JP2000504503A - 準２次元電子ガスを利用する横型磁電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁性素子は、磁性体の第１（２１）及ひ第２ボディ（２２）を設けた基板（１）を具え、これによって少なくとも第２ボディ（２２）の磁化（Ｍ₂ ）が固定されず、これら二つのボディ（２１，２２）が同一平面上に存在し、これらを相互に離間し、ホディを、準−２次元電子ガスを発生させることができる半導体材料の層（３）を通じて相互に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】 準２次元電子ガスを利用する横型磁電素子 本発明は、磁性体の第１及び第２ボディを設けた基板を具え、これによって少 なくとも前記第２ボディの磁化が固定されない磁性素子に関するものである。 用語「ボディ」を、ここでは、例えば、少なくとも部分的に磁性体を具える個 別の薄膜、多相構造又は厚膜のようなオブジェクトを包囲するものと解釈すべき である。磁化に関して用いられるような用語「固定された」は相対的な意味を有 し、Ｍ₁ の向きを反転させるのに必要な外部磁界強度ＨがＭ₂ を反転させるのに 必要なものよりも高い場合、第１ボディの磁化Ｍ₁ は第２ボディの磁化Ｍ₂ に対 して固定される。磁性ボディの磁化の向きを固定する方法の一つは、それに交換 バイアスをかけることである。また、第１ボディの保磁力が第２ボディの保磁力 を超える場合、すなわち、第１ボディの形状異方性の方が大きい場合、第１ボデ ィの磁化が固定されたとみなされる。 冒頭で説明した素子は、国際特許出願９５／２２８２０号から既知であり、こ れは、（例えば、半導体、半金属又は絶縁材料を具える）介在非金属層の両端間 で離間し及び磁気的に結合した磁気材料の二つの層を具える３層構造を記載して いる。磁気材料の層の一つは、−例えば、交換−バイアシングのような技術を用 いて達成された−固定された磁化の向きを有し、それに対して、他の磁性層の磁 化は自由に回転する。磁性層を制御可能な電源の対向する極に接続することによ って、電界を非金属の内側層に加えることができる。このようにして、内側層の 両端間の磁気結合の強度及び性質を変更することができ、これによって、二つの 磁性層の磁化の相対的な向きを変更することができる。この効果を利用すること によって、素子を、例えば、磁気書込みヘッド又は磁気ランダムアクセスメモリ (ＭＲＡＭ) として用いることができる。 既知の素子は複数の不都合を有する。例えば、内側層の両端間の結合を変更す るのに必要な電圧（典型的には５Ｖ以上）が比較的高い。さらに、素子の堆積の 性質のために、磁性層間の距離は（数ナノメータトルの目安で）比較的小さく、 その結果、より良好に又は部分的にその特性に影響を及ぼすために内側層に直接 アクセスすることができない。 本発明の目的は、新たなタイプの磁性素子を提供することである。特に、本発 明の目的は、素子のパフォーマンスにより良好に影響を及ぼすことができるよう にするためにこの素子の構成部分により良好にアクセスすることができるように することである。また、本発明の目的は、電界だけでなく種々の他の因子を用い て新たな素子の特性に影響を及ぼすことができることである。さらに、本発明の 目的は、新たな素子が既知の素子より低い動作電圧を有するようにすることであ る。 これら及び他の目的は、これら二つのボディが同一平面上に存在し、これらを 相互に離間し、前記ボディを、準−２次元電子ガスを発生させることができる半 導体材料の層を通じて相互に接続したことを特徴とする冒頭で規定したような本 発明による素子によって達成される。 用語「２次元電子ガス」（２ＤＥＧ）を、所定の平面内で比較的高い（金属） 電子移動度を有するのに対して、その平面に垂直に電子がポテンシャル井戸に捕 獲される半導体構造に関して用いる。２ＤＥＧは、例えば、通常のＭＯＳＦＥＴ で用いられるが、冒頭で規定した素子の用途はこれまで未知である。