JP3477638B2 - 強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイス - Google Patents

強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は磁気センサ、磁気
センサヘッド、磁気抵抗効果素子及び不揮発性メモリ等
に利用し、２重量子井戸の磁化の向きを制御して２重量
子井戸間のトンネル磁気抵抗効果を利用する強磁性２重
量子井戸トンネル磁気抵抗デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のトンネル磁気抵抗素子は、強磁性
金属層／絶縁体層／強磁性金属層のような単純な３層構
造を用いたものであり、強磁性層の厚さは数十ｎｍ以上
と比較的厚い場合が多く、たとえ薄い場合でも量子閉じ
こめによる２次元電子系を利用したものではなく、３次
元電子系間のトンネル現象を利用したものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このため、大きなトン
ネル磁気抵抗を得るためには、スピン偏極率の大きい強
磁性金属を使う必要があるが、通常の強磁性金属ではス
ピン偏極率が大きいものはなく、高々４０〜４５％であ
る。スピン偏極率が１００％のハーフメタルと呼ばれる
強磁性材料を使えば、大きな、理想的には無限大のトン
ネル磁気抵抗比、すなわち磁場をかけたことによる抵抗
の変化分／磁化が平行のときの抵抗、が得られると予測
されるが、材料技術及び作製技術の点で解決すべき課題
がある。
【０００４】また、通常の強磁性金属層／絶縁体層／強
磁性金属層の３層構造の素子では、トンネル磁気抵抗の
大きさはバイアス電圧を大きくするとともに減少するこ
とが解決すべき課題となっていた。
【０００５】そこで、本発明は上記の課題にかんがみ、
第１の目的として、２次元電子（正孔）系を利用して無
限大のトンネル磁気抵抗比を所望のバイアス電圧で得る
強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイスを提供す
ることにある。第２の目的として、高感度で磁気を検知
する高感度磁気センサを提供することである。第３の目
的として、読み出し書き込みが可能な不揮発性メモリを
提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】これらの目的を達成する
ために、第１の目的に対応する本発明の強磁性２重量子
井戸トンネル磁気抵抗デバイスのうちで請求項１記載の
発明は、強磁性体の第１量子井戸層と強磁性体の第２量
子井戸層とを非磁性体の障壁層で挟んだ構造を有し、第
１量子井戸層及び第２量子井戸層の磁化の向きに基づき
キャリアのトンネリングが生じて磁気抵抗が変化する構
成とした。また請求項２記載の発明は、上記構成に加
え、第１量子井戸層と第２量子井戸層とが保磁力に差を
有していることを特徴とする。さらに請求項３記載の発
明は、第１量子井戸層及び第２量子井戸層がキャリアの
ドブロイ波長より薄い厚さを有していることを特徴とす
る。
【０００７】また請求項４記載の発明は、第１量子井戸
層及び第２量子井戸層がキャリアを量子閉じこめする２
次元電子又は正孔状態を実現していることを特徴とす
る。さらに請求項５記載の発明は、第１量子井戸層及び
第２量子井戸層と障壁層とのヘテロ界面が原子的に平坦
かつ急峻であることを特徴とする。また請求項６記載の
発明は、障壁層を、キャリアのトンネリングが可能な厚
さに形成していることを特徴とする。さらに請求項７記
載の発明は、第１量子井戸層が金属の強磁性体又は強磁
性を示す半導体のいずれかであることを特徴とする。
【０００８】また請求項８記載の発明は、第２量子井戸
層が金属の強磁性体又は強磁性を示す半導体のいずれか
であることを特徴とする。さらに請求項９記載の発明
は、障壁層のそれぞれが非磁性の半導体又は非磁性の絶
縁体のいずれかであることを特徴とする。また請求項１
０記載の発明は、第１量子井戸層及び第２量子井戸層の
膜厚並びに障壁層の膜厚及びエネルギー障壁の高さを制
御して、第１量子井戸層及び第２量子井戸層の量子準位
のエネルギーと、キャリアのトンネル確率とを設定した
ことを特徴とする。さらに請求項１１記載の発明は、第
１量子井戸層及び第２量子井戸層の膜厚を変えることに
より、共鳴トンネル現象を生じさせるための印加すべき
電圧の値を変えることができるようにしたことを特徴と
する。
【０００９】また第２の目的に対応した請求項１２記載
の高感度磁気センサの発明は、強磁性体の第１量子井戸
層と強磁性体の第２量子井戸層とを非磁性体の障壁層で
挟んだ構造を有し、上記第１量子井戸層及び上記第２量
子井戸層の磁化の向きに基づきキャリアのトンネリング
が生じて磁気抵抗が変化する強磁性２重量子井戸トンネ
ル磁気抵抗デバイスにあって、外部磁場により抵抗が変
化することを利用して磁気を検知する構成とした。
【００１０】また第３の目的に対応した請求項１３記載
の書き込み可能な不揮発性メモリデバイスの発明は、強
磁性体の第１量子井戸層と強磁性体の第２量子井戸層と
を非磁性体の障壁層で挟んだ構造を有し、第１量子井戸
