(57)【要約】【課題】クラスタ電極の形状、サイズ、各層の位置、厚さ、ならびに、スピンの方向を精密に制御することにより、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）効果が大きく発現する素子を作製すること。【解決手段】B成分からなる絶縁基板（９０）の上面に、Ａ成分のトンネル電極層１、２、３（１、２、３）、Ｈ成分の相変態層１、２（７０、７１）、Ｃ成分の絶縁層１、２（４０、４１）および絶縁保護膜（４５）、Ｄ成分の増感層１、２（３０、３１）、増感保護膜（２０）、Ｆ成分の強制層１、２（１０、１１）、Ｇ成分のスペイサー１、２および３（５０、５１、５２）、Ｅ成分の電極１、２、３（８０、８１、８２）から構成される素子を、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場および熱処理を組み合わせて形成し、小さな磁場の印加によりトンネル相変態磁気抵抗が大きく低下する、磁気抵抗素子を作製する。【選択図】 図２
2005260273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体の絶縁基板（９０）上に，素子端面から見て、非磁性・絶縁特性を持つ絶縁層１（４０）を挟んで、左側に、永久磁石（英語では、permanent magnet）と等しい特性、即ち、硬強磁性（hard ferromagnetic）特性、或いは反強磁性（anti-ferromagnetic）特性を持つ、強制層１（１０）を作成し、これと同じ水準で、右側に、高周波特性の優れた軟磁性特性（soft magnetic）を持つ増感層１（３０）を作成し、非磁性体のスペイサー１及び２（５０、５１）を増感層１（３０）と強制層１（１０）の上に、前記絶縁層１を挟んで、それぞれ作成し、分極率の大きい強磁性体からなるトンネル電極層１、２（１、２）の薄膜と、幅S１の相変態層１（７０）を、スペイサー１、２と、絶縁層１の上に、それらの長手方向が素子端面に対して直角方向になるように、それぞれ作成し（ここで、S１は磁気媒体等の弱い磁場が印加されたときに、反強磁性⇒強磁性変態、或いは、絶縁体又は半導体⇒金属変態が容易に生じる厚さである）、これらの上に、絶縁保護膜（４５）を形成し、前記増感層１、スペイサー１、トンネル電極層１、及び、絶縁保護膜１の右に、これらと接して良導体の電極１（８０）を、前記強制層１、スペイサー２、トンネル電極層２、及び、絶縁保護膜１の左に、これらと接して良導体の電極２（８１）を形成することを特徴とする，トンネル磁気抵抗効果と磁気誘起相変態を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（英語では、Tunneling and Phase Transition Magnetoresistance:ＴＰＭＲ）素子。
【請求項２】
非磁性体の絶縁基板（９０）の上に、素子端面から見て、中央に、高周波特性の優れた、軟磁性特性を持つ増感層１（３０）を形成し、その右側及び左側に、絶縁層１及び２（４０、４１）をそれぞれ形成し、硬強磁性体、或いは、反強磁性体からなる、強制層１及び２（１０、１１）を絶縁層１の右側に、及び、絶縁層２の左側にそれぞれ形成し、及び、増感層１、強制層１及び２の上に、スペイサー１、２及び３（５０、５１、５２）を、それぞれ形成し、分極率の大きな強磁性体からなる、トンネル電極層１、２及び３（１、２、３）を、間隔Ｓ１及びＳ２で、同じくそれぞれ形成し（ここで、Ｓ１及びＳ２は、トンネル現象、並びに、反強磁性⇒強磁性変態、或いは、絶縁体又は半導体⇒金属変態が、弱い外部磁場が作用することにより、容易に発現する厚さであり、大きな磁気抵抗変化率が得られる距離）、前記トンネル電極層１、２及び３の間で、かつ絶縁層１及び２の上に、相変態層１及び２（７０、７１）をそれぞれ形成し、それらの上に、絶縁保護膜（４５）を形成し、請求項１の相変態層及びトンネル回路を、２回路有することを特徴とする、他は、請求項１に記載の、トンネル磁気抵抗効果及び磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項３】
