JPWO2006112119A1 - 強磁性二重トンネル接合素子及び磁気デバイス - Google Patents

強磁性二重トンネル接合素子及び磁気デバイス Download PDF

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Abstract

室温で１００％以上のＴＭＲ効果が得られ、ＴＭＲのバイアス電圧による低下が小さい強磁性二重トンネル接合素子（１０）及びそれを用いた磁気デバイスであって、第１の強磁性層（１３）と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層（１４）と、第２の強磁性層（１５）と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層（１６）と、第３の強磁性層（１７）とを基板（２）上に順次積層してなり、少なくとも第１及び第２の絶縁層（１４，１６）と第１及び第２の絶縁層（１４，１６）の間に挿入する第２の強磁性層（１５）とが同一の結晶面を有する結晶であり、第２の強磁性層（１５）の厚さを、第２の強磁性層（１５）中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにする。微分トンネルコンダクタンスが、バイアス電圧変化で共鳴トンネル効果により振動する。

Description

本発明は、室温で１００％以上のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が得られる強磁性二重トンネル接合素子とこの強磁性二重トンネル接合を有する磁気デバイスに関する。
近年、強磁性層と非磁性金属層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子、及び強磁性層と絶縁体層と強磁性層からなる強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子が、新しい磁界センサーや不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）素子として注目されている。
ＭＴＪ素子では、外部磁界によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が室温で得られる（非特許文献１参照）。このＴＭＲは、用いる強磁性体と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれＰ1 ，Ｐ2 とすると、一般に下記（１）式で与えられることが知られている。
ＴＭＲ＝２Ｐ1 Ｐ2 ／（１−Ｐ1 Ｐ2 ） （１）
ここで、強磁性体のスピン分極率Ｐは、０＜Ｐ≦１の値をとる。
最近、非特許文献２及び３により、ＭＴＪ素子において、（１００）面を有するＦｅ、ＭｇＯ、Ｆｅ（以下、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅと表記する）を順に積層したエピタキシャル構造においては、理論計算により大きなＴＭＲが得られることが報告された。
非特許文献４では、室温におけるＴＭＲが８８％と大きくできるＦｅ／ＭｇＯ／Ｆｅ構造のＭＴＪ素子が報告された。さらに、ＴＭＲ値が室温で１８０％に改良することができ、トンネルバリアの厚さを変化させると、ＴＭＲが振動することが非特許文献５で報告された。
非特許文献６及び７では、ＭＴＪ素子をＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ構造とすることにより、室温におけるＴＭＲとして２２０〜２３０％が得られたことが報告された。上記非特許文献４〜７で報告されたＴＭＲ値は、従来の酸化膜をＡｌＯｘとしたＭＴＪ素子のＴＭＲである７５％を凌いだ値である。
本発明者等による非特許文献８には、１００％を超える大きなＴＭＲが得られ、また、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることが可能な強磁性二重トンネル接合素子が報告されている。
T. Miyazaki and N. Tezuka, "Spin polarized tunneling in ferromagnet/insulator/ferromagnet junctions", 1995, J. Magn. Magn. Mater, L39, p.1231 W. H. Butler, X.-G. Zhang, T. C. Schulthess, and J. M. MacLaren, 2001, Phys. Rev. B 63, 054416 J. Mathon and A. Umerski, 2001, Phys. Rev. B 63, R220403 S. Yuasa, A. Fukushima, T. Nagahama, K. Ando, and Y. Suzuki, 2003, Jap. J. Appl. Phys. 43, L588 S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki, and K. Ando, 2004, Nature Materials, Vol.3, p.868 S. S. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, and S.-H. Yang, 2004, Nature Materials, Vol.3, p.868 D. D. Djayaprawira et al., 2005, Appl. Phys. Lett., Vol.86, p.092502 T. Nozaki, A. Hirohata, N. Tezuka, S. Sugimoto, and K. Inomata, published online in Appl. Phys. Lett. on 15 February, 2005, Vol.86, p.082501
ＭＴＪ素子は現在、ハードデイスク用磁気ヘッドに実用化され、さらに不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。このＭＲＡＭでは、ＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで、各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行又は反平行に制御することにより、“１" ，“０" を記録させる。読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行う。しかし、ＭＲＡＭでは高密度化のために素子サイズを小さくすると、素子のバラツキに伴うノイズが増大し、ＴＭＲの値が現状では不足するという問題がある。したがって、より大きなＴＭＲを示すＭＴＪ素子を実現することが課題である。
ＭＲＡＭでは読み出す際に、ＭＴＪ素子へ３００ｍｍＶ程度のバイアス電圧を加えるが、このバイアス電圧によってＴＭＲが大きく低下する。従って、バイアス電圧によるＴＭＲ低下の小さいＭＴＪ素子が望ましい。これを解決する方法の一つとして強磁性二重トンネル接合が知られている。しかしながら、従来の強磁性二重トンネル接合のＴＭＲは５０％以下であり、大容量ＭＲＡＭに使えるような十分大きなＴＭＲを得ることができなかった。また、従来のＭＲＡＭにおいては、メモリセルとしてＭＴＪ素子とＭＯＳトランジスタとを用いる必要があり、ＭＴＪ素子とＭＯＳトランジスタとを集積するために工程が複雑である。
本発明は、上記課題に鑑み、室温で１００％以上のＴＭＲ効果が得られ、かつ、ＴＭＲのバイアス電圧による低下が小さい、強磁性二重トンネル接合素子を提供することを第１の目的としている。
本発明は、また、室温で１００％以上のＴＭＲ効果が得られ、かつ、ＴＭＲのバイアス電圧による低下が小さく、かつ、トンネルコンダクタンス又はトンネル電流が振動する、強磁性二重トンネル接合素子を提供することを第２の目的とし、この強磁性二重トンネル接合を有する磁気デバイスを提供することを第３の目的としている。
上記第１の目的を達成するため、本発明の強磁性二重トンネル接合素子は、第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が基板上に順次積層されてなり、少なくとも第１及び第２の絶縁層と、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第２の強磁性層は、層状の連続膜である。
好ましくは、第１及び第２の絶縁層はＭｇＯからなり、第１〜第３の強磁性層はＦｅからなる。このＦｅの一部を、Ｃｏ又はＮｉ、あるいは、その両方で置換したｂｃｃ構造からなるように形成してもよい。また、好ましくは、基板がＭｇＯからなる。
上記構成によれば、室温において強磁性一重トンネル接合素子よりも大きいＴＭＲが得られる。また、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることができる。したがって、本発明の強磁性二重トンネル接合素子によれば、ＭＲＡＭの読み出し時に大きな信号電圧が得られる。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、強磁性二重トンネル接合素子において、特に、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁層の厚さを薄くし、かつ、積層膜全体が同じ結晶面をもつようにエピタキシャル成長させるか、または二つの絶縁層を同じ結晶面をもつ結晶相とし、二つの絶縁層に挟まれた中央の強磁性層をアモルファス合金にすれば、膜厚が均一でラフネスの小さい強磁性層が得られ、その結果スピンに依存した量子準位が形成され、それを介したトンネル磁気抵抗効果が得られるという知見を得て、本発明を完成するに至った。
