JP2005011907A

JP2005011907A - Spin-injection magnetization-reversal magneto-resistance element using quantum size effect

Info

Publication number: JP2005011907A
Application number: JP2003172473A
Authority: JP
Inventors: Akira Oiwa; 顕大岩; Hiroo Munekata; 比呂夫宗片; Tanomu Moriya; 頼守谷; Yukiya Kashimura; 之哉樫村
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: JP4297739B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the efficiency of spin-injection magnetization reversal and reduce power required for reversal of magnetization accompanying this. <P>SOLUTION: This magneto-resistance element has a lamination structure comprising a p<SP>+</SP>-GaAs layer 31, p-GaAs bottom electrode layer 33, (Ga, Mn)As fixed layer 35, AlAs second barrier layer 37, (In, Ga, Mn)As magnetization-reversal layer 39, AlAs first barrier layer 41, and transparent electrode layer 45. The magnetization direction of the (Ga, Mn)As fixed layer 35 is fixed, while the (In, Ga, Mn)As quantum well layer (magnetization reversal layer) 39 is a free layer. When circularly polarized light is not irradiated, the magnetization direction of the magnetization reversal layer 39 is kept in the former state and a resistance in the lamination direction becomes low. When right circularly polarized light is irradiated in the lamination direction, the direction of magnetization of the magnetization reversal layer changes, making the magnetization directions of the fixed layer 35 and the magnetization reversal layer 39 different by irradiation of the circularly polarized light (non-parallel magnetization). Even if the irradiation of the circularly polarized light is stopped, the resistance is still low to maintain the non-parallel magnetized state and this state is memorized non-volatilely. When circularly polarized light is irradiated in the lamination direction again, the fixed layer 35 and the magnetization reversal layer 39 become magnetized in the same direction and the resistance becomes high. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はキャリアスピン注入磁気抵抗効果素子に関し、特に、量子サイズ効果によるスピン注入磁化反転の効率化技術を用いた磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、高度情報化社会における大容量記憶媒体に用いられる素子として注目されている。特に磁気抵抗効果を用いた磁気ヘッドは、高感度かつ高密度化が可能であり、実用化されている。
【０００３】
最近、強磁性体と非磁性金属とを交互に積層した磁気抵抗効果膜の研究が盛んになってきている。磁気抵抗効果膜は、外部磁場により強磁性の平行磁化状態と反平行磁化状態とを実現し、両方の状態における膜の積層方向に関する電気抵抗の差を利用するものであり、例えば磁気センサとしても期待されている。加えて、磁気抵抗効果膜を不揮発性記憶セルの主要構成要素として利用した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）の研究も盛んになってきている。図１５に示すように、ＭＲＡＭ１００は、例えば２層の強磁体層１０１、１０３の間に絶縁体層１０５を挟んだ構造を有しており、磁場により変化させることが可能な一方の強磁性層１０１と磁場により変化させることができない他方の強磁性層１０３との間の磁化状態の関係が、平行磁化状態（低抵抗）又は反平行磁化状態（高抵抗）のいずれであるかに起因する積層方向に関する電気抵抗の差を記憶情報として読み出す不揮発メモリである。ＭＲＡＭセルは構造が簡単なため、図１６に示すように、２次元平面上に多数のＭＲＡＭ１００を配置し、強磁体層１０１、１０３のそれぞれに配線Ｌ１、Ｌ２を接続することにより、高集積記憶装置を実現することができる。
【０００４】
また、誘導磁場によらずに磁化反転を実現する技術も提案されている。例えば、積層方向にキャリアスピンを注入することにより磁化反転を行うキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜も提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。上記のキャリアスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜では、注入層から反転層へスピン偏極したキャリアが電気的に注入されると、キャリアが磁性体の磁化にもたらすトルクによって、ある反転電流以上で磁化反転膜の磁化回転が起こる。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ１５９（１９９６）Ｌ１−Ｌ７．
【非特許文献２】
Ｌ．Ｂｅｒｇｅｒ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ，Ｖｏｌ．５４Ｎｏ．１３，９３５３（１９９６）．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＲＡＭなどに用いられる磁気抵抗効果膜は、強磁性層の平行磁化又は反平行磁化のいずれかの状態を実現するために、特定のセルに対して誘導磁場（外部磁場）を印加する必要がある。従って、磁場発生装置を作り込む必要があるとともに、消費電力も大きくなるという問題がある。ＭＲＡＭにおいては、記憶装置の高密度化、すなわち素子の微細化を進めれば進めるほど、近接する記憶セルに対して漏れ磁場の影響が大きくなり、特定のセルのみに対して情報の書き換えを行うことが難しくなるという問題点を有している。
【０００７】
一方、キャリアスピン注入磁化反転磁気抵抗効果膜を用いると、磁場を印加する場合と比べて素子の微細化に対応可能であるが、スピン注入磁化反転に１０^７Ａ／ｃｍ^２という大電流が必要とされる。また、磁性体ＭＲＡＭの記憶セルを構成するトンネル磁気抵抗素子では、中間層が絶縁体で構成されるため、実現が困難である。
【０００８】
発明者は、円偏光によって光学選択則に従ってスピン偏極キャリアを注入すると、磁化が回転することを利用する技術を先に提案した。図１から図３までを参照してこの技術について説明を行う。図１は、先の提案に係るスピン注入磁化反転膜を用いた素子の概念的な構成を示す図であり、ＩＩＩ−Ｖ族磁性半導体を用いた素子の構成例を示す図である。図２は、図１に示す素子の伝導帯と価電子帯との間の遷移の様子を示す模式的な図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、光生成スピン偏極正孔とＭｎとの相互作用の様子を示す図である。
【０００９】
図１に示すように、先の提案に係るスピン注入磁化反転膜を用いた素子は、例えばＧａＡｓ層１上に（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層３を積層した構造を有している。この素子に対して積層方向に円偏光５を照射すると、図２に示すように光学遷移が生じる。この場合、価電子帯の重い正孔と軽い正孔の準位は縮退している。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、磁性混晶半導体（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓでは、光生成スピン偏極正孔がＭｎとの相互作用によりＭｎ磁気モーメントにトルクを与え、磁化の回転を引き起こす。磁性半導体の磁化の方向は、半導体中で励起されたキャリア（電子・正孔）スピンの向きによって決まり、また、この量子化軸は円偏光を入射する向きによって決まる。量子化軸を軸としてキャリア（電子・正孔）スピンがどちらを向くかは、円偏光が右向きであるか左向きであるかによって決まる。
【００１０】
