(57)【要約】  基板を設けるステップ、この基板の上に強磁性層を成長させるステップ、この強磁性層の上にトンネル障壁層を成長させるステップ、その強磁性層の上に第１非磁性金属接点を設けるステップおよび単一の強磁性層について第２非磁性金属接点を設けるステップを備える方法によって、磁気トンネル接合部のために利用される層構造を示すスピンバルブ構造が設けられている。そのような片面構造に加えて、半絶縁性ＧａＡｓ基板の上面に、例えばＧａ０．９４Ｍｎ０．０６Ａｓ／非ドープ型ＧａＡｓ／Ｇａ０．９４Ｍｎ０．０６Ａｓ３層構造と非ドープ型ＬＴ−ＧａＡｓ緩衝層とを有する両面構造を設けることができる。内側の正方形接点と周囲の電気バック接点とがある。このサンプル構造によれば、強磁性体およびＧａＡｓトンネル障壁の双方を通して２プローブ式磁気抵抗測定を実行することができる。デバイスの抵抗は、トンネル障壁を介する垂直トンネリングプロセスによって充分優位を占めている。
2007536745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料の中で安定した部分反転磁化状態を機能的に使用する電子デバイス。
【請求項２】
半導体が強磁性体であるか、あるいは、デバイスがスピンバルブである、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
側方形態が使用され、強磁性層の平面内に電流の流れが可能である、請求項１または２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
側方形態が使用され、強磁性層のパターニングによって、および／または、強磁性層の領域の空乏化によって、トンネル障壁が画定されている、請求項１または２に記載の電子デバイス。
【請求項５】
トンネル障壁が取り付けられた単一の強磁性層と非磁性金属接点とを備えるスピンバルブ構造。
【請求項６】
側方形態が使用され、強磁性層の平面内に電流の流れが可能である、請求項５に記載のスピンバルブ構造。
【請求項７】
側方形態が使用され、強磁性層のパターニングによって、および／または、強磁性層の領域の空乏化によって、トンネル障壁が画定されている、請求項５に記載のスピンバルブ構造。
【請求項８】
磁気異方性および輸送異方性の独立した最適化が選択されることを特徴とする、請求項５に記載のスピンバルブ構造。
【請求項９】
安定した部分反転磁化状態およびそれに依存する効果が、依存性のものであり、電子デバイスの内部におけるトンネル障壁あるいは他の対応構造に関する磁界の強度および方位を考慮することによって最適化することができることを特徴とする、請求項５〜８の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１０】
安定した部分反転磁化状態およびそれに依存する効果が、依存性のものであり、実用温度の選択によって最適化することができることを特徴とする、請求項３〜９の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１１】
構造が、回転磁界において所定の閾値の大きさを越えるプログラム可能であることを特徴とする、請求項１〜１０の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１２】
構造が、絶対磁界方向に対して高感度であることを特徴とする、請求項１〜１１の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１３】
強磁性層が、本質的に半導体強磁性体、または金属強磁性体かあるいは強磁性酸化物のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜１２の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１４】
スピンバルブ構造の磁化状態は、特定の閾値を超える電流を利用することで変化させることができることを特徴とする、請求項１〜１３の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１５】
スピンバルブ構造における抵抗効果の振幅は、エピタキシャル障壁および第２強磁性層の一方または双方の使用によって増大させることができることを特徴とする、請求項１〜１４の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１６】
デバイスが、３つ以上のはっきりした抵抗状態を有してもよいことを特徴とする、請求項１〜１５の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１７】
３つ以上のはっきりした抵抗状態を作るために２つの強磁性層の非平行配向が利用されることを特徴とする、請求項１〜１６の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１８】
１つ以上の磁性層が、磁性合金、例えばＣｏＦｅＰｔ膜を備えることを特徴とする、請求項１〜１７の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項１９】
１つ以上の磁性層が、磁性金属多層積層体、例えば一組のＣｏＦｅ薄膜およびＰｔ薄膜を備えることを特徴とする、請求項１〜１８の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２０】
１つ以上の磁性層が、ＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ（ＬＳＭＯ）を備え、ここで、０＜＝ｘ＜＝１であることを特徴とする、請求項１〜１９の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２１】
１つ以上の磁性層が、ＣｏおよびＰｄの多層構造を備えることを特徴とする、請求項１〜２０の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２２】
１つ以上の磁性層における異方性が、圧電効果および／または磁気歪効果および／または表面効果によって作られかつ／または調整される、請求項１〜２１の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２３】
１つ以上の磁性層における異方性が、反強磁性層によって作られおよび／または調整される、請求項１〜２２の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２４】
１つ以上の強磁性電極が、磁性多層を備える、請求項１〜２３の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２５】
１つ以上の磁性層が、マグネタイトを備える、請求項１〜２４の一項に記載のスピンバルブ構造。
【請求項２６】
基板を設けるステップ、この基板の上に強磁性層を成長させるステップ、この強磁性層の上にトンネル障壁層を成長させるステップ、その強磁性層の上に第１非磁性金属接点を設けるステップおよびその強磁性層について第２非磁性金属接点を設けるステップを備える、スピンバルブ構造を製造する方法。
【請求項２７】
強磁性層について第２非磁性金属接点を設けるステップが、強磁性層の上にトンネル障壁層および第１非磁性金属接点を部分的に成長させるだけか、あるいは、基板に対向する強磁性層の自由表面を取得するためにトンネル障壁層および第１非磁性金属接点の一部をエッチング除去し、その強磁性層における前記自由表面の一部に第２非磁性金属接点を設けるかのいずれかを備える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
エピタキシャル障壁および第２強磁性層の一方あるいは双方は、スピンバルブ構造における抵抗効果の振幅がエピタキシャル障壁および第２強磁性層の一方あるいは双方の使用によって増大することができるように、付加的に設けられる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
１つ以上の磁性層における異方性が、アニーリングステップによって作られる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
１つ以上の磁性層における異方性が、圧電効果および／または磁気歪効果および／または表面効果によって作られかつ／または調整される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
１つ以上の強磁性電極における異方性が、冷間圧延ステップによって作られる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
１つ以上の強磁性電極における異方性が、層成長の間における磁界の印加によって作られる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
基板と基板の上における強磁性層とを備え、その強磁性層の第１表面部分にトンネル障壁層が設けられ、このトンネル障壁層は第１非磁性金属接点を有し、その強磁性層の第２表面部分に第２非磁性金属接点が設けられている、請求項２６によって製造された半導体デバイス。
【請求項３４】
第１表面部分は中央部分であり、第２表面部分は周囲部分である、請求項２８に記載の半導体デバイス。
【請求項３５】
その効果を増幅し、かつ／または、複合的な抵抗水準システムを創り出すために、３つ以上の磁性層が使用される、請求項２６に記載の半導体デバイス。
【請求項３６】
強磁性層の磁気異方性および輸送異方性の独立した最適化および／または磁化反転のプロセスが、下にある層の表面再構成、表面対称性、または格子定数によって、あるいはそれらの組み合わせによって、かつ／または、下にある基板の結晶方位ずれによって調整される、請求項５に記載のスピンバルブ構造および請求項２６に記載のスピンバルブ構造を製造する方法。
【請求項３７】
強磁性層の磁気異方性および輸送異方性の独立した最適化および／または磁化反転のプロセスが、強磁性層の上面における層によって調整される、請求項５に記載のスピンバルブ構造または請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
スピン電子工学の原理に基づいた、すなわち電子の電荷ではなく電子のスピンの位置および符号を調整下にある顕著な因子として利用する電子回路の製造では、回路の計算要件が要求されるときに電子のマニピュレーションを可能にする「スピンバルブ」調整を創り出すことが必要である。本発明は、そのようなデバイス、特にスピンバルブに関するものである。本発明の１つの観点によれば、それは特に、スピン電子工学デバイスにおける片面スピンバルブに関するものである。本発明の別の観点によれば、それは特に、スピン電子工学デバイスにおける両面スピンバルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このようなスピンバルブはこれまで、両方の外側層が強磁性材料あるいは半導体であるサンドイッチ構造を形成することによって製造されてきた。この認識された要件は、最適なスピンバルブの設計および実施にある種の制限をもたらしていた。
【０００３】
本発明は、外側サンドイッチ層の一方かつ一方だけが強磁性半導体であり、他方が非磁性材料である場合にスピンバルブ状効果を得ることのできるデバイスについて記載されている。この「片面スピンバルブ」構成によれば、スピンバルブの構成および向上した性能についてのより広範囲の可能性がもたらされる。このような環境の下におけるスピンバルブ効果は、トンネリングに寄与する状態密度の変化から引き起こされる、と信じられている。この効果の原因は、まだ学問研究および論議の最中であるが、それ自体はこの開示に影響を与えることはない。
【０００４】
非磁性金属（Ａｕ）と強磁性材料（ＧａＭｎ）Ａｓとの間のＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）のトンネル障壁について行われた観察によると、これはスピンバルブの特徴を表わすことのできる巨大な磁気抵抗を示すことがある、ということがわかる。
【０００５】
結晶学的に等軸であるＧａＭｎＡｓにおけるように、その平面には原則として２つの磁化容易軸を有する磁性半導体層が設けられている（この場合には、［００１］方位を有するため、その平面には［１００］軸および［０１０］軸がある）が、これらの軸は、熱的効果、歪み効果あるいは他の効果のために実際にはわずかに異なっており、これら２つの軸のうち磁化が容易な方に沿った磁気反転は従来の場合のように１８０゜反転によって起きるものの、磁化があまり容易でない方の軸に沿った磁気反転には、印加された反転磁界の特定範囲にわたって安定である「ハーフウェイハウス」が含まれており、ここでは９０°反転が起きる（この９０°反転は、磁化の初期方向に対して「左」かあるいは「右」かのいずれかである）。このことはまた、磁気反転が同時体積磁気回転によるのではなく、磁区壁の核生成および移動によって起きる、ことを意味している。
【０００６】