層及び第２量子井戸層の磁化の向きに基づきキャリアの
トンネリングが生じて磁気抵抗が変化する強磁性２重量
子井戸トンネル磁気抵抗デバイスにあって、磁化の平行
な状態と反平行な状態とが双安定で制御可能であること
を利用してメモリとする構成である。
【００１１】また請求項１４記載の不揮発性メモリデバ
イスは 請求項１３記載の不揮発性メモリデバイスであ
って、さらにこの第１量子井戸層及び第２量子井戸層に
それぞれ電極を設け、この電極間に加える電圧差によっ
て、上記第１量子井戸層及び第２量子井戸層間の共鳴ト
ンネリング状態を制御することにより、上記第１量子井
戸層及び第２量子井戸層の磁化状態の読み出しを可能又
は不可能に制御するようにしたものである。
【００１２】請求項１５記載の不揮発性メモリセルは、
請求項１３記載の不揮発性メモリデバイスと半導体スイ
ッチングデバイスとから構成したものである。
【００１３】また請求項１６記載の不揮発性メモリセル
は、請求項１３記載の不揮発性メモリデバイスにあっ
て、さらにこの第１量子井戸層及び第２量子井戸層にそ
れぞれ電極を設け、この電極間に加える電圧差によっ
て、上記第１量子井戸層及び第２量子井戸層間の共鳴ト
ンネリング状態を制御することにより、上記第１量子井
戸層及び第２量子井戸層の磁化状態の読み出しを可能又
は不可能に制御するようにした不揮発性メモリデバイス
から構成している。
【００１４】このような構成の強磁性２重量子井戸トン
ネル磁気抵抗デバイスでは、量子井戸に閉じこめられた
キャリアは量子準位を形成し２次元電子（正孔）系とな
り、量子井戸が強磁性であるため量子準位は上向きスピ
ン準位と下向きスピン準位にスピン分裂する。強磁性体
の２つの第１及び第２量子井戸層の膜厚がほぼ等しい場
合、２つの量子井戸の磁化の向きが平行のときは、エネ
ルギーが等しい隣り合う量子準位のスピンの向きはそろ
っており、量子井戸間でのキャリアのトンネリングは容
易に起こる。
【００１５】一方、２つの量子井戸の磁化の向きが反平
行のときは隣り合う量子準位のエネルギーが等しくても
スピンの向きが反対であるので、量子井戸間でのキャリ
アのトンネリングは禁止される。磁化の平行・反平行の
状態による量子井戸間のトンネル確率の大きな違いは、
界面に垂直方向に電流を流したとき、両側の電極間の大
きな抵抗の変化をもたらす。
【００１６】強磁性体の２つの第１及び第２量子井戸層
の保磁力に差を持たせておけば、外部磁場の印加の仕方
によって容易に磁化の状態を制御することができ、磁化
が平行で抵抗が低い状態と、磁化が反平行で抵抗が極め
て高い状態、理想的には無限大の抵抗を実現することが
できる。
【００１７】したがってこの発明の強磁性２重量子井戸
トンネル磁気抵抗デバイスでは、外部磁場による量子井
戸の磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を安定的に
実現することができるため、２重量子井戸を用いていな
い従来のデバイスに比べて、はるかに大きな磁気抵抗効
果を得ることができる。さらにこの発明では、量子井戸
の膜厚、障壁層の膜厚や障壁高さを原子レベルで制御し
て量子準位のエネルギーやキャリアのトンネル確率を設
定し、所望のバイアス電圧を設定することができる。
【００１８】また、強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵
抗デバイスのはるかに大きな磁気抵抗効果により、高感
度磁気センサや不揮発性メモリデバイスに利用すること
ができる。
【００１９】さらに、本発明の強磁性２重量子井戸トン
ネル磁気抵抗デバイスと、半導体スイッチングデバイス
とを用いてメモリセルを構成すれば、高速且つ高感度な
不揮発性メモリセルを実現することができる。
【００２０】さらに、本発明の強磁性２重量子井戸トン
ネル３端子磁気抵抗不揮発性メモリデバイスは、第３の
電極に印加する電圧差によって、第１量子井戸層と第２
量子井戸層の磁化状態を読み出し可能にしたり、読み出
し不可能にしたりすることができる。
【００２１】さらに、本発明の強磁性２重量子井戸トン
ネル３端子磁気抵抗不揮発性メモリデバイスで構成する
不揮発性メモリセルは、占有する面積が大きい半導体ス
イッチングデバイスを使用しないので、高集積なメモリ
を実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面に示した実施の形態に
基づいてこの発明を詳細に説明する。図１はこの発明の
強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイスの構造を
示す図である。図１を参照して、本発明の強磁性２重量
子井戸トンネル磁気抵抗デバイスは、非磁性体の第１障
壁層２と、強磁性体の第１量子井戸層４と、非磁性体の
第２障壁層６と、強磁性体の第２量子井戸層８と、非磁
性体の第３障壁層１０とが積層されたヘテロ構造を有し
ており、第１障壁層２及び第３障壁層１０に非磁性体の
電極層１２，１４が形成されている。
【００２３】さらに強磁性体の２つの量子井戸層は保磁
力に差を持つように形成され、外部磁場の印加により第
１量子井戸層と第２量子井戸層との磁化の向きが平行な
状態と反平行な状態を実現できるようになっている。強
