(57)【要約】【課題】電界効果を大きくすることが可能な磁性素子を提供する。【解決手段】実施形態に係る磁性素子は、第１領域と、３原子層以下の厚さを有する第２領域と、第３領域と、を含む。前記第２領域は、前記第１領域と前記第３領域との間に位置する。前記第１領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第２領域は、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１つの第１原子と、複数の第１酸素原子と、を含む。前記第３領域は、金属原子と、第２酸素原子と、を含む。前記第２領域から前記第１領域に向かう第１方向において、前記第１原子は、前記第２酸素原子と、前記複数の第１酸素原子の１つと、の間にある。前記第１方向と交差する第２方向において、前記第１原子は、前記複数の第１酸素原子の２つの間にある。【選択図】図１
2019004124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１領域と、
３原子層以下の厚さを有する第２領域と、
第３領域と、
を備え、
前記第１領域と前記第３領域との間に前記第２領域が位置し、
前記第１領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２領域は、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１つの第１原子と、複数の第１酸素原子と、を含み、
前記第３領域は、金属原子と、第２酸素原子と、を含み、
前記第２領域から前記第１領域に向かう第１方向において、前記第１原子は、前記第２酸素原子と、前記複数の第１酸素原子の１つと、の間にあり、
前記第１方向と交差する第２方向において、前記第１原子は、前記複数の第１酸素原子の２つの間にある磁性素子。
【請求項２】
前記第２領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された１つの第２原子をさらに含み、
前記第２原子は、前記第１方向と交差する第２方向において、前記複数の第１酸素原子の２つの間に位置し、
前記複数の第１酸素原子の別の１つは、前記第１方向において、前記第２原子と前記金属原子との間にある、請求項１記載の磁性素子。
【請求項３】
前記第１原子は、前記第２方向において、前記複数の第１酸素原子の別の２つの間に位置する、請求項２記載の磁性素子。
【請求項４】
第１領域と、
３原子層以下の厚さを有する第２領域と、
第３領域と、
を備え、
前記第１領域と前記第３領域との間に前記第２領域が位置し、
前記第１領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された１つの第１原子と、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１つの第２原子と、複数の第１酸素原子と、を含み、
前記第３領域は、金属原子と、第２酸素原子と、を含み、
前記第２領域から前記第１領域に向かう第１方向において、前記第１原子は、前記第２酸素原子と、前記複数の第１酸素原子の１つと、の間にあり、
前記複数の第１酸素原子の別の１つは、前記第１方向において、前記第２原子と前記金属原子との間にあり、
前記第１方向と交差する第２方向における前記第１原子の位置は、前記第２方向における前記第２原子の位置と異なる磁性素子。
【請求項５】
前記第１原子は、前記第２方向において、前記複数の第１酸素原子の２つの間に位置する、請求項４記載の磁性素子。
【請求項６】
第１領域と、
３原子層以下の厚さを有する第２領域と、
第３領域と、
を備え、
前記第１領域と前記第３領域との間に前記第２領域が位置し、
前記第１領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２領域は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｔから選択された１つの第１原子と、複数の第１酸素原子と、を含み、
前記第２領域から前記第１領域に向かう第１方向と交差する第２方向において、前記第１原子は、前記複数の第１酸素原子の２つの間に位置する磁性素子。
【請求項７】
金属原子及び第２酸素原子を含む第３領域をさらに備え、
前記第１領域と前記第３領域との間に前記第２領域が位置し、
前記第１方向において、前記第１原子は、前記第１領域のＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された前記少なくとも１つと、前記金属原子と、の間にある、請求項６記載の磁性素子。
【請求項８】
前記第１方向は、［００１］方向に沿う請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁性素子。
【請求項９】
前記第２方向は、［１００］方向に沿う請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁性素子。
【請求項１０】
前記第２領域は、有効素子面積の１０％以上である、請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁性素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁性素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性を有する金属原子を含む磁性領域と、金属酸化物を含む非磁性領域と、を備えた磁性素子が知られている。この磁性素子では、磁性領域の磁化方向を変化させることで、情報を記憶することができる。磁性領域の磁化方向は、磁性素子に電圧を印加することで制御される。この磁性素子において、より小さな電圧で磁性領域の磁化方向を制御でき、電界効果が大きいことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５２７０９９号公報