両方の軸に関しては、半導体には極めて類似した状態密度が存在するが、重要なことには、実際の輸送キャリアは、モーメントの点でも、デバイスの対応側部におけるそれらの状態密度に合致しなければならない（Ａｌ２Ｏ３がトンネル障壁として使用され、Ｔｉ（Ａｕ）が対応側部として使用されたが、対応側部はここでは、半導体からのトンネル障壁の他方側面における材料／構造として定義されている）。その結果、トンネル障壁を直交状に通るトンネリングについては、モーメントの横成分があってはならない。それゆえ、大部分の状態はトンネリングのためには禁止されており、また、そのトンネリング電流はある程度、スピン分極されている。それゆえ、磁化が容易な２つの軸はエネルギーおよび状態密度の点で極めて類似しているが、状態密度のモーメント分布の違いは、トンネリング電流について大いに重要であり、そのため、ＧａＭｎＡｓにおける磁化の方位にかなり左右される。
【０００７】
磁化が最も容易な軸は例えば加えられた磁界によって選択することもできるので、これによって、スピンバルブ、ＧＭＲヘッドなどの創出が可能になるが、ここでは、（ａ）関連するただ１つの強磁性層があり、（ｂ）金属を覆う半導体の利点は展開することができ、また、（ｃ）より大きい感度は特に期待することができる。
【０００８】
そして、効果が、関連する結晶構造の量、組成（特に、存在する強磁性要素の量）および方位に左右され、その効果が、トンネリング障壁に関する磁界の強度および方位を変える、ということが観察された。
【０００９】
また、磁区壁の形成および伝播を通して起きると信じられている磁化の符号の反転は、磁気異方性が温度に依存しないのに対して、温度の関数である。このことによって、磁気異方性および輸送異方性が厳密には互いに関連しないものであり、独立して最適化することができる、という観察結果が得られる。
【００１０】
一方では、エピタキシャル成長した（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ構造における超巨大なトンネリング異方性磁気抵抗が明らかにされている。この効果は、接点の平行な配向あるいは非平行な配向からではなく、磁化方位における強磁性半導体の電子構造の強い依存性から生じる。この効果の重要な新規のスピン電子工学的特徴は、（ｉ）正常および反転の両方のスピンバルブ状信号、（ｉｉ）界面に対して垂直である磁界についての大きい非ヒステリシス磁気抵抗、（ｉｉｉ）外部抵抗についての磁化方位が一般に磁化容易軸および磁化困難軸に配向していないこと、および（ｉｖ）低いバイアスおよび温度でのこの効果の極めて大きい増幅である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
単一の磁性層を利用するスピンバルブ状トンネル磁気抵抗の観察から、本発明者は、スピンバルブ状効果が、連結された２つの強磁性体によるスピン分極電流の投入および検出からではなく、単一の強磁性層における強いスピン軌道結合から生じる、新しい種類のスピン電子工学的デバイスを導入する。標準的な金属／絶縁体／強磁性の半導体トンネリングデバイスにおいては、スピンバルブ状信号が観察される。この作用は、磁化方向に関する（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおける異方性状態密度とこの材料における二段階磁化反転プロセスとの相互作用によって引き起こされる。
【００１２】
スピンマニピュレーションに依存するデバイスは、コンピュータに起因する電力消費の増大という電流傾向と個々の電子部品の寸法が縮小されるにつれて増大するエネルギー散逸損失によってそれらが動作不能になるであろう恐れとに逆戻りするかもしれないマイクロ電子機器の低エネルギー散逸性代替品を提供するように意図されている。スピン電子工学には、即時オンオフコンピュータの実現のために魅力的な展望が開かれている情報処理機能性と記憶機能性との充分な一体化の結果がもたらされることも期待されている。現在のスピン電子工学研究の望まれた目標の１つは、現行のマイクロ電子機器技術によるスピン電子部品の一体化のための新しい手段をもたらすであろう全ての半導体基構造における金属スピンバルブ状作用（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．の第７４巻（１９９５）、第３２７３ページで、Ｊ．Ｓ．Ｍｏｏｄｅｒａ，Ｌ．Ｒ．Ｋｉｎｄｅｒ，Ｔ．Ｍ．Ｗｏｎｇ，Ｒ．Ｍｅｓｅｒｖｅｙによって示唆されたような）の備わったデバイスを実現することである。このようなデバイスを達成するためにしばしば提案された基本構想は、２つの強磁性半導体どうしの間におけるトンネル障壁からなる。このようなわけで、いくらか見込みのある（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／（Ａｌ，Ｇａ）Ａｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ構造が先に研究された（例えば、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第８９巻（２００１）、第６７４５ページにおけるＹ．Ｈｉｇｏ，Ｈ．ＳｈｉｍｉｚｕおよびＭ．Ｔａｎａｋａ、また、Ｎａｔｕｒｅ（２００４）の第４２８ページ、５３９ページにおけるＭ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈ，Ｄ．Ｃｈｉｂａ，Ｆ．ＭａｔｓｕｋｕｒａおよびＨ．Ｏｈｎｏを参照のこと）。しかしながら、これらのシステムの充分な可能性を実現するには、先に考えられたものとはどちらかというと異なっていると本発明者が発見した（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの中へのトンネリングの物理学の完全な理解が必要であろう。
【００１３】
この精神で、本発明者は、トンネル障壁に適合した単一の強磁性（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層と非磁性金属接点とからなる構造における輸送を研究している。本発明者の測定によれば、このシステムがスピンバルブ状信号を示すという予期しない結果が明らかになっている。標準的なスピンバルブの設計における複雑さのいくつか、例えば２つの強磁性体における相異なる抗電界を引き起こすための必要性のいくつかは、この構造では直ちに排除される。本発明者は、単一の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓトンネリング構造の豊富な実験性能のいくつかをここに開示するとともに、二段階磁化反転プロセスと（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層における磁化方位依存性状態密度（ＤＯＳ）とによるトンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）として測定されたスピンバルブ状効果の解釈を提供する。
【００１４】
従って、本発明に記載されたように、電子のスピンの位置および符号を利用する簡単な半導体デバイスに対する要望が存在している。
【００１５】
本発明の１つの目的は、半導体材料の中において安定的な部分反転磁化状態を機能的に利用するそのような半導体を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、両面強磁性半導体トンネル接合部に極めて大きいトンネリング異方性磁気抵抗をもたらすことである。
【００１７】
この技術の可能性を充分に実現するために必要とされる主要な構成要素は、現行の金属基スピンバルブに類似した作用とそれらの金属対応物においては達成できない新規なスピン電子工学的特徴とが備わったデバイスである。この方向における先の試みによって、金属デバイスの機能性に明らかによく似ている見込みのあるスピンバルブ結果がもたらされた。しかしながら、単一の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層構造におけるトンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）に関する本発明者の最近の発見では、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８９巻（２００１）の第６７４５ページでＹ．Ｈｉｇｏ，Ｈ．ＳｈｉｍｉｚｕおよびＭ．Ｔａｎａｋａによって、また、Ｎａｔｕｒｅ（２００４）の第４２８ページ、５３９ページにおけるＭ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈ，Ｄ．Ｃｈｉｂａ，Ｆ．ＭａｔｓｕｋｕｒａおよびＨ．Ｏｈｎｏによって言及されたような構造における限り観察された中程度磁気抵抗（ＭＲ）効果は、伝統的な金属トンネリングＭＲ（ＴＭＲ）からではなくＴＡＭＲから生じることが提唱されている。このことが事実であれば、そのデバイス作用は、ＴＭＲについてのものよりもいっそう豊富であるべきであり、金属基デバイスにおいて可能性のない多くの新しい機能性を備え得るであろう。この仮説を吟味するために、本発明者は強磁性半導体（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓに基づいたトンネル構造を製造した。本発明者は、これらの構造では１００  ０００％を超える巨大なＴＡＭＲ効果が存在することを報告する。
【００１８】
本発明は、本発明による実施形態の以下の説明によって、図面を参照しながらこれから説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１〜４には、片面スピン電子デバイスに関連している本発明の１つの実施形態が示されている。本発明者の第１サンプルにおける磁性層は、ＧａＡｓ（００１）基板の上への低温（２７０℃）分子線エピタキシーによって成長した、７０ｎｍ厚さのエピタキシャル（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ薄膜である（（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの成長に関する考察については、例えば、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈの１７５／１７６巻（１９９７）第１０６９ページのＡ．Ｓｈｅｎ，Ｈ．Ｏｈｎｏ，Ｆ．Ｍａｔｓｕｋｕｒａ，Ｙ．Ｓｕｇａｗａｒａ，Ｎ．Ａｋｉｂａ，Ｔ．Ｋｕｒｏｉｗａ，Ａ．Ｏｉｗａ，Ａ．Ｅｎｄｏ，Ｓ．Ｋａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｙ．Ｉｙｅによるもの、Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈの２４７巻（２００３）第４２ページのＲ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ，Ｋ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ，Ｌ．Ｘ．Ｚｈａｏ，Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎ，Ｂ．Ｌ．ＧａｌｌａｇｈｅｒおよびＣ．Ｒ．Ｓｔａｄｄｏｎによるものを参照のこと）。高解像度Ｘ線回折によると、このサンプルは基板の結晶特性に匹敵する高い結晶特性を有することが示された。測定された格子定数およびＳｃｈｏｔｔらの較正曲線（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．の８２巻（２００３）第４６７８ページのＧ．Ｍ．Ｓｃｈｏｔｔ，Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ｇ．Ｋａｒｃｚｅｗｓｋｉ，Ｌ．Ｗ．Ｍｏｌｅｎｋａｍｐ，Ｒ．Ｊａｋｉｅｌａ，Ａ．Ｂａｒｃｚ，Ｇ．Ｋａｒｃｚｅｗｓｋｉによる）から、強磁性層におけるＭｎの濃度はおよそ６％である。エッチキャパシタンス−電圧制御測定値はおよそ~１０２１ｃｍ−３の正孔密度概算値をもたらし、７０Ｋのキュリー温度がＳＱＵＩＤ測定から決定された。
【００２０】
成長の後に、サンプルは、１．４ｎｍＡｌ層が（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの上へ蒸着されたＲＦスパッタリングシステムへ移送された。このＡｌ層は被覆されたＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）を現場製造し、それによって、トンネル障壁を形成することで、酸化された。次いで、３００ｎｍのＡｕ層に続く付着層として５ｎｍのＴｉを蒸着させることで、電気接点がその構造の上に作られた。次いで、光リソグラフィおよび化学支援イオンビームエッチング(ＣＡＩＢＥ）が利用されて、図１に示すようにデバイスがパターン化された。第１ステップでは、材料はエッチングされて、トンネル障壁における金属接点からなる、中央の１００ｍｍ×１００ｍｍ正方形ピラーだけが残る。次いで、周囲のＷ付着層およびＡｕ接点が（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ表面に蒸着されて、バック接点がもたらされる。