上記第２の目的を達成するため、本発明の第２の構成による強磁性二重トンネル接合素子は、第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が基板上に順次積層されてなり、少なくとも第１及び第２の絶縁層と、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、第２の強磁性層の厚さを、第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子は、第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が基板上に順次積層されてなり、少なくとも第１及び第２の絶縁層が同一の結晶面を有する結晶であり、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層はアモルファス合金であり、第２の強磁性層の厚さを、第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、第２の強磁性層は層状の連続膜である。また、第２の強磁性層は島状に配列している。
第１及び第２の絶縁層はＭｇＯからなり、第１〜第３の強磁性層はＦｅからなっていてよい。Ｆｅの一部を、Ｃｏ又はＮｉ、あるいは、その両方で置換したｂｃｃ構造から構成してもよい。好ましくは、基板はＭｇＯからなり、アモルファス合金はＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＳｉＢから成る。好ましくは、強磁性二重トンネル接合素子に印加されるバイアス電圧に対して、トンネルコンダクタンス又はトンネル電流が振動する。
上記構成によれば、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることができる。したがって、本発明の強磁性二重トンネル接合素子によれば、ＭＲＡＭの読み出し時に大きな信号電圧が得られる。また、コンダクタンス又はトンネル電流がバイアス電圧に対して振動する。従って、本発明の強磁性二重トンネル接合素子を、ＭＲＡＭのメモリセルに用いれば、セルの選択が可能となり、ＭＯＳトランジスタを用いる必要がなくなる。
上記第３の目的を達成するため、本発明は、第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合を用いた三端子素子であって、第１の強磁性層及び第３の強磁性層を主電極とし、第２の強磁性層を制御電極とし、少なくとも第１及び第２の絶縁層と、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、第２の強磁性層の厚さを、第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする。
上記構成によれば、コンダクタンスを電圧で制御できる強磁性二重トンネル接合を有する三端子素子が得られる。この三端子素子を従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子の代わりに用いれば、大きなＴＭＲが得られる。共鳴トンネル効果を利用することで、ＭＴＪ素子に電圧を印加した場合のみ大きな電圧が流れるのでセル選択が可能となる。それと同時にセルの選択が可能になるので、ＭＯＳトランジスタを必要としないＭＲＡＭのメモリセルを構成できる。さらには、ＭＲＡＭなどのメモリ以外に、例えばロジック回路などにも使用することができる。
本発明の第２の構成による不揮発性ランダムアクセス磁気メモリは、第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合を、二つのビット線が交差する各位置にマトリックス状に配設して成り、少なくとも第１及び第２の絶縁層と、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、第２の強磁性層の厚さを第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする。
上記構成によれば、強磁性二重トンネル接合を、従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子の代わりに用いれば、大きなＴＭＲが得られる。共鳴トンネル効果を利用することで、ＭＴＪ素子に電圧を印加した場合のみ大きな電圧が流れるのでセル選択が可能となる。それと同時に、セルの選択が可能になるので、従来のＭＲＡＭのメモリセルに用いられていたＭＯＳトランジスタが不要となる。
本発明の第３の構成による不揮発性ランダムアクセス磁気メモリは、第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合を用いた三端子素子を、ワード線とビット線とが交差する各位置にマトリックス状に配設して成り、少なくとも第１及び第２の絶縁層と、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、第２の強磁性層の厚さを第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする。
上記構成によれば、強磁性二重トンネル接合を有する三端子素子を、従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子の代わりに用いれば、大きなＴＭＲが得られる。共鳴トンネル効果を利用することで、ＭＴＪ素子に電圧を印加した場合のみ大きな電圧が流れるのでセル選択が可能となる。それと同時に、従来のＭＲＡＭのメモリセルに用いられていたＭＯＳトランジスタが不要となる。さらには、ＭＲＡＭなどのメモリ以外に、例えばロジック回路などにも使用することができる。
本発明によれば、二つのトンネル絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層の厚さを適当に制御すれば、結晶配向性を保持してエピタキシャル成長させることができ、１００％を超える大きなＴＭＲが得られ、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることが可能である。例えば、ＭＲＡＭに用いることでより大きな信号電圧を得ることができる。
本発明の第２の構成による強磁性二重トンネル接合素子によれば、二つのトンネル絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層の厚さを適当に制御すれば、結晶配向性を保持してエピタキシャル成長させることができ、１００％を超える大きなＴＭＲが得られ、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることが可能である。また、トンネルコンダクタンス又はトンネル電流がバイアス電圧に対して振動する。これによって、例えば、ＭＲＡＭに用いることでより大きな信号電圧を得ることができるとともに、メモリセルにＭＯＳトランジスタを必要としないＭＲＡＭを構成できる。さらには、メモリ以外に、例えばロジックなどにも使用することができる。
また、本発明の強磁性二重トンネル接合を用いた三端子素子によれば、二重トンネル接合のコンダクタンスを電圧で制御できる三端子素子を提供することができる。
この三端子素子を従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子の代わりに用いれば、大きなＴＭＲが得られる。それと同時に、従来のＭＲＡＭで必要であったＭＴＪ素子に接続していたＭＯＳトランジスタを用いない、新規な不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）セルを構成することができる。さらには、メモリ以外に、例えばロジックなどにも使用することができる。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子を模式的に示す断面図である。 実施例１の強磁性二重トンネル接合素子の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。 比較例１の強磁性一重トンネル接合素子の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。 実施例１の強磁性二重トンネル接合素子及び比較例１の強磁性一重トンネル接合素子の規格化ＴＭＲのバイアス電圧依存性を示す図である。 本発明の強磁性二重トンネル接合素子を模式的に示す断面図である。 本発明の強磁性二重トンネル接合素子の変形例を模式的に示す断面図である。 本発明の強磁性二重トンネル接合素子の動作を模式的に示す図である。 本発明の強磁性二重トンネル接合素子における、トンネル注入の透過確率のバイアス電圧依存性を模式的に示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、本発明の強磁性２重トンネル接合素子の磁化において、平行及び反平行を説明する図である。 図９（Ａ）及び（Ｂ）のトンネル透過率のバイアス電圧依存性を示す図である。 本発明の強磁性二重トンネル接合素子において、さらに、別の変形例の構造を模式的に示す部分断面図である。 