非磁性体の絶縁基板（９０）上に，素子端面から見て、非磁性・絶縁特性を持つ絶縁層１（４０）を挟んで、右側に、永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性特性、あるいは反強磁性特性を持つ、強制層１（１０）を作成し、これと同じ水準で、左側に、高周波特性の優れた軟磁性特性を持つ増感層１（３０）を作成し、非磁性体のスペイサー１及び２（５０、５１）を前記増感層１と強制層１の上に、前記絶縁層１を挟んで、それぞれ作成し、分極率の大きい強磁性体からなる、円板状のクラスタが、素子端面に対して直角方向に並んだ形態を持つクラスタ電極１（５）、及び、同じく強磁性体からなり、長手方向がクラスタ電極１の並びに、並行するトンネル電極層２（２）を、同じくそれぞれ作成し、ならびに、前記絶縁層１の上で、かつクラスタ電極１とトンネル電極層２の間に、幅がＳ１で（ここで、Ｓ１は、トンネル現象とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する距離）、その長手方向が、クラスタ電極１に並行する相変態層１（７０）を形成し、それらの上に、非磁性・絶縁体からなる絶縁保護膜（４５）を形成し、良導体からなる電極１（８０）を、前記クラスタ電極１が一部埋まる形態で、クラスタ電極１の左側に形成し、同じく良導体の電極２（８１）を、トンネル電極層の右側に接して形成する構造を有する、即ち、請求項１のトンネル電極層１をクラスタ電極１に置き換えた形態を有することを特徴とする、他は請求項１記載の、トンネル磁気抵抗効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項４】
非磁性体・絶縁体の絶縁基板（９０）上に、素子端面から見て、中央に軟磁性特性を有する増感層１（３０）を形成し、その上に、下から順に、スペイサー１（５０）、円板状の形状を持ち、分極率の大きい強磁性体からなる、請求項３に記載の形状を有するクラスタ電極１（５）及び良導体の電極１（８０）を作成し、前記増感層１及びスペイサー１の右側に絶縁層１（４０）を、同じくそれらの左側に絶縁層２（４１）を、それぞれ形成し、並びに、前記絶縁層１、２の右側、及び、左側に、永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体からなる強制層１、２（１０、１１）をそれぞれ作成し、それらの上に、スペイサー２、３（５１、５２）を、同じくそれぞれ作成し、前記絶縁層１、２の上に、前記クラスタ電極１に接して、幅がＳ１及びＳ２の相変態層１、２（７０、７１）を、それぞれ作成し（ここで、Ｓ１及びＳ２は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、或いは、絶縁体又は半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離）、分極率の大きい強磁性体からなるトンネル電極層２、３（２、３）を、前記スペイサー２、３の上に、相変態層１及び２に接して、それぞれ積層し、前記相変態層１及びトンネル電極層２、並びに、前記相変態層２及びトンネル電極層３の上に、前記電極１を挟んで、非磁性・絶縁体からなる絶縁保護膜（４５）を形成し、良導体からなる電極２及び３（８１、８２）を、トンネル電極２及び３の、右及び左に、それぞれ形成し、トンネル回路を２回路持つことを特徴とする、他は請求項３に記載する、トンネル磁気抵抗効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項５】
絶縁基板（非磁性・絶縁体；９０）の上に、素子端面から見て、強制層１及び２（永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体又は反強磁性体；１０，１１）を、強制層１及び２の長手方向が、素子端面に対して直角方向及び並行方向になるようにそれぞれ形成し、それらの間に絶縁層１（非磁性・絶縁体；４０）を設け、強制層２の上に接した形で、請求項３に記載の形態を有するクラスタ電極２（分極率の大きい強磁性体；６）を形成し、強制層１の上に、適切な空間を前記絶縁層１で満たし、その上に、前記クラスタ電極２に並行して、クラスタ電極１（分極率の大きい強磁性