JPH10107337A - 単一電子制御磁気抵抗素子 - Google Patents
単一電子制御磁気抵抗素子Info
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- JPH10107337A JPH10107337A JP8259858A JP25985896A JPH10107337A JP H10107337 A JPH10107337 A JP H10107337A JP 8259858 A JP8259858 A JP 8259858A JP 25985896 A JP25985896 A JP 25985896A JP H10107337 A JPH10107337 A JP H10107337A
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- Japan
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- magnetization
- ferromagnetic
- tunnel
- tunnel junction
- ferromagnetic material
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 微細化・高集積化でより高性能となる素子構
造・動作モードを有する磁性単一電子制御磁気抵抗素子
を提供する。 【解決手段】 第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合
を介して挟持され、ある初期方向の第２の方向の磁化を
有する第２の強磁性体と、前記第２の強磁性体の磁化の
方向を、前記第２の方向とは別方向に向ける磁化手段と
を具備することを特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子
である。
造・動作モードを有する磁性単一電子制御磁気抵抗素子
を提供する。 【解決手段】 第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合
を介して挟持され、ある初期方向の第２の方向の磁化を
有する第２の強磁性体と、前記第２の強磁性体の磁化の
方向を、前記第２の方向とは別方向に向ける磁化手段と
を具備することを特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子
である。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗素子に係
り、特に、クーロンブロッケイドと称される充電エネル
ギー効果と、強磁性体トンネル接合の負の磁気抵抗効果
とに立脚した新規の単一電子制御法に基づく素子に関す
る。
り、特に、クーロンブロッケイドと称される充電エネル
ギー効果と、強磁性体トンネル接合の負の磁気抵抗効果
とに立脚した新規の単一電子制御法に基づく素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来のＳｉ−ＭＯＳＦＥＴを基本とする
素子の高集積化は、微細化に伴う構造の複雑さの増大、
微細加工の困難さなどから基本的困難に直面しつつあ
る。このような状況のもと、簡単な構造を有し、従って
微細加工が容易で微細化・高集積化に適する素子が望ま
れている。そのような素子の候補として、クーロンブロ
ッケイドと呼ばれる動作原理に基づく単一電子トンネル
素子(K.K.Likharev,IBM J.Res.Develop.,32,144(1988))
が提案されている。
素子の高集積化は、微細化に伴う構造の複雑さの増大、
微細加工の困難さなどから基本的困難に直面しつつあ
る。このような状況のもと、簡単な構造を有し、従って
微細加工が容易で微細化・高集積化に適する素子が望ま
れている。そのような素子の候補として、クーロンブロ
ッケイドと呼ばれる動作原理に基づく単一電子トンネル
素子(K.K.Likharev,IBM J.Res.Develop.,32,144(1988))
が提案されている。
【０００３】単一トンネル接合（接合容量：Ｃ、接合ト
ンネル抵抗：Ｒt ）で電子一個（電荷ｅ）がトンネルす
る場合、トンネルの前後では下記数式（１）で表される
程度の静電エネルギーの変化が問題となる。
ンネル抵抗：Ｒt ）で電子一個（電荷ｅ）がトンネルす
る場合、トンネルの前後では下記数式（１）で表される
程度の静電エネルギーの変化が問題となる。
【０００４】
【数１】
【０００５】静電エネルギーの変化Ｅc は、Ｃが極めて
小さい超微細トンネル接合においては、熱エネルギーよ
り大きくなり得る。接合部の帯電量によっては、電子が
トンネルすることがこの程度のエネルギーをもたらすた
め電子一個のトンネリングといえども禁止される。これ
がクーロンブロッケイド（Coulomb Blockade）と呼ばれ
る現象(K.K.Likharev,IBM J.Res.Develop.,32,144(198
8))であり、トンネル現象は本来電子の波動性によるも
のであるにも拘らず、電子は粒子的に一個ずつトンネル
することが期待される。
小さい超微細トンネル接合においては、熱エネルギーよ
り大きくなり得る。接合部の帯電量によっては、電子が
トンネルすることがこの程度のエネルギーをもたらすた
め電子一個のトンネリングといえども禁止される。これ
がクーロンブロッケイド（Coulomb Blockade）と呼ばれ
る現象(K.K.Likharev,IBM J.Res.Develop.,32,144(198
8))であり、トンネル現象は本来電子の波動性によるも
のであるにも拘らず、電子は粒子的に一個ずつトンネル
することが期待される。
【０００６】なお、クーロンブロッケイドが明確に現れ
るには、Ｅc が熱および量子力学的ゆらぎのいずれより
も大きいことが必要であり、これらの条件は、下記数式
（２）および（３）で表される。
るには、Ｅc が熱および量子力学的ゆらぎのいずれより
も大きいことが必要であり、これらの条件は、下記数式
（２）および（３）で表される。
【０００７】
【数２】
【０００８】数式（３）で表わされる条件は、下記数式
（４）のように書き直すことができる。
（４）のように書き直すことができる。
【０００９】
【数３】
【００１０】上記数式（４）において、Ｒq は量子抵抗
であり、下記数式（５）で表わされる。
であり、下記数式（５）で表わされる。
【００１１】
【数４】
【００１２】なお、ｈはプランク定数である。
【００１３】通常の単一電子制御素子では、量子ゆらぎ
を完全に抑えることが必須であり、前述の数式（４）に
示す関係から、トンネル抵抗Ｒt は量子抵抗Ｒq よりも
十分に大きく設定することが要求される。
を完全に抑えることが必須であり、前述の数式（４）に
示す関係から、トンネル抵抗Ｒt は量子抵抗Ｒq よりも
十分に大きく設定することが要求される。
【００１４】単一制御素子は、その基本構造として、半
導体または常伝導金属からなる電極と静電的にピンチオ
フされたチャネル電子層または絶縁体をトンネル障壁層
とした二重トンネル接合とその中央電極（以下、「アイ
ランド」と記す）に対向して容量的に結合したゲート電
