JPH11238924A - Spin-dependent transmission element electronic component using the same, and magnetic part - Google Patents
Spin-dependent transmission element electronic component using the same, and magnetic partInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体のトンネ
ル効果を利用した磁気素子とその応用部品に係り、特に
強磁性体中に形成された離散的なエネルギー準位を外部
から制御するようにしたスピン依存伝導素子とそれを用
いた電子部品および磁気部品に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic element utilizing a tunnel effect of a ferromagnetic material and an application part thereof, and more particularly to a method for externally controlling a discrete energy level formed in a ferromagnetic material. The present invention relates to a spin-dependent conductive element, and an electronic component and a magnetic component using the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】スピン依存伝導素子としては、これまで
に巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）が知られてい
る。磁気抵抗効果（ＭＲ）とは、ある種の磁性体に磁界
を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁
界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。例えば、
強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は温度
安定性に優れ、かつ使用範囲が広いというような特徴を
有している。2. Description of the Related Art A giant magnetoresistive element (GMR element) has been known as a spin-dependent conductive element. The magnetoresistance effect (MR) is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a certain kind of magnetic material, and is used for a magnetic field sensor, a magnetic head, and the like. For example,
A magnetoresistive effect element (MR element) using a ferromagnetic material has characteristics such as excellent temperature stability and a wide range of use.
【０００３】従来より、磁性体を用いたＭＲ素子にはパ
ーマロイ合金などの薄膜が広く使用されてきた。これを
ハードディスクなどの再生ヘッドに使用することで高密
度磁気記録が達成されている。しかし、パーマロイ薄膜
の磁気抵抗変化率は 2〜3%程度と小さいため、さらなる
高密度記録を達成しようとすると十分な感度が得られな
いという問題があった。[0003] Conventionally, thin films such as permalloy have been widely used for MR elements using a magnetic material. By using this for a reproducing head such as a hard disk, high-density magnetic recording has been achieved. However, since the rate of change in magnetoresistance of the permalloy thin film is as small as about 2 to 3%, there has been a problem that sufficient sensitivity cannot be obtained in order to achieve higher density recording.
【０００４】一方、近年磁気抵抗効果を示す新しい材料
として、磁性金属層と非磁性金属層とを数オングストロ
ームから数十オングストロームのオーダーの周期で交互
に積層した構造を有し、非磁性層を介して相対する磁性
層の磁気モーメントが反平行状態で磁気的に結合した人
工格子膜が、巨大磁気抵抗効果を示す材料として注目さ
れている。例えば、Ｆｅ／Ｃｒ人工格子膜(Phys. Rev.
Lett.61, 2472(1988))や、Ｃｏ／Ｃｕ人工格子膜(J.Ma
g.Mag. Mater.94, L1(1991)、Phys. Rev. Lett.66, 215
2(1991)) などが見出されている。On the other hand, in recent years, a new material exhibiting a magnetoresistance effect has a structure in which a magnetic metal layer and a non-magnetic metal layer are alternately laminated at a period on the order of several angstroms to several tens of angstroms. An artificial lattice film in which the magnetic moments of the opposing magnetic layers are magnetically coupled in an antiparallel state has attracted attention as a material exhibiting a giant magnetoresistance effect. For example, Fe / Cr artificial lattice film (Phys. Rev.
Lett. 61, 2472 (1988)) and Co / Cu artificial lattice films (J. Ma
g.Mag. Mater. 94, L1 (1991), Phys. Rev. Lett. 66, 215
2 (1991)).
【０００５】このような金属人工格子膜は、数 10%とい
う従来のパーマロイ合金薄膜よりも格段に大きな磁気抵
抗変化率を示す。このような巨大磁気抵抗効果は、伝導
を担う電子の散乱が磁性層のスピンの向きに依存するこ
とに起因している。しかしながら、このような金属人工
格子膜は、大きな磁気抵抗効果を得るためには積層数を
多くする必要があるという問題や、飽和磁界（抵抗値が
飽和する磁界）が数テスラ(T) 以上と大きく、このまま
では磁気ヘッドなどへの応用には不向きであるという問
題を有している。[0005] Such a metal artificial lattice film shows a remarkably higher magnetoresistance ratio of several tens% than the conventional permalloy alloy thin film. Such a giant magnetoresistance effect is caused by the fact that the scattering of electrons that carry conduction depends on the spin direction of the magnetic layer. However, such a metal artificial lattice film has a problem that it is necessary to increase the number of layers in order to obtain a large magnetoresistance effect, and a saturation magnetic field (a magnetic field at which the resistance value is saturated) is several tesla (T) or more. It has a problem that it is not suitable for application to a magnetic head or the like as it is.
【０００６】飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層／
非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜を有
し、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固
定し、他方の強磁性層を外部磁界により磁化反転させる
ことにより、 2つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変
化させる、いわゆるスピンバルブ膜が開発されている。
しかし、スピンバルブ膜は磁気抵抗変化率が 4〜8%程度
とあまり大きくなく、また積層膜の比抵抗そのものが数
10μΩcmと小さいため、外部磁界を検出するためには比
較的大きな電流を流す必要があるという問題を有してい
る。In order to reduce the saturation magnetic field, a ferromagnetic layer /
It has a laminated film with a sandwich structure of non-magnetic layer / ferromagnetic layer, applies an exchange bias to one ferromagnetic layer to fix the magnetization, and reverses the magnetization of the other ferromagnetic layer by an external magnetic field. A so-called spin valve film that changes the relative angle of the magnetization direction of the ferromagnetic layer has been developed.
However, the spin-valve film does not have a very large magnetoresistance change ratio of about 4 to 8%, and the specific resistance of the laminated film itself is not large.
Since it is as small as 10 μΩcm, there is a problem that a relatively large current needs to flow in order to detect an external magnetic field.
【０００７】また、多層膜に対して電流を膜面に垂直方
向に流す、いわゆる垂直磁気抵抗効果を利用すると、非
常に大きな磁気抵抗効果か得られることが知られている
（Phys. Rev. Lett.66, 3060(1991)）。しかし、この場
合には電流パスが小さく、また各層が金属であるために
抵抗が小さく、サブミクロン以下に微細加工をしないと
室温での磁気抵抗効果を測定できないという問題があ
る。It is known that a very large magnetoresistance effect can be obtained by using a so-called perpendicular magnetoresistance effect, in which a current flows through a multilayer film in a direction perpendicular to the film surface (Phys. Rev. Lett). .66, 3060 (1991)). However, in this case, there is a problem that the current path is small, and the resistance is small because each layer is made of metal, so that the magnetoresistance effect at room temperature cannot be measured unless fine processing is performed to a submicron or less.
【０００８】さらに、以上述べたような人工格子膜とは
異なり、非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分
散させた、いわゆるグラニュラー磁性膜もスピンに依存
した伝導に基づく巨大磁気抵抗効果を示すことが見出さ
れている（Phys. Rev. Lett.68, 3745(1992)）。このよ
うなグラニュラー磁性膜は、磁界を加えない状態では磁
性超微粒子の性質により、各磁性超微粒子のスピンは互
いに不規則な方向を向いて抵抗が高く、磁界を加えて各
スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下し、その結果
スピン依存散乱に基ずく磁気抵抗効果が発現する。しか
し、この場合の磁性超微粒子は超常磁性を示すため、飽
和磁界が本質的に非常に大きいという問題を有してい
る。Further, unlike the above-described artificial lattice film, a so-called granular magnetic film in which magnetic ultrafine particles are dispersed in a nonmagnetic metal matrix also exhibits a giant magnetoresistance effect based on spin-dependent conduction. Has been found (Phys. Rev. Lett. 68, 3745 (1992)). In such a granular magnetic film, when no magnetic field is applied, the spins of each magnetic ultrafine particle are oriented in an irregular direction with each other and have high resistance due to the properties of the magnetic ultrafine particles. , The resistance is reduced, and as a result, a magnetoresistance effect based on spin-dependent scattering is exhibited. However, since the magnetic ultrafine particles in this case exhibit superparamagnetism, there is a problem that the saturation magnetic field is essentially very large.
【０００９】一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異
にする、強磁性トンネル効果に基づく巨大磁気抵抗効果
が見出されている。これは強磁性層／絶縁層／強磁性層
の 3層積層膜からなり、一方の強磁性層の保磁力が他方
の強磁性層の保磁力よりも小さい構造において、両強磁
性層間に電圧を印加してトンネル電流を発生させるもの
である。このとき、保磁力の小さい磁性層のスピンのみ
を反転させると、 2つの強磁性層のスピンが互いに平行
なときと反平行なときでトンネル電流が大きく異なるた
め、巨大磁気抵抗効果が得られる。On the other hand, a giant magnetoresistance effect based on a ferromagnetic tunnel effect, which has a different mechanism from spin-dependent scattering, has been found. It consists of a three-layer laminated film of ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer. In a structure where the coercive force of one ferromagnetic layer is smaller than the coercive force of the other ferromagnetic layer, a voltage is applied between both ferromagnetic layers. This is to generate a tunnel current when applied. At this time, if only the spin of the magnetic layer having a small coercive force is reversed, a giant magnetoresistance effect can be obtained because the tunnel current is greatly different when the spins of the two ferromagnetic layers are parallel and antiparallel to each other.
【００１０】このような強磁性トンネル接合素子は構造
が簡単であり、しかも室温で 20%程度の大きな磁気抵抗
変化率が得られるという特徴がある。しかしながら、ト
ンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを数nm以
下と薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層を均質
に、しかも安定して作製することは困難であるため、抵
抗や磁気抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまうと
いう問題がある。また、絶縁層の抵抗が高すぎると、こ
れを磁気ヘッドなどに用いるために微細化した場合、一
般に素子の高速動作が得られず、また雑音が増大してＳ
／Ｎ比の大きい素子が得られないなどの問題が予測され
ている。Such a ferromagnetic tunnel junction device is characterized in that it has a simple structure and that a large magnetoresistance ratio of about 20% can be obtained at room temperature. However, in order to exhibit the tunnel effect, it is necessary to reduce the thickness of the insulating layer to several nm or less, and it is difficult to uniformly and stably produce such a thin insulating layer. In addition, there is a problem that the variation in the rate of change in magnetoresistance increases. On the other hand, if the resistance of the insulating layer is too high, when this is miniaturized for use in a magnetic head or the like, generally, high-speed operation of the element cannot be obtained, and noise increases to increase S
Problems such as the inability to obtain an element having a large / N ratio are expected.
【００１１】一方、スピンバルブ膜や強磁性トンネル接
合を利用した磁気記憶素子も知られている。この場合、
2つの磁性層のうち一方を記録層とし、他方を読出し層
としている。従って、記録、再生のいずれの場合にもス
ピンを反転させる必要があり、そのための磁界印加用電
流源が必要になる。On the other hand, a magnetic storage element using a spin valve film or a ferromagnetic tunnel junction is also known. in this case,
One of the two magnetic layers is a recording layer, and the other is a readout layer. Therefore, it is necessary to invert the spin in both the recording and reproducing cases, and a current source for applying a magnetic field is required.
