JP4133687B2 - トンネルジャンクション素子 - Google Patents
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Description
本発明は、トンネルジャンクション素子に係り、磁化によって記憶された情報を読み出すのに必要な磁気ヘッドに利用される。またさらにこの技術は磁気メモリ素子に展開するであろうＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子に関する技術に応用できる。
情報産業技術の肥大化、また画像等の記憶等、現在の記憶容量増大の要求は止まる事を知らない。その為に、メモリサイズに関して限りない微小化要求が発生している。現在の予測では、２００４年には１００Ｇｂｐｓｉのメモリ容量を磁性材料サイズ３０ｎｍ（３００Å）で、２００７年には１０００Ｇｂｐｓｉのメモリ容量を磁性材料サイズ１０ｎｍ（１００Å）程度で実現できると言われている。
このような記憶を担う磁性材料の微細化、高密度化に対応するために、再生ヘッド、もしくは磁気センサーの感度の向上も必須である。この感度はＭＲ比として表現される。再生ヘッドの微小化はこれを構成するセンサー素子のＭＲ比の向上によって実現されてきた。
このＭＲ比に関しては、１９９４年頃からＭＲ比が４％であるＧＭＲ（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が開発され、実用化されつつある。現在ではＭＲ比１０％程度のものが登場しつつある。しかし、１００Ｇビット／（インチ）2 以上の記憶密度になるとＧＭＲ素子のＭＲ比では足りず、１０から数１０％レベルのＭＲ比が必要となる。
そこで、２０００年に、開発段階でＭＲ比が１０％以上のＴＭＲ素子が登場し、このＴＭＲ素子により従来のＧＭＲ素子で難しかったより高いＭＲ比が実現できることが示された（下記非特許文献１参照）。
ＴＭＲ素子は磁気センサーとしての応用だけでなく、磁気メモリとしての応用展開も可能である。すでにＩＢＭが２００４年に２５６Ｍｂｉｔ−ＭＲＡＭを市場に投入するための共同開発計画を発表した事もあり、さらに重要性を帯び始めている。
特開２００３−８６８６３号公報
Ｏｈａｓｈｉ ｅｔ ａｌ，ＮＥＣ"Ｌｏｗ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｈｅａｄ"，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．５，ｐｐ．２５４９−２５５３，２０００
Ｍ．Ｂｒｏｗｎｅｔ ａｌ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．８２（２００３）２３３
Ｍ．Ｋａｗａｓａｋｉ，Ｙ．Ｔｏｋｕｒａ ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４２（２００３）Ｌ３６９−Ｌ３７２
Ｕ．Ｐｕｓｔｏｇｏｗａ ｅｔ ａｌ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４９（１９９４）１００３１
Ｔｈ．Ｒａｓｉｎｇ ｅｔ ａｌ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７４（１９９５）３６９２（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９（１９９６），６１８１）
ＴＭＲ素子は、強磁性トンネル接合（ジャンクション）におけるスピン分極トンネル磁気抵抗効果を利用する素子である。強磁性トンネル接合は、鉄などの遷移金属を強磁性金属層とし、これにＡｌ2 Ｏ3 などの十分に薄い絶縁体膜を挟み込んだサンドイッチ構造をしている。ＴＭＲの基本的な物理現象は上下の強磁性層のスピンの向きによって、伝導電子が絶縁層の障壁をトンネルできる確立が変化することに起因している。ＴＭＲ素子を構成する強磁性金属層にペロブスカイト型酸化物を使用すると、通常の遷移金属を使ったものよりさらに大きなＭＲ比が得られることが示されている（上記非特許文献２参照）。この素子のＭＲ比は実に４Ｋにおいて、１８００％を超える。このようなＴＭＲ素子をＣＭＲ（ｃｏｌｏｓｓａｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子と呼ぶ。
ペロブスカイト型酸化物を強磁性金属層に使用したＣＭＲ素子においては、従来のＴＭＲ素子特性を大きく凌駕する特性が期待できるが、一方、室温下においてはＭＲ比が小さいという問題がある。
本発明は、上記状況に鑑みて、室温下においても、ＭＲ比を向上させることができるトンネルジャンクション素子を提供することを目的とする。
本願発明者らはＣＭＲ素子が室温下で期待ほどのＭＲ比を示さない理由を以下のように示した（上記非特許文献３参照）。ＣＭＲ素子の実用化にあたって、絶縁膜をペロブスカイト型強磁性導電性酸化物で挟む構造にすると、そのペロブスカイト型酸化物が単一状態で示す強磁性転移温度Ｔｃより、トンネルジャンクションの強磁性転移温度ＴC が低下する問題が発生する。この強磁性転移温度Ｔｃの低下は、絶縁層と強磁性金属材料での界面におけるスピン状態が単一強磁性金属層のスピンと異なることによる。界面でのスピン方位は、強磁性金属層内でのスピン間での強磁性的結合を促す二重交換相互作用と層間反強磁性（Ａ−ｔｙｐｅ ｌａｙｅｒｅｄ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ）との競合により決定される。
