JP3556457B2

JP3556457B2 - Spin-dependent conductive element and electronic and magnetic components using the same

Info

Publication number: JP3556457B2
Application number: JP03934398A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎猪俣; 好昭斉藤; 達也岸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JPH11238924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性体のトンネル効果を利用した磁気素子とその応用部品に係り、特に強磁性体中に形成された離散的なエネルギー準位を外部から制御するようにしたスピン依存伝導素子とそれを用いた電子部品および磁気部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピン依存伝導素子としては、これまでに巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が知られている。磁気抵抗効果（ＭＲ）とは、ある種の磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。例えば、強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は温度安定性に優れ、かつ使用範囲が広いというような特徴を有している。
【０００３】
従来より、磁性体を用いたＭＲ素子にはパーマロイ合金などの薄膜が広く使用されてきた。これをハードディスクなどの再生ヘッドに使用することで高密度磁気記録が達成されている。しかし、パーマロイ薄膜の磁気抵抗変化率は２〜３％程度と小さいため、さらなる高密度記録を達成しようとすると十分な感度が得られないという問題があった。
【０００４】
一方、近年磁気抵抗効果を示す新しい材料として、磁性金属層と非磁性金属層とを数オングストロームから数十オングストロームのオーダーの周期で交互に積層した構造を有し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モーメントが反平行状態で磁気的に結合した人工格子膜が、巨大磁気抵抗効果を示す材料として注目されている。例えば、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，２４７２（１９８８））や、Ｃｏ／Ｃｕ人工格子膜（Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔｅｒ．９４，Ｌ１（１９９１）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６６，２１５２（１９９１））などが見出されている。
【０００５】
このような金属人工格子膜は、数１０％という従来のパーマロイ合金薄膜よりも格段に大きな磁気抵抗変化率を示す。このような巨大磁気抵抗効果は、伝導を担う電子の散乱が磁性層のスピンの向きに依存することに起因している。しかしながら、このような金属人工格子膜は、大きな磁気抵抗効果を得るためには積層数を多くする必要があるという問題や、飽和磁界（抵抗値が飽和する磁界）が数テスラ（Ｔ）以上と大きく、このままでは磁気ヘッドなどへの応用には不向きであるという問題を有している。
【０００６】
飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜を有し、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強磁性層を外部磁界により磁化反転させることにより、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変化させる、いわゆるスピンバルブ膜が開発されている。しかし、スピンバルブ膜は磁気抵抗変化率が４〜８％程度とあまり大きくなく、また積層膜の比抵抗そのものが数１０μΩｃｍと小さいため、外部磁界を検出するためには比較的大きな電流を流す必要があるという問題を有している。
【０００７】
また、多層膜に対して電流を膜面に垂直方向に流す、いわゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、非常に大きな磁気抵抗効果か得られることが知られている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６６，３０６０（１９９１））。しかし、この場合には電流パスが小さく、また各層が金属であるために抵抗が小さく、サブミクロン以下に微細加工をしないと室温での磁気抵抗効果を測定できないという問題がある。
【０００８】
さらに、以上述べたような人工格子膜とは異なり、非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分散させた、いわゆるグラニュラー磁性膜もスピンに依存した伝導に基づく巨大磁気抵抗効果を示すことが見出されている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８，３７４５（１９９２））。このようなグラニュラー磁性膜は、磁界を加えない状態では磁性超微粒子の性質により、各磁性超微粒子のスピンは互いに不規則な方向を向いて抵抗が高く、磁界を加えて各スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下し、その結果スピン依存散乱に基ずく磁気抵抗効果が発現する。しかし、この場合の磁性超微粒子は超常磁性を示すため、飽和磁界が本質的に非常に大きいという問題を有している。
【０００９】
一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異にする、強磁性トンネル効果に基づく巨大磁気抵抗効果が見出されている。これは強磁性層／絶縁層／強磁性層の３層積層膜からなり、一方の強磁性層の保磁力が他方の強磁性層の保磁力よりも小さい構造において、両強磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を発生させるものである。このとき、保磁力の小さい磁性層のスピンのみを反転させると、２つの強磁性層のスピンが互いに平行なときと反平行なときでトンネル電流が大きく異なるため、巨大磁気抵抗効果が得られる。
【００１０】
このような強磁性トンネル接合素子は構造が簡単であり、しかも室温で２０％程度の大きな磁気抵抗変化率が得られるという特徴がある。しかしながら、トンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを数ｎｍ以下と薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層を均質に、しかも安定して作製することは困難であるため、抵抗や磁気抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまうという問題がある。また、絶縁層の抵抗が高すぎると、これを磁気ヘッドなどに用いるために微細化した場合、一般に素子の高速動作が得られず、また雑音が増大してＳ／Ｎ比の大きい素子が得られないなどの問題が予測されている。
【００１１】
一方、スピンバルブ膜や強磁性トンネル接合を利用した磁気記憶素子も知られている。この場合、２つの磁性層のうち一方を記録層とし、他方を読出し層としている。従って、記録、再生のいずれの場合にもスピンを反転させる必要があり、そのための磁界印加用電流源が必要になる。
【００１２】
さらに、強磁性体を用いた３端子素子、いわゆるスピントランジスタと称するものが知られている。これは金属磁性体／金属非磁性体／金属磁性体の３層構造を有している。第１の金属磁性体と金属非磁性体との間に電圧を印加すると、第２の金属磁性体と金属非磁性体との間に出力電圧が発生し、かつその出力電圧は第１および第２の金属磁性体のスピンが互いに平行なときと反平行なときとで大きさが同じで符号が逆になるというものである（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９．４７２７（１９９６））。しかし、このスピントランジスタは全て金属でできているため、出力電圧がナノボルト程度と非常に小さく、また電流増幅作用は有していない。
【００１３】
また、最近クーロンブロッケード効果により磁気抵抗効果が増大することが見出されている（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．６６，１２６１（１９９７））。小さな容量をもつ２重トンネル接合において、電子を１個トンネルさせるとＥ_ｃ＝ｅ^２／２Ｃだけエネルギーが増大し、Ｃが小さければＥ_ｃは非常に大きくなり、電子１個と言えどもトンネルできない。これをクーロンブロッケードと言う。しかし、このようなクーロンブロッケード状態でも高次のトンネル電流は流れ、これは協同トンネルと呼ばれる。この状態では、抵抗は２つのトンネル接合抵抗の積に比例するので、磁気抵抗効果は増大する。
【００１４】
従来から、電子あるいはホールの伝導を利用した素子としては半導体素子が知られており、種々の電子回路やメモリ素子など、非常に多くの分野で利用されている。しかし、半導体素子は電子の電荷のみを利用したものであり、電子のスピンは利用していない。
【００１５】
また、金属層と誘電体層、あるいは異なる半導体のへテロエピタキシャル層からなる積層膜において、金属層あるいは半導体層に離散的なエネルギー準位が形成され、そのエネルギー準位を経由してトンネル伝導する、いわゆる共鳴トンネル効果を利用した素子も知られている。しかし、これらの素子も電子の電荷のみを利用したものであり、電子のスピンは利用していない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、これまでの電子伝導を利用した半導体素子や共鳴トンネル効果素子は、いずれも電子の電荷のみを利用したものであり、電子のスピンは利用していない。
【００１７】
一方、電子のスピンを利用した伝導素子としては、巨大磁気抵抗効果を示すスピンバルブ素子、それを利用した磁気センサ、磁気ヘッド、磁気記憶素子、あるいは強磁性トンネル接合を利用した磁気ヘッドや磁気記憶素子などが知られている。これらは磁気抵抗変化率が１０％未満と小さいために再生感度に限界があり、また出力電圧が小さいという問題を有している。特に、磁気記憶素子では記録、再生のいずれの場合にもスピンを反転させる必要があり、そのための磁界印加用の電流源が必要になるという煩雑さがある。
【００１８】
また、金属磁性体／金属非磁性体／金属磁性体の３層構造を有する従来の３端子素子（スピントランジスタ素子）は、出力電圧が極端に小さく実用化が困難であり、また電流増幅作用も有していない。
【００１９】
本発明は、従来の電子伝導素子とは全く異なる電子のスピンを利用した電子伝導素子を提供するものであり、しかも磁性体中に形成された離散的エネルギー準位を利用することで、極めて大きな磁気抵抗変化率が室温で得られ、さらにその離散的エネルギー準位を電圧によって制御することによって、増幅機能を持たせたスピン依存伝導素子を提供することを目的としている。さらには、そのようなスピン依存伝導素子を用いた電子部品および磁気部品を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、強磁性微粒子を誘電体マトリックス中に分散させたグラニュラー磁性層と、このグラニュラー磁性層に近接配置された強磁性層との間にトンネル電流を流す磁気素子に関する研究を進めた結果、トンネル電流を制御することにより磁気抵抗を大幅に制御できることを見出した。さらに、これはスピン依存共鳴トンネル効果を起源とするものであることを検証した。本発明はこのような知見および検証結果に基づくものである。
【００２１】