【００１２】さらに、強磁性体を用いた 3端子素子、い
わゆるスピントランジスタと称するものが知られてい
る。これは金属磁性体／金属非磁性体／金属磁性体の 3
層構造を有している。第１の金属磁性体と金属非磁性体
との間に電圧を印加すると、第２の金属磁性体と金属非
磁性体との間に出力電圧が発生し、かつその出力電圧は
第１および第２の金属磁性体のスピンが互いに平行なと
きと反平行なときとで大きさが同じで符号が逆になると
いうものである（J.Appl. Phys.79. 4727(1996))。しか
し、このスピントランジスタは全て金属でできているた
め、出力電圧がナノボルト程度と非常に小さく、また電
流増幅作用は有していない。Furthermore, a three-terminal element using a ferromagnetic material, that is, a so-called spin transistor is known. This is metal magnetic material / metal non-magnetic material / metal magnetic material.
It has a layered structure. When a voltage is applied between the first metal magnetic material and the metal non-magnetic material, an output voltage is generated between the second metal magnetic material and the metal non-magnetic material, and the output voltage is changed between the first and second metal magnetic materials. No. 2 has the same magnitude and opposite sign when the spins of the metal magnetic material are parallel and antiparallel to each other (J. Appl. Phys. 79. 4727 (1996)). However, since all of the spin transistors are made of metal, the output voltage is very small, on the order of nanovolts, and has no current amplification effect.
【００１３】また、最近クーロンブロッケード効果によ
り磁気抵抗効果が増大することが見出されている(J.Phy
s. Soc. Jpn. 66, 1261(1997))。小さな容量をもつ 2重
トンネル接合において、電子を 1個トンネルさせるとＥ
c ＝ｅ2 /2Ｃだけエネルギーが増大し、Ｃが小さければ
Ｅc は非常に大きくなり、電子 1個と言えどもトンネル
できない。これをクーロンブロッケードと言う。しか
し、このようなクーロンブロッケード状態でも高次のト
ンネル電流は流れ、これは協同トンネルと呼ばれる。こ
の状態では、抵抗は 2つのトンネル接合抵抗の積に比例
するので、磁気抵抗効果は増大する。Further, it has recently been found that the magnetoresistance effect increases due to the Coulomb blockade effect (J. Phy
s. Soc. Jpn. 66, 1261 (1997)). In a double tunnel junction with a small capacitance, one electron tunnels and E
The energy increases by c = e 2 / 2C, and if C is small, E c becomes very large, and even one electron cannot be tunneled. This is called Coulomb blockade. However, even in such a Coulomb blockade state, a higher-order tunnel current flows, which is called a cooperative tunnel. In this state, the resistance is proportional to the product of the two tunnel junction resistances, so the magnetoresistance effect increases.
【００１４】従来から、電子あるいはホールの伝導を利
用した素子としては半導体素子が知られており、種々の
電子回路やメモリ素子など、非常に多くの分野で利用さ
れている。しかし、半導体素子は電子の電荷のみを利用
したものであり、電子のスピンは利用していない。Conventionally, semiconductor devices have been known as devices utilizing the conduction of electrons or holes, and are used in a very wide variety of fields such as various electronic circuits and memory devices. However, a semiconductor element utilizes only electron charges, and does not utilize electron spins.
【００１５】また、金属層と誘電体層、あるいは異なる
半導体のへテロエピタキシャル層からなる積層膜におい
て、金属層あるいは半導体層に離散的なエネルギー準位
が形成され、そのエネルギー準位を経由してトンネル伝
導する、いわゆる共鳴トンネル効果を利用した素子も知
られている。しかし、これらの素子も電子の電荷のみを
利用したものであり、電子のスピンは利用していない。Further, in a laminated film composed of a metal layer and a dielectric layer, or a heteroepitaxial layer of a different semiconductor, discrete energy levels are formed in the metal layer or the semiconductor layer, and via the energy levels, An element utilizing tunnel resonance, that is, a so-called resonance tunnel effect is also known. However, these devices also use only electron charges and do not use electron spins.
【００１６】[0016]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、これ
までの電子伝導を利用した半導体素子や共鳴トンネル効
果素子は、いずれも電子の電荷のみを利用したものであ
り、電子のスピンは利用していない。As described above, all of the conventional semiconductor devices and resonance tunnel effect devices utilizing electron conduction utilize only the electric charge of electrons and utilize the spin of electrons. Not.
【００１７】一方、電子のスピンを利用した伝導素子と
しては、巨大磁気抵抗効果を示すスピンバルブ素子、そ
れを利用した磁気センサ、磁気ヘッド、磁気記憶素子、
あるいは強磁性トンネル接合を利用した磁気ヘッドや磁
気記憶素子などが知られている。これらは磁気抵抗変化
率が 10%未満と小さいために再生感度に限界があり、ま
た出力電圧が小さいという問題を有している。特に、磁
気記憶素子では記録、再生のいずれの場合にもスピンを
反転させる必要があり、そのための磁界印加用の電流源
が必要になるという煩雑さがある。On the other hand, as a conduction element utilizing the spin of electrons, a spin valve element exhibiting a giant magnetoresistance effect, a magnetic sensor utilizing the spin valve element, a magnetic head, a magnetic storage element,
Alternatively, a magnetic head and a magnetic storage element using a ferromagnetic tunnel junction are known. These methods have a problem that the reproduction sensitivity is limited because the rate of change in magnetoresistance is as small as less than 10%, and the output voltage is small. In particular, in a magnetic memory element, it is necessary to invert the spin in both recording and reproduction, and there is a complication that a current source for applying a magnetic field is required.
【００１８】また、金属磁性体／金属非磁性体／金属磁
性体の 3層構造を有する従来の 3端子素子（スピントラ
ンジスタ素子）は、出力電圧が極端に小さく実用化が困
難であり、また電流増幅作用も有していない。A conventional three-terminal device (spin transistor device) having a three-layer structure of a metal magnetic material / metal non-magnetic material / metal magnetic material has an extremely small output voltage and is difficult to put into practical use. Has no amplifying effect.
【００１９】本発明は、従来の電子伝導素子とは全く異
なる電子のスピンを利用した電子伝導素子を提供するも
のであり、しかも磁性体中に形成された離散的エネルギ
ー準位を利用することで、極めて大きな磁気抵抗変化率
が室温で得られ、さらにその離散的エネルギー準位を電
圧によって制御することによって、増幅機能を持たせた
スピン依存伝導素子を提供することを目的としている。
さらには、そのようなスピン依存伝導素子を用いた電子
部品および磁気部品を提供することを目的としている。The present invention provides an electron conduction element utilizing the spin of an electron which is completely different from the conventional electron conduction element, and furthermore, utilizes a discrete energy level formed in a magnetic material. It is an object of the present invention to provide a spin-dependent conductive element having an amplifying function by obtaining an extremely large magnetoresistance change rate at room temperature and controlling its discrete energy level by voltage.
Another object is to provide an electronic component and a magnetic component using such a spin-dependent conductive element.
【００２０】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、強磁性微
粒子を誘電体マトリックス中に分散させたグラニュラー
磁性層と、このグラニュラー磁性層に近接配置された強
磁性層との間にトンネル電流を流す磁気素子に関する研
究を進めた結果、トンネル電流を制御することにより磁
気抵抗を大幅に制御できることを見出した。さらに、こ
れはスピン依存共鳴トンネル効果を起源とするものであ
ることを検証した。本発明はこのような知見および検証
結果に基づくものである。Means for Solving the Problems The present inventors have developed a tunnel current between a granular magnetic layer in which ferromagnetic fine particles are dispersed in a dielectric matrix and a ferromagnetic layer disposed close to the granular magnetic layer. As a result of research on the magnetic element that flows the current, it was found that the magnetoresistance can be largely controlled by controlling the tunnel current. Furthermore, it was verified that this originated from spin-dependent resonance tunneling. The present invention is based on such findings and verification results.
【００２１】上記したスピン依存共鳴トンネル効果は、
2重以上の多重トンネル接合によるものである。従っ
て、グラニュラー磁性層を用いた場合以外の、強磁性層
と誘電体層あるいは強磁性層と半導体層からなる多重ト
ンネル接合においても、同様の効果が得られる。スピン
依存共鳴トンネル効果が発現するためには、多重トンネ
ル接合における強磁性体の少なくとも一つに、離散的エ
ネルギー準位が形成されなければならない。The above spin-dependent resonance tunnel effect is
This is due to double or more multiple tunnel junctions. Therefore, a similar effect can be obtained also in a multi-tunnel junction composed of a ferromagnetic layer and a dielectric layer or a ferromagnetic layer and a semiconductor layer other than the case where a granular magnetic layer is used. In order for the spin-dependent resonance tunnel effect to occur, a discrete energy level must be formed in at least one of the ferromagnetic materials in the multiple tunnel junction.
【００２２】本発明は上記したような新たな知見に基づ
くものであり、強磁性層（あるいはグラニュラー磁性
層）内に生じた離散的エネルギー準泣を外部電圧により
制御する電極を設けたスピン依存伝導素子と、それを用
いた応用部品、応用装置を提供するものである。The present invention is based on the above-mentioned new findings, and has a spin-dependent conductivity provided with an electrode for controlling a discrete energy level generated in a ferromagnetic layer (or a granular magnetic layer) by an external voltage. It is intended to provide an element, an application part and an application device using the element.
【００２３】すなわち、本発明における第１のスピン依
存伝導素子は、請求項１に記載したように、 1層以上の
強磁性層と、少なくとも 1層が強磁性体からなる 2層以
上の電極層と、前記強磁性層および電極層間に 2重以上
の多重トンネル接合が形成されるように、前記強磁性層
および電極層と交互に積層配置された誘電体または半導
体からなる 2層以上のトンネル層とを具備し、前記強磁
性層に離散的なエネルギー準位が形成されており、かつ
前記エネルギー準位を制御するための電極を有すること
を特徴としている。That is, the first spin-dependent conductive element according to the present invention, as described in claim 1, has at least one ferromagnetic layer and at least one electrode layer made of a ferromagnetic material. And two or more tunnel layers made of a dielectric or semiconductor alternately stacked with the ferromagnetic layer and the electrode layer such that a double or more multiple tunnel junction is formed between the ferromagnetic layer and the electrode layer. Wherein a discrete energy level is formed in the ferromagnetic layer and an electrode for controlling the energy level is provided.
【００２４】本発明における第２のスピン依存伝導素子
は、請求項２に記載したように、誘電体マトリックス中
に分散させた強磁性微粒子を有し、かつ保磁力を持つ 1
層以上のグラニュラー磁性層と、前記グラニュラー磁性
層との間に 2重以上の多重トンネル接合が形成されるよ
うに、前記グラニュラー磁性層と近接配置された少なく
とも 1層が強磁性体からなる 2層以上の電極層とを具備
し、前記グラニュラー磁性層に静電エネルギーに基づく
離散的なエネルギー準位が形成されており、かつ前記エ
ネルギー準位を制御するための電極を有することを特徴
としている。According to the second aspect of the present invention, the second spin-dependent conductive element has ferromagnetic fine particles dispersed in a dielectric matrix and has a coercive force.