極とからなっていたり（ＳＥＴトランジスター）、二重
トンネル結合に直列につながれたゲートキャパシターか
らなっている（ＳＥＴメモリー）。従来例として、これ
らを図１３、図１４に示す(K.K.Likharev,IEEETrans.Ma
gn.,23,1142(1987)) 。なお、図１３には、Ｃ−ＳＥＴ
の回路およびその特性を示し、図１４には、Ｒ−ＳＥＴ
の回路およびその特性を示している。単一電子制御は主
としてゲートによって、トンネリングに起因してアイラ
ンドに発生する余剰の電子を変化させることで行なわれ
る。
導体または常伝導金属からなる電極と静電的にピンチオ
フされたチャネル電子層または絶縁体をトンネル障壁層
とした二重トンネル接合とその中央電極（以下、「アイ
ランド」と記す）に対向して容量的に結合したゲート電
極とからなっていたり（ＳＥＴトランジスター）、二重
トンネル結合に直列につながれたゲートキャパシターか
らなっている（ＳＥＴメモリー）。従来例として、これ
らを図１３、図１４に示す(K.K.Likharev,IEEETrans.Ma
gn.,23,1142(1987)) 。なお、図１３には、Ｃ−ＳＥＴ
の回路およびその特性を示し、図１４には、Ｒ−ＳＥＴ
の回路およびその特性を示している。単一電子制御は主
としてゲートによって、トンネリングに起因してアイラ
ンドに発生する余剰の電子を変化させることで行なわれ
る。
【００１５】単一電子制御素子は、構造が簡単であるた
めに微細化・高集積化に適し、微細化に伴ってその素子
性能がより向上する。しかも、一電子レベルでの制御で
あるためオン／オフが明瞭であることなどから、有望視
されている将来素子の一つである。しかしながら、これ
らの素子ではクーロンブロッケイドが完全に生じるモー
ドのみを前提とした動作であり、現実的には高集積度の
素子全体にわたってクーロンブロッケイドを完全に効か
すことは難しいという問題がある。裏返せば、クーロン
ブロッケイドが不完全な状況で発生する非線形モードの
積極的利用は考えられていない。また、動作原理は電子
の電荷のみの制御であり、スピンの自由度から生じる効
果は利用しておらず、制御の多様性を生かし切ってはい
ないのが現状である。
めに微細化・高集積化に適し、微細化に伴ってその素子
性能がより向上する。しかも、一電子レベルでの制御で
あるためオン／オフが明瞭であることなどから、有望視
されている将来素子の一つである。しかしながら、これ
らの素子ではクーロンブロッケイドが完全に生じるモー
ドのみを前提とした動作であり、現実的には高集積度の
素子全体にわたってクーロンブロッケイドを完全に効か
すことは難しいという問題がある。裏返せば、クーロン
ブロッケイドが不完全な状況で発生する非線形モードの
積極的利用は考えられていない。また、動作原理は電子
の電荷のみの制御であり、スピンの自由度から生じる効
果は利用しておらず、制御の多様性を生かし切ってはい
ないのが現状である。
【００１６】一方、従来の磁性素子の基本的構成要素の
一つである強磁性トンネル接合は、図１５に示すような
構造を有している（S.Maekawa and U.Gafvert,IEEE Ma
g.MAG-18 707(1982))。図１５中、７１はＣｏからなる
第１の強磁性電極、７２はＮｉからなる第２の強磁性電
極であり、これらはＮｉＯからなるトンネル障壁７３を
介して接合されている。このような従来の素子は、図１
６のグラフに示すような特性を有している。負のトンネ
ル磁気抵抗の発生は、強磁性体中では状態密度がスピン
の向きに依存しており、一般に下記数式（６）で与えら
れる。
一つである強磁性トンネル接合は、図１５に示すような
構造を有している（S.Maekawa and U.Gafvert,IEEE Ma
g.MAG-18 707(1982))。図１５中、７１はＣｏからなる
第１の強磁性電極、７２はＮｉからなる第２の強磁性電
極であり、これらはＮｉＯからなるトンネル障壁７３を
介して接合されている。このような従来の素子は、図１
６のグラフに示すような特性を有している。負のトンネ
ル磁気抵抗の発生は、強磁性体中では状態密度がスピン
の向きに依存しており、一般に下記数式（６）で与えら
れる。
【００１７】
【数５】
【００１８】これは、磁場による磁化反転（反平行から
平行）に伴う状態密度の変化から生じると考えられる。
この構造は、同じく負の磁気抵抗効果を示す他の構造で
ある磁性体／非磁性体／磁性体の多層膜構造よりもＳＮ
比が大きい点では勝っているものの、磁気抵抗変化率は
１５％前後にすぎず、より大きな変化率が望まれてい
る。さらに、従来の素子の構造は低インピーダンス駆動
の単一トンネル接合構造であり、クーロンブロッケイド
に対する電磁場環境効果と呼ばれる現象のために電荷ゆ
らぎが大きく、トンネル接合面積をいかに微小にしても
上記単一電子制御素子の動作原理としてクーロンブロッ
ケイドを利用することは難しい（S.Iwabuchi,H.Higuras
hi,Y.Nagaoka,JJAP Series 9,126(1992);H.Higurashi,
S.Iwabuchiand Y.Nagaoka,Phys.,Rev.B51,2387(199
5)）。
平行）に伴う状態密度の変化から生じると考えられる。
この構造は、同じく負の磁気抵抗効果を示す他の構造で
ある磁性体／非磁性体／磁性体の多層膜構造よりもＳＮ
比が大きい点では勝っているものの、磁気抵抗変化率は
１５％前後にすぎず、より大きな変化率が望まれてい
る。さらに、従来の素子の構造は低インピーダンス駆動
の単一トンネル接合構造であり、クーロンブロッケイド
に対する電磁場環境効果と呼ばれる現象のために電荷ゆ
らぎが大きく、トンネル接合面積をいかに微小にしても
上記単一電子制御素子の動作原理としてクーロンブロッ
ケイドを利用することは難しい（S.Iwabuchi,H.Higuras
hi,Y.Nagaoka,JJAP Series 9,126(1992);H.Higurashi,
S.Iwabuchiand Y.Nagaoka,Phys.,Rev.B51,2387(199
5)）。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】図１５に示したような
従来の磁性素子では、充電エネルギーによる効果である
クーロンブロッケイドは期待できない。しかしながら、
将来的に既存のシリコン素子と競合または置換し得る超
微細化を追求するなかで、さらに高集積化を達成する必
要があり、磁性素子としてもクーロンブロッケイドを有
効に利用することは合理的なことである。したがって、
クーロンブロッケイドを積極的に利用した基本素子構造
・動作モードを導入できれば、単体素子としての性能の
向上のみならず、システムとしての設計自由度も大きく
広がることが期待される。
従来の磁性素子では、充電エネルギーによる効果である
クーロンブロッケイドは期待できない。しかしながら、
将来的に既存のシリコン素子と競合または置換し得る超
微細化を追求するなかで、さらに高集積化を達成する必
要があり、磁性素子としてもクーロンブロッケイドを有
効に利用することは合理的なことである。したがって、
クーロンブロッケイドを積極的に利用した基本素子構造
