JP2008004654A - Magnetoresistive element - Google Patents
Magnetoresistive element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008004654A JP2008004654A JP2006170858A JP2006170858A JP2008004654A JP 2008004654 A JP2008004654 A JP 2008004654A JP 2006170858 A JP2006170858 A JP 2006170858A JP 2006170858 A JP2006170858 A JP 2006170858A JP 2008004654 A JP2008004654 A JP 2008004654A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- ferromagnetic
- tunnel barrier
- magnetoresistive element
- type semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、磁気を用いた情報の記録等に用いられる磁気抵抗素子、特にトンネル磁気抵抗(Tunneling Magneto-Resistance:TMR)素子に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element used for recording information using magnetism, and more particularly to a tunneling magnetoresistive (TMR) element.
TMR素子は、金属又は半導体の電気伝導性と強磁性を併せ持つ材料から成る2枚の強磁性導電体薄膜の間に、電気抵抗の高い薄膜を挟んだものである。この素子においては、2枚の強磁性導電体薄膜の間に電圧を印加した時に、それら2枚の強磁性導電体薄膜の磁化の向きが平行である時には、前記高電気抵抗薄膜を通過するトンネル電流が流れるのに対して、それらの磁化の向きが反平行である時には電流がほとんど流れない。このように、前記高電気抵抗薄膜がトンネル障壁としての役割を有するため、本願ではこの薄膜をトンネル障壁薄膜と呼ぶ、
この磁化の向きの違いによるトンネル電流の有無を利用して、TMR素子は記憶素子として用いることができる。この記憶素子では、2枚の強磁性導電体薄膜の磁化の向きを平行/反平行にすることにより情報を記録することができ、これら2枚の強磁性導電体薄膜の間に電圧を印加した時のトンネル電流の有/無により情報を再生することができる。
A TMR element is obtained by sandwiching a thin film having high electrical resistance between two ferromagnetic conductor thin films made of a material having both electrical conductivity and ferromagnetism of metal or semiconductor. In this element, when a voltage is applied between two ferromagnetic conductor thin films, and the magnetization directions of the two ferromagnetic conductor thin films are parallel, the tunnel passes through the high electrical resistance thin film. While current flows, almost no current flows when their magnetization directions are antiparallel. Thus, since the high electrical resistance thin film has a role as a tunnel barrier, this thin film is referred to as a tunnel barrier thin film in the present application.
The TMR element can be used as a memory element by utilizing the presence or absence of a tunnel current due to the difference in magnetization direction. In this memory element, information can be recorded by making the magnetization directions of the two ferromagnetic conductor thin films parallel / anti-parallel, and a voltage is applied between the two ferromagnetic conductor thin films. Information can be reproduced depending on whether or not the tunnel current is present.
従来より、強磁性導電体薄膜にFe, Co, Niやそれらの合金等から成る良導体の金属強磁性体を用い、トンネル障壁薄膜にAl2O3やMgO等の酸化物絶縁体を用いてTMR素子を作製することが試みられている。しかし、これら金属と酸化物絶縁体は結晶構造が大きく異なるため、両者を整合性よく接合することができなかった。そのため、(i)トンネル障壁薄膜の結晶構造の乱れが生じることにより電流がトンネル障壁薄膜をリークする、(ii)リークを防ぐためにトンネル障壁薄膜を厚くすると電子のトンネリングが生じ難くなる、(iii)強磁性導電体薄膜及びトンネル障壁薄膜内や両薄膜の界面の構造の乱れにより電子の散乱が生じる、等の理由により、トンネル電流による情報の再生を正しく行うことができなくなるおそれがある。 Conventionally, TMR using a ferromagnetic metal thin film made of Fe, Co, Ni or their alloys as the ferromagnetic thin film and an oxide insulator such as Al 2 O 3 or MgO as the tunnel barrier thin film. Attempts have been made to fabricate devices. However, since these metals and oxide insulators have greatly different crystal structures, they cannot be joined with good consistency. Therefore, (i) current leaks through the tunnel barrier thin film due to the disorder of the crystal structure of the tunnel barrier thin film, (ii) electron tunneling is less likely to occur if the tunnel barrier thin film is thickened to prevent leakage, (iii) There is a possibility that the information cannot be correctly reproduced by the tunnel current because the electrons are scattered by the disorder of the structure of the ferromagnetic conductor thin film and the tunnel barrier thin film or at the interface between the two thin films.