体；５）を形成し、前記クラスタ電極１、２の間には、両者間の距離がＳ１であり、素子端面に対して直角方向の長さ及び厚さが、クラスタ電極の直径及び厚さと、ほぼ等しい形状となるように相変態層１（７０）を形成し（ここで、Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する距離）、前記クラスタ電極１、２と相変態層１の上には、絶縁保護膜（非磁性・絶縁体；４５）を形成し、クラスタ電極１の右脇に電極１（良導体；８０）を、クラスタ電極２の左脇に電極２（良導体；８１）を形成する構造、即ち、請求項３のトンネル電極層２を、クラスタ電極２と置き換え、スペイサー１，２を省いた形態を有することを特徴とする、他は請求項３に記載の、トンネル磁気抵抗効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項６】
絶縁基板（非磁性・絶縁体；９０）の上に、素子端面から見て、強制層１（永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体又は反強磁性体；１０）、及び、絶縁層１（非磁性・絶縁体；４０）を形成し、前記の絶縁層１を挟んで、長手方向が素子端面に並行するスピン伝達層（軟磁性体；６０）を形成し、強制層１の上に接して、請求項３に記載の形状を有するクラスタ電極２（分極率の大きい強磁性体；６）を形成し、その隣に、幅Ｓ１（ここで、Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する距離）で、素子端面に直角方向の長さ及び厚さが、クラスタの直径及び厚さにほぼ等しい形状を有する、相変態層１（７０）を形成し、その相変態層を挟んで、かつ前記絶縁層１により、スピン伝達層から浮いた状態でクラスタ電極１（分極率の大きい強磁性体；５）を形成し、クラスタ電極１、２と相変態層１の上は、絶縁保護膜（非磁性・絶縁体；４５）で覆い、クラスタ電極１の右に電極１（良導体；８０）を、クラスタ電極２の左に電極２（良導体；８１）を形成し、請求項５の強制層１を、長手方向が素子端面に並行する、スピン伝達層に置き換えた形態を有することを特徴とする、他は請求項５に記載の、トンネル磁気抵抗効果及び磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項７】
絶縁基板（非磁性・絶縁体；９０）の上に、素子端面から見て、強制層１（永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体又は反強磁性体；１０）と絶縁層１（非磁性・絶縁体；４０）を形成し、強制層１の上に接して、長軸が素子端面に並行に位置する長円形の形状をした、クラスタ電極２（分極率の大きい強磁性体；６）を形成し、その右隣でかつ絶縁層１の上に、幅がＳ１の相変態層１（７０）を形成し（ここで、Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する距離）、その相変態層１を挟んで、クラスタ電極２の長軸に対して、直角な方向に長軸を持つ、長円形のクラスタ電極１（分極率の大きい強磁性体；５）を形成し、クラスタ電極１、２と相変態層１の上は、絶縁保護膜（非磁性・絶縁体；４５）で覆い、クラスタ電極１、２の右及び左に、クラスタ電極１、２に接して或いは少し埋め込まれた形態で、電極１、２（良導体；８０、８１）を、それぞれ形成する構造、即ち、請求項６のスピン伝達層を省き、クラスタ電極の形状を、円板から長円形に変えた形態を有することを特徴とする、他は請求項６に記載の、トンネル磁気抵抗効果及び磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項８】