本発明の第３の実施形態による強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子の動作を説明する模式的な図である。 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、強磁性二重トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭの模式的な斜視図と、その動作を説明する回路図である。 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子を用いたＭＲＡＭの模式的な斜視図と、その動作を説明する回路図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、実施例２の強磁性二重トンネル接合素子及び比較例２の強磁性一重トンネル接合素子の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。 実施例２の強磁性二重トンネル接合素子及び比較例２の強磁性一重トンネル接合素子における、規格化ＴＭＲのバイアス電圧依存性を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）及び（Ｆ）は、それぞれ、実施例２及び比較例２の微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧依存性を示す図である。 実施例２及び比較例２のトンネルコンダクタンスの差分ΔＧを示す図である。 実施例２の第２の強磁性層の厚さｔが１．２ｎｍの強磁性二重トンネル接合素子における、微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧依存性を示す図である。 実施例２の成長膜断面において、第２の強磁性層が島状となった場合の透過型電子顕微鏡像を示す図である。 実施例３の成膜中にその場観察した反射型高速電子線回折像を示す図である。 成膜したＦｅ及びＭｇＯの結晶配列を模式的に示す図である。 実施例３の強磁性二重トンネル接合素子の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。 実施例３において、微分トンネルコンダクタンスに対する第２の強磁性層の膜厚依存性を示す図である。 実施例３において、微分トンネルコンダクタンスに対する温度依存性を示すもので、（Ａ）は第２の強磁性層の厚さが１．２ｎｍ、（Ｂ）は１．５ｎｍの場合を示す。 実施例３の強磁性二重トンネル接合素子のバンドダイアグラムを示す図である。 第２の強磁性層のバンドダイヤグラムで、（Ａ）は上向きスピン電子の場合を、（Ｂ）は下向きスピン電子（ダウンスピン）の場合を示している。
符号の説明
１，１０，２０，２５：強磁性二重トンネル接合素子
２，１２：基板
３，１３：第１の強磁性層
４：第１の絶縁層
５：第２の強磁性層
６：第２の絶縁層
７：第３の強磁性層
１０Ａ，１０Ｂ：電極
１３Ａ：（電極）主電極
１４：第１の絶縁層
１５，１８：第２の強磁性層
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ：島状の第２の強磁性層
１６：第２の絶縁層
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ：島状の第２の絶縁層
１７：第３の強磁性層
２２：強磁性一重トンネル接合素子
２６：島状の強磁性二重トンネル接合素子
３０：強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子
３１，３２：主電極
３３：制御電極
３５：直流電源
３６：制御用直流電源
３８：第３の強磁性層を通過する電子
４０，５０：不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）
４１：Ｘ方向のビット線
４２：Ｙ方向のビット線
５１：ビット線
５２：ワード線
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の強磁性二重トンネル接合素子を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１は、基板２上に、第１の強磁性層３と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層４と、第２の強磁性層５と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層６と、第３の強磁性層７と、からなる層が順次積層されて構成されている。
ここで、少なくとも、第１及び第２の絶縁層４，６と第１及び第２の絶縁層４，６の間に挿入される第２の強磁性層５とは同一の結晶面を有する結晶である。この場合、第２の強磁性層５の厚さを適当に制御し、結晶配向性を保持していれば、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１のＴＭＲを大きくすることができる。他の強磁性層３，７は、第１及び第２の絶縁層４，６及び第２の強磁性層５と同じ結晶面を有する結晶層から形成されてもよい。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１は、上記基板上の各層２〜７と同じ結晶面を有する基板２上に、エピタキシャル成長により形成することができる。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１において、基板としては（１００）面のＭｇＯを用い、第１〜３の強磁性層３，５，７として（１００）面のＦｅを、そして、第１及び第２の絶縁層４，５として（１００）面のＭｇＯを、それぞれ用いることができる。この強磁性二重トンネル接合素子１は、例えば分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）を用いて、（１００）面を主表面とするＭｇＯ基板２に、第１の強磁性層３、第１の絶縁層４、第２の強磁性層５、第２の絶縁層６、第３の強磁性層７の順にエピキシャル成長させることで、製作することができる。上記基板２と第１の強磁性層３との間には、バッファ層や基板と同じ材料からなる所謂シード層を挿入してもよい。最上層の第３の強磁性層７の表面には電極層を形成してもよい。
第１〜第３の強磁性層３，５，７において、Ｆｅの一部を、Ｃｏ又はＮｉ、あるいは、その両方で置換したｂｃｃ（体心立方格子）構造から構成してもよい。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１において、二つのトンネル絶縁層４，６の間に挿入される第２の強磁性層５の厚さを適当に制御すれば、結晶配向性を保持して、エピタキシャル成長をさせることができる。この場合、第２の強磁性層５を、層状の連続膜とすることによりＴＭＲを大きくすることができる。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１によれば、１００％を超える大きなＴＭＲが得られる。また、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることが可能である。したがって、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１をＭＲＡＭに用いることでより大きな信号電圧を得ることができる。
次に、実施例１により本発明をさらに詳しく説明する。
分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）を用いてＭｇＯ基板２上に、ＭｇＯ（１０）／Ｆｅ（５０）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（ｔ）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（２０）（カッコ内は膜厚、単位はｎｍ）の順にエピタキシャル成長を行ない、実施例の強磁性二重トンネル接合素子１となるエピタキシャル成長膜を作製した。
最初の１０ｎｍのＭｇＯ層はシード層であり、中間の第２の強磁性層５であるＦｅ層の厚さは１〜２．５ｎｍまで変化させたのでＦｅ（ｔ）と表記している。結晶成長中に反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）の回折パターン測定を行ない、上記各層がエピタキシャル成長していることを確認した。
次に、上記エピタキシャル成長膜を、フォトリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて１０×１０μｍ2 の大きさに微細加工して、実施例１の強磁性二重トンネル接合素子１を製作した。
実施例１と対比するために、ＭｇＯ基板上に、ＭｇＯ（１０）／Ｆｅ（５０）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（１．５）／Ｃｏ（１０）の各層を順にエピタキシャル成長した以外は、実施例１と同様にして、比較例１の強磁性一重トンネル接合素子を製作した。
実施例１の強磁性二重トンネル接合素子１及び比較例の強磁性一重トンネル接合素子について、４端子法を用いてコンダクタンス及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の印加電圧依存性を測定した。
