JP2000332317A - 磁性素子、記憶装置、磁気再生ヘッド、及び磁気ディスク装置 - Google Patents
磁性素子、記憶装置、磁気再生ヘッド、及び磁気ディスク装置Info
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-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
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- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は、室温でスピン蓄積効果を期待できる
スピン依存トンネル効果素子を提供すること、また、こ
れを用いた記憶素子、磁気再生ヘッド、及び磁気ディス
ク素子を提供する。 【解決手段】本発明の第一は、第一及び第二の強磁性層
１，５と、第一の強磁性層１と第一のトンネル障壁２を
介して隣接し、第二の強磁性層５と第二のトンネル障壁
４を介して隣接する半導体粒子３を備えることを特徴と
する磁性素子を提供する。
スピン依存トンネル効果素子を提供すること、また、こ
れを用いた記憶素子、磁気再生ヘッド、及び磁気ディス
ク素子を提供する。 【解決手段】本発明の第一は、第一及び第二の強磁性層
１，５と、第一の強磁性層１と第一のトンネル障壁２を
介して隣接し、第二の強磁性層５と第二のトンネル障壁
４を介して隣接する半導体粒子３を備えることを特徴と
する磁性素子を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性トンネル効
果を利用した磁気素子に関わり、特に、島状の非磁性あ
るいは強磁性の半導体を用いてそのスピン蓄積効果を利
用した磁性素子に関する。
果を利用した磁気素子に関わり、特に、島状の非磁性あ
るいは強磁性の半導体を用いてそのスピン蓄積効果を利
用した磁性素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁性を利用したスピン依存伝導素子とし
て、磁性金属層と非磁性金属層との界面でのスピン依存
散乱に起因した巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子が知ら
れている。これは、磁性金属層と非磁性金属層を数オン
グストロームから数十オングストロームのオーダで交互
に積層した構造の人工格子膜であり、非磁性層を介して
相対する磁性金属層の磁気モーメントが零磁場で磁気的
に反平行状態で結合している。この人工格子膜に外部磁
場を印加して磁性金属層の磁気モーメントを一方向に揃
えると抵抗が大きく低下し、数十％という巨大磁気抵抗
効果を示す。しかし、このような人工格子膜は、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、飽和磁場が数テスラ以上と大きく、実
用にはそぐわないという問題を有している。金属人工格
子膜に比べて積層数が少なく、飽和磁場が小さい膜とし
て、磁性金属層／非磁性金属層／磁性金属層のサンドイ
ッチ構造の積層膜を有し、一方の磁性金属層の磁化を固
定し、他方の磁性金属層のみを外部磁場で磁化反転させ
ることにより、２つの磁性金属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ＧＭＲ膜が開発さ
れている。上記３層からなるスピンバルブ膜の磁気抵抗
効果は１０％以下程度である。
て、磁性金属層と非磁性金属層との界面でのスピン依存
散乱に起因した巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子が知ら
れている。これは、磁性金属層と非磁性金属層を数オン
グストロームから数十オングストロームのオーダで交互
に積層した構造の人工格子膜であり、非磁性層を介して
相対する磁性金属層の磁気モーメントが零磁場で磁気的
に反平行状態で結合している。この人工格子膜に外部磁
場を印加して磁性金属層の磁気モーメントを一方向に揃
えると抵抗が大きく低下し、数十％という巨大磁気抵抗
効果を示す。しかし、このような人工格子膜は、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、飽和磁場が数テスラ以上と大きく、実
用にはそぐわないという問題を有している。金属人工格
子膜に比べて積層数が少なく、飽和磁場が小さい膜とし
て、磁性金属層／非磁性金属層／磁性金属層のサンドイ
ッチ構造の積層膜を有し、一方の磁性金属層の磁化を固
定し、他方の磁性金属層のみを外部磁場で磁化反転させ
ることにより、２つの磁性金属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ＧＭＲ膜が開発さ
れている。上記３層からなるスピンバルブ膜の磁気抵抗
効果は１０％以下程度である。
【０００３】一方、スピン依存散乱とはメカニズムの異
なる、強磁性トンネル効果に基づくトンネル磁気抵抗
（ＴＭＲ）効果素子もスピン依存伝導素子として知られ
ている。これは磁性金属層／誘電体層／磁性金属層の３
層積層膜からなり、一方の磁性金属層の保磁力が他方の
磁性金属層の保磁力よりも小さい構造で、両磁性金属層
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金属層のスピンのみ
を反転させると、二つの磁性金属層のスピンが互いに平
行なときと反平行なときとでトンネル電流量が大きく異
なるため、室温で１０％以上の大きな磁気抵抗効果が得
られる。誘電体層を二つ備えた磁性金属層／誘電体層／
磁性金属層／誘電体層／磁性金属層の５層からなる強磁
性２重トンネル効果素子も知られている。また、中央の
強磁性金属層を微粒子状の強磁性体により構成した強磁
性２重トンネル効果素子が本発明者らによって提案され
ている（Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1380(1997),
特開平１０−３０８３１３号）。ここに、論文発表番号
や、特許出願番号等を追記して下さい。）。これらの強
磁性２重トンネル効果素子はバイアスによるＴＭＲの低
下が少ないという特徴がある。
なる、強磁性トンネル効果に基づくトンネル磁気抵抗
（ＴＭＲ）効果素子もスピン依存伝導素子として知られ
ている。これは磁性金属層／誘電体層／磁性金属層の３
層積層膜からなり、一方の磁性金属層の保磁力が他方の
磁性金属層の保磁力よりも小さい構造で、両磁性金属層
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金属層のスピンのみ
を反転させると、二つの磁性金属層のスピンが互いに平
行なときと反平行なときとでトンネル電流量が大きく異
なるため、室温で１０％以上の大きな磁気抵抗効果が得
られる。誘電体層を二つ備えた磁性金属層／誘電体層／
磁性金属層／誘電体層／磁性金属層の５層からなる強磁
性２重トンネル効果素子も知られている。また、中央の
強磁性金属層を微粒子状の強磁性体により構成した強磁
性２重トンネル効果素子が本発明者らによって提案され
ている（Jpn. J. Appl. Phys. 36, L1380(1997),
特開平１０−３０８３１３号）。ここに、論文発表番号
や、特許出願番号等を追記して下さい。）。これらの強
磁性２重トンネル効果素子はバイアスによるＴＭＲの低
下が少ないという特徴がある。
【０００４】このようなＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を磁気
ヘッドや磁気記憶素子に応用する研究もなされており、
スピンバルブＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドは既に実用
化に到っている。スピン依存トンネル効果素子を磁気記
憶素子へ応用する場合にはこれらの素子をアレイ状に配
置し、別に設けた配線に電流を流すことで素子へ電流磁
界を印加し、二つの磁性金属層を互いに平行、反平行に
制御することにより、“１”、“０”のいずれかを記録
させる。読み出しはＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を用いて行
う。従来のＴＭＲ素子を記憶素子として用いた磁気ラン
ダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の回路では、半導体電
界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とＴＭＲ記憶素子が直列
につながれており、ワード線とビット線に電流を流し交
叉した位置の記憶素子を選択する構成である。ワード線
で選択されたＦＥＴのゲートを開いてビット線からドレ