上記したスピン依存共鳴トンネル効果は、２重以上の多重トンネル接合によるものである。従って、グラニュラー磁性層を用いた場合以外の、強磁性層と誘電体層あるいは強磁性層と半導体層からなる多重トンネル接合においても、同様の効果が得られる。スピン依存共鳴トンネル効果が発現するためには、多重トンネル接合における強磁性体の少なくとも一つに、離散的エネルギー準位が形成されなければならない。
【００２２】
本発明は上記したような新たな知見に基づくものであり、強磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）内に生じた離散的エネルギー準泣を外部電圧により制御する電極を設けたスピン依存伝導素子と、それを用いた応用部品、応用装置を提供するものである。
【００２３】
すなわち、本発明における第１のスピン依存伝導素子は、請求項１に記載したように、厚さが 5nm 以下の1層以上の強磁性層と、少なくとも1層が強磁性体からなる2層以上の電極層と、前記強磁性層および電極層間に2重以上の多重トンネル接合が形成されるように、前記強磁性層および電極層と交互に積層配置された誘電体または半導体からなる2層以上のトンネル層と、前記強磁性層にバイアス電圧を印加する電極とを有する 3 端子素子構造を具備し、前記強磁性層に離散的なエネルギー準位が形成されており、かつ前記電極層間に電圧を印加して前記多重トンネル接合にトンネル電流を流すと共に、前記電極に印加するバイアス電圧で前記強磁性層の離散的なエネルギー準位を制御することを特徴としている。
【００２４】
本発明における第２のスピン依存伝導素子は、請求項２に記載したように、誘電体マトリックス中に分散させた強磁性微粒子を有し、かつ保磁力を持つ１層以上のグラニュラー磁性層と、前記グラニュラー磁性層との間に２重以上の多重トンネル接合が形成されるように、前記グラニュラー磁性層と近接配置された少なくとも１層が強磁性体からなる２層以上の電極層とを具備し、前記グラニュラー磁性層に静電エネルギーに基づく離散的なエネルギー準位が形成されており、かつ前記エネルギー準位を制御するための電極を有することを特徴としている。
【００２５】
本発明のスピン依存伝導素子は、請求項３に記載したように、前記多重トンネル接合がスピン依存共鳴トンネル効果を示すことを特徴とするものである。さらに、請求項４および請求項５に記載したように、前記強磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）と前記強磁性体からなる電極層のうち、一方のスピンの方向を変化させることにより、スピン依存共鳴トンネル効果に基づく磁気抵抗効果を発現させるものである。本発明のスピン依存伝導素子は３端子素子構造を具備する。
【００２６】
また、本発明の電子部品および磁気部品は、上述した本発明スピン依存伝導素子を具備することを特徴としている。同様に、本発明の磁気ヘッドおよび磁気記憶素子は、上述した本発明スピン依存伝導素子を具備することを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２８】
まず、本発明のスピン依存伝導素子の基本構成および本発明の基本となるスピン依存共鳴トンネル効果について説明する。なお、以下では簡単のために２重トンネル接合について、しかも誘電体を用いた場合について示す。この結果は多重トンネル接合および半導体を用いた場合に拡張できることは容易に考察できる。図１（ａ）は本発明の第１のスピン依存伝導素子の基本構成を示す図である。図１（ａ）に示すスピン依存伝導素子は、第１の強磁性層１／誘電体層２／第２の強磁性層３／誘電体層４／第３の強磁性層５からなる積層膜を有している。この積層膜においては、誘電体層２、４を介して、３層の強磁性層１、３、５間に２重トンネル接合が形成されている。
【００２９】
３層の強磁性層１、３、５のうち、第１および第３の強磁性層１、５は電極層である。なお、後述するように、トンネル電流の出口側に当る電極層（５）は強磁性体に限らず、非磁性金属などで構成してもよい。また、第２の強磁性層３は２つの薄い誘電体層２、４、すなわち２つのトンネル層によって挟まれており、各誘電体層２、４を介して第１の強磁性層１と第３の強磁性層５との間にそれぞれトンネル電流が流れるように構成されている。なお、図中６は電極である。
【００３０】
このような構造において、第２の強磁性層３が十分に薄い場合には、図１（ｂ）に示すように、量子効果により第２の強磁性層３にスピンに依存した離散的なエネルギー準位が形成される。すなわち、第２の強磁性層３の離散的なエネルギー準位は交換相互作用のためにスピン分裂しており、上向きスピン（↑）と下向きスピン（↓）ではエネルギーが交換エネルギーγの分だけ異なっている。
【００３１】
今、図１（ａ）に示したように、第１の強磁性層１と第２の強磁性層３との間に電圧を印加すると共に、第２の強磁性層３と第３の強磁性層５との間に逆符号の電圧を印加する。すると、薄い誘電体層（トンネル層）２を介して第１の強磁性層１と第２の強磁性層３との間にトンネル電流が流れる。そして、第１の強磁性層１と第３の強磁性層５に加えた電圧Ｖが適当な値のとき、第２の強磁性層３内の上向きスピン（↑）または下向きスピン（↓）の離散的エネルギー準位のうちの１つ（図１（ｂ）では↑スピン）が第１の強磁性層１の伝導電子のエネルギーと同じレベル（共鳴状態）になる。
【００３２】
そうすると、共鳴状態にある離散的エネルギー準位のスピンと同じ向きのスピンを持つ第１の強磁性層１中の伝導電子は、誘電体層２、４により反射されることなく、１００％の透過率をもって第１の強磁性層１から第３の強磁性層５へトンネル伝導することができる。一方、それとは反対のスピンを持つ伝導電子は、トンネル伝導することができない。これがスピン依存共鳴トンネル効果である。
【００３３】
強磁性体ではフェルミ準位近傍の電子のみが伝導に寄与し、しかもその伝導電子の数はスピンによって異なる。従って、第１の強磁性層１と第２の強磁性層３の磁化が互いに平行なときと反平行なときでは、共鳴準位を経てトンネルする電子の数が異なる。それゆえ、例えば第２の強磁性層３の磁化を固定し、第１の強磁性層１の磁化を反転させれば、両者でトンネル電流が大きく異なるため、スピン依存共鳴トンネル効果に基づく非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。第３の強磁性層５からなる電極層はトンネル電流が流れ得るものであればよく、強磁性体に限らず非磁性金属などからなる電極層を使用することができる。
【００３４】
図１は半導体を用いたトランジスタに相当し、第１の強磁性層１がエミッタ、第２の強磁性層３がベース、第３の強磁性層（あるいは非磁性電極層）５がコレクタに対応する。すなわち、エミッタ（１）とベース（３）に電圧Ｖ_ＥＢを印加するとベース電流Ｉ_Ｂが流れ，ベース（３）とコレクタ（５）に逆電圧Ｖ_ＣＢを印加するとコレクタ電流Ｉ_Ｃが流れる。コレクタ電流Ｉ_Ｃはベース電流Ｉ_Ｂよりも大きくなり、電流増幅作用を示す。
【００３５】
これまでは第２の強磁性層３のスピンが第１の強磁性層１のスピンに対して平行および反平行の場合について説明したが、一般に角度θをなす場合にはｃｏｓθに比例したトンネル電流が得られるので、電流値によってスピンの相対角度θを検出することができる。このように、バイアス電圧Ｖ_ＣＢを制御することによって、スピンの向きを決定することができ、また電流増幅作用を得ることができる。これらの機能によって、本発明のスピン依存伝導素子は真の意味でのスピントランジスタということができる。
【００３６】
本発明の第１のスピン依存伝導素子は、例えば半導体素子における電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）のように、第２の強磁性層３にバイアス電圧を印加するための電極を有する。図２はそのような構成の一例を示している。第２の強磁性層３には、バイアス電圧を印加するための電極７が設けられている。このような構成において、第１の強磁性層（第１の電極層）１と第３の強磁性層（第２の電極層／非磁性層であってもよい）との間に電圧を印加してトンネル電流を流し、電極７から第２の強磁性層３にバイアス電圧を印加して第２の強磁性層３の離散的エネルギー準位を制御（シフト）することによって、スピン依存共鳴状態を生じさせることができる。
【００３７】
さらに、本発明の第１のスピン依存伝導素子において、離散的エネルギー準位を形成する強磁性層（図１では第２の強磁性層３）は１層に限られるものではなく、例えば図３に示すように中間の強磁性層３を多層構造（３ａ、３ｂ、…３ｎ）とすると共に、これら各強磁性層３ａ、３ｂ、…３ｎを誘電体層９と交互に積層配置して、３重以上の多重トンネル接合を有する構成とすることもできる。このような構成においても、中間の強磁性層３の離散的エネルギー準位を制御することとよって、スピン依存共鳴状態を生じさせることができる。
【００３８】
図１〜３に示したスピン依存伝導素子において、強磁性層１、３、５の構成材料は特に限定されるものではなく、パーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー合金などのハーフメタル、ＣｒＯ_２、マグネタイト、Ｍｎペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希士類合金などの硬磁性材料まで、種々の強磁性材料を使用することができる。
【００３９】
また、第１および第２の強磁性層１、３のうち、例えば第１の強磁性層１のスピンの方向のみを変化させるためには、例えば強磁性体の保磁力の差を利用してもよいし、また反強磁性膜を積層配置して交換結合により強磁性層の磁化を固定するようにしてもよい。第２の強磁性層３の厚さは、上述したように量子効果によりスピンに依存した離散的なエネルギー準位が形成されるような厚さ、具体的には5nm以下とする。第１および第３の強磁性層１、５の厚さは特に限定されるものではなく、例えば0.1〜100mm程度とすることが好ましい。
【００４０】
さらに、上述した実施形態ではトンネル層として誘電体層２、４を用いた場合について説明したが、この誘電体層２、４に代えて半導体層をトンネル層として使用しても同様なスピン依存伝導素子を構成することができ、また同様な作用・効果が得られる。トンネル層として用いる誘電体および半導体は特に限定されるものではなく、種々の誘電体材料および半導体材料を使用することができる。また、トンネル層の厚さは０．５〜５ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４１】
上述した実施形態では、強磁性体と誘電体（または半導体）との２重以上の多重トンネル接合を有するスピン依存伝導素子について説明したが、非磁性の誘電体マトリックス中に強磁性微粒子を分散させたグラニュラー磁性層を用いた場合においても、同様なスピン依存共鳴トンネル効果を室温で得ることができる。これが本発明の第２のスピン依存伝導素子である。
【００４２】
すなわち、図４（ａ）に示すスピン依存伝導素子は、強磁性体からなる第１の電極層１１／グラニュラー磁性層１２／非磁性体からなる第２の電極層１３からなる積層膜を有している。この積層膜において、グラニュラー磁性層１２は誘電体マトリックス１４中に強磁性微粒子１５を分散させたものであり、このグラニュラー磁性層１２は超常磁性を示さず、有限の保磁力を持つ強磁性体である。このグラニュラー磁性層１２を挟んで、第１の電極層１１と第２の電極層１３とが近接配置されており、第１の電極層１１とグラニュラー磁性層１２およびグラニュラー磁性層１２と第２の電極層１３との間に、それぞれトンネル電流が流れるように構成されている。すなわち、グラニュラー磁性層１２と電極層１１、１３との間には２重トンネル接合が形成されている。
【００４３】
なお、第２の電極層１３は非磁性体に限らず強磁性体で構成してもよい。すなわち、第１および第２の電極層１１、１３のうち、少なくとも第１の電極層１１を強磁性体で構成すればよい。また、電極層１１、１３とグラニュラー磁性層１２とは直接積層配置することに限らず、それらの間にトンネル電流が流れる程度の厚さの絶縁膜を介在させてもよい。
【００４４】