図２は、実施例１の強磁性二重トンネル接合素子１の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。図において、横軸は外部磁界（エルステッド、Ｏｅ）を、縦軸は抵抗×面積（ｋΩμｍ2 ）を示す。第２の強磁性層５であるＦｅの厚さは１．５ｎｍである。また、バイアス電圧は、上部電極側を正としたときの５ｍＶである。図から明らかなように、低磁界で抵抗が大きく変化し、室温で１１０％という大きなＴＭＲが得られ、比較例１の強磁性一重トンネル接合素子よりも大きなＴＭＲであることが分かった。
図３は、比較例１の強磁性一重トンネル接合素子の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。図の横軸及び縦軸とバイアス電圧とは、図２と同じである。図から明らかなように、ＴＭＲは８８％であった。
以上の実施例１の強磁性二重トンネル接合素子及び比較例１の強磁性一重トンネル接合素子において、大きなＴＭＲが得られることは、各層がエピタキシャル成長により形成されていることを示している。
図４は、実施例１の強磁性二重トンネル接合素子１及び比較例１の強磁性一重トンネル接合素子の規格化ＴＭＲのバイアス電圧依存性を示す図である。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）を示し、縦軸は規格化ＴＭＲである。図から明らかなように、黒丸印（●）で示す強磁性二重トンネル接合素子１の方が、正バイアス側において、白丸印（○）で示す強磁性一重トンネル接合素子よりもＴＭＲの低下は小さいことが分かる。一方、負バイアス側においては、両者のバイアス電圧（Ｖ）依存性は、殆ど同じである。これは実施例１の二重トンネル接合における一方の接合の界面状態が悪いためであり、本質的には負バイアス側においても正バイアス側と同等のバイアス電圧依存性が得られる。
本発明の第２の構成に係る強磁性２重トンネル接合素子について図５〜８を参照して説明する。
図５は本発明の第２の構成に係る強磁性二重トンネル接合素子を模式的に示す断面図である。図５に示すように、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０は、基板１２上に、第１の強磁性層１３と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層１４と、第２の強磁性層１５と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層１６と、第３の強磁性層１７と、からなる層が順次積層されて構成されている。この場合、第２の強磁性層１５の厚さを薄くして、その内部に量子準位を形成するようにしている。少なくとも、第１及び第２の絶縁層１４，１６と第１及び第２の絶縁層１４，１６の間に挿入される第２の強磁性層１５とが同一の結晶面を有する結晶である。
図６は、本発明の強磁性二重トンネル接合素子の変形例２０を模式的に示す断面図である。図６に示すように、この変形例の強磁性二重トンネル接合素子２０が、図５に示す強磁性二重トンネル接合素子１０と異なるのは、強磁性二重トンネル接合素子１０の第２の強磁性層１５を、アモルファス合金からなる強磁性層１８に代えた点である。第２の強磁性層をアモルファス合金からなる強磁性層１８とした点以外の構成は、強磁性二重トンネル接合素子１０と同じであるので説明は省略する。
上記本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２０において、第２の強磁性層１５，１８の厚さを薄くして、その内部に量子準位を形成するようにしている。そして、少なくとも、第１及び第２の絶縁層１４，１６と第１及び第２の絶縁層１４，１６の間に挿入される第２の強磁性層１５とが同一の結晶面を有する結晶であるか、又は、第２の強磁性層１８はアモルファス合金である。このアモルファス合金からなる第２の強磁性層１８は、第１及び第２の絶縁層が同じ結晶面をもつ結晶相としその間に挿入すればよい。この場合、第２の強磁性層１５，１８の厚さを薄くなるよう制御し、結晶配向性を保持していれば、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２０において、所謂共鳴トンネル効果が生起する。本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０及び２０は同様に動作するので、異なる部分以外は、強磁性二重トンネル接合素子１０で説明する。
他の強磁性層１３，１７は、第１及び第２の絶縁層１４，１６及び第２の強磁性層１５と同じ結晶面を有する結晶層から形成されてもよい。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０は、上記基板上の各層１２〜１７と同じ結晶面を有する基板１２上に、エピタキシャル成長により形成することができる。
図７は、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０の動作を模式的に示すもので、図７（Ａ）〜（Ｃ）はバンドダイアグラムを、図７（Ｄ）は得られるＪ−Ｖ特性を示す図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）は素子上部、すなわち、第３の強磁性層１７を正側とした場合のバイアス電圧を０から増大させたときのバンドダイアグラムであり、そのときのバイアス電圧に対する電流密度（Ｊ−Ｖ）を図７（Ｄ）においてａ，ｂ，ｃとして示している。図示するように、第１の強磁性層１３と、トンネル注入のバリアとなる第１の絶縁層１４と、第２の強磁性層１５と、トンネル注入のバリアとなる第２の絶縁層１６と、第３の強磁性層１７（以下、適宜、強磁性層１３／絶縁層１４／強磁性層１５／絶縁層１６／強磁性層１７と呼ぶ）からなる強磁性二重トンネル接合素子１０において、中央の第２の強磁性層１５が薄い場合、エネルギー準位が量子化される。この強磁性二重トンネル接合素子１０にバイアス電圧を印加し、量子準位と同じエネルギーになると電子はトンネルしやすくなり、トンネルコンダクタンス又はトンネル電流が図７（Ｄ）のように振動する。これが共鳴トンネル効果である。
図８は、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０における、トンネル電流の透過確率のバイアス電圧依存性を模式的に示す図である。図８において、横軸はバイアス電圧、縦軸はトンネル電流の際の透過確率、すなわちトンネル確率である。図示するように、第２の強磁性層１５には複数の量子準位があるので、バイアス電圧を印加すると、それに応じて共鳴トンネル効果が繰り返し生じるようになる。これにより、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０においては、バイアス電圧を印加したときに、バイアス電圧に応じてトンネルコンダクタンスには、振動が生じるようになる。
図９（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０の磁化において、平行及び反平行を説明する図で、図１０は図９（Ａ）及び（Ｂ）のトンネル透過率のバイアス電圧依存性を示す図である。図９（Ａ）に示すように、上向きの矢印（↑）で示す磁化が互いに平行である場合とは、第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化と第２の強磁性層１５の磁化とが、同じ向きである。一方、反平行とは、図９（Ｂ）に下向きの矢印で示すように、第２の強磁性層１５における磁化の向き（↓）が、第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化（↑）とは反対方向に向く場合を示している。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０の場合には、第２の強磁性層１５を薄くすることにより、スピンに依存した量子準位が形成されるので、両端の第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化と中央の第２の強磁性層１５の磁化とが互いに平行の場合と反平行の場合とでは、スピン依存共鳴トンネル効果が生じる。このため、第２の強磁性層１５の磁化の向きにより、図１０に示すように、共鳴トンネル効果のバイアス電圧依存性がシフトする。この場合、強磁性二重トンネル接合素子２０のように、第２の強磁性層１８をアモルファス合金とした場合、より膜厚が均一で、表面粗さ（ラフネス）の小さい磁性超薄膜を作製することが可能であり、スピンに依存した量子準位である量子井戸を形成できるので、スピン依存共鳴トンネル効果が生じる。このようなスピン依存共鳴トンネル効果はこれまで観測された例がなく、本発明者らにより、世界で最初に見出されたものである。
したがって、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２０において、スピン依存共鳴トンネル効果を効果的に得るためには、第１及び第２の絶縁層１４，１６と、第２の強磁性層１５，１８とが原子層オーダーで平坦な層であることが好ましい。特に、第２の強磁性層１５，１８が層状の連続膜であることが好ましい。一般に絶縁層の上に金属の超薄膜を原子層オーダーで均一に形成することは困難である。逆に、金属の上に絶縁層の超薄膜を原子層オーダーで均一に形成することも困難である。このような場合には、強磁性二重トンネル接合素子２０のように、第２の強磁性層１８をアモルファス合金とすれば、より膜厚が均一でラフネスの小さい磁性超薄膜を作製することができる。