２ＤＥＧの 物理は米国特許出願明細書第4,996,570 号で説明されており、より詳細には、19 91年にAcademic Press Inc.,から刊行されたSolid State Physics, vol.44 の特 に1 〜26頁のH.Ehrenreich及びD.Turnbull(Eds.)によるISBN 0-12-607744で詳細 に説明されている。いわゆる「真２ＤＥＧ」において、ポテンシャル井戸の一つ のサブバンドのはが占有され、より高いサブバンドに対する散乱がなく、それに 対して、いわゆる「準−２ＤＥＧ」において、量子井戸の複数のサブバンドが占 有されている（サブバンドの総合の分離は、ｋをボルツマン定数とする場合、あ る任意の温度Ｔで熱エネルギ−ｋＴよりも大きくなる。）。本明細書全体に亘っ て、用語「準−２ＤＥＧ」、すなわち、「準−２次元電子ガス」を、真２ＤＥＧ を含むものと解釈すべきである。ある半導体構造は、加えられる電界がない場合 でも存在する「真性」準−２ＤＥＧを有し、それに対して、他の構造は、このよ うな電界が存在する場合のみ準−２ＤＥＧ反応を示す。このために、ここで用い られるような「発生させることができる」という表現を、これらの可能性の両方 を含むものとして解釈すべきである。 本発明は特に、準−２ＤＥＧが比較的大きい電子平均自由行路（典型的には０ ．２〜０．５μｍ）及び比較的高い電子移動度（典型的には１．５ｍ² ／Ｖｓ） を有するという事実を利用する。その結果、準−２ＤＥＧは、例えは、比較的大 きな距離に亘る二つの磁性ボディ間の磁気結合を図って、通常の堆積形状の代わ りに横型素子形状を許容する。さらに、金属特性を保持しなから準−２ＤＥＧの 電子密度を調整することができ、その結果、二つの磁性ボディが準−２ＤＥＧを 通じて相互に接続されているだけである場合、これらボディ間の磁性相互作用（ 結合）を、準−２−ＤＥＧの電子密度を調整することによって変更することがで きる。上記横型形状のために、準−２ＤＥＧを発生させる半導体層に、化学線の 放射ビーム、磁界又はゲート電極によって自由にアクセスすることができ、その 結果、準−２ＤＥＧの電子密度に、直接、部分的にかつ良好に影響を及ぼすこと ができる。一つ以上のゲート電極を用いた調整の場合、（1Ｖの目安の）代表的 に要求される電圧は、既知の素子で要求されるものより著しく低くなる。さらに 、それに自由にアクセスできるので、（例えば、リソグラフィック技術を用いて ）半導体層を種々の形態で構成することができ、その結果、その電気抵抗を特定 の用途の要求に合わせることができる（例えば、層に、磁性ボディ間で高電気抵 抗となる構成を付与する。）後に詳細に説明するように、本発明による素子を、 磁場センサ、磁気書込みヘッド、ＭＲＡＭ等に基づいて用いることができる。 本発明による素子によれば、準−２ＤＥＧを発生させる半導体材料の層を、例 えば、二つの離間した磁性ボディ間のギャップにのみ配置することができ、又は それを基板の頂部で磁性ボディの下の層として配置することができる。本発明に よる素子は、室温の動作に適切であり、したがって、動作させるために極低温に 冷却する必要がない。 本発明による素子の好適例は、（例えば、第２段落で説明したような技術を用 いて）前記第１ボディの磁化方向を固定したことを特徴とするものである。後に 説明するように、この手段は、本発明による素子の複数のあり得る用途の核心部 にある。しかしながら、Ｍ₁ を必ずしも固定しなくてよい。例えば、Ｍ₁ とＭ₂ の両方が自由に回転する場合、本発明による素子をＭＲＡＭのタイプとして用い ることもできる。（ｄ）参照。 以前の段落で規定したような本発明による素子の特定の例は、前記第１及び第 ２ボディを相互に磁気的に結合したことを特徴とするものである（交換結合又は 静磁結合）。