JPH10206513A

JPH10206513A - 強磁性スピントンネル効果素子

Info

Publication number: JPH10206513A
Application number: JP9023256A
Authority: JP
Inventors: Motofumi Suzuki; 基史鈴木; Takeshi Owaki; 健史大脇; Yasunori Taga; 康訓多賀; Hiroshi Tadano; 博只野; Toru Kachi; 徹加地; Yuichi Tanaka; 雄一田中; Kazuyoshi Tomita; 一義冨田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】強磁性スピントンネル効果素子の素子安定性を
向上させること。【解決手段】第１強磁性薄膜１２と第２強磁性薄膜１４
とを絶縁層１３を介して対向させ、第２強磁性薄膜１４
の上に強磁性絶縁層２１を介して希薄磁性半導体層２２
を形成した。この希薄磁性半導体層２２へ注入される電
子のスピンの方向を制御することで、第２強磁性薄膜１
４だけを意図した方向に磁化させることができる。これ
により磁場検出の制御性が向上し、記憶装置、電流変調
素子への応用が拡大される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定値以上の外部磁場
の有無、又は、外部磁場の向きに応じて、流れる電流を
２値レベルに切り換えられる素子に関する。さらに詳し
くは強磁性スピントンネル効果を用いた素子に関し、磁
気センサ、パルス式の回転又は位置センサ、磁気メモ
リ、磁気メモリに対する磁気ヘッド、電流変調素子、光
−電流変調素子等に用いることができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、２つの強磁性体を極めて薄い絶縁
体で挟んだ構造の強磁性スピントンネル効果素子が知ら
れている（特開平６−２４４４７７号、特開平８−７０
１４８号、特開平４−１０３０１４号公報）。その素子
は、Al₂O₃等の絶縁体を介してFe、Co、Ni等の２つの強
磁性体間に流れるトンネル電流の大きさが、２つの強磁
性体の磁化の向きに依存して変化するというものであ
る。即ち、２つの強磁性体の磁化の向きが同一方向（以
下、単に、「平行」という）の場合には比較的大きな電
流が流れ、磁化の向きが平行であるが向きが反対（以
下、単に、「反平行」という）である場合には比較的小
さな電流が流れる。このことは、２つの強磁性体間の抵
抗値が２つの強磁性体の磁化の向きに応じて変化すると
も言える。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の素子を磁場の検
出素子として用いる場合は、一方の強磁性体の磁化の向
きが外部磁場によって反転しない構造として、他方の強
磁性体のみの磁化の向きを外部磁場に応じて反転可能な
構造としていた。このために、通常は、一方の強磁性体
の保持力を他の強磁性体の保持力よりも大きくし、検出
すべき外部磁場が大きい保持力よりも小さくなる範囲で
使用することで、外部磁場の向きに応じて２つの強磁性
体の磁化の向きを平行と反平行とで切り換え可能として
いた。

【０００４】或いは、２つの強磁性体の保持力を代え、
外部磁場が増大する時に、保持力の小さな強磁性体の磁
化が先に外部磁場の向きに向くことを利用して、磁化状
態が平行、反平行、平行と切り換わることで外部磁場の
変化を動的に検出していた。

【０００５】このように、従来の素子では、外部磁場だ
けで平行と反平行状態を得ているために、外部磁場を検
出する時の使用方法が制限され、磁場検出の制御性に問
題があった。よって、本発明の目的は、一方の強磁性体
の磁化の向きを、外部磁場の向きに関係なく意図的に制
御可能とすることで、磁場検出の制御性を改善すると共
に、この素子の応用分野をメモリ、変調素子等へ拡大可
能とすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、第１強磁性体と第２強磁性体とを絶縁
層を介して対向させ、第１強磁性体と第２強磁性体との
間の磁化方向の関係によって絶縁層を介して流れるトン
ネル電流が変化する強磁性スピントンネル効果を用いた
素子において、第１強磁性体と第２強磁性体の少なくと
も一方の上面に強磁性絶縁体を介して、強磁性絶縁体が
直接、接合する第１強磁性体又は第２強磁性体の磁化方
向を制御する磁化方向制御層を設けるという手段を採用
した。

