CN1937074A - 磁性元件和磁性信号处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种磁性元件包括：沟道层；与该沟道层接触的第一磁性电极；与该沟道层接触、并与第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；与第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；设置为与该第一中间层的与位于接触第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给第一磁性电极的第一磁性层；与第一磁性电极连接的第一电极；以及与第二磁性电极连接的第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个输出随第一磁性电极和第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号。

Description

磁性元件和磁性信号处理装置
相关申请的交互引用
本申请基于并要求享有2005年9月20日提交的第2005-272794号的在先日本专利申请的优先权权益，其全部内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本发明涉及一种随两个磁性电极的磁化配置输出信号的磁性元件，以及使用该磁性元件的磁性信号处理装置。
背景技术
常规电子技术中，使用“电荷”的自由度作为电子的自由度。但近来有一称为自旋电子技术(spin electronics)的领域正迅速发展，该领域积极使用“自旋”，即电子的另一个自由度。当使用自旋自由度时，单个元件可以具有多种功能。因而，可期望各种装置小型化，并且可期望获得节能效果。此外，自旋的非易失性也有助于节能。
通常通过将MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、单一电子晶体管(SET)、或共振隧道晶体管的电极部分改变为磁性材料以增加自旋自由度的方式来设计诸如自旋MOSFET、自旋SET、以及自旋共振晶体管等各种类型的自旋晶体管(例如，S.Sugawara以及M.Tanaka，Appl.Phys.Lett.84，2307(2004)，和T.Matsuno，S.Sugawara，以及M.Tanaka，Jpn.J.APPL.Phys.(2004))。此外，还提出过在置于隧道势垒上下的磁性电极之间运用MR(磁阻)效应(TMR)的信号处理装置(例如，A.Ney等人，Nature，425(2003)485，和2004-006775号日本专利申请公开公报)。上述装置其基本原理基于两个磁性电极之间的自旋依存传导现象。
上述自旋器件中，如何控制用作电极的磁性材料的磁化对于器件的驱动是极其重要的。但只有少许器件在设计时考虑到磁化控制。主流方法如A.Ney等人所提出的方案那样依靠磁场控制磁性材料的磁化。但使用磁场的磁化控制方法中，由于纳米级磁性材料因磁场本质而难以选择，容易发生交互干扰。而且，尺寸越小，所需的电力就越高。因此，可预期元件尺寸的减小和节能会很困难。为了解决这个问题，日本特开2004-006775号公报披露了一种使用依靠自旋注入磁化反转的开关的器件。但2004-006775号的日本专利申请公开公报的技术难以使磁化反转的信号和信号处理的信号独立运作。因此器件难以集成。
发明内容
根据本发明的第一方面所提供的是一种磁性元件，该磁性元件包括：沟道层；与该沟道层接触的第一磁性电极；与该沟道层接触、并与第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；与第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；设置为与该第一中间层的位于与接触第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给第一磁性电极的第一磁性层；与第一磁性电极连接的第一电极；以及与第二磁性电极连接的第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个输出随第一磁性电极和第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号。
根据本发明的第二方面所提供的是一种磁性信号处理装置，该磁性信号处理装置包括第一磁性元件和第二磁性元件，该第一磁性元件包括：第一沟道层；与第一沟道层接触的第一磁性电极；与第一沟道层接触、并与第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；与第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；设置为与该第一中间层的位于与接触第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给第一磁性电极的第一磁性层；与第一磁性电极连接的第一电极；以及与第二磁性电极连接的第二电极，该第二磁性元件包括：第二沟道层；与第二沟道层接触的第三磁性电极；与第二沟道层接触、并与第三磁性电极绝缘的第四磁性电极；与第三磁性电极邻接设置、并具有第二绝缘层的第二中间层；设置为与该第二中间层的位于与接触第三磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给第三磁性电极的第二磁性层；与第三磁性电极连接的第三电极；以及与第四磁性电极连接的第四电极，第一电极和第二电极其中至少一个输出随第一磁性电极和第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号，并将该第一信号输入至第二磁性层。
根据本发明的第三方面所提供的是一种磁性信号处理装置，该磁性信号处理装置包括磁性元件，该磁性元件包括：沟道层；与该沟道层接触的第一磁性电极；与该沟道层接触、并与第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；与第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；设置为与该第一中间层的位于与接触第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给第一磁性电极的第一磁性层；将磁化传递给第二磁性电极的第二磁性层；设置于第二磁性层和第二磁性电极之间、并具有第二绝缘层的第二中间层；以及与第一磁性电极连接的第一电极，和与第二磁性电极连接的第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个输出随第一磁性电极和第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号，而第二磁性层的磁化方向依靠第二磁性电极和第二磁性层之间通过第二中间层起作用的磁耦合传递至第二磁性电极的磁化方向。
根据本发明的第四方面所提供的是一种磁性信号处理装置，该磁性信号处理装置包括磁性元件，该磁性元件包括：沟道层；与该沟道层接触的第一磁性电极；与该沟道层接触、并与第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；与第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；设置为与该第一中间层的位于与接触第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给第一磁性电极的第一磁性层；将磁化传递给第二磁性电极的第二磁性层；设置于第二磁性层和第二磁性电极之间、并具有第二绝缘层的第二中间层；与第一磁性电极连接的第一电极；以及与第二磁性电极连接的第二电极，第一电极和第二电极中的至少一个输出随第一磁性电极和第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号，通过将输入信号1或0输入至第一磁性层来执行否定或肯定运算处理，并将执行结果作为第一信号输出。
附图说明
图1是说明本发明一例磁性元件的概要示意图；
图2A是说明本发明一例(类型1)磁性元件的概要示意图；
图2B是说明本发明另一例(类型2)磁性元件的概要示意图；
图3A图示的是本发明例按结构分类的磁性元件；
图3B图示的是本发明例按功能分类的磁性元件；
图4(a)和图4(b)是本发明例的TMR磁性元件的示意图；
图5A(a)和图5A(b)是本发明例具有一个输出电极的自旋扩散磁性元件的示意图；
图5B(a)和图5B(b)是本发明例具有两个输出电极的自旋扩散磁性元件的示意图；
图6A(a)和图6A(b)是本发明例具有一个输出电极和化合物层的自旋扩散磁性元件的示意图；
图6B(a)和图6B(b)是本发明例具有两个输出电极和化合物层的自旋扩散磁性元件的示意图；
图7A(a)和图7A(b)是本发明例具有半导体层沟道的栅极驱动磁性元件的示意图；
图7B(a)和图7B(b)是本发明例具有绝缘材料和导电材料组合所形成的沟道的栅极驱动磁性元件的示意图；
图8是本发明例使用由强磁性绝缘材料所形成的中间层P的依靠直接交换耦合方式的磁性元件的示意图；
图9是本发明例使用由绝缘非磁性材料所形成的中间层P的依靠层间交换耦合方式的磁性元件的示意图；
图10是本发明例使用由绝缘非磁性材料所形成的中间层P的依靠静磁耦合方式的磁性元件的示意图；
图11A是本发明例采用进动方式的磁性元件的示意图；
图11B(a)和图11B(b)是本发明例采用进动方式的磁性元件1的示意图；
图11C(a)和图11C(b)是本发明例采用进动方式的磁性元件2的示意图；
图12(a)至图12(d)是显示本发明例采用电压控制磁性方式的磁性元件的示意图；
图13(a)至图13(c)是本发明例采用自旋注入磁化反转方式的磁性元件的说明图；
图14(a)至图14(d)是本发明例采用电压控制磁性方式的磁性元件的说明图；
图15A、图15B、图15C、图15D、图15E、图15F、图15G和图15H是显示本发明第一实施例的磁性元件的示意图；
图16A、图16B、图16C和图16D是本发明第二实施例的磁性元件的示意图；
图17A、图17B、图17C和图17D是本发明第三实施例的磁性元件的示意图；
图18A、图18B、图18C和图18D是本发明第四实施例的磁性元件的示意图；
图19A、图19B、图19C、图19D和图19E是本发明第五实施例的磁性元件的示意图；
图20A、图20B、图20C和图20D是本发明第六实施例的磁性元件的示意图；
图21A、图21B、图21C、图21D和图21E是本发明第七实施例的磁性元件的示意图；
图22A、图22B、图22C和图22D是本发明第八实施例的磁性元件的示意图；
图23A、图23B、图23C和图23D是显示本发明第八实施例的栅极驱动(自旋MOSFET)磁性元件的布局图；
图24A、图24B和图24C是显示本发明第八实施例的栅极驱动(自旋SET)磁性元件的布局图；
图25A、图25B和图25C是显示本发明第八实施例的栅极驱动(自旋共振隧道晶体管)磁性元件的布局图；
图26A(a)和图26A(b)是本发明第九实施例具有多个TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图；
图26B(a)和图26B(b)是本发明第九实施例具有多个自旋扩散磁性元件的磁性信号处理装置的示意图；
图27是本发明第九实施例具有多个TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图；
图28显示本发明第十实施例具有TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图和真值表；