At least one layer disposed close to the granular magnetic layer is made of a ferromagnetic material so that a double or more multiple tunnel junction is formed between the granular magnetic layer and the granular magnetic layer. The above-mentioned electrode layer is provided, wherein a discrete energy level based on electrostatic energy is formed in the granular magnetic layer, and an electrode for controlling the energy level is provided.
【００２５】本発明のスピン依存伝導素子は、請求項３
に記載したように、前記多重トンネル接合がスピン依存
共鳴トンネル効果を示すことを特徴とするものである。
さらに、請求項４および請求項５に記載したように、前
記強磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）と前記強磁
性体からなる電極層のうち、一方のスピンの方向を変化
させることにより、スピン依存共鳴トンネル効果に基づ
く磁気抵抗効果を発現させるものである。さらには、本
発明のスピン依存伝導素子は、請求項７に記載したよう
に、２端子素子構造および３端子素子構造のいずれの構
造とすることもできる。The spin-dependent conductive element according to the present invention has a third aspect.
As described in the above, the multi-tunnel junction exhibits a spin-dependent resonance tunnel effect.
Further, as described in claim 4 and claim 5, by changing the spin direction of one of the ferromagnetic layer (or the granular magnetic layer) and the electrode layer made of the ferromagnetic material, the spin dependence is increased. A magnetic resistance effect based on the resonance tunnel effect is developed. Furthermore, as described in claim 7, the spin-dependent conductive element of the present invention can have any of a two-terminal element structure and a three-terminal element structure.
【００２６】また、本発明の電子部品および磁気部品
は、請求項８および請求項９に記載したように、上述し
た本発明スピン依存伝導素子を具備することを特徴とし
ている。同様に、本発明の磁気ヘッドおよび磁気記憶素
子は、請求項１０および請求項１１に記載したように、
上述した本発明スピン依存伝導素子を具備することを特
徴としている。Further, an electronic component and a magnetic component according to the present invention are characterized by including the above-described spin-dependent conductive element according to the present invention as described in claims 8 and 9. Similarly, the magnetic head and the magnetic storage element according to the present invention, as described in claims 10 and 11,
The present invention is characterized by including the above-described spin-dependent conduction element of the present invention.
【００２７】[0027]
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【００２８】まず、本発明のスピン依存伝導素子の基本
構成および本発明の基本となるスピン依存共鳴トンネル
効果について説明する。なお、以下では簡単のために 2
重トンネル接合について、しかも誘電体を用いた場合に
ついて示す。この結果は多重トンネル接合および半導体
を用いた場合に拡張できることは容易に考察できる。図
１（ａ）は本発明の第１のスピン依存伝導素子の基本構
成を示す図である。図１（ａ）に示すスピン依存伝導素
子は、第１の強磁性層１／誘電体層２／第２の強磁性層
３／誘電体層４／第３の強磁性層５からなる積層膜を有
している。この積層膜においては、誘電体層２、４を介
して、 3層の強磁性層１、３、５間に2重トンネル接合
が形成されている。First, the basic structure of the spin-dependent conduction element of the present invention and the spin-dependent resonance tunnel effect which is the basis of the present invention will be described. For the sake of simplicity,
The case of a heavy tunnel junction and the case where a dielectric is used will be described. It can be easily considered that this result can be extended to the case where multiple tunnel junctions and semiconductors are used. FIG. 1A is a diagram showing a basic configuration of a first spin-dependent conductive element according to the present invention. The spin-dependent conductive element shown in FIG. 1A is a laminated film composed of a first ferromagnetic layer 1 / dielectric layer 2 / second ferromagnetic layer 3 / dielectric layer 4 / third ferromagnetic layer 5. have. In this laminated film, a double tunnel junction is formed between the three ferromagnetic layers 1, 3, and 5 via the dielectric layers 2, 4.
【００２９】3層の強磁性層１、３、５のうち、第１お
よび第３の強磁性層１、５は電極層である。なお、後述
するように、トンネル電流の出口側に当る電極層（５）
は強磁性体に限らず、非磁性金属などで構成してもよ
い。また、第２の強磁性層３は2つの薄い誘電体層２、
４、すなわち 2つのトンネル層によって挟まれており、
各誘電体層２、４を介して第１の強磁性層１と第３の強
磁性層５との間にそれぞれトンネル電流が流れるように
構成されている。なお、図中６は電極である。Of the three ferromagnetic layers 1, 3, and 5, the first and third ferromagnetic layers 1, 5 are electrode layers. As described later, the electrode layer (5) corresponding to the exit side of the tunnel current
Is not limited to a ferromagnetic material, and may be made of a nonmagnetic metal or the like. Also, the second ferromagnetic layer 3 comprises two thin dielectric layers 2,
4, ie sandwiched by two tunnel layers,
It is configured such that a tunnel current flows between the first ferromagnetic layer 1 and the third ferromagnetic layer 5 via each of the dielectric layers 2 and 4. In the figure, reference numeral 6 denotes an electrode.
【００３０】このような構造において、第２の強磁性層
３が十分に薄い場合には、図１（ｂ）に示すように、量
子効果により第２の強磁性層３にスピンに依存した離散
的なエネルギー準位が形成される。すなわち、第２の強
磁性層３の離散的なエネルギー準位は交換相互作用のた
めにスピン分裂しており、上向きスピン（↑）と下向き
スピン（↓）ではエネルギーが交換エネルギーγの分だ
け異なっている。In such a structure, when the second ferromagnetic layer 3 is sufficiently thin, as shown in FIG. Energy levels are formed. That is, the discrete energy level of the second ferromagnetic layer 3 is spin-split due to the exchange interaction, and the energy differs between the upward spin (↑) and the downward spin (↓) by the exchange energy γ. ing.
【００３１】今、図１（ａ）に示したように、第１の強
磁性層１と第２の強磁性層３との間に電圧を印加すると
共に、第２の強磁性層３と第３の強磁性層５との間に逆
符号の電圧を印加する。すると、薄い誘電体層（トンネ
ル層）２を介して第１の強磁性層１と第２の強磁性層３
との間にトンネル電流が流れる。そして、第１の強磁性
層１と第３の強磁性層５に加えた電圧Ｖが適当な値のと
き、第２の強磁性層３内の上向きスピン（↑）または下
向きスピン（↓）の離散的エネルギー準位のうちの 1つ
（図１（ｂ）では↑スピン）が第１の強磁性層１の伝導
電子のエネルギーと同じレベル（共鳴状態）になる。Now, as shown in FIG. 1A, a voltage is applied between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3, and the second ferromagnetic layer 3 A voltage having the opposite sign is applied between the ferromagnetic layer 5 and the third ferromagnetic layer 5. Then, the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3 are interposed via the thin dielectric layer (tunnel layer) 2.
And a tunnel current flows between them. When the voltage V applied to the first ferromagnetic layer 1 and the third ferromagnetic layer 5 has an appropriate value, the upward spin (↑) or the downward spin (↓) in the second ferromagnetic layer 3 is reduced. One of the discrete energy levels (↑ spin in FIG. 1B) is at the same level (resonant state) as the energy of the conduction electrons of the first ferromagnetic layer 1.
【００３２】そうすると、共鳴状態にある離散的エネル
ギー準位のスピンと同じ向きのスピンを持つ第１の強磁
性層１中の伝導電子は、誘電体層２、４により反射され
ることなく、100%の透過率をもって第１の強磁性層１か
ら第３の強磁性層５へトンネル伝導することができる。
一方、それとは反対のスピンを持つ伝導電子は、トンネ
ル伝導することができない。これがスピン依存共鳴トン
ネル効果である。Then, the conduction electrons in the first ferromagnetic layer 1 having the spins in the same direction as the spins of the discrete energy levels in the resonance state are reflected by the dielectric layers 2 and 4 without being reflected by the dielectric layers 2 and 4. Tunneling can be performed from the first ferromagnetic layer 1 to the third ferromagnetic layer 5 with a transmittance of%.
On the other hand, conduction electrons having the opposite spin cannot perform tunnel conduction. This is the spin-dependent resonance tunnel effect.
【００３３】強磁性体ではフェルミ準位近傍の電子のみ
が伝導に寄与し、しかもその伝導電子の数はスピンによ
って異なる。従って、第１の強磁性層１と第２の強磁性
層３の磁化が互いに平行なときと反平行なときでは、共
鳴準位を経てトンネルする電子の数が異なる。それゆ
え、例えば第２の強磁性層３の磁化を固定し、第１の強
磁性層１の磁化を反転させれば、両者でトンネル電流が
大きく異なるため、スピン依存共鳴トンネル効果に基づ
く非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。第３の強磁性
層５からなる電極層はトンネル電流が流れ得るものであ
ればよく、強磁性体に限らず非磁性金属などからなる電
極層を使用することができる。In a ferromagnetic material, only electrons near the Fermi level contribute to conduction, and the number of conduction electrons differs depending on the spin. Therefore, when the magnetizations of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3 are parallel to each other and antiparallel, the number of electrons tunneling through the resonance level is different. Therefore, for example, if the magnetization of the second ferromagnetic layer 3 is fixed and the magnetization of the first ferromagnetic layer 1 is reversed, the tunnel currents differ greatly between the two, so that a very large difference based on the spin-dependent resonance tunnel effect is obtained. A large magnetoresistance effect is obtained. The electrode layer composed of the third ferromagnetic layer 5 may be any layer as long as a tunnel current can flow through the electrode layer.
【００３４】図１は半導体を用いたトランジスタに相当
し、第１の強磁性層１がエミッタ、第２の強磁性層３が
ベース、第３の強磁性層（あるいは非磁性電極層）５が
コレクタに対応する。すなわち、エミッタ（１）とベー
ス（３）に電圧ＶEBを印加するとベース電流ＩB が流
れ，ベース（３）とコレクタ（５）に逆電圧ＶCBを印加
するとコレクタ電流ＩC が流れる。コレクタ電流ＩC は
ベース電流ＩB よりも大きくなり、電流増幅作用を示
す。FIG. 1 corresponds to a transistor using a semiconductor, in which a first ferromagnetic layer 1 is an emitter, a second ferromagnetic layer 3 is a base, and a third ferromagnetic layer (or non-magnetic electrode layer) 5 is Corresponds to the collector. That is, the emitter (1) and the base (3) on the application of a voltage V EB base current I B flows, the base (3) and by applying a reverse voltage V CB in the collector (5) through the collector current I C is. Collector current I C is larger than the base current I B, shows the current amplification effects.