従って、本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕トンネル膜をもつトンネルジャンクション素子において、Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いた下部強磁性導電性電極（２，１２）及び上部強磁性導電性電極（４，１４）と、前記下部強磁性導電性電極（２，１２）と前記上部強磁性導電性電極（４，１４）に挟まれた電気的絶縁層からなる中心を構成する第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）とこの第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）の上下に電荷を供給できるような第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）とからなる３層構造を有する非磁性膜からなるトンネル膜をもつ。
〔１〕トンネル膜をもつトンネルジャンクション素子において、Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いた下部強磁性導電性電極（２，１２）及び上部強磁性導電性電極（４，１４）と、前記下部強磁性導電性電極（２，１２）と前記上部強磁性導電性電極（４，１４）に挟まれた電気的絶縁層からなる中心を構成する第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）とこの第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）の上下に電荷を供給できるような第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）とからなる３層構造を有する非磁性膜からなるトンネル膜をもつ。
〔２〕上記〔１〕記載のトンネルジャンクション素子において、前記３層構造を有する非磁性膜からなるトンネル膜の厚みの合計が３単位層から１０単位層である構造を有する。
〔３〕上記〔２〕記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）の膜厚はそれぞれ１単位層から３単位層である構造を有する。
〔４〕上記〔２〕記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）はＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属酸化膜を用いた。
〔５〕上記〔４〕記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）はＡ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いた。
〔６〕上記〔５〕記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜を構成する３層の中心の第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）がＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）である。
〔７〕上記〔６〕記載のトンネルジャンクション素子において、前記ＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）を挟む前記第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）がＬａＭｎＯ3-δ （δは酸素欠損量）である。
〔８〕上記〔１〕から〔７〕の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記強磁性導電性電極はＬａ1-x Ｓｒ x ＭｎＯ3-δ酸化物（０．２≦ｘ≦０．５、δは酸素欠損量）を用いた。
〔９〕上記〔１〕から〔７〕の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記強磁性導電性電極はＡ2 ＭＭ´Ｏ6-δ型酸化物（δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素、Ｍ´としてＭ以外のＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素を用いた。
〔１０〕上記〔１〕から〔９〕の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記強磁性導電性電極と前記トンネル膜を構成する膜材料の少なくとも一つはレーザーアブレーション法にて製造された。
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