図１１は、本発明の強磁性二重トンネル接合素子において、さらに、別の変形例２５の構造を模式的に示す部分断面図である。図１１に示すように、第１の絶縁層１４上には、島状の第２の強磁性層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃと、これらの強磁性層上に形成される第２の絶縁層１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃとが形成されている。第１の絶縁層４上の第２の強磁性層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが形成されない表面には、直接、第２の絶縁層１６Ｄが形成されている。第２の絶縁層上には第３の強磁性層１７が形成されている。
上記構造では、島状に形成される第２の強磁性層１５と第２の絶縁層１６と、が原子層オーダーで平坦な層であり、結晶配向性を保持していれば、それぞれ、強磁性二重トンネル接合素子２６として動作する。そして、島状部が形成されない領域は、第１の強磁性層１３と、第１及び第２の絶縁層１４，１６Ｄとからなる絶縁層と、第３の強磁性層１７と、からなる強磁性一重トンネル接合２２となっている。なお、島状に形成される第２の強磁性層１５はアモルファス合金層で形成してもよい。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２５において、基板としては（１００）面のＭｇＯを、第１〜３の強磁性層１３，１５，１７として（１００）面のＦｅを、そして、第１及び第２の絶縁層１４，１５として（１００）面のＭｇＯを、それぞれ用いることができる。この強磁性二重トンネル接合素子１０，２５は、例えば分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）や超高真空中のスパッタ法を用いて、（１００）面を主表面とするＭｇＯ基板１２に、強磁性層１３、絶縁層１４、強磁性層１５、絶縁層１６、強磁性層１７の順にエピキシャル成長させることで、製作することができる。上記基板１２と第１の強磁性層１３との間には、バッファ層や、基板と同じ材料からなる所謂シード層を挿入してもよい。また、最上層となる第３の強磁性層１７の表面には電極層を形成してもよい。
第２の強磁性層１５がアモルファス合金層からなる強磁性二重トンネル接合素子２０の場合においても、第２の強磁性層１５の形成以外は、上記と同様にして製作することができる。
第１〜第３の強磁性層１３，１５，１７において、Ｆｅの一部を、Ｃｏ又はＮｉ、あるいは、その両方で置換したｂｃｃ（体心立方格子）構造から構成してもよい。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２５において、二つのトンネル絶縁層１４，１６の間に挿入される第２の強磁性層１５の厚さを適当に制御すれば、結晶配向性を保持して、エピタキシャル成長をさせることができる。また、本発明の強磁性二重トンネル接合素子２０の場合には、第２のアモルファス合金からなる強磁性層１８の厚さを適当に制御してもよい。何れの場合も、第２の強磁性層１５，１８を、層状の連続膜や島状とすることにより、スピンに依存した量子準位を介したトンネル効果やスピン依存共鳴トンネル効果を効果的に得ることができる。本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２０，２５においては、１００％を超える大きなＴＭＲとバイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることが可能である。したがって、例えばＭＲＡＭに用いることでより大きな信号電圧を得ることができる。
次に、本発明の強磁性二重トンネル接合素子を用いた磁気デバイスについて説明する。最初に、本発明の第３の実施形態に係る強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態による強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子の動作を説明する模式図である。図示するように、強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０において、第１及び第３の強磁性層１３，１７には、それぞれ主電極となる電極３１，３２が設けられ、第２の強磁性層１５には、制御電極となる電極３３が設けられている。一方の主電極３１には、直流電源３５の負極が接続され、その正極が電流計を介して他方の主電極３２に接続されている。制御電極３３には、制御用直流電源３６の負極が接続され、その正極が直流電源３５の正極に接続されている。
このように構成される強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０は、第１及び第３の強磁性層１３，１７を通過する電子３８が、第２の強磁性層１５の電極３３に印加される制御用直流電源３６で制御される。この場合、第２の強磁性層１５への電圧制御により、スピンに依存した共鳴トンネル効果を変化させることができる。このため、本発明の強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０によれば、主電極３１，３２間のトンネルコンダクタンスを電圧で制御できる。したがって、主電極３１及び３２間のトンネルコンダクタンスの振動を、制御電極３３に印加する電圧により変化させることができる。
また本発明の強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０においては、素子両端の第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化と第２の強磁性層１５の磁化と、が互いに平行及び反平行の場合では、トンネル確率が異なる。このため、第２の強磁性層１５の磁化の向きにより、共鳴トンネル効果のバイアス電圧依存性をシフトさせることができる。上記の強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０において、第２の強磁性層１５は、アモルファス合金からなる強磁性層１８であってもよい。また、第２の強磁性層１５，１８は、層状または島状であってもよい。
本発明の強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０によれば、コンダクタンスを電圧で制御できる三端子素子が得られる。この三端子素子を従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子の代わりに用いれば、大きなＴＭＲが得られる。共鳴トンネル効果を利用することで、ＭＴＪ素子に電圧を印加した場合のみ大きな電圧が流れるのでセル選択が可能となる。それと同時にセルの選択が可能になるので、ＭＯＳトランジスタを必要としないＭＲＡＭのメモリセルを構成できる。さらには、ＭＲＡＭのメモリセル以外に、例えば、ロジック回路用の三端子素子などにも使用することができる。
次に、強磁性二重トンネル接合素子を用いた別の構成の不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用について説明する。
図１３（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、強磁性二重トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭの模式的な斜視図と、その動作を説明する回路図である。図１３において、ＭＲＡＭ４０は、Ｘ方向のビット線４１とＹ方向のビット線４２とが交差する各位置にマトリクス状に強磁性二重トンネル接合素子１０を配設した構成である。強磁性二重トンネル接合素子１の第１及び第３の強磁性層１３，１７には、電極１０Ａ，１０Ｂが設けられ、それぞれ、Ｙ方向のビット線４２とＸ方向のビット線４１に接続している。このＭＲＡＭ４０においては、マトリクスを構成する各強磁性二重トンネル接合素子１０に直接電流を流してスピン反転を行なうことで書き込みができる。この場合、第２の強磁性層１５の磁化を、第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化に対して、互いに平行又は反平行に制御することにより“１" ，“０" の記録、つまり、書き込みができる。
一方、読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行なう。ＴＭＲの測定は、第２磁性層１５の磁化反転が生じないように、上記書き込み時の電流とは異なる電流で行なえばよい。このため、本実施形態のＭＲＡＭ４０では、第２磁性層１５の磁化が平行か反平行かで“１" ，“０" の情報を規定でき、第２磁性層１５の磁化は電源を切っても保持されるから不揮発メモリにできる。これにより、本発明のＭＲＡＭ４０では大きなＴＭＲが得られる。共鳴トンネル効果を利用することで、ＭＴＪ素子に電圧を印加した場合のみ大きな電圧が流れるのでセル選択が可能となる。それと同時に、従来のＭＲＡＭで必要であったＭＴＪ素子に接続していたＭＯＳトランジスタを不要とする、新規なＭＲＡＭセルを構成することができる。
次に、強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子の不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用について説明する。
