を印加してトンネル電流を発生させるもの
である。このとき、保磁力の小さい磁性層のスピンのみ
を反転させると、 2つの強磁性層のスピンが互いに平行
なときと反平行なときでトンネル電流が大きく異なるた
め、巨大磁気抵抗効果が得られる。

【００１０】このような強磁性トンネル接合素子は構造
が簡単であり、しかも室温で 20%程度の大きな磁気抵抗
変化率が得られるという特徴がある。しかしながら、ト
ンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを数nm以
下と薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層を均質
に、しかも安定して作製することは困難であるため、抵
抗や磁気抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまうと
いう問題がある。また、絶縁層の抵抗が高すぎると、こ
れを磁気ヘッドなどに用いるために微細化した場合、一
般に素子の高速動作が得られず、また雑音が増大してＳ
／Ｎ比の大きい素子が得られないなどの問題が予測され
ている。

【００１１】一方、スピンバルブ膜や強磁性トンネル接
合を利用した磁気記憶素子も知られている。この場合、
2つの磁性層のうち一方を記録層とし、他方を読出し層
としている。従って、記録、再生のいずれの場合にもス
ピンを反転させる必要があり、そのための磁界印加用電
流源が必要になる。

【００１２】さらに、強磁性体を用いた 3端子素子、い
わゆるスピントランジスタと称するものが知られてい
る。これは金属磁性体／金属非磁性体／金属磁性体の 3
層構造を有している。第１の金属磁性体と金属非磁性体
との間に電圧を印加すると、第２の金属磁性体と金属非
磁性体との間に出力電圧が発生し、かつその出力電圧は
第１および第２の金属磁性体のスピンが互いに平行なと
きと反平行なときとで大きさが同じで符号が逆になると
いうものである（J.Appl. Phys.79. 4727(1996))。しか
し、このスピントランジスタは全て金属でできているた
め、出力電圧がナノボルト程度と非常に小さく、また電
流増幅作用は有していない。

【００１３】また、最近クーロンブロッケード効果によ
り磁気抵抗効果が増大することが見出されている(J.Phy
s. Soc. Jpn. 66, 1261(1997))。小さな容量をもつ 2重
トンネル接合において、電子を 1個トンネルさせるとＥ
_c＝ｅ²/2Ｃだけエネルギーが増大し、Ｃが小さければ
Ｅ_cは非常に大きくなり、電子 1個と言えどもトンネル
できない。これをクーロンブロッケードと言う。しか
し、このようなクーロンブロッケード状態でも高次のト
ンネル電流は流れ、これは協同トンネルと呼ばれる。こ
の状態では、抵抗は 2つのトンネル接合抵抗の積に比例
するので、磁気抵抗効果は増大する。

【００１４】従来から、電子あるいはホールの伝導を利
用した素子としては半導体素子が知られており、種々の
電子回路やメモリ素子など、非常に多くの分野で利用さ
れている。しかし、半導体素子は電子の電荷のみを利用
したものであり、電子のスピンは利用していない。

【００１５】また、金属層と誘電体層、あるいは異なる
半導体のへテロエピタキシャル層からなる積層膜におい
て、金属層あるいは半導体層に離散的なエネルギー準位
が形成され、そのエネルギー準位を経由してトンネル伝
導する、いわゆる共鳴トンネル効果を利用した素子も知
られている。しかし、これらの素子も電子の電荷のみを
利用したものであり、電子のスピンは利用していない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、これ
までの電子伝導を利用した半導体素子や共鳴トンネル効
果素子は、いずれも電子の電荷のみを利用したものであ
り、電子のスピンは利用していない。

【００１７】一方、電子のスピンを利用した伝導素子と
しては、巨大磁気抵抗効果を示すスピンバルブ素子、そ
れを利用した磁気センサ、磁気ヘッド、磁気記憶素子、
あるいは強磁性トンネル接合を利用した磁気ヘッドや磁
気記憶素子などが知られている。これらは磁気抵抗変化
率が 10%未満と小さいために再生感度に限界があり、ま
た出力電圧が小さいという問題を有している。特に、磁
気記憶素子では記録、再生のいずれの場合にもスピンを
反転させる必要があり、そのための磁界印加用の電流源
が必要になるという煩雑さがある。

【００１８】また、金属磁性体／金属非磁性体／金属磁
性体の 3層構造を有する従来の 3端子素子（スピントラ
ンジスタ素子）は、出力電圧が極端に小さく実用化が困
難であり、また電流増幅作用も有していない。

【００１９】本発明は、従来の電子伝導素子とは全く異
なる電子のスピンを利用した電子伝導素子を提供するも
のであり、しかも磁性体中に形成された離散的エネルギ
ー準位を利用することで、極めて大きな磁気抵抗変化率
が室温で得られ、さらにその離散的エネルギー準位を電
圧によって制御することによって、増幅機能を持たせた
スピン依存伝導素子を提供することを目的としている。
さらには、そのようなスピン依存伝導素子を用いた電子
部品および磁気部品を提供することを目的としている。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、強磁性微
粒子を誘電体マトリックス中に分散させたグラニュラー
磁性層と、このグラニュラー磁性層に近接配置された強
磁性層との間にトンネル電流を流す磁気素子に関する研
究を進めた結果、トンネル電流を制御することにより磁
気抵抗を大幅に制御できることを見出した。さらに、こ
れはスピン依存共鳴トンネル効果を起源とするものであ
ることを検証した。本発明はこのような知見および検証
結果に基づくものである。

