JPH10284765A

JPH10284765A - 電圧駆動型スピンスイッチ

Info

Publication number: JPH10284765A
Application number: JP9102745A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fujimoto; 辰雄藤本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】多層膜の技術磁化操作を膜厚方向に電圧を印
加することによって制御する、従来に無い新しい原理に
基づく電圧駆動型スピンスイッチを提供する。【解決手段】強磁性層３１／非磁性金属層３２／強磁
性層３３からなる三層構造を有する三層膜と、両強磁性
層３１，３３に外部電圧を印加するための電極３４を設
置して電圧駆動型スピンスイッチを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性金属に特有
な磁気伝導現象を応用して、外部磁場印加によらずに膜
厚方向に電圧を印加することによって強磁性多層膜中の
磁化配列を直接的に制御する、電圧駆動型スピンスイッ
チに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１９８９年、フランスのＢａｉｂｉｃｈ
らによって強磁性金属層が非磁性金属層によって隔てら
れた構造を有する金属強磁性多層膜において巨大磁気抵
抗効果（以下、ＧＭＲ効果と略記する）が発見された。
ＧＭＲ効果とは、隣接する強磁性層の磁化の相対的な配
列を外部磁場の印加などによって反平行から平行配列に
強制的に変化させた場合、金属強磁性多層膜の電気抵抗
が著しく減少する現象をいう。その変化率は、多層膜の
構造および膜構成金属元素の種類によっては、従来材で
あるパーマロイ（ＦｅＮｉ系合金）の特性を一桁以上も
上回ることが報告されている。ＧＭＲ効果を応用するこ
とにより、磁場の微弱な変化を電圧出力として高感度で
検出できるため、その発見以来様々な用途に供されてお
り、近年では次世代の磁気ディスクドライブ（ＨＤＤ）
用の磁気ヘッド材として実用化されつつあることは周知
の事実である。ＧＭＲ効果の物理的メカニズムの詳細に
ついては、未だ学会においても議論の途上であり、完全
に解明されるに至っていない。現時点においては、電気
伝導が伝導電子のスピンの方向に依存するという、強磁
性金属特有の伝導特性が密接に絡んだ現象として定性的
に理解されている。

【０００３】磁気ヘッド等の各種磁場センサーへの応用
以外にも、ＧＭＲ効果、あるいはその発生原因と考えら
れているスピン依存電気伝導特性を利用して各種の磁性
固体デバイスを実現しようとする試みが近年活発に行わ
れている。その代表例として、ＧＭＲメモリー（特開平
６−２４３６７３号公報）や、スピントランジスター
（例えば、日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．１９（１９９
５）ｐ．６８４）などがあげられる。その概略について
以下に簡単に説明する。

【０００４】先ず、前者のＧＭＲメモリーについて、図
１に入江らによって提案されているメモリーの概略図を
示す（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，２４（１９
９５）ｐ．Ｌ４１５）。記録保持部分は基本的には「強
磁性層／非磁性層／強磁性層」の三層構造膜（図１中の
１４、１５、及び１６）により構成され、両強磁性層に
は保磁力が異なる異種の強磁性金属が使用されている。
先ず情報の書き込み方法であるが、ワードライン１１
に、両強磁性層の保磁力を越える大きさの誘導磁場を発
生しうる電流を流すことによって行われる。具体的に
は、図１の場合、紙面に対して垂直上向き、あるいは下
向きに電流を流し、ワードラインの周囲に発生する環状
の誘導磁場を利用して、高保磁力層の磁化を右向きある
いは左向きに磁化することで行われる。記録情報の内容
は高保磁力層の磁化方向によって定義され、例えば右向
きが「１」、左向きが「０」となる。一方、記録情報の
読み出しには、ＧＭＲ効果が利用される。すなわち、ワ
ードライン（１１）に交流電流を流し、かつその交流電
流の最大振幅値が、高保磁力強磁性層の保磁力には及ば
ないが低保磁力強磁性層の保磁力を越える誘導磁場が発
生するようにする。この場合、低保磁力層の磁化のみが
誘導磁場に追従して反転するため、記録内容、すなわち
高保磁力層の磁化方向によって位相が１８０度異なる出
力電圧が、別途に設けられたセンスライン１２を通して
得られる。記録内容はこの出力電圧の位相差によって判
別される。

