(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の駆動電極と、
前記第１の駆動電極と離間している第２の駆動電極と、
前記第１の駆動電極および前記第２の駆動電極の双方に接し、磁性を有するトポロジカル絶縁体と
を備え、
前記トポロジカル絶縁体は、第１の保磁力を有する第１の領域と、前記第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域とを有する電子デバイス。
【請求項２】
前記トポロジカル絶縁体は、前記第１の駆動電極および前記第２の駆動電極の間にそれぞれ位置する第１のエッジおよび第２のエッジを有し、
前記第１の領域および前記第２の領域の境界が、前記第１のエッジから前記第２のエッジまで延伸している
請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記トポロジカル絶縁体は薄膜形状を有し、
前記第１のエッジおよび前記第２のエッジは、前記薄膜形状の予め定められた面において対向するエッジである
請求項２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記第１のエッジにおいて前記第１の領域に接続した第１の検出電極と、
前記第１のエッジにおいて前記第２の領域に接続した第２の検出電極と
を更に備える請求項２または３に記載の電子デバイス。
【請求項５】
前記第２のエッジにおいて前記第１の領域に接続した第３の検出電極と、
前記第２のエッジにおいて前記第２の領域に接続した第４の検出電極と
を更に備える請求項４に記載の電子デバイス。
【請求項６】
前記トポロジカル絶縁体は、前記第１の保磁力を有する第３の領域を更に有し、
前記第２の領域が、前記第１の領域および前記第３の領域の間に位置している
請求項２から５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項７】
前記トポロジカル絶縁体は、前記第１の保磁力および前記第２の保磁力とは異なる第３の保磁力を有する第３の領域を更に有し、
前記第１の領域、前記第２の領域および前記第３の領域が、前記第１の駆動電極および前記第２の駆動電極の間において保磁力の強さの順番に並んでいる
請求項２から５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項８】
前記トポロジカル絶縁体が、式１で表される材料であるか、または、式１で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料である
式１：Ｍｚ（Ｂｉ２−ｘＳｂｘ）１−ｚ（Ｔｅ３−ｙＳｅｙ）  ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜３、０＜ｚ＜１である
請求項１から７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項９】
前記トポロジカル絶縁体が、式２で表される材料であるか、または、式２で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料である
式２：ＴｌＭｚＭ'１−ｚＸ２  ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、Ｍ'はＢｉまたはＳｂであり、ＸはＳまたはＳｅであり、０＜ｚ＜１である
請求項１から７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項１０】
前記トポロジカル絶縁体が、式３で表される材料であるか、または、式３で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料である
式３：ＭｚＰｂ１−ｚ（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ４  ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１である
請求項１から７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項１１】
前記トポロジカル絶縁体が、式４で表される材料であるか、または、式４で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料である
式４：（Ｍｚ(ＧｅｘＰｂ１−ｘ)１−ｚＴｅ）ｎ（Ｍｙ(ＢｉａＳｂ１−ａ)２−ｙＴｅ３）ｍ  ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、０＜ｘ＜１、０＜ａ＜１、０＜ｙ＜２、０＜ｚ＜１であり、ｎおよびｍは任意の整数である
請求項１から７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
【請求項１２】
磁性を有するトポロジカル絶縁体であって、
第１の保磁力を有する第１の領域と、
前記第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域と
を備えるトポロジカル絶縁体。
【請求項１３】
トポロジカル絶縁体の製造方法であって、
磁性および第１の保磁力を有するトポロジカル絶縁体を準備する段階と、
前記トポロジカル絶縁体の一部の領域にイオンを照射することで、前記第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域を形成する段階と
を備える製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の電子デバイスと、
前記電子デバイスの前記第１の領域および前記第２の領域のそれぞれの磁化の方向を検出する検出部と
を備えるメモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トポロジカル絶縁体、トポロジカル絶縁体を用いた電子デバイス、トポロジカル絶縁体を用いたメモリ装置およびトポロジカル絶縁体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子デバイスは電気抵抗によるエネルギー散逸を有する。このエネルギー散逸が電子デバイスの電力消費の源になっている。このため、エネルギー散逸がない、または、非常に小さい電気伝導を実現すれば、消費電力が極めて小さい電子デバイスを提供できる。
【０００３】
エネルギー散逸がない、または、非常に小さい電気伝導の原理として量子ホール効果（例えば、非特許文献１参照）が知られている。しかし、量子ホール効果を用いた電気伝導は、数Ｔ（テスラ）程度の大きい外部磁場を印加しなければならない（非特許文献１参照）。
【０００４】
関連する先行技術文献として、下記の文献がある。
［先行技術文献］
［非特許文献］
非特許文献１  K. v. Klitzing, G. Dorda, and M. Pepper, "New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance", Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).
