JPH08249875A

JPH08249875A - 固体磁気記録素子

Info

Publication number: JPH08249875A
Application number: JP7054201A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Takahashi; 義則高橋; Shiho Okuno; 志保奥野; Koichiro Inomata; 浩一郎猪俣
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】バイポーラスピンスイッチ構造を有し、かつメ
モリ機能を有する高性能の固体磁気記録素子を提供する
こと、および検出感度が高く、制御性の優れた固体磁気
記録素子を提供すること。【構成】第１の金属強磁性層２ａと、第２の金属強磁性
層２ｂと、これらの間に介装された非磁性層３とが積層
されて固体磁気記録素子が構成される。第１の金属強磁
性層２ａと非磁性層３との間に通電されることにより第
２の金属強磁性層２ｂに基準電位からの電位変化が誘導
され、第１の金属強磁性層２ａと第２の金属強磁性層２
ｂの磁化の向きが平行あるいは反平行配置のとき、電位
変化の極性が異なり、第１および第２の金属強磁性層２
ａ，２ｂは同一方向に膜面内の一軸磁気異方性が付与さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超高密度固体磁気記録に
適した簡単な構造の固体磁気記録素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気記録は磁気媒体と磁気ヘッド
の組み合わせで記録再生が行われている。これは磁性塗
膜や磁性薄膜を磁気記録媒体として、誘導型磁気ヘッド
のギャップ漏洩磁界の作用を利用してアナログ信号ある
いはデジタル信号を媒体に記録し、記録された信号パタ
ーンからの漏洩磁界を誘導型ヘッドあるいは磁気抵抗型
ヘッドにより検出して記録の再生を行うものである。

【０００３】現在、このような磁気記録の中でハードデ
ィスクドライブは、性能面では記録密度が１００Ｍｂ
（メガビット）／ｃｍ² 程度、データ転送速度は２０Ｍ
ｂ／ｓ程度、アクセス時間は１０ｍｓ程度である。また
磁気記録は磁性材料の側面からは桁違いの超高記録密度
の可能性を秘めているが、現実には、ハードディスクド
ライブ等では磁気ヘッドの位置決め精度等の問題から今
後飛躍的な性能向上は望めないものと考えられる。

【０００４】従って、ハードディスクドライブは、将来
のディジタル情報ネットワークの超高密度記録、超高速
データ転送、超高速アクセス等の技術的要請に応えるこ
とが困難となる問題があると考えられる。

【０００５】一方、最近、記録媒体として磁性薄膜を用
い、その磁気抵抗効果を利用した記録技術が研究開発さ
れており、既にサンドイッチ構造の磁性薄膜のチップを
情報担体として用いた時、１Ｍｂ／ｃｍ² 相当の記録密
度が得られることが実証されている（ＩＥＥＥＴｒａ
ｎｓ．ｏｎＭａｇ．２４，３１１７（１９８８））。
さらには、１００Ｍｂ／ｃｍ² 相当の記録密度の理論的
研究もなされるようになっている（ＩＥＥＥＴｒａｎ
ｓ．ｏｎＭａｇ．２５，４２６６（１９８９））。

【０００６】この際の書き込みは、２層の強磁性層の磁
化の向きを平行および反平行に向けることによって２進
情報に対応させる方法が採用される。また、読み出し
は、センス線に一定電流を加え、同時に語線に語電流パ
ルスを加えることにより、２層の強磁性層の磁化が容易
軸方向に沿って平行あるいは反平行状態から困難軸方向
へ回転して抵抗が変化して、記録情報に応じて正または
負の電圧パルスが発生することによりなされる。

【０００７】しかしながら、このような磁気抵抗効果を
利用した記録技術の場合も、読み出し電圧の大きさは概
略的にビット担体であるサンドイッチ構造をなす積層膜
の体積に比例することになり、記録密度の向上もハード
ディスクドライブと同じ程度が限界と考えられる。

【０００８】とはいうものの、上記磁気抵抗効果記録
は、不揮発性記録、ランダムアクセス可能、非破壊読み
出し、耐放射線等の優れた性能特性を有している。他
方、最近パーマロイ（７０ｎｍ）／Ａｕ（９８ｎｍ）／
パーマロイ（７０ｎｍ）あるいはパーマロイ（７０ｎ
ｍ）／Ａｕ（９８ｎｍ）／Ｃｏ（７０ｎｍ）のサンドイ
ッチ構造を持つ積層膜において、パーマロイ／Ａｕ間に
通電することによって他のパーマロイあるいはＣｏに電
位変化が誘導され、２つの強磁性層のそれぞれの磁化の
向きが平行あるいは反平行配置のとき電位変化の極性が
異なるという、いわゆるバイポーラスピンスイッチの現
象が見い出されている（Ｓｃｉｅｎｃｅ２６０，３２
０（１９９３），Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７０，
２１４２（１９９３））。