ここで、実際に図１に示す構造に円偏光を照射した場合に起こる現象について、図２を参照しつつ説明を行う。まず、図１に示す構造では価電子帯のＨＨ_１（ＬＨ_１）はエネルギー的に縮退しており、伝導帯のＥ_１との間のエネルギー差ΔＥに相当する波長を有する円偏光σ^＋を照射すると、角運動量Ｌ＝＋１となる光学遷移のみが生じる。重い正孔（ヘビーホール）ＨＨ_１と軽い正孔（ライトホール）ＬＨ_１とに存在する両方の電子が伝導帯に励起され、価電子帯に正孔が生成される。ＨＨ_１の価電子帯から伝導帯への電子の光学遷移によりスピンが下向きの電子が生成され、ＬＨ_１の価電子帯から伝導帯への遷移によりスピンが上向きの電子が生成される。このときＨＨ_１からの遷移確率がＬＨ_１からの遷移に比べて３倍大きいため、結局は伝導帯の光生成電子のスピンの偏極率としては下向き５０％である。全スピンは遷移前と後で保存されるため価電子帯には上向き５０％の偏極率をもつ光生成正孔が存在する。円偏光σ⁻を照射するとＬ＝−１となる光学遷移が生じる。この場合も円偏光σ_＋を照射した場合と同様の選択側により光生成電子・正孔のスピンの偏極率は５０％である。
【００１１】
すなわち、図１に示す構造では、円偏光のσ^＋とσ⁻とを選択的に照射した場合においても、光生成キャリアのスピンの向きを完全には揃えることができない。スピンの向きが異なるキャリアは異なる方向のトルクを磁化に及ぼすため、磁化反転が効率的に行われないことを意味する。
【００１２】
本発明は、磁化反転に必要な電力を低減するために、磁化反転の効率化を行うことを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、キャリアを量子的に閉じ込め可能な量子磁性半導体構造を準備するステップと、該量子磁性半導体に対して楕円偏光を照射するステップとを有することを特徴とするスピン注入制御方法が提供される。前記量子磁性半導体構造は、半導体層中に磁性金属を混ぜた磁性半導体層を有している。
【００１４】
上記量子磁性半導体構造では、価電子帯の準位が重い正孔と軽い正孔の２つの準位は分裂しており、例えば重い正孔と伝導帯との間のエネルギー差に相当する波長を有する楕円偏光を照射することにより、選択的に重い正孔に存在する電子を伝導帯に励起させることができ、光生成キャリアのスピンの偏極率を向上させることができ、スピン注入磁化反転を効率的に起こすことができる。
【００１５】
本発明の他の観点によれば、磁性半導体と、該磁性半導体を量子力学的に閉じ込めるエネルギー障壁であって、前記磁性半導体の価電子帯の重い正孔と軽い正孔状態の縮退を解いた半導体磁性金属領域と、を有する量子磁性半導体微細構造が提供される。
【００１６】
それに加えて、前記半導体磁性金属領域における価電子帯と伝導帯とに形成される量子準位間のエネルギー差を選択し、それに相当するエネルギーを有する楕円偏光を照射する光源とを有する光半導体装置を用いることにより、楕円偏光照射時におけるスピンの偏極率を向上させることができる。
【００１７】
また、下部電極と、該下部電極に形成され磁化に向きが固定された固定層と、該固定層に形成される第１エネルギー障壁層と、該第１エネルギー障壁層に形成される磁化反転層と、該磁化反転層に形成される第２のエネルギー障壁層と、
該第２のエネルギー障壁層に形成される透明電極とを有する量子井戸型スピン注入磁化反転磁気抵抗素子が提供される。
【００１８】
上記構造により、磁化反転層における正孔の準位間の縮退を解き、一方の準位からのみ電子を伝導帯に励起させることができ、励起された光生成キャリアのスピンの偏極率を選択的に向上させることができる。
【００１９】
さらに、この量子井戸型スピン注入磁化反転磁気抵抗素子と、前記下部電極と前記透明電極との間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記透明電極側から前記磁化反転層のキャリアを励起するエネルギーのうちの伝導帯と価電子帯に形成される量子準位間の遷移エネルギーに相当する波長を有する楕円偏光を照射できる光源と、を有する不揮発性メモリが提供される。上記不揮発性メモリにおいては、スピン偏極率の高いキャリアを注入できるため、スピン注入磁化反転を効率的に行うことができ、メモリの性能を向上させることができる。
【００２０】
さらに、前記量子井戸型スピン注入磁化反転磁気抵抗素子の前記楕円偏光照射側に設けられ、該楕円偏光を選択的に照射するシャッタとを設けることができる。例えば、電気的にシャッタの動作を制御することにより、記憶情報の書き換えを行いたい特定の素子のみに円偏光を照射することができる。
【００２１】
本発明の別の観点によれば、磁性半導体と、該磁性半導体を量子力学的に閉じ込めるエネルギー障壁であって、前記磁性半導体の価電子帯の重い正孔と軽い正孔状態の縮退を解いた半導体磁性金属領域と、を有する量子磁性半導体微細構造と、該量子磁性半導体微細構造に対して照射される楕円偏光を受光する受光面と、前記磁性半導体の電位を測定する測定部とを有する光センサーが提供される。
【００２２】
上記センサを用いることにより、例えば楕円偏光の有無や強度、楕円偏光の向きをセンシングすることも可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
発明者は、量子サイズ効果により磁性半導体層中に量子準位を形成させることで、光生成キャリアのスピンの偏極率をほぼ１００％にできることを用い、スピン注入磁化反転を効果的に引き起こす新しい技術を思いついた。これにより、スピン注入磁化反転の効率化と、これに伴う磁化反転に必要な電力を低減することが可能である。図４及び図５を参照しつつ、本発明の一実施の形態による量子井戸スピン注入磁化反転膜の原理について説明する。図４は、本実施の形態による量子井戸スピン注入磁化反転膜の構造例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態による量子井戸スピン注入磁化反転膜は、ＧａＡｓ層１１上に、例えばＡｌＡｓ層により形成された第１のエネルギー障壁層１５と、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓより形成される量子井戸層１７と、ＡｌＡｓ層により形成される第２のエネルギー障壁層２１とを有する積層構造より形成される量子井戸構造を有している。尚、第１及び第２のエネルギー障壁層１５、２１は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０＜ｘ＜１）を用いても良い。
【００２４】
図４に示す量子井戸構造における量子井戸層を形成する（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層１７に関する模式的なエネルギーバンド構造を図５に示す。図５に示すように、キャリア（正孔）を量子力学的な効果が顕著に顕れる程度に小さなサイズ内に閉じ込めることにより、ＨＨ_１とＬＨ_１とのエネルギー準位をスプリッティングの（エネルギー差＝ΔＥ_２−ΔＥ_３）させることができる。ＨＨ_１とＬＨ_１とのエネルギー準位のスプリッティングを利用することにより、Ｅ_１−ＨＨ_１のエネルギー（波長）ΔＥ_２を有する円偏光を照射した場合、価電子帯の正孔準位のうちＨＨ_１のみを伝導帯Ｅ_１に選択的に励起させることができる。この際、ＬＨ_１における正孔は円偏光のエネルギー（波長）がＥ_１−ＬＨ_１のエネルギー（波長）と異なる（ΔＥ_３）ため、ＬＨ_１を占有する電子が伝導帯に励起されることはない。尚、円偏光は、直線偏光の電界ベクトルを右回り方向と左周り方向とをλ／４（λは波長）ずらすことによって得られる。例えば、レーザー光源からの直線偏光させたレーザー光を１／４波長板に通すか、又は、ポッケルセルなどの電場を加えた光学結晶を通すなどの公知技術によって得ることが出来る。
【００２５】
この現象をより具体的に説明すると、まず、図４、図５に示す構造に対して価電子帯ＨＨ_１と伝導帯Ｅ_１との間のエネルギー差ΔＥ_２に相当する波長の円偏光σ^＋を照射すると、角運動量Ｌ＝＋１となる光学遷移のみが生じる。ＨＨ_１内のみの電子が伝導帯に励起されて重い正孔が生成され、ＬＨ_１内における電子は価電子帯に励起されることがない。ＨＨ_１内の電子の価電子帯から伝導帯への遷移のみが生じるため伝導帯中の光生成電子のスピンが完全に下向きになり、スピンの偏極率は１００％となる。このとき全スピンは保存されるので価電子帯の光生成正孔も完全に上向きになり、スピン偏極率も１００％である。価電子帯ＨＨ_１と伝導帯Ｅ_１との間のエネルギー差ΔＥ_２に相当する波長の円偏光σ⁻を照射するとＬ＝−１となる光学遷移が生じる。この場合も円偏光σ^＋を照射した場合と同様に光生成キャリアのスピンの偏極率は１００％である。すなわち、図４、図５に示す構造では、エネルギーをＥ_１−ＨＨ_１に選択した円偏光のσ^＋とσ⁻との選択的な照射を行うことにより、伝導帯に励起された電子と価電子帯に生成された正孔のスピンの向きを完全に揃えることができ、光生成スピン偏極度を１００％にすることができる。尚、量子井戸中のキャリアを強く閉じ込めることにより、光生成スピン偏極正孔の緩和時間を長くすることも可能であり、この効果を利用してスピン注入磁化反転の大きさを増大させることもできると考えられる。
【００２６】
次に、図４に示す構造におけるＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸中における量子準位の形成に関する実験について図６及び図７を参照しつつ説明を行う。図６及び図７は、本実施の形態による量子井戸スピン注入磁化反転膜に用いられるＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸に関する特性を評価した結果を示す図である。図６は、ＧａＭｎＡｓ量子井戸構造の井戸幅を変化させ、円偏光を照射した場合のフォトンのエネルギーと反射ＭＣＤ（磁気円二色性）との関係を示す図であり、測定温度は７Ｋ、磁場Ｈ＝１．２Ｔの条件で測定した結果を示す図である。ＧａＭｎＡｓの井戸幅を、０．５ｎｍ（ＡＲ４）、１．５ｎｍ（ＡＲ３）、３ｎｍ（ＡＲ２）、５ｎｍ（ＡＲ１）、１０ｎｍ（ＡＲ０）と変えた場合の結果を示している。尚、矢印は各井戸幅で計算されるＥ_１−ＨＨ_１遷移の位置を示す。図に示すように、ＭＣＤのピークは、ＧａＭｎＡｓの量子井戸幅を狭くすればするほど高エネルギー側にシフトしていくことがわかる。ＧａＭｎＡｓの量子井戸幅が狭くなるにつれて、Ｅ_１−ＨＨ_１の値も大きくなり、それにつれてＭＣＤのピークエネルギー位置も高エネルギー側にシフトしているものと考えられる（図７（Ｂ）参照）。
【００２７】
図７（Ａ）は、理論計算により求めたＥ_１−ＨＨ_１の値の曲線と量子井戸幅と、図６とに基づいて、ＭＣＤスペクトルのピーク値より求めた遷移エネルギーと量子井戸幅の関係をプロットした図である。図７（Ａ）に示すように、ＭＣＤスペクトルから求めた値は理論計算値に基づく曲線と良く一致しており、ＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造においてＧａＭｎＡｓ井戸層に量子準位が形成されていることが確認できた。