非特許文献２  R. Yoshimi, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, J. Falson, J. G. Checkelsky, K. S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki and Y. Tokura., "Quantum Hall Effect on Top and Bottom Surface States of Topological Insulator (Bi1-xSbx)2Te3 Films", Nature Communications, doi: 10.1038/ncomms7627
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大きい外部磁場が不要なデバイスが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様においては、第１の駆動電極と、第１の駆動電極と離間している第２の駆動電極と、第１の駆動電極および第２の駆動電極の双方に接し、磁性を有するトポロジカル絶縁体とを備え、トポロジカル絶縁体は、第１の保磁力を有する第１の領域と、第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域とを有する電子デバイスを提供する。
【０００７】
本発明の第２の態様においては、磁性を有するトポロジカル絶縁体であって、第１の保磁力を有する第１の領域と、第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域とを備えるトポロジカル絶縁体を提供する。
【０００８】
本発明の第３の態様においては、トポロジカル絶縁体の製造方法であって、磁性および第１の保磁力を有するトポロジカル絶縁体を準備する段階と、トポロジカル絶縁体の一部の領域にイオンを照射することで、第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域を形成する段階とを備える製造方法を提供する。
【０００９】
本発明の第４の態様においては、第１の態様に係る電子デバイスと、電子デバイスの第１の領域および第２の領域のそれぞれの磁化の方向を検出する検出部とを備えるメモリ装置を提供する。
【００１０】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁性を有するトポロジカル絶縁体２０を有する構造体１００の断面の模式図である。
【図２】トポロジカル絶縁体２０の表面を示す模式図である。
【図３】第１の領域２１および第２の領域２２の磁化曲線の模式図である。
【図４】外部磁場を減少させる過程における、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向の変化を示す模式図である。
【図５】外部磁場を増加させる過程における、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向の変化を示す模式図である。
【図６】トポロジカル絶縁体２０を用いた電子デバイス２００の表面を示す模式図である。
【図７Ａ】第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向がともに負方向の場合における、各検出電極間の電位差を説明する図である。
【図７Ｂ】第１の領域２１の磁化方向が正方向、第２の領域２２の磁化方向が負方向の場合における、各検出電極間の電位差を説明する図である。
【図７Ｃ】第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向がともに正方向の場合における、各検出電極間の電位差を説明する図である。
【図８】外部磁場を増加および減少させた場合の、第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２の間の電位差と、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４の間の電位差を、電気抵抗として表現した図である。
【図９Ａ】電子デバイス２００に印加する外部磁場Ｂを変化させた場合の電気抵抗Ｒの測定結果を示す図である。
【図９Ｂ】電子デバイス２００に印加する外部磁場Ｂを変化させた場合の電気抵抗Ｒの測定結果を示す図である。
【図９Ｃ】電子デバイス２００に印加する外部磁場Ｂを変化させた場合の電気抵抗Ｒの測定結果を示す図である。
【図１０Ａ】アルゴンイオンの加速電圧を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。
【図１０Ｂ】アルゴンイオンの加速電圧を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。
【図１０Ｃ】アルゴンイオンの加速電圧を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。
【図１１Ａ】アルゴンイオンの照射時間を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。
【図１１Ｂ】アルゴンイオンの照射時間を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。
【図１１Ｃ】アルゴンイオンの照射時間を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。
【図１２】電子デバイス２００の表面構造の他の例を示す模式図である。
【図１３】トポロジカル絶縁体２０の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図１４】メモリ装置３００の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１３】