【０００７】この磁化方向制御層としては、交換相互作
用により偏極スピン電子により磁化の向きが変化する希
薄磁性半導体（ＤＭＳ）を用いることができる。稀薄磁
性半導体は、磁気遷移金属イオンと伝導電子との磁気モ
ーメントの交換相互作用が大きい材料であり、２Ｂ族元
素と６Ｂ族元素より構成される化合物半導体、例えばＣ
ｄＴｅ、ＺｎＳｅ等において、２Ｂ族元素の一部を遷移
金属（Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等）に置き換える
ことにより得られる半導体が知られている。具体的に
は、Ｃｄ_1-xＭｎ_xＴｅ、Ｚｎ_1-xＭｎ_xＳｅ、Ｚｎ_1-xＭ
ｎ_xＴｅ等が知られている。

【０００８】又、Ｎｉ−Ｆｅ−シアン錯体を用いても、
偏極スピン電子により磁化の向きを制御することが可能
である。偏極スピン電子を磁化方向制御層に注入する構
成としては、磁化方向制御層にコイル等により磁化の向
きが制御可能な強磁性体電極を用いることで、その磁化
方向に向いたスピン電子をより多く磁化方向制御層に注
入することができる。この電極に偏極率の大きな磁性半
金属を用いれば、磁化方向制御層をより効果的に所定方
向に磁化させることができる。電極の代わりに、強磁性
体又は磁性半金属で形成され、磁化方向が制御可能な細
い針を真空のギャップを介して磁化方向制御層に対向さ
せ、電界放出により偏極スピン電子を磁化方向制御層に
注入するようにしても良い。

【０００９】又、希薄磁性半導体を用いた場合には、円
偏光の回転方向により磁化方向が変化するので、偏極ス
ピン電子の注入に代えて、円偏光をＤＭＳに照射しても
良い。又、強磁性又はフェリ磁性絶縁体は磁化方向制御
層の磁場を交換相互作用により第２強磁性体に伝達させ
るものであり、例えば、鉄ガーネット，Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂，
Ｙ_3-xＢｉ_xＦｅ₅Ｏ₁₂等を用いることができる。又、強
磁性体の表面のみを酸化処理して酸化膜を形成し、第１
又は第２強磁性体と磁化方向制御層とを電気的に絶縁し
ても良い。

【００１０】

【作用及び発明の効果】磁化方向制御層に偏極スピン電
子を注入することで、磁化方向制御層は所定方向に磁化
される。尚、偏極スピン電子はアップスピンとダウンス
ピンとで一方のスピンの数が多い状態の電子をいう。こ
の偏極スピン電子により所定方向に磁化された磁化方向
制御層は強磁性絶縁体を介して交換相互作用により、強
磁性絶縁体が直接、接合する第１強磁性体又は第２強磁
性体を所定方向に磁化させる。このようにして、第１強
磁性体又は／及び第２強磁性体の磁化方向を磁化方向制
御層に注入される偏極スピン電子のスピンの向きにより
制御することが可能となる。このように、意図的に磁化
方向が制御された強磁性体と外部磁場等によって磁化方
向が変化する他の強磁性体とにおいて、磁化の平行、反
平行状態の２状態が形成可能となり、第２強磁性体と第
１強磁性体との間に流れるトンネル電流を検出すること
で、外部磁場の向きを容易に検出することができる。