このような場合、第２ボディの磁化Ｍ₂ が固定されずに第１ボディ の磁化Ｍ₁ が固定されている場合、単にこれらの間の結合の性質（符号）を変え ることによってＭ₁ 及びＭ₂ の相対的な向きを変えることができる。これは、例 えば、 （ａ）磁気書込みヘッド： 所定の２値データパターンによる半導体層の準−２ＤＥＧの電子密度を調整す る電界又は光源を用いることによって、二つの磁性ボディ間の結合を、強磁性状 態（Ｆ）と反強磁性状態（ＡＦ）との間で変更させることができ、それに応じて Ｍ₂ を回転して、Ｍ₁ に対して平行又は反平行にする。このようなＭ₂ の向きの 調整を用いて、隣接するテープ、ディスク、カードのような磁気媒体に２値情報 を書き込むことができる。 （ｂ）ＭＲＡＭ 上記ケースの場合のように、Ｍ₂ の向きを変更することによって、半導体層に 対して（例えば）電界を加えたり除去したりすることができる。このようにして 、本発明による素子を２値ＲＡＭとして用いることができ、これによって、Ｍ₂ のある向きは“０”を表し、それとは正反対の向きは“１”を表す。所定のとき にＭ₂ によって表された特定の２値ビットを、例えば、磁気光学的な力−効果を モニタすることによって、又は第２ボディをスピン−バルブ磁気抵抗を有する３ 層として実現するとともにその電気抵抗をモニタすることによって決定する（読 み出す）ことができる。ＭＲＡＭの場合の本発明の素子の横型形状の特別な利点 は、第１及び第２ボディが堆積構造の場合に比べて離間しているので、（例えば 電流を流すワイヤを用いて）一方の磁気ボディにほとんど影響を及ぼすことなく 他方の磁性ボディに影響を及ぼすことができる。 を含む本発明による素子に対する複数のあり得る用途を切り開く。このような素 子を、後の実施例で詳細に説明する。 以前の段落で特定した本発明による素子の他の例において、前記第１及び第２ ボディを相互に時期的に結合しない。このような素子のあり得る用途は、例えば 、（ｃ）磁場センサ（磁気読出しヘッド)： 本発明による素子は、十分なスピン−バルブ磁気抵抗効果を示す。第１及び第 ２ボディ間に結合がない場合、Ｍ₂ は可変の外部磁束に応じて自由に回転する。 Ｍ₁ の向きが固定されているので、このような回転によってＭ₁ 及びＭ₂ の相互 の向き、したがって第１及び第２磁性ボディ間の電気抵抗は連続的に変化する。 したがって、素子は、可変磁束をこれに対応して変動する電気信号に変換する変 換器として動作する。 （ｄ）ＭＲＡＭ： Ｍ₁ とＭ₂ の両方が自由に回転する場合、ＭＲＡＭを、Ｍ₁ 及ひＭ₂ を個別に 直接操作する二つの個別の書込み線（例えば、磁界を発生させることができる電 気トラック）を用いることによって実現することができる。このようにして、Ｍ₁ 及びＭ₂ を平行形態と反平行形態との間で切り替えることができ、これによっ て、（スピン−バルブ磁気抵抗効果を通じて）ＭＲＡＭの横方向の電気抵抗Ｒ₁₂ に影響を及ぼすことができる。 である。このような素子を、後の実施例で詳細に説明する。 既に説明したように、本発明による素子の種々のあり得る用途は、準−２ＤＥ Ｇに電界を加えることを利用する。このような（制御可能な）電界を発生させる 簡単な方法は、半導体材料の層に対して設けた電極（いわゆるゲート電極又はシ ョットキーコンタクト）を用いることである。特に、このように所望し又は必要 とする場合、複数のこのようなゲート電極を半導体層に対して設けて、準−２Ｄ ＥＧの相違する領域に対して相違する電界を加えることができる。これによって 、例えば、準−２ＤＥＧのいわゆる共鳴トンネルリング多重バリア構造の創成を 許容する（国際特許出願第９６／１１４６９号で説明したような素子の横型形状 ）。さらに、所望の場合には、一つ以上のゲート電極を、（例えば、リソグラフ ィック技術を用いて）特定の幾何学的な形状で設けることができる。 以前の段落で説明した例において、一つ以上のゲート電極を半導体層に直接接 触して設けることができる。また、一つ以上のゲート電極を、半導体材料の層か ら電気的に絶縁することができる。