图29是本发明第十一实施例具有TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图；以及
图30是本发明第十二实施例具有自旋扩散磁性元件的磁性信号处理装置的示意图。
具体实施方式
[1]概要
图1是说明本发明一例磁性元件的概要示意图。图2A是说明本发明一例(类型1)磁性元件的概要示意图。图2B是说明本发明另一例(类型2)磁性元件的概要示意图。下面将说明本发明例的磁性元件的概要。
如图1所示，本发明例的磁性元件包括沟道层O，与沟道层O接触但彼此不接触的磁性电极A和B，与磁性电极A邻接设置、并具有绝缘层的中间层P，设置为与中间层P其与磁性电极A相反的一侧表面接触的磁性层C，与磁性电极A连接的电极H，以及与磁性电极B连接的电极J。
将电压或电流提供给电极H和J其中至少一个时，输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号。磁性层C用于将磁化传递给磁性电极A。根据磁性层C的磁化方向控制磁性电极A的磁化方向。
本发明例的这些磁性元件可以归类为例如下述的类型1或类型2。但本发明例的全部磁性元件并不总是归类为类型1或类型2。
如图2A所示，类型1中，有一磁性层D设置于磁性层C其与磁性电极A相反的一侧。磁性层D的磁化方向是固定的。有一中间层R设置于磁性层C和D之间。电极L与中间层R连接。中间层P包括非磁性或磁性绝缘层IN。磁性电极A和磁性层C通过绝缘层IN磁耦合。
类型1中，依靠经过具有绝缘层的中间层P的磁耦合通过将磁性层C的磁化信息传送给磁性电极A，将磁性层C的磁化方向传递至磁性电极A的磁化方向。磁性层C其本身具有可反转的自由磁化。当在电极L和K之间提供信号Y时，磁性层C的磁化方向受到控制。当将电压或电流提供给电极H和J其中至少一个时，输出的是随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号。
如图2B所示，类型2中，可以设置类型1的磁性层D和中间层R，但不必总是设置。磁性层C的磁化方向是固定的。具有绝缘层的中间层P包括非磁性层NM，并由例如非磁性绝缘层和非磁性金属层的分层膜所形成。
类型2中，通过在电极K和H之间提供信号Z，将磁性层C的磁化方向传递至磁性电极A的磁化方向。类型2中，所传递的磁化方向取决于信号Z的大小，以便磁性层C的磁化方向和磁性电极A的磁化方向变为平行或反向平行。当将电压或电流提供给电极H利J其中至少一个时，输出的是随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号。
上述说明中，类型1的磁性层D和类型2的磁性层C具有固定的磁化方向。所用的术语“固定”其意义如下面所述。类型1中，当在电极L和K之间提供信号Y以使磁性层C的磁化反转时，在这种条件下磁性层D的磁化不反转。类型2中，当在电极H和K之间提供信号Z以使磁性层A的磁化反转时，在这种条件下磁性层C的磁化不反转。
但要重写该磁性元件的运算功能(使之可重新配置)时，类型1的磁性层D和类型2的磁性层C也可以改变磁化方向。将在后面的第十实施例中对此进行具体说明。
图3A图示的是本发明例按结构分类的磁性元件。下面将说明本发明例的磁性元件按结构分类的概要。
如图3A所示，本发明例类型1和2的磁性元件中，磁性电极A和B的形式可以归类为三种类型：例如TMR、自旋扩散、以及栅极驱动(场效应晶体管FET)。磁性电极A和B的形式并不局限于这三种类型。
本发明例类型1和2的磁性元件中，磁性电极A和B的磁化配置可以归类为两种类型：例如磁性电极A和B其中一个是自由的情形、以及磁性电极A和B两者都是自由的情形。所谓“磁性电极A和B是自由的”是指磁性电极A和B的磁化方向可以反转。
图3B图示的是本发明例按功能分类的磁性元件。下面将说明本发明例的磁性元件按功能分类的概要。
如图3B所示，本发明例类型1的磁性元件中，可以采用例如两种方式：自旋注入磁化反转方式和电压控制磁性方式，用于磁性层C的磁化反转。磁性层C的磁化反转方式并不局限于这两种方式。
本发明例类型1的磁性元件中，磁性电极A的磁化反转利用磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合。磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合方式可以归类为四种类型：例如直接交换耦合方式、层间交换耦合方式、静磁耦合方式、以及进动方式。磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合方式不局限于这四种方式。
本发明例类型2的磁性元件中，磁性电极A的磁化反转方式是在磁性电极A和磁性层C之间加上电压的电压控制磁性方式。该磁化反转方式并不局限于电压控制磁性方式。
[2]磁性电极A和B的形式
为了随磁性电极A和B的磁化配置改变输出信号，可采用三种公知方式：例如[2-1]TMR、[2-2]自旋扩散、以及[2-3]栅极驱动(FET)。
[2-1]TMR
图4(a)和图4(b)是本发明例的TMR磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的TMR磁性元件的概要。
如图4(a)和图4(b)所示，TMR中将作为隧道势垒的绝缘材料或半导体当作沟道层O使用。利用随磁性电极A和B磁化方向之间的相对角改变电阻的TMR效应。通常，当磁化平行时，电极H和J之间的电阻最小。当磁化反向平行时，电极H和J之间的电阻最大。在电极H和J之间加上电压以得到电流作为输出信号。作为替代，在电极H和J之间提供电流以得到电压作为输出信号。
[2-2]自旋扩散
图5A(a)和图5A(b)是本发明例具有一个输出电极的自旋扩散磁性元件的示意图。图5B(a)和图5B(b)是本发明例具有两个输出电极的自旋扩散磁性元件的示意图。图6A(a)和图6A(b)是本发明例具有一个输出电极和化合物层的自旋扩散磁性元件的示意图。图6B(a)和图6B(b)是本发明例具有两个输出电极和化合物层的自旋扩散磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的自旋扩散磁性元件的概要。
如图5A(a)、图5A(b)、图5B(a)、和图5B(b)所示，自旋扩散中将金属用于沟道层O。电极I(一个或多个电极)设置于沟道层O上。有一电流源(未图示)与电极H或I连接。在电极H和I之间提供自旋极化的电子e(下文称作自旋极化电子)。同时，在电极J和I之间加上电压以得到输出电压Vf和Vaf。输出电压Vf和Vaf随磁性电极A和B的磁化配置而改变。也可以通过在电极H和I之间加上电压来得到电极J和I之间所流过的电流作为输出。
如图6A(a)、图6A(b)、图6B(a)、和图6B(b)所示，包含氧、氮和氟其中至少一个的化合物层Q可以设置于沟道层O和磁性电极A和B之间。
用这种结构可以进一步提高输出电压Vf和Vaf。
[2-3]栅极驱动(FET)
图7A(a)和图7A(b)是本发明例具有半导体层沟道的栅极驱动磁性元件的示意图。
图7B(a)和图7B(b)是本发明例具有绝缘材料和导电材料组合所形成的沟道的栅极驱动磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的栅极驱动磁性元件的概要。
如图7A(a)、图7A(b)、图7B(a)、和图7B(b)所示，栅极驱动中，将半导体、或绝缘体Oa和导体Ob的组合用于沟道层O。沟道随栅极电压而开放。当沟道开放时，电阻随磁性电极A和B的磁化配置而改变。平行磁化配置中，电阻最小。反向平行状态下电阻最大。
[3]磁性电极A的磁化反转方式
[3-1]磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合方式
本发明例(类型1)的磁性元件中，利用磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合将磁性电极A的磁化方向控制为所期望的方向。举例来说，采用下面四种磁耦合方式。
(a)直接交换耦合方式
图8是本发明例使用由强磁性绝缘材料所形成的中间层P的依靠直接交换耦合方式的磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的直接交换耦合方式。
如图8所示，直接交换耦合方式中，将强磁性绝缘层用作中间层P。强磁性包括铁氧体磁性。在这种情况下，磁性层C、中间层P、以及磁性电极A通过直接交换相互作用彼此平行地磁耦合。因此，可以将磁性层C的磁化方向平行地磁化传递给磁性电极A。
(b)层间交换耦合方式
图9是本发明例使用由绝缘非磁性材料所形成的中间层P的依靠层间交换耦合方式的磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的层间交换耦合方式。
如图9所示，层间交换耦合方式中，将厚度为例如2nm或以下的非磁性绝缘层用作中间层P。在这种情况下，由于通过中间层P(非磁性绝缘层)起到负向或正向的层间交换相互作用，因而磁性电极A和磁性层C反强磁耦合或强磁耦合。随着中间层P(非磁性绝缘层)变薄，磁耦合变强。当中间层P比2nm厚时，耦合很少发生。厚度为1nm或以下的非磁性导电层可以与非磁性绝缘层邻接设置。利用这种结构，磁性层C的磁化方向平行地或反向平行地传递至磁性电极A的磁化方向。该平行或反向平行的状态由中间层P的材料和厚度决定。
(C)静磁耦合方式
图10是本发明例使用由绝缘非磁性材料所形成的中间层P的依靠静磁耦合方式的磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的静磁耦合方式。
如图10所示，将非磁性绝缘层用作中间层P。磁性层C和磁性电极A通过静磁耦合来磁耦合。当磁性层C的尺寸较小时这种方式很有效。利用这种结构，磁性层C的磁化方向反向平行地磁化传递至磁性电极A的磁化方向。磁性层C的期望尺寸是200nm或以下。如果尺寸较大，便没有足够的静磁力作用于磁性电极A上。
(d)进动方式
图11A是本发明例采用进动方式的磁性元件的示意图。图11B(a)和图11B(b)是本发明例采用进动方式的磁性元件1的示意图。图11C(a)和图11C(b)是本发明例采用进动方式的磁性元件2的示意图。下面将说明本发明例的借助于微波的进动方式。
如图11B(a)和图11C(a)所示，进动方式中，中间层R和以磁方式固定的磁性层D设置于磁性层C上。如图11A所示，在磁性层C和D之间提供自旋极化电子e，以使磁性层C的磁化进动。当此时来自磁性层C的微波射频(RF)输出由磁性电极A吸收时，磁性层C和磁性电极A通过进动来耦合。在这种情况下，可以通过同时加上外部磁场来增加该效果。
当在磁性层D和C之间通过中间层R起到负向的层间交换相互作用时或当磁性层C和D静磁耦合时形成图11B(a)中所示的磁性元件1。在上述情况下，当没有电流提供时，磁性层D的磁化和磁性层C的磁化呈反向平行。
在这种状态下，如图11B(b)所示，当提供电流以使自旋极化电子e从磁性层D流至磁性层C时，磁性层C的磁化在预定阈值或以上电流的条件下引起进动。另外，通过该进动产生微波RF。
当在磁性层D和C之间通过中间层R起到正向的层间交换相互作用时形成图11C(a)所示的磁性元件2。在这种情况下，当没有电流提供时，磁性层D的磁化和磁性层C的磁化平行。
在这种状态下，如图11C(b)所示，当提供电流以使自旋极化电子e从磁性层C流至磁性层D时，磁性层C的磁化在预定阈值或以上电流的条件下引起进动。另外，通过该进动产生微波RF。
[3-2]电压控制磁性方式
本发明例(类型2)的磁性元件中，通过控制磁性电极A和磁性层C之间所要加上的电压，将磁性电极A的磁化方向控制至所期望的方向。
图12(a)至图12(d)是显示本发明例采用电压控制磁性方式的磁性元件的示意图。下面将说明本发明例的电压控制磁性方式。