【００１１】又、希薄磁性半導体を用いた場合には、所
定回転方向の円偏光をＤＭＳに照射することにより、Ｄ
ＭＳを所定方向に磁化させることができる。このように
して、磁化方向制御層により意図的に磁化方向が制御で
きるために、外部磁場の検出、メモリの情報の書き込み
や読み込みの制御が簡単となる。又、光−電気変調が可
能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図１は、本発明の具体的な第１の実
施例に係る強磁性スピントンネル効果素子１００の構造
を示した断面図である。図１に示すように、ガラス基板
１６の上に、銅(Cu)から成る厚さ１００ｎｍの電極１１
が形成されており、その電極１１の上に、Ｆｅ−１．７
ａｔ％Ｒｕ合金から成る厚さ１００ｎｍの第１強磁性薄
膜（第１強磁性体）１２が形成されている。その第１強
磁性薄膜１２の上面には、厚さ１０ｎｍの低分子量の有
機分子材料であるCuフタロシアニンから成る絶縁層１３
が形成されており、その絶縁層１３の上面には、Ｆｅ−
２．０ａｔ％Ｃ合金から成る厚さ１００ｎｍの第２強磁
性薄膜（第２強磁性体）１４が形成されている。さら
に、第２強磁性薄膜１４の上面にはＹ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂で形成
された厚さ１０ｎｍのフェリ磁性絶縁層（強磁性絶縁
体）２１が接合されており、その強磁性絶縁層２１の上
面にＣｄ_1-xＭｎ_xＴｅから成る磁化方向制御層である希
薄磁性半導体層（以下、「ＤＭＳ層」という）２２が接
合されている。又、ＤＭＳ層２２上には、Ｆｅ−１．７
ａｔ％Ｒｕ合金から成る注入電極２３ａ、２３ｂが形成
されている。そして、注入電極２３ａ、２３ｂの上に
は、図２に示すように、フェライトコアを有するコイル
２４ａ、２４ｂが配設されている。

【００１３】次に、この強磁性トンネル効果素子１００
の製造方法について、図１に基づいて説明する。この素
子１００はイオンビーム・スパッタリング法により各層
を順に蒸着することにより製造された。なお、スパッタ
リングに際にイオンガスとしてはＡｒを用いた。尚、ス
パッタリング装置内のイオンガスの圧力を２．５×１０
^-2Ｐａ、イオンガン加速電圧を１２００Ｖ、イオン電流
を１２０ｍＡ、ターゲット基板間距離を１２７ｍｍとし
た。

【００１４】最初に、基板１０を室温に保ち、基板１６
の上に銅(Cu)をスパッタリングして厚さ１００ｎｍの電
極１１を形成し、この電極１１の上面にＦｅ−１．７ａ
ｔ％Ｒｕ合金をスパッタリングして厚さ１００ｎｍの第
１強磁性薄膜１２を形成した。次に、この第１強磁性薄
膜１２の上面に低分子量の有機分子材料であるＣｕフタ
ロシアニンを抵抗加熱蒸着して１０ｎｍの絶縁層１３を
形成し、この絶縁層１３の上面にＦｅ−２．０ａｔ％Ｃ
合金をスパッタリングして厚さ１００ｎｍの第２強磁性
薄膜１４を形成した。さらに、この第２強磁性薄膜１４
の上面にＹ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂をスパッタリングして厚さ１０ｎ
ｍのフェリ磁性絶縁層２１を形成し、その上面にスパッ
タリングによりＣｄ_1-xＭｎ_xＴｅから成るＤＭＳ層２２
を１００ｎｍ形成した。

【００１５】次に、ドライエッチングによりＤＭＳ層２
２と強磁性絶縁層２１の一部をエッチングすることによ
り第２強磁性薄膜１４の一部１４ａを露出させ、さら
に、ドライエッチングにより第２強磁性薄膜１４、絶縁
層１３、第１強磁性薄膜１２の一部をエッチングするこ
とにより電極１１の一部１１ａを露出させた。そして、
第２強磁性薄膜１４の露出面１４ａ上に銅を蒸着して電
極１５を形成した。次に、ＤＭＳ層２２の一部にＦｅ−
１．７ａｔ％Ｒｕ合金をスパッタリングして注入電極２
３ａ、２３ｂを形成し、図２に示すように、その上にコ
イル２４ａ、２４ｂを配設した。

【００１６】このように形成された素子１００におい
て、コイル２４ａ、２４ｂに直流電流を流すことで、注
入電極２３ａ、２３ｂを上下方向（ｘ軸方向）に磁化さ
せることができる。この磁化した状態で、注入電極２３
ｂが正電位、注入電極２３ａが負電位となるように電源
３１を接続すれば、注入電極２３ａからその磁化の向き
を向いたスピンを有する電子を多数電子、逆向きのスピ
ンを有した電子を少数電子としてＤＭＳ層２２に注入す
ることができる。そして、この注入された多数電子のス
ピンの向きに応じてＤＭＳ層２２は上下方向に磁化され
る。

