(57)【要約】  第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に挟持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層は、少なくとも２種類の陽イオン元素を有する化合物であって、前記陽イオン元素の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素であり、前記陽イオン元素の少なくともいずれかは周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素である第１化合物を含む第１化合物層と、周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素からなる第３化合物を含む絶縁層と、を有することを特徴とする情報記録再生装置が提供される。高記録密度かつ低消費電力で、熱安定性が高く、安定動作可能な不揮発性の情報記録再生装置が提供される。
2009122567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層と、
第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に挟持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、
を備え、
前記記録層は、
少なくとも２種類の陽イオン元素を有する化合物であって、前記陽イオン元素の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素であり、前記陽イオン元素の少なくともいずれかは周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素である第１化合物を含む第１化合物層と、
周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素からなる第３化合物を含む絶縁層と、
を有することを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項２】
前記第３化合物を構成する周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素の少なくとも１種は、前記第１化合物に含まれる周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素と同じ元素であることを特徴とする請求項１に記載の情報記録再生装置。
【請求項３】
前記第３化合物は、ＡＸ、ＡＭＸ２、ＡＭ２Ｘ４、Ａ２ＭＸ４、ＡＭＸ３、及びＡＭＸ４（Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｍは、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌｎ（ランタノイド）よりなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。ＡとＭは互いに異なる元素である。Ｘは、Ｆ，Ｏ，Ｎのグループから選択される少なくとも１種類の元素である。）
のいずれかの組成式で表される化合物を含む材料から構成されることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項４】
前記Ａは、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｚｎ，Ｃｄよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素であることを特徴とする請求項３記載の情報記録再生装置。
【請求項５】
前記Ａは、Ｍｇ，Ｚｎよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素であることを特徴とする請求項３記載の情報記録再生装置。
【請求項６】
前記Ａは、Ｚｎであることを特徴とする請求項３記載の情報記録再生装置。
【請求項７】
前記Ｍは、Ａｌ，Ｇａよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素であることを特徴とする請求項３記載の情報記録再生装置。
【請求項８】
前記第３化合物は、スピネル構造、イルメナイト構造、ウルフラマイト構造、α−ＮａＦｅＯ２構造、ＬｉＭｏＮ２構造、閃亜鉛鉱型構造、岩塩型構造、及び蛍石構造よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む構造を有していることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項９】
前記第１化合物及び前記第３化合物の結晶構造及び結晶方位が同等であることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１０】
前記記録層は、前記絶縁層と前記第１の層または前記第２の層との間に、少なくとも１種類の電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素を有する化合物である第２化合物を含む第２化合物層を有することを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１１】
前記第１化合物、前記第２化合物、及び前記第３化合物の結晶構造及び結晶方位が同等であることを特徴とする請求項１０記載の情報記録再生装置。
【請求項１２】
前記絶縁層の厚さは、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１３】
前記絶縁層の抵抗率は、１０３Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１４】
第１の方向に延在する第１の配線と、
前記第１の方向と交叉する第２の方向に延在する第２の配線と、
をさらに備え、
前記第１の層と前記第２の層と前記記録層とを含む積層体は、前記第１の配線と前記第２の配線とが交叉した部分において、前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続され、前記第１及び第２の配線を介して前記電流が供給されることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１５】
前記第１の配線または前記第２の配線と前記積層体との間に、整流素子をさらに備えることを特徴とする請求項１４記載の情報記録再生装置。
【請求項１６】
前記第１の配線または前記第２の配線と前記整流素子との間に、前記第１の配線もしくは前記第２の配線を構成する材料の元素または前記整流素子を構成する材料の元素の拡散を防止するためのバリア層をさらに備えることを特徴とする請求項１５記載の情報記録再生装置。
【請求項１７】
さらに、前記記録層に電圧を印加して前記記録層を前記第１の状態と前記第２の状態との間で可逆的に変換させる電圧印加部を備えることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項１８】
前記電圧印加部は、前記記録層の記録単位に対して前記電圧を局所的に印加するためのプローブを含むことを特徴とする請求項１７記載の情報記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は情報記録再生装置に関し、より詳細には、不揮発性の情報記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型携帯機器が世界的に普及し、同時に、高速情報伝送網の大幅な進展に伴い、小型大容量不揮発性メモリの需要が急速に拡大してきている。その中でも、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ及び小型ＨＤＤ（hard disk drive）は、特に、急速な記録密度の進化を遂げ、大きな市場を形成するに至っている。【０００３】
このような状況の下、記録密度の限界を大幅に超えることを目指した新規メモリのアイデアがいくつか提案されている。例えば、ＰＲＡＭ（相変化メモリ）は、記録材料として、アモルファス状態（オフ）と結晶状態（オン）の２つの状態をとることができる材料を使用し、この２つの状態を２値データ“０”、“１”に対応させてデータを記録する、という原理を採用する。  
書き込み／消去に関しては、例えば、大電力パルスを記録材料に印加することによりアモルファス状態を作り、小電力パルスを記録材料に印加することにより結晶状態を作る。【０００４】
読み出しに関しては、記録材料に、書き込み／消去が起こらない程度の小さな読み出し電流を流し、記録材料の電気抵抗を測定することにより行う。アモルファス状態の記録材料の抵抗値は、結晶状態の記録材料の抵抗値よりも大きく、その比は、例えば１０３程度である。【０００５】
また、ＰＲＡＭとは異なる原理によって抵抗を変化させることを利用したメモリも報告されている。例えば、高抵抗膜とイオン源層とを有する記憶層（特許文献１）や、導体膜と絶縁体膜を持つ可変抵抗素子（特許文献２）である。これらのメモリでは、イオンが用いられており、金属元素がイオン化することにより、あるいは、イオン化した金属元素が移動することにより、メモリ素子の抵抗値が変化している。前者においては、イオン源層には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎから選ばれた１種以上の元素（金属元素）と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅから選ばれた１種以上の元素（カルコゲナイド元素）とが含有されている。後者においては、導体膜の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎから選ばれる１つ以上の金属元素を含有する金属膜、合金膜（例えばＣｕＴｅ合金膜）、金属化合物膜等が挙げられている。
【特許文献１】特開２００７−８０３１１号公報
【特許文献２】特開２００７−２９９４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高記録密度かつ低消費電力で、熱安定性が高く、安定動作可能な不揮発性の情報記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に挟持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層は、少なくとも２種類の陽イオン元素を有する化合物であって、前記陽イオン元素の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素であり、前記陽イオン元素の少なくともいずれかは周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素である第１化合物を含む第１化合物層と、周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素からなる第３化合物を含む絶縁層と、を有することを特徴とする情報記録再生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る情報記録再生装置の一例（具体例１）における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図２】具体例２における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図３】具体例２における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図４】具体例２における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図５】具体例３における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図６】記録層１２を構成する第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂを交互に積層させた具体例を表す模式図である。
【図７】具体例４における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図８】具体例４における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図９】具体例４における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。
【図１０】記録層１２を構成する第１化合物層１２Ａ、第２化合物層１２Ｂ、及び絶縁層１２Ｃを交互に積層させた具体例を表す模式図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。
【図１２】本発明の実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。
【図１３】記録（セット動作）時の状態を説明するための概念図である。
【図１４】記録について表した模式図である。
【図１５】再生について表した模式図である。
【図１６】記録する状態を表した模式図である。
【図１７】再生時の状態を表す模式図である。
【図１８】本実施形態の記録層を備えたクロスポイント型半導体メモリを表す模式図である。
【図１９】図１８に表した半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を表す模式図である。
【図２０】メモリセル３３の構造を例示する模式図である。
【図２１】メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
【図２２】メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
【図２３】フラッシュメモリのメモリセルを表す模式断面図である。
【図２４】ＮＡＮＤセルユニットの回路図である。
【図２５】本発明の実施形態に係るＮＡＮＤセルユニットの構造を表す模式図である。
【図２６】通常のＭＩＳトランジスタを用いた具体例を表す模式図である。
【図２７】ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。
【図２８】ＮＯＲセルユニットの回路図である。
【図２９】本発明の実施形態に係るＮＯＲセルユニットの構造を表す模式図である。
【図３０】２トランジスタ型セルユニットの回路図である。
【図３１】本発明の実施形態に係る２トラセルユニットの構造を表す模式図である。
【図３２】通常のＭＩＳトランジスタを用いた具体例を表す模式図である。
【図３３】情報記録が完了した後のデータ領域内のブロックを例示する模式図である。
【図３４】第１実験例〜第１５実験例及び比較例の検証結果を表す表である。
【符号の説明】
【０００９】
１０  バッファ層
１１  電極層
１２  記録層
１２Ａ  第１化合物、第１化合物層
１２Ｂ  第２化合物、第２化合物層
１２Ｃ  第３化合物、絶縁層
１３  電極層（保護層）
１３Ｂ  保護層
１４  メタル層
１５  ドライバ
１６  スキャナー
２０  基板
２１  電極層
２２  記録層
２３  基板
２４  プローブ
２５，２６  マルチプレクスドライバ
２７  記録ビット
３０  半導体チップ
３１  デコーダ
３２  読み出し回路
３３  メモリセル
３４  ダイオード
３５  ヒータ層
４１  半導体基板
４１ａ  Ｐ型半導体基板
４１ｂ  Ｎ型ウェル領域
４１ｃ  Ｐ型ウェル領域
４２  拡散層
４３  ゲート絶縁層
４４  記録層
４５  コントロールゲート電極
４７  半導体層
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
図１は、本発明の実施形態に係る情報記録再生装置の一例（具体例１）における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。【００１１】
図１（ａ）は、記録部の断面図である。この記録部は、記録層１２の両側を電極層１１及び電極層１３により挟んだ構造を有する。電極層１１、１３は、記録層１２に対して電気的な接続を得るために設けられている。また、電極層１１、１３は、例えば、記録層１２とその上下の構成要素との間の元素の拡散などを防止するバリア層としての機能を併有していてもよい。さらに、記録部には、バッファ層１０が付設されている。【００１２】