【０００９】この現象は次のように説明される。すなわ
ち、第１の金属強磁性層（Ｆ１）から非磁性層（Ｐ）へ
スピン偏極電子が流れると、非磁性層内に非平衡定常状
態の磁気分極が誘導され上向きスピン電子のフェルミ準
位が上昇し、下向きスピン電子のフェルミ準位が下降す
る。このとき第２の金属強磁性層（Ｆ２）の磁化の向き
がＦ１の磁化の向きと平行ならば、Ｆ２の上向きスピン
電子のフェルミ準位がＰの上向きスピン電子のフェルミ
準位とレベルを揃えるように上昇して、基準電位から正
の電位変化が誘導される。一方、Ｆ２の磁化の向きがＦ
１の磁化の向きと反平行ならば、Ｆ２の下向きスピン電
子のフェルミ準位がＰの下向きスピン電子のフェルミ準
位とレベルを揃えるように下降して、基準電位から負の
電位変化が誘導される。

【００１０】このバイポーラスピンスイッチの特徴とし
ては、Ｆ１／Ｐ／Ｆ２の接合面積が小さくなるほど、つ
まり素子サイズが小さいほど、電位変化が増大し性能向
上と低消費電力化を図ることが一般的に可能となること
であり、そのためバイポーラスピンスイッチは本質的に
超高密度固体磁気記録に適した記録素子の特性を備えて
いると言える。

【００１１】しかし、上記従来のバイポーラスピンスイ
ッチはメモリ機能をもたないという問題がある。また、
パーマロイ／Ａｕ／パーマロイあるいはパーマロイ／Ａ
ｕ／Ｃｏ系では、サイズ面積が１０^-2ｍｍ² 、ＰからＦ
１への電流が〜１０ｍＡ（Ｆ１／Ｐ接合部の電流密度が
〜１００Ａ／ｃｍ² ）、Ｐの膜厚が〜１００ｎｍ、測定
温度６５Ｋのとき、電位変化が１０^-8Ｖと非常に微少で
あるという重大な問題がある。従って、バイポーラスピ
ンスイッチは新規な現象であるが、このままでは実用性
に乏しく、また実用に供する際に適合する物質の論議は
なされていないのが現状である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の点を考
慮しなされたものであり、その目的は、第１に、バイポ
ーラスピンスイッチ構造を有し、かつメモリ機能を有す
る高性能の固体磁気記録素子を提供することにある。第
２に検出感度が高く、制御性の優れた固体磁気記録素子
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】上記課題を解
決するために、本発明は、第１に、第１の金属強磁性層
と、第２の金属強磁性層と、これらの間に介装された非
磁性層とが積層されて構成され、第１の金属強磁性層と
非磁性層との間に通電されることにより第２の金属強磁
性層に基準電位からの電位変化が誘導され、第１の金属
強磁性層と第２の金属強磁性層の磁化の向きが平行ある
いは反平行配置のとき、電位変化の極性が異なる固体磁
気記録素子であって、第１および第２の金属強磁性層は
同一方向に膜面内の一軸磁気異方性が付与されているこ
とを特徴とする固体磁気記録素子を提供する。

【００１４】第２に、直接遷移型半導体と、金属強磁性
層と、これらの間に介装された非磁性層とが積層されて
構成され、直接遷移型半導体への円偏光の照射によって
スピン偏極電子が励起され、この直接遷移型半導体と非
磁性層との間に通電されることにより金属強磁性層に基
準電位からの電位変化が誘導され、直接遷移型半導体中
で励起されたスピン偏極電子の向きと、金属強磁性層の
磁化の向きと対応する金属強磁性層のスピンの向きとが
平行あるいは反平行のとき、電位変化の極性が異なるこ
とを特徴とする固体磁気記録素子を提供する。

【００１５】以下、本発明について詳細に説明する。本
発明の第１の態様は、第１の金属強磁性層と第２の金属
強磁性層と、その間に介装された非磁性層とが積層され
て構成され、第１の金属強磁性層と非磁性層との間の通
電により第２の金属強磁性層に基準電位からの電位変化
が誘導され、第１の金属強磁性層と第２の金属強磁性層
の磁化の向きが平行あるいは反平行配置のとき、電位変
化の極性が異なるというバイポーラスピンスイッチの構
造および機能を基本としている。

【００１６】この場合に、第１の金属強磁性層からスピ
ン偏極電子が非磁性層に流れ、非磁性層内には非平衡定
常状態で磁気モーメントが蓄積される。この蓄積された
磁気モーメントは、非磁性層内の上向きスピン電子のフ
ェルミ準位を上昇させ下向きスピン電子のフェルミ準位
を下降させる。このメカニズムを現象論的に解明する
と、上向き下向き両スピン電子のフェルミ準位間のシフ
ト幅は（蓄積磁気モーメント／スピン帯磁率）に比例
し、第１および第２の金属強磁性層物質のスピン偏極度
の積に比例する関係がわかる。

【００１７】従って、スピン帯磁率の小さい物質を非磁
性層に選択すればバイポーラスピンスイッチの性能向上
を図ることができる。つまり、非磁性層としてはフェル
ミ準位がｓｐバンドに位置するＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｚｎ
等の単純金属、もしくはｓバンドに位置するＣｕ，Ａ
ｇ，Ａｕ等の貴金属が適しており、またフェルミ準位で
の状態密度が非常に小さいグラファイト，Ａｓ，α−Ｓ
ｎ，Ｂｉ，ＢｉＳｂ合金等の半金属（セミメタル）、あ
るいはアモルファス半導体、不純物半導体も適してい
る。また、貴金属のうちでもＣｕ，Ａｇは隣接する強磁
性層を面内磁化し易く、本発明の固体磁気記録素子に対
して好ましい特性を備えている。