このような構造において、グラニュラー磁性層１２に設けた電極１６を通して、第１の電極層（強磁性体）１１とグラニュラー磁性層１２との間に電圧Ｖ_ＥＢを印加する。そして、グラニュラー磁性層１２と第２の電極層（非磁性体）１３との間に逆符号の電圧Ｖ_ＣＢを印加する。ここで、グラニュラー磁性層１２中の強磁性微粒子１５の大きさは十分に小さく、また周囲を誘電体マトリックス１４によって囲まれているため、クーロンブロッケード効果によって強磁性微粒子１５のエネルギー準位は、静電エネルギーＥ_ｃ＝ｅ^２／２Ｃ（ｅは電子の電荷、Ｃは粒子の容量）のために、図４（ｂ）に示すように量子化されて離散的になる。
【００４５】
従って、前述した第１の実施形態と同様に、適当な値のバイアス電圧Ｖ_ＣＢを印加すると、グラニュラー磁性層と第１の電極層（強磁性層）１１との間に共鳴トンネル準位が形成される。そして、共鳴状態にあるときは磁気抵抗が小さく、共鳴から外れるとクーロンブロッケード効果により大きな磁気抵抗効果が得られる。よって、電極１６により磁性粒子の静電エネルギー準位を共鳴状態からはずすように制御し、例えばグラニュラー磁性層１２の磁化を固定し、強磁性層１１の磁化を反転させれば、両者でトンネル電流が大きく異なるため、非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。
【００４６】
一方、電極１６により磁性粒子の静電エネルギー準位を共鳴状態によるように制御するとクーロンブロッケード効果が消失し、磁気抵抗効果は減少する。このように、電極１６に加える電圧を制御することで、磁気抵抗効果を制御できるという新しい機能を持たせることができる。
【００４７】
第２のスピン依存伝導素子においても、前述した第１のスピン依存伝導素子と同様に、強磁性層１１とグラニュラー磁性層１２とのスピンの相対角度を検出することができる。また、図５に示すように、表面に絶縁層１９を有する基板１８上に形成したグラニュラー磁性層１２にバイアス電圧を印加するための電極１７を設けた構造とすることもできる。すなわち、第１の電極層１１と第２の電極層１３との間に電圧を印加してトンネル電流を流し、電極１７からグラニュラー磁性層１２にバイアス電圧を印加してグラニュラー磁性層１２中の離散的エネルギー準位を制御することにより、共鳴状態を生じさせることができる。この際、グラニュラー磁性層１２は図６に示すように、単一の強磁性微粒子で量子ドットを形成しているものであってもよい。図４に示した素子についても同様である。
【００４８】
さらに、本発明の第２のスピン依存伝導素子において、グラニュラー磁性層は１層に限られるものではなく、グラニュラー磁性層と強磁性層とをさらに多層積層した積層膜を適用することも可能である。このような構成においても、グラニュラー磁性層の離散的エネルギー準位を制御することとよって、スピン依存共鳴状態を生じさせることができる。
【００４９】
図４〜図６に示したスピン依存伝導素子において、グラニュラー磁性層１２は超常磁性を示さず、有限の保磁力を有する強磁性体であるため、従来のグラニュラーＧＭＲ材料のような飽和磁界が大きいという問題はない。また、グラニュラー磁性層１２は誘電体マトリックス１４中に磁性微粒子１５を分散させているため、誘電体層をもつ強磁性トンネル接合に比べて電気抵抗が小さく、さらにグラニュラー磁性層１２の電流パス方向（膜厚方向あるいは膜面内方向）の長さ、磁性微粒子１５の体積充填率、大きさ、分散状態などを制御することによって、電気抵抗を適当な値に制御できるという特徴を有してる。このため、応用に応じてスピン依存伝導素子の電気抵抗を容易に調整することができる。
【００５０】
グラニュラー磁性層１２は、上述したように超常磁性体でなく、有限の保磁力を持つ必要がある。誘電体マトリックス中に磁性微粒子を分散させたグラニュラー磁性材料では、バルクに比べて一般に保磁力がかなり小さくなるので、それを防ぐために、磁性微粒子１５には特に磁気異方性の大きいＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属一希土類合金などを用いることが望ましい。また、トンネル障壁を一定にする意味から、これらの磁性微粒子１５は層状に配列していることが望ましい。これらは２層以上に配列させてもよい。
【００５１】
また、保磁力があまり大きくないグラニュラー磁性材料を使用する場合には、グラニュラー磁性層の両端部に一対の硬磁性膜を隣接配置し、この硬磁性膜からバイアス磁界を印加することによりスピンを固定してもよい。バイアス磁界印加膜としては硬磁性膜に限らず、ＦｅＭｎやＩｒＭｎなどの反強磁性膜を使用することもできる。
【００５２】
グラニュラー磁性層１２における磁性微粒子１５の粒径は、超常磁性にならない程度の大きさ、具体的には１ｎｍ以上とすることが望ましい。ただし、あまり磁性微粒子１５が大きいと粒子間隔が増大するため、磁性微粒子７の粒径は１０ｎｍ以下程度とすることが好ましい。磁性微粒子１５の間隔は、それらの間でトンネル電流が流れるように５ｎｍ以下程度とすることが好ましい。
【００５３】
また、誘電体マトリックス１４としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、 ΜｇＦ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＣａＦ_２などの種々の誘電体材料を使用することができ、このような誘電体膜中に上記したような磁性微粒子１５を分散させることでグラニュラー磁性層１２が得られる。なお、上記した酸化膜、窒化膜、フッ化膜などでは、それぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのような誘電体膜であっても何等問題はない。
【００５４】
一方、強磁性層１１としてはグラニュラー磁性層１２との間で保磁力に大小関係を有していればよく、例えばパーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー合金などのハーフメタル、ＣｒＯ_２、マグネタイト、Ｍｎペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希士類合金などの硬磁性材料まで、種々の強磁性材料を使用することができる。
【００５５】
例えば、ハーフメタルは一方のスピンバンドにエネルギーギャップが存在するので、一方向のスピンを持つ電子しか伝導に寄与しない。従って、このような材料を強磁性層１１として使用することで、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。なお、第２の電極層１３に強磁性体を使用する場合、第１の電極層（強磁性体）１１と必ずしも同じ材料である必要はなく、グラニュラー磁性層１２と保磁力の違いがあればよい。
【００５６】
強磁性層１１は単層構造に限らず、非磁性層を介して配置した２つの強磁性層を有し、これら強磁性層の磁化を互いに反平行となるように結合させた積層膜であってもよい。このような反平行に結合させた積層膜によれば、強磁性層から磁束が外部に漏れることを防ぐことができ、好ましい形態ということができる。このような反平行に結合した強磁性層を得るためには、強磁性層と非磁性層とを交互に積層し、交換結合や静磁結合を利用すればよい。
【００５７】
さらに、強磁性層と半導体層とを交互に積層した積層膜を、強磁性層１１として用いることもできる。この場合には、熱や光照射によりスピンを反転させることができるため、磁界が不要になるという特徴がある。すなわち、例えば光や熱で記録し、バイアス電圧を印加することで読み出す、新しいメモリなどが実現できる。このような積層膜に用いる半導体としては、Ｂ_２０構造のＦｅＳｉ合金や β−ＦｅＳｉ_２、ＧａＡｓなどを用いることができる。
【００５８】
グラニュラー磁性層１２および強磁性層１１は、それぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有することが望ましい。これによって、急峻な磁化反転を起こすことができると共に、磁化状態を安定して保持することができる。これらは特に磁気記憶素子に適用する場合に有効である。また、グラニュラー磁性層１２および強磁性層１１の膜厚は０．５〜１００ｎｍの範囲とすることが好ましい。このうち、グラニュラー磁性層１２の膜厚はできるだけ薄い方が好ましいが、作製上均一な膜厚を維持することができ、またトンネル電流に対して悪影響を及ぼさない膜厚であればよく、例えば５０ｎｍ以下であればよい。
【００６０】
以上説明したように、本発明のスピン依存伝導素子は電流増幅作用を有し、かつバイアス電圧が半導体トランジスタに比べて非常に小さく、従って省電力化できる。また、基本的に金属を用いているので、伝導電子の数が半導体に比べて圧倒的に多い。よって、素子サイズが微細化してもキャリアの数が多いので問題ないというような特徴を有する。本発明のスピン依存伝導素子は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶素子などの磁気抵抗効果を利用した磁気部品および電子部品に限らず、半導体を用いたトランジスタと同様の機能を有することから、半導体が用いられてきた種々の電子部品や電子装置に適用することが可能である。また、半導体トランジスタなどの従来の半導体素子と組み合わせて使用することも可能である。
【００６１】
次に、本発明のスピン依存伝導電子の具体的な素子構造について、図７および図８を参照して、３端子素子を例として説明する。なお、図７および図８ではグラニュラー磁性層を用いたスピン依存伝導素子を示したが、強磁性層に離散的エネルギー準位が形成されるスピン依存伝導素子も同様な素子構造とすることができる。
【００６２】
まず、図７に示す３端子構造のスピン依存伝導電子は、基板２１上に導体層２２、強磁性層２３（２３ａ、２３ｂ）、グラニュラー磁性層２４および金属層２５が順に積層されている。すなわち、グラニュラー磁性層２４が強磁性層２３ａとゲート電極２５とにより挟まれた構造を有している。
【００６３】
ここで、強磁性層２３ｂは強磁性層２３ａにバイアス磁界を印加し、その保磁力を小さくする機能をもたせたものであり、特に形成しなくてもよい。導体層２２はそれに流す電流の向きを変えることによって、強磁性層２３のスピンの向きを制御する役割を有する。グラニュラー磁性層２４には2つの電極２６、２７によりトンネル電流が流れるようになっている。なお、図中２８は絶縁膜、２９は保護膜を兼ねた絶縁膜である。なお、電極２６、２６′および電極２７、２７′はそれぞれ一方のみであってもよい。
【００６４】
グラニュラー磁性層２４中の磁性微粒子はサイズが小さく、そのためクーロンブロッケード効果によって静電エネルギーに基づく離散的エネルギー準位が形成されている。このような構造において、電極２７と電極２６の間（または電極２７′と電極２６′の間）に電圧を印加するとトンネル電流が流れる。そして、ゲート電極２５にバイアス電圧を印加すると、グラニュラー磁性層２４の離散的エネルギー準位を制御することができる。
【００６５】
この際、バイアス電圧を適当な値に制御すると、前述したようにグラニュラー磁性層２４に形成された離散的エネルギー準位がシフトし、強磁性層２３の伝導電子のエネルギーと異なるように設定できる。そして、強磁性層２３のスピンを反転させることによって、大きな磁気抵抗効果が得られる。一方、離散的エネルギー準位を強磁性層２３の伝道電子のエネルギーと同レベルに制御すると共鳴トンネル効果が生じ、このとき磁気抵抗は大きく減少する。すなわち、外部磁界を印加することなく、バイアス電圧を印加するだけで、トンネル電流の大きさからスピンの向きを判定することができる。
【００６６】
図７は強磁性層とグラニュラー磁性層とを基板面に対して垂直方向に積層した素子構造であるが、図８に示すように、グラニュラー磁性層２４を少なくとも一方が強磁性体からなる電極（３０ａ、３０ｂ）で挟み、それらが基板面に対してプラーナ型に配置された構造とすることも可能である。この場合、基板２１表面には絶縁層３１を形成し、この絶縁層３１を介してグラニュラー磁性層２４を形成する。このグラニュラー磁性層２４上には薄い絶縁層３２を介して電極３３を形成し、電極３３と基板２１との間にバイアス電圧を印加する。これは半導体トランジスタでいうところのＦＥＴに相当する。
【００６７】