【００２８】
次に、図８から図１０までを参照しつつ、本実施の形態によるスピン注入磁化反転磁気抵抗素子に用いられるＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸に関する光スピン注入磁化反転に関する実験結果について説明する。合わせて、バルクＧａＭｎＡｓを用いた場合の実験結果を対応させて示す。図８（ａ）、（ｂ）は、ＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造に対して２．０×１０^１３ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅの円偏光パルスを照射した場合の、Ｋｅｒｒ回転角と励起光に対する検出光の間の遅延時間との関係を示す図である。測定温度３０Ｋ、磁場０Ｔにおいて、１．６１ｅＶのエネルギーを有するσ^＋の円偏光又はσ⁻を照射した測定条件下において、図８（ａ）に示すように、円偏光の向きにより時間分解Ｋｅｒｒ回転は、正負の方向にほぼ対象な値を示すとともに、時間の経過とともに０に近づいていくことが分かる。
【００２９】
また、図８（ｂ）に示すように、緩和が速い成分と遅い成分の２成分を有することがわかる。これは、キャリアのスピン緩和に関連する緩和が速い成分と、Ｍｎの回転に関連する緩和が遅い成分と、の２成分が存在するためであると考えられる。遅い成分の０ｐｓでの磁化変化ΔＭは１３ｍｄｅｇである。
【００３０】
一方、比較例として示した図９（ａ）、（ｂ）は、ＧａＭｎＡｓバルク構造に対して１．５×１０^１２ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅの円偏光パルスを照射した場合の、Ｋｅｒｒ回転角と遅延時間との関係を示す図である。測定温度２０Ｋ、磁場０Ｔにおいて、１．５８ｅＶのエネルギーを有するσ^＋の円偏光又はσ⁻を照射した測定条件下において、図８（ａ）と同様に、円偏光の向きにより時間分解Ｋｅｒｒ回転は正負の方向にほぼ対象な値を示すとともに、時間の経過とともに０に近づいていく（緩和していく）ことが分かる。
【００３１】
図８（ｂ）と図９（ｂ）とを比較すると、Ｍｎの回転に関連する値である緩和が遅いΔＭは量子井戸構造の方が大きく、光照射が行われた瞬間（０ｐｓ）では量子井戸構造では１３ｍｄｅｇであり、ＧａＭｎＡｓバルク構造では２ｍｄｅｇであることがわかる。
【００３２】
この結果を踏まえて、図１０に、バルク（単層膜）と量子井戸とのそれぞれをスピン磁化反転膜として用いた場合の特性を比較してまとめで示す。図１０に示すように、バルク（ｘ＝０．０１１）の場合のＧａＭｎＡｓ層では、７．０×１０^１５ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^３／ｐｕｌｓｅ（１．５×１０^１２ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅ）の円偏光を照射すると、飽和磁化の約０．５％（１０^１８ｃｍ^−３）（ΔＭ＝２ｍｄｅｇであり、Ｍ_ｓ＝４００ｍｄｅｇ．）が回転する。従って、１フォトン当たり、約１７０個のＭｎが回転していることになる。尚、測定温度の差が実験結果に与える影響は小さい。
【００３３】
一方、量子井戸（ｘ＝０．０５６）構造においては、１．７×１０^１７ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^３／ｐｕｌｓｅ（２．０×１０^１３ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅ）の円偏光を照射すると、飽和磁化の約５２％（１０^２１ｃｍ^−３）（ΔＭ＝１３ｍｄｅｇであり、Ｍ_ｓ＝２５ｍｄｅｇ．）が回転する。従って、１フォトン当たり、約３６００個のＭｎが回転していることになる。
【００３４】
以上の結果から、量子井戸構造を用いることにより、光生成正孔のスピン偏極率が増大し、磁化変化が増大することがわかる。加えて、正孔スピンの寿命に関しても長くなることが期待できる。尚、正孔スピンの寿命は、量子井戸中でのキャリアの閉じ込めの強さに依存すると考えられる。従って、光生成正孔スピンの緩和時間が延びると、正孔がＭｎと十分に相互作用することができ、磁化変化がより大きくなると期待される。別の観点では、例えば、量子井戸幅を狭くしたり、量子井戸構造の障壁高さを高くしたりすることにより、正孔スピンの緩和時間を長くすることができ、円偏光の照射を停止した後の情報の記憶時間を長くすることができる。この場合には、不揮発性記憶素子としての応用に適する。一方、例えば、量子井戸幅を広くしたり、量子井戸構造の障壁高さを低くしたりすることにより、正孔スピンの緩和時間を短くすることができ、円偏光の照射とその停止に応じて素早く応答するため、光スイッチ又は光センサーとしての利用に適している。また、Ｋｅｒｒ回転を測定することにより、円偏光の向きを感度良く知ることが出来るため、Ｋｅｒｒ回転を測定するためのセンサとしても適している。
【００３５】
次に、本実施の形態による素子の実際の製造方法について説明する。量子井戸層に用いることができる材料としては、化合物半導体量子井戸であって、井戸層に高濃度、例えば％オーダーで遷移金属（Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）を添加した化合物半導体量子井戸層を用いることができる。例えば、ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造、ＩｎＧａＭｎＡｓ／ＩｎＡｌＡｓヘテロ構造、ＩｎＭｎＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ構造、ＩｎＧａＭｎＮ／ＧａＮ、ＧａＭｎＮ／ＡｌＮヘテロ構造などのＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体構造、又は、ＺｎＣｒＴｅ／ＺｎＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族系の化合物半導体構造を用いることができる。
【００３６】
素子は、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により作成することができる。その他、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＣＶＤ）、スパッタ法、真空蒸着法により作成することも可能である。
【００３７】
以下、量子井戸スピン注入磁化反転膜の具体的な素子製造工程の例について説明する。まず、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層を５８０℃で堆積し、次いで、厚さ１０ｎｍ程度のＧａ_１−ｙＡｌ_ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）層（第１障壁層）を２４０ ℃で形成する。次に、厚さ５ｎｍのＧａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ層（０＜ｘ＜１、量子井戸層）を２４０℃で形成し、厚さ１０ｎｍ程度のＧａ_１−ｙＡｌ_ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）層（第２障壁層）を２４０℃で形成する。最後に厚さ１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層（保護層）を２４０℃で形成する。
【００３８】
次に、図１１及び図１２を参照しつつ、量子井戸スピン注入磁化反転膜を用いた磁気抵抗効果素子について説明する。図１１に示す磁気抵抗効果素子は、ｐ^＋−ＧａＡｓ層３１と、ｐ−ＧａＡｓ下部電極層３３と、Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）固定層３５と、Ｇａ_１−ｚＡｌ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）第２障壁層３７と、（Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙ）_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）磁化反転層３９と、Ｇａ_１−ｚＡｌ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）第１障壁層４１と、透明電極層４５との積層構造を有している。Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ固定層３５の磁化方向は固定されており、一方、量子井戸層である（Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙ）_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）磁化反転層３９はフリー層であり、円偏光を照射することにより磁化の方向を変化させることができる。上記の構造において下部電極３１と透明電極４５との間に生じる電圧を測定することができるように構成されている。この場合には、蒸着装置などを用いてＢｅをキャリア密度ｐ＝１０^１９ｃｍ^−３程度ドーピングしたｐ型ＧａＡｓ層を５８０℃で分子線エピタキシーにより形成し、その上に上部透明電極をＡｕ薄膜又はＩＴＯ膜などにより形成する。
【００３９】
図１２（ａ）に示すように、図１１に示す構造に対して円偏光を照射しない状態においては、磁化反転層３９の磁化方向（矢印で示す方向）は前回の状態を保持しており、図１２（ａ）では、固定層３５と磁化反転層３９との磁化方向が同じ（平行磁化）であり、積層方向の抵抗は低い状態になっている。図１２（ｂ）に示すように積層方向に右円偏光を照射すると、磁化はいったん膜面に対して垂直に立ち上がり、これが磁化とは反対向きに反磁場を生じるために磁化は膜面内で回転するトルクを受け、円偏光を照射したことにより固定層３５と磁化反転層３９との磁化方向が異なる（反平行磁化）となり、円偏光がない状態でも反平行磁化状態を維持し、積層方向の抵抗は低い状態のままになる。すなわち、不揮発に情報を記憶する。図１２（ｃ）に示すように積層方向に円偏光を照射すると、固定層３５と磁化反転層３９との磁化の向きが同じになり、円偏光の照射がない状態においても、平行磁化を維持するため、抵抗値は低い状態を不揮発に維持する。
【００４０】