如图12(a)所示，电压控制磁性方式中，具有绝缘层的中间层P包括非磁性绝缘层。所使用的是包括绝缘层和金属层的非磁性层NM。作为非磁性层NM，举例来说，可使用MgO+Au、MgO+Ag、或MgO+Cr。
电压控制磁性方式中，所利用的现象其中如图12(d)所示，依靠电极H和K之间加上的电压，改变磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合。具体来说，控制所加上的电压来使得磁性电极A和磁性层C之间正向磁耦合(图12(b))或负向磁耦合(图12(c))。利用这种方式，磁性层C的磁化方向传递至磁性电极A的磁化方向。
[4]磁性层C的磁化反转方式
作为本发明例(类型1)的磁性层C的磁化反转方式，可以采用两种方式：例如[4-1]自旋注入磁化反转方式和[4-2]电压控制磁性方式。
[4-1]自旋注入磁化反转方式
图13(a)至图13(c)是本发明例采用自旋注入磁化反转方式的磁性元件的说明图。下面将说明本发明例的自旋注入磁化反转方式。
如图13(a)所示，自旋注入磁化反转方式中，中间层R由导电材料和最好是具有低电阻的金属所形成。但中间层R的材料理论上可以是半导体或绝缘体。
自旋注入磁化反转方式中，当将自旋极化电子e从磁性层D注入到磁性层C时，得到平行磁化配置(图13(b))。当将自旋极化电子e从磁性层C注入到磁性层D时，得到反向平行的磁化配置(图13(c))。具体来说，自旋注入磁化反转方式中，依靠磁性层C和D之间所注入的自旋极化电子e的方向确定磁性层C的磁化方向。
但当磁性层C和D之间存在静磁耦合时，磁化配置在弱电流条件下保持反向平行。当从磁性层D提供至磁性层C的电流变大时，磁化配置改变为反向平行。
[4-2]电压控制磁性方式
图14(a)至图14(d)是本发明例采用电压控制磁性方式的磁性元件的说明图。下面将说明本发明例的电压控制磁性方式。
如图14(a)所示，电压控制磁性方式中，中间层R使用包括绝缘层和金属层的分层膜。
电压控制磁性方式中，所利用的现象如图14(d)所示，依靠电极L和K之间加上的电压，改变磁性层D和C之间的磁耦合。具体来说，控制所加上的电压的大小来使得磁性层D和C之间正向磁耦合(图14(b))或负向磁耦合(图14(c))。利用这种方式控制磁性层C的磁化方向。
接下来就每一模式检测随磁性电极A和B的磁化配置变化的输出、具体说明本发明各例。第一至第四实施例给出各例类型1的磁性元件。第五至第八实施例给出各例类型2的磁性元件。第九至第十二实施例给出各例使用类型1或2的磁性元件的磁性信号处理装置。
[5]第一实施例
第一实施例中，将说明一例类型1的TMR磁性元件。
[5-1]结构
图15A至图15H是显示本发明第一实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第一实施例的磁性元件的结构。
如图15A所示，第一实施例的磁性元件包括：包括隧道势垒层TB的沟道层O；夹住该沟道层O的磁性电极A和B；设置于磁性电极A侧的磁性层C；设置于磁性层C和磁性电极A之间的非磁性或磁性绝缘层IN(中间层P)；设置于磁性层C其与磁性电极A相反的一侧的磁性层D；由金属或绝缘体所形成、设置于磁性层C和D之间的中间层R；与磁性电极A连接的电极H；与磁性电极B连接的电极J；与磁性层C连接的电极K；以及与磁性层D连接的电极L。
磁性电极A和B接触隧道势垒层TB的不同表面但彼此并不接触。磁性电极A和B、隧道势垒层TB、磁性层C和D、绝缘层IN、以及中间层R在Y方向上层叠。换句话说，磁性电极A和B、隧道势垒层TB、磁性层C和D、绝缘层IN、以及中间层R彼此接触的各表面平行。磁性电极A和B、隧道势垒层TB、磁性层C和D、绝缘层IN、以及中间层R具有几乎相同的面积和相一致的侧面。
为了设定磁化方向的基准，使磁性电极B和磁性层D的磁化固定。另一方面，磁性电极A和磁性层C具有可逆磁化并且彼此磁耦合。磁性电极A、B和磁性层C、D其磁化可以为纵向磁化或者垂直磁化。
磁性层C和磁性电极A其中至少一个由在室温下显示没有磁滞的磁性材料所形成。当使用这样的磁性材料时，可以在低功率条件下发生磁化反转。当磁性电极B由在室温下显示具有磁滞的材料所形成时，可以将运算处理功能重写作为硬件。
通过使用电极H和J输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号X。通过使用电极K和L提供信号Y以控制磁性层C的磁化方向。可以将电极H和J设置于磁性电极A和B的任何位置，只要可以在磁性电极A和B之间提供信号X。当电极H和J如图15A所示设置于不同侧面时，可以提高对信号Y中与磁性电极A和B的磁化配置相对应的变化的读出准确度。同样，可以将电极K和L设置于磁性层C和D的任何位置，只要可以在磁性层C和D之间提供信号Y。当电极K和L如图15A所示设置于不同侧面时，可以提高磁性层C磁化方向的可控能力。
第一实施例的磁性元件并不局限于图15A所示的结构，可以多样化地改变为例如下面说明的图15B至图15H中所示的各结构。图15A至图15H中所示的各结构可以组合。
如图15B所示，中间层R和磁性层D可以相对于在Y方向上所层叠的磁性电极A和B、隧道势垒层TB、绝缘层IN、以及磁性层C按一角度在X方向上堆叠。换句话说，中间层R和磁性层C和D彼此接触的各表面与磁性电极A和B、隧道势垒层TB、绝缘层IN、以及磁性层C彼此接触的各表面垂直。即便是这种结构，也可以得到与上述相同的效果。
如图15C所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B侧。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。电极K’和L’分别与磁性层C’和D’连接。使用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。这种结构中，磁性层C和C’以及磁性电极A和B其中至少一个最好由在室温下显示没有磁滞的磁性材料所形成。
如图15D所示，磁性电极B和隧道势垒层TB可以相对于在Y方向上层叠的磁性电极A、绝缘层IN、磁性层C和D、以及中间层R按一角度在X方向上堆叠。另外，电极L可以设置于磁性层D的上表面侧。
磁性电极A和B可以具有不同的面积。由于热波动，具有小面积的磁性电极(图15D中的磁性电极B)没有磁滞，从而能够在低功率条件下实现磁开关。至于具有大面积的磁性电极(图15D中的磁性电极A)，当根据磁化方向记录的同时抑制热波动，可以通过软件以非易失方式重写运算处理功能。
磁性电极A和B其中一侧较好是具有200nm或以下的长度，更为理想的是100nm或以下。如果尺寸大于200nm，电流场的影响便变大，难以控制磁化。
如图15E所示，磁性电极B的磁化可以在图15D中所示的结构中反转。这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B的上方。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。电极K’和L’分别与磁性层C’和D’连接。用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。
如图15F所示，反强磁性层S和S’可以设置为分别与磁性电极B和磁性层D接触以固定它们的磁化。电极L可以设置于磁性层D上或者反强磁性层S上。考虑到输出信号X的准确度，电极J最好如图15F所示设置于磁性电极B上。但电极J可以设置于反强磁性层S’上。当设置有反强磁性层S和S’时，所赋予的是单一方向的磁各向异性从而使磁化固定。也可以通过使用具有大磁晶各向异性的材料但不形成反强磁性层S和S’来固定磁化。
如图15G所示，磁性电极B的磁化可以在图15F所示的结构中反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B的下方。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。反强磁性层S’设置为与磁性层D’接触。电极K’和L’分别与磁性层C’和反强磁性层S’连接。用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。
如图15H所示，磁性电极A和B其平面形状不必总是矩形，也可以是菱形、椭圆形、或圆形。全部磁性电极A和B、隧道势垒层TB、磁性层C和D、绝缘层IN、以及中间层R不必总是具有相一致的侧面。如果绝缘层IN设置于磁性电极A和磁性层C之间，绝缘层IN便可以延伸到磁性电极B。
[5-2]工作原理
下面将说明本发明第一实施例的磁性元件的工作原理。这里说明图15A中所示的结构的工作原理。
第一，在电极K和L间输入信号Y以控制磁性层C的磁化。作为控制磁性层C磁化的方式，可以采用上述自旋注入磁化反转方式(图13)或电压控制磁性方式(图14)。具体来说，依靠下面所要说明的不同机理来控制磁性层C相对于磁性层D的磁化方向。
自旋注入磁化反转方式中，将导电材料和最好是具有低电阻的金属用于中间层R。由磁性层C和D之间所提供的电流的方向控制磁性层C的磁化方向。具体来说，当自旋极化电子从磁性层D注入到磁性层C时，磁性层C的磁化方向与磁性层D的磁化方向平行。当自旋极化电子从磁性层C注入到磁性层D时，磁性层C的磁化方向与磁性层D的磁化方向反向平行。
电压控制磁性方式中，将包含绝缘层和金属层的分层膜用作中间层R。所利用的现象其中由电极L和K之间加上的电压改变磁性层D和C之间的磁耦合。
第二，如上所述依靠磁性电极A和磁性层C之间通过绝缘层IN的磁耦合(依靠图8至图11C中所示的磁耦合方式)，将其磁化方向由信号Y控制的磁性层C的磁化信息传送给磁性电极A。由于绝缘层IN设置于磁性层C和磁性电极A之间，因而仅有磁化信息可以传送，没有任何电信号干扰。
第三，在电极H和J间加上电压或电流(称为驱动电压或驱动电流)以输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的隧道电流或电压(信号X)。
[5-3]要素
下面将具体说明磁性元件的各组成要素(主要材料)。
(a)磁性电极A和B以及磁性层C和D
作为磁性电极A和B以及磁性层C的材料，可以使用例如“铁(Fe)单质”、“钴(Co)单质”、“镍(Ni)单质”、“包含从铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、以及铬(Cr)所组成的群当中选择的至少一个元素的合金”、“称为镍铁导磁合金的NiFe合金”、“诸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金这种软磁性材料”、“锰铝铜强磁性合金、磁性半导体、或诸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3这种半金属磁性氧化物(或半金属磁性氮化物)”。
作为上述“磁性半导体”，可以使用包含铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、以及锰(Mn)的物质和化合物半导体或氧化物半导体。具体来说，各磁性半导体例是(Ga，Cr)N、(Ga，Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga，Cr)As、ZnO∶Fe、(Mg，Fe)O、以及Co∶TiO。
作为磁性电极A和B以及磁性层C，也可以使用包括反强磁耦合的磁性层、非磁性层、以及磁性层的多层膜。在这种情况下，最好是将诸如钌(Ru)、铱(Ir)、或铬(Cr)这种非磁性金属层，以及反强磁性材料用于非磁性层。为了得到反强磁耦合，多层膜中的非磁性层最好是具有例如0.2nm至3nm厚度。
