(57)【要約】【課題】磁気抵抗素子全体の電力消費を低減させる。【解決手段】磁気抵抗素子は、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性層と、強磁性領域に容量性結合されたゲートとを含んでいる。磁気抵抗素子を動作させる方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、強磁性領域に電場パルスを印加するステップを含んでいる。【選択図】図８
2010166054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリセルのアレイであって、各メモリセルは、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を含み、
前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、メモリセル内の前記磁気抵抗素子の前記強磁性領域に電場パルスを印加する回路を含む、メモリ素子。
【請求項２】
メモリセルのアレイであって、各メモリセルは、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、
電気的入力に応じて前記強磁性領域に応力を加える手段とを含み、
前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、対応する強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、メモリセル内の前記応力印加手段に入力パルスを印加する手段を含む、メモリ素子。
【請求項３】
請求項２記載の素子において、前記入力パルス印加手段は電気入力パルスを印加する回路を含み、前記強磁性領域は圧電性を有し、前記応力印加手段は前記強磁性領域に電場を印加するように構成された少なくとも一つの電極を含む、メモリ素子。
【請求項４】
請求項２記載の素子において、前記入力パルス印加手段は電気入力パルスを印加する回路を含み、前記応力印加手段は前記強磁性領域に結合した圧電領域と、該圧電領域に電場を印加するように構成された少なくとも一つのゲート電極とを含む、メモリ素子。
【請求項５】
請求項２記載の素子において、前記入力パルス印加手段は光入力パルスを印加する手段を含み、前記応力印加手段は光パルスを吸収しフォノンパルスを生成する手段を含む、メモリ素子。
【請求項６】
磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域と、
該強磁性領域に結合された応力印加手段を含み、
該応力印加手段は光を吸収するように構成されさらに前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、光パルスの受信に応答して応力パルスを生成するように構成されている、磁気抵抗素子。
【請求項７】
請求項６記載の素子において、前記応力印加手段は量子井戸を含む、磁気抵抗素子。
【請求項８】
磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法であって、
前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、光パルスを印加するステップを含む、磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記磁気抵抗素子は前記強磁性領域に結合された光子吸収領域を含む、磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１０】
第一及び第二の電極と強磁性領域とトンネル障壁とを含み、前記強磁性領域とトンネル障壁とを介して前記第一及び第二の電極間の電荷移動が生じるように、前記第一及び第二の電極と前記強磁性領域と前記トンネル障壁とが配置された磁気抵抗素子であって、
さらに第三の電極と該第三の電極と前記トンネル障壁との間に置かれた誘電体領域とを含み、前記第三の電極と前記誘電体領域は前記強磁性領域に電場を印加するように配置され、前記強磁性領域への電場パルスの印加により、前記第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために前記強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させる、磁気抵抗素子。
【請求項１１】
請求項１０記載の素子において、前記トンネル障壁は第一及び第二の面を有する層として配置され、前記第二の電極と前記ゲート誘電体はこれらの面の一つの面上に隣接して配置されている、磁気抵抗素子。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の素子において、前記強磁性領域は平面状の層として配置され、前記強磁性領域の異方性磁場が平面内と垂直の間で反転可能となるように構成されている、磁気抵抗素子。
【請求項１３】
固定化された磁化方向に対応する第一方向に磁気異方性を示す第一の強磁性領域と、
第二の異なる方向に磁気異方性を示す第二の強磁性領域と、
前記第一及び第二の強磁性領域の間に配置され、少なくとも一つの量子化エネルギー状態を示すように構成された量子井戸構造を含む磁気抵抗素子であって、
前記第一及び第二の強磁性領域間の交換結合が前記少なくとも一つの量子化エネルギー状態により制御可能である、磁気抵抗素子。
【請求項１４】
請求項１３記載の素子は、さらに、
第三の強磁性領域と、
前記第二及び第三の強磁性領域を分離するトンネル障壁を含む、磁気抵抗素子。
【請求項１５】
請求項１４記載の素子は、さらに、
前記第一及び第二の強磁性領域の間に電圧バイアスを印加する手段を含む、磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗素子に関するものである。
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、フラッシュメモリなどの他の種類の不揮発性メモリと比べて、いくつかの利点を有している。例えば、ＭＲＡＭは、通常電力消費も少なく、データの読み出し／書き込みもより高速である。また、ＭＲＡＭは、ダイナミック・ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）など、いくつかの形態の揮発性メモリに対して有望な代替技術を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＲＡＭセルは、通常、非磁性層により分離された一組の強磁性層を有する磁気抵抗素子を含んでいる。一方の強磁性層は比較的低い保磁力を有しており、他方の強磁性層は比較的高い保磁力を有している。低保磁力層と高保磁力層は各々、“自由”層、“ピン”層と称されている。
【０００３】
セルにデータを記憶するためには、外部磁場を印加し自由層の磁化を配向させる。磁場を除去した後磁化の方位は磁場の印加方向に保持される。
【０００４】
セルからデータを読み出すためには素子に電流を流す。自由層とピン層との磁化が反平行（ＡＰ）に配置されている場合は、素子の磁気抵抗は比較的大きく、層の磁化が平行（Ｐ）に配置されている場合は、素子の磁気抵抗は比較的小さい。このように、素子の磁気抵抗を測定することによりセルの状態を判定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“電流駆動による磁性多重層の励起”、Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ分冊、第５４巻、９３５３頁（１９９６）
【非特許文献２】“磁界アシストによる電流誘起磁化反転を用いた高度にスケーラブルなＭＲＡＭ、Ｗ．Ｃ．Ｊｅｏｎｇ他、２００５  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，１８４頁
【非特許文献３】“ナノ秒以下にスピン注入磁化反転を加速するプリチャージの実施方法”、Ｔ．Ｄｅｖｏｌｄｅｒ他著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第８６巻、０６２５０５頁（２００５）
【非特許文献４】“歳差動作と組み合わせた困難軸磁場からのスピン注入トルク反転の微視的磁気シミュレーション”Ｋ．Ｉｔｏ他著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第８９巻、２５２５０９頁（２００６）
【非特許文献５】“ヒ素二量体で成長させた高品質ＧａＭｎＡｓ膜”、Ｒ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ、Ｋ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ、Ｌ．Ｘ．Ｚｈａｏ、Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ、Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎ、Ｂ．Ｌ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ及びＣ．Ｒ．Ｓｔａｄｄｏｎ共著、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第２４７巻、４２頁（２００３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
外部磁界は、素子の近くを配線された少なくとも一つの導電性配線に電流を流すことにより生成する。しかし、この配置には、セルの寸法が小さくなるにつれて自由層の磁化を反転させるために必要な磁場が大きくなり、その結果、電力消費が増えてしまうという問題がある。
【０００７】
外部磁場を印加することに代えて、スピン注入磁化反転を用いる方法がある。この方法は、“電流駆動による磁性多重層の励起”、Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ分冊、第５４巻、９３５３頁（１９９６）に提案されており、“磁界アシストによる電流誘起反転を用いた高度にスケーラブルなＭＲＡＭ、Ｗ．Ｃ．Ｊｅｏｎｇ他、２００５  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，１８４頁が引用文献となっている。
【０００８】
スピン注入磁化反転では、磁性素子の層界面に垂直な方向に電流を流す。これにより、ピン層に電流を流すことにより（電流が自由層からピン層に向けて流れる場合）、あるいはピン層から電子を散乱させることにより（電流がピン層から自由層に向けて流れる場合）、スピン偏極電子が自由層に注入される。スピン偏極電子が自由層に注入されると、これらの電子は自由層と相互作用を生じ、それらのスピン角運動量の一部を自由層の磁気モーメントに移行させる。スピン偏極電流が十分大きいと、これにより自由層の磁化が反転する。
【０００９】
しかし、スピン注入磁化反転の欠点として、逆方向に反転を起こさせるために必要な電流密度が高くなる（例えば、１０８Ａｃｍ−２のオーダー）という問題がある。
【００１０】
反転電流パルスを印加する前に、直流プリチャージ電流を印加することにより電流を誘起することができる。これに関しては、“ナノ秒以下にスピン注入磁化反転を加速するプリチャージの実施方法”、Ｔ．Ｄｅｖｏｌｄｅｒ他著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第８６巻、０６２５０５頁（２００５）に記載されている。反転電流パルスの電力消費は減少するが、全体の電力消費（すなわち、プリチャージ電流を含む電力消費）は高いままである。
【００１１】
しかし、反転電流を流す直前あるいは流すと同時に、自由層の磁化困難軸に沿って短い持続時間（例えば、＜５ｎｓ）の外部磁場パルスを印加することにより、電流を減少させることができる。これに関しては、“歳差動作と組み合わせた困難軸磁場からのスピン注入トルク反転の微視的磁気シミュレーション”Ｋ．Ｉｔｏ他著、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第８９巻、２５２５０９頁（２００６）に記載されている。
【００１２】
この方法は、スピン注入電流を大きく減少させることができるが、配線を通して電流を流すことにより外部磁場を印加することを含んでいる。これは、スケーラビリティへの対応と電力消費の削減への可能性に制限を課すものとなる。
【００１３】
本発明は、この問題への解決策を求めるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第一の態様によれば、メモリセルのアレイであって、各セルが磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を含むアレイと、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方位を変化させるように、メモリセル内の磁気抵抗素子の強磁性領域に電場パルスを印加する回路とを備えている。
【００１５】
本発明の第二の態様によれば、メモリセルのアレイであって、各セルが磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、電気的入力に応じて強磁性領域に応力を加える手段とを含むアレイと、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方位を変化させるように、メモリセル内の応力印加手段に入力パルスを印加する手段とを備えている。
【００１６】
入力パルス印加手段は電気入力パルスを印加する回路を含んでいてもよく、強磁性領域は圧電性を有し、応力印加手段は強磁性領域に電場を印加するように構成された少なくとも一つの電極を含んでいる。入力パルス印加手段は電気入力パルスを印加する回路を含むものであってよく、応力印加手段は強磁性領域に結合した圧電領域と、圧電領域に電場を印加するように構成された少なくとも一つのゲート電極とを含んでいる。入力パルス印加手段は光入力パルスを印加する手段を含んでいてもよく、応力印加手段は光パルスを吸収しフォノンパルスを生成する手段を含んでいてもよい。
【００１７】
本発明の第三の態様によれば、磁気抵抗素子が備えられ、この磁気抵抗素子は磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域と、強磁性領域に結合された応力印加手段とを含み、応力印加手段は光を吸収するように構成され、さらに、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、光パルスの受信に応答して応力パルスを生成するように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