図８に示すような素子構造においても、適当なバイアス電圧を印加するとグラニュラー磁性層２４に形成された離散的エネルギー準位がシフトし、上述したように強磁性層（３０ａ）の伝導電子のエネルギーと異なるとき大きくスピンに依存したトンネル電流が流れる。そして、強磁性層３０ａとグラニュラー磁性層２４のうち、保磁力の小さい方のスピンを反転させることによって大きな磁気抵抗効果が得られる。なお、図８では導体３４に電流を流して、強磁性層３０ａのスピンを反転させる構造になっている。図中３５は絶縁層である。すなわち、外部磁場を印加することなく、電極３３にバイアス電圧を印加するだけで、トンネル電流の大きさからスピンの向きを判定することができる。
【００６８】
上述した素子によるスピンの向きの判定は、従来の磁気抵抗効果素子と同様に、磁気ヘッドや磁気センサとして利用することができ、さらには磁気記憶素子の記憶情報（スピン情報）読み出しに利用することができる。また、本発明のスピン依存伝導素子を磁気記憶素子に用いる場合には、強磁性層（あるいはグラニュラー磁性膜）に書き込みを行う必要があるが、それは強磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）に対して絶縁層を介して導体を近接させ、それに流す電流の向きによりスピンの向きを制御し、それを１，０とすればよい。このようにして、本発明の磁気部品が構成される。また同様に、本発明のスピン依存伝導素子を用いて、従来半導体が用いられてきた種々の電子部品を構成することができる。
【００６９】
なお、本発明のスピン依存伝導素子では、磁性材料または非磁性材料からなる下地層、または非磁性体のオーバーコー卜層などを設けてもよい。また、本発明のスピン依存伝導素子は典型的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成装置を用いて作製することができる。さらに、本発明に係わる積層膜を成膜するための基板としては、ガラス、セラミックス、金属、半導体などの単結晶体および多結晶体など、任意のものを用いることができる。特に、Ｓｉ基板を用いれば、例えばゲート電極を形成し易いなど、従来の半導体技術を利用することができる。
【００７０】
【実施例】
次に，本発明の具体的な実施例およびその評価結果について説明する。
【００７１】
実施例１
図７に示した構造の３端子素子（スピントランジスタ）を作製した。薄膜は全てスパッタ法を用い成膜した。まず、熱酸化Ｓｉ基板２１上に導体層２２としてＣｕ膜を成膜し、引き続き強磁性層２３ｂ、２３ａ膜としてそれぞれ２０ｎｍ厚のＦｅおよび１０ｎｍ厚のＣｏ_８０Ｐｔ_２０を形成した。次に、この強磁性層２３上に膜厚１０ｎｍのグラニュラー磁性層２４を形成し、さらに電極２７、２７′としてＡｕ膜、アルミナ絶縁膜２８、電極２６、２６′としてＡｕ膜、ゲート電極２５としてＣｏ_９Ｆｅ合金膜、保護膜２９としてアルミナ絶縁膜をそれぞれ成膜した。なお、図７に示した素子構造はリフトオフ法を用いて作製した。
【００７２】
グラニュラー磁性層は、Ｃｏ_８０Ｐｔ_２０合金とＳｉＯ_２をターゲットとして、Ａｒガス圧２ｍＴｏｒｒ、基板バイアス４００Ｗの条件下で、Ｃｏ_８０Ｐｔ_２０とＳｉＯ_２を同時スパッタして作製した。得られた膜は、ＳｉＯ_２中にＣｏ_８０Ｐｔ_２０合金粒子が約５０％の割合で層状に分散したグラニュラー構造になっていることを、膜断面の透過型電子顕微鏡観察により確認した。Ｃｏ_８０Ｐｔ_２０合金粒子の粒径は約５ｎｍ、粒子間距離は約１．５ｎｍであった。また、試料振動型磁力計を用いて磁化測定を行った結果、保磁力は６００Ｏｅと大きく、また明瞭なヒステリシスが得られ、超常磁性的挙動は観測されなかった。
【００７３】
このようにして作製した3端子素子（スピントランジスタ）を以下のようにして評価した。まず、2つの電極２６、２７間に電圧を印加してグラニュラー磁性層２４を流れる電流Ｉ_cを測定し、同時にゲート電極２５にバイアス電圧Ｖ_Gを印加し、グラニュラー磁性層２４をトンネルして電極２６に流れる電流Ｉ_Cをバイアス電圧の関数として測定した。また、その際に導体層２２に電流を流し、その向きを変えることによって、強磁性層２３のスピンの向きを変えた。
【００７４】
図９に、Ｖ_Ｇに対するＩ_Ｃの変化を示す。なお、ここでは強磁性層２３とグラニュラー磁性層２４のスピンは互いに平行である。Ｖ_Ｇが適当な値に達したときＩ_Ｃが急増しており、共鳴トンネル電流が流れたことを示している。
【００７５】
図１０は、Ｖ_Ｇ＝０の場合の外部磁場によるＩ_Ｃの変化を抵抗変化として表したものである。外部磁界により抵抗が大きく変化し、その変化率すなわち磁気抵抗変化率（飽和磁場下における抵抗に対する抵抗変化の比）△Ｒ／Ｒ_ｓは、４５％と非常に大きいことが分かる。一方、Ｖ_Ｇ＝１１ｍＶのときの磁気抵抗変化率は１５％であった。これは本発明のスピン依存伝導素子を磁気ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素子などに適用できることを示していると共に、ゲート電圧によって磁気抵抗を制御できることを示している。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスピン依存伝導素子によれば、電気抵抗を広い範囲で制御することができ、かつ小さな磁場で大きい磁気抵抗変化率を容易に得ることができる。従って、本発明のスピン依存伝導素子を用いることによって、出力電圧の大きい高感度の磁気ヘッドや磁界センサなどを構成することが可能になる。また、磁気記憶素子として利用すれば、外部磁界を印加することなく記憶情報を読み出すことができ、かつ高速で出力の大きい不揮発性の固体磁気メモリを提供することができる。さらに、本発明のスピン依存伝導素子は電流増幅機能を有することから、従来の半導体を用いた種々の電子部品や電子装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のスピン依存伝導素子の基本構成および強磁性２重トンネル接合のスピン依存共鳴トンネル効果を説明するための図である。
【図２】本発明の第１のスピン依存伝導素子の他の構成を模式的に示す図である。
【図３】図１に示すスピン依存伝導素子の変形例を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第２のスピン依存伝導素子の基本構成およびグラニュラー磁性層と強磁性層とからなる２重共鳴トンネル接合のスピン依存共鳴トンネル効果を説明するための図である。
【図５】本発明の第２のスピン依存伝導素子の他の構成を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第２のスピン依存伝導素子のさらに他の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明のスピン依存伝導素子を適用した３端子素子（スピントランジスタ）の一構成例を示す断面図である。
【図８】本発明のスピン依存伝導素子を適用した３端子素子（スピントランジスタ）の他の構成例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例による３端子素子（スピントランジスタ）のバイアス電圧Ｖ_Ｇに対するトンネル電流Ｉ_Ｃの変化の測定結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施例による３端子素子（スピントランジスタ）の磁気抵抗変化率の磁界依存性を示す図である。
【符号の説明】
１……第１の強磁性層（第１の電極層）
２、４……誘電体層（トンネル層）
３……第２の強磁性層
５……第３の強磁性層（第２の電極層）
６、７、８、１６、１７、１８……電極
１１……強磁性層（第１の電極層）
１２……グラニュラー磁性層
１３……非磁性金属層（第２の電極層）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic element using a tunnel effect of a ferromagnetic material and an application part thereof, and more particularly to a spin-dependent conductive element that externally controls a discrete energy level formed in the ferromagnetic material. The present invention relates to an electronic component and a magnetic component using the same.
[0002]
[Prior art]
A giant magnetoresistive element (GMR element) has been known as a spin-dependent conductive element. The magnetoresistance effect (MR) is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a certain kind of magnetic material, and is used for a magnetic field sensor, a magnetic head, and the like. For example, a magnetoresistive effect element (MR element) using a ferromagnetic material has characteristics such as excellent temperature stability and a wide range of use.
[0003]
Conventionally, thin films such as permalloy alloys have been widely used for MR elements using a magnetic material. By using this for a reproducing head such as a hard disk, high-density magnetic recording has been achieved. However, since the rate of change in magnetoresistance of the permalloy thin film is as small as about 2 to 3%, there has been a problem that sufficient sensitivity cannot be obtained in order to achieve higher density recording.
[0004]
On the other hand, in recent years, as a new material exhibiting a magnetoresistance effect, it has a structure in which magnetic metal layers and non-magnetic metal layers are alternately laminated at a period of the order of several angstroms to several tens of angstroms, and they are opposed via the non-magnetic layer. An artificial lattice film in which magnetic moments of a magnetic layer are magnetically coupled in an antiparallel state has attracted attention as a material exhibiting a giant magnetoresistance effect. For example, Fe / Cr artificial lattice films (Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)), Co / Cu artificial lattice films (J. Mag. Mag. Mater. 94, L1 (1991), Phys. Rev. Lett. 66, 2152 (1991)).