【００１８】次に金属強磁性層物質としては、一方方向
スピン電子が金属的で他方方向スピン電子が絶縁体的な
半金属（ハーフメタリック）強磁性体、もしくは一般式
Ｘ₂ＹＺ（Ｘは遷移金属、ＹはＭｎ、Ｚは非磁性元素）
のホイスラー合金がスピン偏極度が大きく適している。

【００１９】ここで、半金属強磁性体としては、Ｘ_x Ｘ
´_1-x ＭｎＳｂ（ただし、ＸおよびＸ´はＰｔ，Ｎｉ，
Ｃｏ，Ｆｅ，Ｉｒ，ＲｈおよびＯｓから選択された元
素、ｘは０〜１の範囲）、ＰｔＭｎＳｎ，Ｍｎ₂ Ｓｂ，
ＶＰｄ₃ 等が挙げられる。

【００２０】また、ホイスラー合金はホイスラー型構造
と呼ばれる規則格子を有する体心立方晶の合金である。
ここでＭｎの一部は、ホイスラー型構造の規則格子が保
たれる限りは、Ｘ，Ｚと置換されも良い。なおＸ：Ｙ：
Ｚの比率は強磁性が保たれる範囲で多少ずれても良い。
ホイスラー合金におけるＸ元素はホイスラー合金を形成
した時にホイスラー合金が強磁性を示す遷移金属であれ
ば何でも良いが、Ｃｕ，Ｃｏ，Ｎｉを用いたものが特に
良好な積層膜を作製しやすい。またＺ元素としてはＡ
ｌ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｇａ，Ｓｉ，Ｇｅなどを用いる
ことができる。

【００２１】さらに、スピン偏極度が適度な大きさを持
つならば上記強磁性物質の他でも良く、Ｆｅ，Ｃｏ，も
しくはＮｉの金属、またはＦｅ，ＣｏおよびＮｉのうち
少なくとも１種を成分に含む合金またはアモルファス合
金等の強磁性体が好ましい。

【００２２】一方、固体磁気記録素子にとって、強磁性
層の磁化方向を外部の局所磁界によって容易軸方向に反
転し安定させることは欠かせない機能であり、この機能
は第１および第２の金属強磁性層に対し同一方向に膜面
内の一軸磁気異方性を付与することにより達成される。
また、このような一軸磁気異方性を付与することにより
素子全体としてのスピン偏極度の低下も防止することが
できる。

【００２３】このとき、磁化の反転磁界と磁化安定およ
びスピン偏極度を高めることを考慮すると、一方の強磁
性層の一軸磁気異方性エネルギーは１０⁵ 〜１０⁷ ｅｒ
ｇ／ｃｍ³ の範囲が適当である。また素子の使いやすさ
を考慮すると１０⁵ 〜１０⁶ｅｒｇ／ｃｍ³ の範囲が特
に好ましい。

【００２４】一軸磁気異方性を付与する方法としては、
磁場中成膜、成膜後磁場中熱処理などを採用することが
できるし、膜形成用の基板に特定結晶方位のものを用い
て形成膜を基板にエピタキシャル成長させることで成膜
中に歪を導入し特定方位の異方性を導入する方法を採用
することもできる。

【００２５】また、非磁性層膜厚について、非磁性層内
電子のスピン拡散長、すなわち、電子がスピンフリップ
を起こすまでに移動する平均距離より十分小のとき、バ
イポーラスピンスイッチの性能は膜厚に逆比例し、十分
大のとき膜厚に関し指数関数的に急速に性能低下が起こ
ることが現象論的に解明できる。具体的には、膜厚が１
００ｎｍ以下では性能低下は無く、それ以上で性能低下
が顕著になることが測定から明らかになった。しかし、
膜厚が１ｎｍ以下になると第１と第２の強磁性層間に磁
気層間相互作用が働き始め、磁化方向の反転および安定
に関し複雑な様相を示し、固体磁気記録素子にとって好
ましくない影響が現れる。従って、非磁性層の膜厚は１
〜１００ｎｍであることが好ましい。

【００２６】一方、非磁性層に誘導される磁気分極を高
めバイポーラスピンスイッチの性能向上を図る観点から
素子の平面サイズが１００μｍ² 以下であることが好ま
しい。また、素子の平面サイズが第１および第２の金属
強磁性体の単磁区サイズ以下であることがより好まし
い。

【００２７】図１にこの態様に係る固体磁気記録素子の
概略構成の断面図を示し、図２にその斜視図を示す。こ
の固体磁気記録素子１は、第１の金属強磁性層２ａと、
非磁性層３と、第２の金属強磁性層２ｂとを順に積層し
て構成されている。第１の金属強磁性層２ａと非磁性層
３との間には電源６が接続されており、非磁性層３と第
２の金属強磁性層２ｂとの間には電位計５が接続されて
いる。これら第１および第２の金属強磁性層２ａ，２ｂ
は一軸磁気異方性が付与されており、これらの磁化は図
中矢印で示すように互いに平行または反平行である。