イン電圧を付与することでソースードレイン間電流をメ
モリ素子に流し、メモリ素子の両電極間の電圧を測定す
ることでその大きさからメモリの“１”、“０”を判定
するものである。従来のＴＭＲ素子では臨界電圧が存在
せず、そのためビット線とプレート間に直接記憶素子を
配置するとわずかな電圧を印加しただけでトンネル電流
が流れてしまう為、これを阻止するためのスイッチ用の
半導体ＦＥＴ等が必須である。しかし、ＦＥＴによるセ
ル面積への影響は大きく、記憶素子の高集積化の流れと
逆行することになる。
ヘッドや磁気記憶素子に応用する研究もなされており、
スピンバルブＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドは既に実用
化に到っている。スピン依存トンネル効果素子を磁気記
憶素子へ応用する場合にはこれらの素子をアレイ状に配
置し、別に設けた配線に電流を流すことで素子へ電流磁
界を印加し、二つの磁性金属層を互いに平行、反平行に
制御することにより、“１”、“０”のいずれかを記録
させる。読み出しはＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を用いて行
う。従来のＴＭＲ素子を記憶素子として用いた磁気ラン
ダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の回路では、半導体電
界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とＴＭＲ記憶素子が直列
につながれており、ワード線とビット線に電流を流し交
叉した位置の記憶素子を選択する構成である。ワード線
で選択されたＦＥＴのゲートを開いてビット線からドレ
イン電圧を付与することでソースードレイン間電流をメ
モリ素子に流し、メモリ素子の両電極間の電圧を測定す
ることでその大きさからメモリの“１”、“０”を判定
するものである。従来のＴＭＲ素子では臨界電圧が存在
せず、そのためビット線とプレート間に直接記憶素子を
配置するとわずかな電圧を印加しただけでトンネル電流
が流れてしまう為、これを阻止するためのスイッチ用の
半導体ＦＥＴ等が必須である。しかし、ＦＥＴによるセ
ル面積への影響は大きく、記憶素子の高集積化の流れと
逆行することになる。
【０００５】一方、最近、金属粒子を用いた２重トンネ
ル接合におけるスピン蓄積効果が理論的に研究されてい
る（J. Barns et al. Phys. Rev. Lett. 80, 1
058(1998)）。以下、このスピン蓄積効果について簡単
に説明する。強磁性電極／誘電体層／非磁性金属粒子／
誘電体層／強磁性電極からなる２重トンネル接合を考え
る。誘電体層の厚さが十分に薄い場合、二つの強磁性電
極間に電圧を印加するとスピン分極したトンネル電子が
流れる。非磁性金属粒子の大きさが帯電効果が現れる程
度に十分小さく、かつ二つのトンネル障壁（両誘電体
層）のコンダクタンスが互いに非対称である場合、スピ
ン偏極したトンネル電子は非平衡的に非磁性金属粒子内
に蓄積され、非磁性金属粒子の化学ポテンシャルΔμが
スピンに依存してシフトするため非平衡的にスピン分極
する。その結果、ＴＭＲ効果が発現することが期待され
る。その大きさはスピン緩和時間や金属微粒子の大きさ
に依存し、強磁性電極のスピン分極率をＰとすると、非
磁性金属微粒子内でのスピン緩和時間が十分長い場合、
ＴＭＲ効果は最大Ｐ２で与えられることが知られている
（A. Brataas et. al. Phys. Rev. B59, 93(199
8)）。
ル接合におけるスピン蓄積効果が理論的に研究されてい
る（J. Barns et al. Phys. Rev. Lett. 80, 1
058(1998)）。以下、このスピン蓄積効果について簡単
に説明する。強磁性電極／誘電体層／非磁性金属粒子／
誘電体層／強磁性電極からなる２重トンネル接合を考え
る。誘電体層の厚さが十分に薄い場合、二つの強磁性電
極間に電圧を印加するとスピン分極したトンネル電子が
流れる。非磁性金属粒子の大きさが帯電効果が現れる程
度に十分小さく、かつ二つのトンネル障壁（両誘電体
層）のコンダクタンスが互いに非対称である場合、スピ
ン偏極したトンネル電子は非平衡的に非磁性金属粒子内
に蓄積され、非磁性金属粒子の化学ポテンシャルΔμが
スピンに依存してシフトするため非平衡的にスピン分極
する。その結果、ＴＭＲ効果が発現することが期待され
る。その大きさはスピン緩和時間や金属微粒子の大きさ
に依存し、強磁性電極のスピン分極率をＰとすると、非
磁性金属微粒子内でのスピン緩和時間が十分長い場合、
ＴＭＲ効果は最大Ｐ２で与えられることが知られている
（A. Brataas et. al. Phys. Rev. B59, 93(199
8)）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来のスピン依存トン
ネル効果素子には、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子があり、な
かでも非磁性金属粒子を用いた２重トンネル接合素子で
は、理論上、スピン蓄積効果により、最大で強磁性電極
のスピン分極率の２乗のトンネル磁気抵抗が得られるこ
とが知られている。本発明では、従来の非磁性金属微粒
子を用いた２重トンネル接合素子に比して高いスピン蓄
積効果を期待できる磁性素子を提供すること、あるい
は、スピン蓄積効果を室温にて得られる磁性素子、及び
これらの磁性素子を用いた記憶装置、磁気再生ヘッド、
及び磁気ディスク装置を提供することを課題とする。
ネル効果素子には、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子があり、な
かでも非磁性金属粒子を用いた２重トンネル接合素子で
は、理論上、スピン蓄積効果により、最大で強磁性電極
のスピン分極率の２乗のトンネル磁気抵抗が得られるこ
とが知られている。本発明では、従来の非磁性金属微粒
子を用いた２重トンネル接合素子に比して高いスピン蓄
積効果を期待できる磁性素子を提供すること、あるい
は、スピン蓄積効果を室温にて得られる磁性素子、及び
これらの磁性素子を用いた記憶装置、磁気再生ヘッド、
及び磁気ディスク装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第一は、第一及
び第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第一のトンネル
障壁を介して隣接し、かつ第一のトンネル障壁とはコン
ダクタンスの異なる第二のトンネル障壁を介して第二の
強磁性層と隣接する半導体粒子を備えることを特徴とす
る磁性素子を提供する。また、本発明の第二は、強磁性
電極と、非磁性電極と、強磁性電極と第一のトンネル障
壁を介して隣接し、かつ前記第一のトンネル障壁とはコ
ンダクタンスの異なる第二のトンネル障壁を介して非磁
性電極と隣接する強磁性半導体粒子を備えることを特徴
とする磁性素子を提供する。本発明は、誘電体層に囲ま
れた島状の非磁性あるいは強磁性の半導体粒子を用いる
ことで高いスピン蓄積効果を期待できるスピン依存トン
ネル効果の磁性素子に係り、記憶素子や磁気ディスク素
子への応用に関するものである。２つのトンネル障壁に
挟まれた粒子においてスピン蓄積効果が観測されるため
には、半導体の帯電エネルギーＥcより動作温度が低
いこと、かつ、トンネル電子のスピン緩和時間τsfが
トンネル時間よりも長くなければならない。は、接合
の抵抗と容量をそれぞれＲ、Ｃとすればトンネル時間は
ＲＣで与えられるので、 τsf＞ＲＣ （１） を要求する。一方、微小なトンネル接合におけるの帯
電エネルギーＥｃは電子の電荷ｅ、及び誘電体に囲まれ
た半導体粒子のキャパシタンスＣを用いて、 Ｅc＝ｅ2/２Ｃ （２） で与えられるので、（１）、（２）から τsf＞Ｒ×（ｅ２／２Ｅc） （３） を満たさなければならないことがわかる。τsfは物質の
選択により決まるので（３）式はＥｃが大きい値である
ことを要求しており、そのためには半導体は小さな島状
となる。
び第二の強磁性層と、第一の強磁性層と第一のトンネル
障壁を介して隣接し、かつ第一のトンネル障壁とはコン
ダクタンスの異なる第二のトンネル障壁を介して第二の
強磁性層と隣接する半導体粒子を備えることを特徴とす
る磁性素子を提供する。また、本発明の第二は、強磁性
電極と、非磁性電極と、強磁性電極と第一のトンネル障
壁を介して隣接し、かつ前記第一のトンネル障壁とはコ
ンダクタンスの異なる第二のトンネル障壁を介して非磁
性電極と隣接する強磁性半導体粒子を備えることを特徴
とする磁性素子を提供する。本発明は、誘電体層に囲ま
れた島状の非磁性あるいは強磁性の半導体粒子を用いる