【００２１】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層のバルク抵抗は１．１×１０−３Ｗｃｍであり、これは、高品質材料についての期待値（Ａｐｐｌ．ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．の８１巻（２００２）第４９９１ページのＫ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ，Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ，Ａ．Ｃ．Ｎｅｕｍａｎｎ，Ｎ．Ｒ．Ｓ．Ｆａｒｌｅｙ，Ｂ．Ｌ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎによるもの）に一致しており、また、中央ピラーとバック接点との間における１０Ωのオーダーの抵抗に対応している。この値は、トンネル障壁のない類似したピラーを介する抵抗を測定することによって、確認された。この抵抗はデバイス全体の大きさよりも小さい大きさの２桁を超えるものであり、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓのどのようなバルク磁気抵抗を充分に無視することができる。
【００２２】
このサンプルは、任意の方向に３００ｍＴ程度磁界の印加が可能になる３対のヘルムホルツコイルが取り付けられた可変温度４Ｈｅクリオスタットの中へ挿入された。ここに示された測定値については、磁界は磁性層の平面の中に維持された。磁界の方向は、図１ｂに表示されたように、［１００］結晶学的方向に対するその角度Ａによって付与される。
【００２３】
図１ａは、様々な角度、すなわちφ＝０度、５５度および５０度で印加された磁界の関数としてのサンプル抵抗の典型的な曲線を示している。それぞれの曲線について、磁界は負の飽和度から正の飽和度まで一掃されるとともに再び戻されるが、そのプロットは−３０ｍＴから＋３０ｍＴ程度の関心領域に焦点が合わされる。全ての場合において、磁気抵抗は、２つの切換事象（図では符号が付けられたＨｃ１およびＨｃ２）によって約３％限定された振幅があるスピンバルブ状作用を示しているが、サンプルの抵抗はこれらの事象の外側におけるその値とは異なっている。しかしながら、ＴＡＭＲ特徴構成の幅および符号は磁界の角度に左右される。図１ａの相異なる曲線を比較すると、その特徴構成が負から正へ変化する（例えば、図１ａにおける０度曲線と５５度曲線との間で）という事実にもかかわらず、デバイスがただ２つのはっきりした抵抗状態、すなわち約２９２０Ωの低い状態と３０００Ω直上の高い状態を有するように見える、ということを本発明者は強調したい。
【００２４】
この作用をよりよく理解するために、本発明者は、磁界からのデータが図２の極性プロットにおける多くの角度で一掃されることを要約する。ここで、開放符号は、切換事象Ｈｃ１およびＨｃ２が個々の一掃のそれぞれについて起きる磁界を表わしている。これらは、より高い抵抗の部分とより低い抵抗の部分との間に境界を画定する。影付き区域は、サンプルがその高い抵抗状態にある領域を表示している。このようにして観察すると、切換事象の軌跡は、エピタキシャルＦｅ薄膜（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７８巻（１９９５）の第７２１０ページのＲ．Ｐ．Ｃｏｗｂｕｒｎ，Ｓ．Ｊ．Ｇｒａｙ，Ｊ．Ｆｅｒｒｅ，Ｊ．Ａ．Ｃ．Ｂｌａｎｄ，Ｊ．Ｍｉｌｔａｔ）および（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４巻（２００３）の第４５３０ページのＧ．Ｐ．Ｍｏｏｒｅ，Ｊ．Ｆｅｒｒｅ，Ａ．Ｍｏｕｇｉｎ，Ｍ．Ｍｏｒｅｎｏ，Ｌ．Ｄｗｉｔｚ）の磁気光学的研究や、平面内ホール幾何学における（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓに関する輸送研究（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．の９０巻（２００３）第１０７２０１ページのＨ．Ｘ．Ｔａｎｇ，Ｒ．Ｋ．Ｋａｗａｋａｍｉ，Ｄ．Ｄ．Ａｗｓｃｈａｌｏｍ，Ｍ．Ｌ．Ｒｏｕｋｅｓ）および９０±磁区壁の核生成および伝播によって二段階でそれらの磁化Ｍを反転させる材料に関連したものにおいて先に観察された切換事象への著しい類似性を有する高度に対称的なパターンを形成している。単一磁区理論の範囲内で、本発明者は、本発明者のシステムの全磁気エネルギーＥｍについての表示を書き留めることができる。
【００２５】
Ｅｍ＝Ｋｕsin２(θ)＋Ｋｃsin２(２θ)−ＭＨcos(θ−φ)      （式１）
ここで、Ｋｃは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおいて支配的であると期待された等軸異方性であり（上記のようなＭｏｏｒｅらによるもの。また、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１巻（２００２）の第２８０６ページのＤ．Ｈｒａｂｏｖｓｋｙ，Ｅ．Ｖａｎｅｌｌｅ，Ａ．Ｒ．Ｆｅｒｔ，Ｄ．Ｓ．Ｙｅｅ，Ｊ．Ｐ．Ｒｅｄｏｕｌｅｓ，Ｊ．Ｓａｄｏｗｓｋｉ，Ｊ．Ｋａｎｓｋｉ，Ｌ．Ｉｌｖｅｒ）、Ｋｕは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおいてしばしば観察された単軸異方性である（上記のようなＭｏｏｒｅらによるもの）。Ｈは印加された磁界の振幅であり、また、φは［１００］結晶方向から測定された磁化の角度である。磁化の反転はその構造を通して伝播する磁区壁を通して起きるので、干渉性磁化反転のＳｔｏｎｅｒ−Ｗｏｈｌｆａｒｔｈの映像（Ｐｈｉｌｏｓ．Ｔｒａｎｓ．Ｌｏｎｄｏｎ  Ｓｅｒ．Ａ２４０巻（１９４８）の第５９９ページのＥ．Ｃ．Ｓｔｏｎｅｒ，Ｅ．Ｐ．Ｗｏｈｌｆａｒｔｈ）は適用されない。その代わりに、Ｃｏｗｂｕｒｎらにおいて検討されたように（上記を参照）、そのようにすることで取得されたエネルギーがサンプルを通して磁区壁を核生成し／伝播するための必要なエネルギーよりも大きい限り、磁化はその極小値から全体的エネルギー最小値へ切り換わるであろう。このエネルギーをεとすると、それは、磁界が一掃された（より高い磁界での２軸性磁化容易軸から離れた回転を無視して）ときに磁化の切り換えが二段階で起きるＥｍの形態から得られる。第１ステップでは、Ｍは、磁界がこれから９０±斜めである磁化容易軸へ初めに印加された方向に最も近い等軸の磁化容易軸から切り換わるであろう。次いで、第２ステップでは、Ｍは、その充分な反転を達成する付加的な９０度によって切り換わるであろう。１つのステップで解析がさらに遂行されると、これらの切換事象が起きる磁界が
Ｈｃ１，２＝(ε＋／−Ｋｕ)＝(Ｍ‖cos(φ)│＋／−│sin(φ)‖)
によって与えられることがわかり、ここで、分母におけるプラス（マイナス）符号はＨｃ１（Ｈｃ２）についてのものである。分子におけるＫｕの前の符号は、切り換えが単軸性磁化容易軸へ向かうものであるかあるいはそれから離れるものであるかによって決まる。それゆえ、その符号は、９０度ごとに反転し、また、Ｈｃ１およびＨｃ２について反対である（再びＣｏｗｂｕｒｎらを参照）。
【００２６】
上式に本発明者のデータを当てはめると、図２の極性プロットにおける実線が作られるが、これは実験結果とよく一致している。この当てはめによって、本発明者は、Ｋｕについては約−４５０エルグ／ｃｍ３、εについては１５５０エルグ／ｃｍ３の値を引き出すことができる。本発明者は、ＳＱＵＩＤ測定を通してこのサンプルの二段階切換作用を確認した。
【００２７】
この解析と図２とから、本発明者のサンプルは、磁化が［１００］あるいは
【数１】
2007536745.tif 000003
の結晶学的方向に沿って行われるときに高い抵抗状態にあることと、磁化が［０１０］あるいは
【数２】
2007536745.tif 000004
であるときに低い抵抗を有することとが明らかである。この映像は、より高い磁界で磁気抵抗の作用によってさらに支持されている。磁界が磁化容易軸に沿って配向しておらず、かつ、磁界が充分な飽和へ一掃されるときには、磁化は、磁化容易軸からその後に観察される抵抗の漸進的変化に対応しているＨ．Ａに平行である方向へ離れて回転するであろう。
【００２８】
本発明者はここで、磁化方位に関して（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおける異方性がこのスピンバルブ状効果の観察を表現するためには充分に大きいということを示している理論的解析へ戻る。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの電子構造は、分極したＭｎ局部モーメントによって作られた、スピン密度ＳＭｎの備わった有効転換磁界ｈ＝ＪｐｄＳＭｎの存在下における多数のＧａＡｓ価電子帯のｋ．ｐ包絡機能説明を利用して計算される（Ｄ．Ｊ．ＳｉｎｇｈおよびＤ．Ａ．Ｐａｐａｃｏｎｓｔａｎｔｏｐｏｕｌｏｓ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，（２００３）によって編集されたＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｌｅｘ  ＭａｔｅｒｉａｌｓにおけるＪ．ＫＡｏｎｉｇ，Ｊ．Ｓｃｈｌｉｅｍａｎｎ，Ｔ．Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ，およびＡ．Ｈ．ＭａｃＤｏｎａｌｄを参照）。［１００］および［０１０］に沿った磁化のためのトンネル抵抗どうしの間における差についての破線の面内等軸対称は、０．１％程度の面内単軸性歪みを導入することによって理論的にモデル化される。価電子帯における極めて強いスピン軌道相互作用のために、そのような小さい歪みは、上で概算されたものに匹敵するＫｕの値になるとともにかなり大きいＤＯＳ異方性にもなる。
【００２９】
部分的なＤＯＳを所与の帯域についての所与のｋｚでのＤＯＳとして定義することによって、本発明者は、図３に、Ｍｎモーメント転換磁界の存在によるスピン分割であるＧａＡｓの重いホール状態および軽いホール状態に由来する４つの占有帯のそれぞれについての面外ウェーブベクトルｋｚの関数として計算されたフェルミエネルギーでの相対部分ＤＯＳ異方性を示す（ΔＤＯＳｐａｒｔｉａｌはＤＯＳｐａｒｔｉａｌ（Ｍ‖［０１０］）−ＤＯＳｐａｒｔｉａｌ（Ｍ‖［１００］）と等価である）。ｋｂａｎｄＦ，ｚは、６％のＭｎＧａ濃度についての所与の帯域におけるフェルミウェーブベクトルである。
【００３０】
実験による７０Ｋのキュリー温度は、正孔密度を３×１０２０ｎｍ−３に仮定し、Ｍｎによって占められた陽イオン部位が４％ｗであると仮定することで、理論的に再生されるが、これは実験濃度が概算するものにかなり一致している、ことに留意すべきである。全てのｋｚをフェルミウェーブベクトルｋＦ，ｚまで積分して全ての帯域を加算することによって得られた全ＤＯＳ（ＤＯＳｔｏｔａｌ）には、磁化方位に対して１％未満のフェルミエネルギーでの異方性がある。しかしながら、トンネルコンダクタンスは、面内モーメントがトンネリングの間に保存されないときだけ、ＤＯＳｔｏｔａｌに比例している。より清浄な障壁および界面については、面内モーメントが少なくとも部分的に保存されて、大まかに言えば、より高い帯域およびｋｚのある状態についてのトンネリングのより高い可能性がもたらされる。図３に示されたように、これらの状態のＤＯＳｐａｒｔｉａｌは、磁化方位付けの際に１０数パーセントだけ変化することがある。図３は、全体のトンネル磁気抵抗効果の大きささらには符号が、置換型Ｍｎ不純物におけるか、あるいは帯域の相異なる範囲およびトンネリング電流の優位を占めるｋｚの状態を選択することができる障壁および界面特性における局部的スピンの密度のような（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ薄膜のパラメータによって決まる、ということも示唆している。
【００３１】
（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓのＤＯＳｐａｒｔｉａｌ異方性によって作られた磁気抵抗効果の全体の大きさを概算するために、本発明者は、清浄な障壁（完全な面内モーメント保存）については、トンネリングが、それぞれの帯域におけるフェルミウェーブベクトルに近いｋｚのある（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおける状態によって優位を占めることと、これらの状態のトンネリング可能性が帯域指数から独立していることとを仮定することから始める。本発明者はその後、ｋｚを減少させてフェルミエネルギーでの状態を加えることによって、モーメント保存条件を徐々に緩和する。図４では、本発明者は、２つの磁化方位について積分されたこのＤＯＳｉｎｔ（トンネリングに寄与するｋｚの仮定範囲にわたって積分されて、４つの占有帯域にわたって加算された）の間における相対差をプロットしている。トンネリング過程において加わるフェルミエネルギーでの全ＤＯＳの１０％程度については、理論的ＤＯＳｉｎｔ異方性は、実験的に観察された数パーセントのオーダーのＴＡＭＲと明確に一致している。
【００３２】