【非特許文献１】Kohji Nakamura et al. Physical Review B 81, 220409(R) (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、電界効果を大きくすることが可能な磁性素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る磁性素子は、第１領域と、３原子層以下の厚さを有する第２領域と、第３領域と、を含む。前記第２領域は、前記第１領域と前記第３領域との間に位置する。前記第１領域は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第２領域は、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１つの第１原子と、複数の第１酸素原子と、を含む。前記第３領域は、金属原子と、第２酸素原子と、を含む。前記第２領域から前記第１領域に向かう第１方向において、前記第１原子は、前記第２酸素原子と、前記複数の第１酸素原子の１つと、の間にある。前記第１方向と交差する第２方向において、前記第１原子は、前記複数の第１酸素原子の２つの間にある。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、電界効果を大きくすることが可能な磁性素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
【図２】第１実施形態に係る別の磁性素子を例示する模式的断面図である。
【図３】シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【図７】第２実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
【図８】第２実施形態の変形例に係る磁性素子を表す模式図である。
【図９】シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、第２実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【図１２】第３実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、第３実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。
【図１４】第４実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の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。
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
図１に表したように、第１実施形態に係る磁性素子１００は、第１領域１０、第２領域２０、及び第３領域３０を含む。第２領域２０は、第１領域１０と第３領域３０との間に位置する。
【００１０】
第１領域１０は、複数の金属原子１１を含む。複数の金属原子１１は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。
【００１１】
第２領域２０は、第１原子２１及び複数の第１酸素原子２５を含む。第１原子２１は、Ｃｏ及びＮｉからなる群より選択された１つである。
第３領域３０は、複数の金属原子３１及び複数の第２酸素原子３５を含む。
【００１２】
第２領域２０から第１領域１０に向かう第１方向をｚ軸方向とする。ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をｘ軸方向とする。ｚ軸方向及びｘ軸方向に対して垂直な方向をｙ軸方向とする。
【００１３】
第１原子２１は、ｚ軸方向において、複数の第２酸素原子３５の１つと、複数の第１酸素原子２５の１つと、の間に位置する。第１原子２１は、ｘ軸方向において、複数の第１酸素原子２５の２つの間に位置する。
【００１４】
図１に表した例では、第２領域２０は、ｚ軸方向に並んだ２つの原子層を含む。すなわち、ｚ軸方向における第２領域２０の厚さは、２原子層に対応する厚さである。
【００１５】
以下で、磁性素子１００の具体的な一例を説明する。
第１領域１０の複数の金属原子１１は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された１つである。一例として、複数の金属原子１１は、Ｆｅである。または、複数の金属原子１１の一部は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された１つであり、複数の金属原子１１の別の一部は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群から選択された別の１つであっても良い。一例として、複数の金属原子１１の一部はＦｅであり、複数の金属原子１１の別の一部はＣｏである。第１領域１０は、例えば、体心立方構造を有する。
【００１６】