磁性电极A和B以及磁性层C也可以使用下面包含多层磁性层的多层结构。举例来说，可以使用具有两层结构或三层结构的分层体，其中两层结构的分层体包含[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的镍铁导磁合金、或Ni)]，而三层结构的分层体则包含[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的镍铁导磁合金、或Ni)/(Co或CoFe合金)]。
作为在室温下显示没有磁滞现象(在室温下没有抗磁力)的磁性电极A和B以及磁性层C的材料，可以使用在室温下显示磁波动的磁性材料或磁性半导体。可以由材料、尺寸(厚度和大小)、以及各向异性(包含形状)限定磁波动。
其中在给定时间范围内在室温下磁化并非在一个方向上一定的状态表述为“磁化波动”。给定的时间范围与元件工作时间相关，具体来说表示几十秒钟或以内的时间。
令Ku为磁性电极A和B的磁各向异性，而V则为它们的体积。为了由磁性电极A和B的尺寸或磁各向异性得到磁波动，最好是保持KuV/kT＜20。如果20≤KuV/kT≤50，磁波动便较缓，反转变化很大。如果KuV/kT＜20，可在加电流时间内得到合适的磁波动。因此，可以使反转电流较小，并且可以实现高速反转。
当用普通的磁性材料时，磁性电极A和B以及磁性层C和D其比较一般的平面尺寸在纵向方向上为200nm或以下，较好是100nm或以下，更为理想的是数十nm。而且最好是使厚度小到几nm(＜10nm)，或者使长宽比接近1。
举例来说，如果元件大小或形状各向异性必须很大，通过选择材料来实现该特性。具体来说，最好使用通过在非磁性矩阵中分散磁性微粒所形成的微粒膜、或低饱和磁性材料。
上述“磁性微粒”各例是“铁(Fe)单质”微粒、“钴(Co)单质”微粒、“镍(Ni)单质”微粒、“包含从铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、以及铬(Cr)所组成的群当中选择的至少一个元素的合金”微粒、“称为镍铁导磁合金的NiFe合金”微粒、“诸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金这种软磁性材料”微粒、“锰铝铜强磁性合金、磁性半导体、或诸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3这种半金属磁性氧化物(或半金属磁性氮化物)”微粒。上面已经说明了各“磁性半导体”例。为了得到波动，磁性微粒的尺寸最好是10nm或以下。
作为上述“非磁性矩阵”，可以使用诸如Cu、Au、或Ag这种非磁性金属，或诸如GaN、GaAs、ZnO、MgO、TiO、Al2O3、SiO2、或AlN这种半导体或介电材料。上述氧化物或氮化物通常包含元素缺陷，不过可使用这样的介电薄膜而没有问题。
当通过减小尺寸或磁各向异性在磁性电极A和B以及磁性层C中得到波动时，最好是从下述物质当中选择适合于应用用途的具有磁特性的材料。
举例来说，可以使用“铁(Fe)单质”、“钴(Co)单质”、“镍(Ni)单质”、“包含从铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、以及铬(Cr)所组成的群当中选择的至少一个元素的合金”、“称为镍铁导磁合金的NiFe合金”、“诸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金这种软磁性材料”、“锰铝铜强磁性合金、磁性半导体、或诸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3这种半金属磁性氧化物(或半金属磁性氮化物)”。上面已经说明了各“磁性半导体”例。
作为磁性层D和在磁化固定过程中形成磁化固定部分的磁性电极B的强磁性材料，最好是从下述物质当中选择适合于应用用途的具有磁特性的材料。
举例来说，可以使用“铁(Fe)单质”、“钴(Co)单质”、“镍(Ni)单质”、“包含从铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、以及铬(Cr)所组成的群当中选择的至少一个元素的合金”、“称为镍铁导磁合金的NiFe合金”、“诸如CoNbZr合金、FeTac合金、CoTaZr合金、FeAlSi合金、FeB合金、或CoFeB合金这种软磁性材料”、“锰铝铜强磁性合金、磁性半导体、或诸如CrO2、Fe3O4、或La1-xSrxMnO3这种半金属磁性氧化物(或半金属磁性氮化物)”。上面已经说明了各“磁性半导体”例。
用于该固定部分的磁性层可以由连续的磁性材料所形成，或具有通过在非磁性矩阵中沉淀或形成磁性材料的微粒所得到的复合结构。可以使用称为例如“微粒磁性材料”的复合结构。
固定部分可以由包含反强磁耦合或强磁耦合的磁性层、非磁性层、以及磁性层在内的多层膜所形成。由于可以消除漏磁场，所以具有反强磁耦合的磁性/非磁性/磁性结构尤其理想。最好是将诸如钌(Ru)、铱(Ir)、或铬(Cr)这种非磁性金属层和反强磁性材料用于多层膜的非磁性层。为了得到反强磁耦合或强磁耦合，非磁性层最好具有例如0.2nm至3nm厚度。
磁化固定部分也可以使用下列包含多层磁性层的多层结构。举例来说，可以使用包扩[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的镍铁导磁合金、或Ni)]在内的具有两层结构的分层体，或包括[(Co或CoFe合金)/(NiFe、包含NiFeCo的镍铁导磁合金、或Ni)/(Co或CoFe合金)]在内的具有三层结构的分层体。
(b)反强磁性层S
当磁性层D或磁性电极B磁性固定时，可以通过设置反强磁性层S与磁性层D或磁性电极B直接接触来增加固定力。作为反强磁性层S的材料，最好是使用锰化铁(FeMn)、锰化铂(PtMn)、锰化钯(PdMn)、或锰化铂钯(PdPtMn)。
(c)中间层R
当通过图12(a)中所示的自旋注入磁化反转方式来控制磁性层C的磁化时，最好是将低电阻材料用于中间层R。各例低电阻材料是铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、以及包含上述金属其中至少一种金属的合金。当中间层R具有例如1nm至60nm厚度时，可以得到磁化反转效果。
当通过图12(b)中所示的电压控制磁性方式来控制磁性层C的磁化时，最好是将绝缘层或包含绝缘层和金属层的分层膜用作中间层R。分层膜的绝缘层和金属层的各例组合是MgO+Au、MgO+Ag、以及MgO+Cr。
(d)隧道势垒层TB
第一实施例中，当将非磁性的隧道势垒材料用于沟道层O时，可以得到高输出。隧道势垒层TB的各例材料是由氧化物(例如氧化铝(Al2O3-X)、氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或包含从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)、镁(Mg)、以及铁(Fe)所组成的群当中选择的至少一个元素的氟化物所形成的绝缘体，以及诸如GaAlAs这种具有较大禁带的半导体。即便是采用通过在绝缘体中形成各针孔、并将磁性层插入各针孔所得到的纳米接触MR材料或通过将Cu插入各针孔所形成的CCP-CPP(电流与平面垂直)-MR(磁阻效应)材料，也可以得到较大的再生输出。从信号再生的观点来考虑，隧道势垒层TB最好是具有例如0.2nm至2nm厚度。当采用后者纳米接触MR或CCP-CPP-MR时，隧道势垒层TB其厚度最好是落在0.4nm至40nm范围内。
(e)绝缘层IN
可以随磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合将磁性绝缘层或非磁性绝缘层用作绝缘层IN。
图8中所示的直接交换耦合方式中，使用的是磁性绝缘层。作为磁性绝缘层，可以使用诸如MnFe2O4这种尖晶石铁氧体或六角晶系铁氧体所代表的包含Fe、Co、Ni、Mn、V、以及Cr其中之一的氧化物磁性材料，或包含Fe、Co、Ni、Mn、V、以及Cr其中之一的氮化物磁性材料或氟化物磁性材料。
图9中所示的层间交换耦合方式中，使用的是由非磁性氧化物(例如氧化铝(Al2O3-X)、氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ti-O、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或包含从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)、镁(Mg)、以及铁(Fe)所组成的群当中选择的至少一个元素的氟化物所形成的单晶或多晶的非磁性绝缘体。也可以使用诸如GaAlAs这种具有较大禁带的晶体半导体。
图10中所示的静磁耦合方式中，也可以使用如同前文所述的单晶和多晶材料、诸如MgO或Ti-O这种单晶和多晶的非磁性绝缘体，或由非磁性氧化物(例如氧化铝(Al2O3-X)、氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或包含从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)、镁(Mg)、以及铁(Fe)所组成的群当中选择的至少一个元素的氟化物所形成的非晶态绝缘体。也可以使用诸如GaAlAs这种具有较大禁带的晶体半导体。
可以对在磁性电极A及B和磁性层C之间起到的层间交换相互作用增加静磁耦合以提高耦合力。
图11A至图11C中所示的进动方式中，可以使用与静磁耦合情形相同的绝缘体。
这里的绝缘体是形成势垒以确保磁性电极A和磁性层C之间电绝缘的材料。当绝缘层薄到1nm或以下时，绝缘体中所包含的氧、氮、或氟偏离理想配比组分，绝缘变差。在这种情况下，最好是使用确保绝缘不影响工作的材料。
(f)电极H、J、K、和L
电极H、J、K、和L其材料可以同与它们连接的磁性电极或磁性层的材料相同或不同。当使用相同材料时，可以很容易形成各电极。如果使用不同材料，各电极最好是由具有低电阻的金属材料所形成。各例是铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、以及包含其中至少一种金属的合金。
如上所述，按照第一实施例，可以同时实现磁开关和信号处理而不会有任何干扰。因此，可以提供一种能够实现低功耗驱动同时减小尺寸的磁性元件。
[6]第二实施例
第二实施例中，将说明一例类型1的自旋扩散磁性元件。第二实施例中，依靠自旋扩散效应的电压生成用作在磁性电极A和B之间获得输出信号的手段。
[6-1]结构
图16A至图16D是表示本发明第二实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第二实施例的磁性元件的结构。
如图16A所示，第二实施例的磁性元件在很大程度上不同于第一实施例的磁性元件，其不同之处在于，金属层用作沟道层O，并且电极I1和I2与该沟道层O连接。
具体来说，磁性电极A和B设置为与由金属所形成的沟道层O接触。磁性电极A和B邻接配置于与沟道层O相同的表面上但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性或磁性绝缘层IN(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。磁性层D设置于磁性层C其与磁性电极A相反的一侧。由金属或绝缘体所形成的中间层R设置于磁性层C和D之间。电极H、J、K、和L分别与磁性电极A和B和磁性层C和D连接。电极I1和I2与该沟道层O连接。
通过使用电极H和I1在磁性电极A和沟道层O之间提供电流(信号X1)。通过使用电极J和I2从元件当中提取磁性电极B和沟道层O之间所产生的输出电压(信号X2)。通过使用电极K和L提供控制磁性层C磁化方向的信号Y。
第二实施例的磁性元件并不局限于图16A所示的结构，可以多样化地改变为例如下面说明的图16B至图16D中所示的各结构。图16A至图16D中所示的各结构可以组合。