ことで高いスピン蓄積効果を期待できるスピン依存トン
ネル効果の磁性素子に係り、記憶素子や磁気ディスク素
子への応用に関するものである。２つのトンネル障壁に
挟まれた粒子においてスピン蓄積効果が観測されるため
には、半導体の帯電エネルギーＥcより動作温度が低
いこと、かつ、トンネル電子のスピン緩和時間τsfが
トンネル時間よりも長くなければならない。は、接合
の抵抗と容量をそれぞれＲ、Ｃとすればトンネル時間は
ＲＣで与えられるので、 τsf＞ＲＣ （１） を要求する。一方、微小なトンネル接合におけるの帯
電エネルギーＥｃは電子の電荷ｅ、及び誘電体に囲まれ
た半導体粒子のキャパシタンスＣを用いて、 Ｅc＝ｅ2/２Ｃ （２） で与えられるので、（１）、（２）から τsf＞Ｒ×（ｅ２／２Ｅc） （３） を満たさなければならないことがわかる。τsfは物質の
選択により決まるので（３）式はＥｃが大きい値である
ことを要求しており、そのためには半導体は小さな島状
となる。
【０００８】一般に半導体中のスピン緩和時間は長く、
また、島状半導体中の電子数は同じ大きさの金属中の電
子数に比べて圧倒的に少ないので帯電エネルギーが大き
く、比較的容易に（３）式を満たすことができ、スピン
蓄積効果を室温でも観測することが可能になる。さら
に、島状の半導体を用いて多重トンネル接合を構成する
と、島状半導体中の量子論による離散的エネルギー準位
の間隔δが大きくなる。化学ポテンシャルのシフト量Δ
μはδに比例するので、結果としてＴＭＲを増大させる
ことができる。また、半導体として、強磁性半導体を用
いればＴＭＲは２Ｐ２で与えられ、金属微粒子の場合に
比してＴＭＲが２倍に増大し、さらに好ましい。上記の
島状半導体粒子を用いた接合は上述の２重トンネル接合
に限らず、３重以上のトンネル接合においても同様に構
成することで、上記効果と同等、もしくはそれ以上のＴ
ＭＲが得られるものである。上記のような島状の半導体
を用いたスピン依存トンネル効果素子を電子素子、たと
えば記憶素子に応用した場合、素子を選択するためのト
ランジスタが不要になり、高集積化、低消費電力等にお
いて優れた不揮発性記憶素子を提供することができる。
また、島状半導体中の電子数は同じ大きさの金属中の電
子数に比べて圧倒的に少ないので帯電エネルギーが大き
く、比較的容易に（３）式を満たすことができ、スピン
蓄積効果を室温でも観測することが可能になる。さら
に、島状の半導体を用いて多重トンネル接合を構成する
と、島状半導体中の量子論による離散的エネルギー準位
の間隔δが大きくなる。化学ポテンシャルのシフト量Δ
μはδに比例するので、結果としてＴＭＲを増大させる
ことができる。また、半導体として、強磁性半導体を用
いればＴＭＲは２Ｐ２で与えられ、金属微粒子の場合に
比してＴＭＲが２倍に増大し、さらに好ましい。上記の
島状半導体粒子を用いた接合は上述の２重トンネル接合
に限らず、３重以上のトンネル接合においても同様に構
成することで、上記効果と同等、もしくはそれ以上のＴ
ＭＲが得られるものである。上記のような島状の半導体
を用いたスピン依存トンネル効果素子を電子素子、たと
えば記憶素子に応用した場合、素子を選択するためのト
ランジスタが不要になり、高集積化、低消費電力等にお
いて優れた不揮発性記憶素子を提供することができる。
【０００９】このような本願発明に対し、従来の技術で
説明した、強磁性層（電極）／絶縁層／非磁性金属微粒
子／絶縁層／強磁性層（電極）からなる２重トンネル接
合の金属微粒子では、単位体積当たりの伝導電子数が多
いため量子論による離散的エネルギー準位の間隔δは小
さく、そのためケミカルポテンシャルのシフト量Δμが
小さく、大きなスピン蓄積効果は期待できない。また、
スピンの蓄積効果を得るために、微粒子の帯電エネルギ
ーＥcより環境温度が低くなければならないが、金属微
粒子の場合、Ｅcが小さいのでｎｍオーダ以下にしない
と室温でのスピン蓄積効果が期待できない。従って、ス
ピン蓄積効果を利用したスピン依存トンネル効果素子を
メモリ素子などに適用した場合、素子を選択するための
トランジスタが欠かせないこととなる。
説明した、強磁性層（電極）／絶縁層／非磁性金属微粒
子／絶縁層／強磁性層（電極）からなる２重トンネル接
合の金属微粒子では、単位体積当たりの伝導電子数が多
いため量子論による離散的エネルギー準位の間隔δは小
さく、そのためケミカルポテンシャルのシフト量Δμが
小さく、大きなスピン蓄積効果は期待できない。また、
スピンの蓄積効果を得るために、微粒子の帯電エネルギ
ーＥcより環境温度が低くなければならないが、金属微
粒子の場合、Ｅcが小さいのでｎｍオーダ以下にしない
と室温でのスピン蓄積効果が期待できない。従って、ス
ピン蓄積効果を利用したスピン依存トンネル効果素子を
メモリ素子などに適用した場合、素子を選択するための
トランジスタが欠かせないこととなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】（第一の実施の形態） 以下に、
本発明の基本となる半導体粒子を用いたスピン依存多重
トンネル効果について説明する。ここでは、半導体に非
磁性粒子を用いた２重トンネル接合について、説明する
が、その結果は３重以上のトンネル接合、及び強磁性半
導体粒子を用いた構成に拡張できることは容易に考察で
きる。まず、図１（ａ）の断面概念図に示すように、強
磁性層１／誘電体層２／非磁性半導体粒子３／誘電体層
４／強磁性層５からなる２重トンネル接合素子について
説明する。強磁性層１，５は２重トンネル接合に電圧Ｖ
を印加するための一対の電極であり、また、強磁性層１
は図１（ａ）中矢印で示される方向の磁化Ｍ1↑を、強
磁性層５はＭ5↑あるいは反転したＭ5↓を持つことがで
きる。これら強磁性層１，５の間に、二つの薄い誘電体
層２，４と、誘電体層２，４により挟まれる非磁性半導
体微粒子３が備えられている。二つの誘電体層２，４は
トンネルコンダクタンスに非対称性を持たせるために、
厚さを互いに異ならしめた。この２重トンネル接合素子
において、強磁性層１の磁化Ｍ1は↑方向に固定させ、
強磁性層５の磁化Ｍ5は↑、↓のいずれかとすること
で、互いの磁化を平行、あるいは反平行とすることがで
きる。互いの磁化が平行状態での２重トンネル接合を流
れるトンネル電流量は、反平行状態でのトンネル電流量
に比して大きく、平行状態と反平行状態の電流量に差が
大きい程、磁気抵抗変化率が大きくなる。尚、強磁性層
１の磁化を固定し、強磁性層５の磁化を自由磁化とする
ためには、強磁性層１の保磁力を強磁性層５のそれより
も大きく設定すればよい。具体的には、反強磁性膜を強
磁性層１に隣接配置して交換結合力により強磁性層１の
保磁力を大きくする、あるいは、強磁性層１の材料と強
磁性層５のそれとを異ならしめる等の方法がある。
本発明の基本となる半導体粒子を用いたスピン依存多重
トンネル効果について説明する。ここでは、半導体に非
磁性粒子を用いた２重トンネル接合について、説明する
が、その結果は３重以上のトンネル接合、及び強磁性半
導体粒子を用いた構成に拡張できることは容易に考察で
きる。まず、図１（ａ）の断面概念図に示すように、強
磁性層１／誘電体層２／非磁性半導体粒子３／誘電体層
４／強磁性層５からなる２重トンネル接合素子について
説明する。強磁性層１，５は２重トンネル接合に電圧Ｖ
を印加するための一対の電極であり、また、強磁性層１
は図１（ａ）中矢印で示される方向の磁化Ｍ1↑を、強
磁性層５はＭ5↑あるいは反転したＭ5↓を持つことがで
きる。これら強磁性層１，５の間に、二つの薄い誘電体
層２，４と、誘電体層２，４により挟まれる非磁性半導
体微粒子３が備えられている。二つの誘電体層２，４は
トンネルコンダクタンスに非対称性を持たせるために、
厚さを互いに異ならしめた。この２重トンネル接合素子
において、強磁性層１の磁化Ｍ1は↑方向に固定させ、
強磁性層５の磁化Ｍ5は↑、↓のいずれかとすること
で、互いの磁化を平行、あるいは反平行とすることがで
きる。互いの磁化が平行状態での２重トンネル接合を流
れるトンネル電流量は、反平行状態でのトンネル電流量
に比して大きく、平行状態と反平行状態の電流量に差が
大きい程、磁気抵抗変化率が大きくなる。尚、強磁性層
１の磁化を固定し、強磁性層５の磁化を自由磁化とする
ためには、強磁性層１の保磁力を強磁性層５のそれより
も大きく設定すればよい。具体的には、反強磁性膜を強
磁性層１に隣接配置して交換結合力により強磁性層１の
保磁力を大きくする、あるいは、強磁性層１の材料と強
磁性層５のそれとを異ならしめる等の方法がある。
【００１１】次に、図１（ａ）に示す構造におけるスピ
ン蓄積効果について説明する。半導体微粒子３の直径が
十分小さければ、量子効果により図１（ｂ）のエネルギ
ーポテンシャルの概念図に示すような離散的なエネルギ
ー準位Ｅrn（ｎ＝１，２，３，…ｎ）が形成される。こ