第２領域２０の第１原子２１は、例えば、ｙ軸方向において、複数の第１酸素原子２５の別の２つの間に位置する。すなわち、第１原子２１は、例えば、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向において、酸素原子同士の間に位置する。第２領域２０は、例えば、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する。
【００１７】
第２領域２０は、さらに第２原子２２を含む。第２原子２２は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群より選択された１つである。複数の第１酸素原子２５の１つは、ｚ軸方向において、複数の金属原子３１の１つと、第２原子２２と、の間に位置する。第２原子２２は、ｘ軸方向において、複数の第１酸素原子２５の２つの間に位置する。第２原子２２は、例えば、ｙ軸方向において、複数の第１酸素原子２５の別の２つの間に位置する。第１原子２１のｚ軸方向における位置は、第２原子２２のｚ軸方向における位置と異なる。第１原子２１のｘ軸方向における位置は、第２原子２２のｘ軸方向における位置と異なる。
【００１８】
または、第２原子２２は、Ｃｏ及びＮｉからなる群より選択された１つであり、第１原子２１は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉからなる群より選択された１つであっても良い。
【００１９】
第３領域３０の複数の金属原子３１と複数の第２酸素原子３５は、ｘ軸方向及びｚ軸方向において交互に設けられる。複数の金属原子３１と複数の第２酸素原子３５は、例えば、さらにｙ軸方向において交互に設けられる。第３領域３０は、例えば、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する。
【００２０】
第３領域３０の金属原子３１の原子番号は、例えば、第１原子２１の原子番号よりも小さく、第２原子２２の原子番号よりも小さい。金属原子３１は、例えば、Ｍｇである。
【００２１】
第３領域３０の［００１］方向は、ｚ軸方向に沿う。第２領域２０の［００１］方向は、ｚ軸方向に沿う。これは、第３領域３０の［００１］方向がｚ軸方向に沿うことに基づく。第１領域１０の［００１］方向は、ｚ軸方向に沿う。これは、第２領域２０の［００１］方向がｚ軸方向に沿うことに基づく。
【００２２】
第３領域３０の［１００］方向は、ｘ軸方向に沿う。第２領域２０の［１００］方向は、ｘ軸方向に沿う。これは、第３領域３０の［１００］方向がｘ軸方向に沿うことに基づく。第１領域１０の［１００］方向は、ｘ軸方向に沿う。これは、第２領域２０の［１００］方向がｘ軸方向に沿うことに基づく。
【００２３】
第１領域１０、第２領域２０、および第３領域３０の結晶方位は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で確認することができる。第２領域２０が１つの原子層または２つの原子層を含む場合、第２領域２０の結晶方位は、第３領域３０の結晶構造に基づいて定義することができる。例えば、第２領域２０に含まれる原子が、第３領域３０に含まれる原子とエピタキシャルに配列され、第３領域３０の［００１］方向がｚ軸方向に沿う場合、第２領域２０の［００１］方向はｚ軸方向に沿っているとみなすことができる。
【００２４】
図２は、第１実施形態に係る別の磁性素子を例示する模式的断面図である。
磁性素子１１０は、例えば、図２に表したように、第１磁性層１、酸化物層２、非磁性層３、第２磁性層４、第１導電層５、及び第２導電層６を含む。
【００２５】
酸化物層２は、ｚ軸方向において、第１磁性層１と非磁性層３との間に設けられる。第１磁性層１は、ｚ軸方向において、酸化物層２と第１導電層５との間に設けられる。非磁性層３は、ｚ軸方向において、酸化物層２と第２磁性層４との間に設けられる。第２磁性層４は、ｚ軸方向において、非磁性層３と第２導電層６との間に設けられる。
【００２６】
第１磁性層１は、第１領域１０を含む。酸化物層２は、第２領域２０を含む。非磁性層３は、第３領域３０を含む。
【００２７】
第１磁性層１及び第２磁性層４は、強磁性を有する。第１磁性層１の磁化容易軸及び第２磁性層４の磁化容易軸は、例えば、ｚ軸方向に沿う。第１磁性層１の磁化容易軸及び第２磁性層４の磁化容易軸は、ｘ軸方向またはｙ軸方向に沿っていても良い。第１磁性層１の磁化方向は、第２磁性層４の磁化方向よりも容易に変化する。
【００２８】
非磁性層３は、絶縁性である。非磁性層３は、例えば、トンネルバリアとして機能する。第１磁性層１と第２磁性層４との間の電気抵抗は、第１磁性層１の磁化方向と第２磁性層４の磁化方向との相対的な関係に基づく。
【００２９】
第１磁性層１の磁化方向と第２磁性層４の磁化方向が同じで、両者の間の角度が相対的に小さい場合、第１磁性層１と第２磁性層４との間の電気抵抗は、相対的に小さい。第１磁性層１の磁化方向と第２磁性層４の磁化方向が逆向きで、両者の間の角度が相対的に大きい場合、第１磁性層１と第２磁性層４との間の電気抵抗は、相対的に大きい。これは、磁気抵抗効果に基づく。
【００３０】
これらの電気抵抗が大きい状態と電気抵抗が小さい状態を、例えば、「０」と「１」に対応させることで、磁性素子１１０が記憶素子として機能する。第１磁性層１の電気抵抗を検出することで、磁性素子１１０に記憶された磁化情報を読み取ることができる。第１磁性層１の磁化方向を制御することで、磁性素子１１０に情報を書き込むことができる。
【００３１】