【００２８】図３、図４はそれぞれ上記のように構成さ
れる固体磁気記録素子１の電流供給前および電流供給中
の各層の電子状態密度を示す図であり、図中矢印は電子
スピンの向きである。なお、これらの図では、第２の金
属強磁性層２ｂの磁化の向きが第１の金属強磁性層２ａ
の磁化の向きと平行の場合と、反平行の場合と両方示し
ている。

【００２９】これらの図に示すように、第１の金属強磁
性層２ａから非磁性層３へスピン偏極電子が流れると非
磁性層３内に非平衡定常状態の磁気分極が誘導され上向
きスピン電子のフェルミ準位が上昇し、下向きスピン電
子のフェルミ準位が下降する。このとき、第２の金属強
磁性層２ｂの磁化の向きが第１の金属強磁性層２ａの磁
化の向きと平行ならば、第２の金属強磁性層２ｂの上向
きスピン電子のフェルミ準位が非磁性層の上向きスピン
電子のフェルミ準位とレベルを揃えるように上昇して、
基準電位から正の電位変化が誘導される。一方、第２の
金属強磁性層２ｂの磁化の向きが第１の金属強磁性層２
ａの磁化の向きと反平行ならば、第２の金属強磁性層の
下向きスピン電子のフェルミ準位が非磁性層の下向きス
ピン電子のフェルミ準位とレベルを揃えるように下降し
て、基準電位から負の電位変化が誘導される。

【００３０】なお、非磁性層と第２の金属強磁性層との
電位変化を測定するに際して、これらの接合部より離れ
た位置に非磁性層側へのリード線の接続点を設定する。
上記図１、図２に示したような固体磁気記録素子の各層
は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法や超高真空スパッ
タリング法などの超高真空を用いる薄膜形成法で作製す
ることができるが、ＲＦマグネトロンスパッタリング
法、イオンビームスパッタリング法、真空蒸着法など初
期真空度が１０^-7Ｔｏｒｒ以下の通常の薄膜形成技術で
も作製することができる。また、層形状はリソグラフィ
と化学エッチング等によって適宜加工することができ
る。

【００３１】次に、本発明の第２の態様について説明す
る。第２の態様の固体磁気記録素子は、直接遷移型半導
体および金属強磁性層と、その間に介装された非磁性層
とが積層されて構成され、直接遷移型半導体への円偏光
の照射によってスピン偏極電子が励起され、この直接遷
移型半導体と非磁性層との間に通電されることにより金
属強磁性層に基準電位からの電位変化が誘導され、直接
遷移型半導体中で励起されたスピン偏極電子の向きと、
金属強磁性層の磁化の向きと対応する金属強磁性層のス
ピンの向きとが平行あるいは反平行のとき、電位変化の
極性が異なるものである。

【００３２】すなわち、この態様では、直接遷移型半導
体への円偏光の照射によってスピン偏極電子が励起さ
れ、このスピン偏極電流が非磁性層に流れ、非磁性層内
には非平衡定常状態で磁気モーメントが蓄積される。こ
の蓄積された磁気モーメントは、非磁性層内の上向きス
ピン電子のフェルミ準位を上昇させ、下向きスピンの電
子のフェルミ準位を下降させる。従って、従来のバイポ
ーラスピンスイッチとは構成および動作原理が異なる。

【００３３】これらの間の大きな違いは、従来のものが
スピン偏極電子発生源として金属強磁性層を用いるのに
対して、本態様では円偏光を直接遷移型半導体へ照射す
ることによってスピン偏極電子電流を得る点にある。

【００３４】現象論的解明から、強磁性層内での上向き
下向き両スピン電子のフェルミ準位の間のシフト幅は、
スピン偏極電子源のスピン偏極度に比例することがわか
っている。そして、従来スピン偏極電子源として用いら
れている通常の強磁性体、例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏなど
のスピン偏極度は最高で数１０％であるが、本態様のよ
うにスピン偏極電子源として直接遷移型半導体を用いた
場合のスピン偏極度は、例えば代表的な例であるＧａＡ
ｓの場合、通常で４０％のスピン偏極度が得られ、さら
に歪みを導入したり人工格子膜化することによって１０
０％近くのスピン偏極電子を発生することができる。従
って、この態様の固体磁気記録素子によれば、従来のバ
イポーラスピンスイッチの数倍の検出感度が得られる。

【００３５】また、スピン偏極電子発生源として強磁性
層を用いた固体磁気記録素子の場合には、この層の磁化
が検出部に用いられる強磁性層の磁化の向きを制御する
ための外部磁場の影響を受けやすい等の欠点があるが、
この態様のようにスピン偏極電子発生源として直接遷移
型半導体を用いた場合には、スピンの向きは円偏光の向
きおよび円偏光の照射方向にのみによって決まり、従っ
て制御性が向上する。