磁性体の量子井戸層の保磁力は例えば温度、成長速度、
化学組成などのエピタキシャル成長条件により量子井戸
層の性質を変えて制御でき、低温成長分子線エピタキシ
ー法で各量子井戸層の保磁力に差を持つように形成可能
である。
【００２４】また強磁性体の第１量子井戸層４及び第２
量子井戸層８は伝導を担うキャリア、すなわち電子又は
正孔のドブロイ波長より十分薄い層であり、数ｎｍ〜十
数ｎｍ程度の厚さである。また第１量子井戸層４及び第
２量子井戸層８はキャリアが量子閉じこめを受けて２次
元電子状態又は２次元正孔状態になるように形成されて
いる。
【００２５】非磁性体の第１障壁層２、第２障壁層６及
び第３障壁層１０はキャリアがトンネルするのに十分な
数ｎｍ程度に薄く形成されている。さらに、量子井戸層
と障壁層とのヘテロ界面は原子的に平坦かつ急峻に形成
され、また、非磁性体の電極層１２，１４は任意の厚さ
でよく抵抗の低い材料で形成されている。
【００２６】図２はこの発明の強磁性２重量子井戸トン
ネル磁気抵抗デバイスに係る強磁性２重量子井戸のエネ
ルギーバンド図である。図２（ａ）に示すように、２つ
の量子井戸２２，２４の磁化の向きが平行の場合は、エ
ネルギーが等しい隣り合う量子準位２６，２８（量子準
位３２，３４）のスピン３６とスピン３８（スピン４２
とスピン４４）の向きはそろっており、量子井戸間での
キャリアのトンネリングは容易に起こる。
【００２７】また図２（ｂ）に示すように、２つの量子
井戸５２，５４の磁化の向きが反平行の場合は、隣り合
う量子準位５６，５８（量子準位６２，６４）のエネル
ギーが等しくてもスピン６６とスピン６８（スピン７２
とスピン７４）の向きが反対であるので、量子井戸間で
のキャリアのトンネリングは禁止される。なお、図２
（ａ）及び図２（ｂ）中、２１，２３，２５は第１、第
２及び第３障壁層に対応したエネルギー障壁を示す。
【００２８】この発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁
気抵抗デバイスは、強磁性２重量子井戸構造を有してさ
えいれば、金属、半導体を問わず材料系の如何にかかわ
らず実現可能である。例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
をベースとした量子ヘテロ構造、すなわち超格子・量子
井戸構造を形成し、そのヘテロ界面を急峻かつ平坦にす
ればよい。具体的には強磁性半導体の（ＧａＭｎ）Ａｓ
と非磁性半導体のＡｌＡｓとを積層する。この材料系の
場合、強磁性層の量子井戸層は（ＧａＭｎ）Ａｓであ
り、非磁性層の障壁層はＡｌＡｓである。
【００２９】さらに強磁性金属と半導体とからなるヘテ
ロ構造で強磁性２重量子井戸構造を形成してもよい。例
えば強磁性金属のＭｎＡｓと半導体のＧａＡｓとからヘ
テロ構造を形成する。この材料系の場合、強磁性層の量
子井戸層はＭｎＡｓであり、非磁性層の障壁層はＧａＡ
ｓである。なお、障壁層は非磁性の半導体、非磁性の絶
縁体でもよい。
【００３０】本発明に係る障壁層と量子井戸層とのヘテ
ロ構造は低温成長分子線エピタキシー法で形成すること
ができる。例えば、半導体表面上に１原子層分だけ異な
る元素を付着させ、その上にエピタキシャル成長させた
い物質を堆積させたり、温度などの成長条件を変えて半
導体表面の構造を特別な原子配列構造を持つ状態にし
て、その上にエピタキシャル成長させたい物質を成長さ
せることにより、半導体と磁性金属のような全く異なる
物質同士でも品質の良い単結晶ヘテロ構造が成長可能で
ある。
【００３１】次に、この発明の作用の詳細について説明
する。本発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デ
バイスは強磁性量子井戸における２次元電子系或いは正
孔系（以下、「２次元電子系」と総称し、電子について
説明する。）間のトンネル現象を利用している。トンネ
ル過程において散乱がなければ、電子のエネルギーと界
面に平行方向の運動量ｋ及びスピンｓは保存則を満た
す。
【００３２】したがって、図２（ｂ）のように２つの量
子井戸の磁化が反平行の場合、隣り合う量子準位のエネ
ルギーが等しくてもスピンの向きが反対であるので、量
子井戸間でのキャリアのトンネリングは完全に禁止さ
れ、抵抗は無限大となる。これはスピンが同じ向きの状
態にトンネルしようとしても、エネルギーと界面に平行
方向の運動量との両方を保存するような状態は隣の量子
井戸には存在しないことに基づく。この事情は強磁性層
のスピン偏極率が低くても同じである。
【００３３】一方、図２（ａ）に示すように２つの量子
井戸の磁化が平行の場合にはトンネル過程が許されるの
で、トンネル電流が流れ抵抗は有限の値をとる。したが
って２重強磁性量子井戸における２次元電子系間のトン
ネル現象を利用した本構造によれば、強磁性体のスピン
偏極率や強磁性体材料にかかわらず、極めて大きな理想
的には無限大のトンネル磁気抵抗比を得ることができ
る。
【００３４】また本発明に係る量子井戸の膜厚、障壁層
の膜厚や障壁高さを原子レベルで制御することにより、
量子準位のエネルギーやキャリアのトンネル確率を制御
することができる。障壁高さは障壁層と量子井戸層の物
質の組み合わせで決まる。例えば障壁層を化合物半導体