【０００５】次に、図２に、Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎによっ
て提案されているスピントランジスターについて、その
概略図を示す（Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６０（１９９３）
ｐ．３２０）。前述のＧＭＲメモリーと同様に、基本構
造は「強磁性層／非磁性層／強磁性層」の三層膜となっ
ており（図２中の２１、２２、および２３）、各層には
別個に配線端子が繋がれており半導体バイポーラートラ
ンジスターと同様な配線構造を取っている。一般的に、
強磁性体内部では伝導電子は、物質によって程度は異な
るものの、そのスピンの方向が特定方向に揃っているこ
とが知られている。このような現象はスピン偏極と呼ば
れ、例えば鉄の場合では、スピン偏極度は約４４％に達
し、その偏極の方向はＭａｊｏｒｉｔｙスピンと平行で
あることが実験的に明らかにされている（Ｐ．Ｍ．Ｔｅ
ｄｒｏｗら、ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ７
（１９７３）ｐ．７０９９）。

【０００６】いま、三層膜の膜厚方向に沿って電圧を印
加すると、強磁性層（エミッター；図２中の２１）内部
の、スピンの方向がほぼ揃った電子群が非磁性層（ベー
ス；２２）内へ侵入してくる。すなわち、スピン偏極電
流がエミッターよりベースへと注入されることになる。
ここで他方の強磁性層（コレクター；２３）の磁化がエ
ミッターの磁化と平行な場合には、スピン偏極電流はコ
レクターへ侵入することが可能であり、従って電流は三
層膜中をエミッターからコレクター（２４→２６）へと
通過する。しかしながら、反平行に配列する場合には電
子はコレクターへ侵入することが困難になり、このため
電流はベース端子へ流れ出る（２４→２５）。すなわち
磁化の相対的な配列を変化させることによって電流の方
向が変化する、いわゆるトランジスター効果が発現す
る。素子がすべて金属で構成されている本トランジスタ
ーは、電子密度が半導体に比べ４桁程高いことや熱伝導
率が大きいこと等々の金属特有のメリットを利用できる
ことから、既存半導体デバイスよりも高度に集積化でき
る可能性が指摘されており、スピントランジスターが大
きく期待される要因の一つとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上の各種磁性固体デ
バイスにおいては、隣接する強磁性層の磁化配列を、例
えば反平行から平行配列へと変化させる、いわゆる技術
磁化操作がデバイス動作の基本要素となっていることは
明らかである。ところで電子機器の高性能化や小型化に
伴いこれらのデバイスも微小化、集積化する必要があ
る。そのような場合には当然のことながら、磁性固体デ
バイスを構成する多層膜本体も微細加工され、例えばサ
ブミクロンサイズ程度に微細化された多数の微小な多層
膜が単一デバイスの中に整然と並べられることになり、
デバイス中の特定の微小多層膜の磁化状態を選択的にか
つ正確に制御する方法を確立する必要が生じる。

【０００８】従来では、基本的に技術磁化操作は外部磁
場を印加することによって行われていた。例えば、前述
のＧＭＲメモリーの場合では、デバイス内に縦横に張り
巡らされたワードラインに所定の電流を流し、その周囲
に発生する誘導磁場を利用することで多層膜の磁化状態
を制御していた。しかしながら、磁場は元来、空間発散
性が強いために微小空間中に精度よく収束させることは
一般に困難であり、隣接する微小多層膜の磁化状態を変
化させてしまうなど、デバイスの誤動作を招く可能性が
ある。このような問題はスピントランジスターの場合に
ついても当てはまる。すなわち、トランジスター効果を
誘起させるためには、素子に強磁性層の磁化状態を変化
させる必要があるが、微細化された素子内の微小スピン
トランジスターを外部磁場の印加によって選択的に制御
することは、前記と同様、極めて困難である。すなわち
磁性固体デバイスにおいては、外部磁場印加による磁化
制御には、デバイスの集積化を実現する上では限界があ
る。