図４の左パネルにおける曲線は、相異なるＭｎドーピング濃度によって分類されており、Ｍｎの局部的スピン密度における磁気抵抗効果の一般的依存性を示している。中間磁界水準においては、このことは、スピン密度の大きさ｜ＳＭｎ｜が、一定温度でのＭｎ不純物の数を変化させることによって、あるいは一定ドーピング水準での個々のＭｎ局部モーメントの温度依存性平均スピン分極によって変化するかどうかについては、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ電子構造が有効転換磁界ｈ＝ＪｐｄＳＭｎの全体値にだけ依存する、ということを想起することによって理解することができる。それゆえ、図４の左パネルにおけるデータは、トンネル磁気抵抗の符号が温度とともに変化可能である、ということを示唆している。本発明者は、この符号の変化が単軸性異方性エネルギー定数の符号の変化によることなく起きる、ということを強調したい。図４における右パネルもまた、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ価電子帯における正孔の数に対するＴＡＭＲの強い依存性を予測している。
【００３３】
本発明者のサンプルでは、Ｍｎドーピングおよび正孔密度は明らかに一定である。しかしながら、温度依存性は試験することができ、その実験によって、上記理論的曲線に見られた符号の変化が確認される。図１ｃには、１．６〜２０Ｋの温度範囲についての３０度に沿った一組の磁気抵抗曲線が示されている。１．６Ｋでは、ＴＡＭＲ信号は明確に負である。１５Ｋによってゼロまで徐々に減少するその振幅は、符号を変化させるとともに、温度が２０Ｋまで上昇すると再び成長する。実際に、本発明者は、温度が４Ｋから２０Ｋまで増大すると、全体の極性プロットが符号を反転させる。Ｋｕの符号は温度とともに変化しないので、これは、転換および磁気異方性が本発明者のシステムとは独立して変わることができるという実験的確認である。
【００３４】
ここで研究されたＴＡＭＲは、スピン電子研究に新しい方向を開く豊富な現象論を示している。第２の強磁性層を回避することは、高温での操作のために基本的な結果を有してもよい。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／（Ａｌ，Ｇａ）Ａｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ型の構造では、ヘテロ構造の内側に埋められる強磁性層は、成長後アニーリング処置によって効果的に処理されるはずがなく、それゆえ、その比較的乏しい成長時磁気特性のままである（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．の８２巻（２００３）第３０２０ページのＤ．Ｃｈｉｂａ，Ｋ．Ｔａｋａｍｕｒａ，Ｆ．Ｍａｔｓｕｋｕｒａ，およびＨ．Ｏｈｎｏを参照）。本発明者の設計によれば、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓあるいは関連した強磁性半導体において達成され、過去２年にわたって徐々に増大している遷移温度によって制限された温度での、可能性のある操作が示唆されている。そのデータもまた、スピンバルブ状信号の意味、すなわち、高抵抗状態あるいは低抵抗状態が飽和状態で実現するかどうかということが、磁界の印加される角度によって、温度によって、あるいは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層、界面、およびトンネル障壁の構造的パラメータによって変わることができる、ということを示している。
【００３５】
最後だからといって重要でないことはないが、本発明者の実験によれば、２つの強磁性接点のある構造におけるトンネル磁気抵抗についての新しい展望がもたらされている。本発明者は、スピンバルブ実験の解析には、特に強いスピン軌道結合が存在している材料には、注意する必要があることを実証している。本発明者がここでわかったように、スピンバルブ状信号の存在は、トンネル構造におけるスピン分極電流の放出および検知を自動的に意味するものではない。他方において、建設的な方法で組み合わされた２つの明確な材料特性によって、今までにない特性の備わった双安定の磁気抵抗デバイスをもたらすことができる。本発明者はまた、ここで考察された効果の増幅が、例えばエピタキシャルＡｌＡｓのようなより大きいモーメント保存度の備わった障壁を利用することで、さらに最適化され得る、ということにも気付いている。
【００３６】
図１〜４に示されてこれまでに説明されたシステムには、１つの明確な座標システムがある。図５〜１６に示されて以下で説明されるシステムには、異なった明確な座標システムがある。これら２つのシステムは、互いに対して約１５０度だけ回転される。
【００３７】
図５には、両面強磁性半導体トンネル接合部に極めて大きいトンネリング異方性が備わったデバイスが示されており、この図５は、低温分子線エピタキシー（ＬＴ−ＭＢＥ）によってもたらされたような磁気トンネル接合部について使用された層構造を示している。Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓ（ｘ＝６％，ｄ＝１００ｎｍ）（参照符号２０１）／非ドープ型ＧａＡｓ（厚さ２ｎｍ，参照符号２０２）／Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓ（ｘ＝６％，ｄ＝１０ｎｍ，参照符号２０３）の３層構造が、半絶縁性ＧａＡｓ基板（参照符号２０７）および非ドープ型ＬＴ−ＧａＡｓ緩衝層（１２０ｎｍ，参照符号２０１）の上面で成長した。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層の強磁性遷移温度Ｔｃは６５Ｋである。図５ｂには、サンプルレイアウトおよび接触パッドが備わった最終輸送デバイスの模式図が示されている。金属蒸着および離昇に続く正のフォトレジストの備わった光リソグラフィを利用することで、ヘテロ構造は、１００μｍの側面の備わった内側の正方形接点メサ２０４と周囲の電気バック接点２０５との中へパターン化された。正方形メサ２０４の上面（Ｔｉ−Ａｕ接点）は１０ｎｍ厚さの上側（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層２０３に接触しており、バック接点２０５は１００ｎｍ厚さの下側（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層２０７に付着している。このサンプル構造によれば、強磁性体およびＧａＡｓトンネル障壁の双方を通して２プローブ式磁気抵抗測定を実行することができる。このデバイスの抵抗は、トンネル障壁を介する垂直トンネリングプロセスによって充分優位を占めており、同様にパターン化された、トンネル障壁のない対照試料が１０Ωのオーダーの抵抗を有し、トンネリング異方性磁気抵抗効果を示すサンプルは、Ｔ＝４．２Ｋでのその低抵抗状態においておよそ５００ｋΩの抵抗を有する。このことによって、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの体積磁気抵抗に由来するどのような寄与も充分に無視することができるようになる。
【００３８】
２プローブ式ＭＲ測定はその後、層積層体を垂直に流れている電流に対して実施される。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの体積抵抗率はわずかおよそ１０−３Ωｃｍであるので、デバイス抵抗はトンネル障壁によって優位を占めている。同様にパターン化された、トンネル障壁のない対照試料は、どのような体積（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ  ＭＲも充分無視することができると確かめるための１０Ωの抵抗を有する。
【００３９】
輸送測定は、温度可変インサートと相互直交状の３つの電磁コイルからなるセットとで適合された磁石クリオスタットの中で実施された。それらは、任意の方向において３００ｍＴ程度の磁界の印加を可能にする。多層の平面に印加された磁界は角度φによって表わされ、φ＝０度はその磁石におけるＸコイルの磁界の方向である。このサンプルについて、相異なる２つの型の実験が実施された。まず初めに、磁気抵抗の測定が、角度φ０でサンプル磁化を飽和させることによって実行され、その後、磁界の大きさＨが一定角度φ０で掃き上げられるかあるいは掃き下ろされると、デバイスの抵抗が測定された。実験の第２の型は、φスキャンであり、かつ、磁界の角度φを一定の大きさＨ０で一掃する間にその抵抗を測定することからなっている。
【００４０】
図６は、１０ｍＶのバイアスおよびＴ＝４．２Ｋで取得された磁気抵抗のプロットを示している。これらの測定値は［１００］および［０１０］の結晶方向に沿って印加された磁界で取得された。これらの方向は、ＳＱＵＩＤ磁気測定によって実証されたように、サンプルにおける磁化容易軸である。また、この分野におけるいくつかのグループによれば、類似した（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層について、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４巻（２００３）の第４５３０ページのＭｏｏｒｅ，Ｇ．Ｐ．，Ｆｅｒｒｅ，Ｊ．，Ｍｏｕｇｉｎ，Ａ．，Ｍｏｒｅｎｏ，Ｍ．，およびＤａｅｗｉｔｚ，Ｌ．による「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ａｎｄ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｉｎ  ｄｉｌｕｔｅｄ  Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｌｍｓ」およびＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１巻（２００２）の第２８０６ページのＨｒａｂｏｖｓｋｙ，Ｄ．，Ｖａｎｅｌｌｅ，Ｅ．，Ｆｅｒｔ，Ａ．Ｒ．，Ｙｅｅ，Ｄ．Ｓ．，Ｒｅｄｏｕｌｅｓ，Ｊ．Ｐ．，Ｓａｄｏｗｓｋｉ，Ｊ．，Ｋａｎｓｋｉ，Ｊ．，Ｉｌｖｅｒ，Ｌ．による「Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｒｅｖｅｒｓａｌ  ｉｎ  ＧａＭｎＡｓ  ｌａｙｅｒｓ  ｓｔｕｄｉｅｄ  ｂｙ  Ｋｅｒｒ  ｅｆｆｅｃｔ」と同様な磁気異方性が報告されている。
【００４１】
それぞれの方位について、磁界は正の飽和状態から負の飽和状態まで一掃され、ヒステリシス状に対称である曲線を作成するために戻された。６０度についての１つの方向には受け入れ矢印と参照符号２０８とがあり、１５０度についての１つの方向には受け入れ矢印と参照符号２０９とがある。両方の曲線について、かつ、３０ｍＴよりも大きい磁界において、デバイスの抵抗は、印加された磁界とそれぞれの磁化容易軸との間における２層の磁化の回転によって引き起こされた漸進的な変化だけを示している。より低い磁界であってゼロを横切った後には、磁化は、磁区壁の形成によってその方向を急に反転する。輸送データでは、このことは、抵抗における確定した変化と同様に、それ自体を明示している。重要な観点は、磁気抵抗が約３０％〜４０％程度の信号変化の備わったスピンバルブ状であるものの、それが正および負の双方であってよい、ということである。このことによって、本発明者の発見と、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．の８７巻（２００１）第０２６６０２ページのＴａｎａｋａ，Ｍ．，とＨｉｇｏ，Ｙ．，によって報告された「Ｌａｒｇｅ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｉｔａｎｃｅ  ｉｎ  ＧａＭｎＡｓ／ＡｌＡｓ／ＧａＭｎＡｓ  Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」のような構造に基づいた類似の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおけるトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）として解釈された先の報告とは、はっきりと見分けられる。
【００４２】
図６は、ＳＱＵＩＤによって実証されたように、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓにおける２つの等軸状磁化容易軸（それぞれ［１００］および［０１０］）に近い６０度（符号２０８）および１５０度（符号２０９）に沿って、電圧バイアスＶ＝１０ｍＶ、温度Ｔ＝４．２Ｋで取得されたＭＲスキャンを示している。低い｜Ｈ｜であって、いずれかの一掃方向にゼロを横切った後には、Ｍはその方向を急に反転する。このことは、４０％のスピンバルブ信号になる抵抗における変化として、輸送においてそれ自体を明示している。６０度に沿った測定は、先の観察結果と類似しているように見え、また、伝統的なＴＭＲについては間違えやすいであろう。しかしながら、１５０度で観察された顕著な符号変化は、その効果の異なった起源を指し示し、また、単一強磁性デバイスにおけるＴＡＭＲの観察結果と調和した解釈を強く示唆している。
【００４３】
本発明者がその平面において他の角度で｜Ｈ｜を適用すると、効果の増幅は一定のままであるが、くっきりした切換事象の位置および符号は、単一の磁性層デバイスについてのものと一致する内在的対称性のある強い角度依存性を呈する。それらのピークの形状におけるいくつかの微細構造を無視することで、二段階磁化反転の比較的まっすぐな映像は、この低い｜Ｈ｜対称性の原因となる。それは、小さい面内単軸性寄与がある主として等軸のものである（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの磁気異方性と、磁気反転が６０度の磁区壁の核生成および伝播によって起きるという事実との組み合わせに由来する。低い磁界では、磁化の干渉性回転ではなく、支配的な反転機構は、そのようにすることによるエネルギー利得が磁区壁の核生成／伝播に必要なエネルギーよりも大きいときにはいつも、急に切り換わる磁化からなっている。
