(57)【要約】【課題】磁気抵抗素子によって精度よく磁場を測定する。【解決手段】一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成（Ｒ：希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素、Ａ：アルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素ｘは０を越え１未満）のマンガン酸化物を有する磁気抵抗素子またその動作方法が提供される。マンガン酸化物は、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成か、抵抗率が減少する組成とし、バイアス電流またはバイアス電圧を用いる。【選択図】図５
2011086756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成を有し、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成のマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値であり、
前記マンガン酸化物にリセット電流を流してリセットされ、磁場がない場合にリセット後の状態を任意に維持することができる最小の電流である閾値電流より少ない値のバイアス電流を流しながら、電気抵抗の低下を検出し、直前のリセットからある時間の後に、前記リセット電流によって再度リセットされる
磁気抵抗素子。
【請求項２】
一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成を有し、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成のマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値であり、
前記マンガン酸化物にリセット電流を流してリセットされ、前記リセット電流より小さく、漸減する値のバイアス電流を流しながら電気抵抗の低下を検出することにより外部磁場の強さが検出される
磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記マンガン酸化物が、磁場測定動作において到達する温度域またはそれより高い温度域に強磁性転移温度ＴＣを有している、
請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成を有し、温度が上昇すると抵抗率が減少する組成のマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値であり、
前記マンガン酸化物にリセット電圧を印加してリセットされ、前記リセット電圧より高い値のバイアス電圧を印加しながら電気抵抗の低下が検出される
磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記バイアス電圧の値は、磁場がない場合にリセット後の状態を任意に維持することができる最大の電圧である閾値電圧より大きい値であり、
直前のリセットからある時間の後に、前記リセット電圧によって再度リセットされる
請求項４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記バイアス電圧は漸増するものであり、電気抵抗が低下する際の電流の値または当該低下のタイミングを検出することにより外部磁場の強さが検出される
請求項４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記マンガン酸化物が、磁場測定動作において到達する温度域またはそれより高い温度域に電荷整列状態への転移温度ＴＣＯを有している、
請求項４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記マンガン酸化物が、シリコン、ガラス、もしくは遷移金属酸化物の基板上に膜状に設けられている、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
マンガン酸化物の前記薄膜と基板の間の熱伝導度が０．８ｍＷ／Ｋより小さい、
請求項８に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
バイアス電流が流れる方向以外の２方向の長さが、両者とも２００μｍより小さい、
請求項８に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表され、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成を有するマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子を動作させる方法であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数であり、
前記マンガン酸化物にリセット電流を流して前記磁気抵抗素子をリセットするステップと、
磁場が無い場合にリセット後の状態を任意に維持できる最小の電流である閾値電流より少ない値のバイアス電流を流しながら、前記磁気抵抗素子の電気抵抗の低下を検出するステップと、
直前のリセットするステップからある時間の後に、前記リセット電流によって前記磁気抵抗素子を再度リセットするステップと
を含む磁気抵抗素子の動作方法。
【請求項１２】
一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表され、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成を有するマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子を動作させる方法であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数であり、
前記マンガン酸化物にリセット電流を流して前記磁気抵抗素子をリセットするステップと、
前記リセット電流より小さく、漸減する値のバイアス電流を流しながら、前記磁気抵抗素子の電気抵抗の低下を検出することにより、外部磁場の強さを検出するステップと
を含む
磁気抵抗素子の動作方法。
【請求項１３】
一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表され、温度が上昇すると抵抗率が減少する組成を有するマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子を動作させる方法であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数であり、
前記マンガン酸化物にリセット電圧を印加して前記磁気抵抗素子をリセットするステップと、
前記リセット電圧より高い値のバイアス電圧を印加しながら、前記磁気抵抗素子の電気抵抗の低下を検出するステップと
を含む磁気抵抗素子の動作方法。
【請求項１４】
前記バイアス電圧が、磁場がない場合にリセット後の状態を任意に維持できる最大の電圧である閾値電圧より高い値である、
請求項１３に記載の磁気抵抗素子の動作方法。
【請求項１５】
前記バイアス電圧が漸増するものであり、
前記検出するステップが、電気抵抗が低下する際のバイアス電圧の値または当該低下のタイミングを検出することにより外部磁場の強さを検出するステップである、
請求項１３に記載の磁気抵抗素子の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマンガン酸化物を用いた磁気抵抗素子およびその動作方法に関する。より詳細には、本発明は、バイアス電流を流すことにより磁気伝導特性を改善する高感度の磁気抵抗素子およびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、遷移金属酸化物において、スピンと電荷の自由度が強く結合した結果として現れる新規な物性が注目を集めている。とりわけ、ペロブスカイト型マンガン酸化物は、負の巨大磁気抵抗効果を示すため、磁気抵抗素子としての研究が行われている。
【０００３】
非特許文献１には、磁場が存在する場合のＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ｘは０．０以上０．６以下）という組成のマンガン酸化物の抵抗率が、磁場が無い場合に比べて顕著に低いことが開示されている。他方、特許文献１には、Ｒ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３（Ｒは希土類元素）という組成のマンガン酸化物の磁気抵抗効果を発現させるために必要な磁場が、希土類Ｒの一部にＮｄを用いることによって４ｋｏｅすなわち０．４Ｔ程度まで低下し得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２４９４９７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｕｒｕｓｈｉｂａｒａ，  Ａ  外５名，“Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３”，  アメリカ合衆国，  Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  １９９５年３月１５日，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，  Ｖｏｌ．５１，  Ｎｏ．２０，  ｐ．１４１０３−１４１０９