上記の不揮発性記憶素子では、２つの磁性層の平行／反平行を実現する場合にために、右・左円偏光を区別しなくても良い。つまり円偏光を当てたとき、磁化は面に垂直方向に立ち上がり、このとき面内で磁化反転させる力は立った磁化によって生ずる反磁場によるトルクである。右・左円偏光の違いは膜面内で時計回りか反時計回りに回転するかの違いのみを与えるため、＋と−とのいずれかの円偏光を交互に照射すれば膜面内で磁化は反転する。尚、円偏光発光素子の＋、−は磁場（磁化方向）で制御可能である。
【００４１】
上記不揮発性記憶素子を実際の記憶装置に適用する場合には、例えば、まず、書き換え対象となる本実施の形態による不揮発性記憶素子の磁化状態（平行磁化か反平行磁化か）を読み出し、実際に書き換えたい記憶情報と異なる記憶情報が記憶されている場合に、その不揮発性記憶素子に対して円偏光を照射すれば良い。実際に書き換えたい記憶情報と同じ記憶情報を記憶していれば、特にその後の処理は不要である。
【００４２】
尚、上記各実施の形態においては、例えば２次元平面上に本発明の実施の形態による多数の不揮発性記憶素子を作成した場合に、選択的に所望の記憶素子についてのみ円偏光を照射させて記憶情報を書き換える方法としては、円偏光を照射するための発光素子として磁化反転層よりもＩｎ組成が少ない（Ｉｎ，Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを発光層として有する発光素子を、記憶素子構造上に形成する。このとき発光層のバンドギャップと磁化反転層の量子準位Ｅ_１−ＨＨ_１間の遷移エネルギーが同じになるように発光層と磁化反転層のＩｎ組成を決めれば、円偏光を照射することができる。円偏光発光素子の右・左円偏光発光は磁場（磁化方向）で制御可能である。また、記憶素子を作成した上に、例えば液晶装置のスイッチングにより透過直線偏光の偏光面を制御できる装置とその直下にλ／４板を配置することにより、個別に記憶情報の書き換えを行うように構成しても良い。また、円偏光の向きを調整する必要がある場合には、直線偏光の偏光面とλ／４板により調整することができる。さらに、近接場顕微鏡を用いて、光ファイバプローブを２次元的に配置された不揮発性記憶素子上で走査させることにより、円偏光を各素子に個別に照射して書き込みを行うことも可能である。
【００４３】
図１３に示す磁気抵抗効果素子は、ｐ^＋−ＧａＡｓ層７１と、ｐ−（Ｉｎ，Ｇａ）Ａｓ下部電極層７３と、Ｇａ_１−ｚＡｌ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）第２障壁層７５と、（Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙ）_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）磁化反転層７７と、Ｇａ_１−ｚＡｌ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）第１障壁層８１と、Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）固定層８３と、透明電極層８５との積層構造を有している。この構造では、格子歪みにより磁性層の磁気異方性を制御する。（Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙ）_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ磁化反転層７７は歪みを受けず反磁場効果により面内に磁化容易軸を持ち、Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ固定層８３は引張歪みを受け、面に垂直な方向に磁化容易軸を持つ構造が実現できる。Ｇａ_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ固定層８３の磁化方向は固定されており、一方、（Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙ）_１−ｘＭｎ_ｘＡｓ磁化反転層７７はフリー層であり、円偏光を照射することにより磁化の方向を変化させることができる。下部電極と透明電極との間に生じる電圧を測定することができるように構成されている。
【００４４】
図１４（ａ）に示すように、円偏光を照射しない状態においては、固定層８３の磁化方向（矢印で示す方向）は上向きになっており、磁化反転層７７の磁化方向は膜の面内方向を向いている。図１４（ｂ）に示すように積層方向に右円偏光を照射すると、固定層８３と磁化反転層７７との磁化の向きが両方とも上向きになって揃い、照射中の抵抗値は図１４（ａ）に示す場合よりも低くなる。図１４（ｃ）に示すように積層方向に左円偏光を照射すると、固定層８３と磁化反転層７７との磁化の向きが上下反対となり、照射中の抵抗値は図１４（ａ）に示す場合よりも高くなる。図１４（ｂ）、図１４（ｃ）のいずれの場合でも、円偏光の照射を停止すると、図１４（ｄ）に示すように図１４（ａ）とほぼ同様の状態（８３、７７）に戻る。すなわち、上記構造においては、照射する円偏光の向きに依存して積層方向の抵抗値を変化させることができ、上記素子は、円偏光の向きにより抵抗値を変化させることができる光スイッチとして利用することができる。抵抗値として３値の状態をとるため、多値論理回路に応用することも可能である。加えて、抵抗値をセンシングすることにより、円偏光を感知することができる光センサーとして用いることも可能である。
【００４５】
以上に説明したように、本実施の形態による量子サイズ効果を用いたスピン磁化反転型磁気抵抗素子においては、ＨＨとＬＨのスプリッティングさせ、選択的にＨＨからの電子の伝導帯への励起を起こさせることにより、スピンの偏極率をほぼ１００％にすることができることを利用して、スピン注入磁化反転の効率化が可能であることがわかった。これにより磁化反転に必要な電力を低減することができる。
【００４６】
以上、実施の形態に沿って本発明を説明したが、本発明は磁性体の磁化反転方法に関するもので、これらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。例えば、上記実施の形態においては、素子に円偏光を照射する場合を例にして説明を行ったが、楕円偏光（実際には円偏光を含む）を照射しても良い。
【００４７】
【発明の効果】
本発明による量子サイズ効果を用いたスピン注入磁化反転型磁気抵抗素子においては、ＨＨとＬＨをスプリッティングさせ、選択的にＨＨからの電子の伝導帯への励起を起こさせることにより、スピンの偏極率をほぼ１００％にすることができることを利用して、スピン注入磁化反転の効率化が可能である。これにより磁化反転に必要な電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先の提案に係るスピン注入磁化反転膜を用いた素子の概念的な構成を示す図であり、ＩＩＩ−Ｖ族磁性混晶半導体（磁性半導体）を用いた素子の構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す素子の伝導帯と価電子帯との間の遷移の様子を示す模式的な図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、光生成スピン偏極正孔とＭｎとの相互作用の様子を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による量子井戸スピン注入磁化反転膜の構造例を示す図である。
【図５】図４に示す量子井戸構造における量子井戸層を形成する（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層１７に関する模式的なエネルギーバンド構造を示す図である。
【図６】ＧａＭｎＡｓ量子井戸構造の井戸幅を変化させ、円偏光を照射した場合のフォトンのエネルギーと反射ＭＣＤ（ｄｅｇ）との関係を示す図である。
【図７】理論計算により求めたＥ_１−ＨＨ_１の値の曲線と量子井戸幅と、図６とに基づいて、ＭＣＤスペクトルのピーク値より求めた遷移エネルギーと量子井戸幅との関係をプロットした図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、ＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造に対して２．０×１０^１３ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅの円偏光パルスを照射した場合の、Ｋｅｒｒ回転角の遅延時間との関係を示す図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、ＧａＭｎＡｓバルク構造に対して１．５×１０^１２ｐｈｏｔｏｎ／ｃｍ^２／ｐｕｌｓｅの円偏光パルスを照射した場合の、Ｋｅｒｒ回転角とその遅延時間との関係を示す図である。
【図１０】バルク（単層膜）と量子井戸とのそれぞれをスピン注入磁化反転膜として用いた場合の特性を比較してまとめで示す。
【図１１】量子井戸スピン注入磁化反転膜を用いた磁気抵抗効果素子の構成例を示す図である。
【図１２】図１１に示す素子に対して、円偏光を照射した場合の磁化反転層の動きを示す図である。
【図１３】歪みを利用した磁気抵抗素子の構成例を示す図である。
【図１４】図１３に示す磁気抵抗素子に対して円偏光を照射した様子を示す図である。
【図１５】ＴＭＲ素子の構成例を示す図である。
【図１６】ＴＭＲ素子を用いた記憶装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１…ＧａＡｓ層、１５…ＡｌＡｓ層により形成された第１のエネルギー障壁層、１７…（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓより形成される量子井戸層、２１…ＡｌＡｓ層により形成される第２のエネルギー障壁層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carrier spin injection magnetoresistive effect element, and more particularly to a magnetoresistive effect element using a technique for improving the efficiency of spin injection magnetization reversal by a quantum size effect.