こで、離散的エネルギー準位Ｅrnの間隔δは微粒子に含
まれる電子数に反比例するので、微粒子の直径で制御す
ることが可能である。つまり、粒子の直径が小さい程間
隔δは大きくなる。半導体粒子の帯電エネルギーは大き
く、スピン緩和時間はトンネル時間よりも十分長く、半
導体中のスピン緩和時間は金属中のそれよりも長いの
で、スピン蓄積効果を備えるトンネル接合を容易に作る
ことができる。このようなトンネル接合において、強磁
性層１，５の間に電圧Ｖを印加すると、図１（ｂ）の誘
電体層２を介して強磁性層１と半導体粒子３間をスピン
偏極した電子がトンネルする。このトンネル電子はさら
に隣の誘電体層４を介して強磁性層５にトンネルして行
くが、図１（ｂ）に示すように、誘電体層２の厚さを誘
電体層４の厚さよりも薄くすることでトンネル接合２，
４に非対称性を持たせており、また、半導体中における
トンネル電子のスピン緩和時間が誘電体層２をトンネル
する時間に比して長いことから、トンネルしたスピン偏
極電子はスピン緩和時間内で半導体粒子３中に蓄積され
る。図１（ｂ）の半導体粒子３中では、↑方向のスピン
偏極電子が↓方向のスピン偏極電子よりも過剰となり、
その結果、ケミカルポテンシャルのシフトΔμ＝（過剰
電子ｓ×離散的エネルギー間隔δ）が生じて半導体粒子
は↑方向にスピン偏極する。つまり、半導体微粒子３は
あたかもＭ1↑と同じ方向の磁化を備えるようになる。
このスピン偏極した電子が半導体微粒子３から誘電体層
４を介して強磁性層５へトンネルしていくので、半導体
が非磁性であるにも拘わらず、素子としてＴＭＲが発現
することになる。すなわち、図１（ａ）に示すように、
二つの強磁性層のうち強磁性層１の磁化を固定Ｍ1↑
し、強磁性層５の磁化をスイッチさせることで、両強磁
性層１，５の磁化方向を平行状態Ｍ5↑あるいは反平行
状態Ｍ5↓の関係にでき、両状態における抵抗変化の変
化によりＴＭＲを得ることができる。その大きさは前述
のように磁性体のスピン分極率をＰとすると、最大Ｐ２
である。半導体では離散的エネルギーの間隔δが大き
く、スピン緩和時間が長いので、金属微粒子に比べて、
最大のＰ２に近いＴＭＲを得易く、しかもそれが室温で
得られる。これが半導体を用いた場合の特徴の一つであ
る。
ン蓄積効果について説明する。半導体微粒子３の直径が
十分小さければ、量子効果により図１（ｂ）のエネルギ
ーポテンシャルの概念図に示すような離散的なエネルギ
ー準位Ｅrn（ｎ＝１，２，３，…ｎ）が形成される。こ
こで、離散的エネルギー準位Ｅrnの間隔δは微粒子に含
まれる電子数に反比例するので、微粒子の直径で制御す
ることが可能である。つまり、粒子の直径が小さい程間
隔δは大きくなる。半導体粒子の帯電エネルギーは大き
く、スピン緩和時間はトンネル時間よりも十分長く、半
導体中のスピン緩和時間は金属中のそれよりも長いの
で、スピン蓄積効果を備えるトンネル接合を容易に作る
ことができる。このようなトンネル接合において、強磁
性層１，５の間に電圧Ｖを印加すると、図１（ｂ）の誘
電体層２を介して強磁性層１と半導体粒子３間をスピン
偏極した電子がトンネルする。このトンネル電子はさら
に隣の誘電体層４を介して強磁性層５にトンネルして行
くが、図１（ｂ）に示すように、誘電体層２の厚さを誘
電体層４の厚さよりも薄くすることでトンネル接合２，
４に非対称性を持たせており、また、半導体中における
トンネル電子のスピン緩和時間が誘電体層２をトンネル
する時間に比して長いことから、トンネルしたスピン偏
極電子はスピン緩和時間内で半導体粒子３中に蓄積され
る。図１（ｂ）の半導体粒子３中では、↑方向のスピン
偏極電子が↓方向のスピン偏極電子よりも過剰となり、
その結果、ケミカルポテンシャルのシフトΔμ＝（過剰
電子ｓ×離散的エネルギー間隔δ）が生じて半導体粒子
は↑方向にスピン偏極する。つまり、半導体微粒子３は
あたかもＭ1↑と同じ方向の磁化を備えるようになる。
このスピン偏極した電子が半導体微粒子３から誘電体層
４を介して強磁性層５へトンネルしていくので、半導体
が非磁性であるにも拘わらず、素子としてＴＭＲが発現
することになる。すなわち、図１（ａ）に示すように、
二つの強磁性層のうち強磁性層１の磁化を固定Ｍ1↑
し、強磁性層５の磁化をスイッチさせることで、両強磁
性層１，５の磁化方向を平行状態Ｍ5↑あるいは反平行
状態Ｍ5↓の関係にでき、両状態における抵抗変化の変
化によりＴＭＲを得ることができる。その大きさは前述
のように磁性体のスピン分極率をＰとすると、最大Ｐ２
である。半導体では離散的エネルギーの間隔δが大き
く、スピン緩和時間が長いので、金属微粒子に比べて、
最大のＰ２に近いＴＭＲを得易く、しかもそれが室温で
得られる。これが半導体を用いた場合の特徴の一つであ
る。
【００１２】（第二の実施の形態）次に、第一の実施の
形態で説明した２重トンネル接合素子にゲート電極を付
加した３端子素子に関する第二の実施の形態について説
明する。図２（ａ）の断面概略図に示すように、第一の
実施の形態で説明した２重トンネル接合素子の半導体微
粒子３に誘電体層６を介してゲート電極７を設けた構造
とする。このゲート電極７による制御電圧ＶGにより、
半導体微粒子３中のエネルギー準位を強磁性電極１，５
のフェルミ準位ＥFに対して制御することでスピン蓄積
効果の発現を制御することができる。通常、強磁性層
１，５間に電圧Ｖを印加しない状態（Ｖ＝０）では、図
２（ｂ）のエネルギーポテンシャル図に示すように、強
磁性電極１，５のフェルミ準位ＥFは半導体のバンドギ
ャップＥg内にある。強磁性層１，５の間に弱い電圧Ｖ
＝Ｖ0を印加しても、強磁性層１，５のフェルミ準位ＥF
が、依然として半導体のバンドギャップＥg内にある場
合、トンネル電流は流れない。しかし、ゲート電圧ＶＧ
を印加し、半導体の伝導帯ＶＢの下端が強磁性層のフェ
ルミ準位に一致する程度の臨界値ＶG＝ＶCまで大きくす
ると、薄い誘電体層２を介して強磁性層１と半導体微粒
子３の間にスピン偏極トンネル電流が流れる。トンネル
したスピン偏極電子が半導体粒子３中に蓄積されると、
第一の実施形態において説明したように半導体粒子３が
磁化を持つかのような振る舞いを示すため、強磁性層
１，５間を流れるトンネル電流を測定することで、その
大小関係により強磁性層１，５の磁化の向きが互いに平
行か反平行かを検出できる。つまり、強磁性層１，５の
磁化の向きが互いに平行状態であるのに比べて、反平行
状態では電流量が低くなり、その差を電流計により測定
することで、磁化状態を検出することができる。ＶＧが
臨界電圧ＶC以下の場合はトンネル電流が流れず、 Ｖ
ＧがＶCより大きいとスピン偏極トンネル電流が流れる
ようになることは、半導体粒子を用いた場合の、金属粒
子とは大きく異なる第２の特徴である。ＶGは半導体を
用いた電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）におけるゲー
ト電圧に、トンネル電流はソース−ドレイン間電流に相
当する。ＦＥＴと異なるのはトンネル電流がスピン偏極
電流であることであり、その大きさによって磁性電極の
相対的スピンの向きを検出できることである。
形態で説明した２重トンネル接合素子にゲート電極を付
加した３端子素子に関する第二の実施の形態について説
明する。図２（ａ）の断面概略図に示すように、第一の
実施の形態で説明した２重トンネル接合素子の半導体微
粒子３に誘電体層６を介してゲート電極７を設けた構造
とする。このゲート電極７による制御電圧ＶGにより、
半導体微粒子３中のエネルギー準位を強磁性電極１，５
のフェルミ準位ＥFに対して制御することでスピン蓄積
効果の発現を制御することができる。通常、強磁性層
１，５間に電圧Ｖを印加しない状態（Ｖ＝０）では、図
２（ｂ）のエネルギーポテンシャル図に示すように、強
磁性電極１，５のフェルミ準位ＥFは半導体のバンドギ
ャップＥg内にある。強磁性層１，５の間に弱い電圧Ｖ
＝Ｖ0を印加しても、強磁性層１，５のフェルミ準位ＥF
が、依然として半導体のバンドギャップＥg内にある場
合、トンネル電流は流れない。しかし、ゲート電圧ＶＧ
を印加し、半導体の伝導帯ＶＢの下端が強磁性層のフェ
ルミ準位に一致する程度の臨界値ＶG＝ＶCまで大きくす
ると、薄い誘電体層２を介して強磁性層１と半導体微粒
子３の間にスピン偏極トンネル電流が流れる。トンネル
したスピン偏極電子が半導体粒子３中に蓄積されると、
第一の実施形態において説明したように半導体粒子３が
磁化を持つかのような振る舞いを示すため、強磁性層
１，５間を流れるトンネル電流を測定することで、その
大小関係により強磁性層１，５の磁化の向きが互いに平
行か反平行かを検出できる。つまり、強磁性層１，５の
磁化の向きが互いに平行状態であるのに比べて、反平行
状態では電流量が低くなり、その差を電流計により測定