TMR素子においては、強磁性導電体薄膜はトンネル障壁薄膜を通過した電流を導通させることができるものであれば足りるため、強磁性導電体薄膜の材料には(良導体に限らず)半導体を用いることもできる。そのような強磁性半導体の1種として、希薄強磁性半導体が知られている。希薄強磁性半導体とは、非磁性の原子から成る半導体の結晶内の原子の一部のみが、磁性を持つ原子又は結晶内でイオン化した時に磁性を持つ原子に置換されたものである。置換される原子の数に明確な基準はないが、従来より知られている希薄磁性半導体はいずれも、構成原子のうちの20%以下のみを、イオン化した時に磁性を持つ原子で置換したものである。この希薄強磁性半導体では、磁性イオンの濃度に応じた量の正孔が存在し、その正孔が半導体としての電気伝導を担う。また、強磁性は、各磁性イオンが持つスピン間に半導体のキャリアを介した磁気的相互作用が働くことにより発現する。 In a TMR element, the ferromagnetic conductor thin film is sufficient if it can conduct the current that has passed through the tunnel barrier thin film. Therefore, the material of the ferromagnetic conductor thin film (not limited to a good conductor) should be a semiconductor. You can also. As one type of such a ferromagnetic semiconductor, a diluted ferromagnetic semiconductor is known. A diluted ferromagnetic semiconductor is one in which only a part of atoms in a semiconductor crystal composed of non-magnetic atoms is substituted with a magnetic atom or a magnetic atom when ionized in the crystal. Although there is no clear standard for the number of atoms to be replaced, all of the conventionally known diluted magnetic semiconductors are those in which only 20% or less of the constituent atoms are replaced with atoms that are magnetic when ionized. is there. In this diluted ferromagnetic semiconductor, there are holes in an amount corresponding to the concentration of magnetic ions, and these holes are responsible for electrical conduction as a semiconductor. In addition, ferromagnetism is manifested by a magnetic interaction between the spins of each magnetic ion via a semiconductor carrier.
そのような希薄強磁性半導体の例として、GaAsのGa原子の一部がMnで置換された(Ga,Mn)As、及びInAsのIn原子の一部がMnで置換された(In,Mn)Asが知られている。これらの希薄磁性半導体は、低温では強磁性を示すが、その強磁性転移温度は(Ga,Mn)Asでは約110K、(In,Mn)Asでは約30Kであり、いずれも室温では強磁性を示さない。そのため、これらの材料をTMR素子等のデバイスの強磁性半導体に用いるには、それらの強磁性転移温度以下まで冷却を行う必要があり、実用的ではない。 Examples of such diluted ferromagnetic semiconductors include (Ga, Mn) As in which some Ga atoms in GaAs are substituted with Mn, and some In atoms in InAs are substituted in with Mn (In, Mn). As is known. Although these diluted magnetic semiconductors exhibit ferromagnetism at low temperatures, their ferromagnetic transition temperatures are about 110K for (Ga, Mn) As and about 30K for (In, Mn) As, both of which are ferromagnetic at room temperature. Not shown. Therefore, in order to use these materials for the ferromagnetic semiconductor of a device such as a TMR element, it is necessary to cool to a temperature lower than their ferromagnetic transition temperature, which is not practical.
特許文献1には、希薄強磁性半導体の別の例として、GaNのGa原子の一部がMnで置換された(Ga,Mn)Nが記載されている。この材料は強磁性転移温度が約940K(約670℃)であるため、室温で動作するデバイスの材料として用いることができる。
しかし、強磁性導電体薄膜に(Ga,Mn)Nを用いた場合にも、前述の良導体から成る金属強磁性体を用いた場合と同様に、トンネル障壁薄膜の材料である酸化物絶縁体との結晶構造の違いにより両者を整合性よく接合することができず、それにより素子に記録された情報を正しく再生することができないという問題が生じる。 However, even when (Ga, Mn) N is used for the ferromagnetic conductor thin film, the oxide insulator, which is the material of the tunnel barrier thin film, is used in the same manner as the case of using the metal ferromagnetic made of the above-mentioned good conductor Due to the difference in crystal structure, the two cannot be joined with good consistency, thereby causing a problem that information recorded in the element cannot be reproduced correctly.