の３元混晶（Ａｌx Ｇａ1-x ）Ａｓで形成した場合、Ａ
ｌの組成ｘを０から１まで変えることによって障壁高さ
を電子に対して約１ｅＶ、正孔に対して０．５ｅＶ程度
変えることが可能である。したがって、例えば障壁層の
膜厚や障壁高さを変えることによって電流の大きさを制
御することができる。
【００３５】さらに、一方又は両方の量子井戸の膜厚を
変えることによって、トンネル電流が大きく流れる共鳴
トンネル現象を生じさせるための印加すべき電圧の値を
変えることができる。これによりバイアス電圧を制御す
ることができる。このようにして本構造のデバイスで
は、所望のバイアス電圧で大きなトンネル磁気抵抗を得
ることができる。
【００３６】次に、この発明の強磁性２重量子井戸トン
ネル磁気抵抗デバイスの応用について説明する。この発
明では強磁性体のスピン偏極率や強磁性体材料にかかわ
らず、きわめて大きな、理想的には無限大のトンネル磁
気抵抗比が得られるという原理を利用して、図１の基本
構造から様々なデバイス応用が可能である。
【００３７】まず、この発明は高感度磁気センサに応用
することができる。本発明の強磁性２重量子井戸トンネ
ル磁気抵抗デバイスが磁場によって大きく抵抗が変化す
ることを利用して、高感度の磁気センサを作製すること
ができる。さらに微細加工技術を使えば、微小領域の磁
化や磁場を検知することができるように形成可能であ
り、磁気記録媒体の読み出しに使うことができる。また
自動車等の輸送機器の安全対策や制御に用いることもで
きる。
【００３８】また、この発明は不揮発性メモリに応用す
ることができる。本発明では２層の強磁性層を用いてい
るので、磁場−電気抵抗の履歴はヒステリシスを生じ
る。すなわち強磁性層の磁化が平行な状態（低抵抗）と
反平行な状態（高抵抗）とは双安定であるので、不揮発
性メモリとして使える。この場合、読み出しは電気抵抗
の変化から容易にできるが、書き込みには磁場を発生さ
せるためにパルス電流を流すワード線を素子の近傍に配
置する。したがって、図１の構造を半導体基板上に形成
し、微細加工することによって、半導体ＬＳＩとモノリ
シックに集積化した高密度の不揮発性メモリを作製する
ことができる。
【００３９】以下に、この発明を応用した不揮発性メモ
リセルについて説明する。この種の不揮発性メモリは、
複数の不揮発性メモリセルを有し、この複数の不揮発性
メモリセルの内から特定の不揮発性メモリセルを選択し
て書き込み読み出しを行うためのワード線及びビット線
を有している。また、ワード線とビット線はメモリ上に
縦横に配置され、その交差する位置に不揮発性メモリセ
ルが配置されている。この不揮発性メモリセルは、不揮
発性メモリデバイスとこのメモリセルを選択するための
スイッチングデバイスとから構成されている。
【００４０】図３は上記の不揮発性メモリデバイスとし
て本発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイ
スを用い、スイッチングデバイスとして半導体スイッチ
ングデバイスを用いた、本発明の強磁性２重量子井戸ト
ンネル磁気抵抗不揮発性メモリセルの回路構成図であ
る。図３に基づいて、この不揮発性メモリセルを説明す
る。図３において、１は図１に示した本発明の強磁性２
重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイスであり、８１は半
導体スイッチングデバイスの一例であるＭＯＳトランジ
スタである。８２及び８３はそれぞれビット線及びワー
ド線である。ＭＯＳトランジスタ８１のドレインＤはビ
ット線８２に接続し、ゲートＧはワード線８３に接続
し、ソースＳは本発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁
気抵抗デバイス１の電極層１４に接続している。本発明
の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイス１は、
非磁性体の第１障壁層２と、強磁性体の第１量子井戸層
４と、非磁性体の第２障壁層６と、強磁性体の第２量子
井戸層８と、非磁性体の第３障壁層１０とが順次積層さ
れたヘテロ構造を有しており、第１障壁層２及び第３障
壁層１０の各々の外側の面には非磁性体の電極層１２，
１４が形成されている。電極層１２はグランドＧＮＤに
接続している。
【００４１】次に、この不揮発性メモリセルの動作を説
明する。メモリ情報の読み出しは、選択したワード線８
３に電圧を印加してこのワード線８３に接続されたＭＯ
Ｓトランジスタ８１をＯＮにし、かつ、選択したビット
線８２に読み出し電圧を印加してビット線８２とグラン
ドＧＮＤ間に電流を流し、その抵抗値から第１量子井戸
層４と第２量子井戸層８の磁化状態を読み出すことによ
って行う。すなわち、第１量子井戸層４と第２量子井戸
層８の磁化が平行であった場合は、抵抗が小さく（メモ
リ情報のＯＮ又はＯＦＦに対応）、反平行であった場合
には抵抗値が高い（メモリ情報がＯＦＦ又はＯＮに対
応）。このようにして、選択したメモリセルのメモリ情
報がＯＮであるかＯＦＦであるかを読み出すことができ
る。書き込みは、選択した特定のワード線８３及びビッ
ト線８２に電流パルスを流し、これらの電流による重畳