【００２１】上記したスピン依存共鳴トンネル効果は、
2重以上の多重トンネル接合によるものである。従っ
て、グラニュラー磁性層を用いた場合以外の、強磁性層
と誘電体層あるいは強磁性層と半導体層からなる多重ト
ンネル接合においても、同様の効果が得られる。スピン
依存共鳴トンネル効果が発現するためには、多重トンネ
ル接合における強磁性体の少なくとも一つに、離散的エ
ネルギー準位が形成されなければならない。

【００２２】本発明は上記したような新たな知見に基づ
くものであり、強磁性層（あるいはグラニュラー磁性
層）内に生じた離散的エネルギー準泣を外部電圧により
制御する電極を設けたスピン依存伝導素子と、それを用
いた応用部品、応用装置を提供するものである。

【００２３】すなわち、本発明における第１のスピン依
存伝導素子は、請求項１に記載したように、 1層以上の
強磁性層と、少なくとも 1層が強磁性体からなる 2層以
上の電極層と、前記強磁性層および電極層間に 2重以上
の多重トンネル接合が形成されるように、前記強磁性層
および電極層と交互に積層配置された誘電体または半導
体からなる 2層以上のトンネル層とを具備し、前記強磁
性層に離散的なエネルギー準位が形成されており、かつ
前記エネルギー準位を制御するための電極を有すること
を特徴としている。

【００２４】本発明における第２のスピン依存伝導素子
は、請求項２に記載したように、誘電体マトリックス中
に分散させた強磁性微粒子を有し、かつ保磁力を持つ 1
層以上のグラニュラー磁性層と、前記グラニュラー磁性
層との間に 2重以上の多重トンネル接合が形成されるよ
うに、前記グラニュラー磁性層と近接配置された少なく
とも 1層が強磁性体からなる 2層以上の電極層とを具備
し、前記グラニュラー磁性層に静電エネルギーに基づく
離散的なエネルギー準位が形成されており、かつ前記エ
ネルギー準位を制御するための電極を有することを特徴
としている。

【００２５】本発明のスピン依存伝導素子は、請求項３
に記載したように、前記多重トンネル接合がスピン依存
共鳴トンネル効果を示すことを特徴とするものである。
さらに、請求項４および請求項５に記載したように、前
記強磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）と前記強磁
性体からなる電極層のうち、一方のスピンの方向を変化
させることにより、スピン依存共鳴トンネル効果に基づ
く磁気抵抗効果を発現させるものである。さらには、本
発明のスピン依存伝導素子は、請求項７に記載したよう
に、２端子素子構造および３端子素子構造のいずれの構
造とすることもできる。

【００２６】また、本発明の電子部品および磁気部品
は、請求項８および請求項９に記載したように、上述し
た本発明スピン依存伝導素子を具備することを特徴とし
ている。同様に、本発明の磁気ヘッドおよび磁気記憶素
子は、請求項１０および請求項１１に記載したように、
上述した本発明スピン依存伝導素子を具備することを特
徴としている。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００２８】まず、本発明のスピン依存伝導素子の基本
構成および本発明の基本となるスピン依存共鳴トンネル
効果について説明する。なお、以下では簡単のために 2
重トンネル接合について、しかも誘電体を用いた場合に
ついて示す。この結果は多重トンネル接合および半導体
を用いた場合に拡張できることは容易に考察できる。図
１（ａ）は本発明の第１のスピン依存伝導素子の基本構
成を示す図である。図１（ａ）に示すスピン依存伝導素
子は、第１の強磁性層１／誘電体層２／第２の強磁性層
３／誘電体層４／第３の強磁性層５からなる積層膜を有
している。この積層膜においては、誘電体層２、４を介
して、 3層の強磁性層１、３、５間に2重トンネル接合
が形成されている。

【００２９】3層の強磁性層１、３、５のうち、第１お
よび第３の強磁性層１、５は電極層である。なお、後述
するように、トンネル電流の出口側に当る電極層（５）
は強磁性体に限らず、非磁性金属などで構成してもよ
い。また、第２の強磁性層３は2つの薄い誘電体層２、
４、すなわち 2つのトンネル層によって挟まれており、
各誘電体層２、４を介して第１の強磁性層１と第３の強
磁性層５との間にそれぞれトンネル電流が流れるように
構成されている。なお、図中６は電極である。

【００３０】このような構造において、第２の強磁性層
３が十分に薄い場合には、図１（ｂ）に示すように、量
子効果により第２の強磁性層３にスピンに依存した離散
的なエネルギー準位が形成される。すなわち、第２の強
磁性層３の離散的なエネルギー準位は交換相互作用のた
めにスピン分裂しており、上向きスピン（↑）と下向き
スピン（↓）ではエネルギーが交換エネルギーγの分だ
け異なっている。