このような絶縁を、例えば、一つ以上のゲー ト電極と半導体層との間に（ＳｉＯ₂ のような）絶縁材料の層を設けることによ って行うことができる。例えば、準−２ＤＥＧを発生させる半導体層に量子井戸 構造（すなわち、非導電（表面）層）がある場合、このタイプの個別の絶縁層は 必要ない。 一般に、本発明による素子の磁性ボディの少なくとも一つを電気端子に接続し 、特定の用途によって要求される場合、両磁性ボディを相違する電気端子に接続 することができる。しかしながら、そのように所望する場合、本発明による素子 は、他のオーム性コンタクト（端子）も具えることができる。例えば、（準−２ ＤＥＧ半導体材料の単一シート上に）合計四つのコンタクトを用いると、二つの 磁性コンタクト間の電流が二つの金属コンタクト間で測定される電圧勾配に対し てほぼ垂直である平坦なホール効果素子を形成することができる。（準−２ＤＥ Ｇを用いない）このような素子は、例えば、1995年に刊行されたAppl.Phys.Lett.66 の2751〜2753頁にA.Schuhl等によって説明されている。本発明による素子を 用いる例えば磁場センサでホール形態を用いることによって、雑音を著しく減少 させることができる。 最適なパフォーマンスに対して、磁性ボディと半導体層との間の界面でのショ ットキーバリアの発生を回避することができる。この見地において、本発明によ る素子の好適例は、前記半導体材料がＩｎＡｓを具えることを特徴とするもので ある。ＩｎＡｓは、（準−２ＤＥＧを形成する）その表面の堆積層を示し、その 結果、純粋なＩｎＡｓ上に堆積された大抵の金属はオーム性接触を形成する。純 粋なＩｎＡｓに対する他の好適な例はＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓである（この場合、Ｇ ａの量は比較的小さく、例えば、ｘ≧０．８とする。）。 本発明による素子の用いる適切な基板材料は、例えば、シリコンウェファ及び ＩｎＰを含む。第１及び第２磁性ボディに用いる適切な磁性材料は、例えば、Ｆ ｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，（パーマロイのような）これらの材料の種々の二元及び三元合 金、ＣｏｚＲＮｂ及びＦｅＮｂＺｒＮを含む。第１及び第２磁性ボディは、同一 構成、形状又は寸法を有する必要がない。 本発明及びそれに伴う利点を、実施の形態及び添付図面を参照して説明する。 図１は、準−２ＤＥＧを発生させることができる半導体層の断面図を示す。 図２は、ここでは磁場センサとして実施した本発明による素子の断面図である 。 図３は、磁気書込みヘッドとして用いるのに適切な図２の変形である。 図４は、ＭＲＡＭとして用いるのに適切な図２の変形である。 図面中同一形態に同一参照符号を付すものとする。実施例１ 図１は、本発明による素子で用いるのに特に適切であるとともに準−２ＤＥＧ を発生させることができる半導体層３の特定の実施の形態の断面図を示す。層３ を基板１上に配置する。この場合、基板１をＩｎＰで構成する。層３は、以下の 構成を有する合成構造を有する。 表において、“ｕｄ”は非ドープ（すなわち、真性）を表し、“ｎ⁺ ”はドナー ドーピングを表す。 図示した半導体層３は、構成層１３に準−２ＤＥＧ（この特定の場合では、真 性２ＤＥＧ）を有する。この準−２ＤＥＧは約１．６５ｍ² ／Ｖｓの電子移動度 、１．９６×１０¹⁶ｍ^-2の電子密度及び約０．４μｍの電子平均自由行路を有す る。実施例２ 実施例１の構造の変形例として、準−２ＤＥＧを、次のように構成したＭＢＥ 成長させた半導体層に発生させることもできる。 ｕｄ ＧａＡｓ（１７ｎｍ） ｎドープＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓ（３８ｎｍ） ｕｄ Ａl_0.33Ｇａ_0.67ＡＳ（４１ｎｍ） ｕｄ ＧａＡｓ（５００ｎｍ） これらの構成を、例えばＧａＡｓで構成した基板に対する距離を減少させる順序 てリストする。