することで、磁化状態を検出することができる。ＶＧが
臨界電圧ＶC以下の場合はトンネル電流が流れず、 Ｖ
ＧがＶCより大きいとスピン偏極トンネル電流が流れる
ようになることは、半導体粒子を用いた場合の、金属粒
子とは大きく異なる第２の特徴である。ＶGは半導体を
用いた電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）におけるゲー
ト電圧に、トンネル電流はソース−ドレイン間電流に相
当する。ＦＥＴと異なるのはトンネル電流がスピン偏極
電流であることであり、その大きさによって磁性電極の
相対的スピンの向きを検出できることである。
【００１３】（第三の実施の形態）次に、第二の実施の
形態において説明した３端子素子を用いたメモリ装置に
関する実施形態を説明する。図３に、この３端子素子を
単一のメモリセルとして用いた記憶装置の回路図を示
す。各３端子素子８のゲート電極７は対応するワード線
ＷＬに、強磁性電極１，５は夫々一対のビット線ＢＬ，
プレート電極線ＰＬに接続される。つまり、３端子素子
８k,lを例に説明すると、ゲート電極７はワード線ＷＬk
に接続され、強磁性電極１，５は夫々ＢＬl，ＰＬlに接
続されている。ここで、ワード線ＷＬは、列方向にアレ
イ状に配置され、一対のビット線ＢＬとプレート電極線
ＰＬは行方向にアレイ状に配置される。そして、各ワー
ド線ＷＬと各ビット線ＢＬ，各プレート電極線ＰＬの交
叉部に３端子素子８が配置されることで、集積化された
記憶装置が提供できる。３端子素子８には、第二の実施
形態において説明したように、臨界電圧ＶG＝ＶCが存在
するので、ビット線とプレート間に電圧を印加しただけ
ではトンネル電流は流れず、電流を流すためにはＶC以
上の電圧をゲート電極７に加えればよい。このようにす
れば、充分に高いＴＭＲ効果が得られることから、従来
のように各メモリセルにおいてスイッチング用の半導体
ＦＥＴを用いる必要がなくなり、より高集積化し、ま
た、低消費電力の記憶素子を提供することができる。
尚、図３において図１に示した２端子素子を用いること
も可能である。その際、各素子の強磁性電極１，５の一
方をビット線に接続し、他方をワード線に接続する。
形態において説明した３端子素子を用いたメモリ装置に
関する実施形態を説明する。図３に、この３端子素子を
単一のメモリセルとして用いた記憶装置の回路図を示
す。各３端子素子８のゲート電極７は対応するワード線
ＷＬに、強磁性電極１，５は夫々一対のビット線ＢＬ，
プレート電極線ＰＬに接続される。つまり、３端子素子
８k,lを例に説明すると、ゲート電極７はワード線ＷＬk
に接続され、強磁性電極１，５は夫々ＢＬl，ＰＬlに接
続されている。ここで、ワード線ＷＬは、列方向にアレ
イ状に配置され、一対のビット線ＢＬとプレート電極線
ＰＬは行方向にアレイ状に配置される。そして、各ワー
ド線ＷＬと各ビット線ＢＬ，各プレート電極線ＰＬの交
叉部に３端子素子８が配置されることで、集積化された
記憶装置が提供できる。３端子素子８には、第二の実施
形態において説明したように、臨界電圧ＶG＝ＶCが存在
するので、ビット線とプレート間に電圧を印加しただけ
ではトンネル電流は流れず、電流を流すためにはＶC以
上の電圧をゲート電極７に加えればよい。このようにす
れば、充分に高いＴＭＲ効果が得られることから、従来
のように各メモリセルにおいてスイッチング用の半導体
ＦＥＴを用いる必要がなくなり、より高集積化し、ま
た、低消費電力の記憶素子を提供することができる。
尚、図３において図１に示した２端子素子を用いること
も可能である。その際、各素子の強磁性電極１，５の一
方をビット線に接続し、他方をワード線に接続する。
【００１４】本発明の半導体粒子は誘電体層に取り囲ま
れることで、誘電体層を介して隣接する電極との間にト
ンネル障壁が形成されたものである。半導体粒子は丸い
粒状に限らず、微細加工で人工的に作られた島、半導体
で良く研究されている、半導体ヘテロ構造により２次元
電子ガスを閉じ込めた構造によっても実現できる。本発
明に用いる半導体としてはＳｉ、Ｇｅやその合金の半導
体から、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｌ
Ａｓなどの化合物半導体、ＦｅＳｉなどの狭ギャップ半
導体など種々のものを用いることができる。また、これ
らの半導体はエネルギ−ギャップを制御するために不純
物を含んでいてもよい。トンネル接合障壁を形成する材
料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＦ
２、Ｂｉ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＣａＦ２などの種々の誘電体
を用いることができる。なお、これらの酸化膜、窒化
膜、フッ化膜などではそれぞれの元素の欠損が一般に存
在するが、トンネル障壁としての働きを備えれば多少の
欠損は許容できる。強磁性層を構成する磁性膜として
は、パーマロイに代表されるＦｅーＮｉ合金、強磁性を
示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ＮｉＭｎＳｂ、
ＰｔＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅなどのホイスラー合金系
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
合金など種々の磁性材料を用いることができる。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、一方向のスピンをもつ電子しか伝導に寄与
せず、これを用いるとより大きな磁気抵抗効果を得るこ
とができる。
れることで、誘電体層を介して隣接する電極との間にト
ンネル障壁が形成されたものである。半導体粒子は丸い
粒状に限らず、微細加工で人工的に作られた島、半導体
で良く研究されている、半導体ヘテロ構造により２次元
電子ガスを閉じ込めた構造によっても実現できる。本発
明に用いる半導体としてはＳｉ、Ｇｅやその合金の半導
体から、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｌ
Ａｓなどの化合物半導体、ＦｅＳｉなどの狭ギャップ半
導体など種々のものを用いることができる。また、これ
らの半導体はエネルギ−ギャップを制御するために不純
物を含んでいてもよい。トンネル接合障壁を形成する材
料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＦ
２、Ｂｉ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＣａＦ２などの種々の誘電体
を用いることができる。なお、これらの酸化膜、窒化
膜、フッ化膜などではそれぞれの元素の欠損が一般に存
在するが、トンネル障壁としての働きを備えれば多少の
欠損は許容できる。強磁性層を構成する磁性膜として
は、パーマロイに代表されるＦｅーＮｉ合金、強磁性を
示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ＮｉＭｎＳｂ、
ＰｔＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅなどのホイスラー合金系
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
合金など種々の磁性材料を用いることができる。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、一方向のスピンをもつ電子しか伝導に寄与
せず、これを用いるとより大きな磁気抵抗効果を得るこ
とができる。
【００１５】各強磁性層は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ともに、磁化状態を安定に保持でき
るためである。尚、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トなどを設け
て、各層の結晶性を制御したり、耐食性を向上させるこ
とができる。本発明の強磁性層の膜厚は０．１〜１００
ｎｍが好ましい。本発明のスピン依存トンネル効果素子
は典型的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法、各種スパッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成素
子を用いて作製することができる。本発明に係わる積層
膜を成膜するための基板は、セラミック、金属、半導体
などの単結晶および多結晶体およびガラスなど、任意の
ものを用いることができる。導電性のある基板を用いる