磁界によって、第１量子井戸層４と第２量子井戸層８の
磁化状態を変化させることによって行う。すなわち、電
流の向きによって、２つの強磁性層の磁化が平行な状態
又は反平行な状態を書き込む。このようにして、ＯＮ又
はＯＦＦのメモリー情報を書き込むことができる。これ
により、高速且つ高感度な不揮発性メモリセルを実現す
ることができる。
【００４２】次に、より高集積な不揮発性メモリを可能
にする本発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁気
抵抗不揮発性メモリデバイスについて説明する。本発明
の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁気抵抗不揮発性
メモリデバイスは、図１に示した本発明の強磁性２重量
子井戸トンネル磁気抵抗デバイスの２つの量子井戸層に
それぞれ電極を形成し、２つの量子井戸間の電圧差を独
立に制御できるようにした構成を有する。
【００４３】図４に、本発明の強磁性２重量子井戸トン
ネル３端子磁気抵抗不揮発性メモリデバイスの構成を示
す。図４に基づいてこのデバイスを説明する。図４にお
いて、本発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁気
抵抗デバイス３は、非磁性体の第１障壁層２と、強磁性
体の第１量子井戸層４と、非磁性体の第２障壁層６と、
強磁性体の第２量子井戸層８と、非磁性体の第３障壁層
１０とが順次積層されたヘテロ構造を有しており、第１
障壁層２及び第３障壁層１０の各々の外側に非磁性体の
電極層１２，１４が形成されている。さらに、このデバ
イス３の強磁性体の第１量子井戸層４と強磁性体の第２
量子井戸層８のそれぞれには電極が形成され、第１量子
井戸層４と第２量子井戸層８のそれぞれの電位を制御で
きる制御端子８４，８５が設けられている。電極層１２
をここではエミッタと命名し、８６は、このエミッタ１
２に設けた第１の端子と称する。電極層１４をここでは
コレクタと称し、８７は、このコレクタ１４に設けた第
２の端子と称する。第１量子井戸層４と第２量子井戸層
８に設けた制御端子８４と８５を第３の端子と称する。
ＶQW1 は第１量子井戸層４の電圧を表す。ＶQW2 は第２
量子井戸層８の電圧を表す。
【００４４】次に、このデバイスの動作を説明する。第
１量子井戸層４と第２量子井戸層８の膜厚が等しい構成
の場合は、第１量子井戸と第２量子井戸の量子準位のエ
ネルギーが等しいので、第１量子井戸層４の電圧ＶQW1
と、第２量子井戸層８の電圧ＶQW2 を制御端子８４と８
５を介して等しく設定すれば、この２つの量子準位のエ
ネルギーレベルが一致するため、この２つの量子井戸層
間で共鳴トンネル電流が流れる状態に制御される。した
がって、エミッタ１２とコレクタ１４間に電圧を印加
し、エミッタ１２からコレクタ１４に電子流を流すこと
によって、その抵抗値から、第１量子井戸層４と第２量
子井戸層８の磁化状態を読み出すことができる。すなわ
ち、２つの量子井戸層の磁化が平行であった場合は、抵
抗値が小さく、反平行であった場合には、抵抗値が高
い。
【００４５】一方、第１量子井戸層４の電圧ＶQW1 と第
２量子井戸層８の電圧ＶQW2 を、制御端子８４と８５を
介して、十分大きな電圧差に設定すれば、この２つの量
子井戸層間で共鳴トンネル電流が流れない状態に制御さ
れる。したがって、この場合には、この２つの量子井戸
層の磁化状態によらず、エミッタ１２からコレクタ１４
に電子流が流れないため、第１量子井戸層４と第２量子
井戸層８の磁化状態を読み出すことができない。
【００４６】また、上記の例では、第１量子井戸層４又
は第２量子井戸層８の膜厚が等しい構成について説明し
たが、膜厚が異なる構成の場合には、第１量子井戸と第
２量子井戸の量子準位のエネルギーが異なるので、第１
量子井戸層４の電圧ＶQW1 と、第２量子井戸層８の電圧
ＶQW2 を制御端子８４と８５を介して、この２つの量子
準位のエネルギー差に相当する電圧差に設定し、この２
つの量子準位のエネルギーレベルが一致するようにすれ
ば、共鳴トンネル電流が流れる状態に制御される。した
がって、この場合には、エミッタ１２とコレクタ１４間
に電圧を印加し、エミッタ１２からコレクタ１４に電子
流を流すことによって、その抵抗値から第１量子井戸層
４と第２量子井戸層８の磁化状態を読み出すことができ
る。
【００４７】一方、第１量子井戸層４の電圧ＶQW1 と第
２量子井戸層８の電圧ＶQW2 を制御端子８４と８５を介
して、この２つの量子準位のエネルギー差に一致しない
十分大きな電圧差に設定すれば、共鳴トンネル電流が流
れない状態に制御される。したがって、この場合には、
この２つの量子井戸層の磁化状態によらず、エミッタ１
２からコレクタ１４に電子流が流れないため、第１量子
井戸層４と第２量子井戸層８の磁化状態を読み出すこと
ができない。
【００４８】以上説明したように、本発明の強磁性２重
量子井戸トンネル３端子磁気抵抗不揮発性メモリデバイ
スは、この第３の電極に印加する電圧差によって、第１
量子井戸層と第２量子井戸層の磁化状態を読み出し可能
にしたり、読み出し不可能にしたりすることができる。