図１４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、強磁性二重トンネル接合素子による三端子素子を用いたＭＲＡＭの模式的な斜視図と、その動作を説明する回路図である。図１４において、ＭＲＡＭ５０は、ワード線５２とビット線５１とが交差する各位置に、マトリクス状に強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０を配設した構成である。三端子素子３０は、電流及び電圧の制御によるスイッチ作用があるので、従来のＭＲＡＭに対して、ＭＴＪ素子に接続するＭＯＳトランジスタが不要となる。
このＭＲＡＭ５０では、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで、各三端子素子３０を構成する第２の磁性層１５の磁化を、第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化に対して、互いに平行又は反平行に制御することにより、“１" ，“０" を記録させることができる。一方、読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行なう。このため、本実施形態のＭＲＡＭ５０では、第２の磁性層１５の磁化が平行か反平行かで“１" ，“０" の情報を規定でき、第２の磁性層１５の磁化は電源を切っても保持されるから不揮発メモリのＭＲＡＭ５０にできる。
本発明に係るＭＲＡＭ５０においては、強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０は、１００％を超える大きなＴＭＲを有し、バイアス電圧によるＴＭＲの低下を小さく抑えることが可能である。したがって、従来のＭＴＪ素子より大きな信号電圧を得ることができる。共鳴トンネル効果を利用することで、ＭＴＪ素子に電圧を印加した場合のみ大きな電圧が流れるのでセル選択が可能となる。それと同時に、従来のＭＲＡＭで必要であったＭＯＳトランジスタを使用しないメモリセルを構成することができる。
上記構成の本発明の強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０やそれを用いた不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ４０，５０などの磁気デバイスは、以下のようにして製作することができる。
最初に、基板１２上に、強磁性二重トンネル接合となる第１の強磁性層１３と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層１４と、第２の強磁性層１５と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層１６と、第３の強磁性層１７と、を順にＭＢＥ法などのエピタキシャル成長法により堆積する。この基板１２として、ＭｇＯ基板や、絶縁層で被覆したＳｉ基板にＭｇＯを堆積した基板を用いることができる。アモルファス合金からなる第２の強磁性層１８は、第１及び第２の絶縁層１４，１６を同じ結晶面をもつ結晶相とし、その間に挿入すればよい。このアモルファス合金層となる磁性超薄膜は、超高真空中のスパッタ法により形成することができる。第３の強磁性層１７上には、電極層を形成してもよい。そして、所定の厚さの絶縁膜を、スパッタ法やＣＶＤ法により堆積をする。
次に、主電極となる第１及び第３の強磁性層１３，１７と、制御電極となる第３の強磁性層１７と、に電極を形成する領域の開口を行ない、必要に応じてエッチングを行なって各電極３１，３２，３３が形成される領域を露出させる。
続いて、各電極３１，３２，３３を形成する領域の露出部に、所定の厚さの金属膜をスパッタ法などにより堆積し、余分な金属膜を選択エッチングにより除去する。以上の工程で、強磁性二重トンネル接合素子を用いた三端子素子３０を製造することができる。
ＭＲＡＭ４０，５０やロジック用の集積回路の場合には、上記の工程で製作した強磁性二重トンネル接合素子３０上をさらに絶縁膜で被覆し、強磁性二重トンネル接合素子３０の配線をする箇所だけに窓開けをした後に、ビット線４１，４２，５１やワード線５２の配線を行なえばよい。また、ＭＲＡＭの周辺回路をＳｉのＭＯＳトランジスタで形成する場合には、最初に、Ｓｉの周辺回路を形成し、その後で、ＭＲＡＭ４０，５０のメモリセルを形成してもよい。各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法以外には、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
実施例２により本発明をさらに詳しく説明する。
分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）を用いてＭｇＯ基板１２上に、ＭｇＯ（１０）／Ｆｅ（５０）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（ｔ）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（１５）／Ｔａ（５）（カッコ内は膜厚、単位はｎｍ）の順にエピタキシャル成長を行ない、実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０となるエピタキシャル成長膜を作製した。
最初の１０ｎｍのＭｇＯ層はシード層であり、中間の第２の強磁性層１５であるＦｅ層の厚さは１〜２．５ｎｍまで変化させたのでＦｅ（ｔ）と表記している。この第２の強磁性層１５の成膜速度は約０．０２Å／秒であった。最上層の５ｎｍの厚さのＴａは、電極層である。そして、成長中に反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）の回折パターン測定を行ない、上記各層がエピタキシャル成長していることを確認した。
次に、上記エピタキシャル成長膜を、フォトリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて１０×１０μｍ2 の大きさに微細加工して、実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０を製作した。
次に、比較例２について説明する。
ＭｇＯ基板上に、ＭｇＯ（１０）／Ｆｅ（５０）／ＭｇＯ（２．５）／Ｆｅ（１．５）／Ｃｏ（１０）／Ｔａ（５）の各層を順にエピタキシャル成長した以外は、実施例２と同様にして、比較例２の強磁性一重トンネル接合素子を製作した。
実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０及び比較例２の強磁性一重トンネル接合素子の各種測定結果を以下に説明する。
最初に、４端子法を用いてコンダクタンス及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の印加電圧依存性を測定した。
図１５（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ、実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０及び比較例２の強磁性一重トンネル接合素子の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。図において、横軸は外部磁界（エルステッド、Ｏｅ）を示し、縦軸は抵抗×面積（ｋΩμｍ2 ）を示す。第２の強磁性層１５であるＦｅの厚さｔは、実施例２の場合、１．５ｎｍである。また、バイアス電圧は、上部電極側を正としたときの５ｍＶである。図１５から明らかなように、実施例２及び比較例２のＴＭＲは、それぞれ、１１０％、１２８％であり、何れも１００％を超えており、エピタキシャル成長していることを示している。
図１６は、実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０及び比較例２の強磁性一重トンネル接合素子における、規格化ＴＭＲのバイアス電圧依存性を示す図である。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）を示し、縦軸は規格化ＴＭＲである。図から明らかなように、黒丸印（●）で示す強磁性二重トンネル接合素子１０の方が、正バイアス側において、白丸印（○）で示す強磁性一重トンネル接合素子よりもＴＭＲの低下は小さいことが分かる。一方、負バイアス側においては、両者のバイアス電圧（Ｖ）依存性は殆ど同じである。これは実施例２の二重トンネル接合における一方の接合の界面状態が悪いためであり、本質的には負バイアス側においても正バイアス側と同等のバイアス電圧依存性が得られる。
図１７（Ａ）〜（Ｅ）及び（Ｆ）は、それぞれ、実施例２及び比較例２の微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧依存性を示す図である。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）を、縦軸は微分トンネルコンダクタンス（×１０-3Ω-1）を示している。図１７（Ａ）〜（Ｅ）において、第２の強磁性層１５であるＦｅ層の厚さは、それぞれ、１．０ｎｍ，１．２ｎｍ，１．３ｎｍ，１．５ｎｍ，２ｎｍであり、第２の強磁性層１５の磁化は、第１及び第３の強磁性層１５，１７の磁化と平行である。図から明らかように、トンネルコンダクタンスはバイアス電圧に対して振動していることがわかる。図１７（Ｆ）には、比較のため、強磁性一重トンネル接合素子に対する結果も示している。この比較例２では振動が観測されなかった。