【００３１】今、図１（ａ）に示したように、第１の強
磁性層１と第２の強磁性層３との間に電圧を印加すると
共に、第２の強磁性層３と第３の強磁性層５との間に逆
符号の電圧を印加する。すると、薄い誘電体層（トンネ
ル層）２を介して第１の強磁性層１と第２の強磁性層３
との間にトンネル電流が流れる。そして、第１の強磁性
層１と第３の強磁性層５に加えた電圧Ｖが適当な値のと
き、第２の強磁性層３内の上向きスピン（↑）または下
向きスピン（↓）の離散的エネルギー準位のうちの 1つ
（図１（ｂ）では↑スピン）が第１の強磁性層１の伝導
電子のエネルギーと同じレベル（共鳴状態）になる。

【００３２】そうすると、共鳴状態にある離散的エネル
ギー準位のスピンと同じ向きのスピンを持つ第１の強磁
性層１中の伝導電子は、誘電体層２、４により反射され
ることなく、100%の透過率をもって第１の強磁性層１か
ら第３の強磁性層５へトンネル伝導することができる。
一方、それとは反対のスピンを持つ伝導電子は、トンネ
ル伝導することができない。これがスピン依存共鳴トン
ネル効果である。

【００３３】強磁性体ではフェルミ準位近傍の電子のみ
が伝導に寄与し、しかもその伝導電子の数はスピンによ
って異なる。従って、第１の強磁性層１と第２の強磁性
層３の磁化が互いに平行なときと反平行なときでは、共
鳴準位を経てトンネルする電子の数が異なる。それゆ
え、例えば第２の強磁性層３の磁化を固定し、第１の強
磁性層１の磁化を反転させれば、両者でトンネル電流が
大きく異なるため、スピン依存共鳴トンネル効果に基づ
く非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。第３の強磁性
層５からなる電極層はトンネル電流が流れ得るものであ
ればよく、強磁性体に限らず非磁性金属などからなる電
極層を使用することができる。

【００３４】図１は半導体を用いたトランジスタに相当
し、第１の強磁性層１がエミッタ、第２の強磁性層３が
ベース、第３の強磁性層（あるいは非磁性電極層）５が
コレクタに対応する。すなわち、エミッタ（１）とベー
ス（３）に電圧Ｖ_EBを印加するとベース電流Ｉ_Bが流
れ，ベース（３）とコレクタ（５）に逆電圧Ｖ_CBを印加
するとコレクタ電流Ｉ_Cが流れる。コレクタ電流Ｉ_Cは
ベース電流Ｉ_Bよりも大きくなり、電流増幅作用を示
す。

【００３５】これまでは第２の強磁性層３のスピンが第
１の強磁性層１のスピンに対して平行および反平行の場
合について説明したが、一般に角度θをなす場合には c
osθに比例したトンネル電流が得られるので、電流値に
よってスピンの相対角度θを検出することができる。こ
のように、バイアス電圧Ｖ_CBを制御することによって、
スピンの向きを決定することができ、また電流増幅作用
を得ることができる。これらの機能によって、本発明の
スピン依存伝導素子は真の意味でのスピントランジスタ
ということができる。

【００３６】本発明の第１のスピン依存伝導素子は、半
導体素子における電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）の
ように、第２の強磁性層３にバイアス電圧を印加するた
めの電極を設けた構成とすることもできる。図２はその
ような構成の一例を示している。第２の強磁性層３に
は、バイアス電圧を印加するための電極７が設けられて
いる。このような構成において、第１の強磁性層（第１
の電極層）１と第３の強磁性層（第２の電極層／非磁性
層であってもよい）との間に電圧を印加してトンネル電
流を流し、電極７から第２の強磁性層３にバイアス電圧
を印加して第２の強磁性層３の離散的エネルギー準位を
制御（シフト）することによって、スピン依存共鳴状態
を生じさせることができる。

【００３７】さらに、本発明の第１のスピン依存伝導素
子において、離散的エネルギー準位を形成する強磁性層
（図１では第２の強磁性層３）は 1層に限られるもので
はなく、例えば図３に示すように中間の強磁性層３を多
層構造（３ａ、３ｂ、…３ｎ）とすると共に、これら各
強磁性層３ａ、３ｂ、…３ｎを誘電体層９と交互に積層
配置して、 3重以上の多重トンネル接合を有する構成と
することもできる。このような構成においても、中間の
強磁性層３の離散的エネルギー準位を制御することとよ
って、スピン依存共鳴状態を生じさせることができる。

【００３８】図１〜３に示したスピン依存伝導素子にお
いて、強磁性層１、３、５の構成材料は特に限定される
ものではなく、パーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合
金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む
合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー
合金などのハーフメタル、ＣｒＯ₂、マグネタイト、Ｍ
ｎペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモ
ルファス合金などの種々の軟磁性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ
合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希士類合金などの硬
磁性材料まで、種々の強磁性材料を使用することができ
る。

【００３９】また、第１および第２の強磁性層１、３の
うち、例えば第１の強磁性層１のスピンの方向のみを変
化させるためには、例えば強磁性体の保磁力の差を利用
してもよいし、また反強磁性膜を積層配置して交換結合
により強磁性層の磁化を固定するようにしてもよい。第
２の強磁性層３の厚さは、上述したように量子効果によ
りスピンに依存した離散的なエネルギー準位が形成され
るような厚さ、具体的には 5nm以下程度とする。第１お
よび第３の強磁性層１、５の厚さは特に限定されるもの
ではなく、例えば 0.1〜 100mm程度とすることが好まし
い。