【非特許文献２】Ｉｍａｍｏｒｉ，  Ｓ  外３名，  “Ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｌｏｗ−ｆｉｅｌｄ  ｃｏｌｏｓｓａｌ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３”，  アメリカ合衆国，  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ２００６年１０月２５日オンライン発行，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．８９，  １７２５０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示される磁気抵抗素子では、磁気抵抗効果を引き出すために必要な磁場が非常に大きいという課題がある。それに比べて、特許文献１に開示される組成のマンガン酸化物においては、より弱い磁場に対して磁気抵抗効果が発現している。しかしながら、特許文献１においてそのような現象が観察されるのは低温下に限定されている。このため、マンガン酸化物を高感度の磁気抵抗素子、もしくは磁気センサーとして用いる際は、冷却装置の付加が必要である。
【０００７】
これらに対し、非特許文献２には、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３においてｘ＝０．３とした組成のマンガン酸化物の磁気抵抗素子に電流（以下「バイアス電流」という）を流すことによって、冷却を必要とせずに磁気抵抗特性が改善されることが開示される。しかしながら、そのような効果が得られるためには、少なくとも６８５ｍＡものバイアス電流が必要となる。このように、非特許文献２の開示する構成では、電流を流すことによって冷却せずに高感度化が可能となるものの、それに必要な電流量が非常に大きいという課題がある。非特許文献２において得られる磁気抵抗素子を例えば磁気センサーとして現実的に利用するためには、バイアス電流の低下を実現することが望ましい。
【０００８】
また、上記の非特許文献２に記載の磁気抵抗素子を例えば磁気センサーとして利用したとしても、検出されるのは、ある大きさの磁場が測定動作中に作用したかどうかのみである。このため、非特許文献２に記載された磁気抵抗素子を採用しても、具体的な磁場の値を検知することはできないという課題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題の少なくともいくつかを解決することにより、マンガン酸化物を用いる磁気抵抗素子において、実用性を高めることに大きく貢献するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の非特許文献２の磁気抵抗素子は、抵抗率が温度に対して大きく変化するマンガン酸化物を用いることによって、バイアス電流が流れると電気抵抗値のスイッチングが起こるという現象を利用している。本発明においてもこの現象を利用するため、以下、非特許文献２の開示についてさらに図面を用いて説明する。
【００１１】
図１に、非特許文献２に開示されるマンガン酸化物の示す抵抗率の温度変化を示す。Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３として表現される組成のマンガン酸化物は、図１の曲線１２に示すように、温度Ｔが上昇すると体積抵抗率ρ（本出願において、「抵抗率」という）が増加する。このマンガン酸化物には、強磁性転移が起こる転移温度（強磁性温度ＴＣ）が存在する。この強磁性転移温度ＴＣの付近において、抵抗率ρが温度に対して著しく増加する。ここで、非特許文献２に開示されるＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３の強磁性転移温度ＴＣは、室温（例えば２０℃）またはそれより高い温度域に存在する。
【００１２】
上述の非特許文献２には、図１のような抵抗率の温度依存性を示すマンガン酸化物の周囲を一定の温度に保ち、そのマンガン酸化物の領域に流す電流の値を一定の速度を保って上昇させてその後に下降させる動作が開示される。このとき、マンガン酸化物領域に流す電流Ｉとその領域の両端に現れる電圧Ｖとの関係は、図２の曲線２２に示すようなヒステリシス性を示す。ここで、図２は、図１のような抵抗率の温度依存性を持つマンガン酸化物領域にバイアス電流を流した際に安定に存在できる条件を曲線によって示した図である。すなわち、曲線２２の点Ａから分岐２２１上を通過して電流Ｉを増加させて点Ｂに達すると、分岐２２２上の点Ｃに遷移して点Ｄに達する。その逆に、電流Ｉを減少させて行って点Ｄから分岐２２２上を通過して点Ｅに到達すると、分岐２２１上の点Ｆに遷移して点Ａに達する。ここで、点Ｃの電流値と点Ｂの電流値はほとんど変わらないが、点Ｃの電圧は点Ｂの電圧と比べて高くなっている。したがって、点Ｃは点Ｂに比べて抵抗が高い状態になる。すなわち、曲線２２の分岐２２１と分岐２２２は、それぞれ、低抵抗状態と高抵抗状態を表している。図２は、これらの分岐の間の遷移によって電気抵抗値のスイッチングが可能であることを示している。このように、バイアス電流を増加させて減少させる動作を行うと、マンガン酸化物は電流Ｉ−電圧Ｖ平面においてヒステリシスを示す。なお、点Ｂと点Ｅを結ぶ曲線は、理論解析によって求まる解を示している。また、これまでの説明は、上述の電流値の上昇および下降の速度は、過渡現象が無視しうる程度に十分遅いものであることを前提としている。このため、電流値Ｉ２は、電流値を上昇させる際に点Ｂにおける直前の状態、すなわち低抵抗状態を維持することができる電流の最大値を示している。同様に、電流値Ｉ１は、電流値を下降させる際に点Ｅにおける直前の状態、すなわち高抵抗状態を維持することができる電流の最小値を示している。
【００１３】
非特許文献２の開示によると、マンガン酸化物の抵抗率がヒステリシスを示さず、マンガン酸化物の領域の周囲の温度を一定に保った場合であっても、電気抵抗値にはヒステリシスが発現する。すなわち、マンガン酸化物の領域の発熱を考慮した解析によれば、たとえその領域の周囲の温度を一定に保っていても、電流が生じさせるジュール熱Ｉ２Ｒによって実際のマンガン酸化物の領域の温度はその周囲に比べて上昇する。そうすると、この温度上昇によって、マンガン酸化物の領域の抵抗率がますます上昇することになる（図１参照）。このような正帰還の動作による発熱を、以下「自己発熱」という。上記の点Ｂから点Ｃへ遷移すると、この自己発熱により一旦温度が高くなり、再び点Ｃを通り過ぎるように電流を減少させても、依然高い温度が維持されている。そして、点Ｃより小さい電流値である点Ｅになってはじめて温度が急激に低下する。この温度の低下が、電流Ｉ−電圧Ｖの平面における上記の点Ｅから点Ｆへの遷移において生じている。すなわち、マンガン酸化物の領域の温度は、図２の曲線２２の分岐２２２の高抵抗状態において高くなっており、曲線２２の分岐２２１の低抵抗状態にあるときには低くなっている。
【００１４】
非特許文献２には、このような自己発熱による効果とマンガン酸化物のもつ負の磁気抵抗効果による抵抗の変化とが組み合わさって生じる現象が開示されている。すなわち、まず、十分な電流によってマンガン酸化物領域を高抵抗状態の分岐２２２に遷移させた後、一定の速度を保って電流Ｉを低下させると、磁場が無いときには、点Ｅから点Ｆに遷移し、磁場があるときには、点Ｅよりも大きい電流値から分岐２２１に遷移する。一例として、この遷移のときの分岐２２２上の点を点Ｅ´とし、分岐２２１上の点を点Ｆ´とすると、磁場の存在によって、低抵抗状態に遷移するための電流値が点Ｅ（点Ｆ）から点Ｅ´（点Ｆ´）に変化することとなる。これは、以下の理由による。まず、マンガン酸化物領域に外部磁場が存在すると、マンガン酸化物が持つ本来の磁気抵抗特性すなわち負の磁気抵抗効果によってその領域の電気抵抗値が減少する。そうすると、外部から流されている電流によるジュール熱Ｉ２Ｒを減少させ、電気抵抗値が雪崩式に低下してその領域の温度の低下が引き起こされる。この変化を検出することができれば、磁場の有無を検出することが可能となるため、マンガン酸化物によって磁気センサーが形成され得る。このような動作を示唆する曲線が非特許文献２のＦＩＧ．２に開示されている。
【００１５】
以上のように、非特許文献２の手法によれば、マンガン酸化物の試料としての電気抵抗値の変化が、マンガン酸化物の温度による抵抗率の変化と、マンガン酸化物が従来持つ磁気抵抗特性による抵抗率の変化との両者を反映することとなる。このため、マンガン酸化物の試料としての電気抵抗値の変化が磁場をきっかけとして発生する。つまり、非特許文献２の磁気抵抗素子は、バイアス電流を流さない場合に比べて磁場による抵抗変化率を大きくすることにより、動作に必要な磁場の強さを低下させている。
【００１６】
しかし、非特許文献２の開示によると、以上のような動作を行うために用いる電流は最小値であっても６８５ｍＡである。この電流は、非特許文献２のＦＩＧ．３の開示によれば、それを流し続けていれば低抵抗状態に遷移しないような電流、すなわち、高抵抗状態を任意に維持することができるような値の電流である。
【００１７】
本願発明者は、このような動作をより少ない電流によって達成することが磁気抵抗素子の更なる高性能化に寄与すると考え、その実現に向けて鋭意研究を重ねた。その結果、本願発明者は、高抵抗状態にする電流（以下、「リセット電流」という）を一旦流し、その後に、上記のようなマンガン酸化物を高抵抗状態に任意に維持することができるような電流の最小値（以下、「閾値電流」という）よりも小さな値の電流をバイアス電流として用いても、磁場の測定を行うことが可能であることを見出した。なお、この測定においては、磁場がなくてもいずれ低抵抗状態になってしまう。この場合にも磁場の測定を継続できるよう、マンガン酸化物には再度リセット電流を流す。
【００１８】