図１に表した記録部において、記録層１２内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、小さな黒丸はＭイオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸイオン（例えば、陰イオン）を、小さな網掛けの丸は金属状態のＡを表す。【００１３】
記録層１２は、電圧印加によってその抵抗を変化し得る、遷移金属の酸化物、ポリマー、または固体電界質からなる。記録層１２は、具体的には、少なくとも２種類の陽イオン元素を有する化合物から構成することができる。この場合、記録層１２は、陽イオン元素の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素であり、隣接する陽イオン元素間の最短距離は０．３２ｎｍ以下である第１化合物を有する。この化合物からなる記録層１２を用いることにより、比較的小さい消費電力で抵抗変化を生ずることが可能となる。このような記録層１２の材料としては、例えば以下が挙げられる。【００１４】
例えば、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素である。ＸはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素である。【００１５】
Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ａは、Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、イオンの価数を２価に制御することが容易となる。【００１６】
また、Ａは、Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ  から選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、陽イオンの移動が生じやすくなるためである。
Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。【００１７】
また、Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｒｅ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｇａ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶内の電子状態をコントロールし易くなるためである。  
また、Ｍは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｒｅ  のグループ（便宜上「グループ１」と称す）から選択される少なくとも１種類の遷移元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、母体構造が安定に保持されるため、安定にスイッチングを繰り返すことができるからである。【００１８】
また、Ｍは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｇａ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素を、前記グループ１の遷移元素に加えて含むことがさらに好ましい。グループ１の元素の一部の代わりにこれらの元素を使用すると、母体構造がより安定に保持されることによって、より安定にスイッチングを繰り返すことができるためである。【００１９】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素である。ＸはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素である。【００２０】
Ａは、Ｌｉ，Ｎａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｈｇ，Ｔｌ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ａは、Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、配位数を２に制御することが容易となる。【００２１】
また、Ａは、Ｃｕ，Ａｇ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素であることが好ましい。これらの元素を使用すると、容易にデラフォサイト構造をとることができるからである。  
Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｔｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ｍは、Ｙ，Ｓｃ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｇａ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、結晶内の電子状態をコントロールし易くなるためである。【００２２】
また、Ｍは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とすることがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易にデラフォサイト構造をとることができるからである。【００２３】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素である。ＸはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素である。【００２４】
Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ａは、Ｔｉ，Ｖ, Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、イオンの価数を２価に制御することが容易となる。【００２５】
また、Ａは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易に抵抗変化を起こすことができるからである。【００２６】
Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ｍは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易にウルフラマイト構造をとることができるからである。【００２７】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素である。ＸはＯ（酸素）、Ｎ（窒素）よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素である。【００２８】
Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ａは、Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、イオンの価数を２価に制御することが容易となる。【００２９】
また、Ａは、Ｆｅ, Ｎｉのグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易にイルメナイト構造をとることができるからである。【００３０】
Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
また、Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、結晶内の電子状態をコントロールし易くなるためである。【００３１】
また、Ｍは、Ｔｉ, Ｚｒ, Ｈｆ, Ｖ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、容易にイルメナイト構造をとることができるからである。【００３２】
なお、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造と、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造と、ＡｘＭｙＸ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造と、ＡｘＭｙＸ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造と、のモル比ｘ，ｙに関し、数値範囲の下限は、結晶構造を維持するために設定され、その上限は、結晶内の電子状態をコントロールするために設定される。【００３３】
また、前述したように、電圧の印加によってＡイオンの拡散を容易に生ぜしめるためには、電極間を結ぶ方向にＡイオン元素の層が配置しているようにすることができる。このためには、スピネル構造、イルメナイト構造、及びデラフォサイト構造では、結晶のｃ軸が膜面と平行に配置していることが好ましく、ウルフラマイト構造では、結晶のａ軸が膜面と平行に配置していることが好ましい。【００３４】
以上のような記録層を所望の配向として使用することで、原理的には、Ｐｂｐｓｉ（peta bit per square inch）級の記録密度を実現することができ、さらに、低消費電力化も達成できる。  
上述した構造を有する材料によれば、図１において、Ａイオンが容易に第１化合物内を拡散し、かつ、Ｍイオンは第１化合物内を拡散しないように、２種類の陽イオン元素が選択される。この場合、拡散しないＭイオンが第１化合物の結晶構造を保持するため、Ａイオンの移動を容易に制御することが可能となる。このため、このような構造を有する第１化合物を用いることにより、情報記録再生装置の記録層１２の抵抗値を容易に変化させることができる。【００３５】
ここで、本明細書においては、高抵抗状態をリセット（初期）状態とし、低抵抗状態をセット状態とする。ただし、これは便宜上のものであり、材料の選択や製造方法等によっては、これと逆の場合、すなわち、低抵抗状態がリセット（初期）状態となり、高抵抗状態がセット状態となることもある。このような場合も、本実施形態の範囲に含まれる。【００３６】
記録層１２に電圧を印加し、記録層１２内に電位勾配を発生させると、Ａイオンの一部が結晶中を移動する。そこで、本実施形態では、記録層１２の初期状態を絶縁体（高抵抗状態相）とし、電位勾配により記録層１２を相変化させ、記録層１２に導電性を持たせる（低抵抗状態相）ことにより情報の記録を行う。【００３７】
まず、例えば、電極層１３の電位が電極層１１の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層１１を固定電位（例えば、接地電位）とすれば、電極層１３に負の電位を与えればよい。  
この時、記録層１２内のＡイオンの一部が電極層１３（陰極）側に移動し、記録層（結晶）１２内のＡイオンの数がＸイオンに対して相対的に減少する。電極層１３側に移動したＡイオンは、電極層１３から電子を受け取り、メタルであるＡ原子として析出してメタル層１４を形成する。したがって、電極層１３に近い領域では、Ａイオンが還元されてメタル的に振舞うので、その電気抵抗が大きく減少する。【００３８】
あるいは、例えばスピネル構造のように記録層１２の結晶構造においてＡイオンが占め得る空隙サイトがある場合には、電極層１３側に移動したＡイオンは電極層１３側の空隙サイトを埋めてもよい。この場合にも、局所的な電荷の中性条件を満たすために、Ａイオンは電極層１３から電子を受け取り、メタル的に振舞う。【００３９】
記録層１２の内部では、Ｘイオンが過剰となり、結果的に、記録層１２内に残されたＡイオンあるいはＭイオンの価数を上昇させる。このとき、その価数が上がったときに電気抵抗が減少するようにＡイオンあるいはＭイオンを選択すると、メタル層１２Ａ、記録層１２内ともにＡイオンの移動により電気抵抗が減少するので、記録層全体として低抵抗状態相へと相変化する。つまり、情報記録（セット動作）が完了する。【００４０】
情報再生に関しては、例えば電圧パルスを記録層１２に印加し、記録層１２の抵抗値を検出することにより容易に行える。ただし、電圧パルスの振幅は、Ａイオンの移動が生じない程度の微小な値であることが必要である。  
以上説明した過程は、一種の電気分解であり、電極層（陽極）１１側では電気化学的酸化により酸化剤が生じ、電極層（陰極）１３側では電気化学的還元により還元剤が生じた、と考えることができる。  
このため、低抵抗状態相を高抵抗状態相に戻すには、例えば、記録層１２を大電流パルスによりジュール加熱して、記録層１２の酸化還元反応を促進させればよい。すなわち、大電流パルスによるジュール熱のため、Ａイオンは熱的により安定な結晶構造１２内へと戻り、初期の高抵抗状態相が現れる（リセット動作）。【００４１】
あるいは、セット動作時とは逆向きの電圧パルスを印加してもリセット動作を行うことができる。つまり、セット時と同様に電極層１１を固定電位（例えば、接地電位）とすれば、電極層１３に正の電位を与えればよい。すると、電極層１３近傍のＡ原子は電極層１３に電子を与えＡイオンとなった後、記録層１２内の電位勾配により結晶構造１２内に戻っていく。これにより、価数が上昇していた一部のＡイオンは、その価数が初期と同じ値に減少するため、初期の高抵抗状態相へと変化する。【００４２】
ただし、この動作原理を実用化するには、室温でリセット動作が生じないこと（十分に長いリテンション時間の確保）と、リセット動作の消費電力が十分に小さいこととを確認しなければならない。【００４３】
前者に対しては、Ａイオンの配位数を小さく（理想的には２以下に）する、または、その価数を２以上にする、もしくは、Ｘイオンの価数を上げる（理想的には３以上にする）ことで対応できる。  
仮に、ＡイオンがＬｉイオンのような１価であると、セット状態において十分なイオンの移動抵抗が得られず、即座に、Ａイオン元素は、メタル層１２Ａから記録層１２内に戻ってしまう。言い換えれば、十分に長いリテンション時間が得られないということになる。また、Ａイオンが３価以上であると、セット動作に必要とされる電圧が大きくなるため、結晶の崩壊を引き起こす可能性がある。したがって、Ａイオンの価数を２価にすることが、情報記録再生装置としては好ましいことになる。【００４４】
また、後者に対しては、結晶破壊を引き起こさないようにするために、Ａイオンの価数を２以下にするとともに、記録層（結晶）１２内をＡイオンが移動できるように、Ａイオンのイオン半径を最適化し、移動パスが存在する構造を用いることにより対応できる。そのような記録層１２としては、前述したような元素及び結晶構造を採用すればよい。【００４５】
デラフォサイト構造のように配位数が小さい陽イオンをＡイオンとして用いる場合には（デラフォサイト構造の場合、Ａイオンの配位数は２）、Ａイオンの価数を＋１価とし、クーロン反発力を減少させることができる。これにより、Ａイオンの拡散が容易となり、リセット動作の消費電力を低減することができる。また、配位数が小さいため、拡散した後の状態を安定に保持することが可能となる。【００４６】
次に、各原子の混合比の最適値について説明する。  
Ａイオンが占め得る空隙サイトがある場合や、また、本来Ｍイオンが占めるサイトをＡイオンが占めることが可能な場合には、Ａイオンの混合比には若干の任意性がある。さらに、Ｘイオンの過剰／欠損がある場合にもＡイオン、またはＭイオンの混合比は定比組成のそれからずれることになる。したがって、Ａイオン、Ｍイオンの混合比には幅を持たせてある。実際には、各状態の抵抗、あるいはＡイオンの拡散係数が最適値になるように、Ａイオンの混合比を最適化することが可能である。【００４７】
Ａイオン、Ｍイオンの混合比の下限は、所望の結晶構造を有する第１化合物を容易に作製できるように設定した。また、Ｍイオンのサイトを占めるイオンの総量が少なすぎると、Ａイオンが引き抜かれた後の構造を安定に保持するのが困難になる。  
以上説明したように、本実施形態によれば、上述した材料を記録層１２に使用することにより陽イオンの拡散を容易にすることができ、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。また、結晶構造内の陽イオン元素の拡散のみを利用して抵抗変化を生ぜしめるため、動作特性の制御が容易で、セル間の動作特性のばらつきが小さい情報記録再生装置を実現できる。【００４８】
また、結晶構造内部と結晶粒の周縁部においては、イオンの移動のしやすさが異なるため、結晶構造内における拡散イオンの移動を利用し、異なる位置での記録消去特性を均一にするためには、記録層は多結晶状態、あるいは単結晶状態からなることが好ましい。記録層が多結晶状態にあるときにおいては、成膜のしやすさを考慮すると、結晶粒の記録膜断面方向のサイズは、単一のピークをもつ分布に従い、その平均は３ｎｍ以上であることが好ましい。結晶粒サイズの平均が５ｎｍ以上であると、成膜がより容易であるため、さらに好ましく、１０ｎｍ以上であると、異なる位置での記録消去特性をさらに均一化させることができるため、より好ましい。【００４９】