上記の測定で観測された振動成分を明確化し、真の振動成分のみ取り出すために、正バイアス側と負バイス側のトンネルコンダクタンスＧP ，ＧN の差分、ΔＧ（ΔＧ＝ＧP −ＧN ）のバイアス電圧依存性を計算した。図１８は、実施例２及び比較例２のトンネルコンダクタンスの差分ΔＧを示す図である。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）を示し、縦軸はトンネルコンダクタンスの差分ΔＧ（×１０-6Ω-1）を示している。図１８から明らかなように、実施例の強磁性二重トンネル接合素子１０においては、第２の強磁性層１５であるＦｅ層の厚さｔが１．３ｎｍより薄くなったときに、振動が観測されることが分かった。振動のピークを示すバイアス電圧の間隔ΔＥは、２００ｍＶから３００ｍＶであることが分かった。これに対して、比較例２の強磁性一重トンネル接合素子では、ΔＧがほぼ０であり、振動は観測されなかった。
上記の第２の強磁性層１５であるＦｅ層の厚さｔが１．３ｎｍより薄くなったときに観測される振動は、第１及び第２の絶縁層１４，１６であるＭｇＯバリアで挟まれたＦｅからなる第２の強磁性層１５中に量子井戸が形成され、そのエネルギー準位が不連続になったためと考えられる。すなわち、この振動は共鳴トンネル効果によるものである。そのため第２の強磁性層１５の厚さｔが薄くなるほど、量子準位の間隔が広がるため、振動の山の位置は、厚さｔが薄くなるほどより大きな電圧側に移行している。
上記の不連続な量子準位は、Ｆｅからなる第２の強磁性層１５が磁性体のため、スピンに依存することが考えられる。それを確認するため、中央の第２の強磁性層１５の磁化と両端の第１及び第３の強磁性層１３，１７の磁化とが、互いに平行及び反平行な場合の微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧依存性を調べた。
図１９は、実施例２の第２の強磁性層５の厚さｔが１．２ｎｍの強磁性二重トンネル接合素子１０における、微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧依存性を示す図である。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）を示し、右及び左縦軸は、それぞれ、各強磁性層１３，１５，１７の磁化が平行な場合と、反平行の場合の微分トンネルコンダクタンス（×１０-3Ω-1）を示している。図１９から明らかなように、両者の微分トンネルコンダクタンスの上向きの矢印（↑）で示すピークの位置はわずかではあるがずれており、これは中央の薄い第２の強磁性層１５中にはスピンに依存した量子準位が形成されていることを示している。
実施例２及び比較例２で形成した成長膜の断面を、透過型電子顕微鏡で観察した。実施例２及び比較例２において、第２の強磁性層１５は、それぞれ、連続薄膜が形成される場合と、島状になる場合の両方が観測された。
図２０は、実施例２の成長膜断面において、第２の強磁性層１５が島状となった場合の透過型電子顕微鏡像である。図示するように、第１の絶縁層１４には島状の結晶である第２の強磁性層１５が形成されており、島の大きさは２０〜６０ｎｍ程度であった。
次に、実施例３を説明する。
実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０における第３の強磁性層１７であるＦｅを２０ｎｍとした以外は同様にして、分子線エピタキシャル成長法でＭｇＯ基板１２上に、ＭｇＯ（１０）／Ｆｅ（５０）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（ｔ）／ＭｇＯ（２）／Ｆｅ（２０）／Ｔａ（５）（カッコ内は膜厚、単位はｎｍ）の順にエピタキシャル成長を行ない、実施例３の強磁性二重トンネル接合素子１０となるエピタキシャル成長膜を作製した。第２の強磁性層１５であるＦｅ層の厚さは１，１．２，１．５ｎｍまで変化させたのでＦｅ（ｔ）と表記している。分子線エピタキシャル成長装置の背圧（Ｂａｓｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は５×１０-8Ｐａであった。第１の強磁性層１３の成膜後には３００℃で６０分の熱処理を行ない、第２及び第３の強磁性層の成膜後には２００℃で６０分の熱処理を行なった。
図２１は、実施例３の成膜中にその場観察した反射型高速電子線回折像を示し、図２２は、成膜したＦｅ及びＭｇＯの結晶配列を模式的に示す図である。
図２１（Ａ）〜（Ｆ）は基板の成膜順の各層からの電子線回折像であり、（Ａ）は第１の強磁性層１３であるＦｅの熱処理後の［１１０］方向を、（Ｂ）は第１の絶縁層１４であるＭｇＯの成膜後の［１００］方向を、（Ｃ）は第２の強磁性層１５であるＦｅの成膜直後の、（Ｄ）は第２の強磁性層１５であるＦｅの熱処理後の、（Ｅ）は第２の絶縁層１６であるＭｇＯの成膜後の、（Ｆ）は第３の強磁性層１７であるＦｅの熱処理後の、電子線回折像をそれぞれ示している。
図２１（Ｃ）から明らかなように、第２の強磁性層１５のＦｅは、成膜直後は結晶方位が揃ってないことが分かる。図２１（Ｄ）からは、第２の強磁性層１５のＦｅの熱処理後には、ストリーク状の電子線回折となり、格子面方位が揃い、所謂エピタキシャル成長していることが確認できた。図２２は、このようにして形成したエピタキシャル成長膜のＦｅ，Ｍｇ，Ｏの結晶配列を示しており、Ｆｅの格子定数は４．０５Åで、ＭｇＯの格子定数は４．２１Åである。
上記エピタキシャル成長膜を、電子ビームリソグラフィとＡｒイオンミリングを用いて１０×１０μｍ2 の大きさに微細加工して、実施例３の強磁性二重トンネル接合素子１０を製作した。
次に、比較例３について説明する。
第１〜第３の強磁性層の成膜後の熱処理を行なわない以外は、実施例３と同様にして、比較例３の強磁性二重トンネル接合素子を製作した。
実施例３及び比較例３の強磁性二重トンネル接合素子１０の測定結果を下記に説明する。最初に、４端子法を用いてコンダクタンス及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）の印加電圧依存性を測定した。
図２３は、実施例３の強磁性二重トンネル接合素子１０の低バイアス電圧における室温でのＴＭＲ曲線を示す図である。図において、横軸は外部磁界（エルステッド、Ｏｅ）を示し、縦軸は抵抗（ｋΩ）を示す。第２の強磁性層１５であるＦｅの厚さｔは、１．５ｎｍである。また、バイアス電圧は、上部電極側を正としたときの５ｍＶである。この場合、強磁性二重トンネル接合素子１０の第２の強磁性層１５が島状となっており、第２の強磁性層１５の磁化はランダムな方向を向いている。図２３から明らかなように、実施例３のＴＭＲは、室温で１１０％であった。図示しないが、４．５ＫにおけるＴＭＲは１２８％であった。何れの温度でもＴＭＲは１００％を超えており、強磁性二重トンネル接合素子１０の各層がエピタキシャル成長していることを示している。実施例３の規格化ＴＭＲのバイアス電圧依存性についても、実施例２の強磁性二重トンネル接合素子１０と同様に、比較例２の強磁性一重トンネル接合素子よりもＴＭＲの低下は小さいことが判明した。
図２４は、実施例３の強磁性二重トンネル接合素子１０において、微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧変化における第２の強磁性層１５の膜厚依存性を示す図である。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）を示し、縦軸は微分トンネルコンダクタンス（ｄＩ／ｄＶ）（任意目盛）を示している。測定温度は４．５Ｋである。図２４において、第２の強磁性層１５のＦｅ層の厚さは、それぞれ、１．０ｎｍ，１．２ｎｍ，１．３ｎｍ，１．５ｎｍの場合を示し、第２の強磁性層１５の磁化は、第１及び第３の強磁性層１５，１７の磁化と平行である。図から明らかように、トンネルコンダクタンスはバイアス電圧に対して振動していることがわかる。観測される振動は、第１及び第２の絶縁層１４，１６であるＭｇＯバリアで挟まれたＦｅからなる第２の強磁性層１５中に量子井戸が形成され、そのエネルギー準位が不連続になったためと考えられる。すなわち、この振動は共鳴トンネル効果によるものである。このため第２の強磁性層１５の厚さｔが薄くなるほど、量子準位の間隔が広がるため、振動の山の位置は、厚さｔが薄くなるほどより大きな電圧側に移行している。
図２５は、実施例３の強磁性二重トンネル接合素子１０において、微分トンネルコンダクタンスのバイアス電圧変化における温度依存性を示す図で、図２５（Ａ）は第２の強磁性層の厚さが１．２ｎｍ、（Ｂ）が１．５ｎｍの場合を示す。図において、横軸は上部電極を正側とするバイアス電圧（Ｖ）、縦軸は微分トンネルコンダクタンス（ｄＩ／ｄＶ）（任意目盛）を示している。測定温度は、４．５Ｋ，１００Ｋ，２００Ｋ，３００Ｋである。第２の強磁性層１５の磁化は、第１及び第３の強磁性層１５，１７の磁化と平行である。図２５から明らかなように、微分トンネルコンダクタンスにおける振動が、室温でも観測できることが分かった。
上記の第２の強磁性層１５であるＦｅ層の厚さｔが１．５ｎｍより薄くなったときに観測される振動は、第２の強磁性層１５であるＦｅの上向きスピン（アップスピン）のΔ１バンドが量子準位を形成していることによっている。