絶縁基板（非磁性・絶縁体；９０）の上に、素子端面から見て、強制層１（永久磁石と同じ特性を持つ硬強磁性体又は反強磁性体；１０）、及び、絶縁層１（非磁性・絶縁体；４０）を挟んで、交換相互作用が十分働く距離離れた位置に、Ｌ型形状を有するスピン伝達層（軟磁性体；６０）を形成し、強制層１の上に接して、請求項３に記載の形態を持つクラスタ電極２（分極率の大きい強磁性体；６）を、その右隣に、幅Ｓ１（ここで、Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、或いは、絶縁体又は半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離）で、長手方向がスラスタ電極２の並びに並行な位置で、かつ絶縁層１の上に、相変態層１（７０）を形成し、その相変態層１を挟み、かつ、スピン伝達層の上に接するように、クラスタ電極１（分極率の大きい強磁性体；５）を形成し、これらの上に、絶縁保護膜（非磁性・絶縁体；４５）を作成して、クラスタ電極１の右隣とクラスタ電極２の左隣に、それぞれ電極１及び２（良導体；８０、８１）を形成する構造、即ち、請求項６のスピン伝達層とクラスタ電極１間のギャップをなくした形態を有することを特徴とする、他は請求項６に記載の、トンネル磁気抵抗効果及び磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項９】
絶縁基板（非磁性・絶縁体；９０）の上に、素子端面から見て、強制層１（永久磁石と同じ特性と持つ硬強磁性体又は反強磁性体；１０）の右に、絶縁層１（非磁性・絶縁体；４０）を挟んで、交換相互作用が十分働く距離離れた位置に、断面がＬ型形状を持つスピン伝達層（軟磁性体；６０）を形成し、強制層１の上に、接して長円形の形状のクラスタ電極２（分極率の大きい強磁性体；６）を、その右隣に幅がＳ１（ここで、Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、或いは、絶縁体又は半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離）の相変態層１（７０）を形成し、その相変態層１を挟んで、前記のスピン伝達層の上に、同じく長円形のクラスタ電極１（分極率の大きい強磁性体；５）を形成し、これらの上に、絶縁保護膜（非磁性・絶縁体；４５）を作成して、クラスタ電極１の右隣とクラスタ電極２の左隣に、それぞれ電極１及び２（良導体；８０、８１）を形成し、各構成要素の長手方向が端面に対して直角方向に並行する構造、即ち、請求項８に記載のクラスタ電極１，２の形状を、長円形に変えた素子形態を有することを特徴とする、他は請求項８に記載の、トンネル磁気抵抗効果及び磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項１０】
相変態層１（７０）を構成するＨ成分として、Ｌ１−ｘＱｘＭｎＯ３ 、０≦ｘ≦１、（ここで、Ｌは、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ又はＰｒ等の希土類金属、Ｌサイトを置換するＱとして、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａがある）と表記する、ペロブスカイト（perovskite）構造を持つ、マンガナイト、或いは、半金属であるＢｉ又はその合金、或いは、非常に薄い層にして、反強磁性体であるＦｅＭｎ、又は、ＮｉＭｎ等の合金を使用することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８又は９に記載の、トンネル効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項１１】
相変態層２（７１）を構成するＨ成分として、Ｌ１−ｘＱｘＭｎＯ３ 、０≦ｘ≦１、（ここで、Ｌは、Ｇｄ、Ｌａ、Ｎｄ又はＰｒ等の希土類金属、Ｌサイトを置換するＱとして、Ｃａ、Ｓｒ又はＢａがある）と表記する、ペロブスカイト（perovskite）構造を持つ、マンガナイト、ならびに、半金属であるＢｉ又はその合金、あるいは、非常に薄い層にして、反強磁性体であるＦｅＭｎ、又は、ＮｉＭｎ合金等を使用することを特徴とする、請求項２又は４に記載の、トンネル磁気抵抗効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子。
【請求項１２】
スペイサー１、２（５０、５１）を構成するＧ成分として、Ｃｕ、Ａｌ２Ｏ３、及び、ＳｉＯ２を使用することを特徴とし、請求項１、２、３、又は、４に記載の、トンネル磁気抵抗効果と磁気誘起相変態効果の原理に基づく、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態。