如图16B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。电极K’和L’分别与磁性层C’和D’连接。用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。
如图16C所示，单个电极I可以与沟道层O连接。在这种情况下，通常用电极I在电极H和I之间提供信号X1，并在电极J和I之间提供信号X2。
如图16D所示，反强磁性层S和S’可以设置为分别与磁性层D和D’接触以固定其磁化。电极L可设置于磁性层D上或者反强磁性层S上。电极L’可设置于磁性层D’上或反强磁性层S’上。当设置有反强磁性层S和S’时，所赋予的是单一方向的磁各向异性从而使磁化固定。也可以通过使用具有大磁晶各向异性的材料但不形成反强磁性层S和S’来固定磁化。
[6-2]工作原理
下面将说明本发明第二实施例的磁性元件的工作原理。这里说明图16A中所示的结构的工作原理。
第一，在电极K和L之间输入信号Y以控制磁性层C的磁化。作为控制磁性层C磁化的方式，可以采用上述自旋注入磁化反转方式(图13)或电压控制磁性方式(图14)。具体来说，依靠下面所要说明的不同机理来控制磁性层C相对于磁性层D的磁化方向。
自旋注入磁化反转方式中，将导电材料和最好是具有低电阻的金属用于中间层R。由磁性层C和D之间所提供的电流的方向控制磁性层C的磁化方向。具体来说，当自旋极化电子从磁性层D注入到磁性层C时，磁性层C的磁化方向与磁性层D的磁化方向平行。当自旋极化电子从磁性层C注入到磁性层D时，磁性层C的磁化方向与磁性层D的磁化方向反向平行。
电压控制磁性方式中，将包含绝缘层和金属层的分层膜用作中间层R。所利用的现象其中由电极L和K之间加上的电压改变磁性层D和C间的磁耦合。
第二，如上所述依靠磁性电极A和磁性层C之间通过绝缘层IN的磁耦合(依靠图8至图11C中所示的磁耦合方式)，将其磁化方向由信号Y控制的磁性层C的磁化信息传送给磁性电极A。由于绝缘层IN设置于磁性层C和磁性电极A之间，因而仅有磁化信息可以传送，没有任何电信号干扰。
第三，在电极H和I1之间提供驱动电流(信号X1)以产生自旋扩散效应。输出的是随磁性电极A和B的磁化配置变化的、电极J和I2之间的电压(信号X2)。具体来说，通过提供例如1mA驱动电流所产生的自旋极化电子累积于金属沟道层O中。所累积的自旋极化电子有助于磁性电极B的磁化。磁性电极B和金属沟道层O间的化学势变化。随磁性电极A和B的磁化配置呈平行还是反向平行状态，磁性电极B和金属沟道层O之间的输出电压变化为例如+30μV和-30μV的双极值、或例如+12μV和+3μV的不同值。
[6-3]要素
下面将具体说明各元件的组成要素(主要材料)。下面省略其说明的元件其各层与上面说明的第一实施例情形相同。
(a)沟道层O
最好是将具有高导电性的金属层用作第二实施例的沟道层O。具体来说，各例是铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、以及包含其中至少之一的合金。与沟道层O接触的磁性电极A和B之间的距离最好是短于金属中的自旋扩散长度。
(b)电极I1和I2
电极I1和I2其材料可以同与它们连接的沟道层O的材料相同或不同。当使用相同材料时，可以很容易形成各电极。如果使用不同材料，各电极最好是由具有低电阻的金属材料所形成。各例是铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、以及包含其中至少之一的合金。
如上所述，按照本发明第二实施例，可以得到与第一实施例情形相同的效果。
[7]第三实施例
第三实施例中，与第二实施例情形同样将说明一例类型1的自旋扩散磁性元件。第三实施例中设置有化合物层。
[7-1]结构
图17A至图17D是表示本发明第三实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第三实施例的磁性元件的结构。
如图17A所示，第三实施例的磁性元件在很大程度上不同于第二实施例的磁性元件，其不同之处在于，有一化合物层Q设置于沟道层O和磁性电极A及B之间。
具体来说，包含氧、氮、以及氟其中至少之一的化合物层Q设置为与由金属所形成的沟道层O接触。磁性电极A和B设置为与化合物层Q接触。磁性电极A和B邻接配置于化合物层Q的相同表面上但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性或磁性绝缘层IN(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。磁性层D设置于磁性层C其与磁性电极A相反的一侧。由金属或绝缘体所形成的中间层R设置于磁性层C和D之间。电极H、J、K、和L分别与磁性电极A和B和磁性层C和D连接。电极I1和I2与该沟道层O连接。
通过使用电极H和I1在磁性电极A和沟道层O之间提供电流(信号X1)。通过使用电极J和I2从元件当中提取磁性电极B和沟道层O之间所产生的输出电压(信号X2)。通过使用电极K和L提供控制磁性层C磁化方向的信号Y。
第三实施例的磁性元件并不局限于图17A所示的结构，可以多样化地改变为例如下面说明的图17B至图17D中所示的各结构。图17A至图17D中所示的各结构可以组合。
如图17B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。电极K’和L’分别与磁性层C’和D’连接。用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。
如图17C所示，单个电极I可以与沟道层O连接。在这种情况下，通常用电极I在电极H和I之间提供信号X1，并在电极J和I之间提供信号X2。可以仅在磁性电极B和沟道层O之间设置化合物层Q。当化合物层Q仅是插入于输出侧时，可使输出电压较高但不增加功耗。
如图17D所示，反强磁性层S和S’可以设置为分别与磁性层D和D’接触以固定其磁化。电极L可设置于磁性层D上或者反强磁性层S上。电极L’可设置于磁性层D’上或反强磁性层S’上。当设置有反强磁性层S和S’时，所赋予的是单一方向的磁各向异性从而使磁化固定。也可以通过使用具有大磁晶各向异性的材料但不形成反强磁性层S和S’来固定磁化。
[7-2]工作原理
本发明第三实施例的磁性元件的工作原理与第二实施例情形相同，下面省略其说明。
[7-3]要素
下面将具体说明各元件的组成要素(主要材料)。下面省略其说明的元件其各层与上面说明的第一和第二实施例情形相同。
(a)化合物层Q
至于化合物层Q，可使用包含氧化物(例如氧化铝(Al2O3-X)、氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或氟化物的材料，其中该氟化物包含从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)、镁(Mg)、以及铁(Fe)所组成的群当中选择的至少一种元素。
如上所述，按照本发明第三实施例，可以得到与第二实施例情形相同的效果。另外，当设置有化合物层Q时，可以使输出电压较高。
[8]第四实施例
第四实施例中，将说明一例类型1的栅极驱动磁性元件。
[8-1]结构
图18A至图18D是表示本发明第四实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第四实施例的磁性元件的结构。
如图18A所示，第四实施例的磁性元件在很大程度上不同于第一实施例的磁性元件，其不同之处在于，将一半导体层用作沟道层O，并且将栅极电极G设置于沟道层O上面。
具体来说，栅极电极G在与沟道层O绝缘的同时设置于由半导体所形成的沟道层O上面。分别起源极和漏极作用的磁性电极A和B设置于栅极电极G两侧。磁性电极A和B配置为与沟道层O接触，并在沟道层O的相同表面上相邻但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性或磁性绝缘层IN(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。磁性层D设置于磁性层C其与磁性电极A相反的一侧。由金属或绝缘体所形成的中间层R设置于磁性层C和D之间。电极H、J、K、和L分别与磁性电极A和B和磁性层C和D连接。
有一电压加到栅极电极G上以使沟道开放，并且通过使用电极H和J来输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号X。通过使用电极K和L来提供控制磁性层C磁化方向的信号Y。
第四实施例的磁性元件并不局限于图18A所示的结构，并可以多样化地改变为例如下面说明的图18B至图18D中所示的各结构。图18A至图18D中所示的各结构可以组合。
如图18B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。电极K’和L’分别与磁性层C’和D’连接。使用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。
如图18C所示，沟道层O可以在绝缘体Oa中具有导电岛状部分Ob。导电岛状部分Ob由半导体或金属形成。此元件是单电子晶体管。
如图18D所示，磁性电极B的磁化可以反转，并且各层可以在一个方向(Y方向)上层叠。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B下面。绝缘层IN’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。磁性层D’设置于磁性层C’其与磁性电极B相反的一侧。中间层R’设置于磁性层C’和D’之间。电极K’和L’分别与磁性层C’和D’连接。用电极K’和L’提供信号Y’以控制磁性层C’的磁化方向。两个栅极电极G和G’可以设置于沟道层O上面。
[8-2]工作原理
下面将说明本发明第四实施例的磁性元件的工作原理。这里说明图18A中所示的结构的工作原理。本实施例中可以使用两个输入系统，即至栅极电极G的输入和在电极L和K之间的输入。
第一，在电极K和L之间输入信号Y以控制磁性层C的磁化。作为控制磁性层C磁化的方式，可以采用上述自旋注入磁化反转方式(图13)或电压控制磁性方式(图14)。具体来说，依靠下面所要说明的不同机理来控制磁性层C相对于磁性层D的磁化方向。
自旋注入磁化反转方式中，将导电材料和最好是具有低电阻的金属用于中间层R。由磁性层C和D之间所提供的电流的方向控制磁性层C的磁化方向。具体来说，当自旋极化电子从磁性层D注入到磁性层C时，磁性层C的磁化方向与磁性层D的磁化方向平行。当自旋极化电子从磁性层C注入到磁性层D时，磁性层C的磁化方向与磁性层D的磁化方向反向平行。
电压控制磁性方式中，将包含绝缘层和金属层的分层膜用作中间层R。所利用的现象其中由电极L和K之间加上的电压改变磁性层D和C间的磁耦合。
第二，如上所述依靠磁性电极A和磁性层C之间通过绝缘层IN的磁耦合(依靠图8至图11C中所示的磁耦合方式)，将其磁化方向由信号Y控制的磁性层C的磁化信息传送给磁性电极A。由于绝缘层IN设置于磁性层C和磁性电极A之间，因而仅有磁化信息可以传送，没有任何电信号干扰。
第三，在栅极电压驱动中，如常规FET情形那样对栅极电极G加上预定电压以使沟道开放。通过使用电极H和J来输出磁性电极A和B之间所流的电流(信号X)。该电流其数值随磁性电极A和B的磁化配置而改变。
[8-3]要素
下面将具体说明元件的组成要素(主要材料)。下面省略其说明的元件其各层与上面说明的第一实施例情形相同。
(a)沟道层O(为第四和第八实施例共同的部分)
将诸如硅(Si)这种常规半导体用作沟道层O的材料。
例如图18C所示的结构中，作为沟道层O的材料，采用由绝缘体Oa所围绕的导电岛状部分Ob。
(b)栅极电极G
可将导电材料用于栅极电极G。可使用多晶硅或诸如镍硅化物这种金属硅化物。