【００４４】
別の重要な相違点は、磁界がサンプルの平面に対して垂直にすなわち磁化困難軸に沿って印加されるときの、極めて強い磁気抵抗である。Ｖ＝５ｍＶの励磁電圧におけるＴ＝４．２Ｋでの対応測定値が図７に表示されている。面内測定におけるＨに比較すると、この磁気抵抗曲線によって、２つの磁性層の極めて強い面内異方性が確認される。このバイアスでの最大抵抗変化は約６００％である。この値は、サンプルの平面に印加された同じ励磁電圧および磁界の備わった対応構成よりも際立って大きい。掃き上げ曲線は参照符号２１０で受け入れられ、また、掃き下ろし曲線は参照符号２１１で受け入れられた。
【００４５】
磁界が相互直交状の２つの磁化容易軸からずっと離れた角度で平面内に印加されると、効果の大きさはおおむね一定のままであるが、くっきりした切換事象の位置は、図８において実証された強い角度依存性を呈する。ここで、その磁界は、０度〜１７０度の範囲内の角度で１０度ずつ、サンプルの平面の中へ印加された。いっそう明確にするために、個々の磁気抵抗曲線は垂直方向にずれている。これらの磁化容易軸は、６０度程度の角度および１５０度程度の角度であり、プロットから、保磁磁界の最小値はこれらの角度で存在していることが明らかである。これらの磁化容易軸からずっと離れた磁界については、その輸送構成はいっそう広くなる。最大保磁磁界は、サンプルの端部に沿った方向に近い、２０度程度の角度および１１０度程度の角度で存在している。これらは、サンプル抵抗の最も強い連続変化を表示する方向でもあり、１つの層あるいは両方の層のＳｔｏｎｅｒ  Ｗｏｈｌｆａｒｔｈ状干渉性回転に帰することができるものである。
【００４６】
一般に、任意の所与磁界角では、多数の階段状構成が存在している。このような構成の豊富さにもかかわらず、主要な構成は磁化反転の比較的まっすぐな映像によって理解することができる。それは、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４巻（２００３）の第４５３０ページのＭｏｏｒｅ，Ｇ．Ｐ．，Ｆｅｒｒｅ，Ｊ．，Ｍｏｕｇｉｎ，Ａ．，Ｍｏｒｅｎｏ，Ｍ．，およびＤａｅｗｉｔｚ，Ｌ．による「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ａｎｄ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｉｎ  ｄｉｌｕｔｅｄ  Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｌｍｓ」あるいはＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８１巻（２００２）の第２８０６ページのＨｒａｂｏｖｓｋｙ，Ｄ．，Ｖａｎｅｌｌｅ，Ｅ．，Ｆｅｒｔ，Ａ．Ｒ．，Ｙｅｅ，Ｄ．Ｓ．，Ｒｅｄｏｕｌｅｓ，Ｊ．Ｐ．，Ｓａｄｏｗｓｋｉ，Ｊ．，Ｋａｎｓｋｉ，Ｊ．，Ｉｌｖｅｒ，Ｌ．による「Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｒｅｖｅｒｓａｌ  ｉｎ  ＧａＭｎＡｓ  ｌａｙｅｒｓ  ｓｔｕｄｉｅｄ  ｂｙ  Ｋｅｒｒ  ｅｆｆｅｃｔ」のような文献から、また、単一の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層および類似の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層が等軸性寄与［１００］軸および［０１０］軸に沿ったより小さい単軸性寄与からなる異方性を有する単一（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層についての本発明者のＳＱＵＩＤおよび磁気輸送測定から、既知である。単一の磁区の全磁気エネルギーＥｍについての表示は、
Ｅｍ＝Ｋｕsin２(θ)＋Ｋｃsin２(２θ)−ＭＨcos(θ−φ)        （式１）
になり、ここで、Ｋｃは等軸異方定数であり、Ｋｕは単軸異方定数である。Ｈは印加された磁界の振幅であり、ｑは［１００］結晶方向から測定された磁化の角度である。本発明者のデータから、低い磁界では磁化の干渉性回転は磁化反転の支配的機構ではないことが明らかである。これらの磁界水準では、磁区壁は役割を果たす。磁化は、そのようにすることによるエネルギー利得が磁区壁の核生成／伝播に必要なエネルギーよりも大きいときにはいつも、局部エネルギー最小値から全体エネルギー最小値へ切り換わる。全体エネルギー最小値が電流磁化方向に対してどこに存在しているかによって左右されるが、磁区壁は９０度磁区壁あるいは１８０度磁区壁であってよい。
【００４７】
磁気抵抗の適切な小さいループを測定することによって、本発明者は、両方の層がφ＝６０度に近いそれらの単軸性磁化容易軸を有し、第２のわずかに磁化が容易でない軸が１５０度に沿っている、ことを示すことができる。典型的なデータは図９に示されている。点線の黒い曲線２１２は、φ＝０度に沿った正の飽和状態から負の飽和状態への掃き下ろしの間にまず取得された。この抵抗データにおける第１の最も大きい急上昇は、最も近い等軸性磁化容易軸（φ＝３３０度）からφ＝２３５度に沿った単軸性磁化容易軸へ遷移する両方の層によるためである、とみなされた。このことは、さらに別の点線状曲線２１３を（１３ｍＴ）程度までだけ測定し、第１急上昇の後にその磁界を停止することによって、試験された。その後、磁界は、０度に沿ってゼロまで掃き戻され、次いでφ＝２３５度に沿って再び上昇した。付加的曲線２１４に沿った抵抗の漸進的減少を除いて、１５０ｍＴ程度で急な上昇は起きないが、これは、磁化がすでにこの方向に沿って存在していたということの証明である。類似の実験によって、７５０ｋΩ程度の上部抵抗水準は両方の磁性層が１５０度程度でわずかに弱い磁化容易に沿って磁化されることに関連がある、ことが示された。
【００４８】
小さいループは、磁気異方性がこのデバイスに内在する輸送／抵抗異方性と密接に関連しているということを示している。図６から、７００ｋΩ程度の高抵抗状態に等しいＭ｜｜［１００］を両方の層が有し、また、それらがＭ｜｜［０１０］であれば、これは４８０ｋΩの抵抗に相当している、ことがわかる。これは本発明者のデバイスにおける独自の特徴であるが、その理由は、Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５４Ａ巻（１９７５）の第２２５〜２２６ページの「Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｌｍｓ」におけるＪｕｌｌｉｅｒｅ，Ｍ．のモデルの内部で説明された普通のスピンバルブとは対照的に、本発明者のサンプルが、これらの層における磁化の絶対方向に対して正確に高感度であって、それらの相対方位（平行／逆平行）に対しても正確に高感度である磁界センサを表示しているからである。この特性は図１０に実証されている。このφスキャンでは、Ｔ＝４．２ＫおよびＶ＝５ｍＶで、磁界振幅｜Ｈ｜は３００ｍＴで一定に維持され、その方向は反時計回りに一掃される。この測定は、Ｍを飽和させるために充分に大きい｜Ｈ｜で、時計回りあるいは反時計回りに一掃されることと同一である。そのグラフは、印加された磁界の方向に対してプロットされたこのデバイスの抵抗を表示している。高い外部磁界のために、これら２つの層の磁化がほぼ共線的なものであることを確実に推測することができる。データは、６０度程度での最も低い抵抗と１２０度での最も高い抵抗との間に３００％を超える変化があるという予期しない結果をもたらしている。
【００４９】
φスキャンの状況は、印加された磁界の大きさとともに劇的に変化する。このことは図１１に実証されており、ここでの磁界は、磁化の９０度切り換えについての任意の方向に沿って必要とされる最も高い磁界よりもわずかに高いように、注意深く選択された。まず、磁化は、負の単軸性磁化容易軸、φ＝２４０度に沿って飽和された。その後、磁界は、Ｈ＝２５ｍＴまで低くされて、時計回り方向に一掃され（第１曲線２２１）、かつ、反時計回り方向に一掃された（第２曲線２２２）。
【００５０】
このデータの主要な特徴は、抵抗水準における４０％程度の急上昇である。これらは、φ＝９０度ではサンプルが［０１０］磁化容易軸に沿っているＭに関連した低い抵抗状態にあるということに留意することによって、割に簡単に説明することができる。φは［１００］磁化容易軸にいっそう近接して一掃されるので、Ｍは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層における面内等軸対称性を破壊する付加的な単軸のために高い抵抗状態に対応して、この方向へ最終的に切り換わるであろう。これらの曲線は、それらが磁化容易軸についてほぼ面対称であるべきであるので、２つの一掃方向について異なっているに違いない。この対称性からの偏差は不均一な歪み分布の結果であると考えられる。
【００５１】
最小抵抗値と最大抵抗値との間に位置しているデータには、磁化容易軸に完全に沿っている層の磁化に対応しているいくつかの特徴的な抵抗水準が存在している。様々な中間状態の存在は直接的な方法で説明することができる。意図的に、これら２つの層の磁気異方性は同一ではない。これらの層におけるわずかに異なった歪み状態と異なった厚さとによって、わずかに異なった保磁磁界が創り出される。従って、磁界が平面の中で回転されると、これらの層は同時には切り換えられない。２つの層のうちのより柔らかい層が早く切り換えられるであろう。これによって、磁石どうしの間における相対角度が３００ｍＴφスキャンにおけるようなゼロではなく、例えば９０度あるいは１８０度である構成が創り出される。これらの構成には全て、異なった抵抗が備わっているので、サンプルのスピンバルブ状作用が、普通の磁気抵抗測定と同様に、回転する磁界において認められる。対照実験として、Ｈ＝１５ｍＴでの同様のφスキャンもまた実施された。予想どおり、１５ｍＴは、これらの層のいずれかを任意の磁界方向で切り換えるためにはあまりにも低い磁界であるため、サンプルの抵抗はその最も低い値で一定のままであった。このような独自の作用によって、ある閾値よりも高くてそれよりも低くはない回転磁界においてプログラムすることのできるスピンバルブについての新規な設計展望が開けている。
【００５２】
トンネル接合部のスピンバルブ状信号の大きさは、図１２に表示された極めて強い電圧依存性を示している。様々な曲線は、４．２Ｋの温度でφ＝３０度に沿って取得された磁気抵抗測定値に関するものである。励磁電圧は５００μＶから１０ｍＶまでの範囲にある（曲線２３１、２３２、２３３、２３４および２３５）。低抵抗状態は、バイアスの減少にともなって５００ｋΩから約７５０ｋΩまで増大する、比較的低い変化を示す。これに対して、高い抵抗値は、同じ電圧範囲において３５０％を超えて増大する。同じような値は、異なったバイアスでのφスキャンについて適用される。
【００５３】
図１３、図４および図１５は、磁気抵抗およびφスキャン測定における減少温度の結果を示している。このデータから、この構成の大きさは極端に温度依存性であることが明らかである。Ｔ＝１．７Ｋへの温度減少によって、図１３におけるφ＝６０度磁気抵抗曲線に表わされたように、１５００００％への増大への効果が引き起こされる。バイアスおよび温度の両方がより低いためにそれは大きすぎるが、その効果は、図６における対応曲線におけるものと定性的にまだ同じである。付加的な測定値は、温度あるいはバイアスがいっそう下がると、構成の大きさがなお増大する、ことを示している。しかしながら、そのようにすると、１０１０Ωへ到達する高抵抗水準を解消することはますます困難になる。従って、１５００００％は、本発明者が実験設備によって制限されるように、本発明者の効果の大きさについてのまさに下限である。
【００５４】
図１６は低いバイアス電圧および温度での効果の増幅を示しており、この中で、ａ）は、様々なバイアス電圧についての４．２Ｋでのφ＝３０度に沿ったＴＡＭＲを表わし、ｂ）は、１．７Ｋおよび１ｍＶバイアスでの超巨大なＴＡＭＲを表わし、ｃ）およびｄ）は、低いバイアスおよび温度でＴＡＭＲが状態密度の詳細な異方性を精査することを示している、１．７Ｋでの様々なバイアス電圧についてのφを表わしている。
【００５５】
本発明者のデバイスにおける別の顕著な特性は、図１６ａに表示された、信号の極めて強い電圧依存性である。様々な曲線は、５００マイクロボルトから１０ｍＶまでの範囲に及ぶ電圧についてＴ＝４．２Ｋでのφ＝６５度に沿った磁気抵抗を示している。その低抵抗状態には、バイアスが減少するにつれて２０％程度の比較的小さい変化がある。これに対して、高抵抗状態は２５０％を超えて増大する。ＴＡＭＲ効果の振幅はまた、図１６ｂに示されたように、Ｔに対して極めて高感度でもある。ここで、本発明者が４Ｋと１．７ＫとにおけるＶ＝１ｍＶ曲線を比較すると、その効果は１５００００％まで増大している。実際に、これは使用された増幅器の検出限界に対応している下限に過ぎない。効果の振幅は低いＶおよびＴで劇的に増大し、一般的な対称性は、効果の原因が変化しないことと、しかし、それは付加的な機構によって増幅されることとを表わして、変化しないままである。