本発明が解決しようとする課題は、従来のものよりも強磁性導電体薄膜とトンネル障壁薄膜を整合性よく接合することができ、それにより、接合の不具合による特性の低下が生じることを防ぐことができるTMR素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is that the ferromagnetic conductor thin film and the tunnel barrier thin film can be bonded with higher consistency than the conventional one, thereby preventing the deterioration of the characteristics due to the bonding failure. It is to provide a TMR element capable of performing
上記課題を解決するために成された本発明に係る磁気抵抗素子の第1の態様のものは、2枚の強磁性半導体薄膜の間に絶縁体から成るトンネル障壁薄膜を挟み各強磁性半導体薄膜とトンネル障壁薄膜を接合して成る磁気抵抗素子において、
前記強磁性半導体薄膜のいずれか一方又は両方が、Ga2O3を母相とし、該母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る強磁性p型半導体から成り、
前記トンネル障壁薄膜がGa2O3から成る、
ことを特徴とする
The first aspect of the magnetoresistive element according to the present invention to solve the above-mentioned problems is that each ferromagnetic semiconductor thin film includes a tunnel barrier thin film made of an insulator sandwiched between two ferromagnetic semiconductor thin films. In the magnetoresistive element formed by joining the tunnel barrier thin film,
Either one or both of the ferromagnetic semiconductor thin films have Ga 2 O 3 as a parent phase, and 0.5% to 15% of Ga in the parent phase is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni. It consists of a ferromagnetic p-type semiconductor substituted by any one or more kinds of atoms,
The tunnel barrier thin film is made of Ga 2 O 3 ;
It is characterized by
本発明に係る磁気抵抗素子の第2の態様のものは、2枚の強磁性半導体薄膜の間に絶縁体から成るトンネル障壁薄膜を挟み各強磁性半導体薄膜とトンネル障壁薄膜を接合して成る磁気抵抗素子において、
前記強磁性半導体薄膜のいずれか一方又は両方が、Ga2O3を母相とし、該母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る強磁性p型半導体から成り、
前記トンネル障壁薄膜が、Ga2O3を母相とし、該母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る常磁性絶縁体から成る、
ことを特徴とする。
The magnetoresistive element according to the second aspect of the present invention is a magnetic element formed by sandwiching a tunnel barrier thin film made of an insulator between two ferromagnetic semiconductor thin films and bonding each ferromagnetic semiconductor thin film and the tunnel barrier thin film. In the resistance element,
Either one or both of the ferromagnetic semiconductor thin films have Ga 2 O 3 as a parent phase, and 0.5% to 15% of Ga in the parent phase is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni. It consists of a ferromagnetic p-type semiconductor substituted by any one or more kinds of atoms,
The tunnel barrier thin film has Ga 2 O 3 as a parent phase, and 0.5% to 15% of Ga in the parent phase is one or more of V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni Consisting of a paramagnetic insulator substituted with atoms of
It is characterized by that.
以下、Ga2O3から成る母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る前記強磁性p型半導体を「Ga2O3系希薄強磁性p型半導体」と呼ぶ。また、Ga2O3から成る母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る常磁性絶縁体を「Ga2O3系希薄常磁性絶縁体」と呼ぶ。また、両者を合わせて「Ga2O3系希薄磁性体」と呼ぶ。 Hereinafter, 0.5% to 15% of Ga of the mother phase composed of Ga 2 O 3 is substituted with any one or plural kinds of atoms of V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni. A ferromagnetic p-type semiconductor is called a “Ga 2 O 3 -based diluted ferromagnetic p-type semiconductor”. In addition, 0.5% to 15% of Ga of the parent phase composed of Ga 2 O 3 is usually substituted with any one or more kinds of atoms of V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni. The magnetic insulator is referred to as “Ga 2 O 3 -based diluted paramagnetic insulator”. The two are collectively referred to as “Ga 2 O 3 -based dilute magnetic material”.
Ga2O3系希薄磁性体は、上述のように母相のGaの一部がV等の磁性を持つ原子に置換され、その置換原子が結晶内で磁性を有するイオンになっている、という共通の構成を有する。Ga2O3系希薄磁性体においては、O原子の欠損数や、格子間に混入しているプロトン不純物や過剰なGa原子の数の違いにより、磁性イオンの平均価数の違いが生じ、それにより磁性及び電気伝導性が変化する。具体的には、磁性イオンの平均価数が+2.0価又は+3.0価に近づくと、磁性は常磁性に、電気伝導性は絶縁性に(即ち、Ga2O3系希薄常磁性絶縁体に)なるのに対して、その平均価数が+2.0価及び+3.0価から離れると、磁性は強磁性になり、電気伝導性はp型半導体の性質を示すように(即ち、Ga2O3系希薄強磁性p型半導体に)なる。O原子及び過剰Ga原子の数はGa2O3系希薄磁性体を酸化雰囲気中又は還元雰囲気中でアニールすること等により、プロトン不純物は水蒸気を含む気体中でGa2O3系希薄磁性体をアニールすること等により、それぞれ変化させることができる。これらアニールの際の条件(加熱温度、ガスの濃度等)は、磁性イオンの種類及び濃度により異なるが、予備実験により求めることができる。 Ga 2 O 3 based dilute magnetic material, as mentioned above, part of Ga of the parent phase is replaced by atoms with magnetism such as V, and the substituted atoms are magnetized ions in the crystal Have a common configuration. In Ga 2 O 3 diluted magnetic materials, the difference in the average valence of magnetic ions occurs due to the number of missing O atoms, the number of proton impurities mixed between lattices, and the number of excess Ga atoms. Changes the magnetic and electrical conductivity. Specifically, when the average valence of magnetic ions approaches +2.0 or +3.0, magnetism becomes paramagnetic, and electrical conductivity becomes insulating (that is, Ga 2 O 3 based diluted paramagnetic insulator). On the other hand, when the average valence deviates from +2.0 and +3.0, the magnetism becomes ferromagnetic and the electrical conductivity exhibits the properties of a p-type semiconductor (ie, Ga 2 O 3 System diluted ferromagnetic p-type semiconductor). The number of O atoms and excess Ga atoms, such as by annealing in Ga 2 O 3 system in dilute magnetic oxide atmosphere or in a reducing atmosphere, the Ga 2 O 3 based dilute magnetic proton impurities in a gas containing water vapor Each can be changed by annealing or the like. The annealing conditions (heating temperature, gas concentration, etc.) vary depending on the type and concentration of magnetic ions, but can be determined by preliminary experiments.