ところで、セット動作後の電極層（陽極）１１側には酸化剤が生じるため、電極層１１には、酸化され難い材料（例えば、電気伝導性窒化物、電気伝導性酸化物など）から構成するのが好ましい。  
また、電極層１１は、イオン伝導性を有しない材料から構成するのがよい。  
そのような材料としては、以下に示されるものがあり、その中でも、電気伝導率の良さなどを加味した総合的性能の点から、ＬａＮｉＯ３は、最も望ましい材料ということができる。【００５０】
・  ＭＮ  
Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。Ｎは、窒素である。【００５１】
・  ＭＯｘ 
Ｍは、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。モル比ｘは、１≦ｘ≦４を満たすものとする。【００５２】
・  ＡＭＯ３ 
Ａは、Ｌａ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｌｎ（ランタノイド）  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｍは、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｏは、酸素である。【００５３】
・  Ａ２ＭＯ４ 
Ａは、Ｋ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｌｎ（ランタノイド）  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｍは、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｏは、酸素である。【００５４】
また、セット動作後の保護層（陰極）１３側には還元剤が生じるため、保護層（電極層）１３としては、記録層１２が大気と反応することを防止する機能を持っていることが望ましい。  
そのような材料としては、例えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、ＳｎＯ２などの半導体がある。【００５５】
電極層１３は、記録層１２を保護する保護層として機能させてもよいし、電極層１３の代わりに保護層を設けてもよい。この場合、保護層は、絶縁体でもよいし、導電体でもよい。  
また、リセット動作において記録層１２の加熱を効率よく行うために、陰極側、ここでは、電極層１３側に、ヒータ層（抵抗率が約１０−５Ωｃｍ以上の材料）を設けてもよい。【００５６】
次に、本発明の実施形態に係る情報記録再生装置の別の一例（具体例２）について、図２〜図４を参照しつつ説明する。  
図２は、具体例２における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。【００５７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、記録部の断面図である。この記録部は、記録層１２の両側を電極層１１及び電極層１３により挟んだ構造を有する。記録層１２は、第１化合物を含む第１化合物層１２Ａと、第１化合物層１２Ａと電極層１３との間に設けられた絶縁層１２Ｃと、を有する。【００５８】
図２に表した記録部において、記録層１２内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、小さな黒丸はＭイオン（例えば、母体イオン）を、小さな斜線の丸はＭ３イオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸイオンまたはＸ３イオン（例えば、陰イオン）を、小さな網掛けの丸は金属状態のＡを表す。【００５９】
第１化合物層１２Ａは、前述した第１化合物を含む。ここで、第１化合物の構成要素である拡散イオン（Ａイオン）の元素は、周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素から選択される元素である。以下、周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素、並びにこれらから選択される元素を、「特定族元素」と呼ぶ。第１化合物層１２Ａは、外部から電場を印加することによってイオンを移動させることができる、いわゆる固体電解質である。【００６０】
絶縁層１２Ｃは、特定族元素からなる第３化合物１２Ｃによって構成される。第３化合物１２Ｃも、外部から電場を印加することによってイオンを移動させることができる固体電解質である。第３化合物１２Ｃ中の特定族元素の少なくとも１種は、第１化合物１２Ａ中のＡイオン元素と同じ価数を有しかつＡイオン元素のイオン半径と同じかまたはこれに近い（例えば、±２０％程度の範囲の）イオン半径を有する元素である。具体的には、Ａイオン元素と同じ元素等である。【００６１】
このような第３化合物１２Ｃの材料としては、（ｉ）ＡＸ、（ｉｉ）ＡＭＸ２、（ｉｉｉ）ＡＭ２Ｘ４、（ｉｖ）Ａ２ＭＸ４、（ｖ）ＡＭＸ３、（ｖｉ）ＡＭＸ４のうちから選択される材料が挙げられる。【００６２】
ただし、Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄのグループから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｍは、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌｎ（ランタノイド）のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。ＡとＭは互いに異なる元素である。Ｘは、Ｆ，Ｏ，Ｎのグループから選択される少なくとも１種類の元素である。【００６３】
Ａは、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｚｎ，Ｃｄから選択される少なくとも１種類の元素であることが好ましく、Ｍｇ，Ｚｎから選択される少なくとも１種類の元素であることがより好ましく、Ｚｎであることが結晶化促進効果を有するため最も好ましい。またＭは、Ａｌ，Ｇａから選択される少なくとも１種類の元素であることが好ましい。これらの元素を使用することにより、結晶性が高く酸化還元に対する耐性も高い材料を得ることができる。【００６４】
また、第３化合物１２Ｃに使用する材料には、スピネル構造、イルメナイト構造、ウルフラマイト構造、α−ＮａＦｅＯ２構造、ＬｉＭｏＮ２構造、閃亜鉛鉱型構造、岩塩型構造、蛍石構造よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む構造を有する材料を用いることができる。【００６５】
また、スイッチング時において、拡散イオン元素が移動する第１化合物１２Ａ内の通路と第３化合物１２Ｃ内の通路とが連続的に繋がっていることが好ましい。さらに、これら第１化合物１２Ａ及び第３化合物１２Ｃの骨格構造（結晶構造及び結晶方位）が同等であることが最も好ましい。【００６６】
以上のような材料を記録層１２に使用することで、記録密度に関しては、原理的にはＰｂｐｓｉ（Peta bit per square inch）級を実現でき、さらなる低消費電力化が達成できる。【００６７】
次に、絶縁層１２Ｃの性質及び機能について説明する。  
絶縁層１２Ｃ（第３化合物１２Ｃ）は、消費電力の低減化のために設けられるものである。絶縁層１２Ｃは、（１）Ａイオン元素を通過させ、動作を可能ならしめる、（２）動作前後で抵抗状態は不変で、安定動作を可能ならしめる、及び（３）抵抗率が高く、効率的な加熱に資するとともにオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化する、という性質及び機能を有する。以下、絶縁層１２Ｃが有するこれらの性質について説明する。【００６８】
まず、絶縁層１２Ｃは、（１）Ａイオン元素を通過させ、動作を可能ならしめる、という性質を有することについて説明する。  
本具体例の情報記録再生装置も、具体例１の情報記録再生装置と同様に、記録層１２において拡散イオン（Ａイオン）元素が移動し、記録層１２の抵抗状態（高抵抗状態及び低抵抗状態）を変化させ、これにより各種動作（スイッチング）を行っている。具体的には、例えばセット動作時では、Ａイオン元素が電極層１３側に移動してメタル層１４が形成されるとともに、第１化合物１２Ａの構成元素の価数が変化して第１化合物層１２Ａの抵抗状態が変化することにより、セット動作が行われている。このため、電極層１３と第１化合物層１２Ａとの間にある絶縁層１２Ｃは、Ａイオン元素を通過させる性質を有することが求められる。【００６９】
この課題は、第３化合物１２Ｃを構成する特定族元素の少なくとも１種を適宜選択することによって解消される。具体的には、第３化合物１２Ｃを構成する特定族元素の少なくとも１種を、第１化合物１２Ａ中のＡイオン元素と同じ価数を有しかつＡイオン元素のイオン半径と同じかまたはこれに近い（例えば、±２０％程度の範囲の）イオン半径を有する元素（例えば、Ａイオン元素と同じ元素）にすることである。以下、この適宜選択された第３化合物１２Ｃ中の特定族元素を、「Ｄｃイオン元素」（第３化合物１２Ｃ中の拡散（diffusion）イオン元素、の意）ということがある。【００７０】
これにより、Ｄｃイオン元素はＡイオン元素と同様に電場印加により拡散することが可能になるとともに、第１化合物層１２Ａに由来するＡイオン元素と、絶縁層１２Ｃに由来するＤｃイオン元素とは互いに置換可能となる。この結果、Ａイオン元素は動作時に絶縁層１２Ｃを通過することが可能となる。【００７１】
すなわち、図２に表したように、セット動作時においては、絶縁層１２Ｃ内のＤｃイオン元素が電極層１３側に移動し、その結果生じた空間を第１化合物層１２Ａから移動してきたＡイオン元素が順次通り抜ける。セット動作完了時には、絶縁層１２Ｃの第３化合物１２Ｃは、Ｄｃイオン元素の全部または一部が第１化合物層１２Ａから移動してきたＡイオン元素によって置換された構造となる。【００７２】
逆にリセット動作時においては、図２に表したように、絶縁層１２Ｃ内の拡散イオン元素（Ａイオン元素またはＤｃイオン元素）が電極層１１側に移動し、その結果生じた空間をメタル層１４から移動してきた拡散イオン元素が順次通り抜ける。リセット動作完了時には、絶縁層１２Ｃの第３化合物１２Ｃは、既存拡散イオン元素の全部または一部がメタル層１４から移動してきた拡散イオン元素によって置換された構造となる。【００７３】
次に、絶縁層１２Ｃは、（２）動作前後で抵抗状態は不変で、安定動作を可能ならしめる、という性質を有することについて説明する。  
複数の層からなる記録層１２を用いる場合、良好な動作特性を確保する観点から、セット動作及びリセット動作においては、１つの層のみが抵抗変化し（スイッチングを担い）、他の層は抵抗変化しない（スイッチングを担わない）ことが望ましい。あるいは、複数の層が抵抗変化する場合、すなわち、複数の層がスイッチングに寄与する場合は、これら複数の層は同時に同方向に抵抗変化することが望ましい。【００７４】
仮に、複数の層が抵抗変化し得る場合に、電場を印加した際に一部の層のみが抵抗変化し他の層が抵抗変化しないとすると、セット等の動作が完了しないことがあり得る。  
あるいは、例えば、あるセルに電場を印加して低抵抗状態にした後に、当該セルに隣接するセルに逆方向の電場を印加して消去動作を行う場合に、当該セルに低電圧の逆方向電場が印加される可能性があるところ、かかる場合において、一部の層のみが抵抗変化する可能性がある。これにより、意図されない動作モード、すなわち誤った書込みや書換えなど（これを「ディスターブ」という）が生じ得る。【００７５】
この課題は、以下に示すように、絶縁層１２Ｃの抵抗状態を動作前後で変化しないように構成し、絶縁層１２Ｃはスイッチングに寄与しないようにすることによって解消される。  
本具体例において、第３化合物１２Ｃは、特定族元素から構成される。ここで、特定族元素、すなわち周期表の１族〜４族の元素及び１２族〜１７族の元素は、固体電解質において、イオンの出入り時に比較的価数が変化しにくいという性質を有する。このため、第３化合物１２Ｃを構成する元素は、価数が変化しにくい。また、第３化合物１２Ｃに外部から進入し得る拡散イオン元素（Ａイオン元素）は、特定族元素であるとともに、前述したように第３化合物１２Ｃの構成元素であるＤｃイオン元素と同じ価数を有しかつＤｃイオン元素と同等のイオン半径を有する。【００７６】
このため、各種動作時において、すなわち、拡散イオン元素が移動する時において、第３化合物１２Ｃの構造（結晶状態等）は変化せず、これにより、第３化合物１２Ｃは、常に一定の抵抗状態を保つことが可能になる。【００７７】
このように構成することにより、絶縁層１２Ｃはスイッチングに寄与しないこととなり、スイッチングは専ら第１化合物層１２Ａによってのみ行われることとなる。この結果、第１化合物１２Ａと第３化合物１２Ｃのいずれか一方のみが抵抗変化を生じるということ（意図せざる抵抗変化）はなくなり、書込み不完了やディスターブなどが発生する可能性が低減し、もって安定動作が可能となる。【００７８】
次に、絶縁層１２Ｃは、（３）抵抗率が高く、効率的な加熱に資するとともにオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化する、という性質を有することについて説明する。【００７９】
前述したように、絶縁層１２Ｃは、消費電力の低減化のために設けられるものである。具体的には、（イ）リセット動作時において、絶縁層１２Ｃの機能により記録層１２を効率的にジュール加熱するとともに、（ロ）記録層１２のオン抵抗値（低抵抗状態における抵抗値）を増大せしめオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化し、もって消費電力の低減化を図らんとするものである。【００８０】
まず、（イ）リセット動作時において、絶縁層１２Ｃの機能により記録層１２を効率的にジュール加熱することについて説明する。  
最初に、スイッチングを担う構成要素について論じる。記録層１２を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させるためには、記録層１２内において電極層１１と電極層１３とを繋ぐ電荷の移動通路（パス）が形成される必要がある。一方、記録層１２を低抵抗状態から高抵抗状態に変化させるためには、この電荷移動通路を遮断すればよい。例えば、記録層１２において、一部の主面の抵抗状態だけを高抵抗状態に変化させればよい。記録層１２が複数の層から構成されている場合では、一部の層のみを高抵抗状態に変化させればよい。ここで、「主面」とは、電極層１１、記録層１２、電極層１３等の積層方向（図２において上下方向）に対して垂直な面をいう。【００８１】
すなわち、スイッチング、特にリセット（消去）動作を行うに際しては、必ずしも記録層１２全体の抵抗状態を変化させる必要はなく、消費電力低減化を考慮すれば、例えば記録層１２の一部の主面のみの抵抗状態を変化させるのが望ましい。【００８２】
本具体例に当てはめれば、次の通りである。  
まず、図２（ａ）の初期状態では、第１化合物層１２Ａの全体が高抵抗状態である。セット動作時には、記録層１２に電場が印加され、拡散イオン元素が移動することにより、具体的１と同様の機構で、図２（ｂ）に表すように第１化合物層１２Ａは低抵抗状態になる。その後リセット動作を行う際には、上記考察から、記録層１２の一部の主面のみを高抵抗状態にするのが望ましい。また、膜厚の小さいメタル層１４を重点的に加熱して、拡散イオン元素を効率的に電極層１１側に移動させるのが好ましい。【００８３】
この課題は、抵抗率の高い絶縁層１２Ｃを第１化合物層１２Ａと電極層１３との間に導入することによって解消される。  
図３は、具体例２における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、記録部の断面図である。  
図３（ａ）に表すセット状態の記録部をジュール加熱し、図３（ｂ）に表すリセット状態に変換させる場合について説明する。【００８４】
ジュール加熱の際、絶縁層１２Ｃの抵抗率が高いことから、絶縁層１２Ｃ及びその近傍が重点的に加熱される。このため、絶縁層１２Ｃに接するメタル層１４は比較的容易に加熱され、拡散イオン元素（Ａイオン元素またはＤｃイオン元素）は電極層１１側に移動しやすくなる。また、絶縁層１２Ｃは加熱されているため、拡散イオン元素は絶縁層１２Ｃ内を通過することが可能となる。さらに、第１化合物層１２Ａにおいて、その一部の領域、すなわち絶縁層１２Ｃとの界面付近の領域が加熱されることにより、拡散イオン元素はこの領域に移動することが可能となる。これらにより、記録層１２は、一部の主面、すなわち、第１化合物層１２Ａの絶縁層１２Ｃとの界面付近の領域、のみが高抵抗状態である構造となる。【００８５】