【００５６】
この超巨大なＴＡＭＲの増幅は、金属絶縁体遷移層が交差するときにＥＦでのＥｆｒｏｓ−Ｓｈｋｌｏｖｓｋｉｉギャップの開口に起因するように思われる汚染金属からのトンネリングにおける周知のゼロバイアス異形の現れとして理解することができる。実際に、そのような効果は、注入領域を障壁に近い極めて薄い層に制限する２〜３オングストロームの短い（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ平均自由行路を仮定すると、本発明者のデバイスにおいて観察されるであろう。従って、障壁の近くの空乏化によって、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓスラブの大部分においてよりも注入領域において低いキャリア密度が引き起こされるに違いない。従って、注入器は、典型的な（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層よりも金属絶縁体遷移層にいっそう近いものであろう。さらにまた、本発明者は、ＤＯＳがＭとともに変化することをすでに知っている。従って、本発明者が実験を低いＶおよびＴで行うと、トンネリングにおいて加わる効果的なＤＯＳは、ＴＡＭＲ効果の大きい増幅につながるＭの再方位付けとともに、金属絶縁体遷移層を通して行うことができる。Ｅｆｒｏｓ−Ｓｈｋｌｏｖｓｋｉｉギャップが支配的な促進機構であるというさらに別の表示は、Ｔが４．２Ｋから１．７Ｋまで変化するときの効果の増幅が、低いバイアス電圧については強いものの、より高い電圧（１０ｍＶ）ではＳｉ：Ｂの金属絶縁体遷移層の近くにおけるトンネリング実験の結果に一致しているように見えない。無秩序で不純物が介在するトンネリングのようなＴＡＭＲの促進についての他の可能な機構は、役割を果たすこともできるとともに、おおむね却下すべきものではない。
【００５７】
最後に、図１６ｃおよび１６ｄには、様々なＶについての１．７Ｋでのφスキャンが示されており、これらは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層のＤＯＳにおける異方性についての検出器として作用する、このデバイスの別の重要な点を実証している。図１６ｃには、より低いバイアスでよりいっそう顕著になるいくつかの微細構造がすでに示されている。これは、本発明者がＤＯＳの異方性における微細構造の検出を開始するときに期待されており、ギャップの開口が相異なる有効質量を有する様々な帯域について異なって作られるべきであると仮定すると、複雑なものであろう。
【００５８】
要約すれば、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓトンネル構造における超巨大なＴＡＭＲ効果が観察されたが、それは、４Ｋでは数百％のオーダーのものであり、また、より低い温度では１５０  ０００％まで増幅され得る。この構造の作用は、磁界が［０１０］方向に沿って印加されたときの普通のＴＭＲによく似ているだけでなく、振幅に対する感度のみならず印加された磁界の方向に対する感度までものような新しい機能性もまた表わしている。この新規な効果の実験的特徴の多くは、磁化方向に対する一粒子型トンネリングのＤＯＳ異方性によって理解することができる一方で、低いバイアスおよび温度での劇的な増幅によって、強いスピン軌道相互作用の備わった無秩序な相互作用型電子装置におけるトンネリング輸送の理論についての新しい困難な問題が引き起こされる。
【００５９】
それらの磁化の方向に左右される状態密度がある２つの層の間におけるトンネリングを利用することで、本発明者は半導体スピンバルブデバイスについての新しい機能性を実証している。これらの機能性には、磁化の相対方位に対する感度のみならずそれらの絶対方位に対する感度およびそれに加えて外部磁界の方向に対する感度までもと同様に、振幅が１０００００％を超える効果が含まれている。
【００６０】
図１７には、角度φでＭを飽和させた後の０ｍＴでのサンプル抵抗が示されている。測定の階段関数作用によって、外部磁界のあるＴＡＭＲデバイスへ情報を書き込むとともに、後にこのデバイスの抵抗を測定することでそれを読み出すことが可能になる。ここに示されたデータは、Ｔ＝４．２ＫでのＡｕ／ＡｌＯｘ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプル（ａ）と、Ｔ＝４．２Ｋでの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプル（ｂ）と、Ｔ＝１．８Ｋでの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプル（ｃ）とにおいて測定されたものである。従って、この図は、外部磁界による記憶素子の読み取り／書き込みおよび／またはＴＡＭＲセンサのプログラム可能性に関連がある。以下の本文において、角度φは０度が［１００］結晶方向に沿って位置するように定義される、ことに留意しなければならない。
【００６１】
ＴＡＭＲにおいては、サンプルのそれぞれの強磁性層における磁化Ｍの絶対方位どうしの間には直接的な相関関係がある。このことは例えば、外部磁界のためのセンサを構成するために、あるいは、ＴＡＭＲに基づいたデバイスの中に情報を記憶するために、様々なやり方で使用することができる。このセンサの原理と記憶の原理とは、ＴＡＭＲデバイスにおける強磁性層の総数とは関係なく、同じであってよい。図１７におけるデータは、磁化Ｍを角度φに沿って飽和させた後に測定された磁界Ｂ＝０ｍＴでのサンプル抵抗のプロットである。片面強磁性ＴＡＭＲサンプル（図１７ａ）および両面強磁性ＴＡＭＲサンプル（図１７ｂ，１７ｃ）の両方とも、この種の実験において定性的に類似した特徴を示している。これらの図は、磁気状態を準備するために利用された角度φに沿ったサンプルの抵抗を表示している。全てのプロットにおける最も顕著な特徴は、低抵抗状態と高抵抗状態とを分離するはっきりした階段があることである。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプルの場合には、４．２Ｋ測定における普通のＴＡＭＲ（図１７ｂ）について両方とも真実であるが、より低い温度で起きる超巨大なＴＡＭＲ（Ｔ＝１．８Ｋ、図１７ｃ）についても真実である。
【００６２】
階段状作用の背後にある機構は本発明者のＴＡＭＲモデルを使って説明することができる。磁界が極めて高くて角度φに沿った値を指しているときには、その磁化は磁界に沿って配向している。磁界がゼロまで低くなると、その磁化は磁化容易軸の１つに沿って落ち着く。例えば９０度方向程度の隔たりでは、［０１０］磁化容易軸が好ましく、０度方向程度の隔たりでは、その磁化は［１００］磁化容易軸へ静止する。このことは、これらの測定において２つの主要な抵抗水準が存在することを説明している。
【００６３】
サンプルのこの特性は、記憶素子を製造するために使用することができる。まず、その情報（例えば、高い抵抗は「１」に等しく、低い抵抗は「０」に等しい）は、例えば外部磁界を利用して、適切な方向に沿って磁化を切り換えることで、その素子の中へ書き込むことができる。その後、ゼロの外部磁界で、その情報は、デバイスの抵抗を測定することで読み取ることができる。
【００６４】
この特許の範囲内で説明されたこのデバイスの組み立てには、対称性の破壊が必要であり、また、それによって、磁化ベクトルが様々な結晶学的方向に沿って整合するときに相異なる抵抗状態の観察をもたらすために、強磁性層における磁気異方性の創造が必要である。さらにまた、このデバイスの詳細な作用は、磁化反転プロセスそれ自体に左右される。本発明者は、磁気異方性および磁気反転プロセスの両方を上側層によるとともに下側にある基板および緩衝層の細部によって調整することができる、ということを提案する。
【００６５】
立方対称性のある材料については、［１００］、［０１０］、および［００１］の結晶学方向の間に対称性がある。対象層へ完全には格子状一致しない下側層における成長から生じる歪みに起因して、対称性が［００１］成長方向と［１００］および［０１０］方向を含んでいる平面との間で破壊される、ということは周知である。しかしながら、［１００］方向と［０１０］方向とは一般的に等価である。
【００６６】
［１００］方向と［０１０］方向との間に異方性を創り出すために、面内４重対称性は破壊しなければならない。このような対称性の破壊を達成する３つの方法は、次のとおりである。
Ａ    名目上の主格子方向に対してわずかにミスカットされている基板における成長を開始し、その後にシステム対称性を破壊すること。
Ｂ    緩衝層の適切な選択。
Ｃ    上側層の使用。
【００６７】
面内４重対称性の破壊に加えて、磁気抵抗スキャンの間に様々な結晶学方向どうしの間で抵抗状態のはっきりした切り換えを達成するためには、ゆっくりした連続的な回転とは対照的に、磁化方向における不連続的な変化が必要である。このことは、干渉性回転による代わりに、磁区壁の核生成および伝播による巨視的磁化状態の補正に好都合である状態を創り出すことによって、達成することができる。さらにまた、上に掲げたものと同じ３つの方法を独立してあるいは組み合わせて利用することで、そのような切り換えを、全ての３つが作用して層の全体対称性を破壊するように達成するとともに、磁区壁の形成に好都合である核生成種を創り出すことができる。
【００６８】
以下の本文では、本発明者は、強磁性層の磁気異方性と磁化再方位付けプロセスとにおける上掲因子におけるそれぞれの役割の研究に関する実験結果を示す。
【００６９】
図１８には、高抵抗状態と低抵抗状態との間の遷移領域において測定された高い角度分解能φスキャン（Ｂ−０ｍＴ）が示されている。測定値は、Ｔ＝４．２Ｋ（ａ）およびＴ＝１．８Ｋ（ｂ）での中間抵抗状態の存在を示している。この状態では、２つの磁化どうしの角度は９０度である。従って、図１８は、２つの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層の磁化どうしの角度である９０度によって特徴付けられた磁気状態の存在を実証している。
【００７０】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプルについての、図１７ｂおよび図１７ｃにおける高抵抗状態および低抵抗状態の間の遷移領域のより細密な検査によると、サンプルが中間抵抗状態にある小さい隔たりの存在が明らかになる。このことは、図１８ａ（Ｔ＝４．２Ｋ）および図１８ｂ（Ｔ＝１．８Ｋ）に表示された高い角度分解能φスキャンによって示されている。中間状態の解釈は、この角度間隔において、２つの層の一方が高抵抗［１００］方向に弛緩し、例えばわずかに異なった結晶磁気異方性の備わった他方が低抵抗［０１０］方向に沿って配向する、ということである。この場合には、２つの磁気ベクトルの間に９０度の角度がある。遷移領域の上方および下方で、これら２つの磁化は共線的である。
【００７１】
図１８ｂにおける低温測定結果は９０度状態における別の興味深い性質を示している。同じ測定結果（満ちた正方形）が２回取得されると（満ちた円形）、１つの測定結果および所与角度ではサンプルは高抵抗状態にあり、その後の同じ角度での測定結果ではサンプルは中間状態にある。繰り返し測定結果は、説明文「繰り返し」で表され、満ちた円形で示されている。言い換えれば、この角度ウィンドウはサンプルの抵抗双安定性を表示している。実験によって、この双安定性は１．５ｍＶ〜７．５ｍＶとの間の大きい範囲における励磁電圧について存在していることが実証された。
【００７２】
図１９は、図１９ａ）においては、図１７ｃの高抵抗形態および低抵抗形態の遷移領域に近いφ＝５１度およびφ＝１４９度に沿った磁気状態を準備した後に、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓトンネル接合部においてゼロ磁界で測定されたＩＶ曲線を示している。この測定結果は、電流支援型切り換えの根拠であるＶ＝７ｍＶでのはっきりした不連続性を示している。図１９ｂ）は、１４９度のＩＶ曲線（星印）の不連続性と、サンプルの高抵抗状態と中間抵抗状態（「９０度」）との間の電流支援型切り換えを示唆する図１８ｂの双安定性との相関関係を示している。従って、図１９は、磁化の電流誘発型切り換え／電流支援型切り換えの根拠に関係がある。
【００７３】
以下における様々な実験には、磁界に影響を及ぼすことができるという根拠が含まれており、従って、適切な電流を印加することにより、サンプルの抵抗状態が示される。
【００７４】
図１９ａは、−１０ｍＶから＋１０ｍＶまでの励磁電圧を一掃することによって、また、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓトンネル接合部を通して電流を測定することによって記録された２つのＩＶ曲線を示している。これらの測定は、磁気状態がそれぞれφ＝５１度およびφ＝１４９度に沿った大きい磁界で準備された後に、Ｔ＝１．７Ｋおよびゼロの磁界で行われた。これらの角度は、図１７ｃに示された高抵抗状態と低抵抗状態との間の遷移領域に近いものであり、従って、双安定性を示している図１８ｂに示された領域にも近いものである。両方のＩＶ曲線の最も顕著な特徴は、ｘ軸におけるおよそ７ｍＶの箇所に位置した不連続性である。このサンプルは、高い抵抗状態から極めて低い抵抗状態へ急に遷移を受ける。これらの特徴構成が図１８ｂの双安定性領域に近いことは、両方の実験における抵抗の降下が同じ原因であるという仮説に直ちに結び付く。図１９ｂにおいて、本発明者は、１４９度のＩＶ曲線（星印）の不連続性と１４７度周辺の双安定性領域とを比較する。その抵抗を匹敵するものにすることを可能にするために、φスキャンは、ＩＶ曲線の不連続性の箇所に近い６．９ｍＶのバイアスで測定された。一致は、特に９０度／中間抵抗状態について、良好である。従って、本発明者は、この場合におけるトンネル構造の中へ充分に高い電流を注入することが平行磁化状態から９０度磁化状態への遷移に好都合である、ということを提案する。