如上所述，按照本发明第四实施例，可以获得与第一实施例情形相同的效果。
[9]第五实施例
第五实施例中，将说明一例类型2的TMR磁性元件。
[9-1]结构
图19A至图19E是表示本发明第五实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第五实施例的磁性元件的结构。
如图19A所示，第五实施例的磁性元件在很大程度上不同于第一实施例的磁性元件，其不同之处在于，省略图15A中所示的磁性层D和中间层R，使磁性层C的磁化方向固定，并且中间层P由非磁性层NM形成。
具体来说，设置有磁性电极A和B夹住起到沟道层O作用的隧道势垒层TB。磁性电极A和B配置于隧道势垒层TB的不同表面上但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性层NM(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。电极H、J、和K分别与磁性电极A和B以及磁性层C连接。
通过使用电极H和J来输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号X。通过使用电极K和L来提供控制磁性电极A磁化方向的信号Z。
第五实施例的磁性元件并不局限于图19A所示的结构，并可以多样化地改变为例如下面说明的图19B至图19E中所示的各结构。图19A至图19E中所示的各结构可以组合。
如图19B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B一侧。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。
如图19C所示，反强磁性层S和S’可以设置为分别与磁性电极B和磁性层C接触以固定其磁化。电极K可以设置于磁性层C上或者反强磁性层S上。电极J可以设置于磁性电极B上或者反强磁性层S’上。当设置有反强磁性层S和S’时，所赋予的是单一方向的磁各向异性从而使磁化固定。也可以通过使用具有大磁晶各向异性的材料但不形成反强磁性层S和S’来固定磁化。
如图19D所示，磁性电极B和隧道势垒层TB可以相对于在Y方向上层叠的磁性电极A、非磁性层NM、以及磁性层C按一角度在X方向上堆叠。
如图19E所示，磁性电极B的磁化在图19D所示的结构中可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。
[9-2]工作原理
下面将说明本发明第五实施例的磁性元件的工作原理。这里说明图19A中所示的结构的工作原理。
第一，将电压(信号Z)加于电极H和K之间。磁性电极A的磁化方向通过利用其中磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合由电压改变这种现象来控制。
第二，将电压或电流加于电极H和J之间，并且输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的隧道电流或电压(信号X)。
[9-3]要素
下面将说明磁性元件的组成要素(主要材料)。下面省略其说明的元件其各层与上面说明的第一实施例情形相同。
(a)非磁性层NM
非磁性层NM由非磁性绝缘层或包含非磁性绝缘层和非磁性金属层的分层膜所形成。
非磁性绝缘层的各例材料是由氧化物(例如氧化铝(Al2O3-X)、氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、或Al-Zr-O)、氮化物、或氟化物所形成的绝缘体，其中该氟化物包含从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)、镁(Mg)、以及铁(Fe)所组成的群当中选择的至少一种元素，以及诸如GaAlAs这种具有较大禁带的半导体。
非磁性金属层的各例材料是铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铬(Cr)、钒(V)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)、铼(Re)、锇(Os)、以及包含其中至少之一的合金。
可以由例如MgO+Au、MgO+Ag、或MgO+Cr获得非磁性绝缘层和非磁性金属层的组合。但本发明并不局限于上述组合，也可以获得上述材料。
如上所述，按照本发明第五实施例，可获得与第一实施例情形相同的效果。类型2的第五实施例中，与类型1的第一实施例相比该元件具有简单结构，并且可很容易制造。
[10]第六实施例
第六实施例中，将说明一例类型2的自旋扩散磁性元件。第六实施例中，依靠自旋扩散效应的电压生成用作用于在磁性电极A和B之间获得输出信号的手段。
[10-1]结构
图20A至图20C是表示本发明第六实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第六实施例的磁性元件的结构。
如图20A所示，第六实施例的磁性元件在很大程度上不同于第五实施例的磁性元件，其不同之处在于，将金属层用作沟道层O，并且电极I1和I2与沟道层O连接。
具体来说，磁性电极A和B设置为与由金属所形成的沟道层O接触。磁性电极A和B邻接配置于沟道层O的相同表面上但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性层NM(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。电极H、J、和K分别与磁性电极A和B以及磁性层C连接。电极I1和I2与沟道层O连接。
通过使用电极H和I1在磁性电极A和沟道层O之间提供电流(信号X1)。通过使用电极J和I2从元件当中提取在磁性电极B和沟道层O之间所产生的输出电压(信号X2)。通过使用电极K和H提供控制磁性电极A磁化方向的信号Z。
第六实施例的磁性元件并不局限于图20A所示的结构，并可以多样化地改变为例如下面说明的图20B至图20C中所示的各结构。图20A至图20C中所示的各结构可以组合。
如图20B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。
如图20C所示，单个电极I可以与沟道层O连接。在这种情况下，通常用电极I在电极H和I之间提供信号X1，并在电极J和I之间提供信号X2。
[10-2]工作原理
下面将说明本发明第六实施例的磁性元件的工作原理。这里说明图20A中所示的结构的工作原理。
第一，在电极H和I1之间提供驱动电流(信号X1)以产生自旋扩散效应。输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的、在电极J和I2之间的电压(信号X2)。具体来说，通过提供例如1mA的驱动电流所产生的自旋极化电子累积于金属沟道层O中。所累积的自旋极化电子有助于磁性电极B的磁化。磁性电极B和金属沟道层O之间的化学势变化。随磁性电极A和B的磁化配置呈平行还是反向平行状态，磁性电极B和金属沟道层O之间的输出电压变化为例如+30μV和-30μV的双极值或-12μV或-26μV。
第二，将电压(信号Z)加于电极H和K之间。磁性电极A的磁化方向通过利用其中磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合由电压改变这种现象来控制。
[10-3]要素
第六实施例的磁性元件的组成要素(主要材料)与上述第一和第二实施例情形相同，将省略其说明。
[10-4]制造方法
接下来参照图20D说明一例第六实施例磁性元件的制造方法。
第一，通过使用超高真空溅射装置将起到电极K和K’作用的金属层、起到反强磁性层S和S’作用的PtMn层、起到磁性层C和C’作用的FeCo层(4nm)、起到非磁性层(绝缘层+金属层)NM作用的Cr(0.4nm)/MgO(0.8nm)层、起到磁性电极A和B作用的CoFeNoB非晶态合金层(2nm)、以及金属沟道层O依次淀积于基底(未图示)上。从超高真空溅射装置当中取出该分层膜。
在270℃下进行5小时磁化退火以便将单一方向的磁各向异性引入FeCo层。当加上EB(电子束)抗蚀剂并进行EB暴露时，形成与下电极形状一致的掩模。然后，通过离子蚀刻处理该膜。
接下来，掩埋SiO2膜，并使得表面平整。通过再次用EB光刻技术和离子蚀刻来处理金属沟道层O至磁性层C及C’的结构。利用此处理，磁性电极A和B的尺寸设定为30nm×30nm。磁性电极A和B之间的距离设定为30nm。再次掩埋SiO2膜，并且进行表面平面和表面暴露。
再次将晶片放入超高真空溅射装置。将金属沟道材料很薄地淀积于表面上之后，沟道层O处理为预定形状。最后，形成电极H和J、磁性电极A和B、以及电极I。
如上所述，按照本发明第六实施例，可以获得与第五实施例情形相同的效果。
[11]第七实施例
第七实施例中，与第六实施例情形同样将说明一例类型2的自旋扩散磁性元件。第七实施例中设置有化合物层。
[11-1]结构
图21A至图21E是表示本发明第七实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第七实施例的磁性元件的结构。
如图21A所示，第七实施例的磁性元件在很大程度上不同于第六实施例的磁性元件，其不同之处在于，有一化合物层Q设置于沟道层O和磁性电极A及B之间。
具体来说，该化合物层Q设置为与由金属所形成的沟道层O接触。磁性电极A和B设置为与该化合物层Q接触。磁性电极A和B邻接配置于该化合物层Q的相同表面上但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性层NM(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。电极H、J、和K分别与磁性电极A和B以及磁性层C连接。电极I1和I2与沟道层O连接。
通过使用电极H和I1在磁性电极A和沟道层O之间提供电流(信号X1)。通过使用电极J和I2从元件当中提取磁性电极B和沟道层O之间所产生的输出电压(信号X2)。通过使用电极K和H提供控制磁性电极A磁化方向的信号Z。
第七实施例的磁性元件并不局限于图21A所示的结构，可以多样化地改变为例如下面说明的图21B至图21E中所示的各结构。图21A至图21E中所示的各结构可以组合。
如图21B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。
如图21C所示，单个电极I可以与沟道层O连接。在这种情况下，通常用电极I在电极H和I之间提供信号X1，并在电极J和I之间提供信号X2。可以仅在磁性电极B和沟道层O之间设置化合物层Q。当化合物层Q仅是插入于输出侧时，可使输出电压较高但不增加功耗。
如图21D所示，反强磁性层S和S’可以设置为分别与磁性层C和C’接触以固定其磁化。电极K可设置于磁性层C上或者反强磁性层S上。电极K’可设置于磁性层C’上或者反强磁性层S’上。当设置有反强磁性层S和S’时，所赋予的是单一方向的磁各向异性从而使磁化固定。也可以通过使用具有大磁晶各向异性的材料但不形成反强磁性层S和S’来固定磁化。
如图21E所示，磁性电极B的磁化可以反转，并且各层可以在一个方向(Y方向)上层叠。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B下面。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。
[11-2]工作原理
本发明第七实施例的磁性元件其工作原理与第六实施例情形相同，故省略其说明。
[11-3]要素
第七实施例磁性元件的组成要素(主要材料)与上述第一至第三实施例情形相同，故省略其说明。
如上所述，按照本发明第七实施例，可以获得与第五实施例情形相同的效果。
[12]第八实施例
第八实施例中，将说明一例类型2的栅极驱动磁性元件。
[12-1]结构