図１は、磁性を有するトポロジカル絶縁体２０を有する構造体１００の断面の模式図である。トポロジカル絶縁体とは、強いスピン軌道相互作用を含む絶縁材料で形成されており内部は絶縁体としてふるまうが、表面は電気伝導性を有する金属状態となる絶縁体を指す。トポロジカル絶縁体の表面は、エネルギー散逸が非常に小さい電気伝導が可能な「ディラック状態」になる。
【００１４】
構造体１００は、基板１０、トポロジカル絶縁体２０、絶縁膜１２および電極１４を有する。基板１０は、例えばＩｎＰ基板である。ただし基板１０は、トポロジカル絶縁体２０を表面に形成できればよく、ＩｎＰ基板に限定されない。
【００１５】
トポロジカル絶縁体２０は、上述したトポロジカル絶縁体の特性に加えて、磁性を有する。トポロジカル絶縁体２０は、トポロジカル絶縁体２０の表面と垂直な方向（本例では、基板１０の表面と垂直な方向でもある）に磁場を生成する。本例においてトポロジカル絶縁体２０は薄膜形状であり、薄膜の面と垂直な方向に磁場を生成する。
【００１６】
トポロジカル絶縁体２０が垂直方向に磁場を生成することで、トポロジカル絶縁体２０の表面を運動する電子は、トポロジカル絶縁体２０のエッジに向かう方向に力を受ける。このため、トポロジカル絶縁体２０のエッジに沿って電子が運動する。
【００１７】
トポロジカル絶縁体２０の表面を運動する電子は、その進行方向に応じて磁場から力を受ける。このため、トポロジカル絶縁体２０の対向するエッジにおいて、電子が運動する方向は逆向きとなる。それぞれのエッジにおいて電子が運動する方向が決まっているので、不純物などによる電子の散乱の効果が抑制される。このため、トポロジカル絶縁体２０の表面における電気伝導は、エネルギー散逸がゼロか、または、非常に小さくなる。
【００１８】
このように、トポロジカル絶縁体２０の材料の特性を利用することで、比較的に高温で、エネルギー散逸がゼロかまたは非常に小さい電気伝導を実現できる。本例のトポロジカル絶縁体２０においては、電極１４に印加する電圧を変化させて、トポロジカル絶縁体２０の表面における電気伝導を測定することで、量子ホール効果を確認できた。このように、トポロジカル絶縁体２０自体に磁性を持たせることで、外部磁場を印加せずとも、エネルギー散逸が実質的にない電気伝導を制御できる。
【００１９】
絶縁膜１２は、トポロジカル絶縁体２０の表面に形成される。絶縁膜１２は、例えば酸化アルミ等の絶縁膜である。電極１４は、絶縁膜１２の表面に形成される。電極１４は、例えばチタンおよび金を積層した電極である。電極１４に印加する電圧により、トポロジカル絶縁体２０の表面に存在する電子の数を制御することができる。
【００２０】
また、トポロジカル絶縁体２０は、第１の保磁力を有する第１の領域２１と、第１の保磁力とは異なる第２の保磁力を有する第２の領域２２とを備える。保磁力は、磁性体の磁化の方向を逆転させるのに必要な外部磁場の大きさに対応する。
【００２１】
第１の領域２１および第２の領域２２は、トポロジカル絶縁体２０の表面に露出する。トポロジカル絶縁体２０は第１の保磁力を有する材料で形成され、トポロジカル絶縁体２０の表面側の一部の領域に第２の領域２２が形成されてよい。第２の領域２２は、トポロジカル絶縁体２０の表面から、裏面まで到達しない所定の深さまで形成されてよく、トポロジカル絶縁体２０の表面から裏面まで形成されてもよい。
【００２２】
トポロジカル絶縁体２０が、保磁力の異なる２つの領域を有することで、領域毎に磁場の方向を制御することができる。例えば外部磁場を印加することで、それぞれの領域の磁場の方向を制御することができる。例えば、記憶すべき情報に応じてそれぞれの領域の磁場の方向を制御することで、トポロジカル絶縁体２０をメモリとして用いることができる。この場合、トポロジカル絶縁体２０は、領域数と同一のビット数の２値データを記憶することができる。
【００２３】
トポロジカル絶縁体２０をメモリとして用いる場合、各領域の磁場の方向を検出できれば、トポロジカル絶縁体２０が記憶した情報を読み出すことができる。後述するように、各領域の磁場の方向に応じて、トポロジカル絶縁体２０の各領域のエッジ間の電位差が変化する。このため、トポロジカル絶縁体２０の各領域のエッジ間の電位差を検出することで、トポロジカル絶縁体２０が記憶した情報を読み出すことができる。
【００２４】
上述したようにトポロジカル絶縁体２０のエッジにおける電気伝導のエネルギー散逸は実質的にゼロである。このため、トポロジカル絶縁体２０が記憶した情報処理の消費電力を極めて小さくすることができる。また、トポロジカル絶縁体２０自体が磁場を生成するので、外部磁場を印加しないとき、不揮発の情報が保持される。このように、保磁力の異なる複数の領域を有するトポロジカル絶縁体２０を用いることで、メモリ等の電子デバイスの消費電力を極めて小さくすることができる。
【００２５】
トポロジカル絶縁体２０は、トポロジカル絶縁体の組成に、磁性を持たせる元素を追加した組成を有してよい。磁性を持たせる元素は、例えばＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかである。
【００２６】
一例としてトポロジカル絶縁体２０は、下記の式１で表される材料であるか、または、式１で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料であってよい。
式１：Ｍｚ（Ｂｉ２−ｘＳｂｘ）１−ｚ（Ｔｅ３−ｙＳｅｙ）
ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜３、０＜ｚ＜１である。
【００２７】
また、トポロジカル絶縁体２０は、下記の式２で表される材料であるか、または、式２で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料であってもよい。
式２：ＴｌＭｚＭ'１−ｚＸ２
ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、Ｍ'はＢｉまたはＳｂであり、ＸはＳまたはＳｅであり、０＜ｚ＜１である。
【００２８】