【００１７】このＤＭＳ層２２の磁場は、交換相互作用
により、強磁性絶縁層２１を介して第２強磁性薄膜１４
を磁化させる。この状態で、電極１５と電極１１間に電
圧Ｖを印加して、第２強磁性薄膜１４と第１強磁性薄膜
１２との磁化の向きの関係が平行、反平行と変化するこ
とで、流れる電流Ｉの大きさを変化させることができ
る。このトンネル電流Ｉの変化は、抵抗Ｒ１の電圧降下
に変換して検出され、トランジスタTr１をトンネル電流
Ｉの大きさに応じてオンオフさせることで、トランジス
タTr１のコレクタ電圧により出力信号Ｓ１として、外部
に出力することができる。

【００１８】次に、上記の強磁性スピントンネル効果素
子１００の動作原理について説明する。ａ）磁化の向きが平行の場合。第１強磁性薄膜１２と第２強磁性薄膜１４とが同一方向
に磁化された場合について説明する。図３（ａ）は、縦
軸が電子のエネルギーを示し、横軸が電子エネルギーＥ
における電子の状態密度D(E)を表している。良く知られ
たように、ある状態における電子の占有確率はエネルギ
ーＥに関してフェルミ・ディラックの分布関数F(E)に従
って変化する。従って、エネルギーＥにおける電子密度
N(E)は、D(E)・F(E)で与えられる。

【００１９】又、良く知られたように、任意の温度で、
電子の占有確率が1/2 であるエネルギーＥはフェルミレ
ベルfeと言われ、物質中の電子の伝導挙動は、このフェ
ルミレベルfeに対して微小幅Δ内に存在する電子の挙動
により概ね決定される。

【００２０】次に、第１強磁性薄膜１２が図１に示す基
準軸ｘの正の向きに磁化されたとする。強磁性体の伝導
帯は交換相互作用によりアップスピンとダウンスピンの
２つの伝導帯３１、３２に分離する。図３（ａ）は、こ
の伝導帯３１、３２の分離の様子を示している。電子エ
ネルギーレベルが低い伝導帯３１に存在する電子はアッ
プスピン、電子エネルギーレベルが大きい伝導帯３２に
存在する電子はダウンスピンと定義される。即ち、強磁
性体の磁化Ｍの向きと電子の角運動量の向きが平行にな
る電子はアップスピン、強磁性体の磁化Ｍの向きと電子
の角運動量の向きが反平行になる電子はダウンスピンと
定義される。

【００２１】又、第２強磁性薄膜１４が図１に示す基準
軸ｘの正の向き、従って、第１強磁性薄膜１２の磁化の
向きに平行に磁化されたとする。エネルギーレベルＥに
対する電子の状態密度D(E)の分布曲線は、第１強磁性薄
膜１２のそれと全く等しくなる。よって、図３（ａ）に
示すように、アップスピンに対して伝導帯４１、ダウン
スピンに対して伝導帯４２の２つの伝導帯に分離したエ
ネルギー状態図を描くことができる。

【００２２】エネルギーレベルＥでのスピン偏極率Ｐ
(E) は、アップスピンの電子密度をN₊(E) 、ダウンスピ
ンの電子密度をN_-(E) をとすると以下のように定義する
ことができる。

【数１】Ｐ(E) ＝（N₊(E) −N_-(E) ）／（N₊(E) ＋N_-(E) ） …（１）

【００２３】ここで用いられている強磁性体は式（１）
で定義されるスピン偏極率Ｐ(E) がフェルミレベルfeで
０．２〜０．５程度の物質である。よって、アップスピ
ン電子がダウンスピン電子よりも多く存在しており、そ
れはフェルミレベルfe付近においても同じである。よっ
て、伝導帯３１、３２と、４１、４２とフェルミレベル
feとの関係は図３（ａ）に示すような関係となる。