【００３５】これまでは第２の強磁性層３のスピンが第
１の強磁性層１のスピンに対して平行および反平行の場
合について説明したが、一般に角度θをなす場合には c
osθに比例したトンネル電流が得られるので、電流値に
よってスピンの相対角度θを検出することができる。こ
のように、バイアス電圧ＶCBを制御することによって、
スピンの向きを決定することができ、また電流増幅作用
を得ることができる。これらの機能によって、本発明の
スピン依存伝導素子は真の意味でのスピントランジスタ
ということができる。The case where the spin of the second ferromagnetic layer 3 is parallel and antiparallel to the spin of the first ferromagnetic layer 1 has been described above.
Since a tunnel current proportional to osθ is obtained, the relative angle θ of spin can be detected from the current value. Thus, by controlling the bias voltage V CB ,
The direction of the spin can be determined, and a current amplification action can be obtained. With these functions, the spin-dependent conductive element of the present invention can be called a true spin transistor.
【００３６】本発明の第１のスピン依存伝導素子は、半
導体素子における電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）の
ように、第２の強磁性層３にバイアス電圧を印加するた
めの電極を設けた構成とすることもできる。図２はその
ような構成の一例を示している。第２の強磁性層３に
は、バイアス電圧を印加するための電極７が設けられて
いる。このような構成において、第１の強磁性層（第１
の電極層）１と第３の強磁性層（第２の電極層／非磁性
層であってもよい）との間に電圧を印加してトンネル電
流を流し、電極７から第２の強磁性層３にバイアス電圧
を印加して第２の強磁性層３の離散的エネルギー準位を
制御（シフト）することによって、スピン依存共鳴状態
を生じさせることができる。The first spin-dependent conductive element according to the present invention has a structure in which an electrode for applying a bias voltage to the second ferromagnetic layer 3 is provided like a field effect transistor (FET) in a semiconductor element. You can also. FIG. 2 shows an example of such a configuration. The second ferromagnetic layer 3 is provided with an electrode 7 for applying a bias voltage. In such a configuration, the first ferromagnetic layer (first
A voltage is applied between a first ferromagnetic layer (which may be a second electrode layer / a non-magnetic layer) and a tunnel current flows between the first ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer. By controlling (shifting) the discrete energy level of the second ferromagnetic layer 3 by applying a bias voltage to the layer 3, a spin-dependent resonance state can be generated.
【００３７】さらに、本発明の第１のスピン依存伝導素
子において、離散的エネルギー準位を形成する強磁性層
（図１では第２の強磁性層３）は 1層に限られるもので
はなく、例えば図３に示すように中間の強磁性層３を多
層構造（３ａ、３ｂ、…３ｎ）とすると共に、これら各
強磁性層３ａ、３ｂ、…３ｎを誘電体層９と交互に積層
配置して、 3重以上の多重トンネル接合を有する構成と
することもできる。このような構成においても、中間の
強磁性層３の離散的エネルギー準位を制御することとよ
って、スピン依存共鳴状態を生じさせることができる。Further, in the first spin-dependent conductive element of the present invention, the number of ferromagnetic layers (the second ferromagnetic layer 3 in FIG. 1) forming discrete energy levels is not limited to one. For example, as shown in FIG. 3, the intermediate ferromagnetic layer 3 has a multilayer structure (3a, 3b,... 3n), and these ferromagnetic layers 3a, 3b,. Thus, a configuration having triple or more multiple tunnel junctions can be adopted. Even in such a configuration, a spin-dependent resonance state can be generated by controlling the discrete energy level of the intermediate ferromagnetic layer 3.
【００３８】図１〜３に示したスピン依存伝導素子にお
いて、強磁性層１、３、５の構成材料は特に限定される
ものではなく、パーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合
金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む
合金、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー
合金などのハーフメタル、ＣｒＯ2 、マグネタイト、Ｍ
ｎペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモ
ルファス合金などの種々の軟磁性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ
合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希士類合金などの硬
磁性材料まで、種々の強磁性材料を使用することができ
る。In the spin-dependent conductive element shown in FIGS. 1 to 3, the constituent materials of the ferromagnetic layers 1, 3, and 5 are not particularly limited, and the ferromagnetic layers include Fe--Ni alloys represented by permalloy and ferromagnetic. Fe, Co, Ni and alloys containing them, half metals such as Heusler alloys such as NiMnSb and PtMnSb, CrO 2 , magnetite, M
Co-Pt from various soft magnetic materials such as oxide half-metals such as n-perovskite and amorphous alloys
Various ferromagnetic materials can be used, including hard magnetic materials such as alloys, Fe-Pt alloys, and transition metal-rare alloys.
【００３９】また、第１および第２の強磁性層１、３の
うち、例えば第１の強磁性層１のスピンの方向のみを変
化させるためには、例えば強磁性体の保磁力の差を利用
してもよいし、また反強磁性膜を積層配置して交換結合
により強磁性層の磁化を固定するようにしてもよい。第
２の強磁性層３の厚さは、上述したように量子効果によ
りスピンに依存した離散的なエネルギー準位が形成され
るような厚さ、具体的には 5nm以下程度とする。第１お
よび第３の強磁性層１、５の厚さは特に限定されるもの
ではなく、例えば 0.1〜 100mm程度とすることが好まし
い。In order to change, for example, only the spin direction of the first ferromagnetic layer 1 of the first and second ferromagnetic layers 1 and 3, the difference in coercive force of the ferromagnetic material is required. Alternatively, the magnetization of the ferromagnetic layer may be fixed by exchange coupling by arranging antiferromagnetic films. The thickness of the second ferromagnetic layer 3 is set to a thickness at which a discrete energy level depending on the spin is formed by the quantum effect as described above, specifically, about 5 nm or less. The thicknesses of the first and third ferromagnetic layers 1 and 5 are not particularly limited, and are preferably, for example, about 0.1 to 100 mm.
【００４０】さらに、上述した実施形態ではトンネル層
として誘電体層２、４を用いた場合について説明した
が、この誘電体層２、４に代えて半導体層をトンネル層
として使用しても同様なスピン依存伝導素子を構成する
ことができ、また同様な作用・効果が得られる。トンネ
ル層として用いる誘電体および半導体は特に限定される
ものではなく、種々の誘電体材料および半導体材料を使
用することができる。また、トンネル層の厚さは 0.5〜
5nm程度とすることが好ましい。Further, in the above-described embodiment, the case where the dielectric layers 2 and 4 are used as the tunnel layers has been described. However, the same applies when a semiconductor layer is used as the tunnel layer instead of the dielectric layers 2 and 4. A spin-dependent conduction element can be configured, and similar functions and effects can be obtained. The dielectric and semiconductor used as the tunnel layer are not particularly limited, and various dielectric materials and semiconductor materials can be used. Also, the thickness of the tunnel layer should be 0.5 ~
Preferably, the thickness is about 5 nm.
【００４１】上述した実施形態では、強磁性体と誘電体
（または半導体）との 2重以上の多重トンネル接合を有
するスピン依存伝導素子について説明したが、非磁性の
誘電体マトリックス中に強磁性微粒子を分散させたグラ
ニュラー磁性層を用いた場合においても、同様なスピン
依存共鳴トンネル効果を室温で得ることができる。これ
が本発明の第２のスピン依存伝導素子である。In the above-described embodiment, the spin-dependent conductive element having a double or more multiple tunnel junction of a ferromagnetic material and a dielectric material (or semiconductor) has been described, but the ferromagnetic fine particles are contained in a non-magnetic dielectric matrix. A similar spin-dependent resonance tunnel effect can be obtained at room temperature even when a granular magnetic layer in which is dispersed is used. This is the second spin-dependent conductive element of the present invention.
【００４２】すなわち、図４（ａ）に示すスピン依存伝
導素子は、強磁性体からなる第１の電極層１１／グラニ
ュラー磁性層１２／非磁性体からなる第２の電極層１３
からなる積層膜を有している。この積層膜において、グ
ラニュラー磁性層１２は誘電体マトリックス１４中に強
磁性微粒子１５を分散させたものであり、このグラニュ
ラー磁性層１２は超常磁性を示さず、有限の保磁力を持
つ強磁性体である。このグラニュラー磁性層１２を挟ん
で、第１の電極層１１と第２の電極層１３とが近接配置
されており、第１の電極層１１とグラニュラー磁性層１
２およびグラニュラー磁性層１２と第２の電極層１３と
の間に、それぞれトンネル電流が流れるように構成され
ている。すなわち、グラニュラー磁性層１２と電極層１
１、１３との間には 2重トンネル接合が形成されてい
る。That is, the spin-dependent conductive element shown in FIG. 4A has a first electrode layer 11 made of a ferromagnetic material / a granular magnetic layer 12 / a second electrode layer 13 made of a non-magnetic material.
Having a laminated film composed of In this laminated film, the granular magnetic layer 12 is obtained by dispersing ferromagnetic fine particles 15 in a dielectric matrix 14. The granular magnetic layer 12 does not exhibit superparamagnetism and is a ferromagnetic material having a finite coercive force. is there. The first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are disposed close to each other with the granular magnetic layer 12 interposed therebetween.
2 and between the granular magnetic layer 12 and the second electrode layer 13 so that a tunnel current flows. That is, the granular magnetic layer 12 and the electrode layer 1
A double tunnel junction is formed between the first and the third tunnels.
【００４３】なお、第２の電極層１３は非磁性体に限ら
ず強磁性体で構成してもよい。すなわち、第１および第
２の電極層１１、１３のうち、少なくとも第１の電極層
１１を強磁性体で構成すればよい。また、電極層１１、
１３とグラニュラー磁性層１２とは直接積層配置するこ
とに限らず、それらの間にトンネル電流が流れる程度の
厚さの絶縁膜を介在させてもよい。The second electrode layer 13 is not limited to a non-magnetic material but may be made of a ferromagnetic material. That is, at least the first electrode layer 11 of the first and second electrode layers 11 and 13 may be made of a ferromagnetic material. Also, the electrode layer 11,
The layer 13 and the granular magnetic layer 12 are not limited to being directly stacked, and an insulating film having a thickness enough to allow a tunnel current to flow may be interposed between them.
【００４４】このような構造において、グラニュラー磁
性層１２に設けた電極１６を通して、第１の電極層（強
磁性体）１１とグラニュラー磁性層１２との間に電圧Ｖ
EBを印加する。そして、グラニュラー磁性層１２と第２
の電極層（非磁性体）１３との間に逆符号の電圧ＶCBを
印加する。ここで、グラニュラー磁性層１２中の強磁性
微粒子１５の大きさは十分に小さく、また周囲を誘電体
マトリックス１４によって囲まれているため、クーロン
ブロッケード効果によって強磁性微粒子１５のエネルギ
ー準位は、静電エネルギーＥc ＝ｅ2 /2Ｃ（ｅは電子の
電荷、Ｃは粒子の容量）のために、図４（ｂ）に示すよ
うに量子化されて離散的になる。In such a structure, the voltage V is applied between the first electrode layer (ferromagnetic material) 11 and the granular magnetic layer 12 through the electrode 16 provided on the granular magnetic layer 12.