括弧内の数字は、種々の構成に対する理想的な厚さを表す。符号 “ｕｄ”は非ドープ（すなわち、真性）を表す。実施例３ 図２は、本発明による素子の特定の例を示す。この素子は、第１磁性ボディ２ １及び第２磁性ボディ２２を設けた基板１を具える。第１ボディ２１は、磁化Ｍ₁ を有するとともに電気端子３１に接続され、それに対して、第２ボディ２２は 、磁化Ｍ₂ を有するとともに電気端子３１に接続される。ボディ２１，２２を、 例えばパーマロイで構成する。ここで示したように、磁化Ｍ₁ ，Ｍ₂ は面内方向 を有するが、これらは、例えば基板１に対して垂直にする（垂直異方性）。 磁化Ｍ₂ は、内部磁束の影響下で自由に回転する。しかしながら、磁化Ｍ₁ は 、例えばボディ２１の頂部に配置することができるＦｅ₅₀Ｍｎ₅₀のような交換バ イアシング材料の隣接層に対してボディ２１を交換バイアシングすることによっ て向きが固定される。ボディ２１を、ボディ２１，２２に対して相違する基板材 料を用いることによって又は同一基板材料を用いるとともにそれに（Ｏｓ又はＲ ｅのような)Ｈ_C に影響を及ぼす添加物を相違する程度でドーピングすることに よって、ボディ２２より高い抗磁力Ｈ_C を有するように実施することができる。 更に別の変形例では、例えば、２２をディスクとして（低い形状異方性）実施す ることによって相違する形状異方性を有する。 第１及び第２ボディ２１，２２を、準−２ＤＥＧを発生させることができる半 導体の層３（例えば、実施例１で説明した層３）を通じて相互に接続する。ボデ ィ２１，２２及び層３の配置を、３層スタックの代わりに横型形状を形成するよ うにする。ボディ２１，２２の横方向の距離を、好適には、準−２ＤＥＧの電子 平均自由行路と同一の目安（典型的には約０．２〜０．５μｍ）とする。ここで 示したように、層３はボディ２１，２２間に存在するが、それが相互接続を行う 限りボディの下に存在してもよい。 ボディ２１，２２の横方向の離間を、これらの間の磁気結合を防止する程度に 大きくする。これは、典型的には約０．２５〜０．５μｍ又はそれ以上の目安の 横方向の離間となる。 センサは、十分なスピン−バルブ磁電効果を示し、これによって、端子３１及 び３２間で測定される電気抵抗Ｒ₁₂の値は、Ｍ₁ 及びＭ2 の相対的な向き（特に 、これらが平行又は反平行であるか否か）に依存する。可変外部磁束に対してセ ンサを露出すると、その向きが変化する。Ｍ₁ が固定されているので、このよう な露出によってＭ₁ 及びＭ₂ の相対的な向き、したがってＲ₁₂の値が変化する。 このようにして、可変外部磁束を、それに応じて変化する電気信号に変換するこ とができ、その結果、素子は磁界センサとして作動する。特定のアプリケーショ ンにおいて、外部磁束が、ボディ２２に近接して移動する磁気テープ、ディスク 又はカードのような磁気記録媒体から発生し、この場合、素子は磁気読出しヘッ ドとして作動する。 図２に示したような素子は、当然、これら図示したものに対する追加のパーツ を具える。特に、素子は磁束ガイドを具えて、外部磁束をボディ２２の付近に収 束するさせることができる。実施例４ 図３は、基本的には図２の素子を示すが、ある程度の変形がある。特に、 − ゲート電極２３を層３に対して（の上に）設け、この電極２３を電気端子３ ３に接続する。 − 図２の端子３１，３２はこの場合には存在しない。 − 磁性ボディ２１，２２を磁気的に結合する。これを、（例えば、約１００ｎ ｍの目安の）ボディ２１，２２を横方向に十分小さく離間することによって実現 することができる。 ここで示したように、ゲート電極２３を層３に直接接続するが、電極２３及び 層３を、電気的な絶縁材料（図示せず）の介在層によって相互に離間することも できる。 端子３３に電圧を供給することによって、層３に、電極２３を通じて電界をか けることができ、この電界を用いて層３の準−２ＤＥＧの電子密度を変更させる ことができる。