第１磁性層１と第２磁性層４との間に電圧を印加することで、第１磁性層１の磁化方向を制御することができる。電圧は、第１導電層５及び第２導電層６を介して第１磁性層１と第２磁性層４との間に印加される。
【００３２】
第１磁性層１の磁化方向の変化は、例えば、第１磁性層１と非磁性層３との間に発生する電界による、第１磁性層１と酸化物層２を含む領域の結晶磁気異方性エネルギーの変化に基づく。消費電力を低減するためには、同一の電圧に対してより大きな結晶磁気異方性エネルギーの変化が生じ、電界効果が大きいことが望ましい。
【００３３】
本願発明者は、第１原子２１及び複数の第１酸素原子２５を含む第２領域２０が、第１領域１０と第３領域３０との間に位置することで、電圧印加時の結晶磁気異方性エネルギーの変化が大きくなり、電界効果を大きくできることを発見した。
【００３４】
図３は、シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）〜図５（ｃ）、及び図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【００３５】
シミュレーションは、第１原理計算を用いて行った。シミュレーションには、図３に表したように、３原子層のＡｕ、３原子層のＦｅ、２原子層の金属酸化物、及び６原子層のＭｇＯを含む構造について行った。この構造は、基板が無い、自立したフリースタンディングの状態にある。
【００３６】
３原子層のＡｕは、例えば、図２に表した第１導電層５の少なくとも一部に対応する。３原子層のＦｅは、第１領域１０に対応する。２原子層の酸化物は、第２領域２０に対応する。６原子層のＭｇＯは、第３領域３０に対応する。
【００３７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）において、横軸は、第２領域２０に含まれる酸化物を表す。図４（ａ）の縦軸は、結晶磁気異方性エネルギーＥＭＣＡ（ｍＪ／ｍ２）を表す。図４（ｂ）の縦軸は、電圧の変化に対する結晶磁気異方性エネルギーの変化（電界効果）ΔＥＭＣＡ／ΔＥ（ｆＪ／Ｖｍ）を表す。外部電場は、６原子層のＭｇＯからｚ軸方向の負の方向に無限遠に離れた真空領域の電場の大きさで定義している。このため、ＭｇＯ層における電界効果の大きさは、グラフ中の値に、ＭｇＯの比誘電率（９．８）をかけた値に実質的に対応する。
【００３８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）において、実線は、第２領域２０が２つの原子層を含む場合の結果を表す。すなわち、実線は、第２領域２０が、第１原子２１、第２原子２２、及び複数の第１酸素原子２５を含む場合の結果を表す。破線は、第２領域２０が１つの原子層を含む場合の結果を表す。すなわち、破線は、第２領域２０が、第１原子２１と複数の第１酸素原子２５の一部とを含む場合の結果を表す。
【００３９】
図４（ａ）の結果では、第２領域２０が２つの原子層を含み、第１原子２１及び第２原子２２がＮｉである場合、結晶磁気異方性エネルギーが比較的大きな正の値を示した。すなわち、比較的強い面直方向（ｚ軸方向）の結晶磁気異方性を示している。面直方向の結晶磁気異方性を強めることで、第１領域１０の磁化方向が面直方向に向き易くなる。ただし、結晶磁気異方性エネルギーの大きさは、Ａｕの原子層（キャップ層に相当）の原子種を変えることにより調整可能である。キャップ層の原子種を調整することで、ＣｏＯを挿入した場合でも、結晶磁気異方性エネルギーを正の値、すなわち垂直方向（ｚ軸方向）の結晶磁気異方性にできる。
【００４０】
図４（ｂ）の結果では、第２領域２０がＣｏＯを含む場合、第２領域２０がＦｅまたはＮｉを含む場合に比べて、大きな電界効果を示した。すなわち、第２領域２０が、Ｃｏである第１原子２１または第２原子２２を含むことで、電界効果を大きくできることを示している。
【００４１】
図４（ｂ）の結果では、第２領域２０が、ＣｏＯを含み、２つの原子層を含む場合、より大きな電界効果を示した。すなわち、第２領域２０が、Ｃｏである第１原子２１及び第２原子２２を含むことで、電界効果をさらに大きくできることを示している。電界効果が大きいほど、より小さな電圧で第１領域１０の磁化方向を変化させることが可能となる。この結果、例えば、第１領域１０に情報を記憶する際の消費電力を低減することができる。
【００４２】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、磁性素子１００に外部電場Ｅ１（５Ｖ／ｎｍ）を印加した場合の各原子間の距離、磁性素子１００に外部電場Ｅ２（−５Ｖ／ｎｍ）を印加した場合の各原子間の距離、及びこれらの距離の変化を表す。ここでは、第２領域２０が２つの原子層を含む場合の結果を表している。各距離の単位は、Å（×１０−１ｎｍ）である。
【００４３】
図５（ａ）は、第１原子２１及び第２原子２２がＣｏである場合の結果を表す。図５（ｂ）は、第１原子２１及び第２原子２２がＮｉである場合の結果を表す。図５（ｃ）は、第１原子２１及び第２原子２２がＦｅである場合の結果を表す。
【００４４】
図５（ａ）〜図５（ｃ）の表において、各原子間の距離ｄ１〜ｄ４は、図３に表した距離ｄ１〜ｄ４に対応する。距離ｄ１は、ｚ軸方向において最も近接した金属原子１１と第１酸素原子２５との格子間距離である。距離ｄ２は、ｚ軸方向において最も近接した第１原子２１と第１酸素原子２５との格子間距離である。距離ｄ３は、ｚ軸方向において最も近接した第２原子２２と第１酸素原子２５との格子間距離である。距離ｄ４は、ｚ軸方向において最も近接した第１原子２１と第２酸素原子３５との格子間距離である。