また、トポロジカル絶縁体２０は、下記の式３で表される材料であるか、または、式３で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料であってよい。
式３：ＭｚＰｂ１−ｚ（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ４
ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、０＜ｘ＜１、０＜ｚ＜１である。
【００２９】
また、トポロジカル絶縁体２０は、下記の式４で表される材料であるか、または、式４で表される材料と元素Ｍを含まない材料とからなる超格子構造を有する材料であってよい。
式４：（Ｍｚ(ＧｅｘＰｂ１−ｘ)１−ｚＴｅ）ｎ（Ｍｙ(ＢｉａＳｂ１−ａ)２−ｙＴｅ３）ｍ
ただし、ＭはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれかであり、０＜ｘ＜１、０＜ａ＜１、０＜ｙ＜２、０＜ｚ＜１であり、ｎおよびｍは任意の整数である。
【００３０】
また、第２の領域２２は、第１の保磁力を有するトポロジカル絶縁体の表面の一部の領域に、所定のイオンを照射することで形成できる。トポロジカル絶縁体の表面にイオンを照射することで、トポロジカル絶縁体の当該領域にダメージを印加して保磁力を変化させることができる。イオンは、例えばアルゴンイオン等があげられるが、アルゴンイオンに限定されない。例えばアルゴン以外の第１８族元素のイオンを用いてよい。また、これらの元素以外であっても、トポロジカル絶縁体の保磁力を変化させることができれば、用いることができる。
【００３１】
図２は、トポロジカル絶縁体２０の表面を示す模式図である。上述したようにトポロジカル絶縁体２０の表面には、保磁力の異なる第１の領域２１および第２の領域２２の両方が露出する。また、トポロジカル絶縁体２０の表面において、第１の領域２１および第２の領域２２は隣接していてよい。
【００３２】
図３は、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化曲線の模式図である。図３においては、基板１０からトポロジカル絶縁体２０に向かう方向を磁化および磁場の正方向として、トポロジカル絶縁体２０から基板１０に向かう方向を磁化および磁場の負方向としている。
【００３３】
上述したように第１の領域２１および第２の領域２２は保磁力が異なるので、外部磁場を増加または減少させていく過程において、磁化の方向が逆転する外部磁場の大きさが異なる。本例の第１の領域２１は、外部磁場を増加させる過程において、磁場Ｂ１で磁化の方向が外部磁場と同一の方向に変化する。第２の領域２２は、外部磁場を増加させる過程において、磁場Ｂ１より大きい磁場Ｂ２で磁化の方向が外部磁場と同一の方向に変化する。
【００３４】
また、第１の領域２１は、外部磁場を減少させる過程において、磁場−Ｂ１で磁化の方向が外部磁場と同一の方向に変化する。第２の領域２２は、外部磁場を減少させる過程において、磁場−Ｂ１より絶対値の大きい磁場−Ｂ２で磁化の方向が外部磁場と同一の方向に変化する。
【００３５】
図４は、外部磁場を減少させる過程における、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向の変化を示す模式図である。図４においては、正方向の磁化を、中心に点を有する円で示し、負方向の磁化を、内部に交差する直線を有する円で示している。また、図４の例では、第１の領域２１および第２の領域２２の両方とも、正方向に磁化されている状態を初期状態としている。
【００３６】
初期状態から、外部磁場を減少させていくと、外部磁場Ｂが−Ｂ１＜Ｂの範囲では、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向は変化しない。更に外部磁場を減少させていき、外部磁場Ｂが−Ｂ２＜Ｂ≦−Ｂ１の範囲では、保磁力が比較的に弱い第１の領域２１の磁化の方向が反転する。更に外部磁場を減少させていき、外部磁場ＢがＢ≦−Ｂ２の範囲では、第２の領域２２の磁化の方向も反転する。なお、外部磁場の印加を停止させても、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向は保存される。
【００３７】
図５は、外部磁場を増加させる過程における、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向の変化を示す模式図である。図５の例では、第１の領域２１および第２の領域２２の両方とも、負方向に磁化されている状態を初期状態としている。
【００３８】
初期状態から、外部磁場を増加させていくと、外部磁場ＢがＢ＜Ｂ１の範囲では、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向は変化しない。更に外部磁場を増加させていき、外部磁場ＢがＢ１≦Ｂ＜Ｂ２の範囲では、保磁力が比較的に弱い第１の領域２１の磁化の方向が反転する。更に外部磁場を増加させていき、外部磁場ＢがＢ２≦Ｂの範囲では、第２の領域２２の磁化の方向も反転する。なお、外部磁場の印加を停止（つまり、Ｂ＝０）させても、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向は保存される。
【００３９】
図４および図５に示すように、外部磁場を調整することで、保磁力の異なる２つの領域の磁化の方向を、領域毎に独立して制御することができる。このため、外部磁場を調整することで、トポロジカル絶縁体２０に情報を記憶させることができる。
【００４０】
図６は、トポロジカル絶縁体２０を用いた電子デバイス２００の表面を示す模式図である。電子デバイス２００は、トポロジカル絶縁体２０、第１の駆動電極２０１、第２の駆動電極２０２、第１の検出電極２１１、第２の検出電極２１２、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４を備える。
【００４１】