場合にはその主表面に絶縁性の下地を設ければ良い。本
発明の磁性素子は、論理素子など従来の半導体が使われ
てきたあらゆる電子素子に利用できることは特に第二、
及び第三の実施形態の説明から明らかである。記憶装置
のセルとして用いれば従来必要であった半導体ＦＥＴが
不要となり、記憶装置の著しい高集積化が期待でき、Ｄ
ＲＡＭやフラッシュメモリに代わる不揮発メモリ素子と
してＩＣカードやＲＦＩＤカード、大容量モバイルファ
イル等に使用することができる。
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ともに、磁化状態を安定に保持でき
るためである。尚、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トなどを設け
て、各層の結晶性を制御したり、耐食性を向上させるこ
とができる。本発明の強磁性層の膜厚は０．１〜１００
ｎｍが好ましい。本発明のスピン依存トンネル効果素子
は典型的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法、各種スパッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成素
子を用いて作製することができる。本発明に係わる積層
膜を成膜するための基板は、セラミック、金属、半導体
などの単結晶および多結晶体およびガラスなど、任意の
ものを用いることができる。導電性のある基板を用いる
場合にはその主表面に絶縁性の下地を設ければ良い。本
発明の磁性素子は、論理素子など従来の半導体が使われ
てきたあらゆる電子素子に利用できることは特に第二、
及び第三の実施形態の説明から明らかである。記憶装置
のセルとして用いれば従来必要であった半導体ＦＥＴが
不要となり、記憶装置の著しい高集積化が期待でき、Ｄ
ＲＡＭやフラッシュメモリに代わる不揮発メモリ素子と
してＩＣカードやＲＦＩＤカード、大容量モバイルファ
イル等に使用することができる。
【００１６】図４は、ＩＣカードの基本構成を示す模式
図である。このＩＣカード１１は、図４に示すように、
本発明の磁気記憶装置１２を搭載したＩＣチップ１３を
ＩＣカード１１本体に設置されてなる。このようなＩＣ
カードやＲＦＩＤカード、大容量モバイルファイル、あ
るいはその他のシステムに本発明の磁気記憶装置１２を
用いることで、従来のＭＲＡＭに比して、高集積化及び
低消費電力のシステムを提供することが可能となる。ま
た、このような磁気記憶装置の他に、本発明の磁性素子
は、磁気再生ヘッドや磁気センサーとして用いることが
でき、ハードデイスクドライブ（ＨＤＤ）や磁界検出素
子など、種々の磁気素子に適用できる。磁気再生ヘッド
は、ヘッドスライダとなる基板主面に形成され、浮上量
制御のための加工をヘッドスライダに施した後、図５の
斜視図にあるような磁気ヘッドアッセンブリに搭載され
る。図５の磁気ヘッドアッセンブリ２０は、例えば駆動
コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータ
アーム２１を有し、アクチュエータアーム２１の一端に
はサスペンション２２が接続されている。サスペンショ
ン２２の先端には、上述した実施形態の磁性素子を具備
するヘッドスライダ２３が取り付けられている。サスペ
ンション２２は信号の書き込みおよび読み取り用のリー
ド線２４が形成されており、このリード線２４とヘッド
スライダ２３に組み込まれた磁気再生ヘッドの各電極と
が電気的に接続されている。図中２５は磁気ヘッドアッ
センブリ２０の電極パッドである。
図である。このＩＣカード１１は、図４に示すように、
本発明の磁気記憶装置１２を搭載したＩＣチップ１３を
ＩＣカード１１本体に設置されてなる。このようなＩＣ
カードやＲＦＩＤカード、大容量モバイルファイル、あ
るいはその他のシステムに本発明の磁気記憶装置１２を
用いることで、従来のＭＲＡＭに比して、高集積化及び
低消費電力のシステムを提供することが可能となる。ま
た、このような磁気記憶装置の他に、本発明の磁性素子
は、磁気再生ヘッドや磁気センサーとして用いることが
でき、ハードデイスクドライブ（ＨＤＤ）や磁界検出素
子など、種々の磁気素子に適用できる。磁気再生ヘッド
は、ヘッドスライダとなる基板主面に形成され、浮上量
制御のための加工をヘッドスライダに施した後、図５の
斜視図にあるような磁気ヘッドアッセンブリに搭載され
る。図５の磁気ヘッドアッセンブリ２０は、例えば駆動
コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータ
アーム２１を有し、アクチュエータアーム２１の一端に
はサスペンション２２が接続されている。サスペンショ
ン２２の先端には、上述した実施形態の磁性素子を具備
するヘッドスライダ２３が取り付けられている。サスペ
ンション２２は信号の書き込みおよび読み取り用のリー
ド線２４が形成されており、このリード線２４とヘッド
スライダ２３に組み込まれた磁気再生ヘッドの各電極と
が電気的に接続されている。図中２５は磁気ヘッドアッ
センブリ２０の電極パッドである。
【００１７】このような磁気ヘッドアッセンブリ２０
は、図６に示す磁気ディスクドライブ等の磁気記録素子
に搭載される。図６はロータリーアクチュエータを用い
た磁気ディスク素子の概略構成を示す斜視図である。図
６において、磁気ディスク２６はスピンドル２７に装着
され、図示せぬ駆動素子制御源からの制御信号に応答す
る図示せぬモータにより回転する。磁気ディスク２６が
回転し、ヘッドスライダ２３が磁気ディスク２６から浮
上した状態で情報の記録再生を行なう。磁気ヘッドアッ
センブリ２０は、図示せぬ駆動コイルを保持するボビン
部等を有するアクチュエータアーム２１の一端に接続さ
れている。アクチュエータアーム２１の他端にはリニア
モータの１種であるボイスコイルモータ２８が設けられ
ている。ボイスコイルモータ２８はアクチュエータアー
ム２１のボビン部に巻き上げられた図示せぬ駆動コイル
と、このコイルを挟み込むように対向して配置された永
久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成さ
れる。アクチュエータアーム２１は固定軸２９の上下２
ヶ所に設けられた図示せぬボールベアリングによって保
持され、ボイスコイルモータ２８により回転摺動が自在
にできるようになっている。
は、図６に示す磁気ディスクドライブ等の磁気記録素子
に搭載される。図６はロータリーアクチュエータを用い
た磁気ディスク素子の概略構成を示す斜視図である。図
６において、磁気ディスク２６はスピンドル２７に装着
され、図示せぬ駆動素子制御源からの制御信号に応答す
る図示せぬモータにより回転する。磁気ディスク２６が
回転し、ヘッドスライダ２３が磁気ディスク２６から浮
上した状態で情報の記録再生を行なう。磁気ヘッドアッ
センブリ２０は、図示せぬ駆動コイルを保持するボビン
部等を有するアクチュエータアーム２１の一端に接続さ
れている。アクチュエータアーム２１の他端にはリニア
モータの１種であるボイスコイルモータ２８が設けられ
ている。ボイスコイルモータ２８はアクチュエータアー
ム２１のボビン部に巻き上げられた図示せぬ駆動コイル
と、このコイルを挟み込むように対向して配置された永
久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成さ
れる。アクチュエータアーム２１は固定軸２９の上下２
ヶ所に設けられた図示せぬボールベアリングによって保
持され、ボイスコイルモータ２８により回転摺動が自在
にできるようになっている。
【００１８】
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。 （実施例１）図１（ａ）の概略構造図に示した、半導体
微粒子３を用いた２重トンネル接合素子の構造とその製
造方法について、図１、及び図７の素子断面図を用いて
説明する。本実施例の２重トンネル接合素子は、図７に
示すように、表面に熱酸化膜３０を備えるＳｉ基板３１
の主表面上に順に形成された、強磁性電極１としての約
１０ｎｍ厚のＮｉＦｅ層３３、誘電体層（トンネル障壁
層）２としての約１．５ｎｍ厚のＡｌ2Ｏ3層３５、半導
体粒子３に相当する直径が約８ｎｍのＳｉ粒子３６、誘
電体層（トンネル障壁層）４としての約２ｎｍ厚のＡｌ
2Ｏ3層３８、強磁性電極５としての約１０ｎｍ厚のＣｏ
層３９を備え、トンネル接合面積は約４μｍ２である。
次に、この素子の製造方法について簡単に説明する。各
層３３，３５，３６，３８，３９は、すべてスパッタ法
を用いて作製した。まず、図７に示すように、主表面に
熱酸化膜３０の付いたＳｉ基板３１を準備し、熱酸化膜
３０上に厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層３３を作製し、引き