[0002]
[Prior art]
A magnetoresistive effect element has attracted attention as an element used for a mass storage medium in an advanced information society. In particular, a magnetic head using the magnetoresistive effect has been put to practical use because it can achieve high sensitivity and high density.
[0003]
Recently, research on magnetoresistive films in which ferromagnets and nonmagnetic metals are alternately laminated has become active. The magnetoresistive film realizes a ferromagnetic parallel magnetization state and an antiparallel magnetization state by an external magnetic field, and utilizes a difference in electrical resistance in the film stacking direction in both states. For example, as a magnetic sensor Expected. In addition, research on a magnetic random access memory (MRAM) using a magnetoresistive effect film as a main component of a nonvolatile memory cell has been actively conducted. As shown in FIG. 15, the MRAM 100 has, for example, a structure in which an insulating layer 105 is sandwiched between two ferromagnetic layers 101 and 103, and one ferromagnetic layer that can be changed by a magnetic field. Lamination resulting from whether the relationship of the magnetization state between 101 and the other ferromagnetic layer 103 that cannot be changed by a magnetic field is a parallel magnetization state (low resistance) or an antiparallel magnetization state (high resistance) It is a non-volatile memory which reads the difference of the electrical resistance regarding a direction as memory | storage information. Since the structure of the MRAM cell is simple, a large number of MRAMs 100 are arranged on a two-dimensional plane and wirings L1 and L2 are connected to the ferromagnetic layers 101 and 103, respectively, as shown in FIG. An apparatus can be realized.
[0004]
In addition, a technique for realizing magnetization reversal without using an induced magnetic field has been proposed. For example, a carrier spin injection magnetization reversal type magnetoresistive effect film that performs magnetization reversal by injecting carrier spins in the stacking direction has also been proposed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). In the above carrier spin injection magnetization reversal type magnetoresistive effect film, when spin-polarized carriers are electrically injected from the injection layer to the inversion layer, the torque caused by the carriers to the magnetization of the magnetic material exceeds a certain inversion current. Magnetization rotation of the magnetization switching film occurs.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
J. et al. C. Slonzewski, Journal of Magnetics and Magnetic Materials 159 (1996) L1-L7.
[Non-Patent Document 2]
L. Berger, Physical Review B, Vol. 54 No. 13, 9353 (1996).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a magnetoresistive film used for MRAM or the like needs to apply an induction magnetic field (external magnetic field) to a specific cell in order to realize either parallel magnetization or antiparallel magnetization of a ferromagnetic layer. There is. Therefore, there is a problem that it is necessary to build a magnetic field generator and power consumption is increased. In MRAM, the higher the density of a storage device, that is, the miniaturization of an element, the greater the influence of a leakage magnetic field on adjacent storage cells, and information is rewritten only on specific cells. It has the problem that it becomes difficult.
[0007]
On the other hand, the use of the carrier spin injection magnetization reversal magnetoresistive film can cope with the miniaturization of the element as compared with the case where a magnetic field is applied. ⁷ A / cm ² A large current is required. Moreover, since the intermediate layer is made of an insulator, it is difficult to realize the tunnel magnetoresistive element constituting the memory cell of the magnetic MRAM.
[0008]
The inventor previously proposed a technique that utilizes the fact that magnetization is rotated when spin-polarized carriers are injected according to an optical selection rule by circularly polarized light. This technique will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a conceptual configuration of an element using a spin-injection magnetization switching film according to the previous proposal, and is a diagram showing a configuration example of an element using a III-V group magnetic semiconductor. FIG. 2 is a schematic diagram showing a transition state between the conduction band and the valence band of the element shown in FIG. FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams illustrating the interaction between photogenerated spin-polarized holes and Mn.
[0009]
As shown in FIG. 1, the element using the spin transfer magnetization switching film according to the previous proposal has a structure in which, for example, a (Ga, Mn) As layer 3 is laminated on a GaAs layer 1. When this element is irradiated with circularly polarized light 5 in the stacking direction, an optical transition occurs as shown in FIG. In this case, the levels of heavy holes and light holes in the valence band are degenerated. As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), in the magnetic mixed crystal semiconductor (Ga, Mn) As, the photogenerated spin-polarized holes give a torque to the Mn magnetic moment by interaction with Mn, Causes magnetization rotation. The direction of magnetization of a magnetic semiconductor is determined by the direction of carrier (electron / hole) spin excited in the semiconductor, and the quantization axis is determined by the direction of incidence of circularly polarized light. The direction of the carrier (electron / hole) spin about the quantization axis depends on whether the circularly polarized light is directed rightward or leftward.
[0010]
Here, the phenomenon that occurs when the structure shown in FIG. 1 is actually irradiated with circularly polarized light will be described with reference to FIG. First, in the structure shown in FIG. ₁ (LH ₁ ) Is degenerate in terms of energy, and E in the conduction band. ₁ Circularly polarized light σ having a wavelength corresponding to the energy difference ΔE between ⁺ , Only an optical transition with angular momentum L = + 1 occurs. Heavy hole HH ₁ And light hole LH ₁ Both electrons present in and are excited to the conduction band and holes are generated in the valence band. HH ₁ An electron with an electron transition from the valence band to the conduction band of, produces a spin-down electron, and LH ₁ As a result of the transition from the valence band to the conduction band, electrons with upward spin are generated. At this time HH ₁ Transition probability from LH ₁ As a result, the spin polarization rate of photogenerated electrons in the conduction band is 50% downward. Since all spins are conserved before and after transition, there are photogenerated holes with a 50% upward polarization in the valence band. Circularly polarized light σ ⁻ , An optical transition of L = −1 occurs. Again, circularly polarized light σ ₊ The spin polarization rate of photogenerated electrons / holes is 50% by the same selection side as in the case of irradiating.
[0011]
That is, in the structure shown in FIG. ⁺ And σ ⁻ Even when the above are selectively irradiated, the spin directions of photogenerated carriers cannot be completely aligned. Carriers having different spin directions exert different directions of torque on the magnetization, which means that the magnetization reversal is not performed efficiently.
[0012]
An object of the present invention is to increase the efficiency of magnetization reversal in order to reduce the power required for magnetization reversal.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, the spin injection includes: providing a quantum magnetic semiconductor structure capable of quantum confinement of carriers; and irradiating the quantum magnetic semiconductor with elliptically polarized light A control method is provided. The quantum magnetic semiconductor structure has a magnetic semiconductor layer in which a magnetic metal is mixed in a semiconductor layer.
[0014]
In the above quantum magnetic semiconductor structure, the two levels of a heavy valence band and a light hole are split, for example, a wavelength corresponding to the energy difference between the heavy hole and the conduction band. By irradiating the elliptically polarized light, it is possible to selectively excite electrons present in heavy holes to the conduction band, improve the spin polarization rate of photogenerated carriers, and perform spin injection magnetization reversal. Can wake up efficiently.
[0015]
According to another aspect of the present invention, a magnetic semiconductor and an energy barrier for quantum mechanical confinement of the magnetic semiconductor, the degeneration of heavy holes and light hole states in the valence band of the magnetic semiconductor are solved. A quantum magnetic semiconductor microstructure having a semiconductor magnetic metal region is provided.
[0016]
In addition, an optical semiconductor device having a light source that selects an energy difference between quantum levels formed in a valence band and a conduction band in the semiconductor magnetic metal region and irradiates elliptically polarized light having energy corresponding thereto By using, it is possible to improve the spin polarization rate during irradiation with elliptically polarized light.
[0017]
A lower electrode; a fixed layer formed in the lower electrode and having a fixed orientation in magnetization; a first energy barrier layer formed in the fixed layer; and a magnetization inversion layer formed in the first energy barrier layer And a second energy barrier layer formed on the magnetization switching layer,
There is provided a quantum well spin-injection magnetization reversal magnetoresistive element having a transparent electrode formed on the second energy barrier layer.
[0018]
With the above structure, the degeneration between the hole levels in the magnetization switching layer can be solved, and electrons can be excited into the conduction band only from one level, and the spin polarization rate of the excited photogenerated carriers can be selected. Can be improved.
[0019]
Further, this quantum well spin-injection magnetization reversal magnetoresistive element, voltage detection means for detecting the voltage between the lower electrode and the transparent electrode, and energy for exciting the carriers of the magnetization reversal layer from the transparent electrode side And a light source capable of irradiating elliptically polarized light having a wavelength corresponding to the transition energy between the quantum levels formed in the conduction band and the valence band. In the non-volatile memory, carriers with a high spin polarization can be injected, so that spin injection magnetization reversal can be performed efficiently and the performance of the memory can be improved.