【００２４】今、電極１５側が正、電極１１側が負とな
るように電圧を印加したとする。電子が、第１強磁性薄
膜１２から第１強磁性薄膜１４の側へ絶縁層１３を介し
てトンネルする時、スピン角運動量が保存され、従っ
て、スピンの向きも保存されるために、第１強磁性薄膜
１２中のアップスピンがとり得るエネルギーレベルが第
２強磁性薄膜１４にも存在しなければならない。第１強
磁性薄膜１２と第２強磁性薄膜１４の磁化Ｍの向きが平
行の場合には、図３（ａ）に示すように、アップスピン
の伝導帯３１、４１及びダウンスピンの伝導帯３２、４
２の中にフェルミレベルfeが存在するので、第１強磁性
薄膜１２中のフェルミレベルfeにあるアップスピン電子
は、第２強磁性薄膜１４中のアップスピン電子の伝導帯
４１において１／２の割合で満たされた同一エネルギー
レベルに遷移することができる。同様に、ダウンスピン
電子も、第２強磁性薄膜１４中のダウンスピン電子の伝
導帯４２において、１／２の割合で満たされた同一エネ
ルギーレベルに遷移することができる。第１強磁性薄膜
１２と第２強磁性薄膜１４とにおけるフェルミレベルfe
での状態の占有確率は共に１／２であり、状態密度は各
電子数に比例すると考えられるから、アップスピン電子
とダウンスピン電子は、それぞれ、各電子数の２条に比
例した数の電子がトンネル電流に寄与する。従って、磁
化の向きが平行の時の抵抗値を小さくすることができ
る。

【００２５】ｂ）磁化の向きが反平行の場合第１強磁性薄膜１２と第２強磁性薄膜１４とが反対向き
に磁化された場合について説明する。第１強磁性薄膜１
２が図１に示す基準軸ｘの正の向きに磁化されたとす
る。これは、磁化の向きが平行の場合のときに示した第
１強磁性薄膜１２の磁化の状態と同じであるので、この
時の第１強磁性薄膜１２の伝導帯３１、３２のエネルギ
ー状態図は、図３（ａ）に示すものと全く同じに描くこ
とができる。

【００２６】一方、第２強磁性薄膜１４は図１に示す基
準軸ｘの負の向き、従って第１強磁性薄膜１２と反平行
に磁化されたとする。この時も、交換相互作用によりエ
ネルギーレベルの縮退が解けて、第２強磁性薄膜１４の
磁化の向きと平行なスピンを持つ電子の伝導帯４１のエ
ネルギー状態図は、図３（ｂ）に示すようになる。

【００２７】しかし、第１強磁性薄膜１２と第２強磁性
薄膜１４とにおいて、電子のスピンの向きの基準を異な
る方向に取ると不便であるので、第１強磁性薄膜１２の
内部磁場Ｈ、即ち、基準軸ｘの正方向を統一した基準方
向と定める。そうすると、第２強磁性薄膜１４におい
は、その磁化Ｍの向きと反平行のスピンがアップスピ
ン、その磁化Ｍの向きと平行のスピンがダウンスピンと
なる。このようにして、図３（ｂ）に示すように、エネ
ルギー軸に対して右側が共通したアップスピン、左側が
共通したダウンスピンのエネルギー状態図となる。

【００２８】電子が第１強磁性薄膜１２から第２強磁性
薄膜１４へ絶縁層１３を介してトンネルする時は、スピ
ンの向きが保存されるために、第１強磁性薄膜１２中の
アップスピンの電子がトンネルする場合には第１強磁性
薄膜１２中のアップスピンが取り得るエネルギーレベル
が第２強磁性薄膜１４にも存在しなければならない。フ
ェルミレベルfeは、第１強磁性薄膜１２と第２強磁性薄
膜１４とにおけるアップスピンの伝導帯３１、４１とダ
ウンスピンの伝導帯３２、４２の中にフェルミレベルfe
が存在する。又、伝導帯３１、４１とにおいて、フェル
ミレベルfeにおける状態密度の比は、それぞれの電子数
の比程度と考えられるから、図３（ａ）の場合に比べ
て、伝導帯３１のアップスピンのトンネルする電子数
は、伝導帯３１のアップスピンの電子数と伝導帯４１の
アップスピンの電子数の積に比例し、伝導帯３２のダウ
ンスピンのトンネルする電子数は、伝導帯３２のダウン
スピンの電子数と伝導帯４２のダウンスピンの電子数の
積に比例すると考えられる。よって、この場合にトンネ
ル電流は図３（ａ）の場合に比べて小さくなり、抵抗値
が大きくなる。