【０００９】従って、磁性固体デバイスの高度集積化を
デバイスの信頼性を損なわずに実現するために、多層膜
の技術磁化を操作する、外部磁場印加によらない、新し
い方法が望まれていた。

【００１０】本発明は上記従来例中に記載された問題点
を克服することを鑑み為されたものであり、多層膜の技
術磁化操作を膜厚方向に電圧を印加することによって制
御する、従来に無い新しい原理に基づく電圧駆動型スピ
ンスイッチを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の電圧駆動型スピ
ンスイッチは、強磁性層、非磁性金属層、強磁性層から
なる三層構造を有し、該両強磁性層に電圧を印加するた
めの電極部が設けられて構成されている。なお、前記電
極部の構造は特定されず、例えば薄膜形状であってもよ
い。

【００１２】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、非磁性層の膜厚が５〜１５００オングス
トロームであり、強磁性層の膜厚が５〜１０００オング
ストロームである。

【００１３】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、非磁性層の膜厚が５〜３００オングスト
ロームであり、強磁性層の膜厚が５〜１００オングスト
ロームである。

【００１４】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、非磁性層の膜厚が３００〜１５００オン
グストロームであり、強磁性層の膜厚が１００〜１００
０オングストロームである。

【００１５】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、強磁性層膜が、鉄、コバルト、ニッケ
ル、あるいはそれらの少なくとも一種からなる強磁性金
属で構成され、非磁性層膜が銅、金、銀、あるいはそれ
らの少なくとも一種からなる非磁性金属で構成されてい
る。

【００１６】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、強磁性層膜が、強磁性層膜が主としてＥ
ｕＯで表記される磁性半導体で構成され、非磁性層膜が
銅、金、銀、あるいはそれらの少なくとも一種からなる
非磁性金属で構成されている。

【００１７】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、強磁性層膜が、鉄、コバルト、ニッケ
ル、あるいはそれらの少なくとも一種からなる強磁性金
属で構成され、非磁性層膜が銅、金、銀以外の非磁性遷
移金属の、少なくとも一種から構成される電気伝導性金
属からなる。

【００１８】本発明の電圧駆動型スピンスイッチは、強
磁性層、非磁性金属層、強磁性層、および反強磁性層の
４層構造を有し、双方の前記強磁性層に電圧を印加する
ための電極部が設けられて構成されている。

【００１９】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの一態
様においては、反強磁性層膜がＦｅＭｎあるいはＮｉＯ
のいずれかからなる。

【００２０】本発明者らは、上述の多層構造膜におい
て、該両強磁性層間に所定の外部電圧を印加することに
よって、両強磁性層間に働く層間交換結合の強さを制御
できることを見いだした。特に、非磁性層の膜厚を調整
することにより、層間交換結合の符号が逆転し、三層膜
の磁化状態が電圧印加前後で反転する、すなわち平行配
列から反平行配列、あるいはその逆の変化が実現でき
る。このように、電圧印加等々の外部作用によって、多
層膜中の相対的な磁化配列が変化する素子を一般にスピ
ンスイッチと呼ぶが、ここでは該両強磁性層間に働く層
間交換結合の強さが変化することも含めて、スピンスイ
ッチを広義に定義することにする。従来では多層膜にお
いては、主として外部磁場の印加によって磁化反転を実
現していたが、本発明により外部電圧の印加によって駆
動する、全く新しい電圧駆動型スピンスイッチが実現さ
れた。このようなスピンスイッチを使用することによ
り、各種磁性固体デバイス、あるいは強磁性体を用いる
各種デバイスにおいて、磁性体の磁化状態を制御するた
めの外部磁場印加を行う必要がなくなり、デバイス動作
の信頼性を損なうことなく高度に集積化を実現すること
が可能になる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の電圧駆動型スピンスイッ
チの構成要件について以下に述べる。図３に、その概略
図を示す。電圧駆動型スピンスイッチは、基本的には
「強磁性層／非磁性金属層／強磁性層」からなる三層構
造（図３中の３１、３２、および３３）を有する三層膜
において、両該強磁性層に外部電圧を印加するための電
極（３４）を設置した構造を持つ。電極は薄膜状に強磁
性層面上に設置されていてもよい。