Apply EB . Then, the granular magnetic layer 12 and the second
A voltage V CB having the opposite sign is applied between the electrode layer (nonmagnetic material) 13 of FIG. Here, since the size of the ferromagnetic particles 15 in the granular magnetic layer 12 is sufficiently small and the periphery thereof is surrounded by the dielectric matrix 14, the energy level of the ferromagnetic particles 15 becomes static by the Coulomb blockade effect. Due to the electric energy E c = e 2 / 2C (e is the charge of the electron, C is the capacity of the particle), it is quantized and becomes discrete as shown in FIG.
【００４５】従って、前述した第１の実施形態と同様
に、適当な値のバイアス電圧ＶCBを印加すると、グラニ
ュラー磁性層と第１の電極層（強磁性層）１１との間に
共鳴トンネル準位が形成される。そして、共鳴状態にあ
るときは磁気抵抗が小さく、共鳴から外れるとクーロン
ブロッケード効果により大きな磁気抵抗効果が得られ
る。よって、電極１６により磁性粒子の静電エネルギー
準位を共鳴状態からはずすように制御し、例えばグラニ
ュラー磁性層１２の磁化を固定し、強磁性層１１の磁化
を反転させれば、両者でトンネル電流が大きく異なるた
め、非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。Therefore, as in the first embodiment, when a bias voltage V CB having an appropriate value is applied, the resonance tunneling voltage between the granular magnetic layer and the first electrode layer (ferromagnetic layer) 11 is increased. An order is formed. When in a resonance state, the magnetoresistance is small, and when the resonance is out of resonance, a large magnetoresistance effect is obtained due to the Coulomb blockade effect. Therefore, if the electrostatic energy level of the magnetic particles is controlled by the electrode 16 so as to be out of the resonance state, for example, the magnetization of the granular magnetic layer 12 is fixed and the magnetization of the ferromagnetic layer 11 is reversed, the tunnel current is increased by both. , A very large magnetoresistance effect can be obtained.
【００４６】一方、電極１６により磁性粒子の静電エネ
ルギー準位を共鳴状態によるように制御するとクーロン
ブロッケード効果が消失し、磁気抵抗効果は減少する。
このように、電極１６に加える電圧を制御することで、
磁気抵抗効果を制御できるという新しい機能を持たせる
ことができる。On the other hand, if the electrostatic energy level of the magnetic particles is controlled by the electrode 16 so as to be in a resonance state, the Coulomb blockade effect disappears and the magnetoresistance effect decreases.
Thus, by controlling the voltage applied to the electrode 16,
A new function of controlling the magnetoresistance effect can be provided.
【００４７】第２のスピン依存伝導素子においても、前
述した第１のスピン依存伝導素子と同様に、強磁性層１
１とグラニュラー磁性層１２とのスピンの相対角度を検
出することができる。また、図５に示すように、表面に
絶縁層１９を有する基板１８上に形成したグラニュラー
磁性層１２にバイアス電圧を印加するための電極１７を
設けた構造とすることもできる。すなわち、第１の電極
層１１と第２の電極層１３との間に電圧を印加してトン
ネル電流を流し、電極１７からグラニュラー磁性層１２
にバイアス電圧を印加してグラニュラー磁性層１２中の
離散的エネルギー準位を制御することにより、共鳴状態
を生じさせることができる。この際、グラニュラー磁性
層１２は図６に示すように、単一の強磁性微粒子で量子
ドットを形成しているものであってもよい。図４に示し
た素子についても同様である。Also in the second spin-dependent conductive element, the ferromagnetic layer 1
1 and the relative angle of the spin between the granular magnetic layer 12 can be detected. Further, as shown in FIG. 5, a structure in which an electrode 17 for applying a bias voltage to the granular magnetic layer 12 formed on a substrate 18 having an insulating layer 19 on the surface may be provided. That is, a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 to cause a tunnel current to flow, and the granular magnetic layer 12
By controlling a discrete energy level in the granular magnetic layer 12 by applying a bias voltage to the magnetic layer 12, a resonance state can be generated. At this time, the granular magnetic layer 12 may be one in which quantum dots are formed by a single ferromagnetic fine particle as shown in FIG. The same applies to the element shown in FIG.
【００４８】さらに、本発明の第２のスピン依存伝導素
子において、グラニュラー磁性層は1層に限られるもの
ではなく、グラニュラー磁性層と強磁性層とをさらに多
層積層した積層膜を適用することも可能である。このよ
うな構成においても、グラニュラー磁性層の離散的エネ
ルギー準位を制御することとよって、スピン依存共鳴状
態を生じさせることができる。Further, in the second spin-dependent conductive element of the present invention, the number of granular magnetic layers is not limited to one, and a laminated film in which granular magnetic layers and ferromagnetic layers are further laminated may be applied. It is possible. Even in such a configuration, a spin-dependent resonance state can be generated by controlling the discrete energy levels of the granular magnetic layer.
【００４９】図４〜図６に示したスピン依存伝導素子に
おいて、グラニュラー磁性層１２は超常磁性を示さず、
有限の保磁力を有する強磁性体であるため、従来のグラ
ニュラーＧＭＲ材料のような飽和磁界が大きいという問
題はない。また、グラニュラー磁性層１２は誘電体マト
リックス１４中に磁性微粒子１５を分散させているた
め、誘電体層をもつ強磁性トンネル接合に比べて電気抵
抗が小さく、さらにグラニュラー磁性層１２の電流パス
方向（膜厚方向あるいは膜面内方向）の長さ、磁性微粒
子１５の体積充填率、大きさ、分散状態などを制御する
ことによって、電気抵抗を適当な値に制御できるという
特徴を有してる。このため、応用に応じてスピン依存伝
導素子の電気抵抗を容易に調整することができる。In the spin-dependent conductive element shown in FIGS. 4 to 6, the granular magnetic layer 12 does not show superparamagnetism,
Since it is a ferromagnetic material having a finite coercive force, there is no problem that a saturation magnetic field is large as in a conventional granular GMR material. Also, since the magnetic particles 15 are dispersed in the dielectric matrix 14 in the granular magnetic layer 12, the electrical resistance is smaller than that of the ferromagnetic tunnel junction having the dielectric layer, and the current path direction of the granular magnetic layer 12 ( The electrical resistance can be controlled to an appropriate value by controlling the length in the film thickness direction or the in-plane direction of the film, the volume filling rate of the magnetic fine particles 15, the size, the dispersion state, and the like. Therefore, the electric resistance of the spin-dependent conductive element can be easily adjusted depending on the application.
【００５０】グラニュラー磁性層１２は、上述したよう
に超常磁性体でなく、有限の保磁力を持つ必要がある。
誘電体マトリックス中に磁性微粒子を分散させたグラニ
ュラー磁性材料では、バルクに比べて一般に保磁力がか
なり小さくなるので、それを防ぐために、磁性微粒子１
５には特に磁気異方性の大きいＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ合金、
Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属一希土類合金などを用いるこ
とが望ましい。また、トンネル障壁を一定にする意味か
ら、これらの磁性微粒子１５は層状に配列していること
が望ましい。これらは 2層以上に配列させてもよい。The granular magnetic layer 12 is not a superparamagnetic material as described above, but needs to have a finite coercive force.
In a granular magnetic material in which magnetic fine particles are dispersed in a dielectric matrix, the coercive force is generally considerably smaller than that of a bulk magnetic material.
5 includes Co, Co-Pt alloy having particularly large magnetic anisotropy,
It is desirable to use an Fe-Pt alloy, a transition metal-rare earth alloy, or the like. In order to make the tunnel barrier constant, it is desirable that these magnetic fine particles 15 are arranged in a layered manner. These may be arranged in two or more layers.
【００５１】また、保磁力があまり大きくないグラニュ
ラー磁性材料を使用する場合には、グラニュラー磁性層
の両端部に一対の硬磁性膜を隣接配置し、この硬磁性膜
からバイアス磁界を印加することによりスピンを固定し
てもよい。バイアス磁界印加膜としては硬磁性膜に限ら
ず、ＦｅＭｎやＩｒＭｎなどの反強磁性膜を使用するこ
ともできる。When a granular magnetic material having a small coercive force is used, a pair of hard magnetic films is disposed adjacent to both ends of the granular magnetic layer, and a bias magnetic field is applied from the hard magnetic film. The spin may be fixed. The bias magnetic field applying film is not limited to the hard magnetic film, but may be an antiferromagnetic film such as FeMn or IrMn.
【００５２】グラニュラー磁性層１２における磁性微粒
子１５の粒径は、超常磁性にならない程度の大きさ、具
体的には 1nm以上とすることが望ましい。ただし、あま
り磁性微粒子１５が大きいと粒子間隔が増大するため、
磁性微粒子７の粒径は10nm以下程度とすることが好まし
い。磁性微粒子１５の間隔は、それらの間でトンネル電
流が流れるように 5nm以下程度とすることが好ましい。It is desirable that the particle size of the magnetic fine particles 15 in the granular magnetic layer 12 be large enough not to become superparamagnetic, specifically, 1 nm or more. However, if the magnetic fine particles 15 are too large, the particle spacing increases, so that
The particle size of the magnetic fine particles 7 is preferably set to about 10 nm or less. The distance between the magnetic fine particles 15 is preferably about 5 nm or less so that a tunnel current flows between them.
【００５３】また、誘電体マトリックス１４としては、
Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ΜｇＦ2 、Ｂｉ
2 Ｏ3 、ＡｌＮ、ＣａＦ2 などの種々の誘電体材料を使
用することができ、このような誘電体膜中に上記したよ
うな磁性微粒子１５を分散させることでグラニュラー磁
性層１２が得られる。なお、上記した酸化膜、窒化膜、
フッ化膜などでは、それぞれの元素の欠損が一般的に存
在するが、そのような誘電体膜であっても何等問題はな
い。Further, as the dielectric matrix 14,
Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, ΔgF 2 , Bi
Various dielectric materials such as 2 O 3 , AlN, and CaF 2 can be used, and by dispersing the magnetic fine particles 15 in such a dielectric film, the granular magnetic layer 12 can be obtained. Note that the above-described oxide film, nitride film,
In a fluoride film or the like, defects of each element generally exist, but there is no problem with such a dielectric film.
【００５４】一方、強磁性層１１としてはグラニュラー
磁性層１２との間で保磁力に大小関係を有していればよ
く、例えばパーマロイに代表されるＦｅ−Ｎｉ合金、強
磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む合金、
ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂのようなホイスラー合金な
どのハーフメタル、ＣｒＯ2 、マグネタイト、Ｍｎペロ
ブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル、アモルファ
ス合金などの種々の軟磁性材料から、Ｃｏ−Ｐｔ合金、
Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希士類合金などの硬磁性材
料まで、種々の強磁性材料を使用することができる。On the other hand, the ferromagnetic layer 11 only needs to have a magnitude relationship in coercive force with the granular magnetic layer 12, for example, an Fe—Ni alloy represented by permalloy, Fe, Co , Ni and alloys containing them,
From various soft magnetic materials such as half metal such as Heusler alloy such as NiMnSb and PtMnSb, oxide half metal such as CrO 2 , magnetite and Mn perovskite, amorphous alloy, Co-Pt alloy,
Various ferromagnetic materials can be used, such as hard magnetic materials such as Fe-Pt alloys and transition metal-rare alloys.