【００４５】
図５（ａ）及び図５（ｂ）の結果は、第１原子２１及び第２原子２２がＣｏまたはＮｉである場合、外部電場の極性の切替により、距離ｄ４が０．０４Å変化することを表している。図５（ｃ）の結果は、第１原子２１及び第２原子２２がＦｅである場合、外部電場の極性の切替により、距離ｄ４が０．０２Å変化することを表している。すなわち、第１原子２１及び第２原子２２がＣｏまたはＮｉである場合、第１原子２１及び第２原子２２がＦｅである場合に比べて、距離ｄ４の変化が２倍であった。
【００４６】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、図３に表した構造における第１原子２１のｄ軌道のバンド構造を表す。図６（ａ）〜図６（ｃ）において、縦軸はエネルギーを表し、横軸は波数ベクトルを表す。図６（ａ）は、第１原子２１がＣｏである場合の結果を表す。図６（ｂ）は、第１原子２１がＮｉである場合の結果を表す。図６（ｃ）は、第１原子２１がＦｅである場合の結果を表す。
図６（ａ）〜図６（ｃ）において、実線は磁気量子数ｍ＝±１におけるバンド構造を表し、破線は磁気量子数ｍ＝±２におけるバンド構造を表す。
【００４７】
図６（ａ）〜図６（ｃ）から、第１原子２１がＣｏである場合、第１原子２１がＮｉまたはＦｅである場合に比べて、局在したマイノリティスピンｄ軌道がフェルミ準位近傍に位置していることが分かる。
【００４８】
図５に示された外部電場による原子の変位及び図６に示されたマイノリティスピンｄ軌道のエネルギー準位により、第２領域２０がＣｏを含む場合に、大きな電界効果が表れたと考えられる。
【００４９】
以上で説明した通り、第２領域２０が第１領域１０と第３領域３０との間に位置することで、磁性素子１００の結晶磁気異方性エネルギー及び電界効果の少なくともいずれかを大きくすることが可能である。しかし、第２領域２０が厚いと、第１領域１０に記憶された磁化情報を読み出す際に、トンネル抵抗の変化率（ＭＲ比）が小さくなる。従って、第２領域２０のｚ軸方向における厚さは、３原子層に対応する厚さ以下であることが望ましい。第２領域２０のｚ軸方向における厚さが、４原子層に対応する厚さ以上になると、ＭＲ比が大きく低下する可能性がある。
【００５０】
第２領域２０を含む酸化物層２には、第２領域２０以外の部分が含まれていても良い。例えば、酸化物層２は、第２領域２０よりも厚い領域を含んでいても良い。酸化物層２のｘ−ｙ面に沿った面積に対して、第２領域２０のｘ−ｙ面に沿った面積が１０％以上存在すれば、電界効果をより大きくできる。素子の断面積（有効素子面積）は限定されるものではないが、記録密度を上げるために極微化の方向であり、１０×１０〜１００×１００ｎｍの素子の開発報告がされている。
【００５１】
上記はシミュレーション用のモデルであって、Ａｕ、Ｆｅ、ＭｇＯのそれぞれに含まれる原子層の数は上記に限定されない。Ａｕ、Ｆｅ、ＭｇＯのそれぞれは、より多くの原子層を含んでいても良い。また、Ａｕに代えて、他の非磁性体の導電性を有する金属が用いられても良い。
【００５２】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る磁性素子を例示する模式図である。
第２実施形態に係る磁性素子１２０は、例えば、第２領域２０の構造について、第１実施形態に係る磁性素子１００と差異を有する。
【００５３】
磁性素子１２０では、第２領域２０は、例えば、１つの原子層を含む。第２領域２０は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔから選択された１つである第１原子２１を含む。第１原子２１は、ｘ軸方向において、複数の第１酸素原子２５の２つの間に設けられる。第１原子２１は、例えば、ｙ軸方向において、複数の第１酸素原子２５の別の２つの間に設けられる。
【００５４】
第１原子２１は、ｚ軸方向において、第２酸素原子３５と金属原子１１との間に位置する。第１原子２１と金属原子１１との間のｚ軸方向における距離は、例えば、第１酸素原子２５と金属原子１１との間のｚ軸方向における距離よりも長い。
【００５５】
Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔのスピン軌道相互作用力は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのスピン軌道相互作用力よりも大きい。さらに、第２領域２０がこれらの酸化物を含むことで、外部電場を印加した際に、金属原子と酸素原子との相対的な位置の変位により、さらに大きな電界効果が期待できる。
【００５６】
図８は、第２実施形態の変形例に係る磁性素子を表す模式図である。
図８に表した磁性素子１２１のように、第２領域２０が２つの原子層を含んでいても良い。すなわち、第２領域２０は、第１原子２１及び第２原子２２を含む。第１原子２１は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔから選択された１つである。第２原子２２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔからなる群より選択された１つである。
【００５７】
または、第１原子２１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔからなる群より選択された１つであり、第２原子２２は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＰｔから選択された１つであっても良い。