Ga2O3系希薄強磁性p型半導体において置換原子にMnを用いた時、最も磁化を大きくすることができる。 Magnetization can be maximized when Mn is used as a substitution atom in a Ga 2 O 3 diluted ferromagnetic p-type semiconductor.
第1の態様において、Ga2O3は真性半導体であるが、バンドギャップ幅は4.9eVであり、ワイドギャップ半導体として知られているGaNにおける値(3.4eV)よりも大きいため、電気抵抗値はTMR素子のトンネル障壁薄膜として用いるのに十分な大きさを有する。 In the first embodiment, Ga 2 O 3 is an intrinsic semiconductor, but the band gap width is 4.9 eV, which is larger than the value in GaN known as a wide gap semiconductor (3.4 eV), so the electric resistance value is It is large enough to be used as a tunnel barrier thin film of a TMR element.
前記強磁性半導体薄膜の一方にGa2O3系希薄強磁性p型半導体を用い、他方に、GaNのGaのうちの0.5%〜15%がMnに置換されて成る強磁性半導体(GaN系希薄強磁性p型半導体)を用いることもできる。Ga2O3系希薄強磁性p型半導体の置換原子にMnを用いた場合、後者よりも前者の方が保磁力が大きい。そのため、このTMR素子に、Ga2O3系希薄強磁性p型半導体の保磁力よりも小さく、GaN系希薄強磁性p型半導体の保磁力よりも大きい磁界を印加した場合、前者の磁化の方向は変化させることなく(固定されたまま)後者の磁化の方向のみを変化させることができる。これにより、2枚の強磁性導電体薄膜の磁化の向きを容易に、互いに平行又は反平行にすることができる。
この場合、Ga2O3系希薄強磁性p型半導体薄膜は磁化の方向が変化しないことから「ピン層」と呼ばれ、GaN系希薄強磁性p型半導体薄膜は磁化の方向が変化することから「フリー層」と呼ばれる。
One of the ferromagnetic semiconductor thin films is a Ga 2 O 3 based diluted ferromagnetic p-type semiconductor, and the other is a ferromagnetic semiconductor in which 0.5% to 15% of GaN Ga is replaced with Mn (GaN based diluted semiconductor). Ferromagnetic p-type semiconductors can also be used. When Mn is used as a substitution atom in a Ga 2 O 3 diluted ferromagnetic p-type semiconductor, the former has a larger coercive force than the latter. Therefore, when a magnetic field smaller than the coercive force of Ga 2 O 3 -based diluted ferromagnetic p-type semiconductor and larger than the coercive force of GaN-based diluted ferromagnetic p-type semiconductor is applied to this TMR element, the former magnetization direction Can change only the direction of magnetization of the latter without changing (while being fixed). Thus, the magnetization directions of the two ferromagnetic conductor thin films can be easily made parallel or antiparallel to each other.
In this case, the Ga 2 O 3 diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film is called “pinned layer” because the magnetization direction does not change, and the GaN-based diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film changes in magnetization direction. It is called “free layer”.
本発明に係る磁気抵抗素子においては、2枚の強磁性半導体薄膜のうちの少なくとも一方にGa2O3系希薄強磁性p型半導体を用い、トンネル障壁薄膜にGa2O3(第1の態様の場合)又はGa2O3系希薄常磁性絶縁体(第2の態様の場合)を用いる。そのため、強磁性半導体薄膜とトンネル障壁薄膜は同様の構造を有する。これにより、両者は整合性よく接合することができるため、接合の不具合による特性低下が生じることを防ぐことができる。 In the magnetoresistive element according to the present invention, a Ga 2 O 3 -based diluted ferromagnetic p-type semiconductor is used for at least one of the two ferromagnetic semiconductor thin films, and Ga 2 O 3 (first embodiment) is used for the tunnel barrier thin film. Or a Ga 2 O 3 -based diluted paramagnetic insulator (in the second embodiment). Therefore, the ferromagnetic semiconductor thin film and the tunnel barrier thin film have the same structure. Thereby, since both can be joined with good consistency, it is possible to prevent the deterioration of characteristics due to joining failure.