【００４９】次に、本発明の強磁性２重量子井戸トンネ
ル３端子磁気抵抗不揮発性メモリデバイスからなる不揮
発性メモリセルを説明する。図５は、不揮発性メモリセ
ルが、本発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁気
抵抗デバイスから成る不揮発性メモリセルの回路構成図
である。図５に基づいてこの不揮発性メモリセルを説明
する。図５において、３は、図４に示した本発明の強磁
性２重量子井戸トンネル３端子磁気抵抗デバイスであ
る。エミッタである電極層１２は接続端子８６を介して
グランドＧに接続している。第１量子井戸層４は、第３
の端子である制御端子８４を介して第１のワード線８３
に接続している。第２量子井戸層８は第３の端子である
制御端子８５を介して第２のワード線８８に接続してい
る。コレクタである電極層１４は接続端子８７を介しビ
ット線８２に接続している。
【００５０】次に、この不揮発性メモリセルの動作を説
明する。第１量子井戸層４と第２量子井戸層８の膜厚を
同じにした構成について説明する。読み出しは、選択し
たワード線８３及び８８を介して第１量子井戸層４の電
圧ＶQW1 と第２量子井戸層８の電圧ＶQW2 を等しく設定
し、この両量子井戸間で共鳴トンネル電流が流れる状態
に設定し、選択したビット線８２に読み出し電圧を印加
することによってエミッタ１２からコレクタ１４に電子
流を流し、その抵抗値を知ることによっておこなう。す
なわち、第１量子井戸層４と第２量子井戸層８の磁化が
平行であった場合は抵抗が小さく（メモリ情報がＯＮ又
はＯＦＦに対応）、反平行であった場合には抵抗値が高
い（メモリ情報がＯＦＦ又はＯＮに対応）。このように
して、選択した不揮発性メモリセルのメモリー情報がＯ
ＮであるかＯＦＦであるかを読み出す。
【００５１】一方、選択したワード線８３及び８８を介
して第１量子井戸層４の電圧ＶQW1と第２量子井戸層８
の電圧ＶQW2 とを、十分な大きさの電圧差に設定し、こ
の２つの量子井戸間で共鳴トンネル電流が流れない状態
に設定すれば、ビット線８２に読み出し電圧を印加して
も、エミッタ１２からコレクタ１４に電子流が流れない
ため、この２つの量子井戸の磁化状態によらず、この不
揮発性メモリセルのメモリ情報を読み出すことができな
い。
【００５２】このように、第３の端子は、その２つの端
子間の電圧差を０にするか、十分な電圧差を与えるかに
よって、不揮発性メモリセルのメモリ情報の読み出しを
可又は不可に制御できる機能を有する、すなわち、特定
のセルを選択する機能を有するから、特定の第１、第２
のワード線及びビット線を選択し、所定の電圧を印加す
ることにより、複数の不揮発性メモリセルの内から特定
の不揮発性メモリセルのメモリ情報を読み出すことがで
きる。
【００５３】また、特定の不揮発性メモリセルへの書き
込みは、図５では示していないが、ワード線とビット線
を適切に配置して、ワード線とビット線を流れる電流に
よる磁界の重畳によって書き込みを行う。すなわち、特
定の第１、第２のワード線及びビット線を選択し、所定
の電流を流すことにより、複数の不揮発性メモリセルの
内から特定の不揮発性メモリセルにメモリ情報を書き込
むことができる。
【００５４】また、上記の例では、１セルあたり、２本
のワード線、すなわち、第１のワード線８３及び第２の
ワード線８８を使用する構成について説明したが、Ｖ
QW1 とＶQW2 の電圧差が共鳴トンネル状態を決定するの
で、第１量子井戸層又は第２量子井戸層のどちらか一方
の電圧を固定しても良い。図６に第１井戸層の制御端子
８４をグランドＧＮＤに接続した例を示す。この場合、
図６に示すように、１メモリセルあたりのワード線は１
本で構成できる。
【００５５】また上記の例では、第１量子井戸層又は第
２量子井戸層の膜厚が等しい構成について説明したが、
膜厚が異なる構成にすれば、共鳴トンネルを起こすＶ
QW1 とＶQW2 の電圧差が膜厚に応じて変化する。したが
って、ワード線に印加する特定のセルを選択するための
電圧を上記膜厚を変えることによって、任意に選択する
ことができる。
【００５６】以上説明したように、本発明の強磁性２重
量子井戸トンネル３端子磁気抵抗不揮発性メモリデバイ
スのみで不揮発性メモリセルを構成することができる。
したがって、占有する面積が大きい半導体スイッチング
デバイスを使用しないので、メモリの集積度を上げるこ
とができる。また、半導体デバイスを使用しないので、
半導体デバイスの特性のばらつきによる、歩留り低下の
問題が生じない。また、半導体デバイスを使用しないの
で、強磁性２重量子井戸製造プロセスと半導体製造プロ
セスとの整合性の問題も生じない。
【００５７】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、この
発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイスで
は、量子井戸の膜厚、障壁層の膜厚や障壁高さを原子レ
ベルで制御して量子準位のエネルギーやキャリアのトン
ネル確率を設定し、所望のバイアス電圧を設定する。し
たがって、この発明では保磁力に差を持たせた２つの強
磁性量子井戸層の磁化の向きを平行な状態と反平行な状