・動作モードを導入できれば、単体素子としての性能の
向上のみならず、システムとしての設計自由度も大きく
広がることが期待される。
【００２０】本発明は、このような従来技術の欠点に鑑
みてなされたものであり、既存素子に比べ微細化・高集
積化でより高性能となる素子構造・動作モードを有する
磁性単一電子制御磁気抵抗素子を提供することを目的と
する。
みてなされたものであり、既存素子に比べ微細化・高集
積化でより高性能となる素子構造・動作モードを有する
磁性単一電子制御磁気抵抗素子を提供することを目的と
する。
【００２１】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合
を介して挟持され、ある初期方向の第２の方向の磁化を
有する第２の強磁性体と、前記第２の強磁性体の磁化の
方向を、前記第２の方向とは別方向に向ける磁化手段と
を具備することを特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子
を提供する。
に、本発明は、第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合
を介して挟持され、ある初期方向の第２の方向の磁化を
有する第２の強磁性体と、前記第２の強磁性体の磁化の
方向を、前記第２の方向とは別方向に向ける磁化手段と
を具備することを特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子
を提供する。
【００２２】また本発明は、第１の方向の磁化を有する
２つの第１の強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体に
トンネル接合を介して挟持され、前記第１の方向とは逆
方向の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性体と、前
記第２の強磁性体の磁化の方向を反転させ、第１の方向
と同一方向に向ける磁化反転手段とを具備することを特
徴とする単一電子制御磁気抵抗素子を提供する。
２つの第１の強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体に
トンネル接合を介して挟持され、前記第１の方向とは逆
方向の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性体と、前
記第２の強磁性体の磁化の方向を反転させ、第１の方向
と同一方向に向ける磁化反転手段とを具備することを特
徴とする単一電子制御磁気抵抗素子を提供する。
【００２３】さらに本発明は、第１の方向の磁化を有す
る２つの第１の強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体
にトンネル接合を介して挟持され、前記第１の方向とは
同一方向の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性体
と、前記第２の強磁性体の磁化の方向を反転させる磁化
反転手段とを具備することを特徴とする単一電子制御磁
気抵抗素子を提供する。
る２つの第１の強磁性体と、前記２つの第１の強磁性体
にトンネル接合を介して挟持され、前記第１の方向とは
同一方向の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性体
と、前記第２の強磁性体の磁化の方向を反転させる磁化
反転手段とを具備することを特徴とする単一電子制御磁
気抵抗素子を提供する。
【００２４】またさらに、本発明は、第１の方向の磁化
を有する２つの第１の強磁性体と、前記２つの第１の強
磁性体にトンネル接合を介して挟持され、前記第１の方
向とは逆方向の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性
体と、前記第２の強磁性体の上に設けられ、第２の強磁
性体の磁化の方向を反転させて、第１の方向と同一方向
に向ける磁化反転手段とを具備し、各トンネル接合にお
けるトンネル抵抗が１３ｋΩ以上１５０ｋΩ以下である
ことを特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子を提供す
る。
を有する２つの第１の強磁性体と、前記２つの第１の強
磁性体にトンネル接合を介して挟持され、前記第１の方
向とは逆方向の第２の方向の磁化を有する第２の強磁性
体と、前記第２の強磁性体の上に設けられ、第２の強磁
性体の磁化の方向を反転させて、第１の方向と同一方向
に向ける磁化反転手段とを具備し、各トンネル接合にお
けるトンネル抵抗が１３ｋΩ以上１５０ｋΩ以下である
ことを特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子を提供す
る。
【００２５】以下、本発明を詳細に説明する。
【００２６】本発明は、クーロンブロッケイドが不完全
に機能して電流電圧特性に非線形性が発生する状況のも
と、強磁性トンネル接合の負のトンネル磁気抵抗の増大
を利用するものである。
に機能して電流電圧特性に非線形性が発生する状況のも
と、強磁性トンネル接合の負のトンネル磁気抵抗の増大
を利用するものである。
【００２７】ここで、最も簡単なトンネル接合列である
２重トンネル接合列の場合を例に挙げて説明する。本発
明における構造が、通常のクーロンブロッケイドに基づ
く単一電子制御素子と異なる点は、電極として強磁性体
を用いているためにスピンの偏極があることである。ま
た通常の強磁性トンネル接合素子と異なる点は、構造的
には２重以上の多重トンネル接合であること、さらに、
各々のトンネル接合が超微細であるために電子のトンネ
リングに対して、充電エネルギーＥc によるクーロンブ
ロッケイドが顕在化する点である。この場合、実際に測
定されるトンネル接合列の電流は、理論的には２つのト
ンネル接合を流れる電流に対し電流連続条件を課して得
られるものである。
２重トンネル接合列の場合を例に挙げて説明する。本発
明における構造が、通常のクーロンブロッケイドに基づ
く単一電子制御素子と異なる点は、電極として強磁性体
を用いているためにスピンの偏極があることである。ま
た通常の強磁性トンネル接合素子と異なる点は、構造的
には２重以上の多重トンネル接合であること、さらに、
各々のトンネル接合が超微細であるために電子のトンネ
リングに対して、充電エネルギーＥc によるクーロンブ
ロッケイドが顕在化する点である。この場合、実際に測
定されるトンネル接合列の電流は、理論的には２つのト
ンネル接合を流れる電流に対し電流連続条件を課して得
られるものである。
【００２８】ここで、２重トンネル接合において、クー
ロンブロッケイドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発
生の原理図を図１０に示し、単一トンネル接合における
クーロンブロッケイドが顕在化する際のトンネル磁気抵
抗発生の原理図を図１１および図１２に示す。各図
（ａ）はトンネル接合、各図（ｂ）は電子の状態密度を
表わす。各図（ｂ）の横軸はフェルミエネルギーを表わ
し、矢印は電子のスピンの向きを表わす。図１０（ａ）
に示すように、２つの第１の強磁性電極の磁化と、これ