すなわち、本発明の第１の態様のうちの１つとして、一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成を有し、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成のマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値であり、前記マンガン酸化物にリセット電流を流してリセットされ、磁場がない場合にリセット後の状態を任意に維持することができる最小の電流である閾値電流より少ない値のバイアス電流を流しながら、電気抵抗の低下を検出し、直前のリセットからある時間の後に、前記リセット電流によって再度リセットされる磁気抵抗素子が提供される。ここで、上記の一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３によって記載した組成のマンガン酸化物の結晶構造はペロブスカイト構造をとることができる。また、一般式Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７の組成のマンガン酸化物の結晶構造は層状ペロブスカイト構造をとることができる。そして、一般式のＲ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４組成のマンガン酸化物の結晶構造は、上記の層状ペロブスカイト構造とは異なる他の態様の層状ペロブスカイト構造をとることができる。
【００１９】
上述のように、本態様のマンガン酸化物は温度が上昇すると抵抗率が増加する。このようなマンガン酸化物の一例としては、非特許文献２に記載されるＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３においてｘ＝０．３とする組成が挙げられる。なお、マンガン酸化物の具体的な組成によって温度が上昇すると抵抗率が増加するかどうかが決まるため、そのような性質が発現するマンガン酸化物の任意の組成のものが第１の態様に含まれる。
【００２０】
本発明一般に、磁気抵抗素子は、少なくとも特定の動作条件において、電気抵抗値を２つとることができる。その電気抵抗値は、その時点までの履歴によってどちらをとるかが決まる。ここでの動作条件には、バイアス電流や、後述するバイアス電圧が含まれる。磁気抵抗素子をリセットする、というのは、電気抵抗をいずれかの値になるようにすることをいう。これは、上記の二つの値を高抵抗と低抵抗として区別して状態を区別する典型的な表現では、高抵抗状態にする動作に相当する。なお、一定の範囲の動作条件において電気抵抗値を２つとりうるような場合には、その動作条件の範囲において、高抵抗状態および低抵抗状態のそれぞれの電気抵抗値は必ずしも一定ではない。また、本出願の記載においては、全般に、高抵抗状態および低抵抗状態という用語によって磁気抵抗素子の状態が説明される。これらの状態は、互いに明確に区別することができ、遷移することが可能なものである。これらの状態は、電流を流して磁気抵抗素子を動作させたときに、互いに区別しうる２つの電圧の値に対応することがある。また、これらの状態は、電圧を印加して磁気抵抗素子を動作させたときに、互いに区別しうる２つの電流の値に対応することがある。
【００２１】
閾値電流は、例えば、マンガン酸化物に流すリセット電流によって磁気抵抗素子が高抵抗状態にリセットされた後に、磁場がないときにその高抵抗状態を任意に維持することができるような電流の範囲の最小値である。ここで「任意に維持することができる」というのは、動作条件が変わらない限りその状態を任意の時間とり続けることができることを意味する。
【００２２】
第１の態様において、上述のバイアス電流を流しながら検出されるのは、磁気抵抗素子の電気抵抗の低下ないし減少である。その検出方法は特に限定されない。例えば、磁気抵抗素子に発現する電圧の低下によって、電気抵抗の低下を検出することができる。なお、ここでの「検出する」には、実際に検出する動作のみならず、検出することを目的として行われる動作も含まれる。
【００２３】
そして、直前のリセットからある時間の後に、リセット電流が再度流されて、磁気抵抗素子がリセットされる。このリセットは、直前のリセットのときに高抵抗状態になるようにした場合には、同様に高抵抗状態にする動作となる。また、ここでの「ある時間」には、特段の制限が無く、例えば、予め動作テストを行って定めた時間とすることができる。
【００２４】
以上のとおり、第１の態様の磁気抵抗素子は、例えば高抵抗状態を任意に維持することができるような電流の最小値である閾値電流よりも小さい値のバイアス電流を流す。そして、直前のリセットの後に一定時間が経つと、磁気抵抗素子は再びリセットされる。この際、いずれかの組成のマンガン酸化物の持つ負の磁気抵抗効果に加えて、温度の上昇に対して急峻に増加する抵抗率が利用される。このため、バイアス電流を上記の閾値電流より低下させても外部磁場を測定することが可能になる。
【００２５】
本発明は他の態様によって実施することもできる。上述したように、非特許文献２に開示された磁気抵抗素子は、閾値より多いバイアス電流を維持していて、外部磁場がマンガン酸化物の領域に作用した場合に低抵抗状態に遷移するが、外部磁場の大きさがそのような遷移に十分なものでない限り高抵抗状態が維持される。このため、非特許文献２の開示に従えば、検知することができるのは、ある値以上の外部磁場がバイアス電流を流している間に作用したかどうかのみである。すなわち、非特許文献２の開示によれば、外部磁場の強さの値自体は測定されない。
【００２６】
本発明の第２の態様においては、かかる課題に対応して、外部磁場の値を測定することができる磁気抵抗素子が提供される。すなわち、本発明の第２の態様においては、一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成を有し、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成のマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値であり、前記マンガン酸化物にリセット電流を流してリセットされ、前記リセット電流より小さく、漸減する値のバイアス電流を流しながら電気抵抗の低下を検出することにより外部磁場の強さが検出される磁気抵抗素子が提供される。ここで、本発明の第２の態様においても、マンガン酸化物は、第１の態様と同様の組成とすることができる。また、各組成は上述の結晶構造をとることができる。
【００２７】
本態様の磁気抵抗素子においては、一例として、まず、マンガン酸化物に流すリセット電流によって高抵抗状態にリセットされ、リセット電流より小さく、漸減する値のバイアス電流を流す。そして、そのバイアス電流を流しながら、マンガン酸化物が低抵抗状態に遷移する際のバイアス電流の値または遷移のタイミングを検出するようにして、外部磁場の強さを検出するように構成することもできる。
【００２８】
ここでの漸減するバイアス電流には、例えば、時間とともに滑らかに低下してゆくバイアス電流のほか、時間とともに階段状に低下してゆくバイアス電流が含まれる。このようなバイアス電流を用いることによって、そのバイアス電流の値が変化する範囲に応じて、外部磁場の強さの値をある範囲において測定することができる。このようにして、本発明の第２の態様の磁気抵抗素子によれば、ある値以上の外部磁場が作用したことを検出するのに比べて大きく実用性が高められた磁場センサーを実現することができる。
【００２９】
なお、上述したいずれの態様の磁気抵抗素子にも、リセット電流を流すための手段およびバイアス電流を流すための手段を接続することができる。これらの手段は同一の手段とすることができる。例えば、磁気抵抗素子が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移するかどうかを、バイアス電流を流す手段の端子電圧を測定することによって検出することができる。また、この検出の際に低抵抗状態への遷移が観察されたときには、その時点におけるバイアス電流によって外部磁場の強さの値を測定することができる。このために、好ましくは、外部磁場と低抵抗状態に遷移するバイアス電流との関係とを予め調べておいてバイアス電流と磁場とを対応付けしておく。
【００３０】
本発明は、さらに他の態様によって実施することもできる。本願発明者は、上に説明した磁気抵抗素子の各態様が、いずれも、マンガン酸化物の温度に対する急峻な抵抗率の変化を利用していることに注目した。すなわち、上述の態様は、典型的には、低温の強磁性相から高温の常磁性相に相転移することに伴う抵抗率の上昇を利用している。この際、本願発明者は、上述の動作には強磁性転移を必ずしも利用する必要がないことに着目するとともに、上述の態様とは異なる態様によっても、マンガン酸化物を用いて外部磁場を測定できることを見出した。
【００３１】
すなわち、本発明の第３の態様として、一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４のいずれかによって表される組成を有し、温度が上昇すると抵抗率が減少する組成のマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値であり、前記マンガン酸化物にリセット電圧を印加してリセットされ、前記リセット電圧より高い値のバイアス電圧を印加しながら電気抵抗の低下が検出される磁気抵抗素子が提供される。本発明の第３の態様においても、上記の一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３によって記載した組成のマンガン酸化物の結晶構造はペロブスカイト構造をとることができる。また、一般式Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７の組成のマンガン酸化物の結晶構造は層状ペロブスカイト構造をとることができる。そして、一般式のＲ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４組成のマンガン酸化物の結晶構造は、上記の層状ペロブスカイト構造とは異なる他の態様の層状ペロブスカイト構造をとることができる。