この結果、記録層１２は効率的に高抵抗状態化され、図３（ｂ）に表すように、リセット動作は完了する。  
絶縁層１２Ｃ（第３化合物１２Ｃ）の抵抗率は、低抵抗状態（オン状態）の第１化合物１２Ａの抵抗率より高い。例えば、１０３Ωｃｍ以上とすることができる。【００８６】
ここで、絶縁層１２Ｃの抵抗率は高いものの、絶縁層１２Ｃの膜厚を適宜調節することにより、絶縁層１２Ｃの抵抗値を任意の値にすることができる。この場合、絶縁層１２Ｃの電気抵抗は、殆どトンネル抵抗が担うと考えられる。これにより、記録層１２を低抵抗状態（オン状態）にすることが可能になるとともに、オン状態において適切な抵抗値が確保され、もって効率的な加熱が可能となる。  
絶縁層１２Ｃの好ましい膜厚としては、例えば、１０ｎｍ以下が挙げられる。【００８７】
次に、再度セット動作を行う場合について説明する。  
図４は、具体例２における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、記録部の断面図である。  
図４（ａ）に表すリセット状態の記録部に電場を印加し、図４（ｂ）に表すセット状態に変換させる場合について説明する。【００８８】
図４（ａ）に表すように電極層１３側が陰極となるように電場が印加されると、絶縁層１２Ｃに存在する拡散イオン元素（Ａイオン元素またはＤｃイオン元素）は、電極層１３側に移動し、メタル層１４に析出する。また、第１化合物層１２Ａの絶縁層１２Ｃとの界面付近に存在する拡散イオン元素も、電極層１３側に移動する。これにより、第１化合物層１２Ａの全領域が低抵抗状態となる。  
この結果、記録層１２は低抵抗状態となり、図４（ｂ）に表すように、セット動作は完了する。【００８９】
以上のように、抵抗率の高い絶縁層１２Ｃを第１化合物１２Ａと電極層１３との間に導入することにより、リセット動作時において記録層１２が効率的にジュール加熱され、これにより消費電力の低減化が図られる。【００９０】
スイッチングに寄与する構成要素については、１回目の動作（セット動作）においては全ての拡散イオン元素がスイッチングに寄与するのに対し、２回目以降の動作（リセット動作及びセット動作）においては絶縁層１２Ｃ及びその近傍の拡散イオン元素のみがスイッチングに寄与することとなる。本具体例に係る情報記録再生装置は、必要最小限の構成要素のみを効率的に移動させることによってスイッチングを行い、消費電力の低減化を図っている。【００９１】
次に、（ロ）記録層１２のオン抵抗値（低抵抗状態における抵抗値）を増大せしめオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化することについて説明する。  
記録層１２に適切な抵抗値を有する絶縁層１２Ｃを導入することにより、記録層１２におけるオン状態（低抵抗状態）の抵抗値は増大する。このため、オン状態において、記録層１２を流れる電流は増大する。これにより、消費電力の低減化が図られる。【００９２】
従来、オン状態の抵抗値（オン抵抗値）を所望の値に制御するためには、スイッチング電流を制御する方法やパルス幅を制御する方法があったが、これらの方法ではオン抵抗値を上げるのに限界があった。本具体例によれば、オン状態（選択状態）とオフ状態（非選択状態）とを通じて不変の抵抗率を有する絶縁層１２Ｃ（第３化合物１２Ｃ）を導入することにより、より容易にオン抵抗値を所望の値に設定することができ、上記（イ）及び（ロ）の効果を発現させることが可能となる。【００９３】
以上から、本具体例によれば、適切な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層１２Ｃを導入することにより、スイッチングが阻害されることなく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット動作時において記録層１２が効率的にジュール加熱されることが可能となり、もって消費電力の低減化が図られる。また、記録層１２のオン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する。これらにより、セル当たり極めて小さな消費電力で各種動作を行うことが可能となる。【００９４】
次に、記録層１２のさらに別の具体例（具体例３）について、図５及び図６を参照しつつ説明する。  
図５は、具体例３における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。    
この記録部も、記録層１２の両側を電極層１１、１３により挟んだ構造を有する。【００９５】
記録層１２は、電極層１１側に配置され、ＡｘＭ１ｙＸ１ｚで表記される第１化合物１２Ａと、電極層１３側に配置され、少なくとも１種類の遷移元素を有し、第１化合物１２ＡのＡイオン元素を収容できる空隙サイトを有する第２化合物１２Ｂと、を有する。【００９６】
図５に表した記録部において、第１化合物層１２Ａ内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、小さな太線の白丸はＭ１イオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸ１イオン（例えば、陰イオン）を表す。また、図５に表した記録部において、第２化合物層１２Ｂ内の小さな黒丸はＭ２イオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸ２イオン（例えば、陰イオン）を表す。  
第２化合物１２Ｂは、Ａイオンが収容される空隙サイトを□で表すとすると、例えば以下のような化学式で表されるものが挙げられる。空隙サイトの一部は、第２化合物１２Ｂの成膜を容易にするために、予め他のイオンによって占有されていてもよい。【００９７】
・  □ｘＭ２Ｘ２２ 
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｘ２は、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｎ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。モル比ｘは、０．３≦ｘ≦１を満たすものとする。【００９８】
・  □ｘＭ２Ｘ２３ 
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｘ２は、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｎ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。モル比ｘは、１≦ｘ≦２を満たすものとする。【００９９】
・  □ｘＭ２Ｘ２４ 
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｘ２は、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｎ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。モル比ｘは、１≦ｘ≦２を満たすものとする。【０１００】
・  □ｘＭ２ＰＯｚ 
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｐはリン元素であり、Ｏは酸素元素である。モル比ｘは、０．３≦ｘ≦３、４≦ｚ≦６を満たすものとする。【０１０１】
・  □ｘＭ２Ｏ５ 
Ｍ２は、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ  のグループから選択される少なくとも１種類の元素である。  
Ｏは酸素元素である。モル比ｘは、０．３≦ｘ≦２を満たすものとする。【０１０２】
第２化合物は、ホランダイト構造、ラムスデライト構造、アナターゼ構造、ブルッカイト構造、パイロルース構造、ＲｅＯ３構造、ＭｏＯ１．５ＰＯ４構造、ＴｉＯ０．５ＰＯ４構造、ＦｅＰＯ４構造、βＭｎＯ２構造、γＭｎＯ２構造、λＭｎＯ２構造、スピネル構造、イルメナイト構造よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む構造を有していることが好ましい。特に、第１化合物と同一構造のイルメナイト構造を有していることが最も望ましい。【０１０３】
また、第１化合物層１２Ａの電子のフェルミ準位は、第２化合物層１２Ｂの電子のフェルミ準位よりも低くする。これは、記録層１２の状態に可逆性を持たせるために望ましい条件のひとつである。ここで、フェルミ準位については、いずれも真空準位から測定した値とする。【０１０４】
このように、第１化合物層１２ＡのＡイオンを収容する空隙サイトを有する第２化合物からなる第２化合物層１２Ｂを、第１化合物層１２Ａに接して設けると、拡散したＡイオン元素が安定に存在しやすくなる。このような材料の組み合わせを記録層に使用し、第１化合物層１２Ａと第２化合物層１２Ｂと間のイオンの授受を容易にすることにより、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。また、このような材料の組み合わせを記録層に使用することで、原理的には、Ｐｂｐｓｉ（peta bit per square inch）級の記録密度を実現することができ、さらに、低消費電力化も達成できる。【０１０５】
なお、図６に例示したように、記録層１２を構成する第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂは、それぞれ、２層以上の複数層を交互に積層してもよい。  
このような記録部において、第１化合物層１２Ａが陽極側、第２化合物層１２Ｂが陰極側になるように電極層１１、１３に電位を与え、記録層１２内に電位勾配を発生させると、第１化合物を含む第１化合物層１２Ａ内のＡイオン元素の一部が結晶中を移動し、陰極側の第２化合物層１２Ｂ内に進入する。【０１０６】
第２化合物層１２Ｂの結晶中には、Ａイオンの空隙サイトがあるため、第１化合物を含む第１化合物層１２Ａから移動してきたＡイオンは、この空隙サイトに収まる。  
したがって、第２化合物層１２Ｂ内では、ＡイオンあるいはＭ２イオンの一部の価数が減少し、第１化合物層１２Ａ内では、ＡイオンあるいはＭ１イオンの価数が増加する。したがって、Ａイオン、あるいはＭ１イオンの少なくとも一方は、その価数が容易に変化できるように、電子が不完全に満たされたｄ軌道を有する遷移元素である必要がある。【０１０７】
つまり、初期状態（リセット状態）において、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂが高抵抗状態（絶縁体）であると仮定すれば、第１化合物層１２Ａ内のＡイオンの一部が第２化合物層１２Ｂ内に移動することにより、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの結晶中に電導キャリアが発生し、両者は、共に、電気伝導性を有するようになる。【０１０８】
このように、電流／電圧パルスを記録層１２に与えることにより、記録層１２の電気抵抗値が小さくなるため、セット動作（記録）が実現される。  
この時、同時に、第１化合物層１２Ａから第２化合物層１２Ｂに向かって電子も移動するが、第２化合物層１２Ｂの電子のフェルミ準位は、第１化合物層１２Ａの電子のフェルミ準位よりも高いため、記録層１２のトータルエネルギーとしては、上昇する。  
また、セット動作が完了した後も、このような高いエネルギー状態が継続されるため、記録層１２は、自然に、セット状態（低抵抗状態）からリセット状態（高抵抗状態）に戻ってしまう可能性がある。【０１０９】
しかし、本実施形態の例に係る記録層１２を用いれば、このような懸念は回避される。すなわち、セット状態を維持し続けることができる。  
これは、いわゆるイオンの移動抵抗が働いているためである。前述のように、Ａイオンの配位数を小さく（理想的には２以下に）する、あるいはその価数を２価にすることが、情報記録再生装置としては好ましい。【０１１０】
ところで、セット動作が完了した後には、陽極側に酸化剤が生成されるため、この場合にも、電極層１１としては、酸化され難く、イオン伝導性を有しない材料（例えば、電気伝導性酸化物）を用いることが望ましい。その好適な例は前述の通りである。  
リセット動作（消去）は、記録層１２を加熱して、上述の第２化合物層１２Ｂの空隙サイト内に収納されたＡイオンが第１化合物層１２Ａ内に戻る、という現象を促進してやればよい。【０１１１】
具体的には、記録層１２に大電流パルスを与えることにより発生するジュール熱とその残留熱とを利用すれば、容易に、記録層１２を元の高抵抗状態（絶縁体）に戻すことができる。記録層１２は低抵抗であるため、低電位差であっても大電流が流れることになる。【０１１２】
このように、大電流パルスを記録層１２に与えることにより、記録層１２の電気抵抗値が大きくなるため、リセット動作（消去）が実現される。あるいは、セット時とは逆向きの電場を印加することによってもリセット動作は可能である。【０１１３】
ここで、低消費電力を実現するには、結晶破壊を引き起こすことなく、結晶内をＡイオンが移動できるように、Ａイオンのイオン半径を最適化し、移動パスが存在する構造を用いることが重要になる。  
第２化合物１２Ｂとして、上述したような材料及び結晶構造を用いた場合においては、このような条件を満たすことが可能となり、低消費電力を実現するのに有効となる。【０１１４】
また、図１に表した記録部のような構造を有する、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、ＡｘＭｙＸ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造、またはＡｘＭｙＸ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造、のいずれかの化合物内では、Ａイオンの移動が容易に生じるので、これら構造を有する化合物は、第１化合物として用いるのに好適である。【０１１５】
特に、その移動パスが電極間を結ぶ方向に配置するように、第１化合物１２Ａが配向している場合には、第１化合物１２Ａ内でのＡイオンの移動が容易となるので、好ましい。さらに、第１化合物１２Ａの格子定数と第２化合物１２Ｂの格子定数が一致する場合においては、空隙サイトがあり、成膜しにくい材料を用いた場合においても、容易に配向を制御して成膜することが可能となるので好ましい。【０１１６】
次に、第２化合物層１２Ｂの膜厚の好適な範囲について説明する。  
空隙サイトによるＡイオン収納の効果を得るためには、第２化合物１２Ｂの膜厚は、１ｎｍ以上の膜厚であることが好ましい。  
一方、第２化合物１２Ｂの空隙サイト数が第１化合物１２Ａ内のＡイオン数よりも大きくなると、第２化合物１２Ｂの抵抗変化効果が小さくなるため、第２化合物１２Ｂ内の空隙サイト数は、同じ断面積内にある第１化合物１２Ａ内のＡイオン数と同じか、それより少ないことが好ましい。【０１１７】
第１化合物１２Ａ内のＡイオンの密度と第２化合物１２Ｂ内の空隙サイトの密度は、概ね同じであるため、第２化合物１２Ｂの膜厚は、第１化合物１２Ａの膜厚と同程度か、それより小さいことが好ましい。  
陰極側には、一般に、リセット動作をさらに促進するためのヒータ層（抵抗率約１０−５Ωｃｍ以上の材料）を設けてもよい。【０１１８】
プローブメモリでは、陰極側に還元性の材料が析出するため、大気との反応を防ぐために、表面保護層を設けることが好ましい。  
ヒータ層と表面保護層を、両方の機能を持つ１つの材料で構成することも可能である。例えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、ＳｎＯ２などの半導体は、ヒータ機能と表面保護機能とを併せ持っている。【０１１９】
再生に関しては、電流パルスを記録層１２に流し、記録層１２の抵抗値を検出することにより容易に行える。  
ただし、電流パルスは、記録層１２を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値であることが必要である。【０１２０】
次に、記録層１２のさらに別の具体例（具体例４）について、図７〜図１０を参照しつつ説明する。  
図７は、具体例４における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。  
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、記録部の断面図である。この記録部は、記録層１２の両側を電極層１１及び電極層１３により挟んだ構造を有する。記録層１２は、第１化合物を含む第１化合物層１２Ａと、第２化合物を含む第２化合物１２Ｂと、第１化合物層１２Ａと第２化合物層１２Ｂとの間に設けられた絶縁層１２Ｃと、を有する。【０１２１】