本発明によれば、ＣＭＲ素子の課題である室温で十分なＭＲ比を示す磁気センサーを提供することができる。例えば、１００Ｇビット／（インチ）2 もしくは１０００Ｇビット／（インチ）2 の記録密度に対応できる磁気ヘッドを供給することができる。また、ＤＲＡＭ、ＦｅＲＡＭと肩を並べる磁気メモリの構成素子としての特性を示すＣＭＲ素子を提供することができる。
トンネル膜をもつトンネルジャンクション素子であって、下部強磁性導電性電極と上部強磁性導電性電極との間に３層構造の非磁性膜からなるトンネル膜を形成し、上記強磁性導電性電極は、Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いた下部強磁性導電性電極（２，１２）及び上部強磁性導電性電極（４，１４）と、前記下部強磁性導電性電極（２，１２）と前記上部強磁性導電性電極（４，１４）に挟まれた電気的絶縁層からなる中心を構成する第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）とこの第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）の上下に電荷を供給できるような第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）とからなる３層構造を有する。
（１）図１は本発明にかかるトンネルジャンクション素子の断面模式図である。
この図において、１は下部金属電極、２はその上に形成されるＡ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物膜（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）〔下部強磁性導電性電極〕、３は非磁性膜からなるトンネル膜であり、このトンネル膜は電荷を供給できるような第１の膜３Ａ，電気的絶縁層である第２の膜３Ｂ、電荷を供給できるような第３の膜３Ｃからなる。４は第３の膜３Ｃ上に形成されるＡ1-x Ｂx ＭＯ3-δ型酸化物膜（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）〔上部強磁性導電性電極〕、５はその上部強磁性導電性電極４上に形成される上部金属電極である。
（２）ここで、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２と上部強磁性導電性電極４とで挟まれる３層からなるトンネル膜３、つまり、第１の膜３Ａ，第２の膜３Ｂ，第３の膜３Ｃの厚みの合計が３単位層から１０単位層である構造を有する。
（３）また、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２と上部強磁性導電性電極４とで挟まれる３単位層からなるトンネル膜３を構成する上下の膜、つまり、第１の膜３Ａと第３の膜３Ｃの膜厚はそれぞれ１単位層から３単位層である構造を有する。
（４）また、上記トンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ）と第３の膜（３Ｃ）はＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属酸化膜を用いる。
（５）また、上記トンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ）と第３の膜（３Ｃ）はＡ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いる。
（６）また、上記トンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜を構成する３層の中心の第２の膜（３Ｂ）がＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）である。
（７）また、上記トンネルジャンクション素子において、トンネル膜を構成する３層の中央の膜、つまり、第２の膜３ＢはＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）で、それを挟む上下の膜、つまり第１の膜３Ａ、第３の膜３ＣがＬａＭｎＯ3-δ （δは酸素欠損量）である。
（８）また、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２、上部強磁性導電性電極４はＬａ1-x Ｓｒ x ＭｎＯ3-δ酸化物（０．２≦ｘ≦０．５、δは酸素欠損量）を用いる。
（９）また、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２、上部強磁性導電性電極４はＡ2 ＭＭ´Ｏ6-δ型酸化物（δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素、Ｍ´としてＭ以外のＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素を用いる。
（１０）さらに、上記トンネルジャンクション素子において、強磁性導電性電極とトンネル膜を構成する膜、つまり第１の膜３Ａ，第２の膜３Ｂ，第３の膜３Ｃの膜材料として少なくとも一つはレーザーアブレーション法にて製造するようにした。
（２）ここで、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２と上部強磁性導電性電極４とで挟まれる３層からなるトンネル膜３、つまり、第１の膜３Ａ，第２の膜３Ｂ，第３の膜３Ｃの厚みの合計が３単位層から１０単位層である構造を有する。