本例において第１の駆動電極２０１、第２の駆動電極２０２、第１の検出電極２１１、第２の検出電極２１２、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４は、基板１０の表面に設けられる。第２の駆動電極２０２は、基板１０の表面において第１の駆動電極２０１と離間している。
【００４２】
トポロジカル絶縁体２０は、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の双方に接している。本例のトポロジカル絶縁体２０は、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２に挟まれている。
【００４３】
トポロジカル絶縁体２０は、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間にそれぞれ位置する第１のエッジ２５および第２のエッジ２６を有する。本例ではトポロジカル絶縁体２０は薄膜形状を有しており、第１のエッジ２５および第２のエッジ２６は、薄膜形状の予め定められた表面において対向するエッジである。一例として第１のエッジ２５および第２のエッジ２６は同一の長さを有して互いに平行に延伸する。トポロジカル絶縁体２０の平面形状は、長方形であってよい。
【００４４】
保磁力の異なる第１の領域２１および第２の領域２２は、第１の駆動電極２０１から第２の駆動電極２０２に向かう方向において順番に並んでいる。本例では、第１の駆動電極２０１、第１の領域２１、第２の領域２２、第２の駆動電極２０２の順に並んでいる。
【００４５】
第１の領域２１および第２の領域２２の境界２８は、第１のエッジ２５から第２のエッジ２６まで延伸している。本例において第１のエッジ２５および第２のエッジ２６は互いに平行に延伸しており、境界２８は第１のエッジ２５および第２のエッジ２６と垂直な方向に延伸している。第１の領域２１および第２の領域２２の面積は略同一であってよく、ことなっていてもよい。
【００４６】
第１の検出電極２１１は、第１のエッジ２５において第１の領域２１に電気的に接続する。第２の検出電極２１２は、第１のエッジ２５において第２の領域２２に電気的に接続する。つまり、第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２は、第１のエッジ２５において境界２８を挟む。
【００４７】
第３の検出電極２１３は、第２のエッジ２６において第１の領域２１に電気的に接続する。第４の検出電極２１４は、第２のエッジ２６において第２の領域２２に電気的に接続する。つまり、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４は、第２のエッジ２６において境界２８を挟む。
【００４８】
第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間に電圧を印加すると、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間のトポロジカル絶縁体２０の表面に電流が流れる。このとき、トポロジカル絶縁体２０が、表面に対して垂直な磁場を生成しているので、伝導電子は第１のエッジ２５および第２のエッジ２６に沿って流れる。
【００４９】
第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間に電流を流している状態で、少なくとも１組の検出電極の間の電位差を検出することで、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向に関する情報を取得することができる。上述したように、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間に電流を流しても、トポロジカル絶縁体２０の表面における電気伝導のエネルギー散逸が実質的にゼロなので、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向に関する情報を取得する場合の電子デバイス２００の消費電流をほぼゼロにすることができる。
【００５０】
図７Ａは、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向がともに負方向の場合における、各検出電極間の電位差を説明する図である。なお、第１の駆動電極２０１に印加する電圧をＶＬ、第２の駆動電極２０２に印加する電圧をＶＲとする。図７Ａ等においては、各検出電極を模式的に直線で示している。
【００５１】
本例では、第１のエッジ２５には、第１の駆動電極２０１から第２の駆動電極２０２に向かう電流が流れる。第１のエッジ２５における電気伝導にはエネルギー散逸が生じないので、第１のエッジ２５では電圧降下が生じない。この場合、第１のエッジ２５全体の電圧は第１の駆動電極２０１と同一の電圧ＶＬになる。
【００５２】
また、第２のエッジ２６には、第２の駆動電極２０２から第１の駆動電極２０１に向かう電流が流れる。第２のエッジ２６における電気伝導にはエネルギー散逸が生じないので、第２のエッジ２６では電圧降下が生じない。この場合、第２のエッジ２６全体の電圧は第２の駆動電極２０２と同一の電圧ＶＲになる。
【００５３】
この場合、第１の検出電極２１１と、第２の検出電極２１２との間には電位差が生じない。同様に、第３の検出電極２１３と、第４の検出電極２１４との間にも電位差が生じない。また、第１の検出電極２１１と、第３の検出電極２１３との間にはＶＬ−ＶＲの電位差が生じる。同様に、第２の検出電極２１２と、第４の検出電極２１４との間にもＶＬ−ＶＲの電位差が生じる。これらの検出電極間の電位差の情報の一部または全部から、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向がともに負方向であることが判定できる。また、第１の検出電極２１１と第４の検出電極２１４との間の電位差、および、第２の検出電極２１２と第３の検出電極２１３との間の電位差を用いてもよい。
【００５４】