に挟まれる第２の強磁性電極の磁化とは互いに反平行状
態にあり、充電エネルギーは、図１０（ｂ）に示すよう
なＥC で表わされ、同じ向きのスピンをもつ電子は、通
常のトンネルに比べＥC だけ高いエネルギー状態にしか
入れない。ここで、初期状態が図１１（ａ）に示すよう
に反平行磁化であり、反転磁場以上では図１２（ａ）に
示すように平行磁化状態であるとすれば、この系のスピ
ン偏極とクーロンブロッケイドとを考慮したトンネリン
グによる磁気抵抗変化率は、最大となる。
ロンブロッケイドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発
生の原理図を図１０に示し、単一トンネル接合における
クーロンブロッケイドが顕在化する際のトンネル磁気抵
抗発生の原理図を図１１および図１２に示す。各図
（ａ）はトンネル接合、各図（ｂ）は電子の状態密度を
表わす。各図（ｂ）の横軸はフェルミエネルギーを表わ
し、矢印は電子のスピンの向きを表わす。図１０（ａ）
に示すように、２つの第１の強磁性電極の磁化と、これ
に挟まれる第２の強磁性電極の磁化とは互いに反平行状
態にあり、充電エネルギーは、図１０（ｂ）に示すよう
なＥC で表わされ、同じ向きのスピンをもつ電子は、通
常のトンネルに比べＥC だけ高いエネルギー状態にしか
入れない。ここで、初期状態が図１１（ａ）に示すよう
に反平行磁化であり、反転磁場以上では図１２（ａ）に
示すように平行磁化状態であるとすれば、この系のスピ
ン偏極とクーロンブロッケイドとを考慮したトンネリン
グによる磁気抵抗変化率は、最大となる。
【００２９】なお、高次のトンネリングをすべて考慮し
た理論によれば、この系のトンネル磁気抵抗の変化は下
記数式（７）で表わされる。
た理論によれば、この系のトンネル磁気抵抗の変化は下
記数式（７）で表わされる。
【００３０】
【数６】
【００３１】ここで、Ｒt （０）およびＲt （Ｈ）は、
充電エネルギーに対応する温度以上キュリー温度以下
（クーロンブロッケイドが生じない温度）での零磁場下
および磁場下のトンネル抵抗、Ｔは絶対温度であり、さ
らにκ（ｘ，Ｔ，Ｒt （Ｈ））は、下記数式（８）で表
わされる。
充電エネルギーに対応する温度以上キュリー温度以下
（クーロンブロッケイドが生じない温度）での零磁場下
および磁場下のトンネル抵抗、Ｔは絶対温度であり、さ
らにκ（ｘ，Ｔ，Ｒt （Ｈ））は、下記数式（８）で表
わされる。
【００３２】
【数７】
【００３３】この値は自己無撞着に決まる量であり、０
（完全クーロンブロッケイド）からπ（クーロンブロッ
ケイド無し）まで非線形に変化する量である。なお、上
記数式（８）中、ｋB はボルツマン定数である。いま、
ＲT （０）＞ＲT （Ｈ）であるから、クーロンブロッケ
イドが顕在化する領域では一般に下記数式（９）で表わ
される関係を有し、強磁性トンネル接合素子の負の磁気
抵抗効果は増大する。
（完全クーロンブロッケイド）からπ（クーロンブロッ
ケイド無し）まで非線形に変化する量である。なお、上
記数式（８）中、ｋB はボルツマン定数である。いま、
ＲT （０）＞ＲT （Ｈ）であるから、クーロンブロッケ
イドが顕在化する領域では一般に下記数式（９）で表わ
される関係を有し、強磁性トンネル接合素子の負の磁気
抵抗効果は増大する。
【００３４】
【数８】
【００３５】この効果は、量子ゆらぎのために高次のト
ンネル過程が生じる場合に顕著であり、Ｒq ／Ｒ
T （Ｈ）の高次のべきに比例した非線形をもつ。したが
って、この非線形を利用するためには、通常の単一電子
制御素子の場合とは異なり、クーロンブロッケイドが程
よく破れて、クーロンギャップ内に微小電流が流れるよ
うな条件、例えばＲq ／ＲT （Ｈ）＞０．８７であるこ
とが好ましい。
ンネル過程が生じる場合に顕著であり、Ｒq ／Ｒ
T （Ｈ）の高次のべきに比例した非線形をもつ。したが
って、この非線形を利用するためには、通常の単一電子
制御素子の場合とは異なり、クーロンブロッケイドが程
よく破れて、クーロンギャップ内に微小電流が流れるよ
うな条件、例えばＲq ／ＲT （Ｈ）＞０．８７であるこ
とが好ましい。
【００３６】従って、このような条件を有する基本要素
によって素子機能の基本単位を構成すれば、微細化に伴
ってより大きなトンネル磁気抵抗変化を示す単位電子制
御磁性素子およびメモリーロジック等の複合素子（回
路）を構築することが可能となる。また、従来の単一電
子制御素子ではクーロンブロッケイドが完全に作用し、
サブギャップ電流を禁止することを前提とするのに対
し、本発明の素子は、トンネル接合抵抗を小さく設計し
てクーロンブロッケイドが不完全な状況で発生する非線
形モードの積極的利用を図るものであるため、接合の数
も従来の単一電子制御素子のように多重化を目指す必要
はない。すなわち、素子の作製もより容易となるので、
複合素子（回路）の構築に対してもチップサイズの増大
は小さく、設計マージンは増大する。結果的に、従来の
単一電子制御素子と比較して動作速度も高速化し、電力
遅延積も小さくなる。
によって素子機能の基本単位を構成すれば、微細化に伴
ってより大きなトンネル磁気抵抗変化を示す単位電子制
御磁性素子およびメモリーロジック等の複合素子（回
路）を構築することが可能となる。また、従来の単一電
子制御素子ではクーロンブロッケイドが完全に作用し、
サブギャップ電流を禁止することを前提とするのに対
し、本発明の素子は、トンネル接合抵抗を小さく設計し
てクーロンブロッケイドが不完全な状況で発生する非線
形モードの積極的利用を図るものであるため、接合の数
も従来の単一電子制御素子のように多重化を目指す必要
はない。すなわち、素子の作製もより容易となるので、
複合素子（回路）の構築に対してもチップサイズの増大
は小さく、設計マージンは増大する。結果的に、従来の
単一電子制御素子と比較して動作速度も高速化し、電力
遅延積も小さくなる。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明を
より詳細に説明する。
より詳細に説明する。
【００３８】図１は、本発明に係る磁気抵抗素子の一例
の回路図であり、図２は、本発明の素子におけるトンネ
ル接合部分の模式図である。図１に示すように本発明の
素子における基本要素は、２つの直列に結合した極微細
トンネル接合１１および１２からなる２重トンネル接合
列、ならびに反転磁場発生用のゲート（配線）１３であ
る。２重トンネル接合は、図２に示すように、２つの第
１の強磁性電極１４と、トンネル障壁１６を介してこれ
に挟まれた第２の強磁性電極１５との３つの強磁性体か
らなる電極によって形成される。なお、中央電極（以下
アイランドと称する）１５は軟質磁性膜、他の２つの電
極１４には硬質磁性膜を用いている。磁気双極子相互作
用により少なくとも接合面近傍では、図２（ａ）に示す
ように第１および第２の強磁性電極の磁化が互いに反平
行状態が実現できるようにし、第２の強磁性電極として
の軟質磁性膜の反転磁場（Ｈc (2) ）を越える磁場Ｈで
は、図２（ｂ）に示すように第２の強磁性電極の磁化を
反転させて平行磁化状態が実現できるように設定したも
のである。
の回路図であり、図２は、本発明の素子におけるトンネ