【００３６】この場合、円偏光の照射方向を膜面垂直と
すると、励起されるスピン軸は膜面垂直方向となり、面
内方向に近い方向から照射するとスピン軸はほぼ面内に
近くなる。さらに円偏光の照射方向は検出層となってい
る強磁性層の磁化容易軸方向と平行にするのが好まし
く、従って、円偏光の照射方向が膜面垂直の場合には強
磁性層が垂直磁化膜であることが好ましく、面内方向に
近い方向から照射する場合には面内磁化膜であることが
好ましい。すなわち、強磁性層が膜面に平行または垂直
方向に一軸磁気異方性を有していることが好ましい。な
お、直接遷移型半導体で励起されるスピン偏極電子の向
きは、円偏光の向きで決定される。

【００３７】スピン偏極電子が励起される領域は円偏光
が照射される領域である。記録密度を超高密度化するた
めには、特にエバネセンス光を利用することが好まし
い。これを利用することにより、スピン偏極電子源部の
実質的面積を微細加工せずに数十ｎｍ以下に絞ることが
可能である。これは、ほぼスピン偏極電子が照射された
部分のみが非磁性層との間に電流を流すことが可能とな
るためであり、その部分の面積を小さくするほど感度を
高くすることができる。

【００３８】ただし、このスピン偏極電子が流れる面積
は、直接遷移型半導体を従来のバイポーラスピントラン
ジスタのように微細加工することによっても小さくする
ことができる。

【００３９】直接遷移型半導体としては、ＧａＡｓなど
の化合物半導体、ＣｄＳｉＡｓ₂ などのカルコパライト
型半導体などの他、サイズ効果によって本来バルクでは
間接遷移型半導体であるものが直接遷移型に変化したＳ
ｉなども用いることができる。

【００４０】非磁性層および金属強磁性層としては、従
来のバイポーラスピンスイッチに用いられる物質と同様
なものを使用することができる。非磁性層としては、Ａ
ｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｚｎ等の単純金属、あるいはＣｕ，Ａ
ｇ，Ａｕ等の貴金属、グラファイト，Ａｓ，α−Ｓｎ，
Ｂｉ，ＢｉＳｂ合金等の半金属（セミメタル）、あるい
はアモルファス半導体、不純物半導体が好ましい。

【００４１】また、金属強磁性層としては、Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ等の遷移金属またはこれらをを含む合金、Ｘ_x
Ｘ´_1-x ＭｎＳｂ（ただし、ＸおよびＸ´はＰｔ，Ｎ
ｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｉｒ，ＲｈおよびＯｓから選択された
元素、ｘは０〜１の範囲）、ＰｔＭｎＳｎ，Ｍｎ₂ Ｓ
ｂ，ＶＰｄ₃ 等の半金属（ハーフメタリック）強磁性
体、および一般式Ｘ₂ ＹＺ（Ｘは遷移金属、ＹはＭｎ、
Ｚは非磁性元素）のホイスラー合金が好ましい。

【００４２】図５にこの態様に係る固体磁気記録素子の
概略構成の斜視図を示し、図６にその断面図を示す。固
体磁気記録素子１１は、直接遷移型半導体１４と、金属
強磁性層１２と、これらの間に介装された非磁性層１３
とが積層されて構成されている。この固体磁気記録素子
１１の上方には円偏光源１７が設けられており、この円
偏光源１７から直接遷移型半導体１４へ円偏光１８を照
射することによってスピン偏極電子が励起される。一
方、直接遷移型半導体１４と非磁性層１３との間には電
源１６が接続されており、金属強磁性層１２と非磁性層
１３との間には電位計１５が接続されている。そして、
この電源１６により直接遷移型半導体１４と非磁性層１
３との間に通電することにより、金属強磁性層１２に基
準電位からの電位変化が誘導され、それが電位計１５に
より把握される。この場合に、直接遷移型半導体１４中
で励起されたスピン偏極電子の向きと、金属強磁性層１
２の多数のスピンの向き、すなわち金属強磁性層の磁化
の向きと対応する金属強磁性層のスピンの向きとが平行
あるいは反平行のとき、電位変化の極性が異なる。な
お、図５、図６に示したこの態様の固体磁気記録素子の
各層も、第１の態様と同様の薄膜形成技術により製膜す
ることができる。

【００４３】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。（実施例１）この実施例では、図７に示す層構成を有す
る固体磁気記録素子を作製した。この素子は、基板２１
上に配線層２２が形成され、その上に第１の金属強磁性
層２３、非磁性層２４、第２の金属強磁性層２５が順に
形成され、第２の金属強磁性層２５の上に配線層２６が
形成されている。また、第１および第２の金属強磁性層
２３、２５の周囲には、それぞれ絶縁層２７、２８が形
成されている。

【００４４】ここでは、基板２１としてシリコンウェー
ハを用い、第１および第２の金属強磁性層２３、２５に
ＰｔＭｎＳｂ（ハーフメタリック強磁性体）、非磁性層
２４にはＳｂ（セミメタル）を用いた。また、配線層２
２、２６にはＡｕを、絶縁層２７、２８にはＡｌ₂ Ｏ₃
を用いた。

