JP2007088068A - 磁気素子及びこれを用いた磁気信号処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 磁気素子は、チャネル層(O)と、このチャネル層に接し、互いに接しない第1及び第2の磁性電極(A,B)と、第1の磁性電極に隣接して設けられ、第1の絶縁層を有する第1の介在層(P)と、この第1の介在層の第1の磁性電極に接する面とは反対の面に接して設けられ、第1の磁性電極に磁化転写するための第1の磁性層(C)と、第1及び第2の磁性電極にそれぞれ接続された第1及び第2の電極(H,J)とを具備し、第1及び第2の電極の少なくとも1つは第1及び第2の磁性電極の磁化配置によって変化する第1の信号を出力する。
【選択図】 図1
Description
S. Sugawara and M. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 84, 2307 (2004) T. Matsuno, S. Sugawara, and M. Tanaka, Jpn. J. APPL. Phys. (2004) A. Ney, et al., Nature, 25 (2004) 485
図1は、本発明の例の磁気素子の概要を説明するための模式図を示す。図2Aは、本発明の例(タイプ1)の磁気素子の概要を説明するための模式図を示す。図2Bは、本発明の例(タイプ2)の磁気素子の概要を説明するための模式図を示す。以下に、本発明の例の磁気素子の概要について説明する。
磁性電極Aと磁性電極Bの磁化配置により出力信号を変化させるためには、よく知られている3つの方式、すなわち、[2−1]TMR型、[2−2]スピン蓄積型、[2−3]ゲート駆動(FET)型を用いればよい。
図4(a)及び(b)は、本発明の例によるTMR型の磁気素子の概略的な模式図を示す。以下に、本発明の例によるTMR型の磁気素子の概要について説明する。
図5A(a)及び(b)は、本発明の例によるスピン蓄積型の1つの出力電極を有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図5B(a)及び(b)は、本発明の例によるスピン蓄積型の2つの出力電極を有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図6A(a)及び(b)は、本発明の例によるスピン蓄積型の1つの出力電極と化合物層とを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図6B(a)及び(b)は、本発明の例によるスピン蓄積型の2つの出力電極と化合物層とを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。以下に、本発明の例によるスピン蓄積型の磁気素子の概要について説明する。
図7A(a)及び(b)は、本発明の例によるゲート駆動型の半導体層のチャネルを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図7B(a)及び(b)は、本発明の例によるゲート駆動型の絶縁体と伝導体が組み合わさったチャネルを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。以下に、本発明の例によるゲート駆動型の磁気素子の概要について説明する。
[3−1]磁性電極Aと磁性層C間の磁気カップリング方式
本発明の例(タイプ1)の磁気素子においては、磁性電極A及び磁性層C間の磁気結合を利用して、磁性電極Aの磁化の向きを所望方向へ制御する。この磁気結合として、例えば次の4通りの方式を採用する。
図8は、本発明の例に係る強磁性絶縁体からなる介在層Pを用いた直接交換結合方式による磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による直接交換結合方式について説明する。
図9は、本発明の例に係る絶縁性非磁性体からなる介在層Pを用いた層間交換結合方式による磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による層間交換結合方式について説明する。
図10は、本発明の例に係る絶縁性非磁性体からなる介在層Pを用いた静磁結合方式による磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による静磁結合方式について説明する。
図11Aは、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子の模式図を示す。図11B(a)及び(b)は、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子1の模式図を示す。図11C(a)及び(b)は、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子2の模式図を示す。以下に、本発明の例による高周波を介した歳差運動方式について説明する。
本発明の例(タイプ2)の磁気素子においては、磁性電極A及び磁性層C間に印加する電圧を制御することで、磁性電極Aの磁化の向きを所望方向へ制御する。
本発明の例(タイプ1)による磁性層Cの磁化反転方式は、例えば、[4−1]スピン注入磁化反転方式、[4−2]電圧制御磁性方式の2通りある。
図13(a)乃至(c)は、本発明の例によるスピン注入磁化反転方式の磁気素子を説明するための図を示す。以下に、本発明の例によるスピン注入磁化反転方式について説明する。
図14(a)乃至(d)は、本発明の例による電圧制御磁性方式の磁気素子を説明するための図を示す。以下に、本発明の例による電圧制御磁性方式について説明する。
第1の実施形態は、タイプ1のTMR型の磁気素子の例である。
図15A乃至図15Hは、本発明の第1の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第1の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第1の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図15Aの構造の場合の動作について説明する。
次に、磁気素子を構成する各要素(主に材料)について詳述する。