応力印加手段は、量子井戸を含んでいてもよい。
【００１９】
本発明の第四の態様によれば、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法が提供され、この方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、光パルスを印加するステップを含むことを特徴とする。
【００２０】
磁気抵抗素子は、強磁性領域に結合された光子吸収領域を含んでいてもよい。
【００２１】
本発明の第五の態様によれば、第一及び第二の電極と強磁性領域およびトンネル障壁とを含む磁気抵抗素子が備えられ、強磁性領域とトンネル障壁とを介して第一及び第二の電極間の電荷移動が生じるように、電極と強磁性領域とトンネル障壁とが配置され、素子は、さらに、第三の電極と、第三の電極とトンネル障壁との間に置かれた誘電体領域とを含み、第一の電極と誘電体領域は強磁性領域に電場を印加するように配置され、強磁性領域への電場パルスの印加により、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させることを特徴とする。
【００２２】
トンネル障壁は、第一及び第二の面を有する層として配置してもよく、第二の電極とゲート誘電体は、これらの面の一つの面上に隣接して配置してもよい。強磁性領域は平面状の層として配置してもよく、強磁性領域の異方性磁場が平面内と垂直の間で反転可能となるように構成してもよい。
【００２３】
本発明の第六の態様によれば、磁気抵抗素子が備えられ、この磁気抵抗素子は、固定化された（ｐｉｎｎｅｄ）磁化方向に対応する第一方向に磁気異方性を示す第一の強磁性領域と、第二の異なる方向に磁気異方性を示す第二の強磁性領域と、第一及び第二の強磁性領域の間に配置され、少なくとも一つの量子化エネルギー状態を示すように構成された量子井戸構造とを含み、第一及び第二の強磁性領域間の交換結合は、少なくとも一つの量子化エネルギー状態により制御可能であることを特徴とする。
【００２４】
素子は、さらに、第三の強磁性領域と、第二及び第三の強磁性領域を分離するトンネル障壁とを含んでいてもよい。
【００２５】
素子は、さらに、第一及び第二の強磁性領域の間に、電圧バイアスを印加する手段を含んでいてもよい。
【００２６】
本発明の第七の態様によれば、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域と、強磁性領域に容量性結合されたゲートとを含む磁気抵抗素子を動作させる方法が備えられ、この方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、強磁性領域の磁気異方性の方向を変化させるように、強磁性領域に電場パルスを印加するステップを含むことを特徴とする。これにより、磁場パルスを生成する導電性配線を有する素子に比べより少ない電力を用いて、歳差支援磁化反転を引き起こすことができる。
【００２７】
本方法は、第一及び第二の方向の間で強磁性領域の磁化を反転させるように特化した、電場パルスを印加するステップを含んでいてもよい。本方法は、磁場パルスを印加せずに、第一及び第二の方向の間で強磁性領域の磁化を反転するステップを含んでいてもよい。第一及び第二の方向の間で強磁性領域の磁化を反転するために電場パルスのみを用いるか、あるいは、この反転を助けるために磁場パルスを用いないことにより、電力消費を最小とすることに貢献する。
【００２８】
素子は、さらに、磁場パルスを生成するために、強磁性領域に隣接して配置された導電性経路を含んでいてもよく、さらに、方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるように、電場パルスの印加中に変化する異方性磁場と、印加された磁場パルスとを含む有効磁場の方向変化が増加するように、電場パルスを印加しながら、強磁性領域に磁場パルスを印加するステップを含んでいてもよい。方法は、磁場パルスの立ち上がり部を印加する前に、電場パルスの立ち上がり部を印加するステップを含んでいてもよい。
【００２９】
素子は、さらに、強磁性層よりも高い保磁力を有し、トンネル障壁層により強磁性層と分離された他の強磁性領域を含んでいてもよく、さらに、方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、電場パルスを印加しながら、強磁性領域内に流すスピン注入電流パルスを印加するステップを含んでいる。
【００３０】
本方法は、さらに、スピン注入電流パルスの立ち上がり部を印加する前に、電場パルスの立ち上がり部を印加するステップを含んでいてもよい。強磁性領域は、不均一張力分布を有する強磁性半導体を含んでいてもよく、さらに、本方法は、不均一張力分布に対して、電荷キャリアの分布を変化させるために十分な大きさの電場パルスを印加するステップを含んでいる。
【００３１】
不均一張力分布は、圧縮歪みの領域と引張り歪みの領域とを含んでいる。強磁性半導体は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを含んでいてもよい。
【００３２】
本方法は、持続時間ｔを有する電場パルスを印加するステップを含んでいてもよく、ｔは、ｔｐｒｅｃｅｓｓの４分の１の倍数である。すなわち、
【数１】
2010166054.tif 000003
ここで、γは形状定数であり、
2010166054.tif 000004
で示され、さらに、ＢＡは強磁性半導体の異方性磁場である。本方法は、０ｎｓと５ｎｓの間の持続時間ｔを有するパルスを印加するステップを含んでいてもよい。
【００３３】
本方法は、さらに、第一及び第二の方向の間で強磁性領域の磁化を反転させることを補助するために、電場パルスの印加とは独立して、強磁性領域に磁場を印加するステップを含んでいてもよい。
【００３４】
本方法は、強磁性領域に応力を印加するステップと、応力を印加しながら電場パルスを印加するステップとを含んでいてもよい。
【００３５】
本発明の第八の態様によれば、磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法が提供され、この方法は、第一及び第二の方向の間で磁化を反転させるために、磁気異方性の配向を変化させるように強磁性領域に応力パルスを印加するステップを含むことを特徴とする。これにより、磁場パルスを生成する導電性配線を有する素子に比べより少ない電力を用いて、歳差磁化反転又は歳差支援磁化反転を引き起こすことができる。
【００３６】
本素子は、強磁性領域に機械的に結合された圧電領域を含んでいてもよく、応力パルスを印加するステップは、圧電領域を介して電圧パルスを印加するステップを含んでいる。
【００３７】
本方法は、強磁性領域に応力パルスを印加しながら、強磁性領域に電場パルスを印加するステップを含んでいてもよい。
【００３８】
本発明の第九の態様によれば、装置が提供され、この装置は磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性層を含む磁気抵抗素子と、本方法に従って装置を動作させるように構成された回路とを含んでいる。
【００３９】
本方法の第十の態様によれば、磁気抵抗素子が提供され、この素子は磁気異方性を示し、その磁化が少なくとも第一及び第二の方向の間で反転できるように構成された強磁性層と、第一の電気入力に応じて強磁性領域に応力を印加する手段と、第二の電気入力に応じて強磁性領域に電場を印加する手段とを含んでいる。
【００４０】
応力を印加する手段は、強磁性領域に結合された圧電領域を含んでいてもよく、さらに、電場を印加する手段は、少なくとも一つのゲート電極を含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明の実施例を、添付の図面を例示として引用し、以下説明する。
【図１】本発明による、強磁性素子への電場パルスの印加により磁気異方性の配向を変化させ、磁化を反転させる様子を示した図。
【図２】ａは、リソグラフィによる歪み緩和により磁気異方性の配向が変化した素子と、歪みに変化のないファンデルポー素子の走査電子顕微鏡写真を示した図。ｂは、図２ａに示した素子の拡大図。ｃは、図２ａに示した素子とファンデルポー素子を製造する基となる層構造の断面図。
【図３】ａは、固定磁場強度（Ｂ＝４テスラ）を有する回転磁場中で、図２ａに示した素子の［１−１０］及び［１１０］に配向したアームの温度４．２°Ｋでの縦方向の異方性磁気抵抗を、［１１０］軸から測定した角度について描いたグラフ。ｂは、固定磁場強度（Ｂ＝４テスラ）を有する回転磁場中で、図２ａに示した素子と、図２ａに示したファンデルポー素子の［１−１０］及び［１１０］に配向したアームの温度４．２°Ｋでの横方向の異方性磁気抵抗を、［１１０］軸から見た角度について描いたグラフ。ｃは、図２ａに示したものと同様であるが、それとは異なる幅と長さのチャンネルを有する素子の［１１０］に配向したアームの温度４．２°Ｋでの縦方向の異方性磁気抵抗を、異なる角度について磁場強度を変化させて描いたグラフ。ｄは、図２ａに示した素子の［１１０］に配向したアームの、温度４．２°Ｋでの縦方向の異方性磁気抵抗を、固定した角度について磁場強度を変化させて描いたグラフ。
【図４】ａは、図２ａに示したファンデルポー素子の、温度４．２°Ｋで測定した横方向の抵抗を描いたグラフ。ｂは、図２ａに示した素子の、温度４．２°Ｋで測定した横方向の抵抗を描いたグラフ。
【図５】ａは、図２ａに示した素子の横断面について、［００１］軸に沿った歪みの数値シミュレーション結果を描いた２次元グラフ。ｂは、図２ａに示した素子の横断面について、［１１０］軸に沿った歪みの数値シミュレーション結果を描いたグラフ。ｃは、図２ａに示した素子の［００１］面を通る別の断面について、歪みの数値シミュレーション結果を描いたグラフ。ｄは、図２ａに示した素子の［１１０］面を通る別の断面について、歪みの数値シミュレーション結果を描いたグラフ。
【図６】ａは、図２ａに示したものと同様の素子、及び図２ａに示した素子の［１１０］及び［１−１０］に配向したアームの、容易軸の配向を示す図。ｂは、異なる歪と、異なる方向に沿った面内磁化角の関数として、結晶磁気エネルギーの理論値を描いたグラフ。
【図７】圧縮歪の元で、２つの異なるキャリア濃度で［００１］に配向して成長させたＧａ０．９６Ｍｎ０．０４Ａｓの磁気結晶エネルギー分布を描いた図。
【図８】ａは、本発明による、強磁性素子の磁気異方性の配向が変化することができる第一の素子の概略図。ｂは、本発明による、強磁性素子の磁気異方性の配向が変化することができる第二の素子の概略図。ｃは、本発明による、強磁性素子の磁気異方性の配向が変化することができる第三の素子の概略図。
【図９】図８ａに示した第一の素子の斜視図。
【図１０】ａは、図９に示した素子の、ゲート電圧と、面内磁場及び電流に平行な磁場とに対する、チャネルコンダクタンス分布を描いた図。ｂは、図９に示した素子のクーロン・ブロッケード振動を示す図。ｃは、図９に示した素子のゲート電圧に対する臨界再配向磁場を示す図。
【図１１】ａは、図８ｂに示した第二の素子の平面図。ｂは、図８ｂに示した第二の素子のＡ−Ａ’線での断面図。
【図１２】図８ａ及び８ｂに示した素子の書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図１３】図８ａに示した素子の製造を異なる段階で示す図。
【図１４】ａは、図８ｃに示した素子の斜視図。ｂは、第三の素子のＢ−Ｂ’線での断面図。
【図１５】図８ｃに示した素子の書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図１６】ａは、本発明による、強磁性素子の磁気異方性の配向が変化できる他の素子の平面図。ｂは、図１６ａに示した第二の素子のＣ−Ｃ’線での縦断面図。ｃは、図１６ａに示した第二の素子のＤ−Ｄ’線での横断面図。
【図１７】図１５に示した素子の製造で用いる層構造を示す図。
【図１８】図１６ａに示した素子の変形の横断面図。
【図１９】ａは、強磁性半導体でキャリア濃度を変化させた様子を示す概略図。ｂは、磁気異方性の再配向を示す図。
【図２０】ａは、本発明による、強磁性素子の磁気異方性の配向が変化できる第四の素子の平面図。ｂは、図２０ａに示した第四の素子のＥ−Ｅ’線での断面図。
【図２１】ａは、本発明による、強磁性素子の磁気異方性の配向が変化できる第五の素子の平面図。ｂは、図２１ａに示した第五の素子のＦ−Ｆ’線での断面図。
【図２２】図２１ａに示した素子の書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図２３】６つの残留磁気方向を有する強磁性素子を示す図。
【図２４】本発明による、図２３に示した残留磁気方位の間で方向を反転する様子を示す図。
【図２５】本発明による、図２３に示した強磁性素子への電場パルスの印加により磁気異方性の配向を変化させ、磁化を反転させる様子を示す図。
【図２６】強磁性素子の磁気異方性の配向を光学的に変化させることができる素子の斜視図。
【図２７】図２６に示した素子の断面図。
【図２８】強磁性素子の磁気異方性の配向を光学的に変化させることができる素子の斜視図。
【図２９】図２８に示した素子の断面図。
【図３０】ゲートを用いて表面異方性に影響を与える素子の斜視図。
【図３１】図３０に示した素子の断面図。
【図３２】図３０に示した素子の書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図３３】メモリアレイを示す図。
【図３４】図３３に示したメモリアレイの書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図３５】図３３に示したメモリアレイで用いるためのメモリセルを示す図。
【図３６】図３５に示したメモリセルに対応した回路。
【図３７】図３５に示したセルを用いたメモリセルの変更した書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図３８】層間交換結合を伴う強磁性素子の磁化ループを示す図。
【図３９】層間交換結合を伴わない強磁性素子の磁化ループを示す図。
【図４０】ゼロバイアスの量子井戸構造により分離された２つの強磁性層を示す図。
【図４１】共鳴中の量子井戸構造により分離された２つの強磁性層を示す図。
【図４２】交換結合を用いて磁化を反転する素子の斜視図。
【図４３】図４２に示した素子の断面図。
【図４４】図４２に示した素子の書き込み及び読み出しサイクルを示す図。
【図４５】交換結合を用いて磁化を反転する他の素子の斜視図。
【図４６】図４５に示した素子の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