【００４５】これら各層はイオンビームスパッタリング
法により製膜し、リソグラフィおよびエッチングのシリ
コンテクノロジーにより各層の形状に加工した。これら
の層を形成するに際しては、チェンバ内に基板としての
シリコンウェーハを設置した状態で、先ず、チェンバ内
を５×１０^-7Ｔｏｒｒまで排気した後、Ａｒを１×１０
^-4Ｔｏｒｒまで導入し、スパッタリングＡｒイオンの加
速電圧６００Ｖ、ビーム電流３０ｍＡの条件でスパッタ
リングを行う。磁性膜積層時には基板面と平行に３０Ｏ
ｅの直流磁界を印加しておく。ターゲットとしてはＡ
ｕ，ＰｔＭｎＳｂ，Ａｌ₂ Ｏ₃ 、およびＳｂを用意す
る。

【００４６】最初にシリコンウェーハ上にＡｕ層１００
ｎｍ、第１の強磁性層としてのＰｔＭｎＳｂ層７０ｎｍ
を順番に積層する。リソグラフィとエッチングで約１μ
ｍ角のＰｔＭｎＳｂ／レジスト層を形成した後、絶縁層
としてＡｌ₂ Ｏ₃ 層７０ｎｍを全面積層し、ＰｔＭｎＳ
ｂ／レジスト層のレジスト部分をリフトオフする。

【００４７】次に、非磁性層としてＳｂ層１０ｎｍ、第
２の強磁性層としてＰｔＭｎＳｂ層７０ｎｍを順次全面
積層して、再度リソグラフィとエッチングで約１μｍ角
のＰｔＭｎＳｂ／レジスト層を形成する。

【００４８】更に、第２のＰｔＭｎＳｂ層に対し絶縁層
としてＡｌ₂ Ｏ₃ を積層被覆後レジスト層を取り除きリ
フトオフする。そして最後にＡｕ電極を積層する。この
ようにしてシリコンウェーハ／（ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎ
ｍ）／Ｓｂ（１０ｎｍ）／ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ））
の固体磁気記録素子を作製した。ここで、第１および第
２の強磁性層には同一方向に一軸磁気異方性を磁場中成
膜により付与してある。

【００４９】なお、本実施例ではシリコンウェーハを基
板としたが、ガラスやＭｇＯ基板等でもよく、また絶縁
層としてはＳｉＯ₂ や他の絶縁体を用いてもよい。上記
構成の本実施例の素子を用いて測定した磁気特性を図８
（ａ）に示し、第１の金属強磁性層（ＰｔＭｎＳｂ層）
と非磁性層（Ｓｂ層）の間に流れる電流が１０ｍＡの下
でのＳｂ層と第２の金属強磁性層の間の電位変化ΔＶと
外部印加磁場との関係を図８（ｂ）に示す。このとき第
１の金属強磁性層としてのＰｔＭｎＳｂ層と非磁性層と
してのＳｂ層の接合部の電流密度は１０⁶ Ａ／ｃｍ² で
ある。この測定結果は室温での結果であり、図８の結果
から第１および第２の金属強磁性層としてのＰｔＭｎＳ
ｂ膜の保磁力の僅かな差により、磁化の向きが平行およ
び反平行の磁化状態が出現し、磁化状態に対応して約３
ｍＶという大きな電位変化ΔＶが極性を変えることが確
認された。

【００５０】（実施例２）第１および第２の強磁性層と
してＮｉＭｎＳｂ７０ｎｍを用い、非磁性層としてＳｂ
１０ｎｍを用いて、実施例１と同様な方法でシリコンウ
ェーハ／（ＮｉＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ｓｂ（１０ｎ
ｍ）／ＮｉＭｎＳｂ（７０ｎｍ））の固体磁気記録素子
を作製した。この素子のΔＶ−Ｈの特性図を図９に示す
が、結果は実施例１とほとんど同じであった。

【００５１】（実施例３）第１および第２の強磁性層と
してＰｔＭｎＳｂ７０ｎｍを用い、非磁性層としてＡｌ
１０ｎｍを用いて、実施例１と同様な方法でシリコンウ
ェーハ／（ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎ
ｍ）／ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ））の固体磁気記録素子
を作製した。この素子のΔＶ−Ｈの特性図を図１０に示
す。この図から約２ｍＶという電位変化ΔＶが磁化状態
に応じて極性を変えることが確認された。

【００５２】（実施例４）第１および第２の強磁性層と
してＮｉＭｎＳｂ７０ｎｍを用い、非磁性層としてアモ
ルファスＳｉ１０ｎｍを用いて、実施例１と同様な方法
でシリコンウェーハ／（ＮｉＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／ア
モルファスＳｉ（１０ｎｍ）／ＮｉＭｎＳｂ（７０ｎ
ｍ））の固体磁気記録素子を作製した。この素子のΔＶ
−Ｈの特性図を図１１に示す。この場合も、約２．５ｍ
Ｖという電位変化ΔＶが磁化状態に応じて極性を変え、
スピンバイポーラスイッチの顕著な現象が確認された。

【００５３】（実施例５）第１および第２の強磁性層と
してＰｔＭｎＳｂ７０ｎｍを用い、非磁性層としてＣｕ
１０ｎｍを用いて、実施例１と同様な方法でシリコンウ
ェーハ／（ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ｃｕ（１０ｎ
ｍ）／ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ））の固体磁気記録素子
を作製した。この素子のΔＶ−Ｈの特性図を図１２に示
す。この図から約１．５ｍＶという電位変化ΔＶが磁化
状態に応じて極性を変えることが確認された。