[0005]
Such a metal artificial lattice film shows a remarkably higher magnetoresistance change rate of several tens percent than a conventional permalloy alloy thin film. Such a giant magnetoresistance effect is caused by the fact that the scattering of electrons that carry conduction depends on the spin direction of the magnetic layer. However, in such a metal artificial lattice film, it is necessary to increase the number of layers in order to obtain a large magnetoresistance effect, or the saturation magnetic field (magnetic field at which the resistance value is saturated) is several tesla (T) or more. It has a problem that it is not suitable for application to a magnetic head or the like as it is.
[0006]
In order to reduce the saturation magnetic field, it has a laminated film of a sandwich structure of ferromagnetic layer / non-magnetic layer / ferromagnetic layer, applies an exchange bias to one ferromagnetic layer to fix the magnetization, and A so-called spin valve film has been developed in which the relative angle between the magnetization directions of the two ferromagnetic layers is changed by reversing the magnetization of the ferromagnetic layer with an external magnetic field. However, the spin valve film has a very small magnetoresistance change ratio of about 4 to 8%, and the specific resistance of the laminated film itself is as small as several tens of .OMEGA.cm, so that a relatively large current needs to flow in order to detect an external magnetic field. There is a problem that there is.
[0007]
It is known that a very large magnetoresistance effect can be obtained by using a so-called perpendicular magnetoresistance effect in which a current flows through the multilayer film in a direction perpendicular to the film surface (Phys. Rev. Lett. 66, 3060 (1991)). However, in this case, there is a problem that the current path is small, and the resistance is small because each layer is made of metal, and the magnetoresistance effect at room temperature cannot be measured unless fine processing is performed to a submicron or less.
[0008]
Furthermore, unlike the artificial lattice film described above, the so-called granular magnetic film, in which magnetic ultrafine particles are dispersed in a nonmagnetic metal matrix, also shows a giant magnetoresistance effect based on spin-dependent conduction. Rev. Lett. 68, 3745 (1992). In such a granular magnetic film, when no magnetic field is applied, the spin of each magnetic ultrafine particle is oriented in an irregular direction to each other and has a high resistance due to the properties of the magnetic ultrafine particles. , The resistance is reduced, and as a result, a magnetoresistance effect based on spin-dependent scattering is exhibited. However, since the magnetic ultrafine particles in this case exhibit superparamagnetism, there is a problem that the saturation magnetic field is essentially very large.
[0009]
On the other hand, a giant magnetoresistance effect based on ferromagnetic tunneling, which has a different mechanism from spin-dependent scattering, has been found. This is a three-layer film composed of a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer. In a structure where the coercive force of one ferromagnetic layer is smaller than the coercive force of the other ferromagnetic layer, a voltage is applied between the two ferromagnetic layers. This is to generate a tunnel current when applied. At this time, if only the spin of the magnetic layer having a small coercive force is reversed, the tunnel current greatly differs between when the spins of the two ferromagnetic layers are parallel to each other and when they are antiparallel, so that a giant magnetoresistance effect is obtained.
[0010]
Such a ferromagnetic tunnel junction device is characterized in that its structure is simple and that a large magnetoresistance change rate of about 20% can be obtained at room temperature. However, it is necessary to reduce the thickness of the insulating layer to several nm or less in order to exhibit the tunnel effect, and it is difficult to manufacture such a thin insulating layer uniformly and stably. Also, there is a problem that the variation in the rate of change in magnetoresistance increases. On the other hand, if the resistance of the insulating layer is too high, when the element is miniaturized for use in a magnetic head or the like, high-speed operation of the element cannot be generally obtained, and an element having a large S / N ratio due to increased noise can be obtained. Problems such as not being expected are expected.
[0011]
On the other hand, a magnetic storage element using a spin valve film or a ferromagnetic tunnel junction is also known. In this case, one of the two magnetic layers is a recording layer, and the other is a reading layer. Therefore, it is necessary to invert the spin in both the recording and reproducing cases, and a current source for applying a magnetic field is required.
[0012]
Further, a three-terminal element using a ferromagnetic material, that is, a so-called spin transistor is known. It has a three-layer structure of metal magnetic material / metal non-magnetic material / metal magnetic material. When a voltage is applied between the first metal magnetic material and the metal non-magnetic material, an output voltage is generated between the second metal magnetic material and the metal non-magnetic material, and the output voltage is changed between the first and second metal magnetic materials. No. 2 has the same magnitude and opposite sign when the spins of the metal magnetic material are parallel and antiparallel to each other (J. Appl. Phys. 79. 4727 (1996)). However, since all of the spin transistors are made of metal, the output voltage is very small, on the order of nanovolts, and has no current amplification effect.
[0013]
Further, it has recently been found that the magnetoresistance effect increases due to the Coulomb blockade effect (J. Phys. Soc. Jpn. 66, 1261 (1997)). In a double tunnel junction with a small capacity, one electron tunnels into E_c= E²/ 2C increases energy, and if C is small, E_cBecomes so large that even one electron cannot be tunneled. This is called Coulomb blockade. However, even in such a Coulomb blockade state, a higher-order tunnel current flows, which is called a cooperative tunnel. In this state, the magnetoresistance effect increases because the resistance is proportional to the product of the two tunnel junction resistances.
[0014]
2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor devices have been known as devices utilizing conduction of electrons or holes, and are used in a very wide variety of fields such as various electronic circuits and memory devices. However, a semiconductor element utilizes only electron charges, and does not utilize electron spins.
[0015]
Further, in a laminated film composed of a metal layer and a dielectric layer, or a heteroepitaxial layer of a different semiconductor, a discrete energy level is formed in the metal layer or the semiconductor layer, and tunnel conduction is performed through the energy level. An element utilizing the so-called resonance tunnel effect is also known. However, these devices also use only electron charges and do not use electron spins.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventional semiconductor devices and resonance tunnel effect devices that utilize electron conduction all utilize only electron charges and do not utilize electron spins.
[0017]
On the other hand, as a conductive element utilizing the spin of electrons, a spin valve element exhibiting a giant magnetoresistance effect, a magnetic sensor using the element, a magnetic head, a magnetic storage element, or a magnetic head or magnetic storage utilizing a ferromagnetic tunnel junction are used. Devices and the like are known. These have a problem that the reproduction sensitivity is limited because the magnetoresistance ratio is as small as less than 10%, and the output voltage is small. In particular, in a magnetic storage element, it is necessary to invert the spin in both recording and reproduction, and there is a complication that a current source for applying a magnetic field is required.
[0018]
In addition, a conventional three-terminal element (spin transistor element) having a three-layer structure of a metal magnetic material / metal non-magnetic material / metal magnetic material has an extremely small output voltage, is difficult to put into practical use, and has a current amplifying effect. I do not have.
[0019]
The present invention is to provide an electron conduction element utilizing electron spin completely different from the conventional electron conduction element, and furthermore, by utilizing discrete energy levels formed in a magnetic material, extremely large It is an object of the present invention to provide a spin-dependent conduction element having an amplifying function by obtaining a magnetoresistance change rate at room temperature and controlling its discrete energy level by a voltage. Another object is to provide an electronic component and a magnetic component using such a spin-dependent conductive element.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted research on a magnetic element in which a tunnel current flows between a granular magnetic layer in which ferromagnetic fine particles are dispersed in a dielectric matrix and a ferromagnetic layer disposed close to the granular magnetic layer. As a result, they have found that the magnetoresistance can be largely controlled by controlling the tunnel current. Furthermore, it was verified that this originated from spin-dependent resonance tunneling. The present invention is based on such findings and verification results.
[0021]
The spin-dependent resonance tunnel effect described above is due to a double or more multiple tunnel junction. Therefore, a similar effect can be obtained in a multi-tunnel junction composed of a ferromagnetic layer and a dielectric layer or a ferromagnetic layer and a semiconductor layer other than the case where a granular magnetic layer is used. In order for the spin-dependent resonance tunnel effect to occur, a discrete energy level must be formed in at least one of the ferromagnetic materials in the multiple tunnel junction.
[0022]
The present invention is based on the above-described new findings, and includes a spin-dependent conductive element provided with an electrode for controlling a discrete energy level generated in a ferromagnetic layer (or a granular magnetic layer) by an external voltage; It is intended to provide an application part and an application device using the same.
[0023]
That is, the first spin-dependent conductive element according to the present invention, as described in claim 1,Thickness 5nm belowOne or more ferromagnetic layers, two or more electrode layers at least one layer of which is made of a ferromagnetic material, and the ferromagnetic layer and the ferromagnetic layer, so that a double or more multiple tunnel junction is formed between the ferromagnetic layers and the electrode layers. Two or more tunnel layers made of a dielectric or semiconductor alternately stacked with a magnetic layer and an electrode layer;And an electrode for applying a bias voltage to the ferromagnetic layer. Three Terminal element structureWherein a discrete energy level is formed in the ferromagnetic layer, andA voltage is applied between the electrode layers to cause a tunnel current to flow through the multiple tunnel junction, and a bias voltage applied to the electrodes is used.SaidDiscrete ferromagnetic layerControl energy levelsRukoIt is characterized by.
[0024]
The second spin-dependent conductive element according to the present invention has at least one granular magnetic layer having ferromagnetic fine particles dispersed in a dielectric matrix and having a coercive force, as described in claim 2, The granular magnetic layer includes at least one electrode layer made of a ferromagnetic material and at least one layer disposed adjacent to the granular magnetic layer so that a double or more multiple tunnel junction is formed between the granular magnetic layer and the granular magnetic layer. A discrete energy level based on electrostatic energy is formed in the granular magnetic layer, and an electrode for controlling the energy level is provided.
[0025]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the spin-dependent conductive element, wherein the multiple tunnel junction exhibits a spin-dependent resonant tunneling effect. Further, as described in claim 4 and claim 5, by changing the spin direction of one of the ferromagnetic layer (or the granular magnetic layer) and the electrode layer made of the ferromagnetic material, the spin dependence is increased. This is to develop a magnetoresistance effect based on the resonance tunnel effect.BookInventive spin-dependent conductive elementIs 3Terminal element structureHave.