特に、このようにしてボディ２１，２２間の結合の強さ及び／又 は符号（型）を変更することができる。 特定の例において、ボディ２１，２２間の結合を、（交換相互作用の結果とし て）本質的に強磁性とし、その結果、磁化Ｍ₁ 及ひＭ₂ は、外部磁束か存在しな い場合には相互に平行になる。端子３３に（ＩＶの目安の）小さい直流電圧を供 給することによって、層３の準−２ＤＥＧに電界を部分的に加えて、ボディ２１ ，２２間の結合を、（準−２ＤＥＧを電子的に減少させて、ボディ２１，２２間 の結合を静磁状態にすることによって）反強磁性とする。その結果、Ｍ₁ が固定 されているので、Ｍ₂ はその向きを反転して、Ｍ₁ に対して反平行になる。 したがって、可変電圧を端子３３に供給することによって磁化Ｍ₂ の向きを反 転できることがわかる。したがって、磁気記録媒体をボディ２２（又はそれから 発生する磁束ガイドの極面）に近接して移動させる場合、端子３３にデータ変調 電圧を供給すると、媒体上のＭ₂ の磁気的な影響のために前記データを用いて媒 体を暗号化することができる。したがって、素子を磁気書込みヘッドとして用い ることができる。実施例５ 図４は、基本的には図２の素子を示すが、ある程度の変形がある。特に、いわ ゆる「書込み線」３４をボディ２に対して設け、これを、Ｓｉ₃ Ｎ₄ のような電 気的な絶縁材料の層３５によって離間する。特定の場合において、書込み線３４ は、図面平面に垂直方向に延在し、例えば、Ｃｕ又はＡｕのような導電材料から なる。 書込み線３４を流れる電流によって、Ｍ₂ の向きに影響を及ぼす、特に、Ｍ₂ の方向を反転させることができる磁界を発生させることができる。Ｍ₁ が固定さ れている場合、Ｍ₂ の方向のこのような変化によって、Ｍ₁ 及びＭ₂ の相互の向 きを変え、これを、端子３１と３２との間の抵抗Ｒ₁₂を測定することによってモ ニタすることができる。 このようにして、素子は、２値データを記憶するとともにこれらを再び検索す ることができる磁気的なランダムアクセスメモリとして作動する。書込み線３４ 上の“１”又は“０”に対応する維持された電圧によって、Ｍ₁ 及びＭ₂ を平行 又は反平行にして、Ｒ₁₂を比較的低い又は高い値となる。 所望の場合には、図４に示した素子を、このような素子のアレイにすることが でき、その結果、複数のデータビットを記憶し又は検索することができる。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年８月５日（１９９８．８．５） 【補正内容】 明細書第１０頁第１６行の「Ｓｉ₃ Ｎ₄ 」を「ＳｉＯ₂ 」に補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．磁性体の第１及び第２ボディを設けた基板を具え、これによって少なくとも 前記第２ボディの磁化が固定されない磁性素子において、これら二つのボディ が同一平面上に存在し、これらを相互に離間し、前記ボディを、準−２次元電 子ガスを発生させることができる半導体材料の層を通じて相互に接続したこと を特徴とする磁性素子。 2．前記第１ボディの磁化方向を固定したことを特徴とする請求の範囲１記載の 磁性素子。 3．前記第１及び第２ボディを相互に磁気的に結合したことを特徴とする請求の 範囲２記載の磁性素子。 4．前記第１及び第２ボディを相互に時期的に結合しないことを特徴とする請求 の範囲２記載の磁性素子。 5．前記半導体材料の層に対して電極を設けたことを特徴とする請求の範囲１か ら４のうちのいずれかに記載の磁性素子。 6．前記電極を、前記半導体材料の層から電気的に絶縁したことを特徴とする請 求の範囲５記載の磁性素子。 7．前記半導体材料がＩｎＡｓを具えることを特徴とする請求の範囲６記載の磁 性素子。 8．請求の範囲１から７のうちのいずれかに記載した磁性素子を具える磁場セン サ。 9．請求の範囲１から８のうちのいずれかに記載した磁性素子を具える磁気書込 みヘッド。