磁性電極A,B及び磁性層Cの材料としては、例えば、「鉄(Fe)単体」、「コバルト(Co)単体」、「ニッケル(Ni)単体」、「鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるNiFe系合金」、「CoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTaZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金などの軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、CrO2、Fe3O4、La1―XSrXMnO3などのハーフメタル磁性体酸化物(又はハーフメタル磁性体窒化物)」のいずれかを用いることができる。
磁性層Dや磁性電極Bを磁性固着する場合には、反強磁性層Sを直接接して設けることで、固定力を増すことができる。この場合の反強磁性層Sの材料としては、鉄マンガン(FeMn)、白金マンガン(PtMn)、パラジウム・マンガン(PdMn)、パラジウム白金マンガン(PdPtMn)などを用いることが望ましい。
図12Aに示したスピン注入磁化反転方式で磁性層Cの磁化を制御する場合には、介在層Rとしては、低抵抗材料が望ましい。この低抵抗材料としては、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、又はこれら銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)のいずれか一種以上を含む合金などがあげられる。介在層Rの厚さは、例えば1nm乃至60nm程度であれば、磁化反転の効果を得ることができる。
第1の実施形態の場合、チャネル層Oには、非磁性のトンネルバリアとなる材料を用いると高い出力を得ることができる。このようなトンネルバリア層TBの材料としては、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、及び鉄(Fe)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物(例えば、アルミナ(Al2O3−X)、酸化マグネシウム(MgO)、SiO2、Si−O−N、Ta−O、Al−Zr−O等)又は窒化物、フッ化物からなる絶縁体、GaAlAsなどのギャップが大きな半導体をあげることができる。また、前記絶縁体にピンホールが形成され、そのピンホールに磁性層が進入したナノコンタクトMR材料や、そのピンホールにCuが侵入したCCP(Current-Perpendicular-to-Plane)−CCP−MR(Magneto-Resistance effect)材料を用いることによっても、大きな再生出力を得ることができる。トンネルバリア層TBの厚さは、例えば0.2nm乃至2nmとすることが、信号再生上は望ましい。後者のナノコンタクトMR及びCCP−CPP−MRの場合、そのトンネルバリア層TBの厚さは例えば0.4nm乃至40nmの範囲内であることが望ましい。
絶縁層INには、磁性電極Aと磁性層Cの磁気結合の方式に応じて、磁性絶縁層又は非磁性絶縁層を用いることができる。
電極H,J,K,Lの材料は、それが接続している磁性電極又は磁性層と同じ材料でも異なる材料でもよい。同じ材料を用いる場合には、電極形成が容易となる利点がある。一方、異なる材料を用いる場合には、低抵抗の金属材料からなることが好ましい。例えば、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、又はこれら銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。
第2の実施形態は、タイプ1のスピン蓄積型の磁気素子の例である。この第2の実施形態では、磁性電極A,B間の出力信号を得る手段として、スピン蓄積効果による電圧発生を用いている。
図16A乃至図16Dは、本発明の第2の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第2の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第2の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図16Aの構造の場合の動作について説明する。
次に、素子を構成する各要素(主に材料)について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第1の実施形態と同様である。
第2の実施形態に係るチャネル層Oは、導電性の高い金属層を用いることが望ましい。具体的には、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、又はこれら銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。尚、このチャネル層Oに接した磁性電極A,B間の距離は、金属中のスピン拡散の長さより短いことが望ましい。
電極I1,I2の材料は、この電極I1,I2が接続しているチャネル層Oと同じ材料でも異なる材料でもよい。同じ材料を用いる場合には、電極形成が容易となる利点がある。一方、異なる材料を用いる場合には、低抵抗の金属材料からなることが好ましい。例えば、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、又はこれら銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。
第3の実施形態は、第2の実施形態と同様に、タイプ1のスピン蓄積型の磁気素子の例である。さらに、第3の実施形態では、化合物層を設けている。
図17A乃至図17Dは、本発明の第3の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第3の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第3の実施形態に係る磁気素子の動作は、上記第2の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