図７に表した記録部において、第１化合物層１２Ａ内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、小さな太線の白丸はＭ１イオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸ１イオン（例えば、陰イオン）を表す。また、第２化合物層１２Ｂ内の小さな黒丸はＭ２イオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸ２イオン（例えば、陰イオン）を表す。また、絶縁層１２Ｃ内の小さな白丸はＡイオン（例えば拡散イオン）を、小さな斜線の丸はＭ３イオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸ３イオン（例えば、陰イオン）を表す。【０１２２】
第１化合物層１２Ａ及び絶縁層１２Ｃは、具体例２に関して前述したものと同様である。すなわち、それぞれ、特定族元素からなる拡散イオン元素であるＡイオン元素及びＤｃイオン元素を含む。Ｄｃイオン元素は、Ａイオン元素と同じ価数を有しかつＡイオン元素のイオン半径と同じかまたはこれに近い（例えば、±２０％程度の範囲の）イオン半径を有する元素（例えば、Ａイオン元素と同じ元素）である。また、第２化合物層１２Ｂは、具体例３に関して前述したものと同様である。【０１２３】
また、スイッチング時において、拡散イオン元素が移動する第１化合物１２Ａ内の通路、第３化合物１２Ｃ内の通路、及び第２化合物１２Ｂ内の通路は、連続的に繋がっていることが好ましい。さらに、これら第１化合物１２Ａ、第３化合物１２Ｃ、及び第２化合物１２Ｂの骨格構造（結晶構造及び結晶方位）が同等であることが最も好ましい。【０１２４】
以上のような材料を記録層１２に使用することで、記録密度に関しては、原理的にはＰｂｐｓｉ（Peta bit per square inch）級を実現でき、さらなる低消費電力化が達成できる。  
なお、図１０に例示したように、記録層１２を構成する第１化合物層１２Ａ、第２化合物層１２Ｂ、及び絶縁層１２Ｃは、それぞれ、複数層を交互に積層してもよい。【０１２５】
次に、絶縁層１２Ｃの性質及び機能について説明する。  
絶縁層１２Ｃ（第３化合物１２Ｃ）は、具体例２と同様に消費電力の低減化のために設けられるものである。絶縁層１２Ｃは、（１）Ａイオン元素を通過させ、動作を可能ならしめる、（２）動作前後で抵抗状態は不変で、安定動作を可能ならしめる、及び（３）抵抗率が高く、効率的な加熱に資するとともにオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化する、という性質及び機能を有する。以下、絶縁層１２Ｃが有するこれらの性質について説明する。【０１２６】
まず、絶縁層１２Ｃは、（１）Ａイオン元素を通過させ、動作を可能ならしめる、という性質を有することについて説明する。  
本具体例の情報記録再生装置も、具体例１〜３の情報記録再生装置と同様に、記録層１２において拡散イオン元素が移動し、記録層１２の抵抗状態（高抵抗状態及び低抵抗状態）を変化させ、これにより各種動作（スイッチング）を行っている。具体的には、例えばセット動作時では、Ａイオン元素が電極層１３側に移動して第２化合物層１２Ｂに格納され、第１化合物１２Ａ及び第２化合物１２Ｂの構成元素の一部の価数が変化して第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの抵抗状態が変化することにより、セット動作が行われている。このため、第１化合物層１２Ａと第２化合物層１２Ｂとの間にある絶縁層１２Ｃは、Ａイオン元素を通過させる性質を有することが求められる。【０１２７】
この課題は、第３化合物１２Ｃを構成する特定族元素の少なくとも１種を適宜選択することによって解消される。ここで、前述したように、絶縁層１２Ｃは、Ｄｃイオン元素を含む。このＤｃイオン元素は、具体例２に関して前述したように、電場印加により拡散することができ、Ａイオン元素と互いに置換することができる。また、絶縁層１２Ｃの、第１化合物層１２Ａと反対側（電極層１３側）の界面には、空隙サイトを有する第２化合物層１２Ｂが接している。これらにより、Ａイオン元素は動作時に絶縁層１２Ｃを通過することが可能となる。【０１２８】
すなわち、図７に表したように、セット動作時においては、絶縁層１２Ｃ内のＤｃイオン元素が電極層１３側に移動して第２化合物層１２Ｂ内の空隙サイトに格納され、その結果生じた絶縁層１２Ｃ内の空間を第１化合物層１２Ａから移動してきたＡイオン元素が順次通り抜ける。セット動作完了時には、絶縁層１２Ｃの第３化合物１２Ｃは、Ｄｃイオン元素の全部または一部がＡイオン元素によって置換された構造となる。【０１２９】
逆にリセット動作時においては、図７に表したように、絶縁層１２Ｃ内の拡散イオン元素（Ａイオン元素またはＤｃイオン元素）が電極層１１側に移動し、その結果生じた絶縁層１２Ｃ内の空間を第２化合物層１２Ｂから移動してきた拡散イオン元素が順次通り抜ける。リセット動作完了時には、絶縁層１２Ｃの第３化合物１２Ｃは、既存拡散イオン元素の全部または一部が第２化合物層１２Ｂから移動してきた拡散イオン元素によって置換された構造となる。【０１３０】
次に、絶縁層１２Ｃは、（２）動作前後で抵抗状態は不変で、安定動作を可能ならしめる、という性質を有することについて説明する。  
具体例２に関して前述したように、複数の層からなる記録層１２を用いる場合、良好な動作特性を確保する観点から、セット動作及びリセット動作においては、１つの層のみが抵抗変化し（スイッチングを担い）、他の層は抵抗変化しない（スイッチングを担わない）ことが望ましい。あるいは、複数の層が抵抗変化する場合、すなわち、複数の層がスイッチングに寄与する場合は、これら複数の層は同時に同方向に抵抗変化することが望ましい。【０１３１】
この課題は、以下に示すように、絶縁層１２Ｃの抵抗状態を動作前後で変化しないように構成し、絶縁層１２Ｃはスイッチングに寄与しないようにすることによって解消される。  
本具体例において、第３化合物１２Ｃは、固体電解質においてイオンの出入り時に比較的価数が変化しにくい特定族元素から構成される。また、第３化合物１２Ｃに外部から進入し得る拡散イオン元素（Ａイオン元素）は、特定族元素であるとともに、第３化合物１２Ｃの構成元素であるＤｃイオン元素と同じ価数を有しかつＤｃイオン元素と同等のイオン半径を有する。【０１３２】
このため、各種動作時において、すなわち、拡散イオン元素が移動する時において、第３化合物１２Ｃの構造（結晶状態等）は変化せず、これにより、第３化合物１２Ｃは、常に一定の抵抗状態を保つことが可能になる。  
このように構成することにより、絶縁層１２Ｃはスイッチングに寄与しないこととなり、スイッチングは専ら第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂによってのみ行われることとなる。この結果、意図せざる抵抗変化は生じにくくなり、書込み不完了やディスターブなどが発生する可能性が低減し、もって安定動作が可能となる。【０１３３】
次に、絶縁層１２Ｃは、（３）抵抗率が高く、効率的な加熱に資するとともにオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化する、という性質を有することについて説明する。【０１３４】
前述したように、絶縁層１２Ｃは、消費電力の低減化のために設けられるものである。具体的には、（イ）リセット動作時において、絶縁層１２Ｃの機能により記録層１２を効率的にジュール加熱するとともに、（ロ）記録層１２のオン抵抗値（低抵抗状態における抵抗値）を増大せしめオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化し、もって消費電力の低減化を図らんとするものである。【０１３５】
まず、（イ）リセット動作時において、絶縁層１２Ｃの機能により記録層１２を効率的にジュール加熱することについて説明する。  
具体例２に関して前述したように、スイッチングを担う構成要素については、スイッチング、特にリセット（消去）動作を行うに際しては、必ずしも記録層１２全体の抵抗状態を変化させる必要はなく、消費電力低減化を考慮すれば、例えば記録層１２の一部の主面のみの抵抗状態を変化させるのが望ましい。【０１３６】
本具体例に当てはめれば、次の通りである。  
図７（ａ）の初期状態では、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの全体が高抵抗状態である。セット動作時には、記録層１２に電場が印加され、拡散イオン元素が移動することにより、具体例３と同様の機構で、図７（ｂ）に表すように第１化合物層１２Ａ及び第２化合物１２Ｂはともに低抵抗状態になる。その後リセット動作を行う際には、上記考察から、記録層１２の一部の主面のみを高抵抗状態にするのが望ましい。【０１３７】
この課題は、抵抗率の高い絶縁層１２Ｃを第１化合物層１２Ａと第２化合物層１２Ｂとの間に導入することによって解消される。  
図８は、具体例４における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、記録部の断面図である。  
図８（ａ）に表すセット状態の記録部をジュール加熱し、図８（ｂ）に表すリセット状態に変換させる場合について説明する。【０１３８】
ジュール加熱の際、絶縁層１２Ｃの抵抗率が高いことから、絶縁層１２Ｃ及びその近傍が重点的に加熱される。すなわち、絶縁層１２Ｃ、並びに、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂのうち絶縁層１２Ｃに接する領域（近傍領域）が重点的に加熱される。これにより、絶縁層１２Ｃ内の拡散イオン元素（Ａイオン元素またはＤｃイオン元素）は、電極層１１側にある第１化合物層１２Ａの絶縁層１２Ｃ近傍領域に移動することができる。また、その結果生じた絶縁層１２Ｃ内の空間を、第２化合物層１２Ｂの絶縁層１２Ｃ近傍領域にある拡散イオン元素が順次通り抜けることができる。これにより、記録層１２は、一部の主面、すなわち、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの絶縁層１２Ｃ近傍領域、のみが高抵抗状態である構造となる。【０１３９】
この結果、記録層１２は効率的に高抵抗状態化され、図８（ｂ）に表すように、リセット動作は完了する。  
絶縁層１２Ｃ（第３化合物１２Ｃ）の抵抗率は、低抵抗状態（オン状態）の第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの抵抗率より高い。例えば、１０３Ωｃｍ以上とすることができる。【０１４０】
ここで、絶縁層１２Ｃの抵抗率は高いものの、絶縁層１２Ｃの膜厚を制御することにより、絶縁層１２Ｃの抵抗値を任意の値にすることができる。この場合、絶縁層１２Ｃの電気抵抗は、殆どトンネル抵抗が担うと考えられる。これにより、記録層１２を低抵抗状態（オン状態）にすることが可能になるとともに、オン状態において適切な抵抗値が確保され、もって効率的な加熱が可能となる。  
絶縁層１２Ｃの好ましい膜厚については、具体例２に関して前述した通りである。【０１４１】
次に、再度セット動作を行う場合について説明する。  
図９は、具体例４における情報の記録／再生の基本原理を説明するための概念図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、記録部の断面図である。  
図９（ａ）に表すリセット状態の記録部に電場を印加し、図９（ｂ）に表すセット状態に変換させる場合について説明する。【０１４２】
図９（ａ）に表すように電極層１３側が陰極となるように電場が印加されると、絶縁層１２Ｃに存在する拡散イオン元素（Ａイオン元素またはＤｃイオン元素）は、電極層１３側にある第２化合物層１２Ｂの絶縁層１２Ｃ近傍領域に移動する。また、その結果生じた絶縁層１２Ｃ内の空間を、第１化合物層１２Ａの絶縁層１２Ｃ近傍領域にある拡散イオン元素が順次通り抜け、電極層１３側に移動する。これにより、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの全領域が低抵抗状態となる。【０１４３】
この結果、記録層１２は低抵抗状態となり、図９（ｂ）に表すように、セット動作は完了する。  
以上のように、抵抗率の高い絶縁層１２Ｃを第１化合物層１２Ａと第２化合物層１２Ｂとの間に導入することにより、リセット動作時において記録層１２が効率的にジュール加熱され、これにより消費電力の低減化が図られる。【０１４４】
スイッチングに寄与する構成要素については、１回目の動作（セット動作）においては全ての拡散イオン元素がスイッチングに寄与するのに対し、２回目以降の動作（リセット動作及びセット動作）においては絶縁層１２Ｃ及びその近傍の拡散イオン元素のみがスイッチングに寄与することとなる。本具体例に係る情報記録再生装置は、必要最小限の構成要素のみを効率的に移動させることによってスイッチングを行い、消費電力の低減化を図っている。【０１４５】
次に、（ロ）記録層１２のオン抵抗値（低抵抗状態における抵抗値）を増大せしめオン電流（低抵抗状態における電流）を低減化することについて説明する。  
記録層１２に適切な抵抗値を有する絶縁層１２Ｃを導入することにより、記録層１２におけるオン状態（低抵抗状態）の抵抗値は増大する。このため、オン状態において、記録層１２を流れる電流は低減する。これにより、消費電力の低減化が図られる。【０１４６】
従来、オン状態の抵抗値（オン抵抗値）を所望の値に制御するためには、スイッチング電流を制御する方法やパルス幅を制御する方法があったが、これらの方法ではオン抵抗値を上げるのに限界があった。本具体例によれば、オン状態（選択状態）とオフ状態（非選択状態）とを通じて不変の抵抗率を有する絶縁層１２Ｃ（第３化合物１２Ｃ）を導入することにより、より容易にオン抵抗値を所望の値に設定することができ、上記（イ）及び（ロ）の効果を発現させることが可能となる。【０１４７】
以上から、本具体例によれば、適切な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層１２Ｃを導入することにより、スイッチングが阻害されることなく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット動作時において記録層１２が効率的にジュール加熱されることが可能となり、もって消費電力の低減化が図られる。また、記録層１２のオン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する。これらにより、セル当たり極めて小さな消費電力で各種動作を行うことが可能となる。【０１４８】
以下、本実施形態に係る情報記録再生装置の応用例について説明する。  
本実施形態に係る記録部を、プローブメモリに適用した場合、半導体メモリに適用した場合、及びフラッシュメモリに適用した場合の３つについて説明する。【０１４９】
（プローブメモリ）
図１１及び図１２は、本実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。  
ＸＹスキャナー１６上には、本実施形態の記録部が設けられた記録媒体が配置される。この記録媒体に対向する形で、プローブアレイが配置される。【０１５０】
プローブアレイは、基板２３と、基板２３の一面側にアレイ状に配置される複数のプローブ（ヘッド）２４と、を有する。複数のプローブ２４の各々は、例えば、カンチレバーから構成され、マルチプレクスドライバ２５，２６により駆動される。  
複数のプローブ２４は、それぞれ、基板２３内のマイクロアクチュエータを用いて個別に動作可能であるが、ここでは、全てをまとめて同じ動作をさせて記録媒体のデータエリアに対するアクセスを行う例を説明する。【０１５１】
まず、マルチプレクスドライバ２５，２６を用いて、全てのプローブ２４をＸ方向に一定周期で往復動作させ、記録媒体のサーボエリアからＹ方向の位置情報を読み出す。Ｙ方向の位置情報は、ドライバ１５に転送される。  
ドライバ１５は、この位置情報に基づいてＸＹスキャナー１６を駆動し、記録媒体をＹ方向に移動させ、記録媒体とプローブとの位置決めを行う。  
両者の位置決めが完了したら、データエリア上のプローブ２４の全てに対して、同時、かつ、連続的に、データの読み出し又は書き込みを行う。  
データの読み出し及び書き込みは、プローブ２４がＸ方向に往復動作していることから連続的に行われる。また、データの読み出し及び書き込みは、記録媒体のＹ方向の位置を順次変えることにより、データエリアに対して、一行ずつ、実施される。  