【００４０】さらに、上述した実施形態ではトンネル層
として誘電体層２、４を用いた場合について説明した
が、この誘電体層２、４に代えて半導体層をトンネル層
として使用しても同様なスピン依存伝導素子を構成する
ことができ、また同様な作用・効果が得られる。トンネ
ル層として用いる誘電体および半導体は特に限定される
ものではなく、種々の誘電体材料および半導体材料を使
用することができる。また、トンネル層の厚さは 0.5〜
5nm程度とすることが好ましい。

【００４１】上述した実施形態では、強磁性体と誘電体
（または半導体）との 2重以上の多重トンネル接合を有
するスピン依存伝導素子について説明したが、非磁性の
誘電体マトリックス中に強磁性微粒子を分散させたグラ
ニュラー磁性層を用いた場合においても、同様なスピン
依存共鳴トンネル効果を室温で得ることができる。これ
が本発明の第２のスピン依存伝導素子である。

【００４２】すなわち、図４（ａ）に示すスピン依存伝
導素子は、強磁性体からなる第１の電極層１１／グラニ
ュラー磁性層１２／非磁性体からなる第２の電極層１３
からなる積層膜を有している。この積層膜において、グ
ラニュラー磁性層１２は誘電体マトリックス１４中に強
磁性微粒子１５を分散させたものであり、このグラニュ
ラー磁性層１２は超常磁性を示さず、有限の保磁力を持
つ強磁性体である。このグラニュラー磁性層１２を挟ん
で、第１の電極層１１と第２の電極層１３とが近接配置
されており、第１の電極層１１とグラニュラー磁性層１
２およびグラニュラー磁性層１２と第２の電極層１３と
の間に、それぞれトンネル電流が流れるように構成され
ている。すなわち、グラニュラー磁性層１２と電極層１
１、１３との間には 2重トンネル接合が形成されてい
る。

【００４３】なお、第２の電極層１３は非磁性体に限ら
ず強磁性体で構成してもよい。すなわち、第１および第
２の電極層１１、１３のうち、少なくとも第１の電極層
１１を強磁性体で構成すればよい。また、電極層１１、
１３とグラニュラー磁性層１２とは直接積層配置するこ
とに限らず、それらの間にトンネル電流が流れる程度の
厚さの絶縁膜を介在させてもよい。

【００４４】このような構造において、グラニュラー磁
性層１２に設けた電極１６を通して、第１の電極層（強
磁性体）１１とグラニュラー磁性層１２との間に電圧Ｖ
_EBを印加する。そして、グラニュラー磁性層１２と第２
の電極層（非磁性体）１３との間に逆符号の電圧Ｖ_CBを
印加する。ここで、グラニュラー磁性層１２中の強磁性
微粒子１５の大きさは十分に小さく、また周囲を誘電体
マトリックス１４によって囲まれているため、クーロン
ブロッケード効果によって強磁性微粒子１５のエネルギ
ー準位は、静電エネルギーＥ_c＝ｅ²/2Ｃ（ｅは電子の
電荷、Ｃは粒子の容量）のために、図４（ｂ）に示すよ
うに量子化されて離散的になる。

【００４５】従って、前述した第１の実施形態と同様
に、適当な値のバイアス電圧Ｖ_CBを印加すると、グラニ
ュラー磁性層と第１の電極層（強磁性層）１１との間に
共鳴トンネル準位が形成される。そして、共鳴状態にあ
るときは磁気抵抗が小さく、共鳴から外れるとクーロン
ブロッケード効果により大きな磁気抵抗効果が得られ
る。よって、電極１６により磁性粒子の静電エネルギー
準位を共鳴状態からはずすように制御し、例えばグラニ
ュラー磁性層１２の磁化を固定し、強磁性層１１の磁化
を反転させれば、両者でトンネル電流が大きく異なるた
め、非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。

【００４６】一方、電極１６により磁性粒子の静電エネ
ルギー準位を共鳴状態によるように制御するとクーロン
ブロッケード効果が消失し、磁気抵抗効果は減少する。
このように、電極１６に加える電圧を制御することで、
磁気抵抗効果を制御できるという新しい機能を持たせる
ことができる。

【００４７】第２のスピン依存伝導素子においても、前
述した第１のスピン依存伝導素子と同様に、強磁性層１
１とグラニュラー磁性層１２とのスピンの相対角度を検
出することができる。また、図５に示すように、表面に
絶縁層１９を有する基板１８上に形成したグラニュラー
磁性層１２にバイアス電圧を印加するための電極１７を
設けた構造とすることもできる。すなわち、第１の電極
層１１と第２の電極層１３との間に電圧を印加してトン
ネル電流を流し、電極１７からグラニュラー磁性層１２
にバイアス電圧を印加してグラニュラー磁性層１２中の
離散的エネルギー準位を制御することにより、共鳴状態
を生じさせることができる。この際、グラニュラー磁性
層１２は図６に示すように、単一の強磁性微粒子で量子
ドットを形成しているものであってもよい。図４に示し
た素子についても同様である。

【００４８】さらに、本発明の第２のスピン依存伝導素
子において、グラニュラー磁性層は1層に限られるもの
ではなく、グラニュラー磁性層と強磁性層とをさらに多
層積層した積層膜を適用することも可能である。このよ
うな構成においても、グラニュラー磁性層の離散的エネ
ルギー準位を制御することとよって、スピン依存共鳴状
態を生じさせることができる。

