JP4542520B2 - 改善された接合形態を有するナノ接合 - Google Patents

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Description

本発明はナノ接合(ｎａｎｏｃｏｎｔａｃｔ)に関するもので、特に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく一定の厚さの磁壁(ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）を実現して弾道磁気抵抗(Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ Ｖａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＢＭＲ）を一定に維持するナノ接合に関するものである。
モバイルアプリケーション市場が成長することによって、大容量の不揮発性メモリと小型ＨＤＤ(Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ)の需要が急増している。このような不揮発性メモリとＨＤＤ用素子として弾道磁気抵抗素子が研究されている。
弾道磁気抵抗素子は、ＧＭＲ(Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ)素子又はＴＭＲ(Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ)素子より非常に高い磁気抵抗比(Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｔｉｏ)が得られるため、１Ｔｂ(Ｔｅｒａ ｂｉｔ)/ｉｎ2以上の記録密度を有するＨＤＤ用の再生ヘッド素子として使用が可能である。また、このような弾道磁気抵抗素子は、磁性スイッチングを通じてビットを表現するため、作動速度が非常に速い。また、弾道磁気抵抗素子は、不揮発性を有し、単純な構造を有して高集積が可能なため、次世代メモリ素子の実現に使用可能である。すなわち、この弾道磁気抵抗素子は、携帯用端末機、コンピュータ又はネットワーク分野で使用されるフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ(Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)、ＥＥＰＲＯＭ(Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ)又はＳＲＡＭ(Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を代替する技術として使用することができる。
また、弾道磁気抵抗素子は、放射能耐性が強くてミサイルのような軍需用や宇宙航空分野にも適用可能である。
このような弾道磁気抵抗に関する従来技術として、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｎ．Ｇａｒｃｉａ， Ｍ．Ｍｕｄｏｚ，ａｎｄ Ｙ．Ｗ．Ｚｈａｏ，ＶＯＬＵＭＥ８２、ＮＵＭＢＥＲ １４，２９２３−２９２６、(１９９９)に、Ｎｉナノ接合(ｎａｎｏｃｏｎｔａｃｔ)が開示されている。ここで、Ｎｉナノ接合は、常温で１００Ｏｅの磁場を用いる場合に、磁壁(ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ)によって２００％が超える弾道磁気抵抗比を獲得した。また、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｋ．Ｍｉｙａｋｅ，Ｋ．Ｓｈｉｇｅｔｏ，Ｙ．Ｙｏｋｏｙａｍａ，Ｔ．Ｏｎｏ，Ｋ．Ｍｉｂｕ，Ｔ．Ｓｈｉｎｊｏ，ＶＯＬＵＭＥ９７，０１４３０９−１〜６，(２００５)に、従来の一般的な形態のナノ接合において不安定で、再現性のない磁壁の形成が開示されている。
図１の(Ａ)及び(Ｂ)は、従来のナノ接合構造で接合部の長さが０である場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向により厚さが異なる磁壁を形成するナノ接合を示す図である。