態とに外部磁場で制御してキャリアのトンネル効果を制
御するので、無限大の磁気抵抗比を所望のバイアス電圧
で得ることができるという効果を有する。
【００５８】また、強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵
抗デバイスのはるかに大きな磁気抵抗効果により、高感
度磁気センサや不揮発性メモリに利用できるという効果
を有する。また、強磁性２重量子井戸に第３の電極を設
けた３端子デバイス構成とすることにより、共鳴トンネ
リングを制御することができ、メモリ情報の読み出しの
可／不可を制御できるという効果を有する。さらに、メ
モリセルにこの３端子デバイスを使用すれば、高集積な
メモリが作製できるという効果を有することに加え、半
導体デバイスと併存しないため、製造プロセスが容易に
なり、かつ、歩留りよく製造できるという効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵
抗デバイスの構造を示す図である。
【図２】この発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵
抗デバイスに係る強磁性２重量子井戸のエネルギーバン
ド図であり、（ａ）は量子井戸の磁化の向きが平行の場
合であり、（ｂ）は量子井戸の磁化の向きが反平行の場
合を示す。
【図３】本発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗
デバイスと半導体スイッチングデバイスとから成る、本
発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗不揮発性メ
モリセルの回路構成図である。
【図４】この発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子
磁気抵抗デバイスの構造図である。
【図５】本発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁
気抵抗デバイスから成る不揮発性メモリセルの回路構成
図である。
【図６】本発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁
気抵抗デバイスから成る不揮発性メモリセルにおいて、
第１量子井戸層の端子をグランドに接続した場合の回路
構成図である。
【符号の説明】
１ 本発明の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デ
バイス ２ 第１障壁層 ３ 本発明の強磁性２重量子井戸トンネル３端子磁気
抵抗デバイス。 ４ 第１量子井戸層 ６ 第２障壁層 ８ 第２量子井戸層 １０ 第３障壁層 １２，１４ 電極層 ２１，２３，２５ エネルギー障壁 ２２，２４，５２，５４ 量子井戸 ２６，２８，３２，３４，５６，５８，６２，６４
量子準位 ３６，３８，４２，４４，６６，６８，７２，７４
スピン ８１ ＭＯＳトランジスタ ８２ ビット線 ８３ ワード線 ８４ 制御端子 ８５ 制御端子 ８６ 第１の端子 ８７ 第２の端子 ８８ 第２のワード線 ＶQW1 第１量子井戸層の電圧 ＶQW2 第２量子井戸層の電圧
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−86236（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−88425（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−204584（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−284765（ＪＰ，Ａ) 日本応用磁気学会研究会資料，1999年 ３月18日，Ｖｏｌ．109，ｐｐ．13− 20 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01F 10/32 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 強磁性体の第１量子井戸層と強磁性体の
    第２量子井戸層とを非磁性体の障壁層で挟んだ構造を有
    し、上記第１量子井戸層及び上記第２量子井戸層の磁化
    の向きに基づきキャリアのトンネリングが生じて磁気抵
    抗が変化する強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバ
    イス。
  2. 【請求項２】 前記第１量子井戸層と前記第２量子井戸
    層とが保磁力に差を有していることを特徴とする、請求
    項１記載の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイ
    ス。
  3. 【請求項３】 前記第１量子井戸層及び前記第２量子井
    戸層が、前記キャリアのドブロイ波長より薄い厚さを有
    していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の強
    磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイス。