電磁場パルスによる磁化反転
図１に本発明よる磁気抵抗の強磁性素子１を示す。強磁性素子１は均一に分布した磁化を有しているものと仮定するが、この仮定は必ずしも必須条件ではない。
【００４３】
強磁性素子１は磁化容易軸２を定義する磁気異方性を示す。磁気異方性は、特に素子の形状及び／又は結晶構造の結果として生じる。例えば、素子１が長尺である場合、磁化容易軸２は長尺の縦軸に沿った方向となる。
【００４４】
素子１の磁化４は磁化容易軸２に沿った方向となる。
【００４５】
歳差反転を補助するために、また方向に依っては磁化３の再方向を安定化させるために、外部磁場５を随意に加えてもよい。例えば、（強磁性素子１がその一部となっている）強磁性素子の配列に対して全体的に外部磁場５を加えてもよい。歳差反転を容易にする、あるいは補助するために、外部磁場５は、例えば永久磁石を用いて困難軸に沿って固定してもよい。
【００４６】
図１に示すように、磁化３の再配向を安定化させるために外部磁場５は初期磁化に対し、容易軸２に沿った反平行の方向となる。しかし、外部磁場５は、必ずしも容易軸２に沿った方向とする必要はなく、図１に示した構成のように、容易軸２に対し垂直に設けられた困難軸を含む他の角度に配向させてもよい。外部磁場５は可変であり、導電路（図示せず）に電流を通すことにより生成することができる。
【００４７】
異方性磁場及びオプションの外部磁場５は有効磁場６となる、すなわち、
【数２】
2010166054.tif 000005
ここで、
2010166054.tif 000006
は磁化３に作用する有効磁場６であり、
2010166054.tif 000007
は異方性磁場であり、
2010166054.tif 000008
は外部磁場５である（ベクトル表記に基づく）。
【００４８】
以下で説明するように、電場パルス７を、例えば層の面に垂直に印加し、強磁性素子１内の磁気異方性を一時的に変化させ、磁化３に歳差反転を起こさせる。
【００４９】
電場パルス７を印加する前に、すなわちｔ＜０の時点で、Ｖ＝Ｖ０（例えば、Ｖ０＝０）とし（ここで、ｔは時間であり、Ｖはゲート（図示せず）に印加するバイアスである）、
2010166054.tif 000009
磁化３は、有効磁場６の方向（ここでは、正のｘ方向に平行であるものとして表す）に配向される。いくつかの実施態様において、１つよりも多くの数のゲート（図示せず）を用いることができる。
【００５０】
次に電場パルス７を印加し、これにより磁気異方性を変化させ、さらに磁化３を回転させ、変化した有効磁場のまわりで歳差を開始させる。
【００５１】
従って、パルス７の開始時点、すなわちｔ＝０及びＶ＝Ｖｃでは、異方性磁場２が変化し、有効磁場６の回転、すなわち
2010166054.tif 000010
を起こさせ、磁化３は有効磁場６の軸、すなわち
2010166054.tif 000011
のまわりで減衰歳差を開始する。
【００５２】
磁化３が半分まで歳差を完了した時点で、電場７の印加を止めることができる。そして、磁化３は容易軸２に沿って（反平行）安定化を開始する。
【００５３】
従って、パルス７の終了時点、すなわちｔ＝Δｔ１８０°及びＶ＝Ｖｃでは、異方性磁場及び有効磁場６は、図１ｃに示すように負のｘ成分を持つものとなる。
【００５４】
パルス７が終了した直後、ｔ＝Δｔ１８０°＋δ（ここでδ＞０）及びＶＧ＝Ｖ０で、異方性磁場２が反転し、元の方向に対して反平行となるｘ方向に平行な向き、すなわち
2010166054.tif 000012
となり、磁化３は有効磁場６の軸、すなわち
2010166054.tif 000013
のまわりで減衰歳差を継続する。
【００５５】
ｔ＞＞Δｔ１８０°及びＶＧ＝Ｖ０では磁化３は平衡状態に到達し、有効磁場に沿った方向となり、負のｘ方向に平行、すなわち
2010166054.tif 000014
となる。
【００５６】
磁化の反転は、磁化３の方向に依存したエネルギーを考慮することにより理解することができる。例えばＶ０では、ｘ軸に沿った容易軸２はポテンシャル障壁で分離された２つの最小エネルギーに対応する。障壁の高さは、磁化３が困難軸に沿った方向となった場合のエネルギー増加に対応する。
【００５７】
磁化の反転、すなわち磁化の方位の１８０°反転は、反転層と固定基準層との間の相対的な方位が素子の抵抗により定まるような、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子及び巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子並びに他の同様の種類の読み出し素子においても使用され得る。
【００５８】
ゲート電圧パルス７により、元の容易軸４から４５°から最大９０°の角度で回転した新しい容易軸が生じた場合、磁場の助けを借りずに磁化の反転を果たすことができる。
【００５９】
これは、例えばｘ＞０．０３の高キャリア濃度のＧａ１−ｘＭｎｘＡｓで、素子１の内部で、異方性が層の平面に対し垂直に配向されて引張り歪が生じている場所と、磁気異方性が層の平面に対し平行に配向されて圧縮歪が生じている場所との間で、部分的に歪みを変化させることにより実現することができる。また容易軸の回転も、歪みのある構造内でキャリア濃度を変化させることにより実現することができる。
【００６０】
ｘ＜０．０２の低濃度のＧａ１−ｘＭｎｘＡｓでは、磁気異方性の変化は上記とは反対の方法で行うことができる。例えば、素子内に圧縮歪が生じている場所では、磁気異方性は平面に対し垂直に配向でき、素子内に引張り歪が生じている場所では、磁気異方性は平面に対し平行に配向できる。
【００６１】
系の特定の磁気異方性に依っては、完全な磁化反転が必要でない、すなわち磁化を１８０°反転させる必要がない場合もある。例えば立方磁気異方性を示す素子では、より長いパルス幅（例えば、半歳差パルス）で２２．５°以下の角度に、あるいは、より短いパルス幅（例えば、４分の１歳差パルス）で９０°までの角度に容易軸を回転させた場合、９０°の磁化反転を実現することができる。これは、格子定数が約０．０１％のオーダーで変化した結果生じる微小の歪み変化を有するＧａ１−ｘＭｎｘＡｓで観察したように起こり得ると言える。この場合、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、トンネル異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）又はクーロンブロッケード型異方性磁気抵抗（ＣＢＡＭＲ）などの異方性磁気抵抗効果を用いても、磁化方向を読み出すことができる。
【００６２】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ素子での結晶磁気異方性の局所的な制御
図２ａ及び図２ｂは、リソグラフィで形成した溝９による歪み緩和を用いて、結晶磁気異方性を調整及び制御した素子８を図示したものである。結晶磁気異方性はスピン軌道結合により与えられる。バルクＧａＭｎＡｓの磁気異方性と素子８での歪み緩和の効果の両方の評価を援助するため、素子８に隣接したウエハ１１にファンデルポー素子１０を形成する。
【００６３】
素子８は、平面図上でＬ字型をした、［１１０］及び
2010166054.tif 000015
方向に沿って直交した第一及び第二アーム１１１、１１２を含むチャネル１１を有するホールバー（Ｈａｌｌ  ｂａｒ）の形状をしている。アームは１μｍの（横）幅と、２０μｍの（縦）長さｌを有している。
【００６４】
特に図２ｃを参照すると、素子８は、ＧａＡｓ基板１４上の［００１］結晶軸に沿ってエピタキシャル成長させた厚さ２５ｎｍのＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓ層（又は、エピ層）１３を含む層構造１２を有するウエハに形成されている。チャネル１１は、電子ビームリソグラフィ及び反応イオンビームエッチングにより形成する。溝９は２００ｎｍの（横）幅Ｗと、７０ｎｍの深さｄとを有している。
【００６５】
図３ａ乃至図３ｄを参照すると、素子８と同一の構成を有する他の素子（図示せず）の電気特性と、素子８の電気特性が示されている。他の素子（図示せず）と素子８は、ホール（Ｈａｌｌ）バーの寸法が異なっている。他の素子（図示せず）において、アーム（図示せず）は４μｍの幅と８０μｍの長さである。図２ａ及び図２ｂに示した素子８では、アーム１１１、１１２は１μｍの幅と２０μｍの長さである。
【００６６】
これらの素子８は面内結晶磁気異方性を示し、約５０ミリテスラの飽和磁化Ｍｓを有している。これは、形状異方性ではなく歪み緩和の効果に依るものである。例えば、素子８の形状異方性磁場は１ミリテスラ未満であり、この値は結晶異方性磁場よりも１オーダー低い値である。従って、容易軸は形状異方性によって形成されるのではなく、結晶磁気異方性によって形成される。
【００６７】
１００°Ｋのキュリー温度（Ｔｃ）は、異常ホール（Ａｎｏｍａｌｏｕｓ  Ｈａｌｌ）データのＡｒｒｏｔｔプロットを用いて求める。強磁場ホール測定により、５×１０２０ｃｍ−３のホール（Ｈａｌｌ）濃度が求められる。この不純物添加により、ＧａＡｓ基板１５上に成長させたＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓのエピ層１３内の圧縮歪みによって、磁化ベクトルの方位を強制的に磁気エピ層１３の平面に平行の方向に向けさせる強い結晶磁気異方性が生じることになる。
【００６８】
面内回転磁場（図示せず）の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）の長さ成分及び幅成分を測定することにより、個々のマイクロバー素子８での磁化方位を局所的に監視する。
【００６９】
図３ａ及び図３ｂは、飽和磁場での磁化の回転をグラフで図示したものであり、面内ＡＭＲが次式によく従うことを示している。
【数３】
2010166054.tif 000016
上式において、ρＬは縦方向の抵抗値、ρＴは幅方向の抵抗値、Ａは定数（各ホールバーに関するだけではなくファンデルポー素子１０にも関する）及びφは磁化と電流との間のなす角である。
2010166054.tif 000017
であり、ここで、
2010166054.tif 000018
は、全角度での平均値である。
【００７０】
図３ｃ及び図３ｄは、外部磁場を走査したものに対する磁化抵抗をグラフで図示したものであり、ここで
2010166054.tif 000019
軸から測定した磁場角θは一定である。
【００７１】
図示したように、磁気抵抗はθの値に強く依存し、磁化回転に依るものである。強磁場では磁気抵抗は純粋に等方性を示し、すなわち異なる角θに対する抵抗の差は外部磁場の強度とは独立している。この特性と、弱磁場での異方性磁気抵抗に比べて等方性磁気抵抗がはるかに小さいことから、図３ａ及び図３ｂに示した強磁場での測定を用いて、弱磁場での抵抗の変化と磁化方位の変化との間の一対一の対応関係を決定することができる。図３ａ及び図３ｂに示した縦方向と幅方向のＡＭＲ軌跡の間に存在する４５°の位相差を用いて両方の抵抗成分を同時に測定すれば、磁化角度の変化を求められる。
【００７２】
θを固定した磁気抵抗の測定を最初に用いて、個々のマイクロバーの局所的な磁気異方性を求めることができる。容易軸方向に対応するθの値は最小の磁気抵抗を有する。容易軸方向に対応しないθの値に対しては、磁化は、異なる配向を生じるような（部分的に）連続した回転を弱磁場で起こすため、その結果、飽和及び残留磁気では異なる抵抗値が測定される。この方法を用いて、容易軸の方向を±１°内で求めることができる。
【００７３】
図４ａ及び図４ｂに、歪みを空間的に変化させることを導入したことによる磁気異方性への効果を示す。
【００７４】
バルク材料では、ファンデルポー素子１０（図２ａ）を用いた測定の結果、磁化角３０°は容易軸に対応するが、７°及び５５°の磁化角では磁化が極めて困難である。しかし、図２ａに示す素子８では、７°は
2010166054.tif 000020
バーにおいて容易軸であり、５５°は［１１０］バーにおいて容易軸である。
【００７５】
下記の表１は、‘Ａ’の標識をつけた他の素子（図示せず）の容易軸と、‘Ｂ’の標識をつけた素子８の容易軸と、バルク、すなわちファンデルポー素子１０の容易軸を列挙したものである。
【表１】
2010166054.tif 000021
【００７６】
バルク材料は、ジルコニウムを混合した下地構造による立方異方性を有し、さらに付け加えて（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓエピ層１３であることにより単軸
2010166054.tif 000022
異方性を有している。この結果、２つの容易軸は、［１００］及び［０１０］立方辺から
2010166054.tif 000023
方向に向けて各々１５°±の角度だけ傾くことになる。
【００７７】
マイクロ素子、すなわち他の素子（図示せず）及び素子８では、容易軸は、バルク材料で占有されていた角度からアーム１１１、１１２に向けて内側に回転する。アーム１１１、１１２の長さが短いほどこの回転角度は増加する。
【００７８】
結晶磁気異方性の局所的な変化は、以下のように理解することができる。
【００７９】
再び図２ａを参照すると、ＧａＡｓ基板１５上に成長したＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３は、（００１）面で、次の歪みパラメータの一般値に従った圧縮歪みを受ける。
【数４】
2010166054.tif 000024
ここで、αＧａＡｓ及びαＧａＭｎＡｓは各々、立方体の完全に緩和されたＧａＡｓ及び（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの格子パラメータである。上記の式（３）とαＧａＡｓ及びαＧａＭｎＡｓのパラメータを用いると、ｆ≒０．２−０．３である。
【００８０】
バー１１に沿った溝９から（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを取り除くと、格子は横方向に緩和し、それに対応した延びｆｔ/ｗは約０．０１であることを概算で見積もることができる。ここで、ｔは（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ薄膜の厚さで本例では２５ｎｍであり、ｗはバー幅である。
【００８１】
定量値に関しては、実際の試料の形状に従い、弾性理論に基づく数値シミュレーションを用いて、マイクロバーにおける格子緩和の大きさを求めることができる。Ｇａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３を含むウエハ全体について、ＧａＡｓの弾性定数を考慮する。