【００２２】また、一方の強磁性層の磁化を固定して他
方の強磁性層の磁化のみをスイッチさせる目的から、一
方の強磁性層にＦｅＭｎあるいはＮｉＯ等の反強磁性層
を隣接させ、該強磁性層の磁化をピン止めしてもよい。
これは、反強磁性体には、隣接する強磁性層の磁化を強
くピン止めする作用があることを利用するものである。
この場合、電圧駆動型スピンスイッチの基本構造は「強
磁性層／非磁性金属層／強磁性層／反強磁性層」の四層
構造からなるが、スピンスイッチとしての基本動作は前
述の三層構造スピンスイッチと何等変わらない。ただし
反強磁性体が絶縁体の場合には端子を直下の強磁性層に
接続させる配線処置が必要である。

【００２３】次に、このような電圧駆動型スピンスイッ
チを構成する各層の要件について述べる。先ず、強磁性
層であるが、鉄、ニッケル、あるいはコバルトからなる
ことが望ましいが、それらの組み合わせ、あるいはそれ
らの少なくとも一種からなる電気伝導性強磁性金属であ
ってもよい。また、後述するように、内部の伝導電子の
偏極度が大きな磁性物質を強磁性層に用いることによ
り、スイッチ効果を向上することができる。磁性半導体
であるＥｕＯでは伝導電子の偏極度は８０％に及ぶこと
が知られており、このような磁性半導体で強磁性層を構
成してもよい。強磁性層の厚さは少なくとも５オングス
トローム以上１０００オングストローム以下、望ましく
は５オングストローム以上１００オングストローム以下
である必要がある。５オングストローム未満では強磁性
が不安定化してしまう。また１０００オングストローム
を越えるとスピンスイッチ現象が良好に発現しない。次
に非磁性層であるが、銅、銀または金、あるいはそれら
の少なくとも一種からなる電気伝導性非磁性金属から構
成されることが望ましいが、モリブデンやクロムなどの
電気伝導性を持つ非磁性遷移金属であってもよい。非磁
性層の厚さは５オングストローム以上１５００オングス
トローム以下、好ましくは５オングストローム以上３０
０オングストローム以下である必要がある。５オングス
トローム未満では強磁性層間の強い交換相互作用のため
に該両層の磁化は強く平行に結合し、本効果が現れな
い。また１５００オングストロームを越えると、スピン
拡散長を越えてしまうために良好なスイッチ効果が現れ
ない。

【００２４】本実施形態の電圧駆動型スピンスイッチ
は、先ず、通常のスパッタ法、ＭＢＥ蒸着法、あるいは
レーザーアブレーション法などの乾式製膜法によって前
述の三層膜を作製し、しかる後にリフトオフ、あるいは
乾式エッチング等のような公知となっている方法（例え
ば特開平７−４５４３０や特開平７−１２４４９等）に
よって所望の構造を付与することにより作製することが
できる。また、三層膜は電解メッキ等々の湿式製膜法に
よって作製してもよい。

【００２５】従来の技術の項で述べたＧＭＲメモリー
（図１）において、記録保持部分である三層膜を本発明
の電圧駆動型スピンスイッチで置き換えることにより、
電圧を印加することによって記録状態を制御することが
可能になる。すなわち、誘導磁場による技術磁化操作が
不要になり、メモリーの高度集積化が容易になると同時
に素子動作の信頼性を向上することができる。

【００２６】図４に、本発明の電圧駆動型スピンスイッ
チを用いたそのようなメモリーの具体的応用例を示す。
原理的には、従来のＤＲＡＭ（Dynamic Randam Access
Memory）のキャパシター部分を電圧駆動型スピンスイッ
チに置き換え、さらに記録内容読み取り用の電気配線
（コラムライン２：図４中の４３）を付与した構造をと
っている。また、三層膜中の非磁性層の膜厚は、該両強
磁性層の磁化配列が電圧印加後に反平行に変化するよう
に設計しておくものとする。