[0020]
Furthermore, a shutter that is provided on the elliptically polarized light irradiation side of the quantum well spin-injection magnetization switching magnetoresistive element and selectively irradiates the elliptically polarized light can be provided. For example, by circularly controlling the operation of the shutter, it is possible to irradiate only a specific element for which rewriting of stored information is desired with circularly polarized light.
[0021]
According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic semiconductor and an energy barrier that confines the magnetic semiconductor quantum mechanically, and degenerates heavy holes and light hole states in the valence band of the magnetic semiconductor. Light having a quantum magnetic semiconductor microstructure having a semiconductor magnetic metal region, a light receiving surface for receiving elliptically polarized light irradiated to the quantum magnetic semiconductor microstructure, and a measurement unit for measuring the potential of the magnetic semiconductor A sensor is provided.
[0022]
By using the sensor, for example, it is possible to sense the presence / absence or intensity of elliptically polarized light and the direction of elliptically polarized light.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inventor uses the fact that the spin polarization rate of the photogenerated carrier can be made almost 100% by forming quantum levels in the magnetic semiconductor layer by the quantum size effect, thereby effectively causing spin injection magnetization reversal. I came up with technology. As a result, it is possible to increase the efficiency of spin injection magnetization reversal and to reduce the power required for the magnetization reversal associated therewith. The principle of the quantum well spin-injection magnetization switching film according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram showing a structure example of the quantum well spin-injection magnetization switching film according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, the quantum well spin-injection magnetization switching film according to the present embodiment includes a first energy barrier layer 15 formed of, for example, an AlAs layer on the GaAs layer 11 and (Ga, Mn) As. It has a quantum well structure formed of a stacked structure including a formed quantum well layer 17 and a second energy barrier layer 21 formed of an AlAs layer. The first and second energy barrier layers 15 and 21 are made of Al. _x Ga _1-x An As layer (0 <x <1) may be used.
[0024]
FIG. 5 shows a schematic energy band structure related to the (Ga, Mn) As layer 17 forming the quantum well layer in the quantum well structure shown in FIG. As shown in FIG. 5, by confining carriers (holes) within a small size such that the quantum mechanical effect is noticeable, ₁ And LH ₁ Splitting the energy level with (energy difference = ΔE ₂ -ΔE ₃ ). HH ₁ And LH ₁ By using energy level splitting with ₁ -HH ₁ Energy (wavelength) ΔE ₂ HH among the hole levels in the valence band when irradiated with circularly polarized light having ₁ Only the conduction band E ₁ Can be selectively excited. At this time, LH ₁ Holes in have circularly polarized energy (wavelength) E ₁ -LH ₁ Different from the energy (wavelength) of (ΔE ₃ Therefore, LH ₁ Are not excited in the conduction band. Circularly polarized light is obtained by shifting the electric field vector of linearly polarized light by λ / 4 (λ is a wavelength) in the clockwise direction and the counterclockwise direction. For example, it can be obtained by a known technique such as passing linearly polarized laser light from a laser light source through a quarter-wave plate or passing an optical crystal to which an electric field such as a Pockel cell is applied.
[0025]
This phenomenon will be described more specifically. First, the valence band HH is compared with the structure shown in FIGS. ₁ And conduction band E ₁ Difference ΔE between ₂ Circularly polarized light with a wavelength corresponding to ⁺ , Only an optical transition with angular momentum L = + 1 occurs. HH ₁ Only the electrons inside are excited to the conduction band to generate heavy holes, and LH ₁ The electrons inside are not excited to the valence band. HH ₁ Only the transition from the valence band to the conduction band of the electrons inside occurs, so that the spin of photogenerated electrons in the conduction band is completely downward, and the spin polarization rate is 100%. At this time, all the spins are conserved, so that the photogenerated holes in the valence band are completely upward and the spin polarization rate is 100%. Valence band HH ₁ And conduction band E ₁ Difference ΔE between ₂ Circularly polarized light with a wavelength corresponding to ⁻ , An optical transition of L = −1 occurs. Again, circularly polarized light σ ⁺ As in the case of irradiation, the spin polarization of photogenerated carriers is 100%. That is, in the structure shown in FIG. 4 and FIG. ₁ -HH ₁ Σ of circularly polarized light selected for ⁺ And σ ⁻ , The spin directions of the electrons excited in the conduction band and the holes generated in the valence band can be perfectly aligned, and the photogenerated spin polarization degree is 100%. be able to. It is also possible to lengthen the relaxation time of photogenerated spin-polarized holes by strongly confining carriers in the quantum well, and this effect can be used to increase the magnitude of spin injection magnetization reversal. It is considered possible.
[0026]
Next, an experiment relating to the formation of quantum levels in the AlAs / GaMnAs / AlAs quantum well in the structure shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS. FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams showing the results of evaluating the characteristics regarding the AlAs / GaMnAs / AlAs quantum well used in the quantum well spin-injection magnetization switching film according to the present embodiment. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the photon energy and the reflected MCD (magnetic circular dichroism) when the well width of the GaMnAs quantum well structure is changed and irradiated with circularly polarized light, the measurement temperature is 7K, and the magnetic field It is a figure which shows the result measured on condition of H = 1.2T. The results are shown when the well width of GaMnAs is changed to 0.5 nm (AR4), 1.5 nm (AR3), 3 nm (AR2), 5 nm (AR1), and 10 nm (AR0). The arrows indicate E calculated for each well width. ₁ -HH ₁ Indicates the position of the transition. As shown in the figure, it can be seen that the peak of MCD shifts to the higher energy side as the quantum well width of GaMnAs is narrowed. As the quantum well width of GaMnAs becomes narrower, E ₁ -HH ₁ It is considered that the peak energy position of the MCD is also shifted to the higher energy side with the increase of the value (see FIG. 7B).
[0027]
FIG. 7A shows E obtained by theoretical calculation. ₁ -HH ₁ FIG. 7 is a diagram in which the relationship between the transition energy and the quantum well width obtained from the peak value of the MCD spectrum is plotted based on the curve of the value and the quantum well width and FIG. 6. As shown in FIG. 7A, the value obtained from the MCD spectrum is in good agreement with the curve based on the theoretical calculation value, and the quantum level is formed in the GaMnAs well layer in the AlAs / GaMnAs / AlAs quantum well structure. It was confirmed that
[0028]
Next, with reference to FIG. 8 to FIG. 10, an experimental result regarding optical spin injection magnetization reversal regarding the AlAs / GaMnAs / AlAs quantum well used in the spin injection magnetization reversal magnetoresistive element according to the present embodiment will be described. In addition, the experimental results when using bulk GaMnAs are shown correspondingly. 8 (a) and 8 (b) show 2.0 × 10 4 for an AlAs / GaMnAs / AlAs quantum well structure. ¹³ photon / cm ² It is a figure which shows the relationship between the delay time between the detection light with respect to Kerr rotation angle and excitation light at the time of irradiating / pulse circularly polarized light pulse. Σ having an energy of 1.61 eV at a measurement temperature of 30 K and a magnetic field of 0 T ⁺ Of circularly polarized light or σ ⁻ As shown in FIG. 8 (a), the time-resolved Kerr rotation shows a substantially target value in the positive and negative directions and approaches 0 as time passes. I understand that.
[0029]
Further, as shown in FIG. 8B, it can be seen that it has two components, a component that relaxes quickly and a component that slows. This is considered to be due to the presence of two components, a component having a fast relaxation related to spin relaxation of carriers and a component having a slow relaxation related to rotation of Mn. The magnetization change ΔM of the slow component at 0 ps is 13 mdeg.
[0030]
On the other hand, FIGS. 9A and 9B shown as comparative examples show 1.5 × 10 5 for the GaMnAs bulk structure. ¹² photon / cm ² It is a figure which shows the relationship between Kerr rotation angle and delay time at the time of irradiating the / pulse circularly-polarized-light pulse. Σ having an energy of 1.58 eV at a measurement temperature of 20 K and a magnetic field of 0 T ⁺ Of circularly polarized light or σ ⁻ As in FIG. 8 (a), the time-resolved Kerr rotation shows almost the target value in the positive and negative directions and approaches 0 with the passage of time (relaxation). I understand.)
[0031]
Comparing FIG. 8 (b) and FIG. 9 (b), ΔM, which is slower relaxation, which is a value related to the rotation of Mn, is larger in the quantum well structure, and at the moment of light irradiation (0 ps) It can be seen that the well structure is 13 mdeg and the GaMnAs bulk structure is 2 mdeg.