次に、素子を構成する各要素(主に材料)について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第1及び第2の実施形態と同様である。
化合物層Qの材料としては,アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、及び鉄(Fe)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物(例えば、アルミナ(Al2O3−X)、酸化マグネシウム(MgO)、SiO2、Si−O−N、Ta−O、Al−Zr−O等)又は窒化物、フッ化物からなる材料を用いることができる。
第4の実施形態は、タイプ1のゲート駆動型の磁気素子の例である。
図18A乃至図18Dは、本発明の第4の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第4の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第4の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図18Aの構造の場合の動作について説明する。尚、本実施形態では、ゲート電極Gへの入力と電極L,K間への入力の2系統の入力系統を用いることができる。
次に、素子を構成する各要素(主に材料)について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第1の実施形態と同様である。
チャネル層Oの材料としては、例えばシリコン(Si)等の通常の半導体を用いる。
ゲート電極Gの材料としては、導電性材料を用いることができ、ポリシリコン,ニッケルシリサイド等の金属シリサイド等を用いることができる。
第5の実施形態は、タイプ2のTMR型の磁気素子の例である。
図19A乃至図19Eは、本発明の第5の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第5の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第5の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図19Aの構造の場合の動作について説明する。
次に、磁気素子を構成する各要素(主に材料)について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第1の実施形態と同様である。
非磁性層NMの材料としては、非磁性絶縁層からなる場合と、非磁性絶縁層と非磁性金属層の積層膜からなる場合とがある。
第6の実施形態は、タイプ2のスピン蓄積型の磁気素子の例である。この第6の実施形態では、磁性電極A,B間の出力信号を得る手段として、スピン蓄積効果による電圧発生を用いている。
図20A乃至図20Cは、本発明の第6の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第6の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第6の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図20Aの構造の場合の動作について説明する。
第6の実施形態に係る磁気素子を構成する各要素(主に材料)は、上述した第1及び第2の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
次に、図20Dを用いて、第6の実施形態に係る磁気素子の製造方法例について説明する。
第7の実施形態は、第6の実施形態と同様に、タイプ2のスピン蓄積型の磁気素子の例である。さらに、第7の実施形態では、化合物層を設けている。
図21A乃至図21Eは、本発明の第7の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第7の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第7の実施形態に係る磁気素子の動作は、上記第6の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
第7の実施形態に係る磁気素子を構成する各要素(主に材料)は、上述した第1乃至第3の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
第8の実施形態は、タイプ2のゲート駆動型の磁気素子の例である。
図22A乃至図22Dは、本発明の第8の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第8の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
本発明の第8の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図22Aの構造の場合の動作について説明する。尚、本実施形態では、ゲート電極Gへの入力と電極L,K間への入力の2系統の入力系統を用いることができる。
第8の実施形態に係る磁気素子を構成する各要素(主に材料)は、上述した第1及び第4の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
第9の実施形態は、複数の磁気素子からなる演算処理用の磁気信号処理装置の例である。
第10の実施形態は、TMR型磁気素子を用いて、排他的論理和、排他的論理和の反転論理を実行する例である。
第11の実施形態は、第10の実施形態に類似したTMR型を用いて、1入力に対して否定(NOT)と肯定の演算処理を行う例である。
第12の実施形態は、スピン蓄積型磁気素子を用いて、排他的論理和、排他的論理和の反転論理を実行する例である。
Claims (20)
- チャネル層と、
前記チャネル層に接し、互いに接しない第1及び第2の磁性電極と、
前記第1の磁性電極に隣接して設けられ、第1の絶縁層を有する第1の介在層と、
前記第1の介在層の前記第1の磁性電極に接する面とは反対の面に接して設けられ、前記第1の磁性電極に磁化転写するための第1の磁性層と、
前記第1及び第2の磁性電極にそれぞれ接続された第1及び第2の電極と
を具備し、