【００７５】
図２０は、双安定性の内側であるφ＝１４６．７５度に沿った磁界が準備されたサンプルの磁気状態を示している。その後、外部磁界は、サンプルへ電圧が印加される間にゼロにされた。この処置は多数回、繰り返されて、ゼロ磁界でのその結果の抵抗値が測定値の指数に対してプロットされた。
【００７６】
このようにして、図２０は、トンネル接合部の磁化作用において電流が有する影響のいっそうの根拠を表している。そのデータは、トンネル接合部の磁気状態がφ＝１４６．７５度に沿った大きい磁界を利用して準備された時点ごとにおける、それに続く多くの測定結果の集計である。この角度は、図１８ｂに表示された双安定性ウィンドウと一致している。実験の間に、サンプルは、１．５ｍＶ〜７．５ｍＶとの間で選択された所定電圧バイアスで一定に維持された。外部磁界がゼロまで低くされた後に、サンプルの抵抗が測定された。この処置は多数回、繰り返されて、ゼロ磁界でのその結果の抵抗値が指数に対してプロットされた。測定された全てのバイアスで、本発明者は、より高い抵抗水準とより低い抵抗水準との共存に気付いている。本発明者はまた、励磁電圧が変化すると、より高い抵抗状態とより低い抵抗状態との間の均衡が移動することにも気付いている。バイアスが高ければ高いほど、より低い抵抗状態の形成に明らかに好都合であり、バイアスが低ければ低いほど、この角度でのより高い抵抗状態の形成に明らかに好都合である。
【００７７】
これまでの本発明者の知見では、この実験におけるバイアス電流の増大によって低抵抗状態の発生の確率が増大するように見える。このことはまた、図２０に示されたデータからも直ちに明らかである。これらの知見は、サンプルとその磁気切り換え作用を通る電流の間の明確かつ強い相互関係が存在するという事実を明確に支持する。
【００７８】
図２１には、（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓウエハＳ２０から取得された成長ずみ試料におけるＳＱＵＩＤが示されている。その測定値は、サンプルの［１１０］縁から１５度ずれた方位にある磁界で導かれる。
【００７９】
図２２には、名目上は片面ＴＡＭＲ層と同一であるＡｕ／ＡｌＯｘ／（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓサンプルにおけるＳＱＵＩＤ測定値が示されている。これらの測定値は、使用された磁化反転／磁気異方性モデルの妥当性を確認するものである。（ａ）［１００］磁化容易軸および［１１０］磁化困難軸に沿った磁界での測定値。（ｂ）測定値はサンプルの［１１０］縁から１５度ずれた方位にある磁界で導かれる。
【００８０】
上記の図２１および図２２は、強磁性層の異方性をその強磁性層の上部における表面層によって調整することができる、という実証に関係がある。
【００８１】
本発明者は、強磁性（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層の磁気異方性および切換作用における強磁性上側層の影響を研究するために、一組のＳＱＵＩＤ測定を実行した。これらのＳＱＵＩＤ測定についての第２の目的は、輸送データを説明するために使用された磁気異方性／磁区壁関連切換機構モデルを支持することであった。
【００８２】
このサンプルでは、磁化反転には、面内異方性方向どうしの間における２つの連続的９０度切換事象かあるいは全磁化容易軸（［０１０］方向）における単一の１８０度切換事象かのいずれかが、常に含まれている。これらの磁気抵抗データでは、これらの切換事象は、くっきりした階段として（あるいは、図示されていないが、ある角度で）現れている。ＳＱＵＩＤでは、それらは測定された磁気モーメントにおける階段として現れている。このＳＱＵＩＤデータを解析するためには、人は、ＳＱＵＩＤ磁力計が磁化ベクトルの絶対値を測定するのではなく測定軸へのその射影だけを測定する、ということに留意しなければならない。本発明者の事例では、測定軸は印加された磁界の軸に対して平行である。このことは、サンプルの全磁気モーメントがＭｔであり、かつ、そのベクトルがＳＱＵＩＤ軸の方向に対して角度φだけ回転された磁化容易軸に沿って示されるときには、測定されたモーメントＭｍがＭｍ＝Ｍｔ cos（φ）によって与えられる、ことを意味している。
【００８３】
図２１には、（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓウエハＳ２０（これは、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＡｌＯｘ／Ａｕ輸送デバイスの組み立てに利用された上側層である）から取得された成長ずみ試料におけるＳＱＵＩＤ測定値が示されており、図２２には、ＡｌＯｘおよびＡｕの上側層で被覆された同じ上側層について測定されたＳＱＵＩＤデータが示されている。これら２つの上側層の備わったサンプルは、ＴＡＭＲを表した単一強磁性トンネル接合部と名目上同じである。成長ずみサンプルについての図２１における測定値は、サンプルの［１１０］縁から１５度ずれた方位にある磁界で導かれる。同じことは、上側層の備わったサンプルについての図２２における測定値に当てはまる。これは、２つの連続的９０度階段での磁化反転（「二段階切り換え」）に関連した単一型片面スピンバルブサンプルが極めてはっきりした急な磁区壁支援型切換特性を示した角度に対応している。上側層のない成長ずみサンプルについてのＳＱＵＩＤ測定値は、二段階切り換えのどのような有意の符号も示していない。これに対して、図２２ｂにおける被覆されたサンプルの測定値は、以下の解析に示されたように、二段階切り換えを示している。
【００８４】
図２２ａには、層の［１１０］磁化困難軸に沿った磁界のある測定値と、［１００］磁化容易軸に沿った磁界のある別の測定値とが含まれている。測定された磁気モーメントの大きさから、人は、層の全磁気モーメントが１．０１×１０−５であると容易に結論付ける。この値は、［１１０］軸の測定から引き出されたものであるが、その理由は、本発明者の取付方式では、サンプルの縁に沿った配向が、縁に対して４５度回転された磁化容易軸に沿った配向よりもいっそう正確であるからである（このＳＱＵＩＤ測定はサンプルの取り付けにおいて４度の誤配向を示した）。図２０ｂでは、残留磁化は８．５６×１０−６ｅｍｕであり、これは、磁界方向から３１．２度離れた磁化容易軸に存在する全磁気モーメントの射影である。これは、意図された名目上の３０度配向に見事に一致している。ヒステリシスループにおける以下の大きいステップは、本発明者のモデルによって予測されたように、［１００］から［０‐１０］への磁化の９０度切り換えに関連している。
【００８５】
要約すると、ＳＱＵＩＤデータによれば、本発明者の磁気モデルと、上側層が下側にある（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層の磁化作用に重要な役割を演じるという事実との両方が確認される。
【００８６】
強磁性体における相異なる上側層の影響を決定するために、いくつかの付加的なＳＱＵＩＤ測定が行われた。それらは全て、それらをトンネル接合部の結果と比較することができるようにするために、ウエハＳ２０からのサンプルについて実行された。検査した上側層の全ては、薄いＡｌＯｘ上側層で被覆されたＳ２０である成長ずみサンプルの磁気作用を変化させた。
【００８７】
図２３は、薄いＡｌＯｘだけで被覆されたウエハＳ２０からの試料に行われた様々なＳＱＵＩＤ測定を表示している。図１９ａは上側層の２つの等軸性磁化容易軸に沿った２つの測定を示しており、これらは、Ｓ２０の電気的磁気抵抗測定の０度方向および９０度方向に対応している。残留磁化は９．１２×１０−６ｅｍｕである。図１９ｂにおける測定はサンプルの縁に沿って行われたが、それらは、ｃｏｓ（４５°）の因子によってすっかり減少しているとして説明することができる。同じ考察を、図１９ｃに示された測定に適用することができる。そのサンプルは、サンプルの縁から１５度離れた角度で、言い換えれば、Ｂの方向からおよそ３０度離れた最近接磁化容易軸で、磁界に取り付けられる。それはまた、図２１および図２２ｂに示された測定値と等価でもある。比較することによって、ＡｌＯｘ上側層の適用によってもまた、はっきりした二段階切り換えの発生が起きるように見えるが、それは、９０度切り換えは、ＡｌＯｘ被覆サンプル（図２３ｃ）では確認することができるが、成長ずみサンプル（図２１）では生じないからである。
【００８８】
図２４は、薄いＡｕ上側層で被覆された７０ｎｍ厚さの（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓサンプルにおけるＳＱＵＩＤ測定値を示している。これらのサンプル縁の１つに対して小さい角度（＜３０度）での磁界。このサンプルは二段階切り換えを示している。
【００８９】
同じ観察がＳ２０の上部におけるＡｕ上側層について行われている。そのＳＱＵＩＤ測定値は図２４に表示されている。また、このサンプルにおいて、本発明者は、サンプル縁の一方に対して小さい角度で印加された磁界で二段階切り換えが生じたことを発見した。
【００９０】
要約すると、強磁性層における上側層は、その磁気異方性および／または切換作用を二段階磁化反転の促進のようなやり方で顕著に変化させることができるとともに、それはＴＡＭＲの擬似スピンバルブ作用の重要な構成要素である。
【００９１】
本発明者は、下にある基板のミスカット（結晶方位ずれ）によって強磁性層の磁気異方性および磁化反転に影響が及ぶことを見出だし、また、そのことに留意している。
【００９２】
この仮説を支持するために、本発明者は、意図的にミスカットしたＧａＡｓ［００１］基板の上に、いくつかの単一の強磁性（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層を成長させた。これらのサンプルは次のものを含んでいた。
Ｓ９７Ａ：  ミスカットなし
Ｓ９７Ｂ：  ミスカット５度／［１１０］、９０度
Ｓ９７Ｃ：  ミスカット５度／［１１１］、９０度
Ｓ９７Ｄ：  ミスカット５度／［１１１］、１８０度
【００９３】
これらのサンプルの比較可能性を最大にするために、相異なる４つの基板が、ＭＢＥチャンバーの中で互いに隣接するように置かれた。従って、全ての成長条件は全てのサンプルについて同じである。成長の後に、およそ３×３ｍｍの正方形をした大きさの小片が切断され、また、Ｔ＝４．２Ｋでの一連の測定がそれらの全てについて行われた。答えるべき質問は、サンプルがそれらの磁化反転作用および磁気異方性の点でどのように異なっているのか、ということであった。ＳＱＵＩＤ信号における二段階切り換えの可視性を最大にするために、サンプルは、サンプルの［１１０］方向から約１５度の角度でＳＱＵＩＤ（従って外部磁界）の測定方向に配向された。ＳＱＵＩＤ測定の結果は、全てのサンプルが異なった磁化反転を呈することである。全てのサンプルは、二段階あるいは少なくとも複数段階の反転の兆候を示している。サンプルからサンプルまで、これらのステップは多かれ少なかれ顕著であり、最も顕著でないのはサンプルＳ９７ＡおよびＳ９７Ｂである。図２５に認められたように、Ｓ９７ＣおよびＳ９７Ｄは、より豊富でより強い特徴を示している。被覆用（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ上側層の磁気反転におけるミスカットの正確な役割は、これらの予備的測定だけからはまだ決定することができないが、ミスカットが（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの磁気異方性を顕著に変化させることは明らかである。
【００９４】
以下のことは、Ａｕ／ＡｌＯｘ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓおよび（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプルと、下にあるＧａＡｓ緩衝層の成長細目とに関係がある。ＭＢＥ成長ずみ強磁性層の異方性は、下にある層の細目によって調整することができる。本発明者は、本発明者の全ての（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ基ＴＡＭＲサンプルにおける緩衝層成長の特定方法を使用している。この緩衝層は２層であって、その第１緩衝層は高温ＧａＡｓから構成されており、その第２層は低温ＧａＡｓの薄い層である。
【００９５】