[0032]
Based on this result, FIG. 10 shows a summary of the characteristics in the case of using each of the bulk (single layer film) and the quantum well as the spin magnetization switching film. As shown in FIG. 10, in the GaMnAs layer in the case of bulk (x = 0.011), 7.0 × 10 ¹⁵ photon / cm ³ / Pulse (1.5 × 10 ¹² photon / cm ² / Pulse) of about 0.5% of saturation magnetization (10 ¹⁸ cm ^-3 ) (ΔM = 2 mdeg, M _s = 400 mdeg. ) Rotates. Therefore, about 170 Mn is rotated per photon. In addition, the influence which the difference of measurement temperature has on an experimental result is small.
[0033]
On the other hand, in the quantum well (x = 0.056) structure, 1.7 × 10 ¹⁷ photon / cm ³ / Pulse (2.0 × 10 ¹³ photon / cm ² / Pulse) of about 52% of saturation magnetization (10 ²¹ cm ^-3 ) (ΔM = 13 mdeg, M _s = 25 mdeg. ) Rotates. Therefore, about 3600 Mn rotates per photon.
[0034]
From the above results, it can be seen that the use of the quantum well structure increases the spin polarization rate of the photogenerated holes and increases the change in magnetization. In addition, the lifetime of hole spin can be expected to be longer. The lifetime of hole spin is considered to depend on the strength of carrier confinement in the quantum well. Therefore, when the relaxation time of the photogenerated hole spin is extended, it is expected that the holes can sufficiently interact with Mn and the magnetization change becomes larger. In another aspect, for example, by reducing the quantum well width or increasing the barrier height of the quantum well structure, the relaxation time of the hole spin can be lengthened and the irradiation of circularly polarized light is stopped. The storage time for later information can be lengthened. In this case, it is suitable for application as a nonvolatile memory element. On the other hand, for example, by increasing the width of the quantum well or lowering the barrier height of the quantum well structure, the relaxation time of the hole spin can be shortened, depending on irradiation of circularly polarized light and its stoppage. Since it responds quickly, it is suitable for use as an optical switch or optical sensor. Further, since the direction of circularly polarized light can be known with high sensitivity by measuring Kerr rotation, it is also suitable as a sensor for measuring Kerr rotation.
[0035]
Next, an actual manufacturing method of the element according to the present embodiment will be described. As a material that can be used for the quantum well layer, there is a compound semiconductor quantum well, and a transition metal (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) is highly concentrated in the well layer, for example, in the order of%. An added compound semiconductor quantum well layer can be used. For example, a group III-V compound semiconductor structure such as a GaMnAs / AlGaAs heterostructure, an InGaMnAs / InAlAs heterostructure, an InMnSb / InAs heterostructure, an InGaMnN / GaN, a GaMnN / AlN heterostructure, or an II-type such as ZnCrTe / ZnTe A Group VI compound semiconductor structure can be used.
[0036]
The element can be produced, for example, by molecular beam epitaxy (MBE). In addition, it can be formed by metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD), sputtering, or vacuum deposition.
[0037]
Hereinafter, an example of a specific element manufacturing process of the quantum well spin injection magnetization switching film will be described. First, a GaAs buffer layer is deposited on a GaAs substrate at 580 ° C., and then about 10 nm thick Ga _1-y Al _y An As (0 <y <1) layer (first barrier layer) is formed at 240 ° C. Next, Ga with a thickness of 5 nm _1-x Mn _x An As layer (0 <x <1, quantum well layer) is formed at 240 ° C. and Ga is about 10 nm thick. _1-y Al _y An As (0 <y <1) layer (second barrier layer) is formed at 240 ° C. Finally, a GaAs layer (protective layer) having a thickness of about 10 nm is formed at 240 ° C.
[0038]
Next, a magnetoresistive element using a quantum well spin-injection magnetization switching film will be described with reference to FIGS. The magnetoresistive effect element shown in FIG. ⁺ -GaAs layer 31, p-GaAs lower electrode layer 33, Ga _1-x Mn _x As (0 <x <1) fixed layer 35, Ga _1-z Al _z As (0 ≦ z ≦ 1) second barrier layer 37 and (In _1-y Ga _y ) _1-x Mn _x As (0 <x <1, 0 <y <1) magnetization switching layer 39, Ga _1-z Al _z As (0 ≦ z ≦ 1) has a laminated structure of a first barrier layer 41 and a transparent electrode layer 45. Ga _1-x Mn _x The magnetization direction of the As fixed layer 35 is fixed, while it is a quantum well layer (In _1-y Ga _y ) _1-x Mn _x As (0 <x <1, 0 <y <1) The magnetization switching layer 39 is a free layer, and the direction of magnetization can be changed by applying circularly polarized light. In the above structure, the voltage generated between the lower electrode 31 and the transparent electrode 45 can be measured. In this case, the carrier density p = 10 using a vapor deposition apparatus or the like. ¹⁹ cm ^-3 A p-type GaAs layer doped to some extent is formed by molecular beam epitaxy at 580 ° C., and an upper transparent electrode is formed thereon by an Au thin film or an ITO film.
[0039]
As shown in FIG. 12A, in the state where the structure shown in FIG. 11 is not irradiated with circularly polarized light, the magnetization direction (direction indicated by the arrow) of the magnetization switching layer 39 maintains the previous state. In FIG. 12A, the magnetization direction of the fixed layer 35 and the magnetization switching layer 39 is the same (parallel magnetization), and the resistance in the stacking direction is low. As shown in FIG. 12B, when the right-handed circularly polarized light is irradiated in the stacking direction, the magnetization once rises perpendicular to the film surface, and this generates a demagnetizing field in the opposite direction to the magnetization. By receiving the rotating torque and irradiating the circularly polarized light, the magnetization directions of the fixed layer 35 and the magnetization switching layer 39 are different (antiparallel magnetization), and the antiparallel magnetization state is maintained even in the absence of circularly polarized light, and the stacking direction The resistance remains low. That is, information is stored in a nonvolatile manner. As shown in FIG. 12C, when the circularly polarized light is irradiated in the stacking direction, the magnetization directions of the fixed layer 35 and the magnetization switching layer 39 are the same, and the parallel magnetization is maintained even in the absence of the circularly polarized light. Therefore, the state where the resistance value is low is kept non-volatile.
[0040]
In the above nonvolatile memory element, it is not necessary to distinguish between right and left circularly polarized light in order to realize parallel / antiparallel of two magnetic layers. That is, when circularly polarized light is applied, the magnetization rises in a direction perpendicular to the surface, and the force for reversing the magnetization in the surface at this time is a torque due to the demagnetizing field generated by the standing magnetization. The difference between right and left circularly polarized light only gives the difference between clockwise and counterclockwise rotation within the film surface, so if either + or-circularly polarized light is applied alternately, magnetization will occur within the film surface. Is reversed. Note that + and − of the circularly polarized light emitting element can be controlled by a magnetic field (magnetization direction).
[0041]
When the nonvolatile memory element is applied to an actual memory device, for example, first, the magnetization state (parallel magnetization or antiparallel magnetization) of the nonvolatile memory element according to the present embodiment to be rewritten is read. When the storage information different from the storage information to be rewritten is stored, the non-volatile storage element may be irradiated with circularly polarized light. If the same storage information as the storage information to be actually rewritten is stored, the subsequent processing is not particularly necessary.
[0042]
In each of the above embodiments, for example, when a large number of nonvolatile memory elements according to the embodiment of the present invention are formed on a two-dimensional plane, only a desired memory element is selectively irradiated with circularly polarized light. As a method for rewriting stored information, a light emitting element having (In, Ga, Mn) As having a smaller In composition than a magnetization switching layer as a light emitting layer is formed on the memory element structure as a light emitting element for irradiating circularly polarized light. To do. At this time, the band gap of the light emitting layer and the quantum level E of the magnetization switching layer ₁ -HH ₁ If the In composition of the light emitting layer and the magnetization switching layer is determined so that the transition energy between them is the same, circularly polarized light can be irradiated. Right and left circularly polarized light emission of the circularly polarized light emitting element can be controlled by a magnetic field (magnetization direction). In addition, by creating a storage element and arranging a λ / 4 plate directly below the device capable of controlling the polarization plane of transmitted linearly polarized light by switching the liquid crystal device, for example, the stored information can be rewritten individually. It may be configured. Further, when it is necessary to adjust the direction of circularly polarized light, it can be adjusted by the polarization plane of linearly polarized light and the λ / 4 plate. Furthermore, it is also possible to perform writing by irradiating each piece of circularly polarized light individually by scanning the optical fiber probe on the two-dimensionally arranged non-volatile storage element using a near-field microscope. .