【００４９】図４〜図６に示したスピン依存伝導素子に
おいて、グラニュラー磁性層１２は超常磁性を示さず、
有限の保磁力を有する強磁性体であるため、従来のグラ
ニュラーＧＭＲ材料のような飽和磁界が大きいという問
題はない。また、グラニュラー磁性層１２は誘電体マト
リックス１４中に磁性微粒子１５を分散させているた
め、誘電体層をもつ強磁性トンネル接合に比べて電気抵
抗が小さく、さらにグラニュラー磁性層１２の電流パス
方向（膜厚方向あるいは膜面内方向）の長さ、磁性微粒
子１５の体積充填率、大きさ、分散状態などを制御する
ことによって、電気抵抗を適当な値に制御できるという
特徴を有してる。このため、応用に応じてスピン依存伝
導素子の電気抵抗を容易に調整することができる。

【００５０】グラニュラー磁性層１２は、上述したよう
に超常磁性体でなく、有限の保磁力を持つ必要がある。
誘電体マトリックス中に磁性微粒子を分散させたグラニ
ュラー磁性材料では、バルクに比べて一般に保磁力がか
なり小さくなるので、それを防ぐために、磁性微粒子１
５には特に磁気異方性の大きいＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ合金、
Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属一希土類合金などを用いるこ
とが望ましい。また、トンネル障壁を一定にする意味か
ら、これらの磁性微粒子１５は層状に配列していること
が望ましい。これらは 2層以上に配列させてもよい。

【００５１】また、保磁力があまり大きくないグラニュ
ラー磁性材料を使用する場合には、グラニュラー磁性層
の両端部に一対の硬磁性膜を隣接配置し、この硬磁性膜
からバイアス磁界を印加することによりスピンを固定し
てもよい。バイアス磁界印加膜としては硬磁性膜に限ら
ず、ＦｅＭｎやＩｒＭｎなどの反強磁性膜を使用するこ
ともできる。

【００５２】グラニュラー磁性層１２における磁性微粒
子１５の粒径は、超常磁性にならない程度の大きさ、具
体的には 1nm以上とすることが望ましい。ただし、あま
り磁性微粒子１５が大きいと粒子間隔が増大するため、
磁性微粒子７の粒径は10nm以下程度とすることが好まし
い。磁性微粒子１５の間隔は、それらの間でトンネル電
流が流れるように 5nm以下程度とすることが好ましい。

【００５３】また、誘電体マトリックス１４としては、
Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ΜｇＦ₂、Ｂｉ
₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＣａＦ₂などの種々の誘電体材料を使
用することができ、このような誘電体膜中に上記したよ
うな磁性微粒子１５を分散させることでグラニュラー磁
性層１２が得られる。なお、上記した酸化膜、窒化膜、
フッ化膜などでは、それぞれの元素の欠損が一般的に存
在するが、そのような誘電体膜であっても何等問題はな
い。

【００５４】一方、強磁性層１１としてはグラニュラー
磁性層１２との間で保磁力に大小関係を有していればよ
く、例えばパーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合金、強
磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、
ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー合金な
どのハーフメタル、ＣｒＯ₂、マグネタイト、Ｍｎペロ
ブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモルファ
ス合金などの種々の軟磁性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、
Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希士類合金などの硬磁性材
料まで、種々の強磁性材料を使用することができる。

【００５５】例えば、ハーフメタルは一方のスピンバン
ドにエネルギーギャップが存在するので、一方向のスピ
ンを持つ電子しか伝導に寄与しない。従って、このよう
な材料を強磁性層１１として使用することで、より大き
な磁気抵抗効果を得ることができる。なお、第２の電極
層１３に強磁性体を使用する場合、第１の電極層（強磁
性体）１１と必ずしも同じ材料である必要はなく、グラ
ニュラー磁性層１２と保磁力の違いがあればよい。

【００５６】強磁性層１１は単層構造に限らず、非磁性
層を介して配置した 2つの強磁性層を有し、これら強磁
性層の磁化を互いに反平行となるように結合させた積層
膜であってもよい。このような反平行に結合させた積層
膜によれば、強磁性層から磁束が外部に漏れることを防
ぐことができ、好ましい形態ということができる。この
ような反平行に結合した強磁性層を得るためには、強磁
性層と非磁性層とを交互に積層し、交換結合や静磁結合
を利用すればよい。

【００５７】さらに、強磁性層と半導体層とを交互に積
層した積層膜を、強磁性層１１として用いることもでき
る。この場合には、熱や光照射によりスピンを反転させ
ることができるため、磁界が不要になるという特徴があ
る。すなわち、例えば光や熱で記録し、バイアス電圧を
印加することで読み出す、新しいメモリなどが実現でき
る。このような積層膜に用いる半導体としては、Ｂ₂₀構
造のＦｅＳｉ合金やβ−ＦｅＳｉ₂、ＧａＡｓなどを用
いることができる。

【００５８】グラニュラー磁性層１２および強磁性層１
１は、それぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有することが
望ましい。これによって、急峻な磁化反転を起こすこと
ができると共に、磁化状態を安定して保持することがで
きる。これらは特に磁気記憶素子に適用する場合に有効
である。また、グラニュラー磁性層１２および強磁性層
１１の膜厚は 0.5〜 100nmの範囲とすることが好まし
い。このうち、グラニュラー磁性層１２の膜厚はできる
だけ薄い方が好ましいが、作製上均一な膜厚を維持する
ことができ、またトンネル電流に対して悪影響を及ぼさ
ない膜厚であればよく、例えば50nm以下であればよい。