ル接合部分の模式図である。図１に示すように本発明の
素子における基本要素は、２つの直列に結合した極微細
トンネル接合１１および１２からなる２重トンネル接合
列、ならびに反転磁場発生用のゲート（配線）１３であ
る。２重トンネル接合は、図２に示すように、２つの第
１の強磁性電極１４と、トンネル障壁１６を介してこれ
に挟まれた第２の強磁性電極１５との３つの強磁性体か
らなる電極によって形成される。なお、中央電極（以下
アイランドと称する）１５は軟質磁性膜、他の２つの電
極１４には硬質磁性膜を用いている。磁気双極子相互作
用により少なくとも接合面近傍では、図２（ａ）に示す
ように第１および第２の強磁性電極の磁化が互いに反平
行状態が実現できるようにし、第２の強磁性電極として
の軟質磁性膜の反転磁場（Ｈc (2) ）を越える磁場Ｈで
は、図２（ｂ）に示すように第２の強磁性電極の磁化を
反転させて平行磁化状態が実現できるように設定したも
のである。
【００３９】実際のトンネル接合部分の断面図を図３に
示し、その平面図を図４に示す。なお、図３の断面図
は、図４に示した平面図のＡ−Ｂにおける断面である。
示し、その平面図を図４に示す。なお、図３の断面図
は、図４に示した平面図のＡ−Ｂにおける断面である。
【００４０】図３に示すようにＳｉ基板２１上には、Ｓ
ｉＯ2 膜２２を介して第１の強磁性電極１４、第２の強
磁性電極１５およびトンネル障壁１６からなる２重トン
ネル接合が形成されている。さらに、トンネル接合構造
の上には、ＳｉＯ2 膜２３を介してＡｌ配線２４が形成
されている。
ｉＯ2 膜２２を介して第１の強磁性電極１４、第２の強
磁性電極１５およびトンネル障壁１６からなる２重トン
ネル接合が形成されている。さらに、トンネル接合構造
の上には、ＳｉＯ2 膜２３を介してＡｌ配線２４が形成
されている。
【００４１】かかる素子は、例えば、以下のようにして
製造することができる。まず、Ｓｉ基板２１上に２００
ｎｍの膜厚のＳｉＯ2 膜２２を形成し、次いでこのＳｉ
Ｏ2膜２２上に、マスクを介して斜めスパッタ法により
膜厚２０ｎｍ、幅０．１μｍ、長さ０．１μｍのＮｉ膜
１５を形成する。このＮｉ膜１５は、第２の強磁性電極
として作用する。続いて、プラズマ酸化法によりＮｉ膜
１５の表面を酸化して絶縁膜（ＮｉＯ膜）１６を形成す
る。
製造することができる。まず、Ｓｉ基板２１上に２００
ｎｍの膜厚のＳｉＯ2 膜２２を形成し、次いでこのＳｉ
Ｏ2膜２２上に、マスクを介して斜めスパッタ法により
膜厚２０ｎｍ、幅０．１μｍ、長さ０．１μｍのＮｉ膜
１５を形成する。このＮｉ膜１５は、第２の強磁性電極
として作用する。続いて、プラズマ酸化法によりＮｉ膜
１５の表面を酸化して絶縁膜（ＮｉＯ膜）１６を形成す
る。
【００４２】その後、位置をずらしたマスクを用いて逆
方向斜めスパッタ法により膜厚１５ｎｍ、幅０．１μｍ
のＣｏ膜１４を形成し、これを第１の強磁性電極とす
る。具体的には、図５（ａ）の断面図に示すように、表
面に絶縁膜（ＮｉＯ膜）１６が形成された第２の強磁性
電極１５の両側に第１の強磁性電極１４を形成し、次い
で、図５（ｂ）に示すように、第２の強磁性体のトンネ
ル接合部分以外のＮｉＯ膜１６が露出するまでエッチバ
ックを行なうことによって、接合面およびトンネル障壁
層を削除する。
方向斜めスパッタ法により膜厚１５ｎｍ、幅０．１μｍ
のＣｏ膜１４を形成し、これを第１の強磁性電極とす
る。具体的には、図５（ａ）の断面図に示すように、表
面に絶縁膜（ＮｉＯ膜）１６が形成された第２の強磁性
電極１５の両側に第１の強磁性電極１４を形成し、次い
で、図５（ｂ）に示すように、第２の強磁性体のトンネ
ル接合部分以外のＮｉＯ膜１６が露出するまでエッチバ
ックを行なうことによって、接合面およびトンネル障壁
層を削除する。
【００４３】このプロセスによって、トンネル接合面積
が小さくなると同時に、エッチバック時の温度上昇の
中、第１の強磁性電極１４および第２の強磁性電極１５
間の露出部が大きくなることに起因して、磁気双極子相
互作用が効き易くなり、その結果、トンネル接合形成後
の第１および第２の強磁性体電極の磁化配向が反平行に
なり易くなる。この際、反平行磁化配向を加速させるた
めにエッチバック後、適切な温度でアニールを行なって
もよい。
が小さくなると同時に、エッチバック時の温度上昇の
中、第１の強磁性電極１４および第２の強磁性電極１５
間の露出部が大きくなることに起因して、磁気双極子相
互作用が効き易くなり、その結果、トンネル接合形成後
の第１および第２の強磁性体電極の磁化配向が反平行に
なり易くなる。この際、反平行磁化配向を加速させるた
めにエッチバック後、適切な温度でアニールを行なって
もよい。
【００４４】次に、この２重トンネル接合構造全体を覆
うように膜厚５０ｎｍのＳｉＯ2 膜２３を形成し、最後
にＮｉアイランド１５上に膜厚２００ｎｍ、幅０．１μ
ｍのＡｌ配線２４を形成する。この系の充電エネルギー
は、電流・電圧特性の解析から約２０Ｋと見積もられ
た。
うように膜厚５０ｎｍのＳｉＯ2 膜２３を形成し、最後
にＮｉアイランド１５上に膜厚２００ｎｍ、幅０．１μ
ｍのＡｌ配線２４を形成する。この系の充電エネルギー
は、電流・電圧特性の解析から約２０Ｋと見積もられ
た。
【００４５】かかる構成の素子に対して、Ａｌ配線２４
に反転磁場を越える磁場が発生するところまで電流を流
し、磁気トンネル抵抗の最大変化率ΔＲ0 （Ｈ）／Ｒ0
（０）を測定した。得られた結果を図６のグラフに示
す。各曲線は、測定温度Ｔをパラメータとし、充電エネ
ルギーよりも大きい温度でのトンネル接合１個の磁気抵
抗値を縦軸として示した。なお、充電エネルギーより十
分大きい温度での零磁場下でのトンネル抵抗は、下記数
式（１０）で表わされる。
に反転磁場を越える磁場が発生するところまで電流を流
し、磁気トンネル抵抗の最大変化率ΔＲ0 （Ｈ）／Ｒ0
（０）を測定した。得られた結果を図６のグラフに示
す。各曲線は、測定温度Ｔをパラメータとし、充電エネ
ルギーよりも大きい温度でのトンネル接合１個の磁気抵
抗値を縦軸として示した。なお、充電エネルギーより十
分大きい温度での零磁場下でのトンネル抵抗は、下記数
式（１０）で表わされる。
【００４６】
【数９】
【００４７】いまの場合、室温での磁気抵抗変化率は１
０％であるが、量子ゆらぎによりクーロンブロッケイド
が不完全に効いてくる非線形領域では大きな変化率の増
大が認められた。具体的には、（ＥC ／ｋB Ｔ＝５０
０）の場合には、磁気抵抗変化率は最大で５０％にも及
んでいる。
０％であるが、量子ゆらぎによりクーロンブロッケイド
が不完全に効いてくる非線形領域では大きな変化率の増
大が認められた。具体的には、（ＥC ／ｋB Ｔ＝５０
０）の場合には、磁気抵抗変化率は最大で５０％にも及
んでいる。
【００４８】同様の方法によって作製された３重トンネ
ル接合構造を有する場合についてのトンネル磁気抵抗測
定結果を図７に示す。この場合も、充電エネルギーはほ
ぼ２０Ｋであり、充電エネルギーより十分に大きい温度
での零磁場下のトンネル抵抗は、下記数式（１１）で表
わされる。
ル接合構造を有する場合についてのトンネル磁気抵抗測
定結果を図７に示す。この場合も、充電エネルギーはほ
ぼ２０Ｋであり、充電エネルギーより十分に大きい温度