  4. 【請求項４】 前記第１量子井戸層及び前記第２量子井
    戸層が、前記キャリアを量子閉じこめする２次元電子又
    は正孔状態を実現していることを特徴とする、請求項１
    〜３のいずれかに記載の強磁性２重量子井戸トンネル磁
    気抵抗デバイス。
  5. 【請求項５】 前記第１量子井戸層及び前記第２量子井
    戸層と前記障壁層とのヘテロ界面が、前記キャリアの、
    エネルギー、上記界面に平行方向の運動量、及びスピン
    が保存される程度に、原子的に平坦かつ急峻であること
    を特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の強磁性
    ２重量子井戸トンネル磁気抵抗デバイス。
  6. 【請求項６】 前記障壁層を前記キャリアのトンネリン
    グが可能な厚さに形成していることを特徴とする、請求
    項１〜５のいずれかに記載の強磁性２重量子井戸トンネ
    ル磁気抵抗デバイス。
  7. 【請求項７】 前記第１量子井戸層が金属の強磁性体又
    は強磁性を示す半導体のいずれかであることを特徴とす
    る、請求項１〜６のいずれかに記載の強磁性２重量子井
    戸トンネル磁気抵抗デバイス。
  8. 【請求項８】 前記第２量子井戸層が金属の強磁性体又
    は強磁性を示す半導体のいずれかであることを特徴とす
    る、請求項１〜７のいずれかに記載の強磁性２重量子井
    戸トンネル磁気抵抗デバイス。
  9. 【請求項９】 前記障壁層のそれぞれが非磁性の半導体
    又は非磁性の絶縁体のいずれかであることを特徴とす
    る、請求項１〜８のいずれかに記載の強磁性２重量子井
    戸トンネル磁気抵抗デバイス。
  10. 【請求項１０】 前記第１量子井戸層及び前記第２量子
    井戸層の膜厚並びに前記障壁層の膜厚及びエネルギー障
    壁の高さを制御して、上記第１量子井戸層及び上記第２
    量子井戸層の量子準位のエネルギーと、前記キャリアの
    トンネル確率とを設定したことを特徴とする、請求項１
    〜９のいずれかに記載の強磁性２重量子井戸トンネル磁
    気抵抗デバイス。
  11. 【請求項１１】 前記第１量子井戸層及び前記第２量子
    井戸層の膜厚を変えることにより、共鳴トンネル現象を
    生じさせるための印加すべき電圧の値を変えることがで
    きるようにしたことを特徴とする、請求項１〜１０のい
    ずれかに記載の強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デ
    バイス。
  12. 【請求項１２】 強磁性体の第１量子井戸層と強磁性体
    の第２量子井戸層とを非磁性体の障壁層で挟んだ構造を
    有し、上記第１量子井戸層及び上記第２量子井戸層の磁
    化の向きに基づきキャリアのトンネリングが生じて磁気
    抵抗が変化する強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デ
    バイスにあって、外部磁場により抵抗が変化することを
    利用して磁気を検知する高感度磁気センサ。
  13. 【請求項１３】 強磁性体の第１量子井戸層と強磁性体
    の第２量子井戸層とを非磁性体の障壁層で挟んだ構造を
    有し、上記第１量子井戸層及び上記第２量子井戸層の磁
    化の向きに基づきキャリアのトンネリングが生じて磁気
    抵抗が変化する強磁性２重量子井戸トンネル磁気抵抗デ
    バイスにあって、上記磁化の平行な状態と反平行な状態
    とが磁気抵抗の変化から判別可能であること及び上記磁
    化の平行な状態と反平行な状態とが双安定で制御可能で
    あることを利用した、書き込み可能な不揮発性メモリデ
    バイス。
  14. 【請求項１４】 請求項１３記載の不揮発性メモリデバ
    イスであって、さらにこの第１量子井戸層及び第２量子
    井戸層にそれぞれ電極を設け、この電極間に加える電圧
    差によって、上記第１量子井戸層及び第２量子井戸層間
    の共鳴トンネリング状態を制御することにより、上記第
    １量子井戸層及び第２量子井戸層の磁化状態の読み出し
    を可能又は不可能に制御するようにした、不揮発性メモ
    リデバイス。
  15. 【請求項１５】 請求項１３記載の不揮発性メモリデバ
    イスと半導体スイッチングデバイスとから成る不揮発性
    メモリセル。
  16. 【請求項１６】 請求項１３記載の不揮発性メモリデバ
    イスであって、さらにこの第１量子井戸層及び第２量子
    井戸層にそれぞれ電極を設け、この電極間に加える電圧
    差によって、上記第１量子井戸層及び第２量子井戸層間
    の共鳴トンネリング状態を制御することにより、上記第
    １量子井戸層及び第２量子井戸層の磁化状態の読み出し
    を可能又は不可能に制御するようにした、不揮発性メモ
    リデバイスから成る不揮発性メモリセル。
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