[0026]
Further, the electronic component and the magnetic component of the present invention,UpThe present invention is characterized by including the above-described spin-dependent conductive element of the present invention. Similarly, the magnetic head and the magnetic storage element of the present invention,UpThe present invention is characterized by including the above-described spin-dependent conductive element of the present invention.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described.
[0028]
First, the basic configuration of the spin-dependent conduction element according to the present invention and the spin-dependent resonance tunnel effect that is the basis of the present invention will be described. For simplicity, a double tunnel junction and a case where a dielectric is used will be described below. It can be easily considered that this result can be extended to the case where multiple tunnel junctions and semiconductors are used. FIG. 1A is a diagram showing a basic configuration of a first spin-dependent conductive element according to the present invention. The spin-dependent conductive element shown in FIG. 1A is a laminated film including a first ferromagnetic layer 1 / dielectric layer 2 / second ferromagnetic layer 3 / dielectric layer 4 / third ferromagnetic layer 5. have. In this laminated film, a double tunnel junction is formed between the three ferromagnetic layers 1, 3, and 5 via the dielectric layers 2 and 4.
[0029]
Of the three ferromagnetic layers 1, 3, and 5, the first and third ferromagnetic layers 1, 5 are electrode layers. In addition, as described later, the electrode layer (5) corresponding to the exit side of the tunnel current is not limited to a ferromagnetic material, and may be made of a non-magnetic metal or the like. The second ferromagnetic layer 3 is sandwiched between two thin dielectric layers 2 and 4, that is, two tunnel layers, and the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 1 are interposed via the dielectric layers 2 and 4. It is configured such that a tunnel current flows between the ferromagnetic layers 5 and 3. In the figure, reference numeral 6 denotes an electrode.
[0030]
In such a structure, when the second ferromagnetic layer 3 is sufficiently thin, as shown in FIG. 1B, a spin-dependent discrete energy is applied to the second ferromagnetic layer 3 by the quantum effect. A level is formed. That is, the discrete energy level of the second ferromagnetic layer 3 is spin-split due to the exchange interaction, and the energy differs between the upward spin (↑) and the downward spin (↓) by the exchange energy γ. ing.
[0031]
Now, as shown in FIG. 1A, while applying a voltage between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3, the second ferromagnetic layer 3 and the third ferromagnetic layer 3 A voltage having the opposite sign is applied between the magnetic layer 5 and the magnetic layer 5. Then, a tunnel current flows between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3 via the thin dielectric layer (tunnel layer) 2. When the voltage V applied to the first ferromagnetic layer 1 and the third ferromagnetic layer 5 has an appropriate value, the upward spin (↑) or the downward spin (↓) in the second ferromagnetic layer 3 is reduced. One of the discrete energy levels (↑ spin in FIG. 1B) has the same level (resonance state) as the energy of the conduction electrons of the first ferromagnetic layer 1.
[0032]
Then, the conduction electrons in the first ferromagnetic layer 1 having the spins in the same direction as the spins of the discrete energy levels in the resonance state are not reflected by the dielectric layers 2 and 4 and have a transmission of 100%. Tunneling can be conducted from the first ferromagnetic layer 1 to the third ferromagnetic layer 5 at a high rate. On the other hand, conduction electrons having the opposite spin cannot perform tunnel conduction. This is the spin-dependent resonance tunnel effect.
[0033]
In a ferromagnetic material, only electrons near the Fermi level contribute to conduction, and the number of conduction electrons differs depending on the spin. Accordingly, when the magnetizations of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3 are parallel to each other and antiparallel, the number of electrons tunneling through the resonance level is different. Therefore, if, for example, the magnetization of the second ferromagnetic layer 3 is fixed and the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is reversed, the tunnel currents differ greatly between the two, so that a very large difference based on the spin-dependent resonance tunnel effect is obtained. A large magnetoresistance effect is obtained. The electrode layer made of the third ferromagnetic layer 5 may be any one that allows a tunnel current to flow, and is not limited to a ferromagnetic material, and an electrode layer made of a nonmagnetic metal or the like can be used.
[0034]
FIG. 1 corresponds to a transistor using a semiconductor, in which a first ferromagnetic layer 1 corresponds to an emitter, a second ferromagnetic layer 3 corresponds to a base, and a third ferromagnetic layer (or nonmagnetic electrode layer) 5 corresponds to a collector. I do. That is, the voltage V is applied to the emitter (1) and the base (3)._EBIs applied, the base current I_BFlows, and a reverse voltage V is applied to the base (3) and the collector (5)._CBIs applied, the collector current I_CFlows. Collector current I_CIs the base current I_BAnd exhibits a current amplification effect.
[0035]
Although the case where the spin of the second ferromagnetic layer 3 is parallel and antiparallel to the spin of the first ferromagnetic layer 1 has been described above, generally, when the angle θ is formed, the tunnel current proportional to cos θ is obtained. Is obtained, the relative angle θ of the spin can be detected from the current value. Thus, the bias voltage V_CB, The spin direction can be determined, and a current amplification action can be obtained. With these functions, the spin-dependent conductive element of the present invention can be called a true spin transistor.
[0036]
The first spin-dependent conductive element according to the present invention comprises:For exampleAn electrode for applying a bias voltage to the second ferromagnetic layer 3 like a field effect transistor (FET) in a semiconductor deviceHaving. FIG. 2 shows an example of such a configuration. The second ferromagnetic layer 3 is provided with an electrode 7 for applying a bias voltage. In such a configuration, a voltage is applied between the first ferromagnetic layer (first electrode layer) 1 and the third ferromagnetic layer (may be a second electrode layer / nonmagnetic layer). Then, a tunnel current is caused to flow, and a bias voltage is applied from the electrode 7 to the second ferromagnetic layer 3 to control (shift) the discrete energy level of the second ferromagnetic layer 3. Can be caused.
[0037]
Further, in the first spin-dependent conductive element of the present invention, the number of ferromagnetic layers (the second ferromagnetic layer 3 in FIG. 1) that form discrete energy levels is not limited to one layer. As shown in FIG. 3, the intermediate ferromagnetic layer 3 has a multilayer structure (3a, 3b,... 3n), and these ferromagnetic layers 3a, 3b,. It is also possible to adopt a configuration having more than two or more multiple tunnel junctions. Even in such a configuration, a spin-dependent resonance state can be generated by controlling the discrete energy levels of the intermediate ferromagnetic layer 3.
[0038]
In the spin-dependent conductive element shown in FIGS. 1 to 3, the constituent materials of the ferromagnetic layers 1, 3, and 5 are not particularly limited, and an Fe—Ni alloy typified by permalloy, Fe, Co , Ni and alloys containing them, half metals such as Heusler alloys such as NiMnSb and PtMnSb, CrO₂, Magnetite, Mn perovskite and other soft magnetic materials such as amorphous half-metals and amorphous alloys, to hard magnetic materials such as Co-Pt alloys, Fe-Pt alloys and transition metals and rare earth alloys. Can be used.
[0039]
In order to change only the spin direction of the first ferromagnetic layer 1 of the first and second ferromagnetic layers 1 and 3, for example, a difference in coercive force of a ferromagnetic material is used. Alternatively, the magnetization of the ferromagnetic layer may be fixed by exchange coupling by stacking antiferromagnetic films. As described above, the thickness of the second ferromagnetic layer 3 is such that a discrete energy level dependent on spin is formed by the quantum effect, specifically, 5 nm or less.Below andI do. The thicknesses of the first and third ferromagnetic layers 1 and 5 are not particularly limited, and are preferably, for example, about 0.1 to 100 mm.
[0040]
Further, in the above-described embodiment, the case where the dielectric layers 2 and 4 are used as the tunnel layers has been described. However, the same spin-dependent conduction can be obtained by using the semiconductor layers as the tunnel layers instead of the dielectric layers 2 and 4. An element can be configured, and similar functions and effects can be obtained. The dielectric and semiconductor used as the tunnel layer are not particularly limited, and various dielectric materials and semiconductor materials can be used. Further, the thickness of the tunnel layer is preferably about 0.5 to 5 nm.
[0041]
In the above-described embodiment, the spin-dependent conductive element having a multiple tunnel junction of a ferromagnetic material and a dielectric material (or a semiconductor) has been described, but ferromagnetic fine particles are dispersed in a non-magnetic dielectric matrix. Even when the granular magnetic layer is used, a similar spin-dependent resonance tunnel effect can be obtained at room temperature. This is the second spin-dependent conductive element of the present invention.
[0042]
That is, the spin-dependent conductive element shown in FIG. 4A has a laminated film including a first electrode layer 11 made of a ferromagnetic material / a granular magnetic layer 12 / a second electrode layer 13 made of a nonmagnetic material. ing. In this laminated film, the granular magnetic layer 12 is obtained by dispersing ferromagnetic fine particles 15 in a dielectric matrix 14. The granular magnetic layer 12 is a ferromagnetic material that does not exhibit superparamagnetism and has a finite coercive force. is there. The first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are disposed close to each other with the granular magnetic layer 12 interposed therebetween, and the first electrode layer 11 and the granular magnetic layer 12, and the granular magnetic layer 12 and the second It is configured such that a tunnel current flows between the electrode layers 13. That is, a double tunnel junction is formed between the granular magnetic layer 12 and the electrode layers 11 and 13.
[0043]
The second electrode layer 13 is not limited to a non-magnetic material, but may be made of a ferromagnetic material. That is, at least the first electrode layer 11 of the first and second electrode layers 11 and 13 may be made of a ferromagnetic material. Further, the electrode layers 11 and 13 and the granular magnetic layer 12 are not limited to being directly stacked, and an insulating film having a thickness enough to allow a tunnel current to flow may be interposed between them.
[0044]
In such a structure, the voltage V is applied between the first electrode layer (ferromagnetic material) 11 and the granular magnetic layer 12 through the electrode 16 provided on the granular magnetic layer 12._EBIs applied. A voltage V of the opposite sign is applied between the granular magnetic layer 12 and the second electrode layer (nonmagnetic material) 13._CBIs applied. Here, since the size of the ferromagnetic fine particles 15 in the granular magnetic layer 12 is sufficiently small and the periphery thereof is surrounded by the dielectric matrix 14, the energy level of the ferromagnetic fine particles 15 becomes static due to the Coulomb blockade effect. Electric energy E_c= E²Because of / 2C (e is the charge of an electron and C is the capacity of a particle), it is quantized and discrete as shown in FIG.