（３）また、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２と上部強磁性導電性電極４とで挟まれる３単位層からなるトンネル膜３を構成する上下の膜、つまり、第１の膜３Ａと第３の膜３Ｃの膜厚はそれぞれ１単位層から３単位層である構造を有する。
（４）また、上記トンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ）と第３の膜（３Ｃ）はＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属酸化膜を用いる。
（５）また、上記トンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ）と第３の膜（３Ｃ）はＡ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いる。
（６）また、上記トンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜を構成する３層の中心の第２の膜（３Ｂ）がＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）である。
（７）また、上記トンネルジャンクション素子において、トンネル膜を構成する３層の中央の膜、つまり、第２の膜３ＢはＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）で、それを挟む上下の膜、つまり第１の膜３Ａ、第３の膜３ＣがＬａＭｎＯ3-δ （δは酸素欠損量）である。
（８）また、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２、上部強磁性導電性電極４はＬａ1-x Ｓｒ x ＭｎＯ3-δ酸化物（０．２≦ｘ≦０．５、δは酸素欠損量）を用いる。
（９）また、上記トンネルジャンクション素子において、下部強磁性導電性電極２、上部強磁性導電性電極４はＡ2 ＭＭ´Ｏ6-δ型酸化物（δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素、Ｍ´としてＭ以外のＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素を用いる。
（１０）さらに、上記トンネルジャンクション素子において、強磁性導電性電極とトンネル膜を構成する膜、つまり第１の膜３Ａ，第２の膜３Ｂ，第３の膜３Ｃの膜材料として少なくとも一つはレーザーアブレーション法にて製造するようにした。
図２は本発明の具体例を示すトンネルジャンクション素子の断面図である。
この図において、１１は下部金属電極、１２は下部金属電極１１の上に形成される下部強磁性導電性電極としての強磁性金属材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3 、１３はトンネル膜であり、このトンネル膜１３は、電荷を供給できる第１の膜１３Ａとしての２単位層積層した単一単位層膜のＬａＭｎＯ3 、電気的絶縁層である第２の膜１３Ｂとしての５単位層のＳｒＴｉＯ3 と、電荷を供給できる第３の膜１３Ｃとしての２単位層のＬａＭｎＯ3 からなる。１４は第３の膜１３Ｃ上に形成される上部強磁性導電性電極としての強磁性金属膜材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3 、１５は上部金属電極である。
このように、強磁性金属材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3 １２の上に非磁性膜（トンネル膜）として２単位層積層した２単位層膜のＬａＭｎＯ3 １３Ａと５単位層のＳｒＴｉＯ3 １３Ｂとその膜と強磁性金属膜材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3 １４との界面に２単位層のＬａＭｎＯ3 １３Ｃを挿入したＬａＭｎＯ3 ／ＳｒＴｉＯ3 ／ＬａＭｎＯ3 の３層構造のトンネル膜を構成した。これらのトンネル膜１３、強磁性金属層１２，１４はレーザーアブレーション法で積層する。このときの成膜条件は８５０−９００℃、０．１−１ｍＴｏｒｒである。なお、ＳｒＴｉＯ3 １３Ａの１単位層の膜厚は３．９０５Å、ＬａＭｎＯ3 １３Ｃの１単位層の膜厚は３．９６０Åである。これらの膜の積層数は、ＲＨＥＥＤ（反射高エネルギー電子線回折）観察により決定した。
入射エネルギー１．５５ｅＶ、入射角度２６°、試料温度５０Ｋから３５０Ｋの場合の第２高調波（ＳＨＧ）３．１ｅＶ反射強度の偏向角度の測定例を示す。ＳＨＧ光は、光学フィルターと分光器で励起光から切り離し光電子増倍管、ボックスカー積分器で測定した。
図３は第２高調波を使った界面スピン状態の観察方法〔ＭＳＨＧ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）法〕の原理図である。