での零磁場下のトンネル抵抗は、下記数式（１１）で表
わされる。
【００４９】
【数１０】
【００５０】図７のグラフに示されるように、３重トン
ネル接合構造における磁気トンネル抵抗の最大変化率
は、２重トンネル接合の場合より小さな抵抗値で発生し
ている。具体的には、（ＥC ／ｋB Ｔ＝５００）の場合
には、２重トンネル接合構造の際の最大変化率は８０ｋ
Ωで発生しており、３重トンネル接合構造の際の最大変
化率は５０ｋΩで発生している。一般に、高次のトンネ
リングから生じるクーロンブロッケイドの不完全さの現
われである非線形効果は、多重トンネル接合になるほど
生じ難くなるため、各トンネル接合の抵抗をより小さく
設定する必要がある。
ネル接合構造における磁気トンネル抵抗の最大変化率
は、２重トンネル接合の場合より小さな抵抗値で発生し
ている。具体的には、（ＥC ／ｋB Ｔ＝５００）の場合
には、２重トンネル接合構造の際の最大変化率は８０ｋ
Ωで発生しており、３重トンネル接合構造の際の最大変
化率は５０ｋΩで発生している。一般に、高次のトンネ
リングから生じるクーロンブロッケイドの不完全さの現
われである非線形効果は、多重トンネル接合になるほど
生じ難くなるため、各トンネル接合の抵抗をより小さく
設定する必要がある。
【００５１】本発明の単一電子制御磁気抵抗素子におい
てトンネル抵抗は、１３ｋΩ以上１５０ｋΩ以下である
ことが好ましく、４０ｋΩ以上１００ｋΩ以下であるこ
とがより好ましい。また本発明者らは、トンネル抵抗の
好ましい範囲と、熱エネルギーおよび充電エネルギーと
の間に次のような関係を見出だした。すなわち、電子一
個の充電エネルギー（ＥC ）と動作温度での熱エネルギ
ー（ｋB Ｔ）との比（ｋB Ｔ／ＥC ）の立方根をαとす
ると、トンネル抵抗Ｒt は、 Ｒt ≦７００・ｔａｎｈ（α）ｋΩ であることが好ましい。なお、この場合、ＲT の下限
は、少なくとも１３ｋΩ以上であることが好ましい。図
６および図７のグラフに示されるように、曲線のピーク
の低抵抗側においては変化率は急激に減少しているのに
対し、高抵抗側ではその減少は緩やかであり、上述のよ
うな関係式により好ましいトンネル抵抗の範囲を全てカ
バーすることが可能である。しかも、この範囲内であれ
ば、トンネル接合の数によらず、実用上十分なトンネル
磁気抵抗の増大が見込まれる。したがって、元々のトン
ネル磁気抵抗を適切に設定することにより、上述したよ
うな２重や３重のトンネル接合構造のみならず、必要に
応じてさらに多重のトンネル接合構造に拡張できる。
てトンネル抵抗は、１３ｋΩ以上１５０ｋΩ以下である
ことが好ましく、４０ｋΩ以上１００ｋΩ以下であるこ
とがより好ましい。また本発明者らは、トンネル抵抗の
好ましい範囲と、熱エネルギーおよび充電エネルギーと
の間に次のような関係を見出だした。すなわち、電子一
個の充電エネルギー（ＥC ）と動作温度での熱エネルギ
ー（ｋB Ｔ）との比（ｋB Ｔ／ＥC ）の立方根をαとす
ると、トンネル抵抗Ｒt は、 Ｒt ≦７００・ｔａｎｈ（α）ｋΩ であることが好ましい。なお、この場合、ＲT の下限
は、少なくとも１３ｋΩ以上であることが好ましい。図
６および図７のグラフに示されるように、曲線のピーク
の低抵抗側においては変化率は急激に減少しているのに
対し、高抵抗側ではその減少は緩やかであり、上述のよ
うな関係式により好ましいトンネル抵抗の範囲を全てカ
バーすることが可能である。しかも、この範囲内であれ
ば、トンネル接合の数によらず、実用上十分なトンネル
磁気抵抗の増大が見込まれる。したがって、元々のトン
ネル磁気抵抗を適切に設定することにより、上述したよ
うな２重や３重のトンネル接合構造のみならず、必要に
応じてさらに多重のトンネル接合構造に拡張できる。
【００５２】なお図６および図７のグラフに示した例に
おいては、充電エネルギーが小さいためにトンネル磁気
抵抗の増大効果は低温でのみ見られたが、トンネル接合
構造をより微細にすることによって容量接合を小さくす
れば、原理的には室温においても、低温の場合と同様に
負のトンネル磁気抵抗の大きな増大を得ることが可能で
ある。
おいては、充電エネルギーが小さいためにトンネル磁気
抵抗の増大効果は低温でのみ見られたが、トンネル接合
構造をより微細にすることによって容量接合を小さくす
れば、原理的には室温においても、低温の場合と同様に
負のトンネル磁気抵抗の大きな増大を得ることが可能で
ある。
【００５３】また、本発明の磁気抵抗素子における電極
材料は、前述の例で用いたものに限定される必要はな
く、トンネル磁気抵抗の元々の変化率を高め得る任意の
材料を適宜選択することができる。元々の変化率を上げ
ることができれば非線形的に増大が生じるため、飛躍的
に大きなトンネル磁気抵抗変化率が得られる。例えば、
第１の磁性体としてＣｏＦｅ、トンネル障壁としてＡｌ
2 Ｏ3 を用いれば、４．２Ｋで約２０％、室温でも約１
５％の変化率を得ることができる。
材料は、前述の例で用いたものに限定される必要はな
く、トンネル磁気抵抗の元々の変化率を高め得る任意の
材料を適宜選択することができる。元々の変化率を上げ
ることができれば非線形的に増大が生じるため、飛躍的
に大きなトンネル磁気抵抗変化率が得られる。例えば、
第１の磁性体としてＣｏＦｅ、トンネル障壁としてＡｌ
2 Ｏ3 を用いれば、４．２Ｋで約２０％、室温でも約１
５％の変化率を得ることができる。
【００５４】上述した例では磁化反転手段として配線を
用い、これによって生じる磁場による磁化反転を行なっ
たが、これに限定されるものではない。例えば、中央電
極（アイランド）として適切な材料構成を用いれば、静
電ポテンシャルの印加や光照射などにより磁化反転を実
現することが可能である。
用い、これによって生じる磁場による磁化反転を行なっ
たが、これに限定されるものではない。例えば、中央電
極（アイランド）として適切な材料構成を用いれば、静
電ポテンシャルの印加や光照射などにより磁化反転を実
現することが可能である。
【００５５】図８に、静電ポテンシャル印加により磁化
反転を行なうアイランド構造の一例の斜視図を示し、図
９には、その平面図を示す。図示する構造の素子は、例
えば以下のようにして製造することができる。すなわ
ち、まず、Ｓｉ基板５０の上に形成されたＳｉＯ2 膜４
９上に膜厚５０ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１００ｎｍの
ＳｉＯ2 膜４２を形成し、その中央に幅１００ｎｍ、長
さ１００ｎｍのパターンをくり抜く。次に、くり抜かれ
た領域に第２の強磁性金属としてのＮｉ膜をスパッタ法
により形成した後、エッチバックを行なう。これによっ
て、膜厚２０ｎｍ、幅１００ｎｍ、長さ１００ｎｍの第
２の強磁性金属４１が、膜厚２０ｎｍ、幅５０ｎｍ、長
さ１００ｎｍのＳｉＯ2 膜４２に両側から挟まれた構造
が形成される。
反転を行なうアイランド構造の一例の斜視図を示し、図
９には、その平面図を示す。図示する構造の素子は、例
えば以下のようにして製造することができる。すなわ
ち、まず、Ｓｉ基板５０の上に形成されたＳｉＯ2 膜４
９上に膜厚５０ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１００ｎｍの