【００２９】同一フェルミレベル間を遷移する電子数
は、そのレベルの電子数と遷移先のレベルの空状態数と
の積に比例し、空状態数はそのフェルミレベルの電子数
にも比例する。よって、トンネル電流に寄与するアップ
スピンの電子数は、伝導帯３１と伝導帯４１に存在する
アップスピンの電子数の積、ダウンスピンの電子数は、
伝導帯３２と伝導帯４２に存在するダウンスピンの電子
数の積に比例する。よって、この強磁性スピントンネル
効果素子の抵抗変化率ＭＲは、偏極率を用いて次のよう
に表すことができる。

【００３０】

【数２】ＭＲ＝（Ｒ_ap−Ｒ_p）／Ｒ_p＝２Ｐ₁Ｐ₂／（１−Ｐ₁Ｐ₂） …（２）ただし、Ｒ_apは反平行時の抵抗、Ｒ_pは平行時の抵抗、
Ｐ₁は第１強磁性体のスピン偏極率、Ｐ₂は第２強磁性
体のスピン偏極率である。尚、上記の実施例では、第２
強磁性薄膜１４を第１強磁性薄膜１２に対して正電位と
したが、逆方向に電圧を印加しても、逆方向にトンネル
電流が流れるだけで、上記の議論はそのまま成立する。

【００３１】上記の磁化の平行時のトンネル電流の原理
で説明したことは、注入電極２３ａからＤＭＳ層２２へ
の電子の注入においても同様に成立する。即ち、図３
（ａ）において、注入電極２３ａのアップスピン電子の
伝導帯が３１、ダウンスピン電子の伝導帯が３２、ＤＭ
Ｓ層２２のアップスピン電子の伝導帯が４１、ダウンス
ピン電子の伝導帯が４２となる。よって、注入電極２３
ａからはアップスピン電子の方がダウンスピン電子より
もより多く注入されることが理解される。

【００３２】上記第１実施例において、保持力の小さな
強磁性体（例えば、第１強磁性体）として、Fe、Ni、Co
元素のうち２種以上を含みCo元素が４０at％以下のも
の、保持力の大きな強磁性体（例えば、第２強磁性体）
として、Co、Co-Sm 、Co-Cr-Fe,Co-Pt、Co-Pt-Ni、Co-P
t-V 等のCo元素を２０at％以上含む材料を用いることが
できる。又、上記第１実施例において、強磁性体はスピ
ン偏極率が０．２〜０．５程度の鉄合金を用いている
が、スピン偏極率が１となる強磁性半金属を用いてもよ
い。強磁性半金属としては、NiMnSb、CoMnSb、FeMnSb、
CrO₂、La_1-xCa_xMnO₃等を採用することができる。その
他、一般的に、Ｃ１ｂ型の結晶構造を有するホイスラー
合金、Mnを含む合金を採用することができる。これらの
材料を強磁性体に用いることにより、抵抗変化率を理想
的には無限大まで向上させることができる。

【００３３】第１実施例の第１強磁性薄膜１２と第２強
磁性薄膜１４を共に磁性半金属とした場合の強磁性スピ
ントンネル効果素子１００の動作原理について説明す
る。ａ）磁化の向きが平行の場合強磁性半金属は式（１）で定義されるスピン偏極率がフ
ェルミレベルfeで１の金属であり、アップスピンの電子
数Ｎ₊がダウンスピンの電子数Ｎ_-に比べて十分大きい
場合に、スピン偏極率は十分に１に近くなる。よって、
強磁性半金属では、アップスピンが多数電子となり、フ
ェルミレベルfeの付近にはダウンスピンの状態が存在し
ないので、第１強磁性薄膜１２の２つの伝導帯３１、３
２と第２強磁性薄膜１４の２つの伝導帯４１、４２とフ
ェルミレベルfeとの関係は、図４（ａ）に示すようにな
る。