【００８２】
図５は、素子１１（図２ａ）の［１１０］バー１１２に関する、格子緩和の大きさの数値シミュレーション結果を示したものである。
【００８３】
図５ａは、完全に緩和した立方ＧａＡｓに関して、成長方向の［００１］軸に沿った歪み成分を示したものである。すなわち、
【数５】
2010166054.tif 000025
【００８４】
歪み成分はｆに対して線形の関係があるため、ｅ［００１］／ｆの分布を描くことができる。
【００８５】
図５は、成長に伴う格子整合歪みを図示したものである。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ格子の面内圧縮のため、弾性媒体は、αＧａＡｓに比べて格子定数を成長方向に伸長させることにより反応する。すなわちｅ［００１］／ｆ＞１である。
【００８６】
エピ層１３の平面内では、格子はマイクロバーの方位に垂直な方向にだけ緩和することができる。これに対応する歪み成分をＧａＡｓに関して計算し、素子１１の全断面に関して描いたグラフが図５ｂであり、［００１］−［１１０］面を通る様々な断面に沿って描いたグラフが図５ｃ及び図５ｄである。バーの中央では面内緩和は比較的少なく、すなわち、格子定数はＧａＡｓ基板１５の格子定数と同様であるが、バー１１の辺に近い場所では格子緩和は大きくなる。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓバーの全断面で平均をとると、相対面内格子緩和は数百分の一、すなわち式ｆｔ／ｗで推定したものと同一のオーダーであることが分かる。以下に示す結晶磁気エネルギーの微視的計算により、見かけでは小さい格子歪みが、強力にスピン軌道結合された（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの中で観測された容易軸回転の原因となっていることが分かる。
【００８７】
磁化角度に依存した全エネルギーの微視的計算は、ＧａＡｓホスト価電子帯の６バンドｋ．ｐ記述と、局所的なＭｎＧａ ｄ５モーメントへの結合の動的交換モデルとの組み合わせに基づくものである。バンドのスペクトル組成と関係する対称性が、よく知られたＧａＡｓホストで見られるようにＡｓ副格子のｐ軌道により支配されているような、価電子帯の最上位バンドでのスピン軌道結合の現象を記述するのに、この理論は十分適している。また、ｋ．ｐモデルは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓバンド構造への格子歪みの影響を説明する直接的な手段を提供するものである。上述した巨視的なシミュレーションでは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの弾性定数はＧａＡｓと同一の値を有するものと仮定している。この理論は、調整可能な自由パラメータを用いず、圧縮及び引張り歪みの元で成長する同様の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓエピ層で、面内容易磁化方向と面外容易磁化方向との間で遷移が見られることを説明し、対応するＡＭＲ効果の符号とその強度に関して一貫した根拠を与えるものである。
【００８８】
マイクロバーの結晶磁気エネルギーのモデル化に際しては、巨視的シミュレーションで得られたｅ［００１］の平均値に対応した（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層の歪みは均一であると仮定することができる。微視的計算の入力パラメータは、完全に緩和された（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ立方格子に関連し、次式で与えられる［１００］−［０１０］−［００１］（ｘ−ｙ−ｚ）座標系での歪み成分である。
【数６】
2010166054.tif 000026
ここで、±は各々、
2010166054.tif 000027
バーと［１１０］バーに対応している。
【００８９】
図６ａは、他のＬ字型素子１５及びＬ字型素子８の
2010166054.tif 000028
及び［１１０］バーでの容易軸の方向を図示したものである。矢印１６はパターンニングによる格子緩和の方向と大きさを示している。
【００９０】
図６ｂは、結晶磁気エネルギーの計算結果を、ｆ＝０．３とし、ｅｘｙをゼロ（面内格子緩和なし）から、
2010166054.tif 000029
バーに対応した（ｅｘｙ＞０）典型的な値と、［１１０］バーに対応した（ｅｘｙ＜０）典型的な値まで変化させて、面内磁化角の関数としてグラフに描いたものである。特に、ゼロ剪断歪み（黒線）に対する面内磁化角の関数として、［１１０］軸に沿った格子伸長に対応したｅｘｙ＝０．００４から０．０２％まで変化させ、さらに、
2010166054.tif 000030
軸に沿った格子伸長に対応したｅｘｙ＝−０．００４から−０．０２％まで変化させてエネルギーをグラフに描いた。容易軸は、ｅｘｙ＝０、−０．００２％及び−０．０２％に存在する。［１１０］バーの［１１０］軸に沿って伸長した菱形に似た単位セル（下方の菱形）と、
2010166054.tif 000031
バーの
2010166054.tif 000032
軸に沿って伸長した菱形に似た単位セル（右側の菱形）とにより、微視的な結晶磁気エネルギー曲線の
2010166054.tif 000033
対称性を崩す格子変形を示してある。
【００９１】
実験と一致して、ｅｘｙ＝０での［１００］及び［０１０］での最小値は、［１１０］方向（ｅｘｙ＞０）に沿った格子伸長に対しては
2010166054.tif 000034
方向に移動し、
2010166054.tif 000035
方向（ｅｘｙ＜０）に沿った格子伸長に対しては［１１０］方向に移動する。２つのバーでの実験での容易軸の回転間の対称性は、その微視的な起源は未知ではあるものの既にバルク材料内に存在している［１１０］単軸成分に依るものであり、（微視的なパターンニングによっては生じない）固有歪み
2010166054.tif 000036
によってモデル化することができる。
【００９２】
ここで説明した素子は、圧縮歪みの元で成長させた面内磁気異方性を有するＧａＭｎＡｓのストライプの微視的パターンニングによる相互歪み緩和を用いている。一方、引張り歪みが与えられ垂直磁気異方性を有するＧａＭｎＡｓでパターンニングした配線は、その格子定数が下がることで緩和する。この場合、微視的パターンニングは、引張り歪みが与えられたＧａＭｎＡｓのバルク材料に比べ、垂直磁気異方性を弱める働きをする。
【００９３】
強磁性金属も、局所的な歪みに対し、結晶磁気異方性が敏感に依存する特性を示す。平衡状態にある格子の歪みは局所的な歪みに変化を与える。極薄膜では、表面での成長によって歪みが生じる。従ってＧａＭｎＡｓと同様に、ＧａＡｓ［００１］基板上でエピタキシャル成長させたコバルト（Ｃｏ）又は鉄（Ｆｅ）の極薄膜は、バルク材料としての立方磁気異方性と、界面から生じる単軸性の寄与の両方を示す。
【００９４】
電荷キャリア濃度変化による磁気異方性
図７は、８×１０２０ｃｍ−３の第一キャリア濃度ｐと、６×１０２０ｃｍ−３の第二キャリア濃度での、ｅ０＝−０．２％の圧縮歪みの基で、
2010166054.tif 000037
に沿ったｅｘｙ＝−０．０２％の格子歪み（伸長）が与えられた、ＧａＡｓ［００１］上で成長させ横方向歪みが与えられたＧａ０．９６Ｍｎ０．０４Ａｓ結晶磁気エネルギーの形状を示したものである。第一及び第二の矢印１７、１８は、各々第一及び第二のキャリア濃度に対する容易軸の方向を示している。
【００９５】
図７に示すように、キャリア濃度の変化により、歪みを有するＧａＭｎＡｓでの磁気異方性の変化をもたらすことができる。多くの不純物（約１０２０−１０２１ｃｍ−３）が添加されたバルク半導体でキャリア濃度を変化させることは短い遮蔽距離のために困難ではあるが、十分に（電気的に）分離されたナノ構造を用いれば十分大きなキャリア濃度変化を実現することができる。
【００９６】
上述した図６ｂに示したものと同様の理論的計算によれば、磁気異方性がキャリア濃度に敏感に依存することが示される。図７に示すように、キャリア濃度を約２５％減少させると、概ね
2010166054.tif 000038
から［１１０］の結晶方位に、約９０°だけ容易軸が変化する。
【００９７】
磁気異方性を電場により変化させることを実現する、本発明の他の実施例を説明する。この実施例には、歪みを有する強磁性半導体の電荷キャリア濃度を変化させる方法、不均一な歪みを有する強磁性半導体の最大キャリア濃度の中心を移動させる方法、及び、圧電層を強磁性層に張り付けること、あるいは、例えば（従来のように不純物添付されたＧａＡｓと同様の圧電特性を有する）ＧａＭｎＡｓで可能となっているように、強磁性材料自身の圧電特性を利用することにより強磁性層の歪みを変化させる方法が含まれている。
【００９８】
さらに他の磁気抵抗素子
本発明による磁気抵抗素子のさらに他の実施例を説明する。
【００９９】
先ず、電場パルスを印加することにより強磁性領域の電荷キャリア濃度に変化を及ぼし、その結果、さらに磁化に歳差を開始させる磁気異方性の変化をもたらすような磁気抵抗素子について説明する。
【０１００】
図８ａ及び図８ｂは、第一及び第二の磁気抵抗素子２１１、２１２を示すものである。第二磁気抵抗素子２１２は、第一磁気抵抗素子２１１の変形である。
【０１０１】
各素子２１１、２１２は、歪みが与えられた強磁性領域２２（ここでは、強磁性“島”と称する）を含んでいる。これらの例では、強磁性領域２２は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓなどの強磁性半導体を含んでいる。しかし、これとは異なる強磁性半導体を用いることもできる。
【０１０２】
強磁性領域２２の磁化方向は、強磁性領域２２に容量性結合されたゲート２３を用いて短い電場パルスを印加することにより、強磁性領域２２の磁化方向を変化させること、あるいは変化することを助けることができる。電場パルスを印加することにより、強磁性領域２２の電荷キャリア濃度に変化を及ぼし、その結果、さらに磁化に歳差を開始させるような磁気異方性の変化をもたらす。強磁性領域２２は、４．２°Ｋなどの所定の動作温度で充電効果をもたらすように十分に小さくすることができる。例えば、強磁性領域２２は、１又は１０ｎｍのオーダーの寸法（層厚及び横径）を有することができる。しかし、強磁性領域２２は、例えば１００ｎｍ、１μｍ又はそれ以上のオーダーのより大きな寸法を有するものであってもよい。
【０１０３】
強磁性領域２２は、第一及び第二のリード２４、２５の間に設けられ、各々トンネル障壁２６、２７を介して第一及び第二のリード２４、２５と弱結合している。いくつかの実施例において、１つより多くの強磁性体材料の島が、例えば鎖状に存在していてもよい。
【０１０４】
電圧パルス２９をゲート２３に印加するパルス発生器２８を用いて磁化の再配向を開始する。
【０１０５】
再配向の方向は様々な方法で測定することができる。
【０１０６】
例えば、第一の素子２１１において、磁化の方向は電圧源３０と電流検出器３１とを用いてトンネル異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）を測定することにより決定できる。第一及び／又は第二リード２４、２５が強磁性である場合、電圧源３０と電流検出器３１とを用いてトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を測定することにより磁化の方向を決定することができる。いずれの場合も、測定には電流を流し、電流を測定するために電圧を印加することが含まれている。
【０１０７】
第二の素子２１２において、磁化の方向は電圧源３０と電流検出器３１とを用いてＴＭＲを測定することにより決定できる。しかし、第一リード２４と第三リード３２との間にバイアスを与えその間の電流を測定する。ここで、第三リードはトンネル障壁３４により強磁性島２２と分離され、固定化された強磁性領域３３に結合されている。なお、これらとは異なる測定の構成を用いることができることは理解されよう。
【０１０８】
図９は第一の素子２１１をより詳細に示すものである。
【０１０９】
第一の素子２１１は長尺の導電性チャンネル３６を有しており、チャンネル３６の横側にゲート２３が配置され、すなわち横側ゲート構造となっている。チャンネル３６と横側ゲート２３は、溝による分離でパターンニングされた（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層３７で形成されている。ＡｌＡｓ層３８は、チャンネル３６と横側ゲート２３をＧａＡｓ基板３９から電気的に分離している。チャンネル３６は、くびれ部へのリード２４、２５を提供しているより広い部分の間に設けられたくびれ部４０を含んでいる。
【０１１０】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層３７は２％のＭｎ、すなわちＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含んでおり、５ｎｍの厚みを有しているが、表面酸化により実効厚みは約３ｎｍである。くびれ部４０は幅が３０ｎｍ、長さが３０ｎｍである。チャンネル３６は幅が２μｍである。チャンネル３６とゲート２３は約３０ｎｍの距離で隔てられている。
【０１１１】
くびれ部４０の領域には、不規則性によるポテンシャルの変動により、少なくとも一つの導電性島２２と、リード２４、２５及び／又は隣接した島２２に対して導電性島２２を弱結合する少なくとも一組のトンネル障壁２６、２７が生成される。
【０１１２】
図１０ａ乃至図１０ｃを参照しながら、第一の素子２２１の特性が以下に示される。
【０１１３】
図１０ａは、ゲート電圧と電流に平行な面内磁場に対するチャネルコンダクタンスをグレー・スケール表示した分布グラフである。破線４１は、ゲートバイアスに依存した臨界再配向磁場Ｂｃである。臨界再配向磁場Ｂｃは、ＶＧ＝−１Ｖでの約４０ミリテスラからＶＧ＝１Ｖでの２０ミリテスラ未満まで減少する。
【０１１４】
ディスク形状の島２２を仮定して、充電エネルギーの実験値を用いてその実効ディスク径を推定すると約１０ｎｍであることが分かった。従って、約４０個のマンガンのアクセプタが島２２に存在する。約４０％のキャリア濃度の減少に対応させてＶＧを−１Ｖから＋１Ｖまで変化させると、約１６回のクーロン振動が観測された。臨界再配向磁場ＢＣは、ＶＧ＝−１Ｖでの約５０ミリテスラからＶＧ＝１Ｖでの２０ミリテスラ未満まで減少する。
【０１１５】