【００２７】記録の書き込みを行うには、先ず、予め素
子全体に十分に大きな磁場を印加し、素子中の全ての三
層膜素子の磁化配列を平行にしておく。次にコラムライ
ン１（図４中の４１）に電圧を印加してアクセストラン
ジスター（４４）をオンにし、センスライン（４２）に
電圧を印加する。これにより、所望の三層膜のみが反平
行に磁化され、記録が書き込まれたことになる。

【００２８】一方、記録の読み取りを行うには、アクセ
ストランジスター（４４）をオフにし、コラムライン２
（４３）に記録読み取り用の微弱電流を流して三層膜の
出力電圧値を読み取ることにより行う。すなわち、該両
強磁性層の磁化の相対的配列に依存して三層膜の電気抵
抗が変化するＧＭＲ効果を利用し、コラムライン２（４
３）を通して得られる出力電圧の大小によって記録内容
を区別することができる。このようなメモリーは、一度
だけ書き込み可能なメモリーとして使用できるが、記録
内容の一括消去には強磁性層の保磁力を越える外部磁場
をメモリー全体に印加するだけでよい。半導体フラッシ
ュメモリーやＥＥＰＲＯＭのような半導体メモリーで
は、書き込みのためには素子に高電圧を印加する必要が
あると同時に、書き込みプロセスの繰り返しによる絶縁
破壊が問題になっているが、電圧駆動型スピンスイッチ
を応用した本磁性固体メモリーではそのような問題はな
い。従って、記録の書き込みは原理的には無限回可能で
あるという長所を持つ。

【００２９】また他の応用可能性の例として、Ｄａｔｔ
ａらによって提案されている超高速電界効果型スピント
ランジスターが挙げられよう（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．，５６（１９９０）ｐ．６６５）。その概略図
を図５に示す。本デバイスは、基本的には半導体ヘテロ
接合界面に発生する二次元電子ガスの大きな電子易動度
を利用する超高速電界効果型トランジスターであるが、
ソース（５１）およびドレイン（５２）端子を強磁性体
で構成している点が従来のＦＥＴデバイスと異なってお
り、素子を流れる電流を強磁性体の磁化配列を変化させ
ることによっても制御可能にする、新しいデバイスであ
る。

【００３０】しかしながら、本デバイスでは強磁性端子
の磁化の方向を制御するためにはやはり外部磁場を印加
しなくてはならず、従来の技術において述べたように、
高度集積化された微小デバイス中での磁化の選択的かつ
正確な制御は極めて困難である。これに対し、本発明の
電圧駆動型スピンスイッチを強磁性端子５１あるいは５
２に用いれば、外部電圧印加によって磁化状態を制御す
ることが可能になり、磁場印加で問題になっていた磁場
の空間収束性や隣接素子の誤動作等を考慮する必要がな
い。

【００３１】ここで、本発明の新規性について一言触れ
ておきたい。本発明の電圧駆動型スピンスイッチは、強
磁性層によって非磁性層中に生成するスピン偏極電流を
利用するスピントランジスター（図２）と一見酷似する
ものであるが、該発明は強磁性層の磁化の相対的な配列
によってトランジスター効果が発生することを主眼とす
るものであって、外部電圧による磁化状態の制御を目的
とする本発明とはその内容が明らかに異なるものであ
る。また、外部磁場印加以外の方法による強磁性多層膜
の磁化状態の新制御法として、多層膜面の垂直方向にパ
ルス電流を流すことにより実現できる可能性を示唆する
論文がＳｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉによって近年発表されて
いる（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，Ｊ．Ｍａ
ｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．１５９（１９９６）ｐ．Ｌ１）
が、そこで述べられている方法は、パルス電流を構成す
る電子のスピンと強磁性層の磁気モーメントの間の角運
動量の保存を利用するものであり、明らかに本発明の電
圧駆動型スピンスイッチの動作原理とは異なるものであ
る。