い。
【００５８】
第２領域２０のｚ軸方向における厚さは、３原子層に対応する厚さであっても良い。ＭＲ比の低下を抑制するためには、第２領域２０のｚ軸方向における厚さは、３原子層に対応する厚さ以下であることが望ましい。
【００５９】
図９は、シミュレーションに用いた磁性素子の構造を表す模式図である。
図１０及び図１１は、第２実施形態に係る磁性素子の特性を表すシミュレーション結果である。
【００６０】
シミュレーションは、図９に表したように、３原子層のＡｕ、３原子層のＦｅ、１原子層の金属酸化物ＭＯ、及び６原子層のＭｇＯを含む構造について行った。これらの原子層は、基板が無い、自立したフリースタンディングの状態にある。２原子層の酸化物は、図７に表した第２領域２０に対応する。
【００６１】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）及び図１１（ａ）〜図１１（ｃ）において、横軸はスピン軌道相互作用の強さを表す。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）において、縦軸は結晶磁気異方性エネルギーを表す。図１１（ａ）〜図１１（ｃ）において、縦軸は電界効果を表す。外部電場は、６原子層のＭｇＯからｚ軸方向の負の方向に無限遠に離れた真空領域の電場の大きさで定義している。このため、ＭｇＯ層における電界効果の大きさは、グラフ中の値に、ＭｇＯの比誘電率（９．８）をかけた値に実質的に対応する。
【００６２】
図１０（ａ）及び図１１（ａ）は、第１原子２１が、Ｆｅ、Ｒｕ、またはＯｓである場合のシミュレーション結果を表す。図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）は、第１原子２１が、Ｃｏ、Ｒｈ、またはＩｒである場合のシミュレーション結果を表す。図１０（ｃ）及び図１１（ｃ）は、第１原子２１が、Ｎｉ、Ｐｄ、またはＰｔである場合のシミュレーション結果を表す。
【００６３】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）の結果では、第１原子２１がＯｓまたはＩｒである場合に、結晶磁気異方性エネルギーが大きな正の値を示した。図１１（ａ）〜図１１（ｃ）の結果では、第１原子２１がＯｓまたはＩｒである場合に、大きな電界効果を示した。これらのシミュレーション結果は、第１原子２１がＯｓまたはＩｒである場合に、より望ましい特性が得られることを示している。
【００６４】
上記はシミュレーション用のモデルであって、Ａｕ、Ｆｅ、ＭｇＯのそれぞれに含まれる原子層の数は上記に限定されない。Ａｕ、Ｆｅ、ＭｇＯのそれぞれは、より多くの原子層を含んでいてもよい。また、Ａｕに代えて、他の非磁性体の導電性を有する金属が用いられても良い。
【００６５】
（第３実施形態）
図１２は、第３実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
図１２に表したように、磁気記憶装置２１０は、磁性素子１１０、制御部７０、第１配線７０ａ、及び第２配線７０ｂを含む。
【００６６】
第１配線７０ａは、第１導電層５と電気的に接続される。第２配線７０ｂは、第２導電層６と電気的に接続される。第２配線７０ｂは、例えば、スイッチ７０ｓを含む。スイッチ７０ｓは、例えば選択トランジスタである。このように、電流経路上にスイッチなどが設けられている状態も、電気的に接続される状態に含まれる。
【００６７】
制御部７０は、第１配線７０ａと第２配線７０ｂとの間に電圧を印加し、スイッチ７０ｓをオンさせることで、磁性素子１１０に電圧を印加する。磁性素子１１０に電圧を印加すると、第１磁性層１の磁化方向がｘ軸方向またはｙ軸方向を中心に歳差運動し、磁化方向のｚ軸方向成分が正負に交互に反転する。磁性素子１１０への電圧の印加時間を適切に制御することで、第１磁性層１の磁化方向を所望の方向に制御することができる。すなわち、磁気記憶装置２１０では、磁性素子１１０に単極性の電圧を印加することにより、第１磁性層１の磁化方向を所望の方向に制御することができる。
【００６８】
（動作例）
第３実施形態に係る磁気記憶装置の動作例について説明する。
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、第３実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。
これらの図の横軸は、時間ｔｉを表す。これらの図の縦軸は、第１配線７０ａと第２配線７０ｂとの間に加わる信号Ｓ１の電位を表す。信号Ｓ１は、第１磁性層１と第２磁性層４との間に加わる信号に実質的に対応する。
【００６９】
図１３（ａ）に表したように、制御部７０は、第１配線７０ａと第２配線７０ｂとの間に、第１パルスＰ１（例えば書き変えパルス）を印加する第１動作ＯＰ１を実施する。第１動作ＯＰ１において、第１磁性層１と第２磁性層４との間に、第１パルスＰ１が供給される。例えば、第１パルスＰ１により、記憶された情報が書き換えられる。これにより、第１磁性層１と第２磁性層４との間の電気抵抗が変化する。
【００７０】
例えば、第１動作ＯＰ１の後における第１磁性層１と第２磁性層４との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１磁性層１と第２磁性層４との間の第１電気抵抗とは、異なる。
【００７１】
この電気抵抗の変化は、例えば、第１パルスＰ１（書き変えパルス）による第１磁性層１の磁化方向の変化に基づく。第１磁性層１と第２磁性層４との間において、磁化方向の相対関係が、第１パルスＰ１（書き変えパルス）により変化する。電気抵抗が異なる複数の状態は、それぞれ、記憶される情報に対応する。