【００３４】図４（ａ）に示すように、アップスピンの
伝導帯３１、４１の中にフェルミレベルfeが存在するの
で、第１強磁性薄膜１２中のフェルミレベルfeにあるア
ップスピン電子は、第２強磁性薄膜１４中の１／２の割
合で満たされた同一エネルギーレベルに遷移することが
できる。第１強磁性薄膜１２と第２強磁性薄膜１４とに
おけるフェルミレベルfeでの状態の占有確率は共に１／
２であり、アップスピン電子は、この電子数の２乗に比
例した数だけトンネルでき、低い抵抗率で絶縁層１３を
トンネル伝導することができる。これにより、磁化の向
きが平行の時の抵抗値を極めて小さくすることができ
る。

【００３５】ｂ）磁化の向きが反平行の場合図４（ａ）の伝導帯モデルを、磁化の向きを反平行とし
た図３（ｂ）の関係に適用することで、図４（ｂ）のモ
デルを得ることができる。図４（ｂ）に示すように、第
１強磁性薄膜１２ではアップスピン電子の伝導帯３１に
フェルミレベルfeが存在しているが、第２強磁性薄膜１
４ではアップスピン電子の伝導帯４１にはフェルミレベ
ルfeが存在せずアップスピン電子はフェルミレベルfeよ
り高いエネルギーにしか存在し得ない。よって、アップ
スピン電子は第１強磁性薄膜１２から第２強磁性薄膜１
４に向けて絶縁層１３をトンネル伝導することはできな
い。これにより、磁化Ｍの向きが反平行のときには抵抗
値を大きくすることができる。

【００３６】上記のように、両方の強磁性体を強磁性半
金属とすることにより、磁化Ｍの向きが平行のときには
抵抗が小さく、磁化Ｍの向きが反平行のときには抵抗が
非常に大きくなるので、抵抗変化率ＭＲが大きくなるこ
とが分かる。また、抵抗変化率ＭＲは式（２）で表され
るので、この式に従って考えると、両方の強磁性体のス
ピン偏極率を１に近づけると抵抗変化率が大きくなるこ
とが分かるので、強磁性体としてスピン偏極率が１であ
る物質である強磁性半金属を用いることによって抵抗変
化率を無限大とすることができる。また、強磁性半金属
を２つの強磁性体の何れか一方だけに使用しても、式
（２）より明らかなように、両方の強磁性体を強磁性半
金属で形成した場合よりも抵抗変化率は小さくなるが、
両方の強磁性体をスピン偏極率が０．２〜０．５程度の
強磁性体で形成した場合よりは抵抗変化率を大きくする
ことができる。

【００３７】又、注入電極２３ａ、２３ｂを強磁性半金
属とすることで、アップスピン電子のみをＤＭＳ層２２
に注入することができ、その磁化効率を向上させること
ができる。即ち、上述した図４（ａ）において、注入電
極２３ａでは、アップスピン電子しかフェルミレベルfe
に存在しないので、アップスピン電子しかＤＭＳ層２２
に注入されない。この結果、注入電子数に対するＤＭＳ
層２２の磁化割合を増大させることができる。

【００３８】次に、第２実施例について説明する。本実
施例の素子２００は、図５に示すように、第１実施例と
同様に、ＤＭＳ層２２まで形成するが、本実施例では注
入電極２４ａ、２４ｂが存在しない。ＤＭＳ層２２の上
面と対向して、Ｆｅ−２．０ａｔ％Ｃ合金により形成さ
れた走査顕微鏡と同様な極細い針２５が真空状態におい
て、間隙ｄだけ隔てて配設されている。この針２５には
コイル２５１が巻かれており、針２５をｘ軸方向に磁化
させることができる。そして、その間隙ｄにおいて、針
２５に対して電子を電界放出させるためのグリッド２５
２が配設されている。