続き約１．５ｎｍ厚のＡｌ2Ｏ3層３５を形成する。次
に、 Ａｌ2Ｏ3層３５の表面に、約２ｎｍ厚の非磁性半
導体であるＳｉを成膜する。実際に作成したＳｉは直径
が約８ｎｍの粒子状に成長していることを透過型電子顕
微鏡で確認した。さらに、図７に示すように、このＳｉ
粒子３６の側面、及び上面を覆い、かつ厚さが２ｎｍと
なるようにＡｌ2Ｏ3層３８を形成し、続いて１０ｎｍの
Ｃｏ層３９を形成する。次に、この多層膜を光リソグラ
フィを用いて微細加工し、接合面積４μｍ２の２重トン
ネル接合素子（４端子）を製造する。
する。 （実施例１）図１（ａ）の概略構造図に示した、半導体
微粒子３を用いた２重トンネル接合素子の構造とその製
造方法について、図１、及び図７の素子断面図を用いて
説明する。本実施例の２重トンネル接合素子は、図７に
示すように、表面に熱酸化膜３０を備えるＳｉ基板３１
の主表面上に順に形成された、強磁性電極１としての約
１０ｎｍ厚のＮｉＦｅ層３３、誘電体層（トンネル障壁
層）２としての約１．５ｎｍ厚のＡｌ2Ｏ3層３５、半導
体粒子３に相当する直径が約８ｎｍのＳｉ粒子３６、誘
電体層（トンネル障壁層）４としての約２ｎｍ厚のＡｌ
2Ｏ3層３８、強磁性電極５としての約１０ｎｍ厚のＣｏ
層３９を備え、トンネル接合面積は約４μｍ２である。
次に、この素子の製造方法について簡単に説明する。各
層３３，３５，３６，３８，３９は、すべてスパッタ法
を用いて作製した。まず、図７に示すように、主表面に
熱酸化膜３０の付いたＳｉ基板３１を準備し、熱酸化膜
３０上に厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層３３を作製し、引き
続き約１．５ｎｍ厚のＡｌ2Ｏ3層３５を形成する。次
に、 Ａｌ2Ｏ3層３５の表面に、約２ｎｍ厚の非磁性半
導体であるＳｉを成膜する。実際に作成したＳｉは直径
が約８ｎｍの粒子状に成長していることを透過型電子顕
微鏡で確認した。さらに、図７に示すように、このＳｉ
粒子３６の側面、及び上面を覆い、かつ厚さが２ｎｍと
なるようにＡｌ2Ｏ3層３８を形成し、続いて１０ｎｍの
Ｃｏ層３９を形成する。次に、この多層膜を光リソグラ
フィを用いて微細加工し、接合面積４μｍ２の２重トン
ネル接合素子（４端子）を製造する。
【００１９】図７のＮｉＦｅ層３３とＣｏ層３９間に電
圧を印加し外部磁場を加えながら、強磁性電極の磁化方
向を平行状態と反平行状態とにして、電流計Ｉにより夫
々の磁化状態における抵抗を測定した結果、約１０％の
磁気抵抗変化率を観測した。２つのトンネル障壁に挟ま
れた金属非磁性微粒子による２重トンネル接合では比較
例にて説明するように磁気抵抗変化は観測されないが、
本実施例において磁気抵抗変化が観測されたということ
は、非磁性Ｓｉ粒子１６内におけるスピン蓄積効果が生
じたことを表している。 （比較例）実施例１の構成のうち、Ｓｉ粒子を金属のＡ
ｌ粒子に代えた２重トンネル接合素子を、実施例１と同
様の方法を用いて作製した。Ａｌ粒子の大きさは約８ｎ
ｍであった。この多層膜を光リソグラフィを用いて微細
加工し、接合面積４μｍ２の２重トンネル接合からなる
４端子素子を作製した。従って、この比較例は、Ａｌ粒
子を用いている以外、構造は実施例１のそれと同様であ
る。強磁性電極間に電圧を印加し外部磁場を加えながら
抵抗を測定した結果、磁気抵抗は観測できなかった。こ
れは、半導体粒子に比してＡｌ粒子の帯電エネルギーが
室温より小さく、またスピン緩和時間が短いことによる
ものと思われる。
圧を印加し外部磁場を加えながら、強磁性電極の磁化方
向を平行状態と反平行状態とにして、電流計Ｉにより夫
々の磁化状態における抵抗を測定した結果、約１０％の
磁気抵抗変化率を観測した。２つのトンネル障壁に挟ま
れた金属非磁性微粒子による２重トンネル接合では比較
例にて説明するように磁気抵抗変化は観測されないが、
本実施例において磁気抵抗変化が観測されたということ
は、非磁性Ｓｉ粒子１６内におけるスピン蓄積効果が生
じたことを表している。 （比較例）実施例１の構成のうち、Ｓｉ粒子を金属のＡ
ｌ粒子に代えた２重トンネル接合素子を、実施例１と同
様の方法を用いて作製した。Ａｌ粒子の大きさは約８ｎ
ｍであった。この多層膜を光リソグラフィを用いて微細
加工し、接合面積４μｍ２の２重トンネル接合からなる
４端子素子を作製した。従って、この比較例は、Ａｌ粒
子を用いている以外、構造は実施例１のそれと同様であ
る。強磁性電極間に電圧を印加し外部磁場を加えながら
抵抗を測定した結果、磁気抵抗は観測できなかった。こ
れは、半導体粒子に比してＡｌ粒子の帯電エネルギーが
室温より小さく、またスピン緩和時間が短いことによる
ものと思われる。
【００２０】（実施例２）本実施例では、第二の実施の
形態において説明した、３端子素子の具体的構造と製造
方法を説明する。まず、実施例２の３端子素子の構造を
図２、及び図８の断面図を用いて説明する。表面に熱酸
化膜３０を備えるＳｉ基板３１の主表面上には、誘電体
層２に相当するＡｌ2Ｏ3層４５、半導体粒子３に相当す
るＳｉ粒子４６、誘電体層４に相当するＡｌ2Ｏ3層４８
を備える。そして、図８に示すように、半導体粒子３が
並ぶ水平方向に、強磁性層１、５に夫々相当するＣｏ層
４９ａ、及びＮｉＦｅ層４９ｂを備え、Ａｌ2Ｏ3層４８
上に制御用電極７に相当するゲート電極５０を備える。
Ｃｏ層４９ａ，ＮｉＦｅ層４９ｂのように、互いに保磁
力差を有する材料を選択することで、保磁力の小さい層
（ＮｉＦｅ層４９ｂ）の磁化は外部磁場を受けることに
より回転できる。従って、この実施例ではＮｉＦｅ層４
９ｂが磁化を書き込まれる層とし、Ｃｏ層４９ａを磁化
を保持する層とできる。図２の説明では、半導体粒子３
には絶縁膜６を介して制御用電極７が付与されると説明
したが、図８の素子では、誘電体層４８を介してゲート
電極５０が付与されており、このような構造を選択する
ことも可能である。
形態において説明した、３端子素子の具体的構造と製造
方法を説明する。まず、実施例２の３端子素子の構造を
図２、及び図８の断面図を用いて説明する。表面に熱酸
化膜３０を備えるＳｉ基板３１の主表面上には、誘電体
層２に相当するＡｌ2Ｏ3層４５、半導体粒子３に相当す
るＳｉ粒子４６、誘電体層４に相当するＡｌ2Ｏ3層４８
を備える。そして、図８に示すように、半導体粒子３が
並ぶ水平方向に、強磁性層１、５に夫々相当するＣｏ層
４９ａ、及びＮｉＦｅ層４９ｂを備え、Ａｌ2Ｏ3層４８
上に制御用電極７に相当するゲート電極５０を備える。
Ｃｏ層４９ａ，ＮｉＦｅ層４９ｂのように、互いに保磁
力差を有する材料を選択することで、保磁力の小さい層
（ＮｉＦｅ層４９ｂ）の磁化は外部磁場を受けることに
より回転できる。従って、この実施例ではＮｉＦｅ層４
９ｂが磁化を書き込まれる層とし、Ｃｏ層４９ａを磁化
を保持する層とできる。図２の説明では、半導体粒子３
には絶縁膜６を介して制御用電極７が付与されると説明
したが、図８の素子では、誘電体層４８を介してゲート
電極５０が付与されており、このような構造を選択する
ことも可能である。
【００２１】次に、この素子の製造方法を図８を用いて
説明する。実施例１にて説明した製造方法により、誘電
体層４５、Ｓｉ粒子４６、及び誘電体層４８からなる多
層膜を熱酸化膜３０上に形成した後、光リソグラフィを
用いて微細加工して約４μｍ2の矩形状にし、続いて、
Ｃｏ層４９ａ、ＮｉＦｅ層４９ｂを順次成膜し、夫々、
光リソグラフィを用いて図８に示すように形成した。二
つの強磁性層４９ａ，４９ｂに同じ材料を用いる場合に
は、一度の光リソグラフィにより形状を加工可能であ
る。このように同一の材料を用いる場合には、上述のよ
うに、両層に保磁力差を設けるべく一方に反強磁性膜等
を隣接配置する等を行う。ゲート電極５０は、強磁性層
４９ａ，４９ｂの形成に先立って、あるいは後にＣＶＤ
等の成膜技術、及び光リソグラフィを用いて形成する。
この素子には、層間絶縁膜として酸化膜、窒化膜を付与
することができる。次に、この素子の特性について説明
する。強磁性層４９ａ，４９ｂ間に一定の電圧Ｖ＝０．
１［Ｖ］を印加するとともに、ゲート電極に電圧ＶＧを
印加しながらＶＧの大きさを変え、変える前後に磁場中
にてそのトンネル抵抗を測定した。ＶＧ＝０の場合は電
流が流れなかったが、ＶＧが０．５Ｖ以上で電流がなが
れ、約１０％の磁気抵抗変化率を観測した。
説明する。実施例１にて説明した製造方法により、誘電
体層４５、Ｓｉ粒子４６、及び誘電体層４８からなる多
層膜を熱酸化膜３０上に形成した後、光リソグラフィを
用いて微細加工して約４μｍ2の矩形状にし、続いて、
Ｃｏ層４９ａ、ＮｉＦｅ層４９ｂを順次成膜し、夫々、
光リソグラフィを用いて図８に示すように形成した。二
つの強磁性層４９ａ，４９ｂに同じ材料を用いる場合に