【００３２】すなわち、発明者らの提案する電圧駆動型
スピンスイッチはこれまでにない、全く新しい原理に基
づく、多層膜の磁化制御方法である。

【００３３】次に，電圧駆動型スピンスイッチの動作原
理について述べる。一般的に、強磁性層と非磁性層を交
互に積層した強磁性多層膜においては、非磁性層の膜厚
を数〜数十オングストローム程度に薄くすると、隣接す
る強磁性層間に非磁性層を介して交換結合力が働き、か
つその符号が非磁性層の膜厚に依存して振動する、すな
わち両層の磁化が平行、あるいは反平行に結合する現象
が現れることが知られている（例えば、Ｓ．Ｓ．Ｐ．Ｐ
ａｒｋｉｎら，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６４
（１９９０）ｐ．２３０４）。

【００３４】その物理メカニズムについては多層膜構造
に起因する電子の量子井戸閉じこめ効果、あるいは多層
膜界面でのＲＫＫＹ交換相互作用等によって説明されて
いるが、どちらも理論的にはほぼ同等の結果を与えるこ
とが指摘されている。本発明のスイッチ効果は上述の振
動現象と深く絡むものであり、そのメカニズムは上記の
二理論のどちらでも説明され得る。

【００３５】ここではＲＫＫＹ交換相互作用に基づく観
点から、Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ三層膜を例に取り上げ、以下
に説明する。

【００３６】前述した層間交換結合の振動周期は、該理
論によればＣｕ層のフェルミ面の幾何学的構造から決定
され、その振動周期はフェルミ面を張る波数ベクトルの
中で極値を与えるものの大きさをｋとする場合に、π／
ｋで与えられる。図６（ａ）に電圧無印加時のバルクＣ
ｕのフェルミ面構造の概略図を示した。両スピンの振動
周期を正確に決定するためには、Ｃｕ層のフェルミ面構
造に関する正確な知識が必要であるが、概略して述べる
ならば、例えば（１１１）面方向にエピタキシャル成長
させた三層膜の場合、極値波数ベクトルは図６（ａ）中
に示すｋ_bであり、これから計算される振動周期は９．
４オングストロームである。これは実験値の１０．４オ
ングストロームと比較的よく一致している。

【００３７】ここで、スピンスイッチに電圧を印加する
と、強磁性層内の下向き（Ｍａｊｏｒｉｔｙスピンと平
行）のスピン偏極電子群が非磁性層に注入される。非磁
性層内では元来、スピン偏極状態は平衡状態では存在し
えず、このため注入された電子群には偏極をゼロに戻そ
うとする偏極緩和が起こる。しかしながら、スピン偏極
を緩和するためには、スピン緩和時間程度の時間がかか
るため、結果として非磁性層内に偏極が残った非平衡な
伝導状態が発生する。すなわち、Ｃｕ層内では下向きス
ピン電子の数が増えるために下向きスピンバンドのフェ
ルミレベルが増加し、逆に上向き（Ｍｉｎｏｒｉｔｙス
ピン）スピン電子の数が減少するために上向きスピンバ
ンドのフェルミレベルが減少することになる（例えば、
日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．１９（１９９５）ｐ．６８
４）。このような場合の電子分布は非平衡であり、厳密
な意味に於いては平衡なフェルミ面構造は存在せず、上
述のような極値波数ベクトルを求めることはできない。
しかしながら、Ｃｕ等の非磁性の電気伝導性金属では、
一般にスピン緩和時間は、運動量やエネルギー等の緩和
時間と比較すると極めて長く、このため非磁性層の膜厚
がスピン拡散長か、あるいはそれを越えない範囲に限定
することにより、ほぼ平衡なフェルミ面構造を形成して
いるものと見なすことが可能である。