ＳｉＯ2 膜４２を形成し、その中央に幅１００ｎｍ、長
さ１００ｎｍのパターンをくり抜く。次に、くり抜かれ
た領域に第２の強磁性金属としてのＮｉ膜をスパッタ法
により形成した後、エッチバックを行なう。これによっ
て、膜厚２０ｎｍ、幅１００ｎｍ、長さ１００ｎｍの第
２の強磁性金属４１が、膜厚２０ｎｍ、幅５０ｎｍ、長
さ１００ｎｍのＳｉＯ2 膜４２に両側から挟まれた構造
が形成される。
【００５６】次に、第２の強磁性金属４１の上に、単結
晶Ｓｉをエピタキシャル成長させて、膜厚２０ｎｍのア
ンドープＳｉ層４３を形成し、その上に第３の強磁性体
としてのＣｏ膜４４をスパッタにより２０ｎｍの膜厚で
形成する。さらに、第３の強磁性体４４とアンドープＳ
ｉ層４３とを、ドライエッチングにより幅１００ｎｍ、
長さ１００ｎｍの層状構造にパターニングする。パター
ニング後に露出した表面は、酸化させて１０ｎｍの膜厚
の絶縁膜４５を形成し、その側壁にはポリＳｉゲート４
６を形成する。
晶Ｓｉをエピタキシャル成長させて、膜厚２０ｎｍのア
ンドープＳｉ層４３を形成し、その上に第３の強磁性体
としてのＣｏ膜４４をスパッタにより２０ｎｍの膜厚で
形成する。さらに、第３の強磁性体４４とアンドープＳ
ｉ層４３とを、ドライエッチングにより幅１００ｎｍ、
長さ１００ｎｍの層状構造にパターニングする。パター
ニング後に露出した表面は、酸化させて１０ｎｍの膜厚
の絶縁膜４５を形成し、その側壁にはポリＳｉゲート４
６を形成する。
【００５７】次いで、表面が酸化された第２の強磁性体
の両側にトンネル接合を形成するように第１の強磁性体
としてのＣｏ膜４７を、膜厚２０ｎｍ、幅１００ｎｍ、
長さ１００ｎｍで、斜めスパッタ法により形成する。４
３、４５および４６はＭＯＳ構造となっているので、ゲ
ート電圧４８の印加により第２の強磁性体４１と第３の
強磁性体４４とは、チャネルを通して金属的につなが
る。
の両側にトンネル接合を形成するように第１の強磁性体
としてのＣｏ膜４７を、膜厚２０ｎｍ、幅１００ｎｍ、
長さ１００ｎｍで、斜めスパッタ法により形成する。４
３、４５および４６はＭＯＳ構造となっているので、ゲ
ート電圧４８の印加により第２の強磁性体４１と第３の
強磁性体４４とは、チャネルを通して金属的につなが
る。
【００５８】なお、図８に表わした面は、図９に示す平
面図のＣ−Ｄにおける切断面であり、図中の矢印は、第
１ないし第３の強磁性体の磁化の方向を示している。図
示するように、第１の強磁性体の磁化に対し第２の強磁
性体の磁化は反平行になっており、第３の強磁性体の磁
化は平行である。かかる構造においては、ゲート電圧の
印加により第２および第３の強磁性体の金属的接合が生
じ、それによって第２の強磁性体の磁化は第３の強磁性
体の磁化と平行になる。したがって、第１の強磁性体に
対して磁化反転が実現される。この場合にも、配線を用
いて磁化反転せしめた前述の例の磁気抵抗変化とほぼ同
様のトンネル接合抵抗変化がゲート電圧の変化に対して
得られる。
面図のＣ−Ｄにおける切断面であり、図中の矢印は、第
１ないし第３の強磁性体の磁化の方向を示している。図
示するように、第１の強磁性体の磁化に対し第２の強磁
性体の磁化は反平行になっており、第３の強磁性体の磁
化は平行である。かかる構造においては、ゲート電圧の
印加により第２および第３の強磁性体の金属的接合が生
じ、それによって第２の強磁性体の磁化は第３の強磁性
体の磁化と平行になる。したがって、第１の強磁性体に
対して磁化反転が実現される。この場合にも、配線を用
いて磁化反転せしめた前述の例の磁気抵抗変化とほぼ同
様のトンネル接合抵抗変化がゲート電圧の変化に対して
得られる。
【００５９】なお、第３の強磁性体の磁化は、必ずしも
第１の強磁性体の磁化に対して平行としなくともよく、
何等かの理由で逆向きとなったり、異なる物質を用いた
ために逆向きになっていても差し支えない。この場合に
は、エキタキシャルＳｉの膜厚を変えることによって、
反強磁性的結合を実現するよう最適化を図ることができ
る。
第１の強磁性体の磁化に対して平行としなくともよく、
何等かの理由で逆向きとなったり、異なる物質を用いた
ために逆向きになっていても差し支えない。この場合に
は、エキタキシャルＳｉの膜厚を変えることによって、
反強磁性的結合を実現するよう最適化を図ることができ
る。
【００６０】以上、２重および３重トンネル接合の例を
挙げて本発明を説明したが、本発明は、その要旨を逸脱
しない範囲で、種々変更することができる。従って、従
来の強磁性磁気抵抗素子を用いたメモリー・論理回路等
に対して、本発明の磁気抵抗素子をその基本構成要素と
して置き換えることにより、微細化・高集積化に伴って
論理振幅が増大する意味で素子性能の向上を図ることが
可能である。
挙げて本発明を説明したが、本発明は、その要旨を逸脱
しない範囲で、種々変更することができる。従って、従
来の強磁性磁気抵抗素子を用いたメモリー・論理回路等
に対して、本発明の磁気抵抗素子をその基本構成要素と
して置き換えることにより、微細化・高集積化に伴って
論理振幅が増大する意味で素子性能の向上を図ることが
可能である。
【００６１】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
既存素子に比べ微細化・高集積化でより高性能となる素
子構造・動作モードを有する磁性単一電子制御磁気抵抗
素子が提供される。かかる素子およびその動作モードを
用いることによって、超微細な強磁性トンネル接合素子
の論理振幅を非線形的に増大させることができ、強磁性
トンネル素子単体としての性能の向上のみならず、それ
を基本構成要素とするメモリー、論理回路等複合回路の
性能を大幅に向上させることが可能である。また、それ
によってシステムとしての設計自由度も大きく広がるこ
とが期待され、その工業的価値は絶大である。
既存素子に比べ微細化・高集積化でより高性能となる素
子構造・動作モードを有する磁性単一電子制御磁気抵抗
素子が提供される。かかる素子およびその動作モードを
用いることによって、超微細な強磁性トンネル接合素子
の論理振幅を非線形的に増大させることができ、強磁性
トンネル素子単体としての性能の向上のみならず、それ
を基本構成要素とするメモリー、論理回路等複合回路の
性能を大幅に向上させることが可能である。また、それ
によってシステムとしての設計自由度も大きく広がるこ
とが期待され、その工業的価値は絶大である。
【図１】本発明の一実施例に係る単一電子制御磁気抵抗
素子の構成を示す回路図。
素子の構成を示す回路図。
【図２】本発明の一実施例に係る単一電子制御磁気抵抗
素子のトンネル接合部分を示す模式図。
素子のトンネル接合部分を示す模式図。
【図３】本発明に係る単一電子制御磁気抵抗素子の一例
を表わす断面図。
を表わす断面図。
【図４】本発明に係る単一電子制御磁気抵抗素子の平面
図。
図。
【図５】本発明の単一電子制御磁気抵抗素子における、
反平行磁化をもつ超微細トンネル接合形成の工程を示す
断面図。
反平行磁化をもつ超微細トンネル接合形成の工程を示す
断面図。
【図６】２重トンネル接合構造の単一電子制御磁気抵抗
素子でのトンネル磁気抵抗変化率を示すグラフ図。
素子でのトンネル磁気抵抗変化率を示すグラフ図。