は、一度の光リソグラフィにより形状を加工可能であ
る。このように同一の材料を用いる場合には、上述のよ
うに、両層に保磁力差を設けるべく一方に反強磁性膜等
を隣接配置する等を行う。ゲート電極５０は、強磁性層
４９ａ，４９ｂの形成に先立って、あるいは後にＣＶＤ
等の成膜技術、及び光リソグラフィを用いて形成する。
この素子には、層間絶縁膜として酸化膜、窒化膜を付与
することができる。次に、この素子の特性について説明
する。強磁性層４９ａ，４９ｂ間に一定の電圧Ｖ＝０．
１［Ｖ］を印加するとともに、ゲート電極に電圧ＶＧを
印加しながらＶＧの大きさを変え、変える前後に磁場中
にてそのトンネル抵抗を測定した。ＶＧ＝０の場合は電
流が流れなかったが、ＶＧが０．５Ｖ以上で電流がなが
れ、約１０％の磁気抵抗変化率を観測した。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁性素子
ではスピン蓄積効果による大きな磁気抵抗変化率を得る
ことができる。また、本発明の記憶素子では素子選択用
の半導体トランジスタの総数を減らすことが可能となる
高集積化が達成可能となる。また、本発明の磁気ヘッド
によれば、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、高感度の磁気ヘッドを提供でき、ま
た、これを搭載した磁気ディスク装置の小型化、高性能
化に寄与可能である。
ではスピン蓄積効果による大きな磁気抵抗変化率を得る
ことができる。また、本発明の記憶素子では素子選択用
の半導体トランジスタの総数を減らすことが可能となる
高集積化が達成可能となる。また、本発明の磁気ヘッド
によれば、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、高感度の磁気ヘッドを提供でき、ま
た、これを搭載した磁気ディスク装置の小型化、高性能
化に寄与可能である。
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る２重トンネル
接合素子の断面概略図と、そのスピン蓄積効果を説明す
るためのエネルギーポテンシャル図。
接合素子の断面概略図と、そのスピン蓄積効果を説明す
るためのエネルギーポテンシャル図。
【図２】本発明の第二の実施の形態に係る２重トンネル
接合にゲート電極を設けた３端子素子の断面概略図その
動作を説明するためのエネルギーポテンシャル図。
接合にゲート電極を設けた３端子素子の断面概略図その
動作を説明するためのエネルギーポテンシャル図。
【図３】本発明の第三の実施の形態に係る記憶装置を説
明するための回路図。
明するための回路図。
【図４】本発明の記憶装置を用いたＩＣカードを説明す
るための概略図。
るための概略図。
【図５】本発明の素子を用いた磁気再生ヘッドを組み込
んだヘッドジンバルアッセンブリとハードディスクドラ
イブを説明するための斜視図。
んだヘッドジンバルアッセンブリとハードディスクドラ
イブを説明するための斜視図。
【図６】図５に示すヘッドジンバルアッセンブリを組み
込んだハードディスクドライブを説明するための斜視
図。
込んだハードディスクドライブを説明するための斜視
図。
【図７】本発明の第一の実施例の４端子素子の断面図。
【図８】本発明の第二の実施例の３端子素子の断面図。
１、５…強磁性電極 ２、４…トンネル障壁 ３、 …半導体粒子 ６…絶縁膜 ７…制御用電極 ８…３端子素子 １０…磁気ヘッドアッセンブリ １１…アクチュエータアーム １２…サスペンション １３…ヘッドスライダ １４…リード線 １５…電極パッド １６…磁気ディスク １７…スピンドル １８…アクチュエータアーム １９…ボイスコイルモータ ２０…固定軸 ２１…ＩＣカード ２２…磁気記憶装置 ２３…ＩＣチップ ３３、４９ｂ…ＮｉＦｅ層 ３５、 ３８…Ａｌ2Ｏ3層 ３６、 ４６…Ｓｉ粒子 ３７、 ４９ａ…Ｃｏ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 好昭 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5D034 BA03 5F083 FZ10 HA06
Claims (12)
- 【請求項１】第一及び第二の強磁性層と、前記第一の強
磁性層と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記
第一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二の
トンネル障壁を介して前記第二の強磁性層と隣接する半
導体粒子を備えることを特徴とする磁性素子。 - 【請求項２】強磁性電極と、非磁性電極と、前記強磁性
電極と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記第
一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二のト
ンネル障壁を介して前記非磁性電極と隣接する強磁性半
導体粒子を備えることを特徴とする磁性素子。 - 【請求項３】前記半導体粒子における電子のスピン緩和
時間が第一及び第二のトンネル障壁における電子のトン
ネル時間よりも長いことを特徴とする請求項１もしくは
２に記載の磁性素子。 - 【請求項４】前記半導体粒子の大きさは帯電効果が現れ
るように小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいず
れかに記載の磁性素子。 - 【請求項５】前記半導体粒子に、誘電体層を介して隣接
する電極をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至
４のいずれかに記載の磁性素子。 - 【請求項６】前記第一及び第二のトンネル障壁はコンダ
クタンスが互いに異なるように膜厚、あるいは材料にお
いて相違することを特徴とする請求項１乃至５のいずれ
かに記載の磁性素子。 - 【請求項７】第一及び第二の強磁性層と、前記第一の強
磁性層と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記
第一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二の
トンネル障壁を介して前記第二の強磁性層と隣接する半
導体粒子を備える磁性記憶セルをアレイ状に備えること
を特徴とする記憶装置。 - 【請求項８】強磁性電極と、非磁性電極と、前記強磁性
電極と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記第
一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二のト
ンネル障壁を介して前記非磁性電極と隣接する強磁性半
導体粒子を備える磁性記憶セルをアレイ状に備えること
を特徴とする記憶装置。 - 【請求項９】第一及び第二の強磁性層と、前記第一の強
磁性層と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記
第一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二の
トンネル障壁を介して前記第二の強磁性層と隣接する半
導体粒子を備えることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 【請求項１０】強磁性電極と、非磁性電極と、前記強磁
性電極と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記
第一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二の
トンネル障壁を介して前記非磁性電極と隣接する強磁性
半導体粒子を備えることを特徴とする磁気再生ヘッド。 - 【請求項１１】第一及び第二の強磁性層と、前記第一の
強磁性層と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前
記第一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二
のトンネル障壁を介して前記第二の強磁性層と隣接する
半導体粒子を備える磁気再生ヘッドを用いたことを特徴
とする磁気ディスク装置。 - 【請求項１２】強磁性電極と、非磁性電極と、前記強磁
性電極と第一のトンネル障壁を介して隣接し、かつ前記
第一のトンネル障壁とはコンダクタンスの異なる第二の
トンネル障壁を介して前記非磁性電極と隣接する強磁性
半導体粒子を備える磁気再生ヘッドを用いたことを特徴
とする磁気ディスク装置。
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