図１０ｂは、島２２が磁化Ｍ０を保っているＢ０＝０でのクーロン・ブロッケード振動と、島２２が飽和磁化Ｍ１を保っているＢ０＝−１００ミリテスラでのクーロン・ブロッケード振動とを、ゲート電圧をＶＧ＝−１Ｖと１Ｖの間で変化させてグラフにしたものである。中間の磁場Ｂ０＝−３５ミリテスラでコンダクタンスを測定した結果は、約−０．５Ｖの臨界ゲート電圧でＭ０からＭ１に遷移することを示している。
【０１１６】
図１０ｃは、臨界再配向磁場ＢｃのゲートバイアスＶＧに対する依存性を、ＶＧ＝−１ＶとＶＧ＝＋１Ｖの範囲でグラフで示すものである。グラフは、振幅ＶＧ≧２．５Ｖのゲート電圧パルスでＢ０＝０で磁化反転を発生させることを示している。異なる素子構造及び／又は材料を用いた場合にも同様のグラフが得られ、磁気反転を発生するのに必要なバイアスを求めるために用いることができることが分かる。
【０１１７】
図１１ａ及び１１ｂに示すように、第二の素子２１２は第一の素子２１１の変形である。
【０１１８】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層（図示せず）に続くＧａＡｓ基板上にＡｌＡｓ層３８’を成長させ、ピン層３２及び第三電極３３を単一体として含む下地電極構造４２を形成するために（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓをパターンニングし、更に、パターンニングした電極上にＡｌＡｓ層４３と（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層を成長させ、チャンネル３７’及びゲート２３を形成するために更に（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層を成長させて素子２１２を形成することができる。
【０１１９】
下地電極構造の代わりに表層電極構造を用いることもできる。例えば、ピン層と第三電極を含む電極構造を形成するためにチャンネルとゲートを形成し、パターンニングした後で、電極を形成するＡｌＡｓ層と（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層を成長させることができる。これに代えて、ＳｉｘＮｙなどの薄層ゲート電極とＣｏなどの強磁性材料を、リフトオフ又はドライエッチングを用いて堆積しパターンニングすることもできる。
【０１２０】
図１２は、第一及び第二素子２１１、２１２のための書き込み及び読み出しサイクルを示すものである。
【０１２１】
以下で詳細に説明するように、素子２１１、２１２は、４つの状態Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を有する。しかし、素子２１１、２１２はより少ない状態、例えば、反平行のちょうど２状態を有してもよいし、あるいはより多くの状態、例えば、面内２軸異方性及び垂直単軸異方性を利用することによる６状態を有してもよい。さらに、素子２１１、２１２は、例えばソース及び／又はドレイン領域が強磁性であるかどうかに依り、例えば４つの状態Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を示し得る場合でも、全ての状態が区別可能であってもよいし、あるいはいくつかの状態が区別不可能となっていてもよい。
【０１２２】
以下に、強磁性島２２の磁化４４を起こす２種類の書き込みパルスについて説明する。一方の種類のパルス（いわゆる“ｔ１８０”パルス）は２状態を切り替えるものであり、他方の種類のパルス（いわゆる“ｔ９０”パルス）は４状態のうち“隣接する”２状態を切り替えるものである。
【０１２３】
なお、図１２においてグラフで描いた磁化４４は、磁化のエネルギーを表すものではなく、単に異なる状態を表すものである。いくつかの実施例において、これらの状態は０°、９０°、１８０°、２７０°の角度依存性を表している。
【０１２４】
以下では、いわゆる“トグル”スイッチングについて説明するが、これにより、“ｔ１８０”パルスを繰り返し印加し、２状態間、例えば各々‘０’及び‘１’を表す状態Ｍ１及び状態Ｍ２の間で磁化４４を“トグル”させる。しかし、“ｔ９０”パルス２９は、一つの状態からそれに隣接する状態にのみ磁化４５を“回転”させることを漸次行うものである。
【０１２５】
例えば、‘０’状態と‘１’状態との間で、そしてその逆方向でスイッチングすることにより素子２１１、２１２にデータを書き込むために、ゲート２３に電圧パルス２９を印加する。
【０１２６】
パルス２９は歳差周期ｔｐｒｅｃｅｓｓの周期の半分の持続時間ｔ１８０を有する。歳差周期ｔｐｒｅｃｅｓｓは、
【数７】
2010166054.tif 000039
により与えられる。
ここで、γはジャイロ磁気定数、
2010166054.tif 000040
であり、ＢＡは異方性磁場であり、例えば、試料壁、粒壁、ドメイン壁あるいは他の種類の境界における磁化の発散により生成される反磁場を含んでいてもよく、形状異方性を引き起こすものである。本例では、ｔｐｒｅｃｅｓｓは約１ｎｓである。ｔｐｒｅｃｅｓｓの値は（１００ミリテスラから１ミリテスラのＢＡに対し）通常、１００ｐｓから１０ｎｓまでの範囲にある。
【０１２７】
電圧パルスの振幅｜ＶＧ｜は１又は１０Ｖのオーダーである。
【０１２８】
先に説明したように、外部磁場を印加して安定した磁化を助け、あるいは歳差を促進することができる。外部磁場は、永久磁石（図示せず）又は導電路（図示せず）により与えることができ、異方性磁場と同一又はそれより小さい、例えば１から１００ミリテスラのオーダーの強度を有することが好ましい。
【０１２９】
いくつかの実施例において、特定の方向に磁化を配向することにより特定の状態を書き込むために、外部磁場及び／又はスピン移行トルク電流を用いることができる。以下、この書き込みのことを“直接書き込み”と称する。
【０１３０】
磁気抵抗素子が、絶縁層により分離した強磁性層を固定化及び自由化した実施例において、電場パルスを印加し、同時に又はその直後にスピン移行トルク（ＳＴＴ）電流パルスを印加することにより、磁化の再配向を果たすことができる。“その直後に”とは、電場パルスの印加後に磁化が歳差を行っていて、それが減衰しきっていない時間内のことを意味している。通常、この時間は０ｎｓと５ｎｓの間である。
【０１３１】
素子２１１、２１２からデータを読み出すために、素子２１１、２１２のソース２４とドレイン２５の間にバイアスパルス４５を印加し電流ｉ３１を測定する。電流の強度は、素子のトンネル異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）及び／又はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）に依存しており、これらの抵抗値はさらに、‘０’及び‘１’状態を表す強磁性領域２２の磁化４４の方位に依存している。
【０１３２】
先に説明したように、２つより多数の状態の方位は、ＡＭＲ、ＴＡＭＲ及びＣＢＡＭＲ等の異方性磁気抵抗効果を測定することにより、あるいは、平面に垂直な方向の磁化容易軸に沿った状態の異常ホール効果によって生じる、リード３２と基準（例えば、接地）との間の横方向ホール電圧を測定することにより求めることができる。
【０１３３】
図１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを参照して第一素子２１１の製造について説明する。
【０１３４】
図１３ａに示すように、低温分子ビームエピタキシー（ＬＴ−ＭＢＥ）により、ＧａＡｓ基板３９上のＡｌＡｓ３８”バッファ層上に［００１］結晶軸に沿って成長させた、極薄（５ｎｍ）のＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピ層３７”から素子２１１を製造する。引用文献は、“ヒ素二量体で成長させた高品質ＧａＭｎＡｓ膜”、Ｒ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ、Ｋ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ、Ｌ．Ｘ．Ｚｈａｏ、Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ、Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎ、Ｂ．Ｌ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ及びＣ．Ｒ．Ｓｔａｄｄｏｎ共著、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第２４７巻、４２頁（２００３）である。
【０１３５】
光リソグラフィに用いられるアルカリ性現像液に対するＧａＭｎＡｓ層の高い反応性により、メチル・イソブチル・ケトン／イソプロパノールの１：３混合溶液中において超音波を用いて温度２５℃で現像されたポリメチルメタクリル酸（ＰＭＭＡ）レジストを用い、電子ビームリソグラフィを用いてホールバー１４を形成する。
【０１３６】
各々２０ｎｍ及び６０ｎｍの厚さを有する、熱蒸着された高電子コントラストのＣｒ／Ａｕ重ね合せマーク（図示せず）を、１μｍ厚のレジスト（図示せず）と約２５０ｎｍ径の電子ビームとを用いたリフトオフによりパターンニングする。ＧａＭｎＡｓに対し過度な損傷を与えることなく金属の付着を補助するため、蒸発に先立ち１０％のＨＣｌ溶液に３０秒間浸す。
【０１３７】
約２００ｎｍ厚のレジスト層（図示せず）を、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピ層３７の表面Ｓに塗布する。直径が約１５ｎｍで電流が約５ｐＡの電子ビーム（図示せず）を用い隣接した重ね合せマークにチップ上で焦点を合わせて、最も微細なパターンを画定する。直径が約２５０ｎｍで電流が約１ｎＡのビームにより、同一のレジスト中に臨界未満領域（図示せず）を画定する。書き込み時間とパターン変動を最小とするため、高分解度領域ができるだけ小さくなるように配置する。
【０１３８】
図１３ｂに示すように、パターンニングしたレジスト層Ｍをエッチマスクとして残すためにレジストを塗布する。
【０１３９】
図１３ｃに示すように、トレンチ分離のために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いる。ＧａＭｎＡｓの高い導電性に比較すれば、ＲＩＥによる導電性の減損は最小となることが期待される。ＲＩＥ反応室（図示せず）内の圧力は２０ｍＴｏｒｒであり、ＧａＡｓ及び塩化マンガンの両方の除去に適した物理的エッチング作用と化学的エッチング作用に必要な混合をガスを供給するため流量が２０ｓｃｃｍのＳｉＣｌ４及びＡｒ両方を用いる。１０秒から１５秒間の１００Ｗの通常のエッチングにより、ＧａＭｎＡｓ層に２０〜３０ｎｍの深さを有するトレンチＴを安全に形成した。
【０１４０】
Ｃｒ／Ａｕ（２０ｎｍ／３００ｎｍ）ボンドパッドを熱蒸着し、さらに、ＨＣｌ溶液中で付着ディップにより再度処理する。ボンドパッドはＧａＭｎＡｓ層に対する低電気抵抗の電気接点を形成し、別個のオーミック金属被膜形成の必要はない。
【０１４１】
本例では、素子は、くびれ部の両側で１０μｍ間隔で２μｍ幅のチャンネルと、５００ｎｍ幅の３組のホールセンサー端子とを有する［１１０］方向に沿って並んだホールバー配置で配列されている。しかし他の配列を用いることもできる。
【０１４２】
第二の素子２１２を製造するために、上述した製造プロセスを変更する。
【０１４３】
より厚い、例えば２５ｎｍ厚を有するＧａＭｎＡｓ層を有する上述したものとは異なる初期層構造を用いる。層構造は電子ビームリソグラフィとＲＩＥを用いてパターンニングし、下地電極構造４４（図１１ａ）を形成する。次に、上述したように別のＡｌＡｓ層（３ｎｍの厚みを有する）とＧａＭｎＡｓ層とをＬＴ−ＭＢＥにより成長させる。この構造をパターンニングして、第一の素子２１１と同様の方法でチャンネルを形成する。
【０１４４】
下地電極構造４４（図１１ａ）をパターンニングするステップと、ＡｌＡｓ層及びＧａＭｎＡｓ層を成長させるステップの間での汚染を最小化するために、いくつかの方法を用いることができる。例えば、初期層構造を成長させた直後にイオンビーム・ミリングを用いて下地電極構造４４（図１１ａ）をパターンニングし、さらに真空を破ることなく追加の層を成長させることができる。
【０１４５】
図８ｃは第三の磁気抵抗素子２１３を示すものである。
【０１４６】
第三の素子２１３は、第一及び第二リード２４，２５の間に配置された強磁性領域２２を有する２端子の素子であり、トンネル障壁２６により一方のリード２４に、さらに半導体強磁性領域２２及びリード２５により形成され空乏層により供給された調整可能な障壁３５により、他方のリード２５に各々弱結合されている。
【０１４７】
本例では、強磁性領域２２はｐ型半導体、例えばＧａ（Ｍｎ，Ａｓ）を含み、リード２５はｎ型半導体、例えばＳｉを添加したＧａＡｓを含んでいるため、調整可能な障壁３５は逆バイアスのｐ−ｎ接合となっている。しかしリードは金属でもよく、その場合は調整可能な障壁３５はショットキー障壁となる。
【０１４８】
特に図１４ａ及び１４ｂを参照して、第三の素子２１３をより詳細に示す。
【０１４９】
素子２１３は基板３８から直立した柱４７を含んでいる。柱４７は、１〜１０×１０１８ｃｍ−３のオーダーの濃度でＧａＡｓが添加され、（未エッチング時に）２００ｎｍの厚さを有する層２５と、約２ｎｍの厚さを有するｐ型Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓの層２２と、２５ｎｍの厚さを有するＡｌＡｓの層２６と、約１０ｎｍの厚さを有するＡｕの層とを含んでいる。
【０１５０】
本素子は、ＧａＡｓ基板上に成長させた２００ｎｍのオーダーの厚さのｎ型ＧａＡｓ（図示せず）の層と、５ｎｍ厚のＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓの層と、２５ｎｍ厚のＡｌＡｓ層とを含む層構造（図示せず）から製造する。Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓは低温分子ビームエピタキシー（ＬＴ−ＭＢＥ）により成長させる。
【０１５１】
電子ビームリソグラフィと熱蒸着とを用いて、層構造（図示せず）の表面上に、１０ｎｍのオーダーの厚さを有する金（Ａｕ）のパッドを画定し、ＳｉＣｌ４／Ａｒ  ＲＩＥを用いて柱４７を画定する。
【０１５２】
柱４７の上端を接触させるために、例えばポリイミドを用いて柱を平面化し、金の接合パッドを堆積させる。
【０１５３】
非磁性オーミック接合を用いて基板を接合させる。
【０１５４】
図１５は、第三の素子２１３での書き込み及び読み出しサイクルを示すものである。
【０１５５】