【００５４】（実施例６）第１および第２の金属強磁性
層にＣｕ₂ ＭｎＡｌ（ホイッスラー合金）を用い、非磁
性層にはＳｂ（セミメタル）を用いて実施例１と同様な
方法でシリコンウェーハ／（Ｃｕ₂ ＭｎＡｌ（７０ｎ
ｍ）／Ｃｕ（１０ｎｍ）／Ｃｕ₂ ＭｎＡｌ（７０ｎ
ｍ））の固体磁気記録素子を作製した。この素子のΔＶ
−Ｈの特性図を図１３に示す。この図に示すように、実
施例５の結果とほぼ同じく約１．５ｍＶという電位変化
ΔＶが磁化状態に応じて極性を変えることが確認され
た。

【００５５】（実施例７）次に、本発明の第１の態様に
係る固体磁気記録素子の性能の非磁性層膜厚依存性につ
いて説明する。

【００５６】実施例１と同様な方法で、シリコンウェー
ハ／（ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ｓｂ（ｔｎｍ）／Ｐ
ｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ））、シリコンウェーハ／（Ｎｉ
ＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ｓｂ（ｔｎｍ）／ＮｉＭｎＳｂ
（７０ｎｍ））、シリコンウェーハ／（ＰｔＭｎＳｂ
（７０ｎｍ）／Ａｌ（ｔｎｍ）／ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎ
ｍ））の固体磁気記録素子についてｔ＝１０，５０，１
００，５００，１０００，１５００に設定した素子サン
プルを作製し、これらの｜ΔＶ／ΔＶ（ｔ＝１０ｎｍ）
｜を測定した。その結果を図１４に示す。図中○印はシ
リコンウェーハ／（ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ｓｂ
（ｔｎｍ）／ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ））およびシリコ
ンウェーハ／（ＮｉＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ｓｂ（ｔｎ
ｍ）／ＮｉＭｎＳｂ（７０ｎｍ））について示し、△印
はシリコンウェーハ／（ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ）／Ａ
ｌ（ｔｎｍ）／ＰｔＭｎＳｂ（７０ｎｍ））について示
す。この図に示すように、いずれのサンプルにおいても
ｔ＝１００ｎｍ以下ではΔＶの顕著な低下は認められな
かった。

【００５７】（実施例８）この実施例では、図１５に示
す層構成を有する固体磁気記録素子を作製した。この素
子は、直接遷移型半導体３１上に非磁性層３２が形成さ
れ、その上に金属強磁性層３３が形成されている。直接
遷移型半導体３１の下および金属強磁性層３３の上には
それぞれ配線層３４、３５が形成されている。また、金
属強磁性層３３の周囲には絶縁層３６が形成されてい
る。

【００５８】ここでは直接遷移型半導体３１としてＧａ
Ａｓ、非磁性層３２としてＡｕ、金属強磁性層３３とし
てＣｏを用い、絶縁層３６としてＡｌ₂ Ｏ₃ を用いた。
膜形成は、ＧａＡｓを基板として用い、ＡｕおよびＣｏ
についてはＭＢＥ法により、また絶縁層であるＡｌ₂ Ｏ
₃ は高周波スパッタリング法により成膜を行い、リソグ
ラフィによって加工を行った。

【００５９】まず、ＧａＡｓ基板をＭＢＥ成長室内で表
面清浄化した後、Ａｕを成長させ、続いてＣｏを成長さ
せた。このＣｏ膜をリソグラフィとエッチングにより約
１μｍ×１μｍに加工した後、さらに絶縁層としてＡｌ
₂ Ｏ₃ 層を全面に形成し、レジスト部分をリフトオフし
た。そして、Ｃｏ層の上にＡｕ配線層を形成した。ま
た、ＧａＡｓ基板は裏面からのエッチングにより厚さ約
１００ｎｍ程度とし、この面にも配線層を形成した。

【００６０】外部磁場が印加された状態で、この固体磁
気記録素子のＧａＡｓ基板に対し、波長８３０ｎｍで直
径がおよそＣｏ層を覆う程度の大きさを持つ円偏光を照
射した。図１６（ａ）にその際の磁気特性を示し、
（ｂ）に非磁性層としてのＡｕ層と金属強磁性層として
のＣｏ層との間に生じる電位変化ΔＶと外部印加磁場Ｈ
との関係を示す。この図から、Ｃｏ層の磁化の向きに対
応して、約５ｍＶの電位変化が極性を変えることが確認
された。

【００６１】（実施例９）実施例８と同様の方法で、図
１７に示す構造を有する固体磁気記録素子を作製した。
実施例１の素子との違いは、ＧａＡｓ部分もＣｏ層と同
様のサイズに微細加工した点にある。このような構造の
固体磁気記録素子は、レーザー光の照射面積を絞れない
場合、例えば面内方向に近い方向から照射する場合に
は、特に好ましい。この固体磁気記録素子を用いて実施
例８と同様にΔＶ−Ｈ特性を測定したところ磁化状態に
応じて電位変化ΔＶが極性を変えることが確認された。