なお、記録媒体をＸ方向に一定周期で往復運動させて記録媒体から位置情報を読み出し、プローブ２４をＹ方向に移動させるようにしてもよい。【０１５２】
記録媒体は、例えば、基板２０と、基板２０上の電極層２１と、電極層２１上の記録層２２とから構成される。  
記録層２２は、複数のデータエリア、並びに、複数のデータエリアのＸ方向の両端にそれぞれ配置されるサーボエリアを有する。複数のデータエリアは、記録層２２の主要部を占める。【０１５３】
サーボエリア内には、サーボバースト信号が記録される。サーボバースト信号は、データエリア内のＹ方向の位置情報を示している。【０１５４】
記録層２２内には、これらの情報の他に、さらに、アドレスデータが記録されるアドレスエリア及び同期をとるためのプリアンブルエリアが配置される。  
データ及びサーボバースト信号は、記録ビット（電気抵抗変動）として記録層２２に記録される。記録ビットの“１”，“０”情報は、記録層２２の電気抵抗を検出することにより読み出す。【０１５５】
本例では、１つのデータエリアに対応して１つのプローブ（ヘッド）が設けられ、１つのサーボエリアに対して１つのプローブが設けられる。  
データエリアは、複数のトラックから構成される。アドレスエリアから読み出されるアドレス信号によりデータエリアのトラックが特定される。また、サーボエリアから読み出されるサーボバースト信号は、プローブ２４をトラックの中心に移動させ、記録ビットの読み取り誤差をなくすためのものである。  
ここで、Ｘ方向をダウントラック方向、Ｙ方向をトラック方向に対応させることにより、ＨＤＤのヘッド位置制御技術を利用することが可能になる。【０１５６】
次に、このプローブメモリの記録／再生動作について説明する。  
図１３は、記録（セット動作）時の状態を説明するための概念図である。  
記録媒体は、基板（例えば、半導体チップ）２０上の電極層２１と、電極層２１の上の記録層２２と、記録層２２上の保護層１３Ｂとから構成されるものとする。保護層１３Ｂは、例えば、薄い絶縁体から構成される。  
記録動作は、記録層２２の記録ビット２７表面に電圧を印加し、記録ビット２７の内部に電位勾配を発生させることにより行う。具体的には、電流／電圧パルスを記録ビット２７に与えればよい。【０１５７】
（具体例１及び具体例２に関して前述した記録部を用いた場合）
ここで、具体例１及び具体例２に関して前述した記録部を用いた場合について説明する。なお、図１４及び図１５において、具体例２に係る記録部の絶縁層１２Ｃは省略して描かれている。【０１５８】
図１４は、記録について表した模式図である。  
まず、図１４に表したように、プローブ２４の電位が電極層２１の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層２１を固定電位（例えば、接地電位）とすれば、プローブ２４に負の電位を与えればよい。  
電流パルスは、例えば、電子発生源又はホットエレクトロン源を使用し、プローブ２４から電極層２１に向かって電子を放出することにより発生させる。あるいは、プローブ２４を記録ビット２７表面に接触させて電圧パルスを印加してもよい。【０１５９】
この時、例えば、記録層２２の記録ビット２７では、Ａイオンの一部がプローブ（陰極）２４側に移動し、結晶内のＡイオンがＸイオンに対して相対的に減少する。また、プローブ２４側に移動したＡイオンは、プローブ２４から電子を受け取ってメタルとして析出する。  
記録ビット２７では、Ｘイオンが過剰となり、結果的に、記録ビット２７におけるＡイオンあるいはＭイオンの価数を上昇させる。つまり、記録ビット２７は、相変化によるキャリアの注入により電子伝導性を有するようになるため、膜厚方向への抵抗が減少し、記録（セット動作）が完了する。  
なお、記録のための電流パルスは、プローブ２４の電位が電極層２１の電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させることもできる。【０１６０】
図１５は、再生について表した模式図である。  
再生に関しては、電流パルスを記録層２２の記録ビット２７に流し、記録ビット２７の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、記録層２２の記録ビット２７を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とする。【０１６１】
例えば、センスアンプＳ／Ａにより発生した読み出し電流（電流パルス）をプローブ２４から記録ビット２７に流し、センスアンプＳ／Ａにより記録ビット２７の抵抗値を測定する。  
具体例１及び具体例２に関して前述した実施形態に係る材料を使用すれば、セット／リセット状態の抵抗値の差は、１０３以上を確保できる。  
なお、再生では、記録媒体上をプローブ２４により走査（スキャン）することで、連続再生が可能となる。【０１６２】
消去（リセット）動作に関しては、記録層２２の記録ビット２７を大電流パルスによりジュール加熱して、記録ビット２７における酸化還元反応を促進させることにより行う。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。  
消去動作は、記録ビット２７ごとに行うこともできるし、複数の記録ビット２７又はブロック単位で行うこともできる。【０１６３】
（具体例３及び具体例４に関して前述した記録部を用いた場合）
次に、具体例３及び具体例４に関して前述した記録部を用いた場合について説明する。なお、図１６及び図１７において、具体例４に係る記録部の絶縁層１２Ｃは省略して描かれている。【０１６４】
図１６は、記録する状態を表した模式図である。  
まず、図１６に表したように、プローブ２４の電位が電極層２１の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層２１を固定電位（例えば、接地電位）とすれば、プローブ２４に負の電位を与えればよい。【０１６５】
この時、記録層２２の第１化合物層（陽極側）１２Ａ内のＡイオンの一部は、結晶中を移動し、第２化合物（陰極側）１２Ｂの空隙サイトに収まる。これに伴い、第１化合物層１２Ａ内のＡイオン、あるいはＭ１イオンの価数が増加し、第２化合物層１２Ｂ内のＡイオンあるいはＭ２イオンの価数が減少する。その結果、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの結晶中に電導キャリアが発生し、両者は、共に、電気伝導性を有するようになる。【０１６６】
これにより、セット動作（記録）が完了する。  
なお、記録動作に関して、第１化合物層１２Ａ及び第２化合物層１２Ｂの位置関係を逆にすれば、プローブ２４の電位を電極層２１の電位よりも相対的に低い状態にしてセット動作を実行することもできる。【０１６７】
図１７は、再生時の状態を表す模式図である。  
再生動作は、電流パルスを記録ビット２７に流し、記録ビット２７の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、記録ビット２７を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とする。  
例えば、センスアンプＳ／Ａにより発生した読み出し電流（電流パルス）をプローブ２４から記録層（記録ビット）２２に流し、センスアンプＳ／Ａにより記録ビットの抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すると、セット／リセット状態の抵抗値の差は、１０３以上を確保できる。  
なお、再生動作は、プローブ２４を走査（スキャン）させることで、連続的に行うことができる。【０１６８】
リセット（消去）動作は、記録層（記録ビット）２２に大電流パルスを流すことにより発生するジュール熱及びその残留熱を利用して、Ａイオンが第２化合物層１２Ｂ内の空隙サイトから第１化合物層１２Ａ内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。  
消去動作は、記録ビット２７ごとに行うこともできるし、複数の記録ビット２７又はブロック単位で行うこともできる。【０１６９】
図３３は、情報記録が完了した後のデータ領域内のブロックを例示する模式図である。黒丸は、情報記録がなされた記録単位を表している。  
本実施例に係るプローブメモリによれば、ハードディスクと同様に、記録媒体の記録単位に情報記録を行うことができるとともに、新規な記録材料を採用することにより、現在のハードディスクやフラッシュメモリよりも高記録密度及び低消費電力を実現できる。【０１７０】
なお、記録層２２に、具体例２または具体例４に関して前述した記録層を用いた場合には、前述した効果が発現される。すなわち、適切な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層を導入することにより、スイッチングが阻害されることなく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット動作時において記録層２２が効率的にジュール加熱されることが可能となり、もって消費電力の低減化が図られる。また、記録層２２のオン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する。これらにより、セル当たり極めて小さな消費電力で各種動作を行うことが可能となる。【０１７１】
（半導体メモリ）  
次に、半導体素子と組み合わせた情報記録再生装置について説明する。  
図１８は、本実施形態の記録層を備えたクロスポイント型半導体メモリを表す模式図である。  
ワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１は、Ｘ方向に延び、ビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１は、Ｙ方向に延びる。  
ワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１の一端は、選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＲＳＷを経由してワード線ドライバ＆デコーダ３１に接続され、ビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の一端は、選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＣＳＷを経由してビット線ドライバ＆デコーダ＆読み出し回路３２に接続される。【０１７２】
ＭＯＳトランジスタＲＳＷのゲートには、１本のワード線（ロウ）を選択するための選択信号Ｒｉ−１，Ｒｉ，Ｒｉ＋１が入力され、ＭＯＳトランジスタＣＳＷのゲートには、１本のビット線（カラム）を選択するための選択信号Ｃｉ−１，Ｃｉ，Ｃｉ＋１が入力される。  
メモリセル３３は、ワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１とビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１との交叉部に配置される。いわゆるクロスポイント型セルアレイ構造である。  
メモリセル３３には、記録／再生時における回り込み電流（sneak current）を防止するためのダイオード３４が付加される。【０１７３】
図１９は、図１８に表した半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を表す模式図である。  
半導体チップ３０上には、ワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１とビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１が配置され、これら配線の交叉部にメモリセル３３と、ダイオード３４と、が配置される。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬｉ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。  
このようなクロスポイント型セルアレイ構造の特長は、メモリセル３３に個別にＭＯＳトランジスタを接続する必要がないため、高集積化に有利な点にある。例えば、図２１及び図２２に表したように、メモリセル３３を積み重ねて、メモリセルアレイを３次元構造にすることも可能である。【０１７４】
本実施形態の記録層を有するメモリセル３３は、例えば、図２０に表したように、記録層２２、保護層１３Ｂ、及びヒータ層３５のスタック構造から構成される。１つのメモリセル３３により１ビットデータを記憶する。また、ダイオード３４は、ワード線ＷＬｉとメモリセル３３との間に配置される。なお、前述したように、ダイオード３４とワード線（ＷＬｉ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。【０１７５】
図２１及び図２２は、メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。  
図２１に表した具体例においては、Ｙ方向に延びたビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の上下に、Ｘ方向に延びたワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１がそれぞれ設けられている。そして、これらビット線とワード線とのクロスポイントに、メモリセル３３、３４と、がそれぞれ配設されている。つまり、ビット線をその上下のメモリセルで共有した構造とされている。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬ（ｄ）ｉ等）との間、及びダイオード３４とビット線（ＢＬｊ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。【０１７６】
図２２に表した具体例においては、Ｙ方向に延びたビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１と、Ｘ方向に延びたワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１と、が交互に積層された構造を有する。そして、これらビット線とワード線とのクロスポイントに、メモリセル３３、３４と、がそれぞれ配設されている。つまり、ビット線とワード線を、それらの上下のメモリセルで共有した構造とされている。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬ（ｄ）ｉ等）との間、ダイオード３４とビット線（ＢＬ（ｄ）ｊ）との間、及びダイオード３４とワード線（ＷＬ（ｕ）ｉ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。  
図２１及び図２２に例示したような積層構造を採用することにより、記録密度を上げることが可能となる。【０１７７】
次に、本実施形態の記録層を用いた半導体メモリの記録／再生動作について、図１８〜図２０を参照しつつ説明する。  
ここでは、図１８において点線Ａで囲んだメモリセル３３を選択し、これについて記録／再生動作を実行する場合について説明する。【０１７８】
（具体例１及び具体例２に関して前述した記録層を用いた場合）
記録（セット動作）は、選択されたメモリセル３３に電圧を印加し、そのメモリセル３３内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよいため、例えば、ワード線ＷＬｉの電位がビット線ＢＬｊの電位よりも相対的に低い状態を作る。ビット線ＢＬｊを固定電位（例えば、接地電位）とすれば、ワード線ＷＬｉに負の電位を与えればよい。【０１７９】
この時、点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３では、Ａ１イオンの一部がワード線（陰極）ＷＬｉ側に移動し、結晶内のＡイオンがＸイオンに対して相対的に減少する。また、ワード線ＷＬｉ側に移動したＡイオンは、ワード線ＷＬｉから電子を受け取ってメタルとして析出する。【０１８０】
点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３では、Ｘイオンが過剰となり、結果的に、結晶内におけるＡイオンあるいはＭイオンの価数を上昇させる。つまり、点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３は、相変化によるキャリアの注入により電子伝導性を有するようになるため、記録（セット動作）が完了する。【０１８１】