図７Ｂは、第１の領域２１の磁化方向が正方向、第２の領域２２の磁化方向が負方向の場合における、各検出電極間の電位差を説明する図である。本例では、第１の領域２１においては、第１の駆動電極２０１、第２のエッジ２６、境界２８、第１のエッジ２５、第１の駆動電極２０１の順番で電流が通過する。また、第２の領域２２においては、第２の駆動電極２０２、第２のエッジ２６、境界２８、第１のエッジ２５、第２の駆動電極２０２の順番で電流が通過する。
【００５５】
この場合、第２のエッジ２６のうち、第１の領域２１に対応する部分の電圧は、第１の駆動電極２０１と同一の電圧ＶＬになる。また、第２のエッジ２６のうち、第２の領域２２に対応する部分の電圧は、第２の駆動電極２０２と同一の電圧ＶＲになる。また、境界２８の電圧は、第１の駆動電極２０１の電圧ＶＬと、第２の駆動電極２０２の電圧ＶＲの平均電圧（ＶＬ＋ＶＲ）／２になる。第１のエッジ２５全体の電圧も、境界２８と同様に（ＶＬ＋ＶＲ）／２になる。
【００５６】
本例では、第１の検出電極２１１と、第２の検出電極２１２との間には電位差が生じないが、第３の検出電極２１３と、第４の検出電極２１４との間には電位差ＶＬ−ＶＲが生じる。また、第１の検出電極２１１と、第３の検出電極２１３との間には（ＶＲ−ＶＬ）／２の電位差が生じる。同様に、第２の検出電極２１２と、第４の検出電極２１４との間にも（ＶＲ−ＶＬ）／２の電位差が生じる。また、第１の検出電極２１１と第４の検出電極２１４との間の電位差、および、第２の検出電極２１２と第３の検出電極２１３との間の電位差を用いてもよい。これらの検出電極間の電位差の情報の一部または全部から、第１の領域２１の磁化方向が正方向であり、第２の領域２２の磁化方向が負方向であることが判定できる。
【００５７】
第１の領域２１の磁化方向が負方向であり、第２の領域２２の磁化方向が正方向の場合も、同様に検出電極間の電位差の情報から判別できる。ただしこの場合、第１の領域２１における第２のエッジ２６の電圧がＶＲとなり、第２の領域２２における第２のエッジ２６の電圧がＶＬとなる。他の電圧は図７Ｂの例と同様である。
【００５８】
図７Ｃは、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向がともに正方向の場合における、各検出電極間の電位差を説明する図である。本例では、第１のエッジ２５には、第２の駆動電極２０２から第１の駆動電極２０１に向かう電流が流れる。この場合、第１のエッジ２５全体の電圧は第２の駆動電極２０２と同一の電圧ＶＲになる。
【００５９】
また、第２のエッジ２６には、第１の駆動電極２０１から第２の駆動電極２０２に向かう電流が流れる。この場合、第２のエッジ２６全体の電圧は第１の駆動電極２０１と同一の電圧ＶＬになる。
【００６０】
この場合、第１の検出電極２１１と、第２の検出電極２１２との間には電位差が生じない。同様に、第３の検出電極２１３と、第４の検出電極２１４との間にも電位差が生じない。また、第１の検出電極２１１と、第３の検出電極２１３との間にはＶＲ−ＶＬの電位差が生じる。当該電位差は、図７Ａの例とは符号が逆になっている。同様に、第２の検出電極２１２と、第４の検出電極２１４との間にもＶＲ−ＶＬの電位差が生じる。また、第１の検出電極２１１と第４の検出電極２１４との間の電位差、および、第２の検出電極２１２と第３の検出電極２１３との間の電位差を用いてもよい。これらの検出電極間の電位差の情報の一部または全部から、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向がともに正方向であることが判定できる。
【００６１】
図８は、外部磁場を増加および減少させた場合の、第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２の間の電位差と、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４の間の電位差を、電気抵抗として表現した図である。第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２の間の電位差を抵抗ＲＴで示し、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４の間の電位差を抵抗ＲＢで示している。当該電気抵抗に流れる電流を乗じたものが、検出電極間の電位差に相当する。なお当該電気抵抗は、実際の電気抵抗を示しているのではなく、電位差を表現しているにすぎない。第１のエッジ２５および第２のエッジ２６においては、エネルギー散逸が生じないので、実際の消費電力はゼロである。
【００６２】
図７Ａから図７Ｃにおいて説明したように、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向が異なる場合に、抵抗ＲＴまたは抵抗ＲＢが非ゼロになる。つまり、図４および図５において説明したように、外部磁場を増加させている場合において外部磁場ＢがＢ１≦Ｂ＜Ｂ２の範囲で、抵抗ＲＢが非ゼロの値となる。また、外部磁場を減少させている場合において外部磁場Ｂが−Ｂ２＜Ｂ≦−Ｂ１の範囲で、抵抗ＲＴが非ゼロの値となる。
【００６３】
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃは、電子デバイス２００に印加する外部磁場Ｂを変化させた場合の電気抵抗Ｒの測定結果を示す。本例において基板１０はＩｎＰ基板であり、トポロジカル絶縁体２０の組成はＣｒ０．２（Ｂｉ０．２２Ｓｂ０．７８）１．８Ｔｅ３である。また、トポロジカル絶縁体２０の厚みを８ｎｍとした。基板１０上にトポロジカル絶縁体２０を形成して真空チャンバ内に配置した。真空チャンバ内の真空度は３×１０−４Ｐａ以下である。
【００６４】
真空チャンバ内のトポロジカル絶縁体２０の表面の一部の領域にアルゴンイオンを照射した。アルゴンイオンの加速電圧を８００Ｖ、アルゴンイオンを生成するイオンガンに供給する電流量を３０ｍＡ、トポロジカル絶縁体２０の表面に対するアルゴンイオンの照射角度を４５度、アルゴンイオンの照射時間を１秒とした。