【図７】３重トンネル接合構造の単一電子制御磁気抵抗
素子でのトンネル磁気抵抗変化率を示すグラフ図。
素子でのトンネル磁気抵抗変化率を示すグラフ図。
【図８】本発明に係る単一電子制御磁気抵抗素子の他の
例を表わす斜視図。
例を表わす斜視図。
【図９】本発明に係る単一電子制御磁気抵抗素子の平面
図。
図。
【図１０】２重トンネル接合においてクーロンブロッケ
イドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発生の原理を示
す図。
イドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発生の原理を示
す図。
【図１１】単一トンネル接合においてクーロンブロッケ
イドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発生の原理を示
す図。
イドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発生の原理を示
す図。
【図１２】単一トンネル接合においてクーロンブロッケ
イドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発生の原理を示
す図。
イドが顕在化する際のトンネル磁気抵抗発生の原理を示
す図。
【図１３】従来の単一電子制御磁気抵抗素子の一例を説
明する図。
明する図。
【図１４】従来の単一電子制御磁気抵抗素子の他の例を
説明する図。
説明する図。
【図１５】従来の強磁性トンネル接合素子の構造図。
【図１６】従来の強磁性トンネル接合素子における磁気
抵抗変化率を示すグラフ図。
抵抗変化率を示すグラフ図。
１１，１２…単一電子制御強磁性トンネル接合 １３…スピン反転磁場発生用Ａｌ配線（アイランドゲー
ト） １４…第１の強磁性電極（Ｃｏ） １５…第２の強磁性電極（Ｎｉ） １６…トンネル障壁としての絶縁膜（ＮｉＯ） ２１…シリコン基板 ２２，２３…シリコン酸化膜 ４１…第２の強磁性体（Ｎｉ） ４２…Ｓｉ酸化膜 ４３…エピタキシャル成長アンドープＳｉ ４４…第３の強磁性体 ４５…Ｓｉ ４６…ドープされたポリＳｉゲート ４７…第１の強磁性体（Ｃｏ） ４８…ゲート電圧端子 ４９…Ｓｉ酸化膜 ５０…Ｓｉ基板 ７１…第１の強磁性電極（Ｃｏ） ７２…第２の強磁性電極（Ｎｉ） ７３…トンネル障壁としての絶縁膜（ＮｉＯ）
ト） １４…第１の強磁性電極（Ｃｏ） １５…第２の強磁性電極（Ｎｉ） １６…トンネル障壁としての絶縁膜（ＮｉＯ） ２１…シリコン基板 ２２，２３…シリコン酸化膜 ４１…第２の強磁性体（Ｎｉ） ４２…Ｓｉ酸化膜 ４３…エピタキシャル成長アンドープＳｉ ４４…第３の強磁性体 ４５…Ｓｉ ４６…ドープされたポリＳｉゲート ４７…第１の強磁性体（Ｃｏ） ４８…ゲート電圧端子 ４９…Ｓｉ酸化膜 ５０…Ｓｉ基板 ７１…第１の強磁性電極（Ｃｏ） ７２…第２の強磁性電極（Ｎｉ） ７３…トンネル障壁としての絶縁膜（ＮｉＯ）
Claims (7)
- 【請求項１】 第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、 前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合を介して挟持
され、ある初期方向の第２の方向の磁化を有する第２の
強磁性体と、 前記第２の強磁性体の磁化の方向を、前記第２の方向と
は別方向に向ける磁化手段とを具備することを特徴とす
る単一電子制御磁気抵抗素子。 - 【請求項２】 第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、 前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合を介して挟持
され、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の磁化を
有する第２の強磁性体と、 前記第２の強磁性体の磁化の方向を反転させ、第１の方
向と同一方向に向ける磁化反転手段とを具備することを
特徴とする単一電子制御磁気抵抗素子。 - 【請求項３】 第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、 前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合を介して挟持
され、前記第１の方向とは同一方向の第２の方向の磁化
を有する第２の強磁性体と、 前記第２の強磁性体の磁化の方向を反転させる磁化反転
手段とを具備することを特徴とする単一電子制御磁気抵
抗素子。 - 【請求項４】 前記磁化反転手段は、前記第２の強磁性
体の上に絶縁膜を介して設けられている請求項１ないし
３のいずれか１項に記載の単一電子制御磁気抵抗素子。 - 【請求項５】 前記磁化反転手段は、前記第２の磁化の
方向に直交する請求項１ないし４のいずれか１項に記載
の単一電子制御磁気抵抗素子。 - 【請求項６】 前記トンネル接合における各トンネル抵
抗ＲT が、以下の範囲である請求項１ないし５のいずれ
か１項に記載の単一電子制御磁気抵抗素子。 ＲT ≦７００・ｔａｎｈ（α）ｋΩ （ここでαは、電子一個の充電エネルギー（ＥC ）と、
動作温度における熱エネルギー（ｋB Ｔ）との比（ｋB
Ｔ／ＥC ）の立方根である。） - 【請求項７】 第１の方向の磁化を有する２つの第１の
強磁性体と、 前記２つの第１の強磁性体にトンネル接合を介して挟持
され、前記第１の方向とは逆方向の第２の方向の磁化を
有する第２の強磁性体と、 前記第２の強磁性体の上に設けられ、第２の強磁性体の
磁化の方向を反転させて、第１の方向と同一方向に向け
る磁化反転手段とを具備し、 各トンネル接合におけるトンネル抵抗が１３ｋΩ以上１
５０ｋΩ以下であることを特徴とする単一電子制御磁気
抵抗素子。
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|---|---|---|---|
| JP25985896A JP3258241B2 (ja) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | 単一電子制御磁気抵抗素子 |
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| US5757056A (en) * | 1996-11-12 | 1998-05-26 | University Of Delaware | Multiple magnetic tunnel structures |
-
1996
- 1996-09-30 JP JP25985896A patent/JP3258241B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-09-29 US US08/940,194 patent/US5877511A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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