【００７２】
図１３（ａ）に示すように、制御部７０は、第２動作ＯＰ２をさらに実施しても良い。第２動作ＯＰ２において、制御部７０は、第１動作ＯＰ１の前に第１磁性層１と第２磁性層４との間（第１配線７０ａと第２配線７０ｂとの間）に、第２パルスＰ２（読み出しパルス）を印加する。読み出しパルスにより得られた第１磁性層１と第２磁性層４との間の第３電気抵抗は、第１動作の後の第１磁性層１と第２磁性層４との間の第２電気抵抗とは異なる。第３電気抵抗は、書き換え前の電気抵抗である。第２電気抵抗は、書き換え後の電気抵抗である。第３電気抵抗は、例えば、第１電気抵抗と同じである。
【００７３】
例えば、第２パルスＰ２（読み出しパルス）の極性は、第１パルスＰ１（書き変えパルス）の極性に対して逆である。このような逆極性の第２パルスＰ２（読み出しパルス）を用いる場合、第２パルスＰ２の第２パルス高さＨ２の絶対値は、第１パルスＰ１（書き変えパルス）の第１パルス高さＨ１の絶対値よりも小さくても良く、同じでも良く、大きくても良い。磁性層の結晶磁気異方性が電圧により制御される場合は、逆極性の読み出しパルスを用いることで、読み出し時に磁性層の磁化方向が変化することを抑制できる。
【００７４】
磁気記憶装置２１０が上記特性を有する場合には、以下のようになる。
制御部７０は、第１動作ＯＰ１において、第１磁性層１と第２磁性層４との間に、第１パルスＰ１を印加する。第１動作ＯＰ１の後における第１磁性層１と第２磁性層４との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１磁性層１と第２磁性層４との間の第１電気抵抗とは、異なる。第１パルスＰ１は、第１極性と、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と、を有する。
【００７５】
このとき、第１極性とは逆の第２極性と、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と同じ絶対値のパルス高さと、を有する別のパルスを印加した場合に、以下となる。
この別のパルスを第１磁性層１と第２磁性層４との間に印加した後の第１磁性層１と第２磁性層４との間の第３電気抵抗と、この別のパルスを第１磁性層１と第２磁性層４との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、第１パルスＰ１の印加により情報の書き換えが実行され、別のパルスの印加によっては情報の書き換えが生じない。
【００７６】
第１磁性層１と第２磁性層４との間の電気抵抗は、第１磁性層１と電気的に接続されている第１配線７０ａと、第２磁性層４と電気的に接続されている第２配線７０ｂと、の間の電気抵抗に対応する。
【００７７】
記憶されている情報を書き換えないときには、図１３（ｂ）に示すように、制御部７０は、第２動作ＯＰ２の後に第３動作ＯＰ３を実施する。第３動作ＯＰ３においては、上記の第１パルスＰ１が印加されない。このときには、書き換えが生じない。
【００７８】
適切な第１パルスＰ１が印加されたときに、情報の書き換えが可能になる。適切な第１パルスＰ１が印加されると、第１磁性層１と第２磁性層４との間の電気抵抗は、高抵抗状態から低抵抗状態に、又は、低抵抗状態から高抵抗状態に、変化する。一方、適切ではないパルスが印加された場合は、高抵抗状態は、所望の低抵抗状態にならない。適切ではないパルスが印加された場合は、低抵抗状態は、所望の高抵抗状態にならない。
【００７９】
適切ではないパルスのパルス幅は、例えば、適切な第１パルス幅Ｔ１の約２倍である。適切ではないパルスが第１磁性層１と第２磁性層４との間に印加された場合には、抵抗の変化が生じる確率が低い。
【００８０】
例えば、制御部７０は、第１動作ＯＰ１において、第１磁性層１と第２磁性層４との間に上記の第１パルスＰ１を印加する。第１パルスＰ１は、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と、を有する。この第１パルスＰ１により、書き換えが適切に行われる。すなわち、第１動作ＯＰ１の後における第１磁性層１と第２磁性層４との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１磁性層１と第２磁性層４との間の第１電気抵抗とは、異なる。このとき、図１３（ｃ）に示すような別のパルスＰ１ｘが印加される場合には、電気抵抗の変化が実質的に生じない。別のパルスＰ１ｘは、第１パルス幅Ｔ１の２倍のパルス幅と、第１パルス高さＨ１と、を有する。
【００８１】
このような別のパルスＰ１ｘを第１磁性層１と第２磁性層４との間に印加した後の第１磁性層１と第２磁性層４との間の第３電気抵抗と、別のパルスＰ１ｘを第１磁性層１と第２磁性層４との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、別のパルスＰ１ｘを印加したときには、電気抵抗は実質的に変化しない。または、別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化は、第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。
【００８２】