【００３２】
本発明の第３の態様の磁気抵抗素子のマンガン酸化物も、上述の第１の態様および第２の態様のマンガン酸化物と同様に、抵抗率が温度に対して急峻に変化するとともに、負の磁気抵抗効果を示す。しかし、本発明の第３の態様においては、第１および第２の態様とは逆に、マンガン酸化物の温度が上昇すると抵抗率は低下する。このようなマンガン酸化物の一例としては、Ｐｒ０．５Ｃａ０．５ＭｎＯ３がある。なお、マンガン酸化物の具体的な組成に依存して温度が上昇すると抵抗率が低下するかどうかが決まり、そのような性質が発現するマンガン酸化物の任意の組成のものが第３の態様に含まれる。このように、抵抗率の温度への依存性が上述の第１および第２の態様の場合とは全く逆となっており、それに伴って、磁気センサーとして用いるための電気的な動作が相違する。
【００３３】
図３に、本発明の第３の態様において用いられるマンガン酸化物の抵抗率の温度依存性を示し、図４に、本発明の第３の態様における磁気抵抗素子の電圧Ｖ−電流Ｉ平面における動作を示す。
【００３４】
本発明の第３の態様においては、電流を変化させるのではなく電圧を変化させる。本発明の第３の態様の動作を行うマンガン酸化物、例えばＰｒ０．５Ｃａ０．５ＭｎＯ３を用いる場合には、図３の曲線３２に示すように、温度の低下とともに抵抗率が上昇し、転移温度ＴＣＯが存在する。特に、Ｐｒ０．５Ｃａ０．５ＭｎＯ３を用いると、温度の低下とともに電荷整列相への転移が見られ、その転移が起こる温度である転移温度ＴＣＯを境にして抵抗率の変化は急峻なものとなる。なお、「ＣＯ」は「Ｃｈａｒｇｅ  Ｏｒｄｅｒｅｄ」の略である。
【００３５】
上述のマンガン酸化物の領域に印加する電圧の値を一定の速度を保って上昇させてさらに下降させる場合には、図４の曲線４２に示すようなヒステリシス性を示す。ここで、図４は、図３のような抵抗率の温度依存性を持つマンガン酸化物領域にバイアス電圧を加えた際に安定に存在することができる条件を示した図である。すなわち、まず、マンガン酸化物の領域に印加される電圧を点Ｊから徐々に上昇させてゆくと、その領域の電圧と電流との関係は、曲線４２の分岐４２１を通過して点Ｋに到達する。そこから、分岐４２２上の点Ｌに遷移し、その後に点Ｍに達する。その逆に、点Ｍから分岐４２２上を通過するように電圧Ｖを下降させて行き点Ｎに到達すると、分岐４２１上の点Ｐに遷移して、その後に点Ｊに達する。ここで、点Ｋの電圧値と点Ｌの電圧値はほとんど変わらないが、点Ｋの電流値は点Ｌの電流値と比べて大きくなっている。したがって、点Ｌは点Ｋに比べて電気抵抗が低い状態になる。すなわち、曲線４２の分岐４２１と分岐４２２は、それぞれ、高抵抗状態と低抵抗状態を表している。つまり、図４に示した曲線４２は、これらの分岐の間の遷移によって電気抵抗値のスイッチングが可能であることを示している。このように、電圧を上昇させ又は下降させる動作を行うと、本態様におけるマンガン酸化物領域も電圧Ｖ−電流Ｉ平面においてヒステリシスを示す。なお、点Ｋと点Ｎを結ぶ曲線は、図２と同様に、理論解析によって求まる解を示している。また、これまでの説明は、上述の電圧の上昇および下降の速度は、過渡現象が無視しうる程度に十分遅いものであることを前提としている。このため、電圧値Ｖ２は、電圧を上昇させる際に点Ｋにおいて直前の状態すなわち低抵抗状態を維持することができる電圧の最大値を示している。同様に、電圧値Ｖ１は、電圧を下降させる際に点Ｅにおいて直前の状態すなわち高抵抗状態を維持することができる電圧の最小値を示す。
【００３６】
本発明の第３の態様の磁気抵抗素子においては、マンガン酸化物の抵抗率が温度に対してヒステリシスを示さず、マンガン酸化物領域の周囲の温度を一定に保ったような場合であっても、電圧を変化させて駆動すれば図４のようなヒステリシスが発現する。すなわち、まず、電圧を印加してジュール熱Ｖ２／Ｒが発生すると、マンガン酸化物領域の温度は上昇し、図３にしたがって抵抗率が減少する。そうすると、磁気抵抗素子の電気抵抗がさらに小さくなるため発熱量が増加する。つまり、上述の第１および第２の態様において説明したのと同様の正帰還が生じて自己発熱が起きる。このため、点Ｋから点Ｌへ遷移してそれ以上の電圧が一旦印加されると自己発熱により温度が高くなり、電圧を再び低下させて点Ｌを通り過ぎるようにしても、依然高い温度が維持されて低抵抗状態が維持されている。そして、点Ｎに到達してはじめて温度が急激に低下して点Ｐへ遷移する。すなわち、マンガン酸化物領域の温度は、図４の曲線４２の分岐４２１の高抵抗状態において低くなっており、曲線４２の分岐４２２の低抵抗状態において高くなっている。
【００３７】
以上のような動作において磁場が存在すると、点Ｋより低い電圧の点Ｋ´において、分岐４２１から分岐４２２の点Ｌ´への遷移が生じる。磁場によって遷移する電圧が低下するのは、磁場が存在するとマンガン酸化物が本来持つ磁気抵抗効果によって抵抗率が減少し、磁場が無いときよりも発生するジュール熱Ｖ２／Ｒの増加によってマンガン酸化物領域の温度を上昇させる効果が大きくなるためである。本態様においては、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するときの電圧を、例えば、電気抵抗値の変化として検出すれば、磁場が存在するかどうかを検出することができる。なお、本発明の第３の態様において、リセット電圧は、０ボルトを含む任意の有限の値の電圧である。本態様は、抵抗率の温度依存性のマンガン酸化物を用いており、また、電圧を指定した動作を行うため、上記のいずれの文献にも本態様は開示されていない。
【００３８】
上述のように、本態様は強磁性相への転移を利用せず、電荷整列状態への転移を利用する。典型的には、本態様において用いるマンガン酸化物を、磁場測定動作において到達する温度域またはそれより高い温度域に電荷整列状態への転移温度ＴＣＯを有しているような組成のマンガン酸化物に選んで、転移温度ＴＣＯにおける抵抗率の急激な変化を利用することも本態様に含まれる。
【００３９】
上述のいずれの態様も、抵抗率が温度に対して急峻に変化する温度域において負の磁気抵抗効果を示すマンガン酸化物を動作させるという共通点があり、そのような場合にバイアス電流またはバイアス電圧を用いることによって磁気抵抗特性の高感度化を可能としている。この高感度化を達成するために必要なマンガン酸化物は、抵抗率が温度に対して急峻に変化していればよく、その温度変化ｄρ／ｄＴの符号は正負いずれであってもかまわない。本願発明者は、上記のようにバイアス電流またはバイアス電圧を用いて動作させることによって、従来よりも広範囲の組成のマンガン酸化物において、高感度な磁気センサーを構成しうることを見出した。このために用いるマンガン酸化物の組成は、例えば非特許文献２に開示されるようなものには限定されない。したがって、より磁場応答性のよい組成のマンガン酸化物を用いて、高感度の磁気センサーを作製することが可能となる。
【００４０】
したがって、本発明の技術思想は、負の磁気抵抗効果と温度に対して大きく変化する抵抗率とを実現するような任意の材料を用いる磁気抵抗素子よって実施することができる。この実施の際には、その材料自体に自己発熱を起こさせるために、バイアス電流をその材料に流すか又はバイアス電圧をその材料に印加する。そして、その自己発熱によって、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移させる際に、負の磁気抵抗効果と温度依存性の強い抵抗率の変化とを利用する。
【００４１】
ここで、高抵抗状態と低抵抗状態が存在する条件は、ヒステリシスが生じる条件と同値である。磁気抵抗素子をこのように動作させるための動作条件を求める手順を説明する。まず、抵抗率の温度依存性ｄρ／ｄＴが正の場合を説明する。磁気抵抗素子においては、マンガン酸化物領域の熱方程式をＶ２／Ｒ＝Ｋ（Ｔ−Ｔｂ）と表現することができる。この熱方程式の左辺には、マンガン酸化物領域の電圧Ｖ及びマンガン酸化物領域の抵抗Ｒが含まれている。また、右辺には、マンガン酸化物領域の温度Ｔと、熱浴または熱溜めとして作用するような物体の温度Ｔｂとの差が現われている。上述の熱方程式は、マンガン酸化物領域とその熱浴の間の温度差（Ｔ−Ｔｂ）に熱伝導係数Ｋを比例係数として比例するように表された放熱量がジュール熱とつりあう状況を記述している。なお、熱浴として作用する物体は、マンガン酸化物領域の周囲にあり、磁気抵抗素子を動作させてもジュール熱を発生させず、温度が一定とみなせるような任意の物体とすることができる。
【００４２】
上述の高抵抗状態と低抵抗状態が存在する条件を求める手順は、まず、各温度におけるマンガン酸化物の抵抗率の値に基づいて、マンガン酸化物領域の抵抗値Ｒを各温度で求める。次に、この抵抗値Ｒ、熱伝導係数Ｋ、及び熱浴の温度Ｔｂを用いることによって、熱方程式を電圧Ｖに関して解いた式Ｖ＝（ＲＫ（Ｔ−Ｔｂ））１／２から、各温度Ｔを実現するために必要な電圧Ｖを算出する。次いで、その電圧ＶをＩ＝Ｖ／Ｒの関係式に代入して電流Ｉを求める。表１には、及び表２には、この動作条件を求める処理の過程を例示するために、抵抗値の数値（表１）と、上述のようにして算出される電圧及び電流の数値（表２）を記載している。これらの表に即して説明すれば、上述の手順においては、まず、マンガン酸化物の抵抗率の温度特性とマンガン酸化物領域のデータから各温度での抵抗値Ｒを決定して表１の数値が算出される。そして、その抵抗値Ｒから、マンガン酸化物領域の各温度Ｔにおける電圧Ｖ及び電流Ｉを求めて表２のような数値が算出される。最後に、各温度に対応する電流Ｉと電圧Ｖをプロットすると、図２のような曲線を求めることができる。なお、表１及び表２に記載した数値は、処理の手順を例示するためのものであり、これらによって本発明が限定されるものではない。
【表１】