この図に示すように、このとき構成する材料が非磁性透明膜１０１（この非磁性透明膜は従来の例としてはＳｒＴｉＯ3 を用い、本発明の例としてはＳｒＴｉＯ3 ／ＬａＭｎＯ3 を用いる）と強磁性膜１０２（この強磁性膜は従来の例、本発明の例ともに、Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3 を用いる）からなる界面で構成されているとする。そこで、このＭＳＨＧ法は振動数ωのレーザー光１０３を入射角ωで入射し、その反射光１０４ωの振動数２ωの光の偏光面の回転を調べればよい。
かかる配置のときの第２高調波の感受率χ（２）は、χ（２）＝αＭｘＰｚと表現される。界面の存在により分極率Ｐｚが存在し、ｘ軸方向の磁化Ｍｘによりχ（２）が発生する。偏光面の回転角度は発生した界面磁化の大きさに比例する。磁性界面からの第２高調波の偏向面が回転することはＰｕｓｔｏｇｏｗａらがＦｅ磁性金属薄膜にて理論的に予測し（上記非特許文献４参照）、Ｒａｓｉｎｇらがスパッター膜で形成したＦｅ／Ｃｒ膜において第２高調波の偏光面の回転を観察した（上記非特許文献５参照）。
図４に従来からＣＭＲ素子に用いられているＳｒＴｉＯ3 をトンネル膜として用いていた場合のＢ＝＋５００Ｇａｕｓｓの場合とＢ＝−５００Ｇａｕｓｓの場合のＳＨＧ光の偏向度を示す〔図４（ａ）〕。また、本発明のトンネルジャンクション素子におけるＳｒＴｉＯ3 ／ＬａＭｎＯ3 トンネル膜の場合のＳＨＧ光の偏向度を示す〔図４（ｂ）〕。明らかにＳｒＴｉＯ3 ／ＬａＭｎＯ3 トンネル膜の場合にＳＨＧ光の偏向度は高温まで発生していることが分かる。これを５０Ｋから３５０ＫまでＳＨＧ光の偏向度を示したものが図５である。
トンネル膜がＳｒＴｉＯ3 の場合（図５のグラフａ) は、ＳＨＧ光がなくなるのに対して、本発明の場合（図５のグラフｂ）は、室温以上の３００ＫにおいてもＳＨＧ光が５０Ｋの低温に対して４０％も存在している。これは低温（たとえば４．２Ｋ）でのＭＲ比に対して４０％のＭＲ比を示すＣＭＲ素子が実現できることを示したことになる。すなわち、ＭＲ比＝１８００％が４. ２Ｋで実現できることから、この４０％、すなわち室温で７２０％のＭＲ比が実現できることを示したことになる。このような従来のトンネル膜の上下に電荷供給層を１から２単位層形成し、上下導電性電極間の層間反強磁性（Ａ−ｔｙｐｅ ｌａｙｅｒｅｄ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｅｎｅｔｉｓｍ）の発生を抑え込むことに成功したことを示す。ＬａＭｎＯ3 ／ＳｒＴｉＯ3 ／ＬａＭｎＯ3 トンネル膜の場合においては、室温で、十分なＭＲ比７００％以上の値をもつことが期待できることを示した。
本発明によれば、新ＣＭＲ素子は室温動作し、ＭＲ比で７００以上の値を示す高性能の磁気センサーを可能にする。このことにより、１００Ｇビット、テラビット領域の巨大な磁気メモリデバイスを提供する事が可能になり、今後の巨大情報量を扱う情報通信を担うにふさわしい巨大メモリを提供することが可能となる。また、この発明に基づく新ＣＭＲ素子は磁気センサーへの応用にとどまらない。この新ＣＭＲ素子は現在、急速に開発されようとしている磁気メモリ素子に応用展開することが可能である。また、強磁性導電性電極材料のスピンの向きが反並行状態に保持した場合、酸化膜を通過するトンネル電流の劇的な低減に寄与することができることからＤＲＡＭ素子の容量用酸化膜に応用展開をはかることも可能であろう。また、微小領域の磁場を敏感に検知することが可能であるから、たとえば微小磁石を一方に配置し、他方にここで提案された磁気センサーを搭載すれば、開閉センサー（たとえば携帯電話の開閉センサー）としての応用も可能である。このように磁気メモリ用にとどまらず、広範な情報ネットワークの基本素子としての発明の応用が考えられる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
本発明のトンネルジャンクション素子は、ＭＲ比で７００以上の値を示し、室温動作する高性能の磁気センサーに適している。
１，１１ 下部金属電極
２ Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物膜（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）〔下部強磁性導電性電極〕
３，１３ トンネル膜（非磁性膜）
３Ａ 第１の膜（電荷供給膜)
３Ｂ 第２の膜（電気的絶縁膜）
３Ｃ 第３の膜（電荷供給膜)
４ Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物膜（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）〔上部強磁性導電性電極〕
５，１５ 上部金属電極
１２ 下部強磁性導電性電極としての強磁性金属材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3
１３Ａ ２単位層のＬａＭｎＯ3
１３Ｂ ５単位層のＳｒＴｉＯ3
１３Ｃ ２単位層のＬａＭｎＯ3
１４ 上部強磁性導電性電極としての強磁性金属膜材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3
１０１ 非磁性透明膜
１０２ 強磁性膜
１０３ レーザー光
１０４ 反射光
２ Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物膜（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）〔下部強磁性導電性電極〕
３，１３ トンネル膜（非磁性膜）
３Ａ 第１の膜（電荷供給膜)
３Ｂ 第２の膜（電気的絶縁膜）
３Ｃ 第３の膜（電荷供給膜)
４ Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物膜（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）〔上部強磁性導電性電極〕
５，１５ 上部金属電極
１２ 下部強磁性導電性電極としての強磁性金属材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3
１３Ａ ２単位層のＬａＭｎＯ3
１３Ｂ ５単位層のＳｒＴｉＯ3
１３Ｃ ２単位層のＬａＭｎＯ3
１４ 上部強磁性導電性電極としての強磁性金属膜材料Ｌａ0.6 Ｓｒ0.4 ＭｎＯ3
１０１ 非磁性透明膜
１０２ 強磁性膜
１０３ レーザー光
１０４ 反射光
Claims (10)
- Ａ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いた下部強磁性導電性電極（２，１２）及び上部強磁性導電性電極（４，１４）と、前記下部強磁性導電性電極（２，１２）と前記上部強磁性導電性電極（４，１４）に挟まれた電気的絶縁層からなる中心を構成する第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）と該第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）の上下に電荷を供給できるような第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）とからなる３層構造を有する非磁性膜からなるトンネル膜をもつトンネルジャンクション素子。
- 請求項１記載のトンネルジャンクション素子において、前記３層構造を有する非磁性膜からなるトンネル膜の厚みの合計が３単位層から１０単位層である構造を有するトンネルジャンクション素子。
- 請求項２記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）の膜厚はそれぞれ１単位層から３単位層である構造を有するトンネルジャンクション素子。
- 請求項２記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）はＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属酸化膜を用いたトンネルジャンクション素子。
- 請求項４記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜の３層構造を構成する第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）はＡ1-x Ｂ x ＭＯ3-δ型酸化物（０≦ｘ≦１、δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭとしてＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属を用いたトンネルジャンクション素子。
- 請求項５記載のトンネルジャンクション素子において、前記トンネル膜を構成する３層の中心の第２の膜（３Ｂ，１３Ｂ）がＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）であるトンネルジャンクション素子。
- 請求項６記載のトンネルジャンクション素子において、前記ＳｒＴｉＯ3-δ（δは酸素欠損量）を挟む前記第１の膜（３Ａ，１３Ａ）と第３の膜（３Ｃ，１３Ｃ）がＬａＭｎＯ3-δ （δは酸素欠損量）であるトンネルジャンクション素子。
- 請求項１から７の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記強磁性導電性電極はＬａ1-x Ｓｒ x ＭｎＯ3-δ酸化物（０．２≦ｘ≦０．５、δは酸素欠損量）を用いたトンネルジャンクション素子。
- 請求項１から７の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記強磁性導電性電極はＡ2 ＭＭ´Ｏ6-δ型酸化物（δは酸素欠損量）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＭはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素、Ｍ´としてＭ以外のＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕなどの遷移金属元素を用いたトンネルジャンクション素子。
- 請求項１から９の何れか一項記載のトンネルジャンクション素子において、前記強磁性導電性電極と前記トンネル膜を構成する膜材料の少なくとも一つはレーザーアブレーション法にて製造されたトンネルジャンクション素子。
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