図２６は、実施例３の強磁性二重トンネル接合素子のバンドダイアグラムを示す。図２６（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に相当し、薄い第２の強磁性層１５であるＦｅには、上向きスピンによるΔ１バンドが量子準位を形成していることを示している。この強磁性二重トンネル接合素子１０にバイアス電圧を印加し、量子準位と同じエネルギーになると電子はトンネルしやすくなり、トンネルコンダクタンスが共鳴トンネル効果により振動する。
図２７は、第２の強磁性層のバンドダイヤグラムで、（Ａ）は上向きスピン電子の場合を、（Ｂ）は下向きスピン電子（ダウンスピン）の場合を示している。図２７において、横軸は波数を示し、縦軸はエネルギーを示している。図から明らかなように、上向きスピン電子の場合には、Δ１バンドが形成されていることが分かる。
（比較例３）
強磁性層の成膜後に熱処理を施さなかった比較例３の強磁性二重トンネル接合素子では、実施例２及び実施例３で観測された微分トンネルコンダクタンスにおける振動が全く観測されなかった。
上記実施例２及び３によれば、本発明の強磁性二重トンネル接合素子１０，２５を用いれば大きなＴＭＲを得ることができる。また、第２の強磁性層１５の厚さｔを適当に制御すれば、スピンに依存した量子井戸を形成でき、トンネルコンダクタンスのバイアス電圧による振動を観測できた。第２の強磁性層１５は、エピタキシャル成長していれば島状でもよく、連続膜であれば、より明瞭なトンネルコンダクタンスの振動を観測できた。そのような連続膜は、第２の強磁性層１５を変えることで可能である。例えば、ＣｏＦｅＢのようなアモルファス磁性層を用いることで連続膜の作製が可能である。
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims (17)

  1. 第１の強磁性層と、
    トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
    第２の強磁性層と、
    トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
    第３の強磁性層と、が基板上に順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合素子であって、
    少なくとも上記第１及び第２の絶縁層と、該第１及び第２の絶縁層の間に挿入される上記第２の強磁性層とが、同一の結晶面を有する結晶であることを特徴とする、強磁性二重トンネル接合素子。
  2. 前記第２の強磁性層が、層状の連続膜であることを特徴とする、請求項１に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  3. 前記第１及び第２の絶縁層がＭｇＯからなり、前記第１〜第３の強磁性層がＦｅからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  4. 前記Ｆｅの一部を、Ｃｏ又はＮｉ、あるいは、その両方で置換したｂｃｃ構造からなることを特徴とする、請求項３に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  5. 前記基板がＭｇＯからなることを特徴とする、請求項１に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  6. 第１の強磁性層と、
    トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
    第２の強磁性層と、
    トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
    第３の強磁性層と、が基板上に順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合素子であって、
    少なくとも上記第１及び第２の絶縁層と、該第１及び第２の絶縁層の間に挿入される上記第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、
    上記第２の強磁性層の厚さを、該第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする、強磁性二重トンネル接合素子。
  7. 第１の強磁性層と、
    トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、
    第２の強磁性層と、
    トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、
    第３の強磁性層と、が基板上に順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合素子であって、
    少なくとも第１及び第２の絶縁層が同一の結晶面を有する結晶であり、第１及び第２の絶縁層の間に挿入される第２の強磁性層はアモルファス合金であり、第２の強磁性層の厚さを、第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする、強磁性二重トンネル接合素子。
  8. 前記第２の強磁性層が、層状の連続膜であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  9. 前記第２の強磁性層が、島状に配列していることを特徴とする、請求項６又は７に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  10. 前記第１及び第２の絶縁層がＭｇＯからなり、前記第１〜第３の強磁性層がＦｅからなることを特徴とする、請求項６に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  11. 前記第１及び第２の絶縁層がＭｇＯからなり、前記第１及び第３の強磁性層がＦｅからなり、前記アモルファス合金が、ＣｏＦｅＢ又はＣｏＦｅＳｉＢからなることを特徴とする、請求項７に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  12. 前記Ｆｅの一部を、Ｃｏ又はＮｉ、あるいは、その両方で置換したｂｃｃ構造からなることを特徴とする、請求項１０又１１に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  13. 前記基板がＭｇＯからなることを特徴とする、請求項６又は７に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  14. 前記強磁性二重トンネル接合素子に印加されるバイアス電圧に対して、トンネルコンダクタンス又はトンネル電流が振動することを特徴とする、請求項６又は７に記載の強磁性二重トンネル接合素子。
  15. 第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合を用いた三端子素子であって、
    上記第１の強磁性層及び第３の強磁性層を主電極とし、上記第２の強磁性層を制御電極とし、
    少なくとも上記第１及び第２の絶縁層と、該第１及び第２の絶縁層の間に挿入される上記第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、
    上記第２の強磁性層の厚さを、該第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする、強磁性二重トンネル接合を用いた三端子素子。
  16. 第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合を、二本のビット線が交差する各位置にマトリクス状に配設した不揮発性ランダムアクセス磁気メモリであって、
    少なくとも上記第１及び第２の絶縁層と、該第１及び第２の絶縁層の間に挿入される上記第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、
    上記第２の強磁性層の厚さを、該第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする、不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ。
  17. 第１の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第１の絶縁層と、第２の強磁性層と、トンネル電子のバリアとなる第２の絶縁層と、第３の強磁性層と、が順次積層されてなる強磁性二重トンネル接合を用いた三端子素子を、ワード線とビット線とが交差する各位置にマトリクス状に配設した不揮発性ランダムアクセス磁気メモリであって、
    少なくとも上記第１及び第２の絶縁層と、該第１及び第２の絶縁層の間に挿入される上記第２の強磁性層と、が同一の結晶面を有する結晶であり、
    上記第２の強磁性層の厚さを、該第２の強磁性層中にスピンに依存した複数の量子準位が形成されるようにしたことを特徴とする、不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ。
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