【００６５】
図９Ａは、第１の検出電極２１１と第３の検出電極２１３との電位差に応じた抵抗Ｒ１−３、および、第２の検出電極２１２と第４の検出電極２１４との電位差に応じた抵抗Ｒ２−４を示している。抵抗Ｒ１−３の波形は、第１の領域２１の磁化曲線に対応する。また、抵抗Ｒ２−４の波形は、第２の領域２２の磁化曲線に対応する。図９Ａに示すように、アルゴンイオンを照射することで、第１の領域２１および第２の領域２２の間で保磁力が変化していることがわかる。
【００６６】
図９Ｂは、第２の検出電極２１２と第３の検出電極２１３との電位差に応じた抵抗Ｒ２−３、および、第４の検出電極２１４と第１の検出電極２１１との電位差に応じた抵抗Ｒ４−１を示している。図９Ｂによっても、アルゴンイオンを照射することで、第１の領域２１および第２の領域２２の間で保磁力が変化していることがわかる。
【００６７】
図９Ｃは、第２の検出電極２１２と第１の検出電極２１１との電位差に応じた抵抗Ｒ２−１、および、第４の検出電極２１４と第３の検出電極２１３との電位差に応じた抵抗Ｒ４−３を示している。抵抗Ｒ４−３は、図８に示した抵抗ＲＢに対応し、抵抗Ｒ２−１は、図８に示した抵抗ＲＴに対応する。図９Ｃによっても、アルゴンイオンを照射することで、第１の領域２１および第２の領域２２の間で保磁力が変化していることがわかる。また、図９Ａ−Ｃに示すように、各抵抗に基づいて第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向を検出可能であることがわかる。なお、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、量子電気伝導に関わりのない余剰抵抗を差し引いた図である。余剰抵抗とは、例えば各電極とトポロジカル絶縁体２０との間の接触抵抗等を含む。
【００６８】
図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、アルゴンイオンの加速電圧を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。ただし、アルゴンイオンの照射時間は５秒とした。他の条件は、図９Ａから図９Ｃの例と同一である。また、図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃにおいては、第１の領域２１の磁化曲線を抵抗Ｒ１−３で示し、第２の領域２２の磁化曲線を抵抗Ｒ２−４で示している。
【００６９】
図１０Ａは、アルゴンイオンの加速電圧を３００Ｖとした場合を示す。この場合、第２の領域２２の保磁力は、第１の領域２１の保磁力とほとんど変わらない。図１０Ｂは、アルゴンイオンの加速電圧を４００Ｖとした場合を示す。第２の領域２２の保磁力が、第１の領域２１の保磁力よりも大きくなっていることがわかる。図１０Ｃは、アルゴンイオンの加速電圧を５００Ｖとした場合を示す。第２の領域２２の保磁力が更に大きくなっていることがわかる。
【００７０】
このように、第２の領域２２の保磁力は、アルゴンイオンの加速電圧によって制御できる。第１の領域２１および第２の領域２２の保磁力の差異が小さいと、外部磁場によって、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化方向を独立に制御することが困難となる。しかし、アルゴンイオンの加速電圧を調整することで、保磁力の差異を十分大きくできることがわかる。
【００７１】
図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃは、アルゴンイオンの照射時間を変化させた場合の、第２の領域２２の保磁力の変化を示す図である。ただし、アルゴンイオンの加速電圧は３００Ｖとした。他の条件は、図９Ａから図９Ｃの例と同一である。
【００７２】
図１１Ａは、アルゴンイオンの照射時間を５秒とした場合を示す。つまり、図１０Ａと同一の条件である。この場合、第２の領域２２の保磁力は、第１の領域２１の保磁力とほとんど変わらない。図１１Ｂは、アルゴンイオンの照射時間を７秒とした場合を示す。照射時間を長くしても、第２の領域２２の保磁力がほとんど変化していない。図１１Ｃは、アルゴンイオンの照射時間を９秒とした場合を示す。照射時間を更に長くしても、第２の領域２２の保磁力がほとんど変化しないことがわかる。
【００７３】
このように、第２の領域２２の保磁力は、アルゴンイオンの照射時間によってはほとんど変化しない。このため、アルゴンイオンの照射時間は、第２の領域２２の保磁力を変化させることができれば短くてよい。アルゴンイオンの照射時間は５秒以下であってよく、１秒以下であってもよい。
【００７４】
図１２は、電子デバイス２００の表面構造の他の例を示す模式図である。本例のトポロジカル絶縁体２０は、第１の領域２１、第２の領域２２、第３の領域２３および第４の領域２４を有する。領域の数は、３であってもよく、５以上であってもよい。複数の領域は、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間に順番に並んでいる。各領域における第１のエッジ２５および第２のエッジには、それぞれ検出電極（本例では、第１の検出電極２１１、第２の検出電極２１２、第３の検出電極２１３、第４の検出電極２１４、第５の検出電極２１５、第６の検出電極２１６、第７の検出電極２１７、第８の検出電極２１８）が接続している。
【００７５】
複数の領域は、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間において、保磁力の強さの順番に並んでいてよい。このような構成により、磁化方向が反転する領域の境界２８の位置を、外部磁場によって制御することができる。例えば境界２８の位置によって、電子デバイス２００に情報を記憶することができる。
【００７６】
また、第１の駆動電極２０１および第２の駆動電極２０２の間において、第１の保磁力を有する領域と、第２の保磁力を有する領域とが交互に並んでもよい。例えば、第３の領域２３は第１の領域２１と同一の保磁力を有し、第４の領域２４は第２の領域２２と同一の保磁力を有する。つまり、図６に示した領域の配列が、複数組繰り返して並んでいる。