【００５９】上述した各実施形態においては、本発明の
第１および第２のスピン依存伝導素子を 3端子素子とし
て利用する場合について主として説明したが、本発明の
スピン依存伝導素子は 2端子素子とすることもできる。
例えば、図１〜図３に示したスピン依存伝導素子および
図４〜図５に示したスピン依存伝導素子において、第１
および第２の電極層間（強磁性層間あるいは強磁性層と
非磁性層間）に電圧を印加し、その間の電流を測定すれ
ば、印加電圧が適当な値のときにスピン依存共鳴状態を
生じさせることができる。このように、本発明のスピン
依存伝導素子は2端子素子構造および 3端子素子構造の
いずれにも適用可能である。

【００６０】以上説明したように、本発明のスピン依存
伝導素子は電流増幅作用を有し、かつバイアス電圧が半
導体トランジスタに比べて非常に小さく、従って省電力
化できる。また、基本的に金属を用いているので、伝導
電子の数が半導体に比べて圧倒的に多い。よって、素子
サイズが微細化してもキャリアの数が多いので問題ない
というような特徴を有する。本発明のスピン依存伝導素
子は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記
憶素子などの磁気抵抗効果を利用した磁気部品および電
子部品に限らず、半導体を用いたトランジスタと同様の
機能を有することから、半導体が用いられてきた種々の
電子部品や電子装置に適用することが可能である。ま
た、半導体トランジスタなどの従来の半導体素子と組み
合わせて使用することも可能である。

【００６１】次に、本発明のスピン依存伝導電子の具体
的な素子構造について、図７および図８を参照して、 3
端子素子を例として説明する。なお、図７および図８で
はグラニュラー磁性層を用いたスピン依存伝導素子を示
したが、強磁性層に離散的エネルギー準位が形成される
スピン依存伝導素子も同様な素子構造とすることができ
る。

【００６２】まず、図７に示す 3端子構造のスピン依存
伝導電子は、基板２１上に導体層２２、強磁性層２３
（２３ａ、２３ｂ）、グラニュラー磁性層２４および金
属層２５が順に積層されている。すなわち、グラニュラ
ー磁性層２４が強磁性層２３ａとゲート電極２５とによ
り挟まれた構造を有している。

【００６３】ここで、強磁性層２３ｂは強磁性層２３ａ
にバイアス磁界を印加し、その保磁力を小さくする機能
をもたせたものであり、特に形成しなくてもよい。導体
層２２はそれに流す電流の向きを変えることによって、
強磁性層２３のスピンの向きを制御する役割を有する。
グラニュラー磁性層２４には 2つの電極２６、２７によ
りバイアス電圧が印加されるようになっている。なお、
図中２８は絶縁膜、２９は保護膜を兼ねた絶縁膜であ
る。なお、電極２６、２６′および電極２７、２７′は
それぞれ一方のみであってもよい。

【００６４】グラニュラー磁性層２４中の磁性微粒子は
サイズが小さく、そのためクーロンブロッケード効果に
よって静電エネルギーに基づく離散的エネルギー準位が
形成されている。このような構造において、電極２７と
電極２６の間（または電極２７′と電極２６′の間）に
電圧を印加するとトンネル電流が流れる。そして、ゲー
ト電極２５にバイアス電圧を印加すると、グラニュラー
磁性層２４の静電エネルギー準位を制御擦ることができ
る。

【００６５】この際、バイアス電圧を適当な値に制御す
ると、前述したようにグラニュラー磁性層２４に形成さ
れた離散的エネルギー準位がシフトし、強磁性層２３の
伝導電子のエネルギーと異なるように設定できる。そし
て、強磁性層２３のスピンを反転させることによって、
大きな磁気抵抗効果が得られる。一方、離散的エネルギ
ー準位を強磁性層２３の伝道電子のエネルギーと同レベ
ルに制御すると共鳴トンネル効果が生じ、このとき磁気
抵抗は大きく減少する。すなわち、外部磁界を印加する
ことなく、バイアス電圧を印加するだけで、トンネル電
流の大きさからスピンの向きを判定することができる。

【００６６】図７は強磁性層とグラニュラー磁性層とを
基板面に対して垂直方向に積層した素子構造であるが、
図８に示すように、グラニュラー磁性層２４を少なくと
も一方が強磁性体からなる電極（３０ａ、３０ｂ）で挟
み、それらが基板面に対してプラーナ型に配置された構
造とすることも可能である。この場合、基板２１表面に
は絶縁層３１を形成し、この絶縁層３１を介してグラニ
ュラー磁性層２４を形成する。このグラニュラー磁性層
２４上には薄い絶縁層３２を介して電極３３を形成し、
電極３３と基板２１との間にバイアス電圧を印加する。
これは半導体トランジスタでいうところのＦＥＴに相当
する。