【００５５】例えば、ハーフメタルは一方のスピンバン
ドにエネルギーギャップが存在するので、一方向のスピ
ンを持つ電子しか伝導に寄与しない。従って、このよう
な材料を強磁性層１１として使用することで、より大き
な磁気抵抗効果を得ることができる。なお、第２の電極
層１３に強磁性体を使用する場合、第１の電極層（強磁
性体）１１と必ずしも同じ材料である必要はなく、グラ
ニュラー磁性層１２と保磁力の違いがあればよい。For example, since a half metal has an energy gap in one spin band, only electrons having a spin in one direction contribute to conduction. Therefore, by using such a material as the ferromagnetic layer 11, a greater magnetoresistance effect can be obtained. When a ferromagnetic material is used for the second electrode layer 13, it is not always necessary to use the same material as the first electrode layer (ferromagnetic material) 11, and if there is a difference in coercive force from the granular magnetic layer 12, Good.
【００５６】強磁性層１１は単層構造に限らず、非磁性
層を介して配置した 2つの強磁性層を有し、これら強磁
性層の磁化を互いに反平行となるように結合させた積層
膜であってもよい。このような反平行に結合させた積層
膜によれば、強磁性層から磁束が外部に漏れることを防
ぐことができ、好ましい形態ということができる。この
ような反平行に結合した強磁性層を得るためには、強磁
性層と非磁性層とを交互に積層し、交換結合や静磁結合
を利用すればよい。The ferromagnetic layer 11 is not limited to a single-layer structure, but has two ferromagnetic layers arranged via a non-magnetic layer, and has a laminated structure in which the magnetizations of these ferromagnetic layers are coupled so as to be antiparallel to each other. It may be a membrane. According to such an anti-parallel laminated film, the magnetic flux can be prevented from leaking from the ferromagnetic layer to the outside, which is a preferable embodiment. In order to obtain such antiferromagnetically coupled ferromagnetic layers, ferromagnetic layers and nonmagnetic layers may be alternately stacked and exchange coupling or magnetostatic coupling may be used.
【００５７】さらに、強磁性層と半導体層とを交互に積
層した積層膜を、強磁性層１１として用いることもでき
る。この場合には、熱や光照射によりスピンを反転させ
ることができるため、磁界が不要になるという特徴があ
る。すなわち、例えば光や熱で記録し、バイアス電圧を
印加することで読み出す、新しいメモリなどが実現でき
る。このような積層膜に用いる半導体としては、Ｂ20構
造のＦｅＳｉ合金やβ−ＦｅＳｉ2 、ＧａＡｓなどを用
いることができる。Further, a laminated film in which ferromagnetic layers and semiconductor layers are alternately laminated can be used as the ferromagnetic layer 11. In this case, since the spin can be inverted by heat or light irradiation, there is a feature that a magnetic field becomes unnecessary. That is, for example, a new memory that records by light or heat and reads out by applying a bias voltage can be realized. Such semiconductor used for the laminated film, or the like can be used B 20 structure FeSi alloy or beta-FeSi 2, GaAs of.
【００５８】グラニュラー磁性層１２および強磁性層１
１は、それぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有することが
望ましい。これによって、急峻な磁化反転を起こすこと
ができると共に、磁化状態を安定して保持することがで
きる。これらは特に磁気記憶素子に適用する場合に有効
である。また、グラニュラー磁性層１２および強磁性層
１１の膜厚は 0.5〜 100nmの範囲とすることが好まし
い。このうち、グラニュラー磁性層１２の膜厚はできる
だけ薄い方が好ましいが、作製上均一な膜厚を維持する
ことができ、またトンネル電流に対して悪影響を及ぼさ
ない膜厚であればよく、例えば50nm以下であればよい。Granular magnetic layer 12 and ferromagnetic layer 1
1 preferably have uniaxial magnetic anisotropy in the film plane. As a result, steep magnetization reversal can be caused, and the magnetization state can be stably maintained. These are particularly effective when applied to a magnetic storage element. The thickness of the granular magnetic layer 12 and the ferromagnetic layer 11 is preferably in the range of 0.5 to 100 nm. Of these, the thickness of the granular magnetic layer 12 is preferably as thin as possible, but it is sufficient that the thickness can maintain a uniform thickness in production and does not adversely affect the tunnel current. The following may be sufficient.
【００５９】上述した各実施形態においては、本発明の
第１および第２のスピン依存伝導素子を 3端子素子とし
て利用する場合について主として説明したが、本発明の
スピン依存伝導素子は 2端子素子とすることもできる。
例えば、図１〜図３に示したスピン依存伝導素子および
図４〜図５に示したスピン依存伝導素子において、第１
および第２の電極層間（強磁性層間あるいは強磁性層と
非磁性層間）に電圧を印加し、その間の電流を測定すれ
ば、印加電圧が適当な値のときにスピン依存共鳴状態を
生じさせることができる。このように、本発明のスピン
依存伝導素子は2端子素子構造および 3端子素子構造の
いずれにも適用可能である。In each of the embodiments described above, the case where the first and second spin-dependent conductive elements of the present invention are used as three-terminal elements has been mainly described, but the spin-dependent conductive element of the present invention is a two-terminal element. You can also.
For example, in the spin-dependent conductive element shown in FIGS. 1 to 3 and the spin-dependent conductive element shown in FIGS.
By applying a voltage between the second electrode layer (the ferromagnetic layer or the ferromagnetic layer and the non-magnetic layer) and measuring the current therebetween, it is possible to generate a spin-dependent resonance state when the applied voltage has an appropriate value. Can be. Thus, the spin-dependent conductive element of the present invention can be applied to both the two-terminal element structure and the three-terminal element structure.
【００６０】以上説明したように、本発明のスピン依存
伝導素子は電流増幅作用を有し、かつバイアス電圧が半
導体トランジスタに比べて非常に小さく、従って省電力
化できる。また、基本的に金属を用いているので、伝導
電子の数が半導体に比べて圧倒的に多い。よって、素子
サイズが微細化してもキャリアの数が多いので問題ない
というような特徴を有する。本発明のスピン依存伝導素
子は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記
憶素子などの磁気抵抗効果を利用した磁気部品および電
子部品に限らず、半導体を用いたトランジスタと同様の
機能を有することから、半導体が用いられてきた種々の
電子部品や電子装置に適用することが可能である。ま
た、半導体トランジスタなどの従来の半導体素子と組み
合わせて使用することも可能である。As described above, the spin-dependent conductive element of the present invention has a current amplifying action, and has a much lower bias voltage than a semiconductor transistor, and therefore can save power. Further, since a metal is basically used, the number of conduction electrons is much larger than that of a semiconductor. Therefore, there is a feature that even if the element size is reduced, there is no problem because the number of carriers is large. The spin-dependent conductive element of the present invention is not limited to a magnetic component and an electronic component utilizing a magnetoresistance effect, such as a magnetoresistive magnetic head, a magnetic field sensor, and a magnetic storage element, and has a function similar to a transistor using a semiconductor. Therefore, the present invention can be applied to various electronic components and electronic devices in which a semiconductor has been used. Further, it can be used in combination with a conventional semiconductor element such as a semiconductor transistor.
【００６１】次に、本発明のスピン依存伝導電子の具体
的な素子構造について、図７および図８を参照して、 3
端子素子を例として説明する。なお、図７および図８で
はグラニュラー磁性層を用いたスピン依存伝導素子を示
したが、強磁性層に離散的エネルギー準位が形成される
スピン依存伝導素子も同様な素子構造とすることができ
る。Next, a specific device structure of the spin-dependent conduction electron of the present invention will be described with reference to FIGS.
A description will be given of a terminal element as an example. Note that FIGS. 7 and 8 show a spin-dependent conductive element using a granular magnetic layer. However, a spin-dependent conductive element in which a discrete energy level is formed in a ferromagnetic layer can have a similar element structure. .
【００６２】まず、図７に示す 3端子構造のスピン依存
伝導電子は、基板２１上に導体層２２、強磁性層２３
（２３ａ、２３ｂ）、グラニュラー磁性層２４および金
属層２５が順に積層されている。すなわち、グラニュラ
ー磁性層２４が強磁性層２３ａとゲート電極２５とによ
り挟まれた構造を有している。First, a spin-dependent conduction electron having a three-terminal structure shown in FIG.
(23a, 23b), a granular magnetic layer 24 and a metal layer 25 are sequentially laminated. That is, it has a structure in which the granular magnetic layer 24 is sandwiched between the ferromagnetic layer 23a and the gate electrode 25.
【００６３】ここで、強磁性層２３ｂは強磁性層２３ａ
にバイアス磁界を印加し、その保磁力を小さくする機能
をもたせたものであり、特に形成しなくてもよい。導体
層２２はそれに流す電流の向きを変えることによって、
強磁性層２３のスピンの向きを制御する役割を有する。
グラニュラー磁性層２４には 2つの電極２６、２７によ
りバイアス電圧が印加されるようになっている。なお、
図中２８は絶縁膜、２９は保護膜を兼ねた絶縁膜であ
る。なお、電極２６、２６′および電極２７、２７′は
それぞれ一方のみであってもよい。Here, the ferromagnetic layer 23b is
Has a function of applying a bias magnetic field to reduce the coercive force of the bias magnetic field. By changing the direction of the current flowing through the conductor layer 22,
It has a role of controlling the spin direction of the ferromagnetic layer 23.
A bias voltage is applied to the granular magnetic layer 24 by two electrodes 26 and 27. In addition,
In the figure, 28 is an insulating film, and 29 is an insulating film also serving as a protective film. The electrodes 26 and 26 'and the electrodes 27 and 27' may each be only one.
【００６４】グラニュラー磁性層２４中の磁性微粒子は
サイズが小さく、そのためクーロンブロッケード効果に
よって静電エネルギーに基づく離散的エネルギー準位が
形成されている。このような構造において、電極２７と
電極２６の間（または電極２７′と電極２６′の間）に
電圧を印加するとトンネル電流が流れる。そして、ゲー
ト電極２５にバイアス電圧を印加すると、グラニュラー
磁性層２４の静電エネルギー準位を制御擦ることができ
る。The magnetic fine particles in the granular magnetic layer 24 are small in size, so that discrete energy levels based on electrostatic energy are formed by the Coulomb blockade effect. In such a structure, when a voltage is applied between the electrodes 27 and 26 (or between the electrodes 27 'and 26'), a tunnel current flows. When a bias voltage is applied to the gate electrode 25, the electrostatic energy level of the granular magnetic layer 24 can be controlled and rubbed.