なお、記録時には、非選択のワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ＋１及び非選択のビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ＋１については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。  
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１及び全てのビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１をプリチャージしておくことが望ましい。  
また、記録のための電流パルスは、ワード線ＷＬｉの電位がビット線ＢＬｊの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。【０１８２】
再生に関しては、電流パルスを点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３に流し、そのメモリセル３３の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセル３３を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。【０１８３】
例えば、読み出し回路により発生した読み出し電流（電流パルス）をビット線ＢＬｊから点線Ａで囲まれたメモリセル３３に流し、読み出し回路によりそのメモリセル３３の抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すれば、セット／リセット状態の抵抗値の差は、１０３以上を確保できる。【０１８４】
消去（リセット）動作に関しては、点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３を大電流パルスによりジュール加熱して、そのメモリセル３３における酸化還元反応を促進させることにより行う。【０１８５】
（具体例３及び具体例４に関して前述した記録層を用いた場合）
記録動作（セット動作）は、選択されたメモリセル３３に電圧を印加し、そのメモリセル３３内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよいため、例えば、ワード線ＷＬｉの電位をビット線ＢＬｊの電位よりも相対的に低くする。ビット線ＢＬｊを固定電位（例えば、接地電位）とすれば、ワード線ＷＬｉに負の電位を与えればよい。  
この時、点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３では、第１化合物内のＡイオンの一部が第２化合物の空隙サイトに移動する。このため、第２化合物内のＡイオンあるいはＭ２イオンの価数が減少し、第１化合物内のＡイオンあるいはＭ１イオンの価数が増加する。その結果、第１及び第２化合物の結晶中に電導キャリアが発生し、両者は、共に、電気伝導性を有するようになる。  
これにより、セット動作（記録）が完了する。【０１８６】
なお、記録時には、非選択のワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ＋１及び非選択のビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ＋１については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。  
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１及び全てのビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１をプリチャージしておくことが望ましい。  
電流パルスは、ワード線ＷＬｉの電位がビット線ＢＬｊの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。【０１８７】
再生動作は、電流パルスを点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３に流し、そのメモリセル３３の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセル３３を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。
例えば、読み出し回路により発生した読み出し電流（電流パルス）をビット線ＢＬｊから点線Ａで囲まれたメモリセル３３に流し、読み出し回路によりそのメモリセル３３の抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すれば、セット／リセット状態の抵抗値の差は、１０３以上を確保できる。【０１８８】
リセット（消去）動作は、点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３に大電流パルスを流すことにより発生するジュール熱及びその残留熱を利用して、Ａイオン元素が第２化合物内の空隙サイトから第１化合物内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。【０１８９】
以上説明したように、本実施形態の半導体メモリによれば、現在のハードディスクやフラッシュメモリよりも高記録密度及び低消費電力を実現できる。  
なお、記録層２２に、具体例２または具体例４に関して前述した記録層を用いた場合には、前述した効果が発現される。すなわち、適切な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層を導入することにより、スイッチングが阻害されることなく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット動作時において記録層２２が効率的にジュール加熱されることが可能となり、もって消費電力の低減化が図られる。また、記録層２２のオン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する。これらにより、セル当たり極めて小さな消費電力で各種動作を行うことが可能となる。【０１９０】
（フラッシュメモリ）  
本実施形態は、フラッシュメモリに適用することも可能である。    
図２３は、フラッシュメモリのメモリセルを表す模式断面図である。  
フラッシュメモリのメモリセルは、ＭＩＳ（metal-insulator-semiconductor）トランジスタから構成される。【０１９１】
半導体基板４１の表面領域には、拡散層４２が形成される。拡散層４２の間のチャネル領域上には、ゲート絶縁層４３が形成される。ゲート絶縁層４３上には、本実施形態の記録層（ＲＲＡＭ：Resistive  ＲＡＭ）４４が形成される。記録部４４上には、コントロールゲート電極４５が形成される。  
半導体基板４１は、ウェル領域でもよく、また、半導体基板４１と拡散層４２とは、互いに逆の導電型を有する。コントロールゲート電極４５は、ワード線となり、例えば、導電性ポリシリコンから構成される。  
記録層４４は、具体例１〜具体例４に関して前述した記録層１２を構成する材料により形成される。【０１９２】
図２３を参照しつつ、その基本動作について説明する。  
セット（書き込み）動作は、コントロールゲート電極４５に電位Ｖ１を与え、半導体基板４１に電位Ｖ２を与えることにより実行する。  
電位Ｖ１，Ｖ２の差は、記録層４４が相変化又は抵抗変化するのに十分な大きさであることが必要であるが、その向きについては、特に、限定されない。  
すなわち、Ｖ１＞Ｖ２及びＶ１＜Ｖ２のいずれでもよい。  
例えば、初期状態（リセット状態）において、記録層４４が絶縁体（抵抗大）であると仮定すると、実質的にゲート絶縁層４３が厚くなったことになるため、メモリセル（ＭＩＳトランジスタ）の閾値は、高くなる。【０１９３】
この状態から電位Ｖ１，Ｖ２を与えて記録層４４を導電体（抵抗小）に変化させると、実質的にゲート絶縁層４３が薄くなったことになるため、メモリセル（ＭＩＳトランジスタ）の閾値は、低くなる。  
なお、電位Ｖ２は、半導体基板４１に与えたが、これに代えて、メモリセルのチャネル領域に拡散層４２から電位Ｖ２を転送するようにしてもよい。【０１９４】
リセット（消去）動作は、コントロールゲート電極４５に電位Ｖ１’を与え、拡散層４２の一方に電位Ｖ３を与え、拡散層４２の他方に電位Ｖ４（＜Ｖ３）を与えることにより実行する。  
電位Ｖ１’は、セット状態のメモリセルの閾値を越える値にする。  
この時、メモリセルは、オンになり、電子が拡散層４２の他方から一方に向かって流れると共に、ホットエレクトロンが発生する。このホットエレクトロンは、ゲート絶縁層４３を介して記録層４４に注入されるため、記録層４４の温度が上昇する。  
これにより、記録層４４は、導電体（抵抗小）から絶縁体（抵抗大）に変化するため、実質的にゲート絶縁層４３が厚くなったことになり、メモリセル（ＭＩＳトランジスタ）の閾値は、高くなる。  
このように、フラッシュメモリと類似した原理により、メモリセルの閾値を変えることができるため、フラッシュメモリの技術を利用して、本実施形態の例に係る情報記録再生装置を実用化できる。【０１９５】
（ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ）
図２４は、ＮＡＮＤセルユニットの回路図である。  
また、図２５は、本実施形態に係るＮＡＮＤセルユニットの構造を表す模式図である。【０１９６】
Ｐ型半導体基板４１ａ内には、Ｎ型ウェル領域４１ｂ及びＰ型ウェル領域４１ｃが形成される。Ｐ型ウェル領域４１ｃ内に、本実施形態の例に係るＮＡＮＤセルユニットが形成される。  
ＮＡＮＤセルユニットは、直列接続される複数のメモリセルＭＣからなるＮＡＮＤストリングと、その両端に１つずつ接続される合計２つのセレクトゲートトランジスタＳＴとから構成される。  
メモリセルＭＣ及びセレクトゲートトランジスタＳＴは、同じ構造を有する。具体的には、これらは、Ｎ型拡散層４２と、Ｎ型拡散層４２の間のチャネル領域上のゲート絶縁層４３と、ゲート絶縁層４３上の記録層（ＲＲＡＭ）４４と、記録層４４上のコントロールゲート電極４５と、から構成される。【０１９７】
メモリセルＭＣの記録層４４の状態（絶縁体／導電体）は、上述した基本動作により変化させることが可能である。これに対し、セレクトゲートトランジスタＳＴの記録層４４は、セット状態、すなわち、導電体（抵抗小）に固定される。  
セレクトゲートトランジスタＳＴの１つは、ソース線ＳＬに接続され、他の１つは、ビット線ＢＬに接続される。【０１９８】
セット（書き込み）動作前には、ＮＡＮＤセルユニット内の全てのメモリセルは、リセット状態（抵抗大）になっているものとする。  
セット（書き込み）動作は、ソース線ＳＬ側のメモリセルＭＣからビット線ＢＬ側のメモリセルに向かって１つずつ順番に行われる。  
選択されたワード線（コントロールゲート電極）ＷＬに書き込み電位としてＶ１（プラス電位）を与え、非選択のワード線ＷＬに転送電位（メモリセルＭＣがオンになる電位）としてＶpassを与える。【０１９９】
ソース線ＳＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオフ、ビット線ＢＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬから選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域にプログラムデータを転送する。  
例えば、プログラムデータが“１”のときは、選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域に書き込み禁止電位（例えば、Ｖ１と同じ程度の電位）を転送し、選択されたメモリセルＭＣの記録層４４の抵抗値が高い状態から低い状態に変化しないようにする。  
また、プログラムデータが“０”のときは、選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域にＶ２（＜Ｖ１）を転送し、選択されたメモリセルＭＣの記録層４４の抵抗値を高い状態から低い状態に変化させる。【０２００】
リセット（消去）動作では、例えば、全てのワード線（コントロールゲート電極）ＷＬにＶ１’を与え、ＮＡＮＤセルユニット内の全てのメモリセルＭＣをオンにする。また、２つのセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬにＶ３を与え、ソース線ＳＬにＶ４（＜Ｖ３）を与える。  
この時、ホットエレクトロンがＮＡＮＤセルユニット内の全てのメモリセルＭＣの記録層４４に注入されるため、ＮＡＮＤセルユニット内の全てのメモリセルＭＣに対して一括してリセット動作が実行される。【０２０１】
読み出し動作は、選択されたワード線（コントロールゲート電極）ＷＬに読み出し電位（プラス電位）を与え、非選択のワード線（コントロールゲート電極）ＷＬには、メモリセルＭＣがデータ“０”、“１”によらず必ずオンになる電位を与える。  
また、２つのセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ＮＡＮＤストリングに読み出し電流を供給する。  
選択されたメモリセルＭＣは、読み出し電位が印加されると、それに記憶されたデータの値に応じてオン又はオフになるため、例えば、読み出し電流の変化を検出することにより、データを読み出すことができる。【０２０２】
なお、図２５に表した構造では、セレクトゲートトランジスタＳＴは、メモリセルＭＣと同じ構造を有しているが、例えば、図２６に表したように、セレクトゲートトランジスタＳＴについては、記録層を形成せずに、通常のＭＩＳトランジスタとすることも可能である。【０２０３】
図２７は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。  
この変形例は、ＮＡＮＤストリングを構成する複数のメモリセルＭＣのゲート絶縁層がＰ型半導体層４７に置き換えられている構造を有する。  
高集積化が進み、メモリセルＭＣが微細化されると、電圧を与えていない状態で、Ｐ型半導体層４７は、空乏層で満たされることになる。【０２０４】
セット（書き込み）時には、選択されたメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５にプラスの書き込み電位（例えば、３．５Ｖ）を与え、かつ、非選択のメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５にプラスの転送電位（例えば、１Ｖ）を与える。  
この時、ＮＡＮＤストリング内の複数のメモリセルＭＣのＰ型ウェル領域４１ｃの表面がＰ型からＮ型に反転し、チャネルが形成される。【０２０５】
そこで、上述したように、ビット線ＢＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬから選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域にプログラムデータ“０”を転送すれば、セット動作を行うことができる。【０２０６】
リセット（消去）は、例えば、全てのコントロールゲート電極４５にマイナスの消去電位（例えば、−３．５Ｖ）を与え、Ｐ型ウェル領域４１ｃ及びＰ型半導体層４７に接地電位（０Ｖ）を与えれば、ＮＡＮＤストリングを構成する全てのメモリセルＭＣに対して一括して行うことができる。【０２０７】
読み出し時には、選択されたメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５にプラスの読み出し電位（例えば、０．５Ｖ）を与え、かつ、非選択のメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５に、メモリセルＭＣがデータ“０”、“１”によらず必ずオンになる転送電位（例えば、１Ｖ）を与える。【０２０８】
ただし、“１”状態のメモリセルＭＣの閾値電圧Ｖｔｈ”１”は、０Ｖ  ＜  Ｖｔｈ”１”  ＜  ０．５Ｖの範囲内にあるものとし、“０”状態のメモリセルＭＣの閾値電圧Ｖｔｈ”０”は、０．５Ｖ  ＜  Ｖｔｈ”０”  ＜  １Ｖの範囲内にあるものとする。  
また、２つのセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ＮＡＮＤストリングに読み出し電流を供給する。  
このような状態にすれば、選択されたメモリセルＭＣに記憶されたデータの値に応じてＮＡＮＤストリングに流れる電流量が変わるため、この変化を検出することにより、データを読み出すことができる。【０２０９】