【００３８】従って、極値波数ベクトルは、図６（ｂ）
に示すように、下向きスピンについて（図６（ｂ）中の
ｋ_b ^down）は小さくなり、また上向きスピンについては
（同、ｋ_b ^up）大きくなる。この図６（ｂ）は、電圧印
加後銅のフェルミ面構造を示しており、ここで、実線は
下向きスピンの、また一点鎖線は上向きスピンのフェル
ミ面を指す。破線は電圧無印加時のフェルミ面であり、
図６（ａ）と同じものである。このため、各々のスピン
偏極は、異なる周期でそれぞれ振動し、実験的に観測さ
れる振動はこれらの各振動の和となる。このように、電
圧駆動型スピンスイッチは三層膜中の両強磁性層間の交
換結合の振動が、Ｃｕ層中に発生する非平行スピン偏極
状態の大きさに依存して変化する現象を応用するもので
ある。層間交換結合の振動的な性格から、非磁性層の膜
厚を調節することによって強磁性層間に働く交換相互作
用の符号を反転させることもでき、この場合両強磁性層
の磁化は平行、あるいは反平行配列へと磁化状態がスイ
ッチする。また、このような磁化反転現象を効果的に引
き起こすためには、ＥｕＯのような、より大きなスピン
偏極電子をＣｕ層中に注入できる磁性伝導体で強磁性層
を構成すればよい。

【００３９】

【実施例】以下、本発明のいくつかの具体的な実施例に
ついて詳細に説明する。

【００４０】（実施例１）Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ（１１１）
単結晶三層膜について、両Ｃｏ層間に働く層間交換相互
作用のＣｕ層膜厚依存性を、ＲＫＫＹ理論（例えば、
Ｐ．ＢｒｕｎｏａｎｄＣ．Ｃｈａｐｐｅｒｔ，Ｐ
ｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４６（１９９２）ｐ．２６１）に基
づいて理論的に調べた。図７にその結果を示す。なお、
図７ではＣｕ層中のスピン偏極度をそれぞれ０、１０、
２０％と変化させている。図７（ａ）がＣｏ／Ｃｕ／Ｃ
ｏ（１１１）三層膜のＣｏ層間交換結合強度のＣｕ層膜
厚依存性を示す。各線はＣｕ層内の異なるスピン偏極度
に対応する。また、図７（ｂ）がＣｕ層膜厚が１５．０
オングストロームの場合のＣｏ層間交換結合強度のＣｕ
層内スピン偏極度依存性を示す。

【００４１】図７（ａ）より判るように、Ｃｕ層中のス
ピン偏極度が大きくなるにつれて、交換結合の振動周期
が変化している。特に、Ｃｕ層の膜厚が１５オングスト
ロームの場合について、層間交換相互作用のＣｕ層内ス
ピン偏極度依存性を図７（ｂ）に示す。スピン偏極度０
％時に交換結合強さが正（すなわち反平行結合）であっ
たものが、２０％に増加することで負（すなわち平行結
合）に変化している。これは外部電圧印加によってＣｕ
層中のスピン偏極度を増加させることにより、Ｃｏ層の
磁化状態を反平行から平行配列に変化できることを示す
ものである。

【００４２】（実施例２）実施例１と同様な手法によ
り、Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ（１００）単結晶三層膜につい
て、Ｃｕ層の膜厚を１２．６オングストロームとした場
合の、層間交換相互作用のＣｕ層内スピン偏極度依存性
を調べた。図８にその結果を示す。図８には、Ｃｏ／Ｃ
ｕ／Ｃｏ（１００）三層膜のＣｏ層間交換結合強度のＣ
ｕ層内スピン偏極度依存性を示した。但し、Ｃｕ層の膜
厚は１２．６オングストロームである。

【００４３】スピン偏極度がゼロから２０％へと増加す
るにつれて、ほぼゼロであった交換結合が正、すなわち
反平行結合に変化していることがわかる。本三層膜を使
用することにより、実施の形態の項で述べた磁性固体メ
モリーを実現することができる。すなわち、図４に示す
構成で作製したメモリーについて、予めメモリーに十分
に大きな磁場を印加してメモリー中の全三層膜（以下素
子と称する）の磁化配列を平行にしておく。この時、全
素子は「０」状態に記録されたことになる。しかる後
に、コラムライン１およびコラムライン２に所定の電圧
をかけることにより、所望の素子の磁化を反平行に変化
させ、「１」状態を記録する。このように記録されたメ
モリーの内容の読み取りであるが、コラムライン２に微
弱な電流を流すと、素子の巨大磁気抵抗効果により
「１」状態の素子は「０」状態の素子よりも大きな出力
電圧が測定される。この差異を判別することにより記録
内容を読み取ることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の電圧駆動型スピンスイッチは、
電圧印加によって直接的に磁化反転を実現する、新しい
技術磁化制御デバイスであり、デバイスの集積化、ある
いは小型化に大きな寄与を与えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧＭＲメモリーの概念図である。