【００６５】この際、バイアス電圧を適当な値に制御す
ると、前述したようにグラニュラー磁性層２４に形成さ
れた離散的エネルギー準位がシフトし、強磁性層２３の
伝導電子のエネルギーと異なるように設定できる。そし
て、強磁性層２３のスピンを反転させることによって、
大きな磁気抵抗効果が得られる。一方、離散的エネルギ
ー準位を強磁性層２３の伝道電子のエネルギーと同レベ
ルに制御すると共鳴トンネル効果が生じ、このとき磁気
抵抗は大きく減少する。すなわち、外部磁界を印加する
ことなく、バイアス電圧を印加するだけで、トンネル電
流の大きさからスピンの向きを判定することができる。At this time, when the bias voltage is controlled to an appropriate value, the discrete energy level formed in the granular magnetic layer 24 shifts as described above, so that the energy level differs from the conduction electron energy of the ferromagnetic layer 23. Can be set. Then, by inverting the spin of the ferromagnetic layer 23,
A large magnetoresistance effect is obtained. On the other hand, if the discrete energy level is controlled to the same level as the energy of the conduction electrons of the ferromagnetic layer 23, a resonance tunnel effect occurs, and the magnetoresistance is greatly reduced at this time. That is, the spin direction can be determined from the magnitude of the tunnel current only by applying a bias voltage without applying an external magnetic field.
【００６６】図７は強磁性層とグラニュラー磁性層とを
基板面に対して垂直方向に積層した素子構造であるが、
図８に示すように、グラニュラー磁性層２４を少なくと
も一方が強磁性体からなる電極（３０ａ、３０ｂ）で挟
み、それらが基板面に対してプラーナ型に配置された構
造とすることも可能である。この場合、基板２１表面に
は絶縁層３１を形成し、この絶縁層３１を介してグラニ
ュラー磁性層２４を形成する。このグラニュラー磁性層
２４上には薄い絶縁層３２を介して電極３３を形成し、
電極３３と基板２１との間にバイアス電圧を印加する。
これは半導体トランジスタでいうところのＦＥＴに相当
する。FIG. 7 shows an element structure in which a ferromagnetic layer and a granular magnetic layer are stacked in a direction perpendicular to the substrate surface.
As shown in FIG. 8, it is also possible to adopt a structure in which at least one of the granular magnetic layers 24 is sandwiched between electrodes (30a, 30b) made of a ferromagnetic material, and these are arranged in a planar shape with respect to the substrate surface. . In this case, the insulating layer 31 is formed on the surface of the substrate 21, and the granular magnetic layer 24 is formed via the insulating layer 31. An electrode 33 is formed on the granular magnetic layer 24 via a thin insulating layer 32,
A bias voltage is applied between the electrode 33 and the substrate 21.
This corresponds to an FET in a semiconductor transistor.
【００６７】図８に示すような素子構造においても、適
当なバイアス電圧を印加するとグラニュラー磁性層２４
に形成された離散的エネルギー準位がシフトし、上述し
たように強磁性層（３０ａ）の伝導電子のエネルギーと
異なるとき大きくスピンに依存したトンネル電流が流れ
る。そして、強磁性層３０ａとグラニュラー磁性層２４
のうち、保磁力の小さい方のスピンを反転させることに
よって大きな磁気抵抗効果が得られる。なお、図８では
導体３４に電流を流して、強磁性層３０ａのスピンを反
転させる構造になっている。図中３５は絶縁層である。
すなわち、外部磁場を印加することなく、電極３３にバ
イアス電圧を印加するだけで、トンネル電流の大きさか
らスピンの向きを判定することができる。In the element structure shown in FIG. 8, when an appropriate bias voltage is applied, the granular magnetic layer
When the discrete energy level formed in the ferromagnetic layer (30a) is different from the energy of the conduction electrons in the ferromagnetic layer (30a), a tunnel current largely depending on the spin flows. Then, the ferromagnetic layer 30a and the granular magnetic layer 24
Among them, by inverting the spin having the smaller coercive force, a large magnetoresistance effect can be obtained. In FIG. 8, the structure is such that a current flows through the conductor 34 to reverse the spin of the ferromagnetic layer 30a. In the figure, reference numeral 35 denotes an insulating layer.
That is, the spin direction can be determined from the magnitude of the tunnel current only by applying a bias voltage to the electrode 33 without applying an external magnetic field.
【００６８】上述した素子によるスピンの向きの判定
は、従来の磁気抵抗効果素子と同様に、磁気ヘッドや磁
気センサとして利用することができ、さらには磁気記憶
素子の記憶情報（スピン情報）読み出しに利用すること
ができる。また、本発明のスピン依存伝導素子を磁気記
憶素子に用いる場合には、強磁性層（あるいはグラニュ
ラー磁性膜）に書き込みを行う必要があるが、それは強
磁性層（あるいはグラニュラー磁性層）に対して絶縁層
を介して導体を近接させ、それに流す電流の向きにより
スピンの向きを制御し、それを１，０とすればよい。こ
のようにして、本発明の磁気部品が構成される。また同
様に、本発明のスピン依存伝導素子を用いて、従来半導
体が用いられてきた種々の電子部品を構成することがで
きる。The above-described determination of the spin direction by the element can be used as a magnetic head or a magnetic sensor as in the case of the conventional magnetoresistive element, and can be used for reading the stored information (spin information) of the magnetic storage element. Can be used. When the spin-dependent conductive element of the present invention is used for a magnetic storage element, it is necessary to write data on a ferromagnetic layer (or granular magnetic film). The direction of the spin may be controlled to be 1, 0 by controlling the direction of the spin according to the direction of the current flowing through the conductor close to the conductor via the insulating layer. Thus, the magnetic component of the present invention is configured. Similarly, using the spin-dependent conductive element of the present invention, various electronic components in which a semiconductor has been conventionally used can be formed.
【００６９】なお、本発明のスピン依存伝導素子では、
磁性材料または非磁性材料からなる下地層、または非磁
性体のオーバーコー卜層などを設けてもよい。また、本
発明のスピン依存伝導素子は典型的には薄膜状であり、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸
着法など通常の薄膜形成装置を用いて作製することがで
きる。さらに、本発明に係わる積層膜を成膜するための
基板としては、ガラス、セラミックス、金属、半導体な
どの単結晶体および多結晶体など、任意のものを用いる
ことができる。特に、Ｓｉ基板を用いれば、例えばゲー
ト電極を形成し易いなど、従来の半導体技術を利用する
ことができる。In the spin-dependent conduction element according to the present invention,
An underlayer made of a magnetic material or a nonmagnetic material, or a nonmagnetic overcoat layer may be provided. Further, the spin-dependent conductive element of the present invention is typically in the form of a thin film,
It can be manufactured using a normal thin film forming apparatus such as a molecular beam epitaxy (MBE) method, various sputtering methods, and a vapor deposition method. Further, as a substrate for forming the laminated film according to the present invention, any substrate such as a single crystal and a polycrystal of glass, ceramics, metal, semiconductor and the like can be used. In particular, when a Si substrate is used, a conventional semiconductor technology can be used, for example, a gate electrode can be easily formed.
【００７０】[0070]
【実施例】次に，本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について説明する。Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.
【００７１】実施例１ 図７に示した構造の 3端子素子（スピントランジスタ）
を作製した。薄膜は全てスパッタ法を用い成膜した。ま
ず、熱酸化Ｓｉ基板２１上に導体層２２としてＣｕ膜を
成膜し、引き続き強磁性層２３ｂ、２３ａ膜としてそれ
ぞれ20nm厚のＦｅおよび10nm厚のＣｏ80Ｐｔ20を形成し
た。次に、この強磁性層２３上に膜厚10nmのグラニュラ
ー磁性層２４を形成し、さらに電極２７、２７′として
Ａｕ膜、アルミナ絶縁膜２８、電極２６、２６′として
Ａｕ膜、ゲート電極２５としてＣｏ9 Ｆｅ合金膜、保護
膜２９としてアルミナ絶縁膜をそれぞれ成膜した。な
お、図７に示した素子構造はリフトオフ法を用いて作製
した。Example 1 Three-terminal element (spin transistor) having the structure shown in FIG.
Was prepared. All the thin films were formed by a sputtering method. First, a Cu film was formed as a conductor layer 22 on a thermally oxidized Si substrate 21. Subsequently, Fe films having a thickness of 20 nm and Co 80 Pt 20 having a thickness of 10 nm were formed as ferromagnetic layers 23b and 23a, respectively. Next, a granular magnetic layer 24 having a thickness of 10 nm is formed on the ferromagnetic layer 23, and an Au film, an alumina insulating film 28 as the electrodes 27 and 27 ', an Au film as the electrodes 26 and 26', and a gate electrode 25 as the gate electrode 25. An alumina insulating film was formed as the Co 9 Fe alloy film and the protective film 29, respectively. Note that the element structure shown in FIG. 7 was manufactured by using a lift-off method.
【００７２】グラニュラー磁性層は、Ｃｏ80Ｐｔ20合金
とＳｉＯ2 をターゲットとして、Ａｒガス圧2mTorr、基
板バイアス400Wの条件下で、Ｃｏ80Ｐｔ20とＳｉＯ2 を
同時スパッタして作製した。得られた膜は、ＳｉＯ2 中
にＣｏ80Ｐｔ20合金粒子が約 50%の割合で層状に分散し
たグラニュラー構造になっていることを、膜断面の透過
型電子顕微鏡観察により確認した。Ｃｏ80Ｐｔ20合金粒
子の粒径は約 5nm、粒子間距離は約 1.5nmであった。ま
た、試料振動型磁力計を用いて磁化測定を行った結果、
保磁力は 600Ｏe と大きく、また明瞭なヒステリシスが
得られ、超常磁性的挙動は観測されなかった。The granular magnetic layer was prepared by simultaneously sputtering Co 80 Pt 20 and SiO 2 under the conditions of an Ar gas pressure of 2 mTorr and a substrate bias of 400 W using a Co 80 Pt 20 alloy and SiO 2 as targets. It was confirmed by observation with a transmission electron microscope of a cross section of the film that the obtained film had a granular structure in which Co 80 Pt 20 alloy particles were dispersed in a layer at a ratio of about 50% in SiO 2 . The particle size of the Co 80 Pt 20 alloy particles was about 5 nm, and the distance between the particles was about 1.5 nm. In addition, as a result of performing magnetization measurement using a sample vibration type magnetometer,
The coercive force was as large as 600 Oe, a clear hysteresis was obtained, and no superparamagnetic behavior was observed.
【００７３】このようにして作製した 3端子素子（スピ
ントランジスタ）を以下のようにして評価した。まず、
2つの電極２６、２７間に電圧を印加してグラニュラー
磁性層２４を流れる電流Ｉc を測定し、同時にゲート電
極２５にバイアス電圧ＶG を印加し、グラニュラー磁性
層２４をトンネルして金属層（磁性膜）２５に流れる電
流ＩC をバイアス電圧の関数として測定した。また、そ
の際に導体層２２に電流を流し、その向きを変えること
によって、強磁性層２３のスピンの向きを変えた。The three-terminal device (spin transistor) thus manufactured was evaluated as follows. First,
By applying a voltage between the two electrodes 26, 27 to measure the current I c flowing through the granular magnetic layer 24, a bias voltage V G is applied to the gate electrode 25 at the same time, the metal layer a granular magnetic layer 24 and the tunnel ( was measured current I C flowing through the magnetic film) 25 as a function of bias voltage. At this time, the direction of spin of the ferromagnetic layer 23 was changed by passing a current through the conductor layer 22 and changing the direction.