上述した第一及び第二の素子２１１、２１２と同様に、第三の素子２１３は４状態Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を示す。
【０１５６】
第三の素子２１３は、電圧パルス２９の極性により書き込みパルスであるか読み出しパルスであるかを決定する点が異なる。
【０１５７】
素子２１３にデータを書き込むために、他方のリード２５に対し固定されたトンネル障壁に隣接したリード２４に負の電圧パルス２９を印加し、ｐ−ｎ接合３５のバイアスを反転させ、さらに空乏領域の幅を増加させ、これにより空乏を増加させ、強磁性領域２２のキャリア濃度又はキャリア濃度分布を変化させ、歳差を生じさせる。前述したように、パルスの持続時間を用いて、すなわちｔ９０及びｔ１８０パルスを用いて、２状態間あるいは２より多数の状態間を切り替えることができる。
【０１５８】
データを読み出すために、他方のリード２５に対して固定されたトンネル障壁に隣接したリード２４に正の電圧パルス３０を印加し、電流４６に依存した磁化方位を測定する。
【０１５９】
図１６ａ、１６ｂ及び１６ｃを参照して、磁気抵抗素子５１を説明する。本素子では、電場パルスを印加することにより、不均一な歪みを有する強磁性半導体内の最大のキャリア濃度の場所を移動させ、その結果磁気異方性に変化を生じさせ、磁化の歳差を引き起こさせる。
【０１６０】
素子５１は、通常約１μｍの幅ｗと、約２０μｍの長さｌを有する長尺であるホールバー５２を含んでいる。ホールバー５２は、第一及び第二の終端リード５３、５４とバー５２の向き合う横側に組にして配置した第一、第二、第三及び第四の横側リード５５、５６、５７、５８とを有している。ホールバー５２は、表層電極及び下地電極５９、６０の間に挟まれており、各々“ボトム”電極及び“トップ”電極と以下称する。
【０１６１】
図示したように、パルス発生器６１を用いて、トップ電極５９とボトム電極６０との間に電圧パルス６２を印加する。電流源６３を用いて、ホールバー５２を介して第一及び第二の終端リード５３、５４の間に読み出し電流ｉｒｅａｄを流す。第一及び第二の電圧計６４、６５は、第一及び第二のリード５５、５６間のバイアスと第二及び第四の横側リード５６、５８間のバイアスとを測定し、各々縦方向と横方向の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）を求める。第二及び第三の横側リード５６、５７間のバイアスも測定し、異常ホール効果（ＡＨＥ）抵抗を測定することができる。
【０１６２】
ＡＭＲ測定を用いることにより、ＶＧ＝Ｖ０において、例えばＶ０＝０で２軸の面内異方性を示す強磁性層での磁化が１８０°未満、例えば９０°回転している２状態の間を区別することができる。
【０１６３】
ＡＨＥ測定を用いることにより、ＶＧ＝Ｖ０において垂直異方性を有するシステムでアップ状態とダウン状態の間を区別することができる。
【０１６４】
特に図１６ｂ及び１６ｃを参照すると、ホールバー５２はボトム電極５９として働き、ヒ化インジウムガリウム（Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ）基板６６上に形成される。ホールバー５２は、ＩｎＧａＡｓ基板６６の表層にＡｌＡｓで形成されたベース障壁層６７と、調製されたＩｎＧａＭｎＡｓで形成された不均一な歪みを有する強磁性層６８と、ＡｌＡｓで形成されたトップ障壁層６９とを含んでいる。トップゲート電極６０は、Ａｌで形成されている。
【０１６５】
強磁性層６８内の格子定数は制御可能であり、それを変化させることにより層６８の内部に不均一な歪みを生じさせることができる。Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓの格子定数は、Ｇａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓの格子定数よりも大きいため、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ上に後で成長させたＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓには引張り歪みが生じる。さらに、その上にインジウムを再び導入しＩｎＧａＭｎＡｓを形成する。ＩｎＧａＭｎＡｓの格子定数がＩｎＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きくなるまでインジウム濃度を増加させ、圧縮歪みを発生させる。
【０１６６】
素子５１は、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ）基板６６’（ｙ＝５％）と、約２０ｎｍの厚みを有するヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）６７’と、ヒ化インジウムガリウムマンガン（ＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ）６８’の段階的な層であって、ＧａＭｎＡｓ６８１’のベース層を含み約１０ｎｍの厚さを有する層と、を含むウエハ７０から製造する。
【０１６７】
図１７を参照すると、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板６６’上に成長させたＡｌＡｓ層６７’の上に、引張り歪の下でＧａ１−ｘＭｎｘＡｓの層６８１’をエピタキシャル成長させる。本例では、マンガン濃度は５％、すなわちｘ＝０．０５であり、インジウム濃度はｘ＝０から１０％まで増加している。
【０１６８】
ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板６６’のより広い格子定数は、引張り歪を生じるＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ層６８’に伝わる。ＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ層６８’をさらに成長させている間、インジウムを加えることでさらに格子定数を増加させ、これにより四元合金ＩｎＧａＭｎＡｓを形成する。インジウム濃度［Ｉｎ］は、層６８１のベース７１からの距離ｄが増すにつれて増加する。
【０１６９】
以上とは異なる歪の分布形状を用いることができる。本例では、強磁性層６８内の歪を、基板に近くの引張り状態から基板から離れての圧縮状態まで変化させる代わりに、圧縮状態から引張り状態に向けて変化させる。これは、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板に代えて、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板を有するウエハから素子を製造し、インジウム（Ｉｎ）に代えてリン（Ｐ）を加えることにより、リン化ヒ化ガリウムマンガン（Ｇａ１−ｘＭｎｘＰｚＡｓ１−ｚ）を形成することにより実現することができる。リン濃度が増加するに従って格子定数は小さくなる。
【０１７０】
図１８を参照にすると、強磁性体層６８の形状を変えることにより歪を変化させることができる。例えば、強磁性体層６８の幅を層６８のベース７１で狭めた幅ｗ１とし、ベース７１から離れるに従って広げた幅ｗ２＞ｗ１とすることができる。このようにして、層６８のより厚い上部よりも層６８の薄い下部において格子はより緩和される。強磁性体層６８へは不純物を均一に添加することもできる。
【０１７１】
図１９ａ及び１９ｂを参照すると、２つのゲート５９、６０間にゲートパルス６２を印加することにより電場７２が生成され、電荷キャリア７３（ここでは、多数キャリアであるホールのみ図示してある）をシフトさせ、下方の引張り歪み領域７４と上方の圧縮歪み領域７５での電荷キャリア濃度を変化させる。特に、パルス印加により、下方の引張り歪み領域７４から上方の圧縮歪み領域７５にキャリア７３が移動し、上方の圧縮歪み領域７５の電荷キャリア濃度が増加する。
【０１７２】
下に示す表２は、歪みとキャリア濃度に対する磁気異方性の方位を表すものである。
【表２】
2010166054.tif 000041
【０１７３】
磁性体層６８の磁気異方性７６は、層６８の面に垂直な第一方向７７１（すなわち、軸７８に沿った方向）に配向した状態から、層６８の面に沿った第二方向７７２（すなわち、軸７９に沿った方向）に配向した状態に変化する。このように、実効異方性磁場ＢＡは９０°回転する。これにより磁化８０が歳差を開始し、π／２パルスにより９０°だけ再配向する。
【０１７４】
以下でより詳細に説明するように、他に同一のパルス６２を印加することにより、実効異方性磁場ＢＡを再び９０°回転させ、磁化がさらに９０°だけ歳差を継続する。従って、実効異方性磁場ＢＡは再び面外軸７７に沿って配向するが、磁化は第一方向７７１に対して反平行である第三方向７７３となる。それにもかかわらず、第一及び第三状態（すなわち、磁化８０が第一及び第三方向７７１、７７３に配置したとき）の磁気抵抗は同一となる。この理由は、前述したように、初期及び最終の磁化状態が同一線上にない場合のみ、ＡＭＲ測定により初期及び最終の磁化状態を区別することができるからである。ＡＨＥ測定は、互いに逆向きで面に垂直な２つの磁化方向を区別することができる。ＴＭＲ測定は、固定した基準層に対して平行と反平行の方向とを区別することができる。
【０１７５】
書き込み及び読み出しサイクルは、前述した図１２で示したものと同様である。しかし、読み出しサイクルの間では、ソース／ドレイン間バイアスを印加し電流を測定する代わりに、素子に電流を流しリード５５、５６、５７、５８の間に発生する電位差を測定する。
【０１７６】
素子５１は、第一の素子２１１を製造するための前述した方法と同様の方法で製造する。例えば、前述したものと同様の方法で層構造を成長させ、電子ビームリソグラフィとＲＩＥを用いて層構造をパターンニングする。
【０１７７】
図２０ａ及び２０ｂを参照して、歪みパルスを印加すると磁気異方性に変化を引き起こし磁化の歳差を開始する、第四の磁気抵抗素子８１を以下に説明する。
【０１７８】
素子８１は、第一及び第二の接点リード８４、８５を有した圧電層８３上に搭載された積層構造８２を含んでいる。第一及び第二の接点８６、８７を用いて層構造８２への電気的接合を設ける。
【０１７９】
積層構造８２は、約１μｍの幅Ｗと約１μｍの長さＬとを有している。
【０１８０】
図示したように、パルス発生器８８を用いて圧電接合リード８６、８７間に電圧パルス８９を印加する。電圧源９０を用いて接合８６、８７間にバイアスを印加し、電流計９１を用いて積層構造８２を流れる電流を測定する。
【０１８１】
特に図２０ｂを参照すると、積層構造８２は、接着剤９３により圧電加圧器８３に固定されたヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板９２上に形成されている。圧電加圧器はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）から形成する。
【０１８２】
積層構造８２は、（非強磁性）ｎ＋−ＧａＡｓを含むボトム接合層９４と、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含み比較的低い保磁力を有し５ｎｍの厚みを有する層（すなわち、“自由”層）と、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）を含み２５ｎｍの厚みを有するトンネル障壁層９６と、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含み比較的高い保磁力を有し５０ｎｍの厚みを有する強磁性層９７（すなわち、“ピン”層）と、（非強磁性）金を含むトップ接合層９８とを含んでいる。
【０１８３】
他の配列及び他の材料を用いることもできる。例えば、圧電加圧器８３は基板９２と一体で形成してもよい。例えば、ＧａＡｓは［１１０］軸に沿って圧電特性を有していてもよい。
【０１８４】
第四の素子８１の強磁性層は必ずしも半導体である必要はないが、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのような強磁性金属、あるいはＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄなどの合金、あるいは他の好適な遷移金属／貴金属合金などの金属であってもよいし、これらの金属を含むものであってもよい。
【０１８５】
書き込み及び読み出しサイクルは前述した図１２で示したものと同様である。
【０１８６】
積層構造は必ずしも用いる必要はない。それに代えて、“面内”転送構造、例えば、図９に示したものと同様の構造を用いることもできる。例えば、図９に示した構造を圧電加圧器８３の上に搭載することもできる。
【０１８７】
図２１ａ及び２１ｂを参照して、歪みの印加と電気パルスの印加とにより磁気異方性に変化を生じさせ磁化の歳差を開始させる、第五の素子１０１について以下に説明する。
【０１８８】
素子１０１は、強磁性材料のチャンネル１０３を定義した十字状のメサ構造１０２を含んでおり、本例では、このチャンネルはＧａＡｓの層１０４に埋め込んだＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓのデルタドーピングした層であり、基板１０５により支持されている。第一、第二、第三及び第四接合１０６、１０７、１０８、１０９は、チャンネル１０３の末端への接合を提供するものであり、表面上端のゲート１１０を用いて磁気異方性を制御する。基板１０４は、強磁性チャンネル１０３に事前に応力を与えるための電場を圧電層１１１内に生成するために用いられる第一及び第二接合１１２、１１３を有する圧電層１１１に搭載されている。
【０１８９】
チャンネル１０３の各アームは、約２μｍの幅と約２０μｍの長さとを有している。
【０１９０】
図示したように、第一のパルス発生器１１４を用いて、チャンネル１０３に事前にストレスを与えるために圧電接合リード１１２、１１３間に電圧パルス１１５を印加する。第二のパルス発生器１１６を用いて、表面ゲート１１０に電圧パルスを印加し磁気異方性の歳差を引き起こさせる。
【０１９１】
電圧源１１８を用いて、第一及び第二接合１０６、１０７間にバイアス１１９を印加し、電流計１２０を用いて、第三及び第四接合１０８、１０９間に流れる電流１２１を測定する。
【０１９２】
特に図２０ｂを参照すると、基板１０４は接着剤１２２の層により圧電層１１に搭載する。
【０１９３】
書き込み及び読み出しサイクルは前述した図１２で示したものと同様である。しかし、図２２に示すように、電圧パルス１１５はｔ１８０又はｔ９０パルスの持続時間の間に印加する。
【０１９４】