【００３９】上記の素子２００において、ＤＭＳ層２２
を針２５に対して電源Ｅ１により正電位とし、グリッド
２５２を針２５に対して電源Ｅ２（Ｅ２＞Ｅ１）により
正電位とする。これにより、針２５から電子が電界放出
され、ＤＭＳ層２２に注入する。多数電子のスピンの向
きはコイル２５１へ流れる電流の向きを制御することで
変化させることができる。この時、針２５からＤＭＳ層
２２への電子の注入に関しては、上述した図３（ａ）の
伝導帯モデルが成立する。又、針２５を磁性半金属で構
成することで、ＤＭＳ層２２の磁化効率を高めることが
でき、針２５からＤＭＳ層２２への電子の注入に関して
は、上述した図４（ａ）の伝導帯モデルが成立する。

【００４０】次に、第３実施例について説明する。本実
施例の素子３００は、図６に示すように、第１実施例と
同様に、ＤＭＳ層２２まで形成するが、本実施例では注
入電極２４ａ、２４ｂが存在しない。ＤＭＳ層２２に円
偏光を照射することで、ＤＭＳ層２２を円偏光の回転方
向に従ってｘ軸の正、負の向きに磁化させることができ
る。その他の構成、作用は第１実施例と同様である。

【００４１】この素子３００では、第１強磁性薄膜１１
の磁化の向きを固定しておくことで、トンネル電流Ｉの
大きさをＤＭＳ層２２に入射する円偏光の回転方向に応
じて変化させることができる。これにより光−電流変調
素子が得られる。

【００４２】上記の第１〜第３実施例の素子を次のよう
に応用した素子を形成することができる。即ち、第１〜
第３実施例の構造の素子を１区画として、この素子を平
面上に多数配列し、各区画の第１強磁性薄膜２２を磁化
して、その磁化の向きにより「０」、又は、「１」のデ
ータを記憶させる。そして、各区画毎にＤＭＳ層２２の
磁化の向きを反転させ、トンネル電流が大きくなる方の
磁化の向きにより第１強磁性薄膜２２の磁化の向き、即
ち、記憶情報を読み取ることができる。

【００４３】又、ＤＭＳ層２２の磁化の向きを注入電流
により固定し、第１強磁性薄膜１１の磁化の向きを外部
磁場により変化させることで、外部磁場の向きを検出す
ることができる。又、ＤＭＳ層２２の磁化の大きさは、
注入電流の大きさにより制御可能であるので、第２強磁
性薄膜１４のバイアス磁場を変化させることができる。
よって、トンネル電流が急激に増大する時のＤＭＳ層２
２への注入電流の大きさにより外部磁場Ｈの大きさを検
出することができる。

【００４４】上記全実施例において、磁化の向きは各層
の面に平行でも垂直でも何方でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る強磁性トンネル効果
素子の断面図

【図２】上記素子のＤＭＳ層上の構成を示した平面図。

【図３】強磁性スピントンネル効果素子における強磁性
トンネル効果を説明するためのエネルギー状態図

【図４】強磁性スピントンネル効果素子に強磁性半金属
を用いた場合の強磁性トンネル効果を説明するためのエ
ネルギー状態図

【図５】本発明の第２実施例に係る強磁性トンネル効果
素子の断面図

【図６】本発明の第３実施例に係る強磁性トンネル効果
素子の断面図

【符号の説明】

１１、１５…電極１２…第１強磁性薄膜（第１強磁性体）１３…絶縁層１４…第２強磁性薄膜（第２強磁性体）２１…強磁性絶縁層（強磁性絶縁体）２２…ＤＭＳ層（希薄磁性半導体）２３ａ、２３ｂ…注入電極２４ａ、２４ｂ…コイル２５…針２５１…コイル２５２…グリッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者多賀康訓愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者只野博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者加地徹愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者田中雄一愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者冨田一義愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１強磁性体と第２強磁性体とを絶縁層を
介して対向させ、前記第１強磁性体と前記第２強磁性体
との間の磁化方向の関係によって前記絶縁層を介して流
れるトンネル電流が変化する強磁性スピントンネル効果
を用いた素子において、前記第１強磁性体と前記第２強磁性体の少なくとも一方
の上面に強磁性絶縁体を介して、前記強磁性絶縁体が直
接、接合する前記第１強磁性体又は前記第２強磁性体の
磁化方向を制御する磁化方向制御層を設けたことを特徴
とする強磁性スピントンネル効果素子。