成長を開始させる前に、ＧａＡｓ基板は６３０℃に１０分間、加熱される。この基板の温度が４００℃を超えるとすぐに、小さいＡｓフラックスが添加される。その後、基板の温度が６２０℃までわずかに下げられ、Ｇａフラックスが添加される。これによって、高温緩衝層の成長が開始される。３００ｎｍの厚さでは、基板は２７０℃へ向かって冷却され、それが５７０℃を下回るとすぐに、Ａｓフラックスはゼロにされて、緩衝層の成長が停止される。この時点では、表面再構成は２×４である。温度はさらに下げられて、それが２７０℃に到達すると、それは１５分間、保持される。その後、ＡｓおよびＧａの両元素供給源のシャッターが３０秒間、開けられる。その後、主シャッターが１０秒間、開けられて、低温ＧａＡｓ緩衝層が成長される。低温ＧａＡｓ緩衝層の表面再構成は１×１である。１ｎｍの目標最終厚さになるとすぐに、Ｍｎフラックスが添加されて、第１機能的強磁性層の成長が開始する。
【００９６】
下にある高温ＧａＡｓ緩衝層のダングリングボンドの対称性を減少させて、上における機能的（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層に影響を及ぼし続けるために、極めて薄い低温ＧａＡｓ緩衝層を使用することは、厳しいかもしれない。
【００９７】
この効果の背後にある構想は、大部分の材料が、その表面での原子の位置と同様に、面内４重対称性を有する一方で、ダングリングボンドの表面再構成が対称性を減少させ、従って、動的成長プロセスの間にその層の対称性が低下する、という事実を利用するためのものである。
【００９８】
上記プロセスによって半導体デバイスを創り出すことは可能であり、ここでは、３つ以上の磁性層が例えばこの方法の繰り返しによって設けられている。このような複数の磁性層によれば、効果を増幅し、かつ／または、複合的な抵抗水準システムを創り出すことができる。
【００９９】
１つ以上の磁性層に異方性を創り出すための複数の方法が存在している。好ましい方法のいくつかは次のとおりである。そのような異方性は、１つ以上の磁性層の組立ステップにおけるアニーリングステップによって作ることができる。１つ以上の磁性層における異方性は、圧電効果および／または磁気歪効果および／または表面効果によって、作りかつ／または調整することができる。これらの効果は互いに独立して利用することができ、あるいは、それらは一連の組立ステップにおいて組み合わせることができる。
【０１００】
１つ以上の強磁性電極における異方性は、冷間圧延ステップによって、または、代わりにあるいは付加的に、層成長の間において磁界を印加することによって、作ることができる。
【０１０１】
上記説明に従って設けられたスピンバルブ構造は、磁性合金で製造された１つ以上の磁性層からなっていてもよい。そのような磁性層はＣｏＦｅＰｔ薄膜からなっていてもよい。
【０１０２】
１つ以上の磁性層が磁性金属多層積層体からなっているスピンバルブ構造を設けることは意図されている。そのような積層体は一組のＣｏＦｅ薄膜およびＰｔ薄膜からなっていてもよい。
【０１０３】
異なったスピンバルブ構造は、ＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ（ＬＳＭＯ）のある１つ以上の磁性層からなっており、ここで、０≦ｘ≦１である。
【０１０４】
１つ以上の磁性層がＣｏおよびＰｄの多層構造からなっているスピンバルブ構造を利用することもまた好ましい。
【０１０５】
本発明によるスピンバルブ構造の範囲内で、１つ以上の磁性層における異方性は、圧電効果および／または磁気歪効果および／または表面効果によって、作りかつ／または調整することができる。さらにまた、反強磁性層によって１つ以上の磁性層に異方性を作りかつ／またはそれを調整することもできる。
【０１０６】
好ましいスピンバルブ構造の範囲内で、１つ以上の強磁性電極は磁性多層からなっている。
【０１０７】
本発明によるスピンバルブ構造の範囲内で、１つ以上の磁性層はマグネタイトからなっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】ａ）磁界を０度、５０度、および５５度に沿って一掃することによって、４．２Ｋ、１ｍＶバイアスで取得されたヒステリシス磁気抵抗曲線。Ｈｃ１およびＨｃ２で表示された２つの切換事象によって画定された相異なる幅および符号のスピンバルブ状特徴がはっきりと見て取れる。これらの測定値はバイアスの符号には依存していない。ｂ）接点の幾何学的配置と結晶学的方向の方位とを示しているデバイスの模式図。ｃ）スピンバルブ信号の符号の変化を示している、１．６Ｋ〜２０Ｋの温度についての３０度に沿った磁気抵抗。
【図２】多くの面内角での磁気抵抗曲線から集約された極座標プロット。円は個々の曲線から引き出された切換事象Ｈｃ１およびＨｃ２を示している。影付き区域はサンプルが高抵抗状態にある領域であり、白い区域はより低い抵抗を表示している。実線は明細書で説明されたモデルへの適合度である。
【図３】［０１０］方向および［１００］方向に沿ったＭについてのフェルミエネルギーでの部分ＤＯＳどうしの間の相対差が、正孔によって占有された４つの価電子帯のそれぞれについて別々にプロットされている。４％のＭｎＧａ濃度に対応している点線と６％のＭｎドーピングに対応している黒い線とが、比較のために示されている。
【図４】相対一体化ＤＯＳ異方性が、相異なるＭｎ濃度（左側のパネル）と正孔濃度（右側のパネル）とについてプロットされている。ｘ軸は、トンネリングに貢献すると推測されるフェルミエネルギーでの、そのフェルミエネルギーでの全ＤＯＳに対するＤＯＳを表示している。左から右への移動は、モーメント保存条件が徐々に緩和されることに対応している。
【図５】ａ）は、低温分子線エピタキシー（ＬＴ−ＭＢＥ）によって準備されたような、磁気トンネル接合部のために使用された層構造を図示している。Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓ（ｘ＝６％，ｄ＝１００ｎｍ）／非ドープ型ＧａＡｓ／Ｇａ１−ｘＭｎｘＡｓ（ｘ＝６％，ｄ＝１０ｎｍ）の３層構造が、半絶縁性ＧａＡｓ基板と非ドープ型ＬＴ−ＧａＡｓ緩衝層との上面に成長した。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層の強磁性遷移温度は６５Ｋである。ｂ）サンプルレイアウトおよび接点パッドの備わった最終輸送デバイスの模式図。
【図６】このデバイスの２つの主要軸に沿った、１０ｍＶのバイアスおよびＴ＝４．２Ｋで取得された磁気抵抗のプロットを示している。小さいループは、磁気異方性がこのデバイスに固有の輸送／抵抗異方性に密接に関連していることを示している。図６から、Ｍ  ｜｜  ［１００］を有する両方の層が７００ｋΩ程度の高い抵抗状態と等価であることと、それらのＭが  ｜｜  ［０１０］であれば、これは４８０ｋΩ程度の抵抗に相当する、ということとがわかる。
【図７】磁界がサンプルの平面に対して垂直に印加されたときの、Ｔ＝４．２ＫでＶ＝５ｍＶの励磁電圧において取得された、極めて強い磁気抵抗の測定値を示している。
【図８】磁界が互いに垂直な２つの磁化容易軸からいっそう離れた角度で平面に印加されると、その効果の大きさはおおむね一定にとどまるが、はっきりした切換事象の位置はこの図において実証された強い角度依存性を表し、ここで、その磁界は、サンプルの平面に、１０度のステップでは０度〜１７０度の範囲にある角度で印加された。いっそうの明確さのために、個々の磁気抵抗曲線は垂直に偏位されている。
【図９】磁気抵抗の適切な小さいループの測定値である典型的なデータによれば、両方の層がφ＝６０度に近いそれらの単軸性磁化容易軸を有し、その第２の磁化がわずかに容易でない軸が１５０度に沿っている、ことが示されている。点線の黒い曲線はまず、φ＝０度に沿った正の飽和度から負の飽和度へ掃き上げられるようにされた。抵抗データにおける第１の一番大きい急上昇は、一番近い等軸状磁化容易軸（φ＝３３０度）からφ＝２３５度に沿った単軸性の磁化容易方向への両層の遷移による、ということが推測される。
【図１０】Ｂ＝３００ｍＴで一定に維持され、その方向で反時計回りに一掃され、Ｔ＝４．２ＫとＶ＝５ｍＶのバイアスで印加された磁界の角度に対する本発明によるデバイスの抵抗のプロット。
【図１１】φスキャンの出現によって、ここで実証されたような印加磁界の大きさが劇的に変化し、ここで、その磁界は、磁化の９０度切り換えについての任意の方向に沿って必要とされた最も高い磁界よりもわずかに高いように注意深く選択された。
【図１２】トンネル接合部のスピンバルブ状信号の大きさは、極めて強い電圧依存性を示している。様々な曲線は、４．２Ｋの温度でφ＝３０度に沿って取得された磁気抵抗測定値である。励磁電圧の範囲は５００μＶから１０ｍＶまでである。低い抵抗状態は、比較的低い変動を示し、バイアスが減少すると５００ｋΩから約７５０ｋΩまで増大する。
【図１３】ＴＡＭＲ信号は温度が減少すると劇的に増大し、φ＝６０度、１．７Ｋの温度およびＶ＝１ｍＶでの磁界の備わった巨大スピンバルブ信号が示されている。
【図１４】１．８Ｋの温度およびＶ＝１ｍＶでのこのデバイスの垂直磁気抵抗の測定値。
【図１５】１．７Ｋの温度およびＶ＝１ｍＶでのこのデバイスの抵抗のφスキャン。
【図１６】低いバイアス電圧および温度での効果の増幅を示している図。
【図１７】０ｍＴ、角度φでの飽和後のサンプル抵抗。測定値の階段関数作用により、外部磁界の備わったＴＡＭＲ装置への情報の書き込みと、その後のデバイスの抵抗を測定することによるその読み取りとが可能になる。ここに示されたデータは、Ｔ＝４．２ＫでのＡｕ／ＡｌＯｘ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプル（ａ）と、Ｔ＝４．２Ｋでの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプル（ｂ）と、Ｔ＝１．８Ｋでの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓサンプル（ｃ）とにおいて測定されたものである。
【図１８】高い抵抗状態と低い抵抗状態との間の遷移領域において測定された高い角度分解能φスキャン（Ｂ＝０ｍＴ）。これらの測定値は、Ｔ＝４．２Ｋ（ａ）とＴ＝１．８Ｋ（ｂ）との中間抵抗状態の存在を示している。この状態では、２つの磁化どうしの角度は９０度である。
【図１９】ａ）φ＝５１度およびφ＝１４９度に沿った磁性状態を準備した後にゼロ磁界で、図１７ｃにおける高い抵抗形態および低い抵抗形態の遷移領域に近い（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ／ＧａＡｓ／（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓトンネル接合部において測定されたＩＶ曲線。測定値は、電流支援型切り換えの根拠であるＶ＝７ｍＶでのはっきりした不連続性を示している。ｂ）１４９度のＩＶ曲線の不連続性（星印）と図１８ｂの双安定性との相関関係は、サンプルにおける高い抵抗状態と中間の抵抗状態（「９０度」）との間の電流支援型切り換えを示唆している。
【図２０】サンプルの磁気状態は双安定性ウィンドウの内側であるφ＝１４６．７５度に沿った大きい磁界で準備された。その後、外部磁界はゼロにされ、サンプルへ電圧が印加された。この手順は数回繰り返され、その結果であるゼロ磁界での抵抗値が測定値の指数に対してプロットされている。
【図２１】（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓウエハＳ２０から取得された成長ずみサンプルにおけるＳＱＵＩＤ。その測定値は、サンプルの［１１０］縁から１５度ずれた方位にある磁界で導かれた。
【図２２】名目上は片面ＴＡＭＲ層と同一であるＡｕ／ＡｌＯｘ／（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓサンプルにおけるＳＱＵＩＤ測定値。これらの測定値は、使用された磁化反転／磁気異方性モデルの妥当性を確認するものである。（ａ）［１００］磁化容易軸および［１１０］磁化困難軸に沿った磁界での測定値。（ｂ）測定値は、サンプルの［１１０］縁から１５度ずれた方位にある磁界で導かれた。
【図２３】薄いＡｌＯｘ上側層で被覆された（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓサンプルにおけるＳＱＵＩＤ測定値。被覆されたこのサンプルは二段階切り換えを示している（図２３ｃ）。
【図２４】薄いＡｕ上側層で被覆された７０ｎｍ厚さの（Ｇａ，Ｍｎ）ＡｓサンプルにおけるＳＱＵＩＤ測定値。これらのサンプル縁の１つに対して小さい角度（＜３０度）での磁界。このサンプルは二段階切り換えを示している。
【図２５】様々な基板の上に同時に成長した相異なる４つの（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ上側層におけるＳＱＵＩＤ測定値：意図的なミスカットはなく（Ｓ９７Ａ）、様々な方向への５度の意図的なミスカットはある（Ｓ９７Ｂ〜Ｄ）。
【符号の説明】
【０１０９】
２０１    非ドープ型ＬＴ−ＧａＡｓ緩衝層
２０２    非ドープ型ＧａＡｓ
２０３    （Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層
２０４    正方形メサ２０４
２０５    電気バック接点２０５
２０７    半絶縁性ＧａＡｓ基板
【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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【国際調査報告】
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