複数回の動作における平均値を用いることで、上記の電気抵抗の変化を、より確実に比較できる。例えば、上記の第１パルスＰ１を印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。一方、上記の別のパルスＰ１ｘを印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。上記の２つの平均値を比較することで、別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化が第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さいことが、より確実に分かる。
【００８３】
第３実施形態に係る磁気記憶装置２１０においては、例えば、上記の別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化が、上記の第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。
【００８４】
（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。
図１４に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２２０は、複数の記憶部ＭＥと、複数の配線（複数の第１ビット線ＢＬ１、複数の第２ビット線ＢＬ２、及び複数のワード線ＷＬ）と、制御部７０と、含む。
【００８５】
この例では、複数のビット線ＢＬ１及びＢＬ２は、ｙ軸方向に延びる。複数のビット線ＢＬ１及びＢＬ２は、ｘ軸方向に並ぶ。複数のワード線ＷＬは、ｘ軸方向に延びる。複数のワード線ＷＬは、ｙ軸方向に並ぶ。
【００８６】
複数の記憶部ＭＥの１つは、磁性素子１１０と、スイッチ７０ｓ（例えばトランジスタ）と、を含む。スイッチ７０ｓは、磁性素子１１０と直列に接続される。磁性素子１１０の一端が、スイッチ７０ｓの一端と接続される。磁性素子１１０は、１つのメモリセルＭＣに対応する。
【００８７】
複数の第１ビット線ＢＬ１の１つに、複数の記憶部ＭＥの１つに含まれる磁性素子１１０の他端が電気的に接続される。複数の第２ビット線ＢＬ２の１つに、複数の記憶部ＭＥの１つに含まれるスイッチ７０ｓの他端が電気的に接続される。
【００８８】
複数のワード線ＷＬの１つに、複数の記憶部ＭＥの１つに含まれるスイッチ７０ｓの制御端子（例えばゲート）が電気的に接続される。スイッチ７０ｓの第３端子が電気的に接続される。
【００８９】
複数の第１ビット線ＢＬ１及び複数の第２ビット線ＢＬ２は、第１回路７１及び第２回路７２の少なくともいずれかに電気的に接続される。複数のワード線ＷＬは、第３回路７３に電気的に接続される。これらの回路は、選択スイッチ（例えば選択トランジスタなど）を含んでいる。これらの回路は、複数の配線を選択して所定の電圧を印加する。これらの回路及びスイッチ７０ｓにより、複数の磁性素子１１０の１つに所定の電圧パルスが印加される。これにより、磁性素子１１０における抵抗が変化する。高抵抗状態または低抵抗状態が、記憶される情報の「０」または「１」に対応する。これらの回路は、例えば、検出回路（センスアンプなど）を含む。検出回路は、例えば、磁性素子１１０の抵抗状態に対応した値（電圧、電流及び抵抗など）を検出する。これにより、記憶した情報が読み出される。これらの回路は、制御部７０に含まれる。
【００９０】
以上で説明した各実施形態によれば、第１磁性層１と非磁性層３の間に、特定原子で１〜３原子数の厚さを持つ酸化物層２が設けられることにより、結晶磁気異方性エネルギー及び電界効果の少なくともいずれかを大きくすることができる。そのため、例えば、書き換えの電流を抑制することができ、従来の磁気抵抗を利用したデバイスよりも磁化反転に要する電流を１／１０以下にすることが可能となる。
【００９１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。実施形態に係る磁性素子や磁気記憶装置に含まれる各要素の具体的な構成に関しては、適宜変更することができる。実施形態に係る磁性素子や磁気記憶装置に当業者が適宜設計変更を加えたものであっても、上述した特徴を含む場合は本発明の範囲に包含される。また、上述した実施形態に含まれる各要素は、技術的に可能な限りにおいて適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１ 第１磁性層、  ２ 酸化物層、  ３ 非磁性層、  ４ 第２磁性層、  ５ 第１導電層、  ６ 第２導電層、  １０ 第１領域、  １１ 金属原子、  ２０ 第２領域、  ２１ 第１原子、  ２２ 第２原子、  ２５ 第１酸素原子、  ３０ 第３領域、  ３１ 金属原子、  ３５ 第２酸素原子、  ７０ 制御部、  ７０ａ 第１配線、  ７０ｂ 第２配線、  ７０ｓ スイッチ、  ７１ 第１回路、  ７２ 第２回路、  ７３ 第３回路、  １００〜１２１ 磁性素子、  ２１０、２２０ 磁気記憶装置、  ＢＬ１ 第１ビット線、  ＢＬ２ 第２ビット線、  Ｈ１ 第１パルス高さ、  Ｈ２ 第２パルス高さ、  ＭＣ メモリセル、  ＭＥ 記憶部、  ＭＯ 金属酸化物、  ＯＰ１ 第１動作、  ＯＰ２ 第２動作、  ＯＰ３ 第３動作、  Ｐ１ 第１パルス、  Ｐ１ｘ パルス、  Ｐ２ 第２パルス、  Ｓ１ 信号、  Ｔ１ パルス幅、  ＷＬ ワード線、  ｄ１〜ｄ４ 距離
【図１】
2019004124.tif 000003
【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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