图22A至图22D是表示本发明第八实施例的磁性元件的示意图。下面将说明本发明第八实施例的磁性元件的结构。
如图22A所示，第八实施例的磁性元件在很大程度上不同于第五实施例的磁性元件，其不同之处在于，有一半导体层用作沟道层O，并且有一栅极电极G设置于沟道层O上面。
具体来说，栅极电极G在与沟道层0绝缘的同时设置于由半导体所形成的沟道层O上面。分别起源极和漏极作用的磁性电极A和B设置于栅极电极G两侧。磁性电极A和B配置为与沟道层O接触，并在沟道层O的相同表面上相邻但彼此不接触。磁性层C设置于磁性电极A一侧。非磁性层NM(中间层P)设置于磁性层C和磁性电极A之间。电极H、J、和K分别与磁性电极A和B以及磁性层C连接。
通过使用栅极电极G以及电极H和J来输出随磁性电极A和B的磁化配置变化的信号X。通过使用电极K和H来提供控制磁性电极A磁化方向的信号Z。
第八实施例的磁性元件并不局限于图22A所示的结构，并可以多样化地改变为例如下面说明的图22B至图22D中所示的各结构。图22A至图22D中所示的各结构可以组合。
如图22B所示，磁性电极B的磁化可以反转。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B上面。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。
如图22C所示，沟道层O可以在绝缘体Oa中具有导电岛状部分Ob。导电岛状部分Ob由半导体或金属形成。此元件是单电子晶体管。
如图22D所示，磁性电极B的磁化可以反转，并且各层可以在一个方向(Y方向)上层叠。在这种情况下，磁性层C’设置于磁性电极B下面。非磁性层NM’(中间层P’)设置于磁性层C’和磁性电极B之间。电极K’与磁性层C’连接。用电极K’和J提供信号Z’以控制磁性电极B的磁化方向。两个栅极电极G和G’可以设置于沟道层O上面。
图23A至图23D是表示本发明第八实施例的栅极驱动(自旋MOSFET)磁性元件的布局图。图24A至图24C是表示本发明第八实施例的栅极驱动(自旋SET)磁性元件的布局图。图25A至图25C是表示本发明第八实施例的栅极驱动(自旋共振隧道晶体管)磁性元件的布局图。下面将说明本发明第八实施例的磁性元件的布局。可认为布局图是磁性元件的平面图或剖面图。
如图23A至图23D所示，将磁性电极A和磁性层C相连的轴几乎垂直于将栅极电极G和沟道层O相连的轴(在垂直于图面从远侧至近侧这一方向上)。利用此结构，可以防止互连的空间干涉。另外，可以防止元件因磁性电极A以及电极K所流的电流和栅极电极G所加上的偏压间的相互作用而造成的任何误动作。此外，可以防止磁性电极A的磁化受栅极电极G和沟道层O之间的绝缘膜(未图示)变薄时所产生的漏电流的影响。
参照图24A至图24C，沟道层O包含绝缘体Oa和该绝缘体Oa中设置的导电岛状部分Ob。将磁性电极A和磁性层C相连的轴几乎垂直于将栅极电极G和沟道层O的导电岛状部分Ob相连的轴(在垂直于图面从远侧至近侧这一方向上)。利用此结构，如同图23A至图23D情形那样，可以确保互连的引线区，并且可防止元件的任何误动作。
参照图25A至图25C，沟道层O包含介于两个绝缘层Oc之间的磁性电极Od。栅极电极G接触磁性电极Od。将磁性电极A和磁性层C相连的轴几乎垂直于将栅极电极G和沟道层O相连的轴(在垂直于图面从远侧至近侧这一方向上)。利用此结构，如同图23A至图23D情形那样，可以确保互连的引线区，并且可防止元件的任何误动作。
[12-2]工作原理
下面将具体说明本发明第八实施例的磁性元件的工作原理。这里说明图22A所示的结构的工作原理。本实施例中可以使用两个输入系统，即至栅极电极G的输入和在电极L和K之间的输入。
第一，将电压(信号Z)加于电极H和K之间。磁性电极A的磁化方向通过利用其中磁性电极A和磁性层C之间的磁耦合由电压改变这种现象来控制。
第二，栅极电压驱动中，如同常规FET情形那样，将预定电压加到栅极电极G上来使沟道层O导通。通过使用电极H和J来输出磁性电极A和B之间所流的电流(信号X)。该电流其数值随磁性电极A和B的磁化配置而改变。
[12-3]要素
第八实施例磁性元件的组成要素(主要材料)与上述第一和第四实施例情形相同，故省略其说明。
如上所述，按照本发明第八实施例，可以获得与第五实施例情形相同的效果。
[13]第九实施例
第九实施例中，将说明一例包括多个磁性元件在内的用于运算处理的磁性信号处理装置。
图26A(a)和图26A(b)是本发明第九实施例具有多个TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图。下面将说明第九实施例具有多个TMR磁性元件的磁性信号处理装置。
图26A(a)和图26A(b)所示的结构中，使用图15E所示的多个磁性元件G1、G2、和G3。来自磁性元件G2和G3的输出信号XG2和XG3输入至剩余的磁性元件G1。因此，多个磁性元件G1、G2、和G3可以按从属方式连接。
具体来说，将磁性元件G2基于磁性电极A和B之间磁化配置的信号XG2输入至磁性元件G1的磁性层C。磁性元件G1的磁性层C的磁化方向由信号XG2控制。磁性层C的磁化信息依靠磁性电极A和磁性层C之间通过绝缘层IN的磁耦合传送给磁性电极A，以便控制磁性元件G1的磁性电极A的磁化方向。
同样，将磁性元件G3基于磁性电极A和B之间磁化配置的信号XG3输入至磁性元件G1的磁性层C’。磁性元件G1的磁性层C’的磁化方向由信号XG3控制。磁性层C’的磁化信息依靠磁性电极B和磁性层C’之间通过绝缘层IN’的磁耦合传送给磁性电极B，以便控制磁性元件G1的磁性电极B的磁化方向。
通过使用电极H和J将以上述方式控制的磁性电极A和B其磁化信息输出作为输出信号XG1。
与TMR输出信号XG2和XG3等效的信号可以在第一磁性元件G2和G3的电极K和L之间或电极K’和L’之间直接输入。使电极L和L’接地。不过也可以使电极K和K’接地。
图26B(a)和图26B(b)是本发明第九实施例具有多个自旋扩散磁性元件的磁性信号处理装置的示意图。下面将说明第九实施例具有多个自旋扩散磁性元件的磁性信号处理装置。
图26B(a)和图26B(b)所示的结构中，使用图17B所示的多个磁性元件G1和G2。将来自磁性元件G1的输出信号XG1输入至另一个磁性元件G2。因此，多个磁性元件G1和G2可以级联。
具体来说，将磁性元件G1的电极J和I2之间的输出信号XG1输入磁性元件G2的电极K’和L’之间。磁性元件G2的磁性层C的磁化方向由信号XG1控制。磁性层C的磁化信息依靠磁性电极B和磁性层C之间通过绝缘层IN’的磁耦合传送给磁性电极B。将基于磁性电极A和B之间磁化配置的磁化信息输出作为输出信号XG2。
与输出信号XG1等效的信号可以在第一磁性元件G1的电极K和L之间或电极K’和L’之间直接输入。
如图27所示，输入磁性层C’的输入信号并不局限于另一磁性元件输出的输出信号。可以在没有其它磁性元件介入的情况下输入信号(例如运算重写用的电流或电压)。多个磁性元件连接的方式并不局限于图26A(a)和图26A(b)以及图26B(a)和图26B(b)所示的各例，也可以进行种种变化和修改。
如上所述，按照本发明的第九实施例，可以获得与第一实施例情形相同的效果。此外，可以提供基于自旋组合的运算器件，该运算器件可以很容易实现级联，并且在进行磁开关的同时输出信号。
[14]第十实施例
第十实施例中，将说明通过使用TMR磁性元件来执行“异或(exclusive OR)”以及“异或”的反转逻辑的实例。
图28显示本发明第十实施例具有TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图和真值表。下面将说明本发明第十实施例具有TMR磁性元件的磁性信号处理装置。
如图28所示，图15C所示的TMR磁性元件用作第十实施例。与两个输入a和b相对应执行“异或”以及“异或”的反转逻辑的运算处理。
磁性层D和D’由CoFe所形成。中间层R和R’由Cu所形成。磁性层C和C’由FeCoNiB所形成。中间层P和P’由MnFe2O4作为绝缘强磁性材料所形成。磁性电极A和B由包含FeCoNiB/Co的两层膜所形成。隧道势垒层TB(沟道层0)由MgO所形成。
两个输入a和b分别对应于电极K和L之间所流的电流(或电压)和电极K’和L’之间所流的电流(或电压)。当输入信号a和b是0或1时，所提供的电流(或电压)使得电流Ix或零(或几乎为零)电流流过。电流值Ix大于磁性层C和C’引发电流驱动磁化反转的临界电流值Ixc，最好是几乎等于随后说明的Ip。“几乎为零的电流值”最好是几乎等于随后说明的Iap。此外，弱磁耦合最好是存在于磁性层C和D之间以及磁性层C’和D’之间(该层结构例中采用依靠静磁耦合的负向磁耦合)。设定与输入信号a对应的电流以便自旋极化电子e从磁性层D流到磁性层C。设定与输入信号b对应的电流以便自旋极化电子e从磁性层D’流到磁性层C’。
输入两个信号a和b。当各信号为0时，磁性层C和C’的磁化往左反转。当各信号为1时，磁性层C和C’的磁化则保持往右方向。磁性层C和C’的磁化信息分别通过中间层P和P’传送给磁性电极A和B。结果是，磁性电极A和B的磁化如真值表所示组合。
至于输出，通过使用电源将电压加于磁性电极A和B之间。作为TMR效应来提取磁性电极A和B磁化的组合状态。具体来说，当磁化平行时所流过的电流Ip较大。而反向平行状态下电流Iap较小。当电流Ip和Iap分别设定为0和1时，便获得真值表中所示的关系。因此，可以由单一元件执行“异或”(XOR)。
如图26A所示，输出电流最好是满足Ip＞Ixc＞Iap，因为另一个元件可以通过将输出信号与另一个磁性元件的输入连接而动作。
上述“异或”中，如图28所示，磁性层D和D’的磁化设定为相互平行。当磁性层D和D’的磁化设定为相互反向平行时，可以通过应用上述原理来执行“异或的反转逻辑”。也就是说，该元件是可重新配置的，从而可以通过改变磁性层D或D’的磁化来改变运算功能。
为了使得该磁性元件可重新配置，按下列方式执行磁性层D和D’的磁化反转。(a)为了产生磁场，在磁性层D和D’附近设置互连，并加上外部磁场。(b)以间接或直接方式与磁性层D和D’邻接设置强磁性部分以提供自旋电流，从而执行电流驱动磁化反转。(c)通过绝缘体+导电部分与磁性层D和D’邻接设置强磁性部分，在强磁性部分和磁性层D或C之间加上电压，从而执行电压驱动磁化反转。
信号设定方法、电流流向、以及磁化方向的限定并不局限于上述说明，并且可以相反。按照这些设定执行“异或”或“异或”的反转逻辑。膜组分并不局限于上述例。磁耦合方式也不局限于上述例。
如上所述，按照本发明的第十实施例，可以获得与第一实施例情形相同的效果。此外，可以由基于自旋组合的运算器件执行“异或”以及“异或”的反转逻辑。
[15]第十一实施例
第十一实施例中，将说明其中通过使用类似于第十实施例的TMR磁性元件对应于一个输入执行否定(NOT)和肯定运算处理的实例。
图29是本发明第十一实施例具有TMR磁性元件的磁性信号处理装置的示意图。下面将说明本发明第十一实施例具有TMR磁性元件的磁性信号处理装置。
如图29所示，作为第十一实施例，通过使用图15A所示的TMR磁性元件来执行1输入运算处理。
一个输入a对应于电极K和L之间所流过的电流(或电压)。加上电流Ix或零(或几乎为零)电流(或电压)用于输入信号0或1。电流值Ix大于磁性层C引发电流驱动磁化反转的临界电流值Ixc，最好是几乎等于随后说明的Ip。“几乎为零的电流值”最好是几乎等于随后说明的Iap。此外，弱磁耦合最好是存在于磁性层C和D之间(该层结构例中采用依靠静磁耦合的负向磁耦合)。设定电流以便自旋极化电子e从磁性层D流到磁性层C。
输入信号a。当信号为0时，磁性层C的磁化往左反转。当信号为1时，磁性层C和C’的磁化朝向往右方向。结果是，当输入信号a为1时磁性电极A和B的磁化组合平行，而输入信号a为0时则反向平行。当与第十实施例情形相同的定义应用于该输出时，输出分别为1和0。因此，可以执行否定(NOT)运算处理。