なお、この変形例においては、Ｐ型半導体層４７のホールドープ量がＰ型ウェル領域４１ｃのそれよりも多く、かつ、Ｐ型半導体層４７のフェルミレベルがＰ型ウェル領域４１ｃのそれよりも０．５Ｖ程度深くなっていることが望ましい。  
これは、コントロールゲート電極４５にプラスの電位を与えたときに、Ｎ型拡散層４２間のＰ型ウェル領域４１ｃの表面部分からＰ型からＮ型への反転が開始し、チャネルが形成されるようにするためである。【０２１０】
このようにすることで、例えば、書き込み時には、非選択のメモリセルＭＣのチャネルは、Ｐ型ウェル領域４１ｃとＰ型半導体層４７の界面のみに形成され、読み出し時には、ＮＡＮＤストリング内の複数のメモリセルＭＣのチャネルは、Ｐ型ウェル領域４１ｃとＰ型半導体層４７の界面のみに形成される。  
つまり、メモリセルＭＣの記録層４４が導電体（セット状態）であっても、拡散層４２とコントロールゲート電極４５とが短絡することはない。【０２１１】
（ＮＯＲ型フラッシュメモリ）  
図２８は、ＮＯＲセルユニットの回路図である。  
また、図２９は、本実施形態の例に係るＮＯＲセルユニットの構造を表す模式図である。【０２１２】
Ｐ型半導体基板４１ａ内には、Ｎ型ウェル領域４１ｂ及びＰ型ウェル領域４１ｃが形成されている。Ｐ型ウェル領域４１ｃ内に、本実施形態の例に係るＮＯＲセルが形成されている。  
ＮＯＲセルは、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に接続される１つのメモリセル（ＭＩＳトランジスタ）ＭＣから構成される。  
メモリセルＭＣは、Ｎ型拡散層４２と、Ｎ型拡散層４２の間のチャネル領域上のゲート絶縁層４３と、ゲート絶縁層４３上の記録層（ＲＲＡＭ）４４と、記録層４４上のコントロールゲート電極４５と、から構成される。メモリセルＭＣの記録層４４の状態（絶縁体／導電体）は、上述の基本動作により変化させることが可能である。【０２１３】
（２トランジスタ型フラッシュメモリ）
図３０は、２トランジスタ型セルユニットの回路図である。  
また、図３１は、本実施形態に係る２トラセルユニットの構造を表す模式図である。【０２１４】
２トランジスタ型セルユニットは、ＮＡＮＤセルユニットの特徴とＮＯＲセルの特徴とを併せ持った新たなセル構造として最近開発されたものである。  
Ｐ型半導体基板４１ａ内には、Ｎ型ウェル領域４１ｂ及びＰ型ウェル領域４１ｃが形成される。Ｐ型ウェル領域４１ｃ内に、本実施形態の例に係る２トランジスタ型セルユニットが形成される。【０２１５】
２トランジスタ型セルユニットは、直列接続される１つのメモリセルＭＣと１つのセレクトゲートトランジスタＳＴとから構成される。  
メモリセルＭＣ及びセレクトゲートトランジスタＳＴは、同じ構造を有する。具体的には、これらは、Ｎ型拡散層４２と、Ｎ型拡散層４２の間のチャネル領域上のゲート絶縁層４３と、ゲート絶縁層４３上の記録層（ＲＲＡＭ）４４と、記録層４４上のコントロールゲート電極４５と、から構成される。  
メモリセルＭＣの記録層４４の状態（絶縁体／導電体）は、上述の基本動作により変化させることが可能である。これに対し、セレクトゲートトランジスタＳＴの記録層４４は、セット状態、すなわち、導電体（抵抗小）に固定される。【０２１６】
セレクトゲートトランジスタＳＴは、ソース線ＳＬに接続され、メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬに接続される。  
メモリセルＭＣの記録層４４の状態（絶縁体／導電体）は、上述の基本動作により変化させることが可能である。  
図３１に表した構造では、セレクトゲートトランジスタＳＴは、メモリセルＭＣと同じ構造を有しているが、例えば、図３２に表したように、セレクトゲートトランジスタＳＴについては、記録層を形成せずに、通常のＭＩＳトランジスタとすることも可能である。【０２１７】
上記以外にも、本実施形態で提案する材料及び原理を、現在のハードディスクやＤＶＤなどの記録媒体に適用することも可能である。  
なお、これらフラッシュメモリにおいて、記録層４４に具体例２または具体例４に関して前述した記録層を用いた場合には、前述した効果が発現される。すなわち、適切な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層を導入することにより、スイッチングが阻害されることなく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット動作時において記録層４４が効率的にジュール加熱されることが可能となり、もって消費電力の低減化が図られる。また、記録層４４のオン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する。これらにより、セル当たり極めて小さな消費電力で各種動作を行うことが可能となる。【０２１８】
次に、本発明の実施形態に係る記録媒体の製造方法について説明する。  
ここでは、図１３に表した記録媒体の構造を例に挙げて説明する。  
基板２０は、ガラスから構成される直径約６０ｍｍ、厚さ約１ｍｍのディスクとする。このような基板２０上に、Ｐｔ（プラチナ）を約５００ｎｍの厚さで蒸着して電極層２１を形成する。【０２１９】
電極層２１上においては、まず、ＴｉＮが堆積されるように組成が調整されたターゲットを用いて、（１１０）配向が得られるよう調整されたパワーのＲＦ電源を用いて成膜する。続いてＺｎＭｎ２Ｏ４が堆積されるように組成が調整されたターゲットを用いて、温度３００〜６００℃、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、記録層２２の一部を構成する厚さ約１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４を形成する。【０２２０】
続けて、ＲＦマグネトロンスパッタにより、ＺｎＭｎ２Ｏ４上に、厚さ約３ｎｍのＴｉＯ２を形成する。その結果、記録層２２は、ＺｎＭｎ２Ｏ４とＴｉＯ２との積層構造を有することになる。  
最後に、記録層２２上に、保護層１３Ｂを形成すれば、図１３に表すような記録媒体が完成する。【０２２１】
（実験例）
次に、いくつかのサンプルを作成し、リセット（消去）状態とセット（書き込み）状態との抵抗差について評価した実験例について説明する。【０２２２】
サンプルとしては、図１２に表した構造を有する記録媒体を使用する。評価は、先端の径が１０ｎｍ以下に先鋭化されたプローブ対を使用する。【０２２３】
プローブ対を保護層１３Ｂに接触させ、書き込み／消去は、そのうちの１つを用いて実行する。書き込みは、記録層２２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、１Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。消去は、記録層２２に、例えば、１００ｎｓｅｃ幅で、０．２Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。【０２２４】
また、書き込み／消去の合間に、プローブ対の他の１つを用いて読み出しを実行する。読み出しは、記録層２２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。【０２２５】
（第１実験例）  
第１実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎ１．１Ｍｎ１．９Ｏ４と、厚さ約１ｎｍのＺｎＡｌ２Ｏ４と、厚さ約５ｎｍのＴｉＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２２６】
（第２実験例）  
第２実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＣｏ２Ｏ４と、厚さ約１ｎｍのＺｎＡｌ２Ｏ４と、厚さ約５ｎｍのＴｉＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２２７】
（第３実験例）  
第３実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４と、厚さ約１ｎｍのＺｎ２ＴｉＯ４と、厚さ約５ｎｍのＴｉＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０５Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２２８】
（第４実験例）  
第４実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＣｏ２Ｏ４と、厚さ約１ｎｍのＺｎ２ＳｎＯ４と、厚さ約５ｎｍのＺｒＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２２９】
（第５実験例）  
第５実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＭｏＯ３と、厚さ約１ｎｍのＺｎＧｅＯ３と、厚さ約５ｎｍのＴｉＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３０】
（第６実験例）  
第６実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＷＯ３と、厚さ約１ｎｍのＺｎＳｎＯ３と、厚さ約５ｎｍのＮｂ３％入りＺｒＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３１】
（第７実験例）  
第７実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＮｂＮ２と、厚さ約１ｎｍのＺｎＧｅＮ２と、厚さ約５ｎｍのＮｂＯＮと、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３２】
（第８実験例）  
第８実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＴａＮ２と、厚さ約１ｎｍのＺｎＧｅＮ２と、厚さ約５ｎｍのＴａＯＮと、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３３】
（第９実験例）  
第９実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４と、厚さ約１ｎｍのＺｎＯと、厚さ約５ｎｍのＺｒＯ２と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３４】
（第１０実験例）  
第１０実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎＣｏ２Ｏ４と、厚さ約２ｎｍのＺｎＯと、厚さ約５ｎｍのＲｅＯ３と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３５】
（第１１実験例）  
第１１実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＮａＦｅＯ２と、厚さ約２ｎｍのＮａＡｌＯ２と、厚さ約５ｎｍのＷＯ３と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３６】
（第１２実験例）  
第１２実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＮａＦｅＯ２と、厚さ約２ｎｍのＮａＹＦ４と、厚さ約５ｎｍのＲｅＯ３と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３７】
（第１３実験例）  
第１３実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＭｇＭｎ２Ｏ４と、厚さ約２ｎｍのＭｇＡｌ２Ｏ４と、厚さ約５ｎｍのＲｅＯ３と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３８】
（第１４実験例）  
第１４実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＭｇＭｎ２Ｏ４と、厚さ約２ｎｍのＭｇＯと、厚さ約５ｎｍのＷＯ３と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２３９】
（第１５実験例）  
第１５実験例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＭｇＭｏＯ３と、厚さ約２ｎｍのＭｇＳｎＯ３と、厚さ約５ｎｍのＷＯ３と、からなる積層構造から構成する。  
この場合、リセット状態の抵抗値は、１０７Ω台、セット状態の抵抗値は、１０４Ω台という結果が期待される。また、サイクル寿命は、１０万サイクル以上を実現できることが期待される。【０２４０】
（比較例）  
比較例のサンプルの仕様は、以下の通りである。  
記録層２２は、厚さ約１０ｎｍのＺｎ１．１Ｍｎ１．９Ｏ４と、厚さ約５ｎｍのＴｉＯ２と、からなる積層構造のみから構成する。  
この場合、サイクル寿命は、第１実験例〜第１５実験例と同様に１０万サイクル以上を実現できることが予想される。また、リセット状態の抵抗値は、第１実験例〜第１５実験例と同様の１０７Ω台であることが予想されるが、セット状態の抵抗値は、１０２〜１０３Ωという低い結果が得られることが予想される。【０２４１】
以上説明したように、第１実験例〜第１５実験例のいずれのサンプルにおいても、書き込み、消去、及び読み出しの基本動作及び十分なサイクル寿命を満たしている。また、これら実験例では、セット時の抵抗値は比較例に比べ１〜２桁程度高い。すなわち、良好なオン抵抗値が得られている。これにより、記録層の効率的なジュール加熱が可能になるとともに、記録層のオン電流が低減し、もって消費電力の低減化が図られる。  
図３４は、第１実験例〜第１５実験例及び比較例の予想値を表す表である。【０２４２】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、情報記録（書き込み）は、電場が印加された部位（記録単位）のみで行われるため、極めて微細な領域に、極めて小さな消費電力で情報を記録できる。これにより、多数セルの同時並行処理が可能となり、チップ当たり極めて高速な動作を行うことが可能となる。  
また、消去は、熱を印加することにより行うが、本実施形態の例で提案する材料を用いれば酸化物の構造変化がほとんど生じないため、小さな消費電力で消去が可能となる。あるいは、消去は記録時と逆向きの電場を印加して行うこともできる。この場合には、熱の拡散というエネルギーロスが少ないため、より小さな消費電力で消去が可能となる。【０２４３】
さらに、本実施形態によれば、書き込み後においては、絶縁体内に導体部が形成された形となるため、読み出しの際においては、電流が導体部に集中して流れることになり、感知効率が極めて高い記録原理を実現できる。  
さらに、本実施形態によれば、移動しやすい陽イオンと、母体構造を安定に保つ遷移元素イオンと、を組みあわせることにより、繰り返し安定に記録消去することが可能となる。【０２４４】
さらに、記録層に具体例２または具体例４に関して前述した記録層を用いた場合には、次の効果が発現される。すなわち、適切な膜厚を有する高抵抗率の絶縁層を導入することにより、スイッチングが阻害されることなく、オン抵抗値を適切な値に設定し、リセット動作時において記録層が効率的にジュール加熱されることが可能となり、もって消費電力の低減化が図られる。また、記録層のオン状態の抵抗が増大し、オン電流が低減する。これらにより、セル当たり極めて小さな消費電力で各種動作を行うことが可能となる。【０２４５】
このように、本実施形態の例によれば、極めて単純な仕組みであるにもかかわらず、従来技術では到達することのできない記録密度による情報記録が可能になるとともに、高速動作が可能になる。したがって、本実施形態の例は、現在の不揮発性メモリの記録密度の壁を打ち破る次世代技術として産業上のメリットは多大である。【０２４６】
なお、本実施形態の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、本実施形態の例は、成膜された直後の状態を初期状態として、セット、リセットを定義したが、セット、リセットの定義は任意のものであり、本実施形態の例に限定されるものではない。さらに、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２４７】
本発明によれば、高記録密度かつ低消費電力で、熱安定性が高く、安定動作可能な不揮発性の情報記録再生装置が提供される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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