[0045]
Therefore, similarly to the above-described first embodiment, a bias voltage V of an appropriate value is used._CBIs applied, a resonant tunneling level is formed between the granular magnetic layer and the first electrode layer (ferromagnetic layer) 11. When in a resonance state, the magnetoresistance is small, and when the resonance is out of resonance, a large magnetoresistance effect is obtained due to the Coulomb blockade effect. Therefore, if the electrostatic energy level of the magnetic particles is controlled by the electrode 16 so as to be out of the resonance state, for example, the magnetization of the granular magnetic layer 12 is fixed and the magnetization of the ferromagnetic layer 11 is reversed, the tunnel current is increased by both. , A very large magnetoresistance effect can be obtained.
[0046]
On the other hand, when the electrostatic energy level of the magnetic particles is controlled by the electrode 16 so as to be in a resonance state, the Coulomb blockade effect disappears and the magnetoresistance effect decreases. As described above, by controlling the voltage applied to the electrode 16, a new function of controlling the magnetoresistance effect can be provided.
[0047]
Also in the second spin-dependent conductive element, the relative angle of the spin between the ferromagnetic layer 11 and the granular magnetic layer 12 can be detected, as in the first spin-dependent conductive element described above. Further, as shown in FIG. 5, a structure in which an electrode 17 for applying a bias voltage to the granular magnetic layer 12 formed on a substrate 18 having an insulating layer 19 on the surface may be provided. That is, a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 to cause a tunnel current to flow, and a bias voltage is applied from the electrode 17 to the granular magnetic layer 12 so that the discrete By controlling the dynamic energy level, a resonance state can be generated. At this time, the granular magnetic layer 12 may be one in which quantum dots are formed by a single ferromagnetic fine particle as shown in FIG. The same applies to the element shown in FIG.
[0048]
Further, in the second spin-dependent conductive element of the present invention, the number of granular magnetic layers is not limited to one, and it is also possible to apply a laminated film in which granular magnetic layers and ferromagnetic layers are further laminated. . Even in such a configuration, a spin-dependent resonance state can be generated by controlling the discrete energy levels of the granular magnetic layer.
[0049]
In the spin-dependent conductive element shown in FIGS. 4 to 6, the granular magnetic layer 12 does not exhibit superparamagnetism and is a ferromagnetic material having a finite coercive force, and therefore has a large saturation magnetic field as in a conventional granular GMR material. There is no problem. Further, since the magnetic particles 15 are dispersed in the dielectric matrix 14 in the granular magnetic layer 12, the electrical resistance is smaller than that of the ferromagnetic tunnel junction having the dielectric layer, and the current path direction of the granular magnetic layer 12 ( The electric resistance can be controlled to an appropriate value by controlling the length of the magnetic fine particles 15 in the film thickness direction or the in-plane direction of the film, the volume filling ratio, size, and dispersion state of the magnetic fine particles 15. Therefore, the electric resistance of the spin-dependent conductive element can be easily adjusted depending on the application.
[0050]
The granular magnetic layer 12 is not a superparamagnetic material as described above, and needs to have a finite coercive force. In the case of a granular magnetic material in which magnetic fine particles are dispersed in a dielectric matrix, the coercive force is generally considerably smaller than that of a bulk material. It is desirable to use a Pt alloy, an Fe-Pt alloy, a transition metal-rare earth alloy, or the like. In order to keep the tunnel barrier constant, it is desirable that these magnetic fine particles 15 be arranged in a layered manner. These may be arranged in two or more layers.
[0051]
When using a granular magnetic material that does not have a large coercive force, a pair of hard magnetic films are arranged adjacent to both ends of the granular magnetic layer, and the spin is fixed by applying a bias magnetic field from this hard magnetic film. May be. The bias magnetic field application film is not limited to the hard magnetic film, but may be an antiferromagnetic film such as FeMn or IrMn.
[0052]
The particle size of the magnetic fine particles 15 in the granular magnetic layer 12 is desirably large enough not to become superparamagnetic, specifically, 1 nm or more. However, if the size of the magnetic fine particles 15 is too large, the particle spacing increases, so that the particle size of the magnetic fine particles 7 is preferably about 10 nm or less. The distance between the magnetic fine particles 15 is preferably about 5 nm or less so that a tunnel current flows between them.
[0053]
Further, as the dielectric matrix 14, Al₂O₃, SiO₂, MgO, ΜgF₂, Bi₂O₃, AlN, CaF₂Various dielectric materials can be used, and the granular magnetic layer 12 can be obtained by dispersing the magnetic fine particles 15 in such a dielectric film. In the above-described oxide film, nitride film, fluoride film and the like, defects of respective elements generally exist, but there is no problem even with such a dielectric film.
[0054]
On the other hand, the ferromagnetic layer 11 only needs to have a magnitude relationship in coercive force with the granular magnetic layer 12, for example, an Fe—Ni alloy represented by permalloy, Fe, Co, Ni, and Alloys containing them, half-metals such as Heusler alloys such as NiMnSb and PtMnSb, CrO₂, Magnetite, Mn perovskite and other soft magnetic materials such as amorphous half-metals and amorphous alloys, to hard magnetic materials such as Co-Pt alloys, Fe-Pt alloys and transition metals and rare earth alloys. Can be used.
[0055]
For example, a half metal has an energy gap in one spin band, so that only electrons having a unidirectional spin contribute to conduction. Therefore, by using such a material as the ferromagnetic layer 11, a greater magnetoresistance effect can be obtained. When a ferromagnetic material is used for the second electrode layer 13, it is not always necessary to use the same material as the first electrode layer (ferromagnetic material) 11, and if there is a difference in coercive force from the granular magnetic layer 12, Good.
[0056]
The ferromagnetic layer 11 is not limited to a single-layer structure, but is a laminated film having two ferromagnetic layers disposed via a nonmagnetic layer, and having the magnetizations of these ferromagnetic layers coupled to be antiparallel to each other. May be. According to such an anti-parallel laminated film, the magnetic flux can be prevented from leaking from the ferromagnetic layer to the outside, which is a preferable embodiment. To obtain such antiparallel-coupled ferromagnetic layers, ferromagnetic layers and non-magnetic layers may be alternately stacked and exchange coupling or magnetostatic coupling may be used.
[0057]
Further, a laminated film in which ferromagnetic layers and semiconductor layers are alternately laminated can be used as the ferromagnetic layer 11. In this case, since the spin can be inverted by heat or light irradiation, there is a feature that a magnetic field becomes unnecessary. That is, for example, a new memory that records by light or heat and reads by applying a bias voltage can be realized. As a semiconductor used for such a laminated film, B₂₀Structure FeSi alloy or β-FeSi₂, GaAs or the like can be used.
[0058]
It is desirable that the granular magnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 11 each have uniaxial magnetic anisotropy in the film plane. As a result, steep magnetization reversal can be caused and the magnetization state can be stably maintained. These are particularly effective when applied to a magnetic storage element. The thickness of the granular magnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 11 is preferably in the range of 0.5 to 100 nm. Of these, the thickness of the granular magnetic layer 12 is preferably as small as possible. However, it is sufficient that the thickness of the granular magnetic layer 12 can be maintained uniform and does not adversely affect the tunnel current. The following may be sufficient.
[0060]
As described above, the spin-dependent conductive element of the present invention has a current amplifying action, and has a very low bias voltage as compared with a semiconductor transistor, so that power can be saved. Further, since a metal is basically used, the number of conduction electrons is much larger than that of a semiconductor. Therefore, even if the element size is reduced, the number of carriers is large, so that there is no problem. The spin-dependent conductive element of the present invention is not limited to a magnetic component and an electronic component utilizing a magnetoresistive effect, such as a magnetoresistive magnetic head, a magnetic field sensor, and a magnetic storage element, and has the same function as a transistor using a semiconductor. Therefore, the present invention can be applied to various electronic components and electronic devices in which semiconductors have been used. Further, it can be used in combination with a conventional semiconductor element such as a semiconductor transistor.
[0061]
Next, a specific device structure of spin-dependent conduction electrons according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8, taking a three-terminal device as an example. Although FIGS. 7 and 8 show a spin-dependent conductive element using a granular magnetic layer, a spin-dependent conductive element in which a discrete energy level is formed in a ferromagnetic layer can have a similar element structure. .
[0062]
First, in the spin-dependent conduction electron having a three-terminal structure shown in FIG. 7, a conductor layer 22, a ferromagnetic layer 23 (23a, 23b), a granular magnetic layer 24, and a metal layer 25 are sequentially stacked on a substrate 21. That is, it has a structure in which the granular magnetic layer 24 is sandwiched between the ferromagnetic layer 23a and the gate electrode 25.
[0063]
Here, the ferromagnetic layer 23b has a function of applying a bias magnetic field to the ferromagnetic layer 23a and reducing its coercive force, and need not be particularly formed. The conductor layer 22 has a role of controlling the spin direction of the ferromagnetic layer 23 by changing the direction of the current flowing through it. The granular magnetic layer 24 has two electrodes 26 and 27Tunnel current flowsIt has become. In the figure, reference numeral 28 denotes an insulating film, and 29 denotes an insulating film also serving as a protective film. The electrodes 26 and 26 'and the electrodes 27 and 27' may each be only one.
[0064]
The magnetic fine particles in the granular magnetic layer 24 are small in size, so that discrete energy levels based on electrostatic energy are formed by the Coulomb blockade effect. In such a structure, when a voltage is applied between the electrodes 27 and 26 (or between the electrodes 27 'and 26'), a tunnel current flows. When a bias voltage is applied to the gate electrode 25, the granular magnetic layer 24DiscreteControl energy levelsYouCan be
[0065]
At this time, when the bias voltage is controlled to an appropriate value, the discrete energy level formed in the granular magnetic layer 24 shifts as described above, and can be set to be different from the conduction electron energy of the ferromagnetic layer 23. Then, by inverting the spin of the ferromagnetic layer 23, a large magnetoresistance effect can be obtained. On the other hand, when the discrete energy level is controlled to the same level as the energy of the conduction electrons in the ferromagnetic layer 23, a resonance tunnel effect occurs, and the magnetoresistance greatly decreases at this time. That is, the spin direction can be determined from the magnitude of the tunnel current only by applying a bias voltage without applying an external magnetic field.