【００６２】（実施例１０）実施例８と同じ構造の固体
磁気記録素子を膜の材料を変えてスパッタリング法およ
びリソグラフィにより作製した。

【００６３】金属強磁性層を半金属（ハーフメタル）の
ＰｔＭｎＳｂ、ホイスラー合金のＣｕ₂ ＭｎＡｌに代
え、また非磁性層をアモルファスＳｉ、半金属（セミメ
タル）のＢｉ、単純金属のＡｌに代えて固体磁気記録素
子を作製し、実施例８と同様にΔＶ−Ｈ特性を測定した
ところ、いずれも磁化状態に応じて電位変化ΔＶが極性
を変えることが確認された。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の態様
によれば、バイポーラスピンスイッチ構造を有し、メモ
リ機能を有する高性能の固体磁気記録素子が提供され
る。また、本発明の第２の態様によれば、従来のバイポ
ーラスイッチよりも検出感度が高くかつ制御性に優れ、
簡略なプロセスで作製することができる固体磁気記録素
子が提供される。従って、超高密度固体磁気記録に適し
た固体磁気記録素子を実用に供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の態様に係る固体磁気記録素子の
概略構成を示す断面図。

【図２】本発明の第１の態様に係る固体磁気記録素子の
概略構成を示す斜視図。

【図３】本発明の第１の態様に係る固体磁気記録素子の
各層の電流供給前の電子状態密度を示す図。

【図４】本発明の第１の態様に係る固体磁気記録素子の
各層の電流供給中の電子状態密度を示す図。

【図５】本発明の第２の態様に係る固体磁気記録素子の
概略構成を示す斜視図。

【図６】本発明の第２の態様に係る固体磁気記録素子の
概略構成を示す断面図。

【図７】実施例１に係る固体磁気記録素子の構成を示す
断面図。

【図８】実施例１に係る固体磁気記録素子を用いて測定
した磁気特性および非磁性層と第２の金属強磁性層との
間の電位変化ΔＶと外部印加磁場との関係を示す図。

【図９】実施例２に係る固体磁気記録素子を用いて測定
した非磁性層と第２の金属強磁性層との間の電位変化Δ
Ｖと外部印加磁場との関係を示す図。

【図１０】実施例３に係る固体磁気記録素子を用いて測
定した非磁性層と第２の金属強磁性層との間の電位変化
ΔＶと外部印加磁場との関係を示す図。

【図１１】実施例４に係る固体磁気記録素子を用いて測
定した非磁性層と第２の金属強磁性層との間の電位変化
ΔＶと外部印加磁場との関係を示す図。

【図１２】実施例５に係る固体磁気記録素子を用いて測
定した非磁性層と第２の金属強磁性層との間の電位変化
ΔＶと外部印加磁場との関係を示す図。

【図１３】実施例６に係る固体磁気記録素子を用いて測
定した非磁性層と第２の金属強磁性層との間の電位変化
ΔＶと外部印加磁場との関係を示す図。

【図１４】本発明の第１の態様に係る固体磁気記録素子
の性能の非磁性層膜厚依存性を示す図。

【図１５】実施例８に係る固体磁気記録素子の構成を示
す断面図。

【図１６】実施例８に係る固体磁気記録素子を用いて測
定した磁気特性および非磁性層と金属強磁性層との間の
電位変化ΔＶと外部印加磁場との関係を示す図。

【図１７】実施例９に係る固体磁気記録素子の構成を示
す断面図。

【符号の説明】

１，１１……固体磁気記録素子２ａ，２ｂ，１２，２３，２５，３３……金属強磁性層３，１３，２４，３２……非磁性層５，１５……電位計６，１６……電源１４，３１……直接遷移型半導体１７……円偏光源１８……円偏光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の金属強磁性層と、第２の金属強磁
性層と、これらの間に介装された非磁性層とが積層され
て構成され、第１の金属強磁性層と非磁性層との間に通
電されることにより第２の金属強磁性層に基準電位から
の電位変化が誘導され、第１の金属強磁性層と第２の金
属強磁性層の磁化の向きが平行あるいは反平行配置のと
き、電位変化の極性が異なる固体磁気記録素子であっ
て、第１および第２の金属強磁性層は同一方向に膜面内
の一軸磁気異方性が付与されていることを特徴とする固
体磁気記録素子。
【請求項２】非磁性層厚が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下
であることを特徴とする請求項１に記載された固体磁気
記録素子。
【請求項３】素子の平面サイズが１００μｍ² 以下で
あることを特徴とする請求項１に記載された固体磁気記
録素子。
【請求項４】直接遷移型半導体と、金属強磁性層と、こ
れらの間に介装された非磁性層とが積層されて構成さ
れ、直接遷移型半導体への円偏光の照射によってスピン
偏極電子が励起され、この直接遷移型半導体と非磁性層
との間に通電されることにより金属強磁性層に基準電位
からの電位変化が誘導され、直接遷移型半導体中で励起
されたスピン偏極電子の向きと、金属強磁性層の磁化の
向きと対応する金属強磁性層のスピンの向きとが平行あ
るいは反平行のとき、電位変化の極性が異なることを特
徴とする固体磁気記録素子。
【請求項５】前記金属強磁性層が、膜面に平行または
垂直方向に一軸磁気異方性が付与されていることを特徴
とする請求項４に記載の固体磁気記録素子。