【００６７】図８に示すような素子構造においても、適
当なバイアス電圧を印加するとグラニュラー磁性層２４
に形成された離散的エネルギー準位がシフトし、上述し
たように強磁性層（３０ａ）の伝導電子のエネルギーと
異なるとき大きくスピンに依存したトンネル電流が流れ
る。そして、強磁性層３０ａとグラニュラー磁性層２４
のうち、保磁力の小さい方のスピンを反転させることに
よって大きな磁気抵抗効果が得られる。なお、図８では
導体３４に電流を流して、強磁性層３０ａのスピンを反
転させる構造になっている。図中３５は絶縁層である。
すなわち、外部磁場を印加することなく、電極３３にバ
イアス電圧を印加するだけで、トンネル電流の大きさか
らスピンの向きを判定することができる。

【００６８】上述した素子によるスピンの向きの判定
は、従来の磁気抵抗効果素子と同様に、磁気ヘッドや磁
気センサとして利用することができ、さらには磁気記憶
素子の記憶情報（スピン情報）読み出しに利用すること
ができる。また、本発明のスピン依存伝導素子を磁気記
憶素子に用いる場合には、強磁性層（あるいはグラニュ
ラー磁性膜）に書き込みを行う必要があるが、それは強
磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）に対して絶縁層
を介して導体を近接させ、それに流す電流の向きにより
スピンの向きを制御し、それを１，０とすればよい。こ
のようにして、本発明の磁気部品が構成される。また同
様に、本発明のスピン依存伝導素子を用いて、従来半導
体が用いられてきた種々の電子部品を構成することがで
きる。

【００６９】なお、本発明のスピン依存伝導素子では、
磁性材料または非磁性材料からなる下地層、または非磁
性体のオーバーコー卜層などを設けてもよい。また、本
発明のスピン依存伝導素子は典型的には薄膜状であり、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸
着法など通常の薄膜形成装置を用いて作製することがで
きる。さらに、本発明に係わる積層膜を成膜するための
基板としては、ガラス、セラミックス、金属、半導体な
どの単結晶体および多結晶体など、任意のものを用いる
ことができる。特に、Ｓｉ基板を用いれば、例えばゲー
ト電極を形成し易いなど、従来の半導体技術を利用する
ことができる。

【００７０】

【実施例】次に，本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について説明する。

【００７１】実施例１図７に示した構造の 3端子素子（スピントランジスタ）
を作製した。薄膜は全てスパッタ法を用い成膜した。ま
ず、熱酸化Ｓｉ基板２１上に導体層２２としてＣｕ膜を
成膜し、引き続き強磁性層２３ｂ、２３ａ膜としてそれ
ぞれ20nm厚のＦｅおよび10nm厚のＣｏ₈₀Ｐｔ₂₀を形成し
た。次に、この強磁性層２３上に膜厚10nmのグラニュラ
ー磁性層２４を形成し、さらに電極２７、２７′として
Ａｕ膜、アルミナ絶縁膜２８、電極２６、２６′として
Ａｕ膜、ゲート電極２５としてＣｏ₉Ｆｅ合金膜、保護
膜２９としてアルミナ絶縁膜をそれぞれ成膜した。な
お、図７に示した素子構造はリフトオフ法を用いて作製
した。

【００７２】グラニュラー磁性層は、Ｃｏ₈₀Ｐｔ₂₀合金
とＳｉＯ₂をターゲットとして、Ａｒガス圧2mTorr、基
板バイアス400Wの条件下で、Ｃｏ₈₀Ｐｔ₂₀とＳｉＯ₂を
同時スパッタして作製した。得られた膜は、ＳｉＯ₂中
にＣｏ₈₀Ｐｔ₂₀合金粒子が約 50%の割合で層状に分散し
たグラニュラー構造になっていることを、膜断面の透過
型電子顕微鏡観察により確認した。Ｃｏ₈₀Ｐｔ₂₀合金粒
子の粒径は約 5nm、粒子間距離は約 1.5nmであった。ま
た、試料振動型磁力計を用いて磁化測定を行った結果、
保磁力は 600Ｏe と大きく、また明瞭なヒステリシスが
得られ、超常磁性的挙動は観測されなかった。

【００７３】このようにして作製した 3端子素子（スピ
ントランジスタ）を以下のようにして評価した。まず、
2つの電極２６、２７間に電圧を印加してグラニュラー
磁性層２４を流れる電流Ｉ_cを測定し、同時にゲート電
極２５にバイアス電圧Ｖ_Gを印加し、グラニュラー磁性
層２４をトンネルして金属層（磁性膜）２５に流れる電
流Ｉ_Cをバイアス電圧の関数として測定した。また、そ
の際に導体層２２に電流を流し、その向きを変えること
によって、強磁性層２３のスピンの向きを変えた。

【００７４】図９に、Ｖ_Gに対するＩ_Cの変化を示す。
なお、ここでは強磁性層２３とグラニュラー磁性層２４
のスピンは互いに平行である。Ｖ_Gが適当な値に達した
ときＩ_Cが急増しており、共鳴トンネル電流が流れたこ
とを示している。