第1の態様において、Ga2O3系希薄強磁性p型半導体薄膜とGa2O3絶縁体薄膜が接合された構成は、分子線エピタキシャル法等の通常の薄膜製造方法において、初めに一方の薄膜を成長させ、その上に他方の薄膜を成長させることにより、容易に作製することができる。
同様に、第2の態様において、Ga2O3系希薄強磁性p型半導体とGa2O3系希薄常磁性絶縁体が接合された構成は、初めに一方の薄膜を成長させ、その上に、酸素分圧を変化させて他方の薄膜を成長させることにより、容易に作製することができる。また、第2の態様においては、一方の薄膜を成長させたうえで、その薄膜の表面付近のみ酸化雰囲気又は還元雰囲気に晒すことにより、上記2種の薄膜が接合された構成を作製することもできる。
In the first aspect, the configuration in which the Ga 2 O 3 -based diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film and the Ga 2 O 3 insulator thin film are bonded is firstly used in a normal thin film manufacturing method such as a molecular beam epitaxial method. It can be easily manufactured by growing a thin film and growing the other thin film thereon.
Similarly, in the second embodiment, a structure in which a Ga 2 O 3 -based diluted ferromagnetic p-type semiconductor and a Ga 2 O 3 -based diluted paramagnetic insulator are joined is first grown on one thin film. The other thin film can be easily grown by changing the oxygen partial pressure. In the second aspect, after growing one thin film, only the vicinity of the surface of the thin film is exposed to an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere to produce a structure in which the two kinds of thin films are joined. it can.
強磁性半導体薄膜のうちの一方にGa2O3系希薄強磁性p型半導体薄膜を用い、他方にGaN系希薄強磁性p型半導体薄膜を用いた磁気抵抗素子は以下の効果を奏する。
GaN系希薄強磁性p型半導体の薄膜はGa2O3又はGa2O3系希薄常磁性絶縁体から成る絶縁性薄膜の上にエピタキシャル成長させることにより作製することができる。このように作製されたGaN系希薄強磁性p型半導体薄膜とこの絶縁性薄膜は化学的に結合しているため、その絶縁性薄膜をトンネル障壁薄膜として用いることにより、接合の不具合による特性低下が本質的に生じない磁気抵抗素子を得ることができる。
また、Ga2O3系希薄強磁性p型半導体薄膜の保磁力がGaN系希薄強磁性p型半導体薄膜の保磁力よりも大きいため、前者の保磁力よりも小さく後者の保磁力よりも大きい磁界を印加することにより、2枚の希薄強磁性p型半導体薄膜間のスピンの平行/反平行を容易に切り替えることができる。
A magnetoresistive element using a Ga 2 O 3 -based diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film for one of the ferromagnetic semiconductor thin films and a GaN-based diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film for the other has the following effects.
A thin film of a GaN-based diluted ferromagnetic p-type semiconductor can be produced by epitaxial growth on an insulating thin film made of a Ga 2 O 3 or Ga 2 O 3 -based diluted paramagnetic insulator. Since the GaN-based diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film thus fabricated and this insulating thin film are chemically bonded, the use of the insulating thin film as a tunnel barrier thin film reduces the characteristics due to the bonding failure. A magnetoresistive element that does not occur essentially can be obtained.
Also, since the coercivity of Ga 2 O 3 diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film is larger than that of GaN diluted diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin film, the magnetic field is smaller than the former coercive force and larger than the latter coercive force. Can be easily switched between parallel and antiparallel spins between two diluted ferromagnetic p-type semiconductor thin films.