2011086756.tif 000003
【表２】
2011086756.tif 000004
【００４３】
このような曲線は、マンガン酸化物の抵抗率及びマンガン酸化物領域の形状から決まる抵抗値Ｒ、熱浴に相当する物体の温度Ｔｂ、そして、その物体とマンガン酸化物領域との間の熱伝導係数Ｋの組み合わせに対して一つ定まる。求めた曲線において一つの電流値に対して電圧の値が二つ対応すれば、その動作条件は、高抵抗状態と低抵抗状態存在するような動作条件として選ぶことができる。
【００４４】
抵抗率の温度依存性ｄρ／ｄＴが負の場合は、熱方程式をＩ２Ｒ＝Ｋ（Ｔ−Ｔｂ）とし、これをＩに関して解いたＩ＝（Ｋ（Ｔ−Ｔｂ）／Ｒ）１／２とＶ＝ＲＩとを用いて、同様に計算することができる。この場合には、先に電流Ｉを算出して電圧Ｖを計算する。求まる曲線は、図４と同様の曲線となる。このため、一つの電圧値に対して電流の値が二つ対応するような条件を求めることによって、高抵抗状態と低抵抗状態が存在するような動作条件を決定することができる。
【００４５】
以上のような条件を満たす任意の磁気抵抗素子によって、上記の各態様と同様の磁気抵抗素子およびその動作方法を実現することは、本発明の思想の一部をなすものである。
【００４６】
なお、上述の第１および第２の態様については電流が一定の速度を保って上昇および下降させる動作によって説明し、第３の態様については電圧が一定の速度を保って上昇および下降させる動作によって説明した。しかし、本発明の各態様は、このような電流又は電圧の値の変化が一定の速度によって上昇および下降させるものには限定されない。
【００４７】
本発明は、上述のような磁気抵抗素子として実施しうることに加え、マンガン酸化物を用いた磁気抵抗素子の動作方法としても実施することができる。すなわち、一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表され、温度が上昇すると抵抗率が増加する組成を有するマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子を動作させる方法であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数であり、前記マンガン酸化物にリセット電流を流して前記磁気抵抗素子をリセットするステップと、磁場が無い場合にリセット後の状態を任意に維持できる最小の電流である閾値電流より少ない値のバイアス電流を流しながら、前記磁気抵抗素子の電気抵抗の低下を検出するステップと、直前のリセットするステップからある時間の後に、前記リセット電流によって前記磁気抵抗素子を再度リセットするステップとを含む磁気抵抗素子の動作方法が提供される。
【００４８】
また、上述のような構成の磁気抵抗素子を動作させる方法であって、前記マンガン酸化物にリセット電流を流して前記磁気抵抗素子をリセットするステップと、前記リセット電流より小さく、漸減する値のバイアス電流を流しながら、前記磁気抵抗素子の電気抵抗の低下を検出することにより、外部磁場の強さを検出するステップとを含む磁気抵抗素子の動作方法が提供される。
【００４９】
本発明を方法の発明として実施する場合には、さらに、他の態様によって実施することができる。すなわち、一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、または、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表され、温度が上昇すると抵抗率が減少する組成を有するマンガン酸化物を含んでなる磁気抵抗素子を動作させる方法であって、ここで、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数であり、前記マンガン酸化物にリセット電圧を印加して前記磁気抵抗素子をリセットするステップと、前記リセット電圧より高い値のバイアス電圧を印加しながら、前記磁気抵抗素子の電気抵抗の低下を検出するステップとを含む磁気抵抗素子の動作方法が提供される。
【００５０】
また、上述のような磁気抵抗素子の動作方法においては、一例として、前記バイアス電圧が、磁場がない場合にリセット後の状態を任意に維持することができる最大の電圧である閾値電圧より高い値とすることができる。また、別例として、前記バイアス電圧が漸増するものであり、前記検出するステップを、電気抵抗が低下する際のバイアス電圧の値または当該低下のタイミングを検出することにより外部磁場の強さを検出するステップとすることができる。
【発明の効果】
【００５１】
本発明のいずれかの態様によれば、冷却装置を用いずに、磁場に対して高い感度を持つ磁気抵抗素子を構成することができる。また、本発明のいずれかの態様によれば、低いバイアス電流によって動作する磁気抵抗素子を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明のある実施形態におけるマンガン酸化物の抵抗率（ρ）の温度（Ｔ）依存性の一例を示す特性図である。
【図２】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作時の電流と電圧の関係を示す特性図である。
【図３】本発明のある実施形態におけるマンガン酸化物の抵抗率（ρ）の温度（Ｔ）依存性の一例を示す特性図である。
【図４】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作時の電圧と電流の関係を示す特性図である。
【図５】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の基本構成を示す模式図である。
【図６】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明のある実施形態における磁気抵抗素子の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の実施形態を添付する図面に基づいて詳細に説明する。なお、この説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分または要素には、共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれ、グラフの軸のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されていない。
【００５４】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態において使用するマンガン酸化物としては、一例として、一般式Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３（Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの）において、Ｒ＝Ｌａ、Ａ＝Ｓｒとし、ｘを０．３以上０．５以下とすることによって特定される組成のマンガン酸化物が挙げられる。このような組成のマンガン酸化物の強磁性転移温度ＴＣは３７０Ｋ付近となり、磁気抵抗素子を動作させる一般的な環境の温度を超える。そのため、本実施形態においては、磁気抵抗素子の動作において、バイアス電流を流す時間のうちの少なくともある時間高抵抗状態を維持することが可能となり、さらに、その高抵抗状態から低抵抗状態への遷移が磁場の存在に依存するような動作を実現することができる。
【００５５】
さらに、本実施形態のマンガン酸化物の形状としては、好ましくは、磁気抵抗素子の微細化を容易にする観点からは膜状とする。ここでの膜状とは、典型的には、何らかの基板に支持された膜、支持されない膜、２つの基板に挟まれた膜、そして、他の物質によって表面がコーティングされた膜など、任意の膜の形状を含む。このような膜状のマンガン酸化物を用いる磁気抵抗素子１００の平面図を図５に示す。なお、ここでの基板は、シリコン、ガラス、もしくは遷移金属酸化物を材質とするものとすると好ましい。
【００５６】
図５の磁気抵抗素子１００において、マンガン酸化物３には、その両端に導体電極２，４が配置される。この導体電極２，４のそれぞれには、金属製のリード線１，５が接続される。このリード線１，５によって、図示しない電流源からの電流がマンガン酸化物３に流され、また、その電流によってマンガン酸化物３に現れる電圧が図示しない電圧測定手段によって測定される。
【００５７】
ここで、十分にゆっくりバイアス電流を変化させることを前提とすると、バイアス電流の量は、非特許文献２に記載されている式Ｉ２Ｒ＝Ｋ（Ｔ−Ｔｂ）を満たす。すなわち、この右辺は、マンガン酸化物３から図示しない基板などを通じて周囲に放出される熱の熱伝導度Ｋと、マンガン酸化物３の温度Ｔと、周囲の温度Ｔｂとによって定まっている。他方、上式の左辺については、マンガン酸化物３の領域の電気抵抗値Ｒが、マンガン酸化物３の伝導体としての寸法である導体電極２，４の間隔ｌと、マンガン酸化物３の幅ｗと、厚みｄと（以上、図５参照）、マンガン酸化物３の抵抗率ρ（例えば図１）とを用いて定まる。このため、マンガン酸化物３の抵抗率ρが温度Ｔに依存する点を考慮して電流値Ｉを算出しうる。このとき、好ましくは、マンガン酸化物３のバイアス電流が上がれる方向以外の２方向の長さ、すなわちマンガン酸化物３の幅ｗと厚みｄを小さくする。また、マンガン酸化物３においてバイアス電流が流れる方向の長さ、すなわちマンガン酸化物３の伝導体としての長さｌは、ここでの動作に必要となるバイアス電流量を低減させることには寄与しないが、磁気抵抗素子の微細化の観点からはなるべく小さいほうが好ましい。
【００５８】