参考图29，磁性层B的磁化设定为往右。当磁化设定为往左时，可以执行肯定运算处理。即便是将磁性层D的磁化设定为往左而非改变磁性层B的磁化方向时，也可以执行肯定运算处理。即便是这种情况下，信号设定方法也不局限于上述方法，并且可以相反。按照此设定执行否定或肯定运算处理。
如上所述，按照本发明的第十一实施例，可以获得与第一实施例情形相同的效果。此外，可以执行与一个输入对应的否定和肯定运算处理。
[16]第十二实施例
第十二实施例中，将说明其中通过使用自旋扩散磁性元件来执行“异或”以及“异或”的反转逻辑的实例。
图30是本发明第十二实施例具有自旋扩散磁性元件的磁性信号处理装置的示意图。下面将说明本发明第十二实施例具有自旋扩散磁性元件的磁性信号处理装置。
如图30所示，将图16B所示的自旋扩散磁性元件用作第十二实施例。对应于两个输入a和b执行“异或”以及“异或”的反转逻辑的运算处理。
两个输入a和b分别对应于电极K和L之间所流过的电流和电极K’和L’之间所流过的电流。提供电压以便随输入信号0或1而产生电流ly或Iz(≠ly)。ly和磁性层C和C’引发电流驱动磁化反转并变为与磁性层D和D’平行时的临界电流值lyc具有关系|ly|＞|lyc|。Iz和磁性层C和C’的磁化变为与磁性层D和D’反向平行时的临界电流值Izc具有关系|Iz|＞|Izc|。输入信号a和b。当各信号为0时，磁性层C和C’的磁化朝向往右方向。当各信号为1时，磁性层C和C’的磁化朝向往左方向。
作为输出，当在电极I1和H之间提供电流时，使用的是电极I2和J之间所产生的电压。随磁性电极A和B之间的磁化关系(平行或反向平行)所产生的电压是Vf或Vaf。如同第十实施例情形那样，当分别使Vf和Vaf对应于0和1时，可以由单一元件执行“异或”XOR。
如图26B所示，当将输出输入至另一磁性元件时，可以传送信号。
即便是自旋扩散类型，当磁性层D和D’之间的磁化关系改变时，也可以使该功能重写(可重新配置)。为了使磁性元件可重新配置，通过第十实施例中所说明的方法(a)至方法(c)来执行磁性层D和D’的磁化反转。
信号设定方法、电流流向、以及磁化方向的限定并不局限于上述说明，并且可以相反。按照这些设定执行“异或”或者“异或”的反转逻辑。
如上所述，按照本发明的第十二实施例，可以获得与第一实施例情形相同的效果。此外，可以由基于自旋组合的运算器件执行“异或”以及“异或”的反转逻辑。
其他的优点和修改对于本领域技术人员来说是很容易实现的。因此，本发明在其较宽方面并不局限于本文给出和说明的具体细节和典型实施例。因而，可以在不背离如同所附的权利要求书及其等同范围所限定的本发明实质和范围的情况下进行种种修改。

Claims (20)

1.一种磁性元件，其特征在于，包括：
沟道层；
与所述沟道层接触的第一磁性电极；
与所沟道层接触、并与所述第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；
与所述第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；
设置为与所述第一中间层的位于与接触所述第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给所述第一磁性电极的第一磁性层；
与所述第一磁性电极连接的第一电极；以及
与所述第二磁性电极连接的第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个输出随所述第一磁性电极和所述第二磁性电极的磁化配置而变化的第一信号。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，进一步包括：
第二磁性层；
形成在所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的第二中间层；
与所述第一磁性电极连接的第三电极，以及
与所述第二磁性电极连接的第四电极，所述第三电极和所述第四电极提供第二信号以控制所述第一磁性层的磁化方向，
其中在所述第一磁性电极和所述第一磁性层之间磁耦合通过所述第一中间层起作用。
3.如权利要求2所述的元件，其特征在于，
所述第二信号由注入到所述第一磁性层和所述第二磁性层中的一个的自旋极化电子提供，
所述第一磁性层的磁化方向由所述自旋极化电子的注入方向控制。
4.如权利要求2所述的元件，其特征在于，
所述第二信号由所述第一磁性层和所述第二磁性层之间所加的电压提供，
所述第一磁性层的磁化方向通过根据所述电压的大小改变所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的磁耦合而控制。
5.如权利要求2所述的元件，其特征在于，所述第一中间层基本上由绝缘磁性材料制成，以将所述第一磁性层的磁化方向平行地传递至所述第一磁性电极的磁化方向。
6.如权利要求2所述的元件，其特征在于，所述第一中间层基本上由绝缘非磁性材料制成，以将所述第一磁性层的磁化方向平行地或反向平行地传递至所述第一磁性电极的磁化方向。
7.如权利要求2所述的元件，其特征在于，所述第一中间层基本上由绝缘非磁性材料制成，以将所述第一磁性层的磁化方向反向平行地传递至所述第一磁性电极的磁化方向。
8.如权利要求2所述的元件，其特征在于，通过使所述第一磁性层的磁化进动，从所述第一磁性层产生微波，并由所述微波控制所述第一磁性电极的磁化方向。
9.如权利要求1所述的元件，其特征在于，进一步包括与所述第一磁性层连接的第三电极，
其中在所述第一电极和所述第三电极之间提供第二信号以控制所述第一磁性电极的磁化方向。
10.如权利要求9所述的元件，其特征在于，
所述第二信号由所述第一磁性电极和所述第一磁性层之间所加的电压提供，
所述第一磁性电极的磁化方向通过根据所述电压的大小而改变所述第一磁性电极和所述第一磁性层之间的磁耦合而控制。
11.如权利要求1所述的元件，其特征在于，
所述沟道层是隧道势垒层，
用作所述第一信号的隧道电流或电压因所述第一磁性电极和所述第二磁性电极的磁化配置而改变。
12.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述沟道层是金属层，
所述磁性元件进一步包括与所述沟道层连接的第五电极，
其中，通过在所述第一磁性电极和所述第五电极之间提供电流和电压中的一个来检测电压和电流中的一个，所检测的电压和电流中的一个根据所述第一磁性电极和所述第二磁性电极的磁化配置在所述第二磁性电极和所述沟道层之间产生。
13.如权利要求12所述的元件，其特征在于，进一步包括设置在所述第二磁性电极和所述沟道层之间，并包含氧、氮、和氟中的至少一个的化合物层。
14.如权利要求12所述的元件，其特征在于，
所述第五电极具有第一电极部分和第二电极部分，
所述第一电极部分用于在所述第一磁性电极和所述第五电极之间提供电流和电压中的一个，
所述第二电极部分用于检测所述第二磁性电极和所述沟道层之间根据所述第一磁性电极和所述第二磁性电极的磁化配置而产生的电压和电流中的一个。
15.如权利要求1所述的元件，其特征在于，
所述沟道层是半导体层，并进一步包括通过第二绝缘层设置于所述半导体层上的栅极电极，或者
所述沟道层是在第三绝缘层中具有导电部分的层，并进一步包括设置于所述第三绝缘层上的栅极电极。
16.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一磁性电极基本上由在室温下呈现磁性起伏的磁性材料和磁性半导体中的一个制成。
17.一种磁性信号处理装置，其特征在于，包括：
第一磁性元件；和
第二磁性元件，
所述第一磁性元件包括：
第一沟道层；
与所述第一沟道层接触的第一磁性电极；
与所述第一沟道层接触、并与所述第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；
与所述第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；
设置为与所述第一中间层的位于与接触所述第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给所述第一磁性电极的第一磁性层；
与所述第一磁性电极连接的第一电极；以及
与所述第二磁性电极连接的第二电极，
所述第二磁性元件包括：
第二沟道层；
与所述第二沟道层接触的第三磁性电极；
与所述第二沟道层接触、并与第三磁性电极绝缘的第四磁性电极；
与所述第三磁性电极邻接设置、并具有第二绝缘层的第二中间层；
设置为与所述第二中间层的位于与接触所述第三磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给所述第三磁性电极的第二磁性层；
与所述第三磁性电极连接的第三电极；以及
与所述第四磁性电极连接的第四电极，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个输出随所述第一磁性电极和所述第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号，并将该第一信号输入至所述第二磁性层。
18.一种磁性信号处理装置，其特征在于，包括磁性元件，
该磁性元件包括：
沟道层；
与所述沟道层接触的第一磁性电极；
与所述沟道层接触、并与所述第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；
与所述第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；
设置为与所述第一中间层的位于与接触所述第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给所述第一磁性电极的第一磁性层；
将磁化传递给所述第二磁性电极的第二磁性层；
设置于所述第二磁性层和所述第二磁性电极之间、并具有第二绝缘层的第二中间层；以及
与所述第一磁性电极连接的第一电极；和
与所述第二磁性电极连接的第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个输出随所述第一磁性电极和所述第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号，且所述第二磁性层的磁化方向通过所述第二磁性电极和所述第二磁性层之间通过所述第二中间层而起作用的磁耦合被传递至所述第二磁性电极的磁化方向。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，通过将第一输入信号1或0输入至所述第一磁性层，并将第二输入信号0或1输入至所述第二磁性层，来执行“异或”或者“异或”的反转逻辑的运算处理，并且将执行结果作为所述第一信号输出。
20.一种磁性信号处理装置，其特征在于，包括磁性元件，
该磁性元件包括：
沟道层；
与所述沟道层接触的第一磁性电极；
与所述沟道层接触、并与第一磁性电极绝缘的第二磁性电极；
与所述第一磁性电极邻接设置、并具有第一绝缘层的第一中间层；
设置为与所述第一中间层的位于与接触第一磁性电极的表面的相反侧的表面接触，以将磁化传递给所述第一磁性电极的第一磁性层；
将磁化传递给所述第二磁性电极的第二磁性层；
设置于所述第二磁性层和所述第二磁性电极之间、并具有第二绝缘层的第二中间层；
与所述第一磁性电极连接的第一电极；以及
与所述第二磁性电极连接的第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个输出随第一磁性电极和第二磁性电极的磁化配置变化的第一信号，通过将输入信号1或0输入至所述第一磁性层来执行否定或肯定运算处理，并将执行结果作为所述第一信号输出。
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