本発明に係る磁気抵抗素子の一実施形態を図1に示す。この磁気抵抗素子10は、GaNのGaの一部をMnに置換したGaN系希薄強磁性p型半導体である(Ga, Mn)Nから成る薄膜11と、Ga2O3のGaの一部をMnに置換したGa2O3系希薄強磁性p型半導体である(Ga, Mn)2O3から成る薄膜12の間に、Ga2O3から成るトンネル障壁薄膜13を挟んだものである。本実施形態では、(Ga, Mn)N薄膜11及び(Ga, Mn)2O3薄膜12におけるGaサイト中のMnの濃度は共に8%とし、(Ga, Mn)N薄膜11及び(Ga, Mn)2O3薄膜12の厚さは共に300nmとする。また、(Ga, Mn)2O3薄膜12を後述のように作製することにより、この薄膜中のMnの平均価数は約+2.1価となり、この薄膜は強磁性及びp型半導体の電気特性を有する。トンネル障壁薄膜13の厚さはここでは10nmとする。
An embodiment of a magnetoresistive element according to the present invention is shown in FIG. This
磁気抵抗素子10の製造方法の一例を、図2及び図3を用いて説明する。まず、GaとMnの原子数の比が93:7になるようにGa2O3とMnOの粉末を混合した原料から成るターゲット21Aと、(0001)面を表面とするサファイア基板22を、内部の酸素分圧を0.05Paに保持した容器23内に配置し、サファイア基板22を500℃に熱しつつ周波数10HzのKrFパルスレーザ光24をターゲットに照射する(図2)ことにより、ターゲット21Aの原料をサファイア基板22上に堆積させる(図3(a))。これにより、サファイア基板22上に(Ga, Mn)2O3薄膜12が作製される。次に、Ga2O3から成るターゲット21Bを容器23内部に配置し容器23内部の酸素分圧を0.2Paに保持して同様の操作を行うことにより、(Ga, Mn)2O3薄膜12上にGa2O3から成るトンネル障壁薄膜13を作製する(図3(b))。そして、従来の(Ga, Mn)N薄膜の作製方法と同様に分子線エピタキシー法を用いて、トンネル障壁薄膜13の上に(Ga, Mn)N薄膜11を作製する(図3(c))。これにより、磁気抵抗素子10が得られる(図3(d))。
なお、サファイア基板22は磁気抵抗素子10の構成要素としては不要であるが、そのまま残しておいても支障はない。サファイア基板22を残す場合、サファイアが絶縁体であるため、例えば図4に示すように(Ga, Mn)2O3薄膜12の表面の一部分にはトンネル障壁薄膜13を形成せず、トンネル電流を検出するための電極151及び152のうちの一方をその部分に設けるとよい。
An example of a method for manufacturing the
Although the
図3(c)に示した(Ga, Mn)N薄膜11の作製方法は、従来より知られている、Ga2O3薄膜を基板としてGaN薄膜を作製する方法をそのまま適用したものである。この方法によれば、(Ga, Mn)N薄膜11とGa2O3薄膜(トンネル障壁薄膜13)を整合性よく接合することができる。
The method for producing the (Ga, Mn) N
(Ga, Mn)N薄膜11は、特許文献1に記載のように、室温で強磁性及びp型半導体の電気特性を示すことが知られている。ここでは、(Ga, Mn)2O3薄膜12の特性を確認するために、図3(a)に示した前述の方法を用いて(Ga, Mn)2O3薄膜12のみを作製し、その電気伝導性及び磁化を測定した。その結果、電気伝導性については導通が確認された。また、磁化については、図5に示すように室温における磁化曲線がヒステリシスを持つことから、(Ga, Mn)2O3薄膜12が強磁性体であることが示された。
As described in
(Ga, Mn)2O3薄膜12の保磁力は約100エルステッド(Oe)であり、(Ga, Mn)N薄膜11の保磁力(50〜60エルステッド)よりも大きい。そのため、(Ga, Mn)2O3薄膜12の保磁力よりも小さく、且つ(Ga, Mn)N薄膜11の保磁力よりも大きい所定の大きさの磁界を磁気抵抗素子10に印加することにより、(Ga, Mn)2O3薄膜12の磁化に影響を与えることなく、(Ga, Mn)N薄膜11の磁化の方向のみを変化させることができる。従って、予め(Ga, Mn)2O3薄膜12にその保磁力よりも大きい磁界を印加してその薄膜の磁化を一方向に揃えておいたうえで、その磁化に平行/反平行な方向に前記所定の大きさの磁界を印加することにより、"1"又は"0"の情報を記憶させることができる。
The coercive force of the (Ga, Mn) 2 O 3
次に、本発明に係る磁気抵抗素子を用いたメモリアレイの一実施形態を説明する。図6は、本実施形態のメモリアレイ30の斜視図である。このメモリアレイ30には、上記実施形態の磁気抵抗素子10が多数、マトリクス状に配置されている。このマトリクスの各行に対応してビット線31が1本ずつ配置され、各列に対応して記録用ワード線32及び再生用ワード線33が各1本ずつ配置されている。各磁気抵抗素子10の(Ga, Mn)2O3薄膜12はその素子が属するマトリクスの行に対応したビット線31の直下に配置され且つそのビット線31へ電気的に接続されており、(Ga, Mn)N薄膜11はその素子が属するマトリクスの列に対応した記録用ワード線32の直上に配置されている。また、各磁気抵抗素子10に対応して、p型半導体から成るチャネルを有するFET(電界効果トランジスタ)34を1個ずつ設け、FET34のソース電極をその磁気抵抗素子10の(Ga, Mn)N薄膜11に、ドレイン電極を接地に、ゲート電極をその磁気抵抗素子10に対応した再生用ワード線33に、それぞれ接続する。ここで、FET34のチャネルの材料をp-GaNとすることにより、磁気抵抗素子10とFET34を一体に作製することができる。