図５に示した磁気抵抗素子１００においては、導体電極２，４を例えば金属電極とすることができ、例えば、金属を蒸着したり、銀ペーストを塗布してその後に焼成したりすることによって形成することができる。なお、バイアス電流を流しながら電圧を適切に測定するためには、電極とマンガン酸化物間の接触抵抗をなるべく小さくすることが望ましい。この接触抵抗は、例えば磁気抵抗素子１００においてマンガン酸化物自体によって生じる電気抵抗値の１／１０程度またはそれ以下とすることが好ましい。上述の動作においては、バイアス電流と電気抵抗値を読み出すための電流とを同じ電流とし、リード線１，５の二つによって電流を流して現れる電圧を測定する。本発明においては、例えば、電圧の測定精度が高い四探針法の手法を行えるように、上記の導体電極２，４およびリード線１，５に加えて、電圧を測定するための追加の電極と追加のリード線を用いることもできる。
【００５９】
以上のように構成された本実施形態の磁気抵抗素子１００において、磁場を検出するために磁気抵抗素子１００に流す電流および磁気抵抗素子１００に発現する電圧のタイミングチャートを図６に示す。図６（Ａ）の曲線６２は、図５に示した本実施形態の磁気抵抗素子１００に流す電流波形を示す。図６（Ａ）に示すＩ２およびＩ１は、それぞれ、図２において点Ｂの電流および点Ｆの電流である。本実施形態においては、リセット期間ＴＲとバイアス期間ＴＢとが交互に現れるように、つまり、直前のリセット期間の後、ある時間経ったときに再びリセット期間になるようにする。磁気抵抗素子１００に流す電流は、図６（Ａ）に示すように、リセット期間ＴＲとバイアス期間ＴＢのそれぞれにおいて、Ｉ２よりも大きい値のリセット電流、および、１に満たない値のバイアス電流である。
【００６０】
図６（Ｂ）の曲線６４は、本発明の第１の実施形態において、磁場が存在しない場合の磁気抵抗素子１００に現われる電圧の変化を示す。リセット期間ＴＲには、そのときの電流に応じた高い電圧が磁気抵抗素子１００に現れる。そして、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、当初は高抵抗状態に合わせた高い電圧が現れる。バイアス期間ＴＢが十分に長いと低抵抗状態に遷移するため、磁気抵抗素子１００に現われる電圧は低下する。ここで、仮にバイアス電流がＩ１以上の値であったとすれば、磁気抵抗素子１００を任意の期間だけ高抵抗状態に維持することが可能となるため、低抵抗状態に遷移することはない。この意味において、Ｉ１は、本発明における閾値電流となる。しかし、本実施形態ではバイアス電流がＩ１に満たない値であるため、上述のようにバイアス期間ＴＢが長いと磁気抵抗素子１００は低抵抗状態に遷移する。このようになるのは、リセット電流によって高抵抗状態になっている磁気抵抗素子１００が低抵抗状態となるからである。ただし、本実施形態は、磁場が無いときに低抵抗状態へ遷移するような動作を必須とするものではない。
【００６１】
図６（Ｃ）の曲線６６は、本実施形態において、ある強さＨ１の磁場が存在する場合の磁気抵抗素子１００の電圧の変化を示す。リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、磁場が無いときよりも有意に早く高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。本実施形態においては上述のように磁場が無くても低抵抗状態に遷移するので、ここでの磁場は、低抵抗状態への遷移を早めるよう作用している。このような低抵抗状態への遷移の違いを検出するためには、バイアス期間ＴＢの所定のタイミング、例えば図にｔ１によって示したようなタイミングに、磁気抵抗素子に生じる電圧を測定するような構成にすることが好ましい。
【００６２】
図６（Ｄ）の曲線６８は、本発明の第１の実施形態において、上記の強さＨ１以上の十分な強さの磁場が存在する場合の磁気抵抗素子１００の電圧の変化を示す。この場合、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、即座に低抵抗状態に遷移する。
【００６３】
以上の説明を通じて、特定の状況を例にして磁気抵抗素子１００の動作を説明しているが、本実施形態はそのような状況のみに用いられるものではない。例えば、検出される磁場はその強さが時間的に一定に保たれる場合以外、例えば一回目のバイアス期間ＴＢと２回目のバイアス期間ＴＢとの間を比べて磁場の強さが異なっているような磁場においても、あるいは、周期的に変動するような磁場においても、本実施形態によって磁場を検出することができる。そのような場合には、適切な過渡応答を考慮することによって、その時々の磁場の強さに応じて各バイアス期間ＴＢにおける低抵抗状態への遷移の仕方が定まる。
【００６４】
また、リセット電流として記載した電流の値は、強制的に高抵抗状態に遷移させるための任意の値とすることができる。ここで、リセット期間ＴＲにおいても磁気抵抗素子に磁場が作用していることが想定される。このため、リセット電流は、リセット期間ＴＲにおける磁場の強さにかかわらず磁気抵抗素子を低抵抗状態に強制的にリセットするために十分な値の電流とすることが好ましい。
【００６５】
さらに、本形態においては、リセット期間およびバイアス期間ＴＢの互いの関係およびそれぞれの長さについても適宜設定することができる。例えば、十分な値のリセット電流が流せる場合には、図６に示したように、リセット期間ＴＲをバイアス期間ＴＢの長さに比して短くすることもできる。また、リセット電流を、高抵抗状態に遷移させるための最小の値をわずかに上回るような電流値とする場合には、例えばバイアス期間ＴＢと同じだけの長さのリセット期間ＴＲとすることによって、磁気抵抗素子１００が高抵抗状態へ遷移するための十分な時間を確保することができる。
【００６６】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態の磁気抵抗素子１００と同様の磁気抵抗素子１１０（図５）を用い、磁場測定時の動作を変更したものである。この動作を図７を用いて説明する。図７は、磁気抵抗素子１１０に流す電流および磁気抵抗素子１１０に発現する電圧のタイミングチャートである。
【００６７】
図７（Ａ）の曲線７２は、第２の実施形態において磁気抵抗素子１１０に流す電流の電流波形を示している。リセット期間ＴＲには、磁気抵抗素子１１０を高抵抗状態に遷移させるために十分な電流を流す。その一方、バイアス期間ＴＢには値が漸減するようなバイアス電流を流す。第２の実施形態においては、図７（Ａ）の電流波形に示すように、閾値電流Ｉ１以上Ｉ２以下の範囲内において漸減するような値のバイアス電流を磁気抵抗素子１１０に流す。
【００６８】
図７（Ｂ）の曲線７４は、磁場が存在しない場合の磁気抵抗素子１１０に現われる電圧の変化を示している。リセット期間ＴＲには、第１の実施形態と同様に、そのときの電流に応じた高い電圧が磁気抵抗素子１１０に現れる。その後、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、バイアス電流が漸減することに対応して、次のリセット期間ＴＲまで緩やかに減少するような電圧が現れる。
【００６９】
図７（Ｃ）の曲線７６は、本発明の第２の実施形態において、ある強さＨ２の磁場が存在する場合に磁気抵抗素子１１０に現われる電圧の変化を示す。ここで、強さＨ２の磁場が存在するところで一定のバイアス電流によって磁気抵抗素子１１０を動作させると、バイアス電流がＩ３以上のときには低抵抗状態に遷移せず、バイアス電流がＩ３未満のときには低抵抗状態に遷移することがあらかじめ判明している。このとき、本実施形態のバイアス電流の値を、Ｉ３を含む範囲において漸減するように変化させると、バイアス電流がＩ３に達するまでは磁気抵抗素子１１０は高抵抗状態に維持され、バイアス電流がＩ３に達すると低抵抗状態に遷移する。これに応じて、曲線７６のように、磁気抵抗素子１１０に現れる電圧は、バイアス電流がＩ３になると急減する。
【００７０】
図７（Ｄ）の曲線７８は、本発明の第２の実施形態において、上記の強さＨ２以上の強さの磁場が存在する場合に磁気抵抗素子１１０に表れる電圧を示す。この場合には、より大きいバイアス電流の値（Ｉ４）に達すると低抵抗状態への遷移が起こる。なお、さらに磁場が強くなるような場合には、例えば図６（Ｄ）に示した曲線６８のように、バイアス期間ＴＢになると即座に低抵抗状態に遷移することも起こりうる。このような低抵抗状態への遷移の違いを検出するためには、バイアス期間ＴＢの所定のタイミング、例えば図にＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮとして示したようなタイミングに、磁気抵抗素子に生じる電圧を測定して、いずれのタイミングの間に電気抵抗が低下したかを検出するような構成にすることも好ましい。このように構成することによって外部磁場の強さを検出することができる。
【００７１】
以上のように、漸減するバイアス電流を用いる第２の実施形態においては、バイアス期間ＴＢにおいて電圧が急減するタイミングと磁場の強さとを関連付けることができる。また、上述したように、漸減するバイアス電流は、ここに示したような滑らかに減少するような電流波形以外にも、例えば階段状に減少するような電流を用いることができる。なお、第１の実施形態に関して上述したような変更、すなわち、周期的などの態様によって強さが変動する磁場を測定するように適用することや、リセット電流の設定値やリセット期間ＴＲの変更、測定タイミングの具体的な設定を行うことも、本実施形態の範囲に含まれる。また、第１の実施形態と第２の実施形態においては、リセット期間やバイアス期間という同様の用語を用いた説明をしているが、これは両実施形態のこれらの期間の長さに関連があることを意味するものではない。
【００７２】