【００７４】図９に、ＶG に対するＩC の変化を示す。
なお、ここでは強磁性層２３とグラニュラー磁性層２４
のスピンは互いに平行である。ＶG が適当な値に達した
ときＩC が急増しており、共鳴トンネル電流が流れたこ
とを示している。[0074] Figure 9 shows the change in I C relative to V G.
Here, the ferromagnetic layer 23 and the granular magnetic layer 24
Are parallel to each other. V G has I C increases rapidly when it reaches the appropriate value, indicating that the resonant tunneling current flows.
【００７５】図１０は、ＶG ＝ 0の場合の外部磁場によ
るＩC の変化を抵抗変化として表したものである。外部
磁界により抵抗が大きく変化し、その変化率すなわち磁
気抵抗変化率（飽和磁場下における抵抗に対する抵抗変
化の比）△Ｒ／Ｒs は、 45%と非常に大きいことが分か
る。一方、ＶG ＝11mVのときの磁気抵抗変化率は 15%で
あった。これは本発明のスピン依存伝導素子を磁気ヘッ
ド、磁気センサ、磁気記憶素子などに適用できることを
示していると共に、ゲート電圧によって磁気抵抗を制御
できることを示している。FIG. 10 shows a change in I C due to an external magnetic field when V G = 0 as a resistance change. External magnetic field by resistance changes significantly, the rate of change i.e. magnetoresistance ratio (the ratio of resistance change to the resistance under saturating field) △ R / R s It can be seen very large and 45%. On the other hand, when V G = 11 mV, the magnetoresistance ratio was 15%. This indicates that the spin-dependent conductive element of the present invention can be applied to a magnetic head, a magnetic sensor, a magnetic storage element, and the like, and that the magnetoresistance can be controlled by a gate voltage.
【００７６】[0076]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のスピン依
存伝導素子によれば、電気抵抗を広い範囲で制御するこ
とができ、かつ小さな磁場で大きい磁気抵抗変化率を容
易に得ることができる。従って、本発明のスピン依存伝
導素子を用いることによって、出力電圧の大きい高感度
の磁気ヘッドや磁界センサなどを構成することが可能に
なる。また、磁気記憶素子として利用すれば、外部磁界
を印加することなく記憶情報を読み出すことができ、か
つ高速で出力の大きい不揮発性の固体磁気メモリを提供
することができる。さらに、本発明のスピン依存伝導素
子は電流増幅機能を有することから、従来の半導体を用
いた種々の電子部品や電子装置に適用することができ
る。As described above, according to the spin-dependent conduction element of the present invention, the electric resistance can be controlled in a wide range, and a large magnetoresistance ratio can be easily obtained with a small magnetic field. . Therefore, by using the spin-dependent conductive element of the present invention, it is possible to configure a high-sensitivity magnetic head or a magnetic field sensor having a large output voltage. Further, when used as a magnetic storage element, a nonvolatile solid-state magnetic memory which can read stored information without applying an external magnetic field and has a high speed and a large output can be provided. Further, since the spin-dependent conduction element of the present invention has a current amplification function, it can be applied to various electronic components and electronic devices using conventional semiconductors.
【図１】 本発明の第１のスピン依存伝導素子の基本構
成および強磁性 2重トンネル接合のスピン依存共鳴トン
ネル効果を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining a basic configuration of a first spin-dependent conduction element of the present invention and a spin-dependent resonance tunnel effect of a ferromagnetic double tunnel junction.
【図２】 本発明の第１のスピン依存伝導素子の他の構
成を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing another configuration of the first spin-dependent conductive element of the present invention.
【図３】 図１に示すスピン依存伝導素子の変形例を模
式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a modification of the spin-dependent conductive element shown in FIG.
【図４】 本発明の第２のスピン依存伝導素子の基本構
成およびグラニュラー磁性層と強磁性層とからなる 2重
共鳴トンネル接合のスピン依存共鳴トンネル効果を説明
するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a basic configuration of a second spin-dependent conduction element of the present invention and a spin-dependent resonance tunnel effect of a double resonance tunnel junction including a granular magnetic layer and a ferromagnetic layer.
【図５】 本発明の第２のスピン依存伝導素子の他の構
成を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing another configuration of the second spin-dependent conductive element of the present invention.
【図６】 本発明の第２のスピン依存伝導素子のさらに
他の構成を模式的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing still another configuration of the second spin-dependent conductive element according to the present invention.
【図７】 本発明のスピン依存伝導素子を適用した 3端
子素子（スピントランジスタ）の一構成例を示す断面図
である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration example of a three-terminal element (spin transistor) to which the spin-dependent conductive element of the present invention is applied.
【図８】 本発明のスピン依存伝導素子を適用した 3端
子素子（スピントランジスタ）の他の構成例を示す断面
図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration example of a three-terminal element (spin transistor) to which the spin-dependent conductive element of the present invention is applied.
【図９】 本発明の実施例による 3端子素子（スピント
ランジスタ）のバイアス電圧ＶG に対するトンネル電流
ＩC の変化の測定結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a measurement result of a change in a tunnel current I C with respect to a bias voltage V G of a three-terminal device (spin transistor) according to an example of the present invention.
【図１０】 本発明の実施例による 3端子素子（スピン
トランジスタ）の磁気抵抗変化率の磁界依存性を示す図
である。FIG. 10 is a diagram showing the magnetic field dependence of the magnetoresistance ratio of a three-terminal element (spin transistor) according to an example of the present invention.
１……第１の強磁性層（第１の電極層） ２、４……誘電体層（トンネル層） ３……第２の強磁性層 ５……第３の強磁性層（第２の電極層） ６、７、８、１６、１７、１８……電極 １１……強磁性層（第１の電極層） １２……グラニュラー磁性層 １３……非磁性金属層（第２の電極層） 1 ... first ferromagnetic layer (first electrode layer) 2, 4 ... dielectric layer (tunnel layer) 3 ... second ferromagnetic layer 5 ... third ferromagnetic layer (second Electrode layer) 6, 7, 8, 16, 17, 18 ... Electrode 11 ... Ferromagnetic layer (first electrode layer) 12 ... Granular magnetic layer 13 ... Non-magnetic metal layer (second electrode layer)
Claims (11)
が強磁性体からなる2層以上の電極層と、前記強磁性層
および電極層間に 2重以上の多重トンネル接合が形成さ
れるように、前記強磁性層および電極層と交互に積層配
置された誘電体または半導体からなる 2層以上のトンネ
ル層とを具備し、 前記強磁性層に離散的なエネルギー準位が形成されてお
り、かつ前記エネルギー準位を制御するための電極を有
することを特徴とするスピン依存伝導素子。At least one ferromagnetic layer, at least one electrode layer made of a ferromagnetic material and at least two electrode layers, and at least two or more multiple tunnel junctions are formed between the ferromagnetic layer and the electrode layers. The ferromagnetic layer and the electrode layer and two or more tunnel layers made of a dielectric or a semiconductor alternately stacked, and a discrete energy level is formed in the ferromagnetic layer. And an electrode for controlling the energy level.
性微粒子を有し、かつ保磁力を持つ 1層以上のグラニュ
ラー磁性層と、前記グラニュラー磁性層との間に 2重以
上の多重トンネル接合が形成されるように、前記グラニ
ュラー磁性層と近接配置された少なくとも 1層が強磁性
体からなる 2層以上の電極層とを具備し、 前記グラニュラー磁性層に静電エネルギーに基づく離散
的なエネルギー準位が形成されており、かつ前記エネル
ギー準位を制御するための電極を有することを特徴とす
るスピン依存伝導素子。2. The method according to claim 1, wherein the at least one granular magnetic layer having ferromagnetic fine particles dispersed in a dielectric matrix and having a coercive force is formed between the at least one granular magnetic layer and the at least two granular tunnels. The granular magnetic layer has at least one layer disposed in proximity to the granular magnetic layer and at least two electrode layers made of a ferromagnetic material, wherein the granular magnetic layer has discrete energy levels based on electrostatic energy. A spin-dependent conductive element, wherein a phase is formed and an electrode for controlling the energy level is provided.
存伝導素子において、 前記多重トンネル接合はスピン
依存共鳴トンネル効果を示すことを特徴とするスピン依
存伝導素子。3. The spin-dependent conductive element according to claim 1, wherein the multiple tunnel junction exhibits a spin-dependent resonant tunneling effect.
いて、 前記強磁性層と前記強磁性体からなる電極層のうち、一
方のスピンの方向を変化させることにより、前記スピン
依存共鳴トンネル効果に基づく磁気抵抗効果を発現させ
ることを特徴とするスピン依存伝導素子。4. The spin-dependent conductive element according to claim 3, wherein one of the ferromagnetic layer and the electrode layer made of the ferromagnetic material is changed in spin direction to reduce the spin-dependent resonance tunnel effect. A spin-dependent conductive element characterized by exhibiting a magnetoresistive effect based on the spin-dependent conductive element.
いて、 前記グラニュラー磁性層と前記強磁性体からなる電極層
のうち、一方のスピンの方向を変化させることにより、
前記スピン依存共鳴トンネル効果に基づく磁気抵抗効果
を発現させることを特徴とするスピン依存伝導素子。5. The spin-dependent conductive element according to claim 3, wherein the spin direction of one of the granular magnetic layer and the electrode layer made of the ferromagnetic material is changed.
A spin-dependent conduction element, which exhibits a magnetoresistance effect based on the spin-dependent resonance tunnel effect.
存伝導素子において、 前記多重トンネル接合は電流増
幅作用を有することを特徴とするスピン依存伝導素子。6. The spin-dependent conductive element according to claim 1, wherein the multiple tunnel junction has a current amplifying action.
存伝導素子において、 ２端子素子構造または３端子素
子構造を有することを特徴とするスピン依存伝導素子。7. The spin-dependent conductive element according to claim 1, wherein the spin-dependent conductive element has a two-terminal element structure or a three-terminal element structure.
記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とする
電子部品。8. An electronic component comprising the spin-dependent conductive element according to claim 1. Description:
記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とする
磁気部品。9. A magnetic component comprising the spin-dependent conductive element according to claim 1. Description:
項記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とす
る磁気ヘッド。10. The method according to claim 1, wherein
7. A magnetic head comprising the spin-dependent conductive element according to item 5.
項記載のスピン依存伝導素子を具備することを特徴とす
る磁気記憶素子。11. The method according to claim 1, wherein
A magnetic storage element, comprising the spin-dependent conductive element according to any one of the preceding claims.
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