【００７７】
電子デバイス２００は、同一の保磁力を有する領域における同一のエッジに接続されている検出電極の電圧を平均化してよい。例えば、第１の検出電極２１１および第５の検出電極２１５の電圧を平均化して用いてよい。このような構成により、検出電極とトポロジカル絶縁体２０との間の接触抵抗等のばらつきの影響を低減することができる。
【００７８】
図１３は、トポロジカル絶縁体２０の製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、磁性および第１の保磁力を有するトポロジカル絶縁体を準備する（Ｓ４００）。Ｓ４００においては、ＩｎＰ基板等の上面に、薄膜形状のトポロジカル絶縁体を形成してよい。
【００７９】
次に、準備したトポロジカル絶縁体の表面の一部の領域に、アルゴン等のイオンを照射する（Ｓ４０２）。Ｓ４０２においては、例えば４００Ｖ以上の加速電圧でアルゴンイオンを加速して、トポロジカル絶縁体の表面に照射する。イオン照射により、トポロジカル絶縁体の一部の領域がダメージを受け、保磁力が変化する。これにより、磁性を有し、且つ、保磁力の異なる複数の領域を有するトポロジカル絶縁体２０を製造することができる。
【００８０】
図１４は、メモリ装置３００の一例を示すブロック図である。メモリ装置３００は、情報を記憶する装置であって、電子デバイス２００および検出部３０２を備える。電子デバイス２００は、図１から図１２において説明したいずれかの電子デバイス２００である。
【００８１】
検出部３０２は、電子デバイス２００が備えるトポロジカル絶縁体２０における、第１の領域２１および第２の領域２２のそれぞれの磁化の方向を検出する。検出部３０２は、例えば図７Ａから図７Ｃにおいて説明したように、複数組の検出電極間の電位差に基づいて、磁化の方向を検出してよい。各領域の磁化の方向が１ビットの情報に対応する。
【００８２】
例えば検出部３０２は、第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２の間の電位差がゼロであり、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４の間の電位差がゼロであり、且つ、第１の検出電極２１１および第３の検出電極２１３の間の電位差がＶＬ−ＶＲの場合に、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向が共に負方向と判別する。検出部３０２は、第１の検出電極２１１および第３の検出電極２１３の間の電位差の符号を用いてもよい。この場合検出部３０２は、例えば「００」の２ビットの情報を検出する。
【００８３】
検出部３０２は、第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２の間の電位差がゼロであり、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４の間の電位差がゼロであり、且つ、第１の検出電極２１１および第３の検出電極２１３の間の電位差がＶＲ−ＶＬの場合に、第１の領域２１および第２の領域２２の磁化の方向が共に負方向と判別する。検出部３０２は、第１の検出電極２１１および第３の検出電極２１３の間の電位差の符号を用いてもよい。この場合検出部３０２は、例えば「１１」の２ビットの情報を検出する。
【００８４】
検出部３０２は、第３の検出電極２１３および第４の検出電極２１４の間の電位差がＶＬ−ＶＲの場合に、第１の領域２１の磁化の方向が正方向、第２の領域２２の磁化の方向が負方向と判別してよい。この場合検出部３０２は、例えば「１０」の２ビットの情報を検出する。
【００８５】
検出部３０２は、第１の検出電極２１１および第２の検出電極２１２の間の電位差がＶＬ−ＶＲの場合に、第１の領域２１の磁化の方向が負方向、第２の領域２２の磁化の方向が正方向と判別してよい。この場合検出部３０２は、例えば「０１」の２ビットの情報を検出する。
【００８６】
上述したように、トポロジカル絶縁体２０のエッジに流れる電流のエネルギー散逸はゼロなので、検出部３０２が情報を読み出す場合の、メモリ装置３００の消費電力を非常に小さくすることができる。また、メモリ装置３００の記憶容量を増大させた場合でも、記憶容量の増加割合に対する消費電力の増加割合は非常に小さい。
【００８７】
また、メモリ装置３００は、電子デバイス２００に情報を書き込む書込み部を更に備えてよい。書込み部には、それぞれの領域に情報を書き込む場合に、トポロジカル絶縁体２０に印加すべき外部磁場の強さが予め設定される。当該外部磁場の強さは、トポロジカル絶縁体２０の各領域の磁化曲線から設定できる。
【００８８】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８９】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９０】
１０・・・基板、１２・・・絶縁膜、１４・・・電極、２０・・・トポロジカル絶縁体、２１・・・第１の領域、２２・・・第２の領域、２３・・・第３の領域、２４・・・第４の領域、２５・・・第１のエッジ、２６・・・第２のエッジ、２８・・・境界、１００・・・構造体、２００・・・電子デバイス、２０１・・・第１の駆動電極、２０２・・・第２の駆動電極、２１１・・・第１の検出電極、２１２・・・第２の検出電極、２１３・・・第３の検出電極、２１４・・・第４の検出電極、２１５・・・第５の検出電極、２１６・・・第６の検出電極、２１７・・・第７の検出電極、２１８・・・第８の検出電極、３００・・・メモリ装置、３０２・・・検出部
【図１】
0006679095.tif 000002
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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