上に説明した実施例において、素子に対するデータの書き込み及び読み出しは、素子が２つの状態のみを有していることを前提に素子を扱うことに基づいており、従って、一つの素子あたり１ビットの情報のみを記憶することになる。しかし、面内の２軸の異方性と平面に垂直な単軸の異方性を活用すれば、パルスと反転パルスの２種類の組み合わせを用いて６つの残留磁化方向にアクセスでき、２ビットよりも多数のビットをエンコードすることができる（すなわち、６つの異なる状態に対しては、ｌｎ６／ｌｎ２≒２．６）。
【０１９５】
図２３は、強磁性層２２、６８、９５、１０３が６つの残留磁化方向１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、１３６を有することを示すものである。
【０１９６】
強磁性層２２、６８、９５、１０３は２つの方式で動作させることができる。すなわち、ゼロ直流バイアスオフセット（すなわち、ＶＧ＝Ｖ０）に対して２種類のバイアスパルスを印加する２軸面内異方性方式と、逆バイアスパルスを印加、すなわち非ゼロ直流バイアスオフセット（すなわち、ＶＧ＝ＶＣ）に対してバイアスパルスを印加する垂直異方性方式である。
【０１９７】
ＶＧ＝Ｖ０では、異なるパルス幅を有する高速のゲート電圧パルスにより引き起こされる歳差反転が、層平面内の２つの２軸容易軸に沿って、４つの残留状態１３１、１３２、１３３、１３４の間で磁化ベクトルを回転させる。
【０１９８】
図２４を参照すると、ある意味において、隣接する磁化方向１３１、１３２、１３３、１３４は、９０°回転に作用を及ぼすゲートパルス２９、６２、９１を用いて、第一、第二、第三及び第四の磁化方向１３１、１３２、１３３、１３４のうち別のものからアクセスすることができる。以下、この種のパルスは、“ｐ９０°”パルス又は“ｔ９０パルス”と称する。
【０１９９】
上記とは正反対の意味において、隣接する磁化方向１３１、１３２、１３３、１３４は、２７０°回転に作用を及ぼすゲートパルス（図示せず）を用いて、第一、第二、第三及び第四の磁化方向１３１、１３２、１３３、１３４のうち別のものからアクセスすることができる。以下、この種のパルスは、“ｐ２７０°”パルス又は“ｔ２７０パルス”と称する。
【０２００】
また、第一、第二、第三及び第四の磁化方向１３１、１３２、１３３、１３４は、１８０°回転に作用を及ぼすゲートパルス１３８を用いて、同一線上の方向１３１、１３２、１３３、１３４からアクセスすることができ、以下、この種のパルスは、“ｐ１８０°”パルス又は“ｔ１８０パルス”と称する。従って、磁化方位１３１は、ｐ１８０°パルス１３８を用いて第三の磁化方向１３３からアクセスすることができる。
【０２０１】
２軸面内異方性方式と単軸垂直異方性方式との切り替えは、散逸減衰を利用した“断熱”磁化再配向により行う。例えば、ゲートバイアスをＶ０からＶＣに変化させた後、磁化ベクトルＭは変更された異方性磁場ＢＡ（ＶＣ）の周辺で歳差を開始し、散逸減衰により、磁化ベクトルは変更された異方性磁場ＢＡ（ＶＣ）に向けてらせん状となる。磁化ベクトルＭは、実質的に、変更された異方性に対応した一つの容易軸に（熱的揺らぎの範囲内で）沿って配向する。
【０２０２】
方式の切り替えはゲートバイアスのステップ変化１３９、１４０により行われ、以下、これらのパルスは各々“Ｐｄａｍｐｉｎｇパルス”及び“反転Ｐｄａｍｐｉｎｇパルス”と称する。
【０２０３】
第五及び第六の磁化方向１３５、１３６は、１８０°回転に作用を及ぼすゲートパルス１４１を用いてアクセスすることができる。しかし、パルス１４１はｐ１８０°パルス１０８に対して反転しており、以下“反転ｐ１８０°パルス”と称する。
【０２０４】
図２５ａ及び２５ｂは、ｐ９０°パルス１３７及び反転ｐ１８０°パルス１４１を印加する効果を示すものである。
【０２０５】
図２５ａは、ＶＧ＝Ｖ０での２軸面内異方性方式による９０°の歳差反転を示すものである。図示したように、ゲート電圧パルス１３７がＶＧ＝ＶＣの間に、磁気異方性が面内から垂直に切り替わり、磁化ベクトルＭが９０°の回転を完了した後にＶ０に戻る。
【０２０６】
図２５ｂは、垂直異方性方式で、反転パルスが１８０°反転を開始することを示すものである。
【０２０７】
ＡＨＥ測定により面に垂直な方位に沿った２つの単軸磁化状態を区別することができ、横方向及び縦方向のＡＭＲ測定により、面内の４つの２軸磁化状態を明確に区別することができる。
【０２０８】
光学的に制御された磁気抵抗素子
以上で説明した例では、ゲートを利用するか、あるいは圧電効果を利用して磁気異方性を電気的に変化させていた。しかし、以下詳細に説明するように、磁気異方性は光学的に制御することができる。
【０２０９】
図２６を参照にすると、強磁性素子２０１は基板２０３で支持されている光学的に制御された加圧器２０２に結合している。通常、レーザーの形態の光子源２０４を用い、光パルス２０５を用いて加圧器２０２内でフォノンパルス２０６を生成することができる。上述した方法と同様に、フォノンパルス２０６により強磁性素子２０１の磁化２０７を第一及び第二方向間で切り替えることができる。
【０２１０】
固定化された強磁性素子（図示せず）や、固定化された強磁性素子と強磁性素子２０１とを分離するトンネル障壁層などの追加の構造を設け、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）測定を利用して素子２０１の状態を測定することができる。
【０２１１】
例えば、直列接続した電圧源と電流計を含む測定回路２０８を用い、ＴＭＲ測定又はトンネル異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）測定を利用して磁気抵抗を測定することができる。
【０２１２】
図２７を参照すると、強磁性素子２０１は、ＧａＭｎＡｓなどの半導体材料の（例えば、約１ｎｍ又はそれ未満の厚さを有する）薄膜層や、Ｆｅ、Ｎｉ又はＣｏなどの強磁性金属材料、あるいは、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ又はＣｏＰｄなどの合金又は多重層材などから形成することができる。強磁性素子２０１は数ナノメータのオーダーの側面寸法（すなわち、ｘ及びｙ方向寸法）を有することができる。
【０２１３】
加圧器２０２は、ＧａＡｓ基板２０３上に形成された下部ＧａＡｓ層２１１、ＩｎＧａＡｓ層２１２及び上部ＧａＡｓ層２１３を含む量子井戸ヘテロ構造を含んでいる。ＩｎＧａＡｓ層２１２内のＩｎの濃度（及び／又は、Ａｌが使われている場合はＡｌの濃度）は、吸収される光の波長もしくはフォノンを生成するために必要な再結合に応じて選ぶことができる。加圧器２０２は数ナノメータ又は数１０ナノメータのオーダーの側面寸法を有することができる。ＧａＡｓに代えてＡｌＧａＡｓを用いることもでき、ＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｌＡｓを用いることもできる。
【０２１４】
図２８は、上記の代案となる光学的に制御された素子を示すものである。
【０２１５】
強磁性素子２１２は、基板２２３の一つの表面２２２、例えば前面側に支持され、加圧器２２４は基板２２３の他の表面２２５、例えば裏面側に結合されている。光子源２２６、例えばレーザーを用い、高強度光２２７のパルスにより加圧器２２４を加熱し膨張させ、それにより加圧パルス、すなわちフォノンパルスを発生させ、発生したフォノンパルスは基板を介して強磁性素子２２１に送られる。フォノンパルスにより、前述した方法と同様に、強磁性素子２２１の磁化２２８が、第一及び第二方向の間で切り替えられる。
【０２１６】
固定化された強磁性素子（図示せず）や、固定化された強磁性素子と強磁性素子２２１とを分離するトンネル障壁層などの追加の構造を設け、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）測定を利用して素子２２１の状態を測定することができる。
【０２１７】
測定回路２２９を用い、ＴＭＲ測定又はＴＡＭＲ測定を利用して磁気抵抗を測定することができる。
【０２１８】
図２９を参照すると、強磁性素子２２１は前述した素子２０１（図２６）と同じものとすることができる。加圧器２２４はアルミニウム又は他の金属材料のパッドを含んでいる。基板２２３は、例えばガラス、シリコン又はＧａＡｓを含んでいる。基板２２３は、強磁性素子２２１と加圧器２２４とを支持する領域で、例えば数ミクロンの厚さの膜にまで薄く形成することができる。
【０２１９】
インターフェース異方性制御による磁気抵抗素子
前述したように、強磁性素子内の磁気異方性はゲートを用いて制御することができる。強磁性素子を半導体材料で形成すると、キャリア濃度を制御することにより磁気異方性を変化させることができる。しかし、強磁性素子を金属材料で形成した場合でも、以下で詳細に説明するように、ゲートを用いて磁気異方性を電気的に変化させることができる。
【０２２０】
（全体の）磁気異方性は、フェルミエネルギーに依存し得る結晶異方性、表面及び界面異方性、形状異方性及び格子変形磁気異方性を含む複数の寄与により支配されている。
【０２２１】
強磁性材料の極薄層などのいくつかの配置においては、表面及び界面異方性による寄与は大きくなり得、他の寄与を上回る結果、全体の磁気異方性を支配する可能性がある。例えば、コバルト及びプラチナの多層構造の磁気異方性は、コバルト層の厚さが１ｎｍ未満となった場合平面に垂直な方向になる。そして、その磁気異方性は形状異方性よりも大きくなる。
【０２２２】
図３０は磁気抵抗素子３０１を示すものである。
【０２２３】
素子３０１は二酸化ケイ素の絶縁基板３０２上に形成され、導電性シート３０３と表層強磁性多層構造３０４とを含んでいる。誘電体層３０５は強磁性多層構造３０４の上端３０６の第一部分の上に置かれている。誘電体層３０５は（二酸化ケイ素に比べて）大きな誘電率を有する酸化ジルコニウム（ｋ≒１２．５）や酸化タンタル（ｋ≒１１．６）などの材料を含んでいる。
【０２２４】
第一の電極（“ソース”）３０７は導電性シート３０３と接合し、第二の電極（“ドレイン”）３０８は強磁性多層構造３０４の上端３０６の第二部分に接合し、第三の電極（“ゲート”）３０９は誘電体層３０５の上端３１０上に配置されている。
【０２２５】
ＴＭＲ測定を可能とするために、第二の電極３０８は数ナノメータの厚さを有するコバルトなどの強磁性材料を含むことができる。
【０２２６】
図３０において、ドレイン３０８及びゲート３０９は横に並んだ構成となっている。しかし、環状や互いに入り込んだ構成を用いることもできる。
【０２２７】
測定回路３３１は、バイアスＶＳ、ＶＧを各々ソース電極３０７及びゲート電極３０９に印加するための第一及び第二の電圧源３１２，３１３を含んでいる。ドレイン３０８と接地との間に設けた電流計３１４により、ソース・ドレイン電流ＩＤＳを測定することができる。
【０２２８】
図３１を参照すると、導電性シート３０３は約３ｎｍの厚みを有するタンタル（Ｔａ）の層３１５と、約３ｎｍの厚みを有するプラチナ（Ｐｔ）の表層３１６とを含んでいる。タンタル層は、プラチナの表層３１６と強磁性層構造３０４のための滑らかな面を形成することを補助することができる。
【０２２９】
強磁性層構造３０４は、０．４ｎｍの厚さを有するコバルト（Ｃｏ）の極薄層３１７と、約１ｎｍの厚さを有する酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）の表層３１８とを含んでいる。
【０２３０】
強磁性層構造３０４は、コバルト層と次に約１ｎｍ厚のアルミニウム層を直流スパッタリングにより形成し、アルミニウム層がドライ酸素中で酸化されるようにする。この構造を約１１４℃で約２０分間アニーリングし、コバルト層内の層の異方性を、面内異方性と垂直（すなわち、ｘ−ｙ平面に垂直）異方性との間で磁気異方性が遷移する状態に近づけ、磁化を行う。
【０２３１】
また、約３ｎｍの厚みを有するプラチナ表層（図示せず）を酸化アルミニウム層の上に堆積させることもでき、これをパターンニングしてドレイン接合３０８を形成することができる。
【０２３２】
例えば、ゲート電極３０９及び／又はソース電極３０７により印加される電場を用いて、磁気異方性の反転を引き起こすことができる。
【０２３３】
図３２は、素子３０１に状態間の遷移を引き起こすための、素子３０１での書き込み及び読み出しサイクルの組を示したものである。
【０２３４】
データを書き込むために、ゲート電極３０９に正の電圧パルス３２１を印加する。同時にソース電極３０７を接地し、ドレイン電極３０８を浮かした状態にする。
【０２３５】
パルス３２１は、１０６又は１０７Ｖ／ｃｍのオーダーの電場を生成するのに十分な大きさを有している。パルス３１２は歳差周期ｔｐｒｅｃｅｓｓの半分となる持続時間ｔ１８０を有しており、この値は前述した式６を用いて計算できる。
【０２３６】
データを読み出すためにゲート電極３０９を接地するか、あるいは、（接地してもよい）ドレイン電極３０８に対して浮かした状態としながら、ソース電極３０７に正の電圧パルスＶｍを印加する。
【０２３７】
ソース・ドレイン電流ＩＳＤ３２３を測定し、素子の状態、すなわち磁化方向、例えば面内又は平面に垂直な方向を示していることを識別する。
【０２３８】
例えば、キュリー温度が動作温度、例えば室温よりも高く、異方性濃度エネルギーと素子の容量の積（ｋ×Ｖ）が５０ｋＢＴよりも大きい場合、素子３０１はより高い温度、例えば室温以上又は室温で動作することができる。ここで、ｋＢはボルツマン定数であり、ＴはＫの単位での動作温度である。境界面合金層、又は一つあるいはそれ以上の数の単層厚の分極性薄膜層としてプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）又はイリジウム（Ｉｒ）などの遷移金属を用い、界面及び表面の異方性を増加させ、動作温度を上昇させることができる。
【０２３９】
図３３は、本発明の一実施例による磁気抵抗素子、例えば素子２１１（図８ａ）又は素子３０１（図３０）が、メモリアレイ４０１内のメモリ素子の基本として用いることができることを示したものである。以下では、図３０に示した素子３０１に基づいたメモリアレイ４０１について説明する。
【０２４０】
メモリアレイ４０１は、各々が磁気抵抗素子４０３を含むセル４０２のアレイを含んでいる。行及び列デコーダ４０７、４０８で駆動する第一、第二、第三線４０４、４０５、４０６を介してセル４０２の中から選択し、セル４０３にデータを書き込み、あるいはセル４０３からデータを読み出すことができる。
【０２４１】
素子４０３は、ソース、ドレイン及びゲート電極４０９、４１０、４１１を有している。
【０２４２】
図３４は、メモリセル４０２の書き込み及び読み出しサイクルの組を示したものである。
【０２４３】
データを書き込むために、第一線４０４に負の電圧パルス４１２を印加し、同時に第三線４０６に正の電圧パルス４１３を印加してセル４０２を選択し、選択したセル４０２にデータを書き込む。第二線４０５は浮かした状態とする。