[0043]
The magnetoresistive effect element shown in FIG. ⁺ -GaAs layer 71, p- (In, Ga) As lower electrode layer 73, Ga _1-z Al _z As (0 ≦ z ≦ 1) second barrier layer 75 and (In _1-y Ga _y ) _1-x Mn _x As (0 <x <1, 0 <y <1) magnetization switching layer 77, Ga _1-z Al _z As (0 ≦ z ≦ 1) first barrier layer 81, Ga _1-x Mn _x It has a laminated structure of As (0 <x <1) fixed layer 83 and transparent electrode layer 85. In this structure, the magnetic anisotropy of the magnetic layer is controlled by lattice distortion. (In _1-y Ga _y ) _1-x Mn _x The As magnetization reversal layer 77 is not strained and has an easy axis in the plane due to the demagnetizing field effect. _1-x Mn _x The As pinned layer 83 is subjected to tensile strain, and a structure having an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the surface can be realized. Ga _1-x Mn _x The magnetization direction of the As fixed layer 83 is fixed, while (In _1-y Ga _y ) _1-x Mn _x The As magnetization switching layer 77 is a free layer, and the direction of magnetization can be changed by irradiating circularly polarized light. The voltage generated between the lower electrode and the transparent electrode can be measured.
[0044]
As shown in FIG. 14A, in a state where circularly polarized light is not irradiated, the magnetization direction of the fixed layer 83 (the direction indicated by the arrow) is upward, and the magnetization direction of the magnetization switching layer 77 is in the plane of the film. Facing the direction. As shown in FIG. 14B, when the right-handed circularly polarized light is irradiated in the stacking direction, the magnetization directions of the fixed layer 83 and the magnetization switching layer 77 are both aligned upward, and the resistance value during irradiation is shown in FIG. It becomes lower than the case shown in a). As shown in FIG. 14C, when left circularly polarized light is irradiated in the stacking direction, the magnetization directions of the fixed layer 83 and the magnetization switching layer 77 are opposite to each other, and the resistance value during irradiation is shown in FIG. Higher than the case. In either case of FIG. 14B or FIG. 14C, when the irradiation of the circularly polarized light is stopped, as shown in FIG. 14D, a state (83, 77) substantially similar to FIG. 14A is obtained. Return. That is, in the structure described above, the resistance value in the stacking direction can be changed depending on the direction of the circularly polarized light to be irradiated, and the element can be used as an optical switch that can change the resistance value depending on the direction of the circularly polarized light. can do. Since the resistance value takes a ternary state, it can be applied to a multi-value logic circuit. In addition, it can be used as an optical sensor capable of sensing circularly polarized light by sensing a resistance value.
[0045]
As described above, in the spin magnetization inversion type magnetoresistive element using the quantum size effect according to the present embodiment, HH and LH are split to selectively excite electrons from HH to the conduction band. Thus, it has been found that the spin injection magnetization reversal can be made more efficient by utilizing the fact that the spin polarization rate can be almost 100%. Thereby, the electric power required for magnetization reversal can be reduced.
[0046]
As described above, the present invention has been described according to the embodiment. However, the present invention relates to a magnetization reversal method of a magnetic material, and is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, and combinations can be made. For example, in the above-described embodiment, the case where the element is irradiated with circularly polarized light has been described as an example. However, elliptically polarized light (actually including circularly polarized light) may be irradiated.
[0047]
【The invention's effect】
In the spin-injection magnetization reversal magnetoresistive element using the quantum size effect according to the present invention, spin polarization is achieved by splitting HH and LH and selectively causing excitation of electrons from HH to the conduction band. Utilizing the fact that the rate can be almost 100%, the efficiency of spin injection magnetization reversal can be improved. Thereby, the electric power required for magnetization reversal can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a conceptual configuration of an element using a spin-injection magnetization switching film according to a previous proposal, showing an example of a configuration of an element using a group III-V magnetic mixed crystal semiconductor (magnetic semiconductor). FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a transition state between a conduction band and a valence band of the element shown in FIG. 1;
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the interaction between photogenerated spin-polarized holes and Mn. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a structure example of a quantum well spin-injection magnetization switching film according to the first embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a schematic energy band structure related to a (Ga, Mn) As layer 17 forming a quantum well layer in the quantum well structure shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between photon energy and reflected MCD (deg) when the well width of a GaMnAs quantum well structure is changed and circularly polarized light is irradiated.
FIG. 7 shows E obtained by theoretical calculation. ₁ -HH ₁ FIG. 7 is a diagram in which the relationship between the transition energy and the quantum well width obtained from the peak value of the MCD spectrum is plotted based on the curve of the value and the quantum well width and FIG. 6.
8 (a) and 8 (b) show 2.0 × 10 5 for an AlAs / GaMnAs / AlAs quantum well structure. ¹³ photon / cm ² It is a figure which shows the relationship with the delay time of a Kerr rotation angle at the time of irradiating the / pulse circularly-polarized-light pulse.
9 (a) and 9 (b) show 1.5 × 10 5 for the GaMnAs bulk structure. ¹² photon / cm ² It is a figure which shows the relationship between a Kerr rotation angle and its delay time at the time of irradiating the / pulse circularly polarized light pulse.
FIG. 10 shows a summary of characteristics when a bulk (single layer film) and a quantum well are each used as a spin-injection magnetization switching film.
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a magnetoresistive element using a quantum well spin-injection magnetization switching film.
12 is a diagram showing the movement of the magnetization reversal layer when the element shown in FIG. 11 is irradiated with circularly polarized light. FIG.
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a magnetoresistive element using strain.
14 is a diagram showing a state in which circularly polarized light is irradiated to the magnetoresistive element shown in FIG.
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a TMR element.
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a storage device using a TMR element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... GaAs layer, 15 ... 1st energy barrier layer formed of AlAs layer, 17 ... Quantum well layer formed of (Ga, Mn) As, 21 ... 2nd energy barrier layer formed of AlAs layer .

Claims

Providing a semiconductor magnetic region having a quantum magnetic semiconductor structure capable of quantum confinement of carriers, wherein a degenerate state of heavy holes and light hole states in the valence band of the quantum magnetic semiconductor is resolved;
And irradiating the quantum magnetic semiconductor with elliptically polarized light.

2. The spin injection magnetization control method according to claim 1, wherein the quantum magnetic semiconductor structure has a magnetic semiconductor layer in which a magnetic metal is mixed in a semiconductor layer.

Quantum magnetic semiconductor comprising: a magnetic semiconductor; and an energy barrier for quantum mechanical confinement of the magnetic semiconductor, wherein the magnetic semiconductor has a heavy hole in a valence band and a semiconductor magnetic region in which a light hole state is degenerated. Fine structure.

The quantum magnetic semiconductor microstructure according to claim 3,
An optical semiconductor device comprising: a light source that selects an energy difference between quantum levels formed in a valence band and a conduction band in the semiconductor magnetic region and irradiates elliptically polarized light having energy corresponding to the energy level.

A lower electrode;
A fixed layer formed on the lower electrode and fixed in the direction of magnetization;
A first energy barrier layer formed on the fixed layer;
A magnetization switching layer formed on the first energy barrier layer;
A second energy barrier layer formed on the magnetization switching layer;
A quantum well spin injection magnetization reversal magnetoresistive element having a transparent electrode formed on the second energy barrier layer.

The quantum well spin-injection magnetization reversal magnetoresistance element according to claim 5,
Voltage detection means for detecting a voltage between the lower electrode and the transparent electrode;
A light source capable of irradiating an elliptically polarized light having a wavelength corresponding to a transition energy between a conduction band and a quantum level formed in a valence band of the energy for exciting the carriers of the magnetization switching layer from the transparent electrode side Non-volatile memory device.

The nonvolatile memory device according to claim 6, further comprising a shutter that is provided on the elliptically polarized light irradiation side of the quantum well spin-injection magnetization switching magnetoresistive element and selectively irradiates the elliptically polarized light.

A magnetic semiconductor and an energy barrier for quantum mechanical confinement of the magnetic semiconductor, wherein the magnetic semiconductor has a quantum magnetic semiconductor microstructure in which degeneracy of heavy holes and light hole states in the valence band is resolved;
A light receiving surface for receiving elliptically polarized light irradiated to the quantum magnetic semiconductor microstructure;
An optical sensor having a measurement unit for measuring the potential of the magnetic semiconductor.