以上の第１および第２の実施形態において示したマンガン酸化物は、Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３という一般式によって特定される。ここで、これ以外にも、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表される組成を有するマンガン酸化物を用いることもできる。これらにおいて、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値とすることができる。第１および第２の実施形態において示したマンガン酸化物は、磁場測定動作において到達する温度域またはそれより高い温度域に強磁性転移温度ＴＣを有していて、例えばリセット期間には、強磁性転移温度ＴＣより高い温度になって、バイアス期間のうちの少なくともいずれかの期間には、強磁性転移温度ＴＣより温度が低下して動作すると好ましい。
【００７３】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明における第３の実施形態について説明する。本実施形態の磁気抵抗素子２００に使用するマンガン酸化物としては、一例として、Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３という一般式によって特定される組成において、Ｒ＝Ｐｒ、Ａ＝Ｃａとし、ｘを０．５とするマンガン酸化物が挙げられる。このような組成のマンガン酸化物においては、温度の上昇とともに抵抗率が低下する（図３参照）。これは、この組成のマンガン酸化物においては、ある温度より低温側において電荷整列相への転移が観察されるためであり、特に、その転移が起こる温度すなわち転移温度ＴＣＯを境にして、抵抗率は温度の上昇に対して急峻に低下する。このようなマンガン酸化物を利用する磁気抵抗素子２００においては、図４に示したような電圧−電流平面におけるヒステリシスを示す。また、その磁気抵抗素子としての構成は、図５に示す磁気抵抗素子１００，１１０と同様である。ただし、本実施形態のマンガン酸化物としては、強磁性転移温度ＴＣが磁気抵抗素子を動作させる一般的な環境の温度の下限値、例えば−２０℃を超えるようなものであれば、上述の組成以外のものとすることができる。
【００７４】
本形態の磁気抵抗素子２００においては、磁気抵抗素子１００，１１０とは異なり、導体電極２，４には、それぞれに接続する金属製のリード線１，５を通して、図示しない電圧印加手段からの電圧がマンガン酸化物３に印加され、そのときに流れる電流が図示しない電流測定手段によって検出される。
【００７５】
さらに、本実施形態のマンガン酸化物の形状としては、磁気抵抗素子１００と同様に、微細化を容易にする観点からは膜状とすることが好ましい。ここでの膜状とは、典型的には、何らかの基板に支持された膜、支持されない膜、２つの基板に挟まれた膜、そして、他の物質によって表面がコーティングされた膜など、任意の膜の形状を含む。
【００７６】
図８に、本実施形態において磁気抵抗素子２００に印加する電圧およびそれを流れる電流のタイミングチャートを示す。図８（Ａ）の曲線８２は、本実施形態の磁気抵抗素子２００に印加する電圧波形を示す。図に示すＶ２およびＶ１は、それぞれ、図４における点Ｋおよび点Ｐの電圧である。磁気抵抗素子２００を動作させるタイミングは、本発明の第１の実施形態の電流波形（曲線６２）と同様に、リセット期間ＴＲとバイアス期間ＴＢとが交互に現れるようにする。リセット期間ＴＲにおける電圧（リセット電圧）はＶ１よりも低い電圧とし、バイアス期間ＴＢにおける電圧（バイアス電圧）は、Ｖ１より高くＶ２より低い電圧とする。
【００７７】
図８（Ｂ）の曲線８４は、本発明の第１の実施形態において、磁場が存在しない場合の磁気抵抗素子２００の電流の変化を示す。リセット期間ＴＲには、そのときの電圧に応じた少ない電流が磁気抵抗素子２００に流れる。そして、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになっても、磁場が存在しないため、高抵抗状態に合わせた少ない電流しか流れない。
【００７８】
図８（Ｃ）の曲線８６は、本発明の第３の実施形態において、ある強さＨ３の磁場が存在する場合の磁気抵抗素子２００の電流の変化を示す。リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、磁気抵抗素子２００には磁場が存在しないときに比べて多い電流が流れる。このため、バイアス期間ＴＢの電流値を測定することによって、磁場が存在するかどうかを検知することができる。
【００７９】
なお、磁場の強さを０から徐々に増加させてゆくと、ある値までは図８（Ｂ）の曲線８４のような電流波形となり、その値を超えると、図８（Ｃ）の曲線８６の波形となる。つまり上述のように動作する磁気抵抗素子２００において検出できるのは、前回のリセット期間ＴＲの後にある値より強い磁場が作用したかどうかである。
【００８０】
＜第３の実施形態：変形例１＞
次に、図９によって本発明の第３の実施形態の変形例１について説明する。この変形例１においては、磁気抵抗素子２００と同様の構成を有する磁気抵抗素子２１０（図５）を用いる。図９に、本変形例において磁気抵抗素子２１０に印加する電圧およびそれを流れる電流のタイミングチャートを示す。図９（Ａ）の曲線９２は本実施形態の磁気抵抗素子２１０に印加する電圧波形を示し、図９（Ｂ）の曲線９４は磁場が存在しない場合に磁気抵抗素子２１０を流れる電流の変化を示す。この変形例１も、リセット期間ＴＲには、リセット電圧が印加される。ただし、この変形例１においては、図８とは異なり、バイアス期間ＴＢには、印加し続けると磁気抵抗素子２１０が低抵抗状態に遷移してしまうような電圧すなわちＶ２より高い電圧をバイアス電圧として印加する。ここで、仮にバイアス電圧がＶ２以下の値であったとすれば、磁気抵抗素子２１０を任意の期間だけ高抵抗状態に維持することが可能となるため、低抵抗状態に遷移することはない。この意味において、Ｖ２は、本発明における閾値電圧となる。しかしながら、上述のように、本変形例１においてはバイアス電圧を閾値電圧Ｖ２より大きい値とする。そして、バイアス期間のあと、直前のリセット期間ＴＲからある時間の後に再度リセット期間ＴＲになる。
【００８１】
図９（Ｂ）の曲線９４から分かるように、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになっても、磁気抵抗素子２１０は一定の時間は高抵抗状態にあり、自己発熱の影響によって低抵抗状態に遷移する。これば、発熱による温度の上昇に一定の時間を要するためである。このとき、リセット期間ＴＲには、そのときの電圧に応じた少ない電流が流れ、バイアス期間ＴＢにおいても、当初は高抵抗状態に合わせた少ない電流しか流れない。そして、自己発熱によって高温状態になると、磁気抵抗素子２１０は低抵抗状態に遷移して、より多くの電流が流れるようになる。
【００８２】
図９（Ｃ）の曲線９６は、本発明の第１の実施形態において、ある強さＨ４の磁場が存在する場合に磁気抵抗素子２１０に流れる電流の変化を示す。磁場の強さがＨ４のときであってもリセット期間ＴＲにおいては高抵抗状態となる。このため、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになった直後は電流は少ない。しかし、磁場が存在すると、磁場が無いときよりも有意に早く低抵抗状態に遷移して電流が早く増大する。本実施形態においてはバイアス電圧が閾値電圧Ｖ２を越えているため磁場が無くても低抵抗状態に遷移する。つまり、ここでの磁場の作用は、低抵抗状態への遷移を早めるような作用である。このような低抵抗状態への遷移の違いを検出するためには、バイアス期間ＴＢの所定のタイミング、例えば図にｔ２によって示したようなタイミングに、磁気抵抗素子に流れる電流を測定するような構成にすることが好ましい。ただし、本変形例は、磁場が無いときに低抵抗状態へ遷移するような動作を必須とするものではない。
【００８３】
図９（Ｄ）の曲線９８は、本発明の第１の実施形態において、上記の強さＨ４以上の十分な強さの磁場が存在する場合の磁気抵抗素子２１０の電流の変化を示す。この場合、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、即座に低抵抗状態に遷移する。このように、本変形例１においては、図８に示した動作の磁気抵抗素子２００に比べて、より高い感度によって磁場を検出することができる。
【００８４】
＜第３の実施形態：変形例２＞
次に、図１０に基づいて本実施形態の変形例２について説明する。この変形例２においては、磁気抵抗素子２００，２１０と同様の構成を有する磁気抵抗素子２２０（図５）を用いる。図１０は、本実施形態の変形例２において磁気抵抗素子２２０に印加する電圧およびそれを流れる電流のタイミングチャートである。図１０（Ａ）の曲線１０２は、この変形例２において磁気抵抗素子２２０に印加する電圧波形を示している。リセット期間ＴＲには、磁気抵抗素子２２０を高抵抗状態に遷移させるために低い電圧を印加する。その一方、バイアス期間ＴＢには値が漸増するようなバイアス電圧を印加する。この変形例２においては、図１０（Ａ）の電圧波形に示すように、磁気抵抗素子２２０には、Ｖ１以上Ｖ２以下の範囲内において漸増するようなバイアス電圧を印加する。
【００８５】
図１０（Ｂ）の曲線１０４は、磁場が存在しない場合に磁気抵抗素子２２０に流れる電流の変化を示している。リセット期間ＴＲには、磁気抵抗素子２２０が高抵抗状態になるため、そのときの電圧に応じた少ない電流が磁気抵抗素子２２０を流れる。その後、リセット期間ＴＲからバイアス期間ＴＢになると、バイアス電圧が漸増することに対応して、次のリセット期間ＴＲになるまでごく緩やかに電流値が増加する。以降、このような電流値の変化が繰り返される。
【００８６】
図１０（Ｃ）の曲線１０６は、本実施形態の変形例２において、磁場Ｈ５が存在する場合における磁気抵抗素子２２０の電流の変化を示す。ここで、強さＨ５の磁場が存在するときに漸増するバイアス電圧を磁気抵抗素子２２０に印加すると、バイアス電圧がＶ３に達したときに、磁気抵抗素子２２０は低抵抗状態に遷移して電流が急増する。
【００８７】