【００７５】図１０は、Ｖ_G＝ 0の場合の外部磁場によ
るＩ_Cの変化を抵抗変化として表したものである。外部
磁界により抵抗が大きく変化し、その変化率すなわち磁
気抵抗変化率（飽和磁場下における抵抗に対する抵抗変
化の比）△Ｒ／Ｒ_sは、 45%と非常に大きいことが分か
る。一方、Ｖ_G＝11mVのときの磁気抵抗変化率は 15%で
あった。これは本発明のスピン依存伝導素子を磁気ヘッ
ド、磁気センサ、磁気記憶素子などに適用できることを
示していると共に、ゲート電圧によって磁気抵抗を制御
できることを示している。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のスピン依
存伝導素子によれば、電気抵抗を広い範囲で制御するこ
とができ、かつ小さな磁場で大きい磁気抵抗変化率を容
易に得ることができる。従って、本発明のスピン依存伝
導素子を用いることによって、出力電圧の大きい高感度
の磁気ヘッドや磁界センサなどを構成することが可能に
なる。また、磁気記憶素子として利用すれば、外部磁界
を印加することなく記憶情報を読み出すことができ、か
つ高速で出力の大きい不揮発性の固体磁気メモリを提供
することができる。さらに、本発明のスピン依存伝導素
子は電流増幅機能を有することから、従来の半導体を用
いた種々の電子部品や電子装置に適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１のスピン依存伝導素子の基本構
成および強磁性 2重トンネル接合のスピン依存共鳴トン
ネル効果を説明するための図である。

【図２】本発明の第１のスピン依存伝導素子の他の構
成を模式的に示す図である。

【図３】図１に示すスピン依存伝導素子の変形例を模
式的に示す図である。

【図４】本発明の第２のスピン依存伝導素子の基本構
成およびグラニュラー磁性層と強磁性層とからなる 2重
共鳴トンネル接合のスピン依存共鳴トンネル効果を説明
するための図である。

【図５】本発明の第２のスピン依存伝導素子の他の構
成を模式的に示す図である。

【図６】本発明の第２のスピン依存伝導素子のさらに
他の構成を模式的に示す図である。

【図７】本発明のスピン依存伝導素子を適用した 3端
子素子（スピントランジスタ）の一構成例を示す断面図
である。

【図８】本発明のスピン依存伝導素子を適用した 3端
子素子（スピントランジスタ）の他の構成例を示す断面
図である。

【図９】本発明の実施例による 3端子素子（スピント
ランジスタ）のバイアス電圧Ｖ_Gに対するトンネル電流
Ｉ_Cの変化の測定結果を示す図である。

【図１０】本発明の実施例による 3端子素子（スピン
トランジスタ）の磁気抵抗変化率の磁界依存性を示す図
である。

【符号の説明】

１……第１の強磁性層（第１の電極層）２、４……誘電体層（トンネル層）３……第２の強磁性層５……第３の強磁性層（第２の電極層）６、７、８、１６、１７、１８……電極１１……強磁性層（第１の電極層）１２……グラニュラー磁性層１３……非磁性金属層（第２の電極層）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 1層以上の強磁性層と、少なくとも 1層
が強磁性体からなる2層以上の電極層と、前記強磁性層
および電極層間に 2重以上の多重トンネル接合が形成さ
れるように、前記強磁性層および電極層と交互に積層配
置された誘電体または半導体からなる 2層以上のトンネ
ル層とを具備し、前記強磁性層に離散的なエネルギー準位が形成されてお
り、かつ前記エネルギー準位を制御するための電極を有
することを特徴とするスピン依存伝導素子。
【請求項２】誘電体マトリックス中に分散させた強磁
性微粒子を有し、かつ保磁力を持つ 1層以上のグラニュ
ラー磁性層と、前記グラニュラー磁性層との間に 2重以
上の多重トンネル接合が形成されるように、前記グラニ
ュラー磁性層と近接配置された少なくとも 1層が強磁性
体からなる 2層以上の電極層とを具備し、前記グラニュラー磁性層に静電エネルギーに基づく離散
的なエネルギー準位が形成されており、かつ前記エネル
ギー準位を制御するための電極を有することを特徴とす
るスピン依存伝導素子。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のスピン依
存伝導素子において、前記多重トンネル接合はスピン
依存共鳴トンネル効果を示すことを特徴とするスピン依
存伝導素子。
【請求項４】請求項３記載のスピン依存伝導素子にお
いて、前記強磁性層と前記強磁性体からなる電極層のうち、一
方のスピンの方向を変化させることにより、前記スピン
依存共鳴トンネル効果に基づく磁気抵抗効果を発現させ
ることを特徴とするスピン依存伝導素子。
【請求項５】請求項３記載のスピン依存伝導素子にお
いて、前記グラニュラー磁性層と前記強磁性体からなる電極層
のうち、一方のスピンの方向を変化させることにより、
前記スピン依存共鳴トンネル効果に基づく磁気抵抗効果
を発現させることを特徴とするスピン依存伝導素子。
【請求項６】請求項１または請求項３記載のスピン依
存伝導素子において、前記多重トンネル接合は電流増
幅作用を有することを特徴とするスピン依存伝導素子。
【請求項７】請求項１または請求項３記載のスピン依
存伝導素子において、２端子素子構造または３端子素
子構造を有することを特徴とするスピン依存伝導素子。
【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれか１項
記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とする
電子部品。
【請求項９】請求項１ないし請求項７のいずれか１項
記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とする
磁気部品。
【請求項１０】請求項１ないし請求項７のいずれか１
項記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とす
る磁気ヘッド。
【請求項１１】請求項１ないし請求項７のいずれか１
項記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とす
る磁気記憶素子。