前記第1及び第2の電極の少なくとも1つは前記第1及び第2の磁性電極の磁化配置によって変化する第1の信号を出力することを特徴とする磁気素子。 - 前記第1の磁性層の前記第1の介在層とは異なる面に接して設けられた第2の介在層と、
前記第2の介在層の前記第1の磁性層に接する面とは反対の面に接して設けられた第2の磁性層と、
前記第1及び第2の磁性層にそれぞれ接続され、前記第1の磁性層の磁化方向を制御する第2の信号を供給する第3及び第4の電極と
をさらに具備し、
前記第1の介在層を介した前記第1の磁性電極及び前記第1の磁性層間に働く磁気結合により、前記第1の磁性層の前記磁化方向を前記第1の磁性電極の磁化方向に転写することを特徴とする請求項1に記載の磁気素子。 - 前記第2の信号は前記第1及び第2の磁性層のいずれかに注入されたスピン偏極した電子により供給され、
前記スピン偏極した電子を注入する方向によって前記第1の磁性層の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項2に記載の磁気素子。 - 前記第2の信号は前記第1及び第2の磁性層間に印加する電圧により供給され、
前記電圧の大きさによって前記第1及び第2の磁性層間の磁気結合を変化させることで、前記第1の磁性層の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項2に記載の磁気素子。 - 前記第1の介在層は絶縁性磁性体からなり、前記第1の磁性層の前記磁化方向を前記第1の磁性電極の前記磁化方向へ平行に転写することを特徴とする請求項2に記載の磁気素子。
- 前記第1の介在層は絶縁性非磁性体からなり、前記第1の磁性層の前記磁化方向を前記第1の磁性電極の前記磁化方向へ平行又は反平行に転写することを特徴とする請求項2に記載の磁気素子。
- 前記第1の介在層は絶縁性非磁性体からなり、前記第1の磁性層の前記磁化方向を前記第1の磁性電極の前記磁化方向へ反平行に転写することを特徴とする請求項2に記載の磁気素子。
- 前記第1の磁性層の磁化を歳差運動させることで前記第1の磁性層から高周波を発生させ、この高周波により前記第1の磁性電極の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項2に記載の磁気素子。
- 前記第1の磁性層に接続された第3の電極をさらに具備し、
前記第1及び第3の電極間に第2の信号を供給し、前記第1の磁性電極の磁化方向を制御することを特徴とする請求項1に記載の磁気素子。 - 前記第2の信号は前記第1の磁性電極及び前記第1の磁性層間に印加する電圧により供給され、
前記電圧の大きさによって前記第1の磁性電極及び前記第1の磁性層間の磁気結合を変化させることで、前記第1の磁性電極の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項9に記載の磁気素子。 - 前記チャネル層はトンネルバリア層であり、
前記第1及び第2の磁性電極の前記磁化配置により、前記第1の信号となるトンネル電流又は電圧が変化することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記チャネル層は金属層であり、
前記チャネル層に接続された第5の電極をさらに具備し、
前記第1の磁性電極及び前記第5の電極間に電流又は電圧を供給することにより前記第2の磁性電極及び前記チャネル層間に前記第1の磁性電極と前記第2磁性電極の磁化配置に応じて発生する電圧又は電流を検出することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記第2の磁性電極と前記チャネル層間に設けられ、酸素、窒素、フッ素のいずれか一種類以上を含む化合物層をさらに具備することを特徴とする請求項12に記載の磁気素子。
- 前記第5の電極は、第1の電極部と第2の電極部とを有し、
前記第1の電極部は、前記第1の磁性電極及び前記第5の電極間に電流又は電圧を供給するときに用いられ、
前記第2の電極部は、前記第2の磁性電極及び前記チャネル層間に前記第1の磁性電極と前記第2磁性電極の磁化配置に応じて発生する電圧又は電流を検出するときに用いられることを特徴とする請求項12乃至13のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記チャネル層は半導体層であり、この半導体層上に第2の絶縁層を介して設けられたゲート電極をさらに具備し、又は、
前記チャネル層は第3の絶縁層中に導電部が設けられた層であり、前記第3の絶縁層上に設けられたゲート電極をさらに具備する
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記第1の磁性電極は、室温で磁化揺らぎを示す磁性体又は磁性半導体からなることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の磁気素子。
- 前記請求項1乃至16のいずれか1項に記載の磁気素子からなる第1及び第2の磁気素子を具備し、
前記第1の磁気素子から出力する前記第1の信号を、前記第2の磁気素子の前記第1の磁性層へ入力することを特徴とする磁気信号処理装置。 - 前記請求項1乃至16のいずれか1項に記載の磁気素子を具備し、
前記磁気素子は、
前記第2の磁性電極に磁化転写するための第3の磁性層と、
前記第3の磁性層と前記第2の磁性電極との間に設けられ、第4の絶縁層を含む第3の介在層と
をさらに具備し、
前記第3の介在層を介した前記第2の磁性電極及び前記第3の磁性層間に働く磁気結合により、前記第3の磁性層の磁化方向を前記第2の磁性電極の磁化方向に転写することを特徴とする磁気信号処理装置。 - 前記請求項18に記載の磁気素子を具備し、
前記第1の磁性層に1又は0の第1の入力信号を入力し、かつ、前記第3の磁性層に0又は1の第2の入力信号を入力することで、排他的論理和又は排他的論理和の反転論理の演算処理を実行し、この実行結果を前記第1の信号として出力することを特徴とする磁気信号処理装置。 - 前記請求項1乃至16のいずれか1項に記載の磁気素子を具備し、
前記第1の磁性層に1又は0の入力信号を入力することで、否定又は肯定の演算処理を実行し、この実行結果を前記第1の信号として出力することを特徴とする磁気信号処理装置。
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