図１０（Ｄ）の曲線１０８は、本実施形態の変形例２において、上記の強さＨ５以上の強さの磁場が存在する場合における磁気抵抗素子２２０の電流の変化を示す。この場合には、より低いバイアス電圧の値（Ｖ４）に達すると低抵抗状態への遷移が起こる。なお、さらに磁場が強くなるような場合には、例えば図８（Ｃ）に示した曲線８６のように、バイアス期間ＴＢになると即座に低抵抗状態に遷移することも起こりうる。このような低抵抗状態への遷移の違いを検出するためには、バイアス期間ＴＢの所定のタイミング、例えば図にＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮとして示したようなタイミングに、磁気抵抗素子２２０を流れる電流を測定して、Ｓ１、Ｓ２、・・・ＳＮのいずれのタイミングの間に電気抵抗が低下したかを検出するような構成にすることも好ましい。このように構成することによって外部磁場の強さを検出することができる。
【００８８】
以上のように、漸増するバイアス電圧を用いる第３の実施形態の変形例３においては、バイアス期間ＴＢにおいて電流が急増するタイミングと磁場の強さとを関連付けることができる。また、上述したように、漸増するバイアス電流は、ここに示したような滑らかに増加するような電圧波形以外にも、例えば階段状に増加するような電圧を用いることができる。なお、第１の実施形態に関して上述したような変更、すなわち、強さが周期的などの態様によって変動する磁場の測定への変更、リセット電流の設定値やリセット期間ＴＲの変更、測定タイミングの具体的な設定を行うことも、本実施形態の範囲に含まれる。
【００８９】
以上の第３の実施形態に関する説明においては、特定の状況を例にして磁気抵抗素子２００，２１０，２２０の動作を説明しているが、本実施形態はそのような動作のみに用いられるものではない。例えば、検出される磁場はその強さが時間的に一定である場合以外にも、例えば一回目のバイアス期間ＴＢと２回目のバイアス期間ＴＢとの間において強さが異なっているような磁場においても、あるいは、周期的に変動するような磁場においても本形態によって磁場の強さの測定ができる。そのような場合には、適切な過渡応答を考慮することによって、その時々の磁場の強さに応じて各バイアス期間ＴＢにおける低抵抗状態への遷移の仕方が定まる。
【００９０】
また、リセット電圧として記載した電圧の値は、強制的に高抵抗状態に遷移させるための任意の電圧値とすることができる。ここで、リセット期間ＴＲにおいても磁気抵抗素子２００に磁場が作用していることが想定される。このため、リセット電圧は、それに見合った十分に低い電圧としておく。このリセット電圧を０ボルトにすることも本形態の一部である。
【００９１】
さらに、本実施形態においても、リセット期間ＴＲおよびバイアス期間ＴＢの互いの関係およびそれぞれの長さは適宜設定することができる。例えば、リセット電圧を十分低くしうる場合には低抵抗状態への遷移が確実になるため、図８、図９および図１０に示したように、リセット期間ＴＲをバイアス期間ＴＢの長さに比して短くすることもできる。また、リセット電圧を、高抵抗状態に遷移させるための最大の値をわずかに下回るような電圧値とする場合には、例えばバイアス期間ＴＢと同じだけの長さのリセット期間ＴＲを用いることによって、磁気抵抗素子２００が高抵抗状態へ遷移するための時間を十分に確保することもできる。
【００９２】
また、第３の実施形態において、第１および第２の実施形態と同様のリセット期間やバイアス期間という同様の用語を用いて説明しているが、これは第１または第２の実施形態のいずれとも、また、第３の実施形態に記載した各変形例との間において、これらの期間の長さに関連があることを意味するものではない。
【００９３】
以上の第３の実施形態において示したマンガン酸化物は、Ｒ１−ｘＡｘＭｎＯ３という一般式によって特定される。これ以外にも、Ｒ２−２ｘＡ１＋２ｘＭｎ２Ｏ７、Ｒ１−ｘＡ１＋ｘＭｎＯ４によって表される組成を有するマンガン酸化物を用いることもできる。これらにおいて、Ｒは希土類、Ｂｉ、Ｙのうちのいずれかの元素またはこれらの中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、Ａはアルカリ土類金属元素のうちのいずれかの元素またはその中から２種類以上の元素を組み合わせたもの、ｘは０を越え１未満の任意の数値とすることができる。第３の実施形態においては、マンガン酸化物が、磁場測定動作において到達する温度域またはそれより高い温度域に電荷整列状態への転移温度ＴＣＯを有していて、例えばリセット期間には、転移温度ＴＣＯより低い温度になって、バイアス期間のうちの少なくともいずれかの期間には、転移温度ＴＣＯより温度が上昇して動作すると好ましい。このような性質を持つ組成の例は、Ｐｒ０．５Ｃａ０．５ＭｎＯ３のほか、Ｂｉ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、ＰｒＣａ２Ｍｎ２Ｏ７、Ｅｕ０．５Ｃａ１．５ＭｎＯ４がある。これらは、通常の磁気抵抗素子の動作温度よりも高温側において抵抗率が急峻に変化する組成である。
【００９４】
加えて、第３の実施形態の磁気抵抗素子２００，２１０，２２０においても、マンガン酸化物３（図５）の抵抗率ρが温度Ｔに依存する点を考慮して電流値Ｉを算出しうる。このとき、好ましくは、マンガン酸化物３のバイアス電流が上がれる方向以外の２方向の長さ、すなわちマンガン酸化物３の幅ｗと厚みｄを小さくする。また、マンガン酸化物３においてバイアス電流が流れる方向の長さ、すなわちマンガン酸化物３の伝導体としての長さｌは、ここでの動作に必要となるバイアス電流量を低減させることには寄与しない。ただし、磁気抵抗素子の微細化の観点からは長さｌもなるべく小さいほうが好ましい。
【００９５】
また、本発明のいずれの実施形態の磁気抵抗素子においても、マンガン酸化物の状態としては抵抗率の温度変化が大きいことが望ましい。このため、強磁性転移温度ＴＣや転移温度ＴＣＯでの抵抗率の変化が多結晶よりも顕著に現れる単結晶を用いることが好ましい。
【００９６】
＜更なる変形例＞
本発明の各実施形態には、さらに他の変形を行うことが可能である。まず、本発明の上述の原理に基づくと、本発明のいずれの態様においても、少ない電流によってマンガン酸化物が温度上昇するように構成すれば、より少ないバイアス電流によって高感度な磁場測定を行うことのできる磁気抵抗素子を提供することができる。そのためにはマンガン酸化物薄膜と基板との間の熱伝導が起こりにくいような基板を選択することが好適である。特に、上述の熱伝導度を、非特許文献２における値０．８ｍＷ／Ｋよりも小さくなるようにすることによって、より少ない電流によって動作する磁気抵抗素子を提供することができる。
【００９７】
本願発明者の検討によれば、非特許文献２において必要な電流が大きくなる理由のひとつにマンガン酸化物領域の形状が挙げられる。実際、非特許文献２ではマンガン酸化物領域の大きさは４８００μｍ×５００μｍ×２００μｍとなっている。しかしながら、本願発明者の検討によれば、このサイズより小さくしても磁気抵抗素子として動作させることができる。さらに、マンガン酸化物領域をどのように小さくすれば電流を低下させるのに効果的であるかを検討したところ、以下の知見が得られた。すなわち、まず、マンガン酸化物の素子において、バイアス電流の流れる方向において長さを変化させた場合、電気抵抗値の変化分だけ熱容量も変化するため、必要なバイアス電流値の低減には基本的には効果がないことを見出した。それに対して、マンガン酸化物の電流の流れる方向以外の２方向の長さを短くする、つまり、電流の流れる向きに直交する断面の断面積を縮小した素子構造にすると、電流の低減に有効であることを見出した。その理由は、このようにすると、例えば同一の電流を流すような動作において、電気抵抗値が増加するのに伴ってジュール熱Ｉ２Ｒも増加し、それと同時にマンガン酸化物の熱容量が低下するためと推測している。したがって、本発明の更なる実施形態としては、特に、電流が流れる方向以外の２つの方向を小さくすること、より具体的には、上述の非特許文献２の最も短い辺の２００μｍ以下とすることが好ましい。このように構成することも、本発明の実施の形態に含まれる。
【００９８】
さらに、上述の各実施の形態を組み合わせるような構成も本発明の実施の形態に含まれる。具体的には、上記の第１の実施形態と第２の実施形態は、ともに、用いるマンガン酸化物の材料は同一の系統のものである。したがって、第２の実施形態として示した漸減するようなバイアス電流を、第１の実施形態のような閾値電流Ｉ１に満たないような範囲にまで減少させることもできる。第３の実施形態の中でも同様に、漸増するバイアス電圧を、閾値電圧Ｖ２を上回る値になるようにすることもできる。
【００９９】
また、本実施形態のマンガン酸化物の状態としては、抵抗率の温度変化が大きいことが望ましいため、強磁性転移温度ＴＣや転移温度ＴＣＯでの抵抗率の変化が多結晶よりも顕著に現れやすい単結晶を用いることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、マンガン酸化物を用いる磁気抵抗素子において、実用性を高めることに大きく貢献するものである。
【符号の説明】
【０１０１】
１００，１１０，２００，２１０，２２０  磁気抵抗素子
１  リード線
２  電極
３  マンガン酸化物
４  電極
５  リード線
【図１】
2011086756.tif 000005
【図２】
2011086756.tif 000006
【図３】
2011086756.tif 000007
【図４】
2011086756.tif 000008
【図５】
2011086756.tif 000009
【図６】
2011086756.tif 000010
【図７】
2011086756.tif 000011
【図８】
2011086756.tif 000012
【図９】
2011086756.tif 000013
【図１０】
2011086756.tif 000014