Next, an embodiment of a memory array using the magnetoresistive element according to the present invention will be described. FIG. 6 is a perspective view of the
メモリアレイ30の動作を、図7及び図8を用いて説明する。予め、メモリアレイ30に(Ga, Mn)N薄膜11の保磁力よりも大きい磁界を、図7の右下から左上に向かってビット線及び記録用ワード線32に対して45°方向に印加することにより、(Ga, Mn)N薄膜11の磁化をその磁界の方向に揃えておく。
メモリアレイ30中の1個の磁気抵抗素子10Aに情報を記録する際には、図8(a)に示すように、磁気抵抗素子10Aの直上を通過するビット線31Aには図7の右方向に、磁気抵抗素子10Aの直下を通過する記録用ワード線32Aには図7の下方向に、それぞれ後述の大きさの電流を供給する。これにより、ビット線31Aの直下にある複数の磁気抵抗素子10には図7の上方向への磁界が印加され、記録用ワード線32Aの直上にある複数の磁気抵抗素子10には図7の左方向への磁界が印加される。なお、その他の磁気抵抗素子10においては、ビット線31A及び記録用ワード線32Aとの距離が十分に大きいため、これらの磁界は無視することができる。磁界が印加された磁気抵抗素子10のうち磁気抵抗素子10Aのみに、他の磁気抵抗素子10に印加される磁界H2よりも大きい磁界H1が、ビット線及び記録用ワード線32に対して45°の方向に印加される。従って、磁界H1が(Ga, Mn)N薄膜11の保磁力よりも大きく且つ(Ga, Mn)2O3薄膜12の保磁力よりも小さくなり、磁界H2が(Ga, Mn)N薄膜11及び(Ga, Mn)2O3薄膜12の保磁力よりも小さくなるように、ビット線31A及び記録用ワード線32Aに流れる電流の大きさを設定することにより、(Ga, Mn)2O3薄膜12の磁化の方向はそのままで(Ga, Mn)N薄膜11の磁化の方向のみを、図7の右下から左上に向かう方向に変化させることができる。これにより、(Ga, Mn)N薄膜11の磁化と(Ga, Mn)2O3薄膜12の磁化は平行になる。また、ビット線31A及び記録用ワード線32Aに上述と同じ大きさの電流を上述とは反対の方向に流すことにより、(Ga, Mn)N薄膜11の磁化と(Ga, Mn)2O3薄膜12の磁化を反平行にすることができる。
The operation of the
When information is recorded in one
磁気抵抗素子10Aに記録された情報を再生する際には、図8(b)に示すように、磁気抵抗素子10Aのゲート電極に接続された再生用ワード線33Aと接地の間に再生用ワード線33A側を負とするゲート電圧を印加すると共に、ビット線31Aと接地の間にビット線31A側を正とする電圧を印加する。ゲート電圧が印加されることにより、FET34はソース電極とドレイン電極の間に電流を流すことができるようになるため、(Ga, Mn)N薄膜11の磁化と(Ga, Mn)2O3薄膜12の磁化が平行であればビット線31Aからソース電極及びドレイン電極を通って接地に向かう電流が流れるのに対して、これらの磁化が反平行であればそのような電流は流れない。この電流の有無を検知することにより、磁気抵抗素子10Aに記録された情報を再生することができる。
When reproducing the information recorded in the
なお、ここではp型半導体から成るチャネルを有するFET34を用いた場合を例として説明したが、n型半導体のチャネルを有するFETを用いた場合にも(電圧や電極の極性を除いて)上記の例と同様の構成を採ることができる。また、(Ga, Mn)N薄膜11を記録用ワード線32側に、(Ga, Mn)2O3薄膜12をビット線31側に配置し、(Ga, Mn)N薄膜11とビット線31を電気的に接続した構成を採ることもできる。
Here, the case where the
10、10A…磁気抵抗素子
11…(Ga, Mn)N薄膜
12…(Ga, Mn)2O3薄膜
13…トンネル障壁薄膜
151、152…電極
21A、21B…原料のターゲット
22…サファイア基板
23…容器
24…KrFパルスレーザ光
30…メモリアレイ
31、31A…ビット線
32、32A…記録用ワード線
33、33A…再生用ワード線
33A…再生用ワード線
34…FET
10, 10A ...
Claims (5)
前記強磁性半導体薄膜のいずれか一方又は両方が、Ga2O3を母相とし、該母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る強磁性p型半導体から成り、
前記トンネル障壁薄膜がGa2O3から成る、
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 In a magnetoresistive element formed by sandwiching a tunnel barrier thin film made of an insulator between two ferromagnetic semiconductor thin films and joining each ferromagnetic semiconductor thin film and the tunnel barrier thin film,
Either one or both of the ferromagnetic semiconductor thin films have Ga 2 O 3 as a parent phase, and 0.5% to 15% of Ga in the parent phase is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni. It consists of a ferromagnetic p-type semiconductor substituted by any one or more kinds of atoms,
The tunnel barrier thin film is made of Ga 2 O 3 ;
The magnetoresistive element characterized by the above-mentioned.