【図２】スピントランジスターの概念図である。

【図３】本発明の電圧駆動型スピンスイッチの概念図で
ある。

【図４】電圧駆動型スピンスイッチを用いた非破壊読み
出しメモリーの基本回路図である。

【図５】スピン電界効果型トランジスターの概念図であ
る。

【図６】本発明のスピンスイッチの動作概念を説明する
ための模式図である。

【図７】Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ（１１１）三層膜のＣｏ層間
交換結合強度のＣｕ層膜厚依存性、及びＣｕ層膜厚が１
５．０オングストロームの場合のＣｏ層間交換結合強度
のＣｕ層内のスピン偏極度依存性を示す特性図である。

【図８】Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ（１００）三層膜のＣｏ層間
交換結合強度のＣｕ層内スピン偏極度依存性を示す特性
図である。

【符号の説明】

１１ワードライン１２センスライン１３絶縁層（レジスト）１４強磁性層１５非磁性層１６強磁性層１７基板２１強磁性層（エミッター）２２非磁性層（ベース）２３強磁性層（コレクター）２４エミッター端子２５ベース端子２６コレクター端子３１強磁性層３２非磁性層３３強磁性層３４駆動電圧入力端子４１コラムライン４２コラムライン４３センスライン４４アクセストランジスター４５電圧駆動スピンスイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁性層、非磁性金属層、強磁性層から
なる三層構造を有し、双方の前記強磁性層に電圧を印加するための電極部を設
けたことを特徴とする電圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項２】非磁性層の膜厚が５〜１５００オングス
トロームであり、強磁性層の膜厚が５〜１０００オング
ストロームであることを特徴とする請求項１に記載の電
圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項３】非磁性層の膜厚が５〜３００オングスト
ロームであり、強磁性層の膜厚が５〜１００オングスト
ロームであることを特徴とする請求項１に記載の電圧駆
動型スピンスイッチ。
【請求項４】非磁性層の膜厚が３００〜１５００オング
ストロームであり、強磁性層の膜厚が１００〜１０００
オングストロームであることを特徴とする請求項１に記
載の電圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項５】強磁性層膜が、鉄、コバルト、ニッケ
ル、あるいはそれらの少なくとも一種からなる強磁性金
属で構成され、非磁性層膜が銅、金、銀、あるいはそれ
らの少なくとも一種からなる非磁性金属で構成されたこ
とを特徴とする請求項２、３及び４のいずれか１項に記
載の電圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項６】強磁性層膜が、強磁性層膜が主としてＥ
ｕＯで表記される磁性半導体で構成され、非磁性層膜が
銅、金、銀、あるいはそれらの少なくとも一種からなる
非磁性金属で構成されたことを特徴とする請求項２〜４
のいずれか１項に記載の電圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項７】強磁性層膜が、鉄、コバルト、ニッケ
ル、あるいはそれらの少なくとも一種からなる強磁性金
属で構成され、非磁性層膜が銅、金、銀以外の非磁性遷
移金属の、少なくとも一種から構成される電気伝導性金
属からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１
項に記載の電圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項８】強磁性層、非磁性金属層、強磁性層、お
よび反強磁性層の４層構造を有し、双方の前記強磁性層に電圧を印加するための電極部を設
けたことを特徴とする電圧駆動型スピンスイッチ。
【請求項９】反強磁性層膜がＦｅＭｎあるいはＮｉＯの
いずれかからなることを特徴とする請求項８に記載の電
圧駆動型スピンスイッチ。