ここで、一側の接合ワイヤーの幅は１５０ｎｍで、他側の接合ワイヤーの幅は１２５ｎｍである。両側接合ワイヤーの接触面の幅(ｗｉｄｔｈ)ｙは２〜１５ｎｍで、長さｘは０ｎｍである。初期状態で、接合ワイヤーのスピンモーメント方向は相互に異なる。１００Ｏｅの磁場を右側の接合ワイヤーにかけてｔ1(３００ｐｓ(ｐｉｃｏ ｓｅｃｏｎｄ))で流すと、右側の接合ワイヤーに磁壁が形成される。ｔ2(６００ｐｓ）では、磁壁が接合ワイヤーの接合部分の方向に移動する。３〜４ｎｓ(ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ)後に最終結果として示す接合ワイヤー間の磁壁は、相互にその厚さが異なる。すなわち、図１で、(Ａ)は最終的に接合ワイヤー間の接合部に示す磁壁の厚さが５８ｎｍで、(Ｂ)は最終的に接合ワイヤー間の接合部に示す磁壁の厚さが１７５ｎｍである。
図２の(Ａ)及び(Ｂ)は、従来のナノ接合構造で接合部の長さが１０ｎｍである場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向により厚さが異なる磁壁を形成するナノ接合を示す図である。
ここで、一側の接合ワイヤーの幅は１５０ｎｍで、他側の接合ワイヤーの幅は１２５ｎｍである。両側の接合ワイヤーの接触面の幅ｙは２〜１５ｎｍで、長さｘは３〜２０ｎｍである。初期状態で、接合ワイヤーのスピンモーメント方向は相互に異なる。１００Ｏｅの磁場を右側の接合ワイヤーにかけてｔ1(３００ｐｓ)で流すと、右側の接合ワイヤーに磁壁が形成される。ｔ2(６００ｐｓ）では、磁壁が接合ワイヤーの接合部分の方向に移動する。３〜４ｎｓ後に最終結果として、接合ワイヤー間の磁壁はその厚さが相互に異なるように示す。すなわち、図２で、(Ａ)は最終的に接合ワイヤー間の接合部に示す磁壁の厚さが６０ｎｍで、(Ｂ)は最終的に接合ワイヤー間の接合部に示す磁壁の厚さが１８０ｎｍである。
このように、従来の接合形態を有する弾道磁気抵抗は、接合ワイヤーの初期スピン状態により磁場をかけたときに、最終的に接合ワイヤー間の接合部の磁壁厚さが変化するという問題があった。したがって、磁壁の厚さに反比例する弾道磁気抵抗比が変わるため、素子の信頼性が低下するという問題点があった。
したがって、弾道磁気抵抗比の信頼性を確保するために、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なくナノ接合部の磁壁の厚さが一定のナノ接合を獲得することが要求される。すなわち、ナノ接合部の磁壁に示す弾道磁気抵抗が接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく安定したナノ接合部の形状を得ることを必要とする。
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｎ． Ｇａｒｃｉａ， Ｍ． Ｍｕｄｏｚ， ａｎｄ Ｙ． Ｗ． Ｚｈａｏ， ＶＯＬＵＭＥ ８２， ＮＵＭＢＥＲ １４， ２９２３−２９２６ （１９９９） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｋ． Ｍｉｙａｋｅ， Ｋ． Ｓｈｉｇｅｔｏ， Ｙ． Ｙｏｋｏｙａｍａ， Ｔ． Ｏｎｏ， Ｋ． Ｍｉｂｕ， Ｔ．Ｓ ｈｉｎｊｏ， ＶＯＬＵＭＥ ９７，０１４３０９−１〜６，（２００５）
したがって、上記のような従来技術の問題点を解決するために、本発明の目的は、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく接合ワイヤー間の磁壁の厚さが一定のナノ接合を提供することにある。
また、本発明の目的は、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく接合ワイヤー間の接合部の弾道磁気抵抗(ＢＭＲ）を一定に維持するナノ接合を提供することにある。
上記のような本発明の目的を達成するために、本発明は、２個の接合ワイヤーが接合されるナノ接合であって、接合される接合領域を含む接合面が四分円形を有する第１の接合ワイヤーと、前記第１の接合ワイヤーと前記接合領域で接合し、前記第１の接合ワイヤーの四分円の接合面と原点対称する四分円形の接合面を有する第２の接合ワイヤーとを含むことを特徴とする。
また、本発明は、２個の接合ワイヤーが接合されるナノ接合であって、接合される接合領域を含む接合面が一定の傾斜角をなす形態を有する第１の接合ワイヤーと、前記第１の接合ワイヤーと前記接合領域で接合し、前記第１の接合ワイヤーの接合面の傾斜角と対称する傾斜角をなす接合面を有する第２の接合ワイヤーとを含むことを特徴とする。