【０２４４】
各パルス４１２、４１３の大きさは、パルス４１２、４１３がそれ自身の磁気異方性に反転を引き起こすことがないような大きさにする。しかし、反転を引き起こすことが可能な大きさの電場を生成するパルスも共存してよい。従って、各パルスの大きさは約０．５ＶＡとする。各パルス４１２、４１３は持続時間ｔ１８０を有し、これは歳差周期ｔｐｒｅｃｅｓｓの半分である。
【０２４５】
データを読み出すために第一線４０４に正の電圧パルス４１４を印加し、同時に第三線４０６（すなわち、ゲート）を浮かした状態とし、第二線４０５（すなわち、ドレイン）を接地する。第一及び第二線４０４、４０５を介して電流が測定でき、従って、セルの状態を測定することができる。
【０２４６】
図３５及び図３６は、代替となるメモリセル４０２’を示したものである。セル４０２’は図３０に示した素子３０１に基づいた、前述したセル４０２と同様のものである。しかし、セル４０２’は電界効果トランジスタ４２０を含み、そのため、異なる方法でアドレス指定を行うことができる。
【０２４７】
図３５に示すように、セル４０２’は絶縁層３０２’上に形成されている。基板４０２’は、ゲート電極４２２により表層導電性チャンネル４２３から分離されているゲート電極４２１を支持している。ゲート電極４２１は、多量に不純物添加されたｎ型シリコン（ｎ＋−Ｓｉ）を含み、ゲート誘電体４２２は二酸化ケイ素を含み、導電性チャンネル４２３は、例えば不純物添加のない、あるいは不純物添加の少ないｐ型シリコン（ｐ−−Ｓｉ）を含んでいる。多量に不純物添加されたｎ型井戸は、電界効果トランジスタ４２０のソース及びドレイン電極４２４、４２５を提供している。ドレイン電極４２５（又はチャンネルの端部）は抵抗４２６を介して接地に接続している。これは、基板に設けられた接地平面、あるいは追加の線又はストリップを用いることにより実装することができる。前述したものと同じ方法で、ドレイン電極４２５の上に導電性基層３０３’及び強磁性層構造３０４’を形成する。有機半導体材料などの他の半導体材料を用いることもできる。
【０２４８】
図３７は、メモリセル４０２’での書き込み及び読み出しサイクルの組を示したものである。
【０２４９】
データを書き込むために第三線４０６に第一の負の電圧パルス４２７を印加し、同時に第一線４０４に第二の正の電圧パルス４２８を印加してセル４０２’を選択し、選択したセル４０２’にデータを書き込む。第二線４０５、及びその結果、磁気抵抗素子３０８のドレインは、浮かした状態とする。
【０２５０】
第一電圧パルス４２７の大きさは約αＶＡ（α＞１、なおドレインの電位はＶＡである）とし、その持続時間は、ｔ１８０を有し、これは歳差周期ｔｐｒｅｃｅｓｓの半分である。
【０２５１】
データを読み出すために、第二線４０５（すなわち、磁気抵抗素子のドレイン）に正の電圧パルス４２９を印加する。第一線４０４、及びその結果ＦＥ４２０のソース４２４は電位を低く維持し、例えば接地する。さらにＦＥＴ４２０を作動させ、ＦＥＴ４２０及び磁気抵抗素子４０３’を介した導通を可能とする。
【０２５２】
ゲートに依存した交換結合
前述したように、磁気異方性を変化させることにより磁化の再配向を引き起こし、例えば、ゲートを用いて再配向を電気的に制御することができる。しかし、交換結合により磁化の再配向を引き起こし、例えば、ゲートを用いて再配向を電気的に制御することもできる。これについて以下詳細に説明する。
【０２５３】
交換結合とは、伝導電子のスピンが仲介役となって生じる、局所的な原子の磁気モーメント間の相互作用のことである。この効果は、強磁性又は反強磁性配置で隣接する強磁性（ＦＭ）層を結合するためにＴＭＲ及びＧＭＲ素子で用いられる。例えば交換結合を用いて、積層フェリ構造（ＳＡＦ）においてのように、自由層に対して強磁性層を固定化することができる。
【０２５４】
隣接する強磁性層間でのバイアス界面交換結合（ＩＥＣ）は、通常、単に“交換バイアス”と称され、追加された磁場のように作用するものと考えられる。
【０２５５】
図３８及び図３９を参照すると、“自由”強磁性磁石の磁化ループと合成反強磁性磁石を形成するために他の強磁性体に交換結合した際の“自由”強磁性磁石の磁化ループが各々示されている。図３８及び図３９に示すように、交換結合は、“自由”層の磁化ループを磁場軸Ｈｅｘｔに沿って移動させる効果をもたらす。
【０２５６】
図４０は、印加されたバイアスに応じて磁化を反転させるために交換結合を用いる素子のバンド図を示したものである。
【０２５７】
素子は、第一の強磁性電極５０１、第一のトンネル障壁層５０２、量子井戸層５０３、第二のトンネル障壁層５０４及び第二の強磁性電極５０５を含んでいる。トンネル障壁層５０２、５０４、及び量子井戸層５０３は、一つあるいはそれ以上の数の共鳴状態５０６を含む量子井戸を有する二重障壁構造を定義している。第一の強磁性電極５０１は、固定された磁化方向５０７に対応したｘ方向に沿って容易軸を有している。第二の強磁性電極５０５は、固定された磁化方向５０８に対応したｙ方向に沿って容易軸を有している。強磁性電極５０１、５０５の状態密度５０９、５１０を概略的に図示してある。ゼロバイアスでは、二重障壁は共鳴は起こさず、交換の相互作用は抑止される。
【０２５８】
第一の強磁性電極５０１は、例えば積層フェリ構造（図示せず）を用いて、例えば固定化された磁化方向での面内磁気異方性を有することができる。第二の強磁性電極５０５は、例えば層厚さ及び／又は表面／界面異方性を選択することにより、例えば面に垂直な磁気異方性を有することができる。
【０２５９】
図４１を参照すると、第一及び第二強磁性電極５０１、５０５間にバイアス電圧を印加することにより、強磁性電極５０１、５０５のフェルミエネルギーに対し共鳴状態のエネルギーが移動するため状態５０６が共鳴に移行し、さらにエネルギーεＦＦＭ１を有する電子間の遷移確率が極めて高くなるため、層間の相互作用が大きくなる。
【０２６０】
このようにして、ｚ方位に沿った交換トルクは第二強磁性電極５０５の磁化５０８に作用する。この交換トルクを用いて、磁化５０８の歳差を引き起こし、あるいは第一の磁化５０７に沿い第二の磁化５０８に垂直に配向した外部磁場に加えて、歳差を補助することができる。
【０２６１】
バイアスで制御する交換トルクを用いた配置は、例えば数ボルトという低い印加電圧を用いて磁化を反転できるという利点を有している。
【０２６２】
図４２は、バイアスで制御する交換トルクを用いて磁化を反転する素子を示すものである。
【０２６３】
素子は、第一の強磁性層６０１と、第一のトンネル障壁層６０２と、量子井戸層６０３と、第二のトンネル障壁層６０４と、第二の強磁性層６０５と、第三の障壁６０６と第三の強磁性層６０７とを含む積層構造を含んでいる。
【０２６４】
第一及び第三の強磁性層６０１、６０７は、各々面内及び面に垂直な異方性により固定化されている。第二の強磁性層６０５は自由であり、平面に垂直な磁化容易軸を有している。この層６０５は、量子井戸のエネルギーがＢｂｉａｓ＝Ｖｒｅｓで第一の強磁性層６０１のフェルミエネルギーに等しい時に、第一強磁性層６０１に対して交換結合する。
【０２６５】
積層構造は絶縁基板６０８上に配置され、強磁性層６０１、６０５、６０７の各々への接合６０９、６１０、６１１を形成するために階段状になっている。
【０２６６】
強磁性層６０１、６０５、６０７はコバルトを含むものであってよい。第二の強磁性層６０５は、例えば１ｎｍ未満の薄さとし、前述したように、プラチナ表層を有するものであってよい。
【０２６７】
トンネル障壁層及び量子井戸層は、各々ＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓ、あるいは他の同様の系から形成することができる。
【０２６８】
素子を制御し測定する測定回路６１２は、第一及び第二の強磁性層６０１、６０５の間にバイアス電圧を印加する第一の電圧源６１３と、第二及び第三の強磁性層６０５、６０７の間に測定電圧を印加する第二の電圧源６１４とを含んでいる。電流計６１５を用いて電流を測定する。
【０２６９】
強磁性層６０１、６０５、６０７の磁化６１６、６１７、６１８を示す。
【０２７０】
第二及び第三強磁性層６０５、６０７間の抵抗をＴＭＲ測定することにより、第二強磁性層６０５の磁化６１７の２つの可能な平衡方向を検出することができる。
【０２７１】
第一の強磁性層６０１の磁化方向に平行な一定の磁場Ｂｅｘｔを印加することにより、短いＶｂｉａｓ−パルスを印加している間に第二強磁性層の磁化６１７の歳差を補助することができる。しかし、Ｂｅｘｔを印加しただけでは、歳差の減衰特性のため歳差は起こらない。
【０２７２】
図４４は素子の動作をより詳細に示すものである。
【０２７３】
磁化６１７について、前述した式６に示したように、Ｌａｍｏｒ歳差時間の半分の持続時間の間、大きさＶｒｅｓのバイアスＶｂｉａｓを印加することにより、（不揮発）状態“Ｍ２”と“−Ｍ２”との間を交互に切り替えることができる。
【０２７４】
読み出しには、第二及び第三の強磁性層６０５、６０７間のＴＭＲ測定を含んでいる。
【０２７５】
図４５及び図４６を参照すると、バイアスで制御する交換トルクを用いて磁化を反転させる他の素子を示している。この素子は層数が少なく、特に第三の強磁性層を省くことができるため、図４２及び図４３に示した素子よりも簡単に製造することができる。この素子では、異常ホール効果（ＡＨＥ）を用いた測定を行う。
【０２７６】
素子は、第一の強磁性層７０１と、第一のトンネル障壁層７０２と、量子井戸層７０３と、第二のトンネル障壁７０４と、第二の強磁性層７０５とを含む積層構造を含んでいる。
【０２７７】
第一の強磁性層７０１は面内異方性で固定化されている。第二の強磁性層７０５は自由であり、平面に垂直な磁化容易軸を有している。この層７０５は、量子井戸のエネルギーがＢｂｉａｓ＝Ｖｒｅｓで第一の強磁性層７０１のフェルミエネルギーに等しい時に、第一強磁性層７０１に対して交換結合する。
【０２７８】
積層構造は、絶縁基板７０８上に配置され、強磁性層７０１、７０５の各々への接合７０９、７１０１、７１０２、７１０３、７１０４を形成するために階段状になっている。
【０２７９】
素子をパターンニングし、第二の強磁性層７０５への端部接合７１０１、７１０２と横方向接合７１０３、７１０４が設けられたホールバーを形成する。
【０２８０】
素子を制御し測定する測定回路７１２は、第一及び第二の強磁性層７０１、７０５の間にバイアス電圧を印加する第一の電圧源７１３と、端部接合７１０１、７１０２の間に測定電圧を印加する第二の電圧源７１４とを含んでいる。電圧計７１５を用いて側面接合７１０３、７１０４間のホール電圧を測定する。
【０２８１】
ホール信号は、図示するように２つの対向する接合間で測定してもよいし、あるいは共通接地に対する一方の接合を用いて測定することもできる。
【０２８２】
磁化７１７が＋Ｍ２ｚから−Ｍ２ｚに変化した場合、ホール電圧信号の極性が変化する。
【０２８３】
上述した実施例に対しては、様々な変更を施すことができることがわかる。例えば、強磁性層は、例えば５ｎｍから２０ｎｍの間で異なる厚さを有するものであってよい。素子は、電子又はホールの移動に基づいて動作するものであってよい。キャップ層を用いてＧａＭｎＡｓ層を保護してもよい。磁気抵抗素子は、磁気トンネル接合やスピンバルブなどの多層構造を有することもできる。メモリ素子は、例えば、強磁性材料又は圧電加圧器に電場パルスを印加することにより、電気的に制御される磁気抵抗素子アレイを含むか、もしくは光学的に制御される磁気抵抗素子アレイを含むものであってよい。
【符号の説明】
【０２８４】
２１１  磁気抵抗素子
２２  強磁性領域
２３  ゲート
２４  ソース
２５  ドレイン
２６  トンネル障壁
２７  トンネル障壁
２８  パルス発生器
２９  電圧パルス
３０  電圧源
３１  電流検出器
【図１】
2010166054.tif 000042
【図３】
2010166054.tif 000043
【図４】
2010166054.tif 000044
【図５】
2010166054.tif 000045
【図６】
2010166054.tif 000046
【図７】
2010166054.tif 000047
【図８】
2010166054.tif 000048
【図９】
2010166054.tif 000049
【図１１】
2010166054.tif 000050
【図１２】
2010166054.tif 000051
【図１３】
2010166054.tif 000052
【図１４】
2010166054.tif 000053
【図１５】
2010166054.tif 000054
【図１６】
2010166054.tif 000055
【図１７】
2010166054.tif 000056
【図１８】
2010166054.tif 000057
【図１９】
2010166054.tif 000058
【図２０】
2010166054.tif 000059
【図２１】
2010166054.tif 000060
【図２２】
2010166054.tif 000061
【図２３】
2010166054.tif 000062
【図２４】
2010166054.tif 000063
【図２５】
2010166054.tif 000064
【図２６】
2010166054.tif 000065
【図２７】
2010166054.tif 000066
【図２８】
2010166054.tif 000067
【図２９】
2010166054.tif 000068
【図３０】
2010166054.tif 000069
【図３１】
2010166054.tif 000070
【図３２】
2010166054.tif 000071
【図３３】
2010166054.tif 000072
【図３４】
2010166054.tif 000073
【図３５】
2010166054.tif 000074
【図３６】
2010166054.tif 000075
【図３７】
2010166054.tif 000076
【図３８】
2010166054.tif 000077
【図３９】
2010166054.tif 000078
【図４０】
2010166054.tif 000079
【図４１】
2010166054.tif 000080
【図４２】
2010166054.tif 000081
【図４３】
2010166054.tif 000082
【図４４】
2010166054.tif 000083
【図４５】
2010166054.tif 000084
【図４６】
2010166054.tif 000085
【図２】
2010166054.tif 000086
【図１０】
2010166054.tif 000087
【外国語明細書】
2010166054000001.pdf