[0066]
FIG. 7 shows an element structure in which a ferromagnetic layer and a granular magnetic layer are stacked in a direction perpendicular to the substrate surface. As shown in FIG. 8, at least one of the granular magnetic layer 24 and the electrode ( 30a, 30b), it is also possible to adopt a structure in which they are arranged in a prana form with respect to the substrate surface. In this case, the insulating layer 31 is formed on the surface of the substrate 21, and the granular magnetic layer 24 is formed via the insulating layer 31. An electrode 33 is formed on the granular magnetic layer 24 via a thin insulating layer 32, and a bias voltage is applied between the electrode 33 and the substrate 21. This corresponds to an FET in a semiconductor transistor.
[0067]
Also in the element structure shown in FIG. 8, when an appropriate bias voltage is applied, the discrete energy level formed in the granular magnetic layer 24 shifts, and the energy of the conduction electrons in the ferromagnetic layer (30a) is shifted as described above. When it is different from the above, a tunnel current largely depending on spin flows. A large magnetoresistance effect can be obtained by reversing the spin of the smaller coercive force between the ferromagnetic layer 30a and the granular magnetic layer 24. In FIG. 8, the structure is such that a current flows through the conductor 34 to reverse the spin of the ferromagnetic layer 30a. In the figure, reference numeral 35 denotes an insulating layer. That is, the spin direction can be determined from the magnitude of the tunnel current only by applying a bias voltage to the electrode 33 without applying an external magnetic field.
[0068]
The determination of the spin direction by the element described above can be used as a magnetic head or a magnetic sensor as in the case of the conventional magnetoresistive effect element, and can be used for reading the stored information (spin information) of the magnetic storage element. Can be. When the spin-dependent conductive element of the present invention is used for a magnetic memory element, it is necessary to write data on the ferromagnetic layer (or granular magnetic film). The direction of the spin may be controlled to 1,0 by controlling the direction of the spin by controlling the direction of the current flowing through the conductor close to the conductor via the insulating layer. Thus, the magnetic component of the present invention is configured. Similarly, using the spin-dependent conductive element of the present invention, various electronic components in which a semiconductor is conventionally used can be formed.
[0069]
In the spin-dependent conductive element of the present invention, an underlayer made of a magnetic material or a nonmagnetic material, or a nonmagnetic overcoat layer may be provided. In addition, the spin-dependent conductive element of the present invention is typically in the form of a thin film, and can be manufactured using a normal thin film forming apparatus such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, various sputtering methods, and a vapor deposition method. Further, as the substrate for forming the laminated film according to the present invention, any substrate such as a single crystal and a polycrystal of glass, ceramics, metal, semiconductor and the like can be used. In particular, when a Si substrate is used, a conventional semiconductor technology can be used, for example, a gate electrode can be easily formed.
[0070]
【Example】
Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.
[0071]
Example 1
A three-terminal device (spin transistor) having the structure shown in FIG. 7 was manufactured. All the thin films were formed by a sputtering method. First, a Cu film is formed as the conductor layer 22 on the thermally oxidized Si substrate 21. Subsequently, as the ferromagnetic layers 23b and 23a, 20 nm thick Fe and 10 nm thick Co₈₀Pt₂₀Was formed. Next, a granular magnetic layer 24 having a thickness of 10 nm is formed on the ferromagnetic layer 23, and an Au film as the electrodes 27 and 27 ', an alumina insulating film 28, an Au film as the electrodes 26 and 26', and a gate electrode 25 as the gate electrode 25. Co₉An alumina insulating film was formed as the Fe alloy film and the protective film 29, respectively. The element structure shown in FIG. 7 was manufactured by using a lift-off method.
[0072]
The granular magnetic layer is made of Co₈₀Pt₂₀Alloy and SiO₂Under the conditions of Ar gas pressure of 2 mTorr and substrate bias of 400 W₈₀Pt₂₀And SiO₂Was produced by simultaneous sputtering. The obtained film is made of SiO₂Co inside₈₀Pt₂₀It was confirmed by a transmission electron microscope observation of a cross section of the film that the alloy particles had a granular structure in which the particles were dispersed in a layer at a ratio of about 50%. Co₈₀Pt₂₀The particle size of the alloy particles was about 5 nm, and the distance between the particles was about 1.5 nm. The magnetization was measured using a sample vibration magnetometer. As a result, the coercive force was as large as 600 Oe, a clear hysteresis was obtained, and no superparamagnetic behavior was observed.
[0073]
The three-terminal device (spin transistor) thus manufactured was evaluated as follows. First, when a voltage is applied between the two electrodes 26 and 27, a current I flowing through the granular magnetic layer 24 is applied._c, And at the same time, the bias voltage V_GTo tunnel through the granular magnetic layer 24.Electrode 26Current I flowing through_CWas measured as a function of bias voltage. At this time, the direction of the spin of the ferromagnetic layer 23 was changed by passing a current through the conductor layer 22 and changing the direction.
[0074]
FIG._GI for_CShows the change. Here, the spins of the ferromagnetic layer 23 and the granular magnetic layer 24 are parallel to each other. V_GReaches a suitable value,_CRapidly increase, indicating that a resonant tunneling current has flowed.
[0075]
FIG._GI due to external magnetic field when = 0_CIs expressed as a resistance change. The resistance changes greatly due to the external magnetic field, and the rate of change, that is, the rate of change in magnetoresistance (ratio of resistance change to resistance under a saturation magnetic field) 磁場 R / R_sIs as large as 45%. On the other hand, V_G= 11 mV, the magnetoresistance ratio was 15%. This indicates that the spin-dependent conductive element of the present invention can be applied to a magnetic head, a magnetic sensor, a magnetic storage element, and the like, and that the magnetoresistance can be controlled by a gate voltage.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the spin-dependent conductive element of the present invention, electric resistance can be controlled in a wide range, and a large magnetoresistance change rate can be easily obtained with a small magnetic field. Therefore, by using the spin-dependent conductive element of the present invention, it becomes possible to configure a high-sensitivity magnetic head or magnetic field sensor having a large output voltage. Further, when used as a magnetic storage element, a nonvolatile solid-state magnetic memory which can read stored information without applying an external magnetic field and has a high speed and a large output can be provided. Further, since the spin-dependent conduction element of the present invention has a current amplification function, it can be applied to various electronic components and electronic devices using conventional semiconductors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of a first spin-dependent conduction element of the present invention and a spin-dependent resonance tunnel effect of a ferromagnetic double tunnel junction.
FIG. 2 is a diagram schematically showing another configuration of the first spin-dependent conductive element of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a modification of the spin-dependent conductive element shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining a basic configuration of a second spin-dependent conduction element of the present invention and a spin-dependent resonance tunnel effect of a double resonance tunnel junction including a granular magnetic layer and a ferromagnetic layer.
FIG. 5 is a diagram schematically showing another configuration of the second spin-dependent conductive element of the present invention.
FIG. 6 is a diagram schematically showing still another configuration of the second spin-dependent conductive element according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a three-terminal element (spin transistor) to which the spin-dependent conductive element of the present invention is applied.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration example of a three-terminal element (spin transistor) to which the spin-dependent conductive element of the present invention is applied.
FIG. 9 shows a bias voltage V of a three-terminal device (spin transistor) according to an embodiment of the present invention._GCurrent I_CFIG. 9 is a diagram showing a measurement result of a change.
FIG. 10 is a diagram showing the magnetic field dependence of the magnetoresistance ratio of a three-terminal element (spin transistor) according to an example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1... First ferromagnetic layer (first electrode layer)
2, 4, ... dielectric layer (tunnel layer)
3 Second ferromagnetic layer
5... Third ferromagnetic layer (second electrode layer)
6, 7, 8, 16, 17, 18, ... electrodes
11 ... ferromagnetic layer (first electrode layer)
12 Granular magnetic layer
13 nonmagnetic metal layer (second electrode layer)

Claims

One or more ferromagnetic layers having a thickness of 5 nm or less, two or more electrode layers at least one of which is made of a ferromagnetic material, and a double or more multiple tunnel junction formed between the ferromagnetic layers and the electrode layers. As described above , a three- terminal element structure having two or more tunnel layers made of a dielectric or semiconductor alternately stacked with the ferromagnetic layer and the electrode layer, and an electrode for applying a bias voltage to the ferromagnetic layer With
A discrete energy level is formed in the ferromagnetic layer, and a voltage is applied between the electrode layers to cause a tunnel current to flow through the multiple tunnel junction, and the ferromagnetic layer is applied with a bias voltage applied to the electrode. spin-dependent conduction element characterized a control to Turkey discrete energy levels of.

One or more granular magnetic layers having ferromagnetic fine particles dispersed in a dielectric matrix and having a coercive force, and a double or more multiple tunnel junction is formed between the granular magnetic layers. Comprising at least one electrode layer made of a ferromagnetic material and at least one layer disposed adjacent to the granular magnetic layer,
A spin-dependent conductive element, wherein a discrete energy level based on electrostatic energy is formed in the granular magnetic layer, and an electrode for controlling the energy level is provided.

The spin-dependent conductive element according to claim 1 or 2,
The spin-dependent conduction element, wherein the multiple tunnel junction exhibits a spin-dependent resonance tunnel effect.

The spin-dependent conductive element according to claim 3,
A spin-dependent conductive element characterized by exhibiting a magnetoresistance effect based on the spin-dependent resonance tunnel effect by changing the direction of one of the spins of the ferromagnetic layer and the electrode layer made of the ferromagnetic material. .

The spin-dependent conductive element according to claim 3,
A spin-dependent conductive element characterized by exhibiting a magnetoresistive effect based on the spin-dependent resonance tunneling effect by changing the direction of one of the spins of the granular magnetic layer and the ferromagnetic material electrode layer. .

The spin-dependent conductive element according to claim 1 or 3,
The spin-dependent conduction element, wherein the multiple tunnel junction has a current amplification function.

Electronic components, characterized by having a spin-dependent conduction element according to any one of claims 1 to 6.

Magnetic components, characterized by having a spin-dependent conduction element according to any one of claims 1 to 6.

A magnetic head comprising the spin-dependent conductive element according to any one of claims 1 to 6 .

Magnetic memory device characterized by having a spin-dependent conduction element according to any one of claims 1 to 6.