本発明は、ナノ接合を構成する２個の接合ワイヤーの接合領域を各々原点対称する四分円形として、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく磁場をかけて第１のナノワイヤーと第２のナノワイヤーの磁化方向が反対の場合に示す磁壁の厚さが一定に実現することができる。したがって、一定で、再現性のよく弾道磁気抵抗比を有するナノ接合を提供することができる効果がある。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
下記の実施形態では、両側にＮｉ81Ｆｅ19ナノワイヤーを使用する場合のナノ接合を説明する。本発明によるナノ接合を示す図は、基板に塗布された薄膜(ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ）を上から見たことを示す。
図３の(Ａ)及び(Ｂ)は、本発明の第１の実施形態によるナノ接合構造で接合部の長さが０である場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく厚さが同一の磁壁を形成するナノ接合を示す図である。
ここで、第１の接合ワイヤーは接合される接合領域(ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ）を含む接合面(ｃｏｎｔａｃｔ ｐｌａｎｅ）が四分円形を有し、第２の接合ワイヤーは第１の接合ワイヤーと接合領域で接合し、第１の接合ワイヤーの四分円の接合面と原点対称する四分円形の接合面を有する。これは、四分円の両端が相互に接している形態である。第１の接合ワイヤーの幅は１５０ｎｍで、他側の接合ワイヤーの幅は１２５ｎｍである。
この場合、両側の接合ワイヤーの接触面の幅ｙは２〜１５ｎｍで、長さｘは０ｎｍである。初期状態で、接合ワイヤーのスピンモーメント方向は相互に異なる。１００Ｏｅの磁場を右側の接合ワイヤーにかけてｔ1(３００ｐｓ)で流すと、右側の接合ワイヤーに磁壁が形成される。ｔ2(６００ｐｓ)及びｔ3(１ｎｓ)では磁壁が接合ワイヤーの接合部分の方向に移動する。３〜４ｎｓ後に最終結果(ｆｉｎａｌ ｒｅｓｕｌｔ）として示す接合ワイヤー間の磁壁はその厚さが同一である。すなわち、時間の流れに従って(Ａ)と(Ｂ)は、磁壁のスピンモーメント方向が相互に異なるように示すが、最終的には初期スピンモーメント方向に関係なく一定の厚さの磁壁を形成する。すなわち、最終結果として示す接合ワイヤー間の磁壁は、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく６０ｎｍの厚さを有する。
図４の(Ａ)及び(Ｂ)は、本発明の第２の実施形態によるナノ接合構造で接合部の長さが１０ｎｍである場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく厚さが同一の磁壁を形成するナノ接合を示す図である。
ここで、第１の接合ワイヤーは接合される接合領域を含む接合面が四分円形を有し、第２の接合ワイヤーは第１の接合ワイヤーと接合領域で接合し、第１の接合ワイヤーの四分円の接合面と原点対称する四分円形の接合面を有する。但し、ここでは、このような四分円が接合される部分が長方形の長さを有する。
一側の接合ワイヤーの幅は１５０ｎｍで、他側の接合ワイヤーの幅は１２５ｎｍである。この場合、両側の接合ワイヤーの接触面の幅ｙは２〜１５ｎｍ以下で、長さｘは３〜２０ｎｍである。初期状態で、接合ワイヤーのスピンモーメント方向は相互に異なる。１００Ｏｅの磁場を右側の接合ワイヤーにかけてｔ1(３００ｐｓ)で流すと、右側の接合ワイヤーに磁壁が形成される。ｔ2(６００ｐｓ)及びｔ3(１ｎｓ)では磁壁が接合ワイヤーの接合部分の方向に移動する。３〜４ｎｓ後に最終結果として示す接合ワイヤー間の磁壁は、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく６２ｎｍの厚さを有する。
すなわち、本発明による接合部形状を有する場合に、２ナノワイヤーの磁化が相互に反対方向になるように磁化反転されると、形状異方性によってナノ接合の両側の磁気モーメントは初期状態に関係なく常に反対方向になるように、ナノ接合の両側で磁気モーメントの方向を一定に制御するため、一定の厚さの磁壁を形成する。したがって、弾道磁気抵抗比が一定になり、それによって安定した弾道磁気抵抗素子が実現可能になる。
図５の(Ａ)及び(Ｂ)は、本発明の第１の実施形態と第２の実施形態によるナノ接合構造で接合部の長さが１０ｎｍである場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく厚さが同一の磁壁を形成した最終のナノ接合を示す図である。すなわち、図５で、(Ａ)は図４に示した本発明の第１の実施形態で、接合部の長さが１０ｎｍである場合に第１のナノワイヤーと第２のナノワイヤーとの間に生じた磁壁を示し、(Ｂ)は本発明の第２の実施形態によるナノ接合構造で接合部の長さが１０ｎｍである場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく第１のナノワイヤーと第２のナノワイヤーとの間に厚さが同一の磁壁を形成した最終のナノ接合を示す。