前記強磁性半導体薄膜のいずれか一方又は両方が、Ga2O3を母相とし、該母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る強磁性p型半導体から成り、
前記トンネル障壁薄膜が、Ga2O3を母相とし、該母相のGaのうちの0.5%〜15%がV, Cr, Mn, Fe, Co, Niのうちのいずれか1種又は複数種の原子に置換されて成る常磁性絶縁体から成る、
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 In a magnetoresistive element formed by sandwiching a tunnel barrier thin film made of an insulator between two ferromagnetic semiconductor thin films and joining each ferromagnetic semiconductor thin film and the tunnel barrier thin film,
Either one or both of the ferromagnetic semiconductor thin films have Ga 2 O 3 as a parent phase, and 0.5% to 15% of Ga in the parent phase is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni. It consists of a ferromagnetic p-type semiconductor substituted by any one or more kinds of atoms,
The tunnel barrier thin film has Ga 2 O 3 as a parent phase, and 0.5% to 15% of Ga in the parent phase is one or more of V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni Consisting of a paramagnetic insulator substituted with atoms of
The magnetoresistive element characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006170858A JP2008004654A (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Magnetoresistive element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006170858A JP2008004654A (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Magnetoresistive element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008004654A true JP2008004654A (en) | 2008-01-10 |
Family
ID=39008818
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006170858A Pending JP2008004654A (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Magnetoresistive element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008004654A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010050297A (en) * | 2008-08-22 | 2010-03-04 | Japan Science & Technology Agency | Tunnel element and method for manufacturing the same |
JP2012175097A (en) * | 2011-02-17 | 2012-09-10 | Tdk Corp | Magnetoresistance effect element, magnetic head, magnetic head slider, head gimbal assembly and hard disk drive device |
JP2012175098A (en) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | Tdk Corp | Magnetoresistance effect element, manufacturing method therefor, magnetic head, magnetic head slider, head gimbal assembly and hard disk drive device |
JP2012195560A (en) * | 2011-03-16 | 2012-10-11 | Tdk Corp | Magnetoresistance effect element, magnetic head, magnetic head slider, head gimbal assembly, and hard disc drive |
-
2006
- 2006-06-21 JP JP2006170858A patent/JP2008004654A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010050297A (en) * | 2008-08-22 | 2010-03-04 | Japan Science & Technology Agency | Tunnel element and method for manufacturing the same |
JP2012175097A (en) * | 2011-02-17 | 2012-09-10 | Tdk Corp | Magnetoresistance effect element, magnetic head, magnetic head slider, head gimbal assembly and hard disk drive device |
JP2012175098A (en) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | Tdk Corp | Magnetoresistance effect element, manufacturing method therefor, magnetic head, magnetic head slider, head gimbal assembly and hard disk drive device |
JP2012195560A (en) * | 2011-03-16 | 2012-10-11 | Tdk Corp | Magnetoresistance effect element, magnetic head, magnetic head slider, head gimbal assembly, and hard disc drive |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7679155B2 (en) | Multiple magneto-resistance devices based on doped magnesium oxide | |
RU2595588C2 (en) | Magnetic recording element | |
RU2585578C2 (en) | Magnetic memory element | |
US6878979B2 (en) | Spin switch and magnetic storage element using it | |
JP4533837B2 (en) | Voltage controlled magnetization reversal recording type MRAM element and information recording and reading method using the same | |
KR102582983B1 (en) | magnetic memory element | |
CN101359475B (en) | Magnetic reading head and magnetic recording apparatus | |
US20070064351A1 (en) | Spin filter junction and method of fabricating the same | |
JP2008166689A (en) | Spin transistor using leak magnetic field | |
JP7102448B2 (en) | Magnetic tunnel junction storage element with magnetic exchange coupling free layer | |
JP2009054960A (en) | Spin transistor and magnetic memory | |
KR20100131967A (en) | Ferromagnetic tunnel junction element and driving method of ferromagnetic tunnel junction element | |
US20090039345A1 (en) | Tunnel Junction Barrier Layer Comprising a Diluted Semiconductor with Spin Sensitivity | |
JP2008004654A (en) | Magnetoresistive element | |
JP2004014806A (en) | Magnetoresistive element and magnetic memory | |
US6590268B2 (en) | Magnetic control device, and magnetic component and memory apparatus using the same | |
JP2001339110A (en) | Magnetism control element, magnetic component using the same and memory device | |
JP2009059820A (en) | Spin transistor, and semiconductor memory | |
JP7335167B2 (en) | magnetic tunnel junction memory element | |
CN108352446A (en) | Magnetic channel diode and magnetic channel transistor | |
JP2009238918A (en) | Spin filter effect element and spin transistor | |
KR100574729B1 (en) | Spin-tunnel transistor and magnetic reproducing head | |
JP5705683B2 (en) | Tunnel magnetoresistive element, non-local spin injection element, and magnetic head using the same | |
JP2018190966A (en) | Vertical magnetization ferromagnetic semiconductor hetero-junction element, magnetic memory device arranged by use thereof, and spin logic element | |
JPH11289115A (en) | Spin polarization element |