図５の(Ｂ)に示す本発明の第２の実施形態によるナノ接合構造で、第１の接合ワイヤーは、接合される接合領域を含む接合面が一定の傾斜角をなす形態を有する。この構造で、第１の接合ワイヤーと上記の接合領域で接合する第２の接合ワイヤーは、第１の接合ワイヤーの接合面の傾斜角と対称である傾斜角をなす接合面を有する。
以上に、接合ワイヤーとしてＮｉＦｅ(特に、Ｎｉ81Ｆｅ19）を使用する場合を説明したが、それ以外にＣｏ又はＮｉのようにフェルミエネルギー(Ｆｅｒｍｉ ｅｎｅｒｇｙ)でアップスピン(ｕｐ ｓｐｉｎ）がダウンスピン(ｄｏｗｎ ｓｐｉｎ)より多くの材料を使用することができる。
以上、本発明の詳細な説明においては具体的な実施形態に関して説明したが、形式や細部についての様々な変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
従来のナノ接合構造で接合部の長さが０である場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向により厚さが異なる磁壁を形成するナノ接合を示す図である。 従来のナノ接合構造で接合部の長さが１０ｎｍである場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向により厚さが異なる磁壁を形成するナノ接合を示す図である。 本発明の第１の実施形態によるナノ接合構造で、接合部の長さが０である場合に接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく厚さが同一の磁壁を形成するナノ接合を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるナノ接合構造で、接合部の長さが１０ｎｍである場合に接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく厚さが同一の磁壁を形成するナノ接合を示す図である。 本発明の第１及び第２の実施形態によるナノ接合構造で、接合部の長さが１０ｎｍである場合に、接合ワイヤーの初期スピンモーメント方向に関係なく厚さが同一の磁壁を形成する最終のナノ接合を示す図である。

Claims (6)

  1. 磁壁を形成する強磁性体で構成される２個の接合ワイヤーが接合される、弾道磁気抵抗素子用のナノ接合であって、接合される接合領域を含む接合面が四分円形を有する第１の接合ワイヤーと、前記第１の接合ワイヤーと前記接合領域で接合し前記第１の接合ワイヤーの四分円の接合面と原点対称の四分円形の接合面を有する第２の接合ワイヤーとを含み、磁壁を形成する前記第１及び第２のワイヤーのナノ接合部の磁気モーメントが初期状態に関係なく接合の両側で常に反対方向であることを特徴とするナノ接合。
  2. 前記接合領域の長さは０〜２０ｎｍで、前記接合領域の幅は２〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のナノ接合。
  3. 前記第１の接合ワイヤーと第２の接合ワイヤーはＮｉ、Ｃｏ又はＮｉＦｅであることを特徴とする請求項１記載のナノ接合。
  4. 磁壁を形成する強磁性体で構成される２個の接合ワイヤーが接合される、弾道磁気抵抗素子用のナノ接合であって、接合される接合領域を含む接合面が一定の傾斜角をなす形態を有する第１の接合ワイヤーと、前記第１の接合ワイヤーと前記接合領域で接合し前記第１の接合ワイヤーの接合面の傾斜角と対称の傾斜角をなす接合面を有する第２の接合ワイヤーとを含み、磁壁を形成する前記第１及び第２のワイヤーのナノ接合部の磁気モーメントが初期状態に関係なく接合の両側で常に反対方向であることを特徴とするナノ接合。
  5. 前記接合領域の長さは３〜２０ｎｍで、前記接合領域の幅は２〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項４記載のナノ接合。
  6. 前記第１の接合ワイヤーと第２の接合ワイヤーはＮｉ、Ｃｏ又はＮｉＦｅであることを特徴とする請求項４記載のナノ接合。
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