【請求項１３】
スペイサー３（５２）を構成するＧ成分として、Ｃｕ、Ａｌ２Ｏ３、及び、ＳｉＯ２を使用することを特徴とし、請求項２、又は、４に記載の、トンネル磁気抵抗効果と磁気誘起相変態効果の原理に基づく、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，弱い磁場の変化に応答して、一定電流が流れる回路の抵抗値を変化させ、結果として回路の電圧を変化させることにより、弱い磁場の変化を読み取る素子、例えば、ハードディスクの読み出し素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来は，Ｃｕ・Ｆｅ、Ｃｕ・Ｃｏ、Ａｇ・ＣｏあるいはＡｇ・Ｆｅ等の組み合わせでモレキュラー・ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）法により多層薄膜を作成したり、あるいは、イオン化クラスタ・ビーム（ＩＣＢ）法により、ＣｕあるいはＡｇのマトリックス中に、ＦｅあるいはＣｏ等の強磁性クラスタがマトリックス中に埋め込まれた形態を、自然形成していた。
【０００３】
このような方法によっては、強磁性体と非磁性良導体の多層薄膜界面における電子の散乱の効果、あるいは、強磁性体のクラスタと非磁性良導体のマトリックスとの界面における電子の散乱の効果が、磁気抵抗（英語では、Magnetoresistance）効果の生成原因であった。
【０００４】
また、強磁性体（例えば、ＣｏあるいはＦｅ）と非磁性特性をもつ半導体あるいは絶縁体（例えば、Ｇｅ、Ａｌ2Ｏ３）の薄膜を交互に積層した素子は、トンネル磁気抵抗効果を発現することが知られていた。
【０００５】
このような磁気抵抗素子を用いて、読取り用の磁気ヘッドを作製し、これに、常時電流を流して、磁性媒体に近接して置くとき、磁性媒体の弱い磁場の変化として記録された情報は、磁気ヘッドの電圧変化として、読み出すことが可能となる。
【非特許文献１】S. Maekawa  et.  al,  IEEE  Trans.  Magn.  MAG１８No.2,  7071982)）
【０００６】
従来の磁気抵抗効果は、磁性体と良導体の異相界面における電子の散乱現象、あるいは、強磁性体と絶縁体の積層薄膜におけるトンネル効果の発現が、外部磁場によって変化する効果を利用していたために、制御が困難で、抵抗変化を大きくすることが出来ないという欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、一定範囲の弱い外部磁場変動による回路の電圧変化、即ち、磁気抵抗変化が小さい点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、従来知られていたトンネル磁気抵抗素子に、磁気相変態層を組み込むことにより、トンネル磁気抵抗効果に加えて、磁気相変態効果を、同時に発現させ、小さな磁場の変動から、大きい電気抵抗変化、即ち、大きい電圧変化を生じさせることを最も主要な特徴とする。
【０００９】
トンネル磁気抵抗効果と相変態層による磁気変態効果を組合せた素子に関しては、これまで報告が全くなく、新しい概念による素子構造である。原理を次に簡単に述べる。例えば、請求項３において、電子は、非磁性・良導体の電極２から、分極率の大きい強磁性体からなるトンネル電極層２を経て、相変態層１、同じく分極率の大きい強磁性体からなるクラスタ電極１、非磁性・良導体の電極１へとトンネリング又は伝導により流れる。外部磁場がない場合、クラスタ電極の電子スピンの向きは、ランダムか、弱くトンネル電極層２の電子スピンの向きと反並行にセットされている。
【００１０】
ここで、トンネル電極層２の電子スピンと反並行の、弱い外部磁場が加わると、クラスタ電極１のスピンの向きは、トンネル電極層２のスピンの向きと反並行になる（または、反並行のままである）。この場合、反並行スピンのトンネル電極層２とクラスタ電極１が近接して存在するために、相変態層１の磁気相変態は、ほとんど起こらず、従って、磁気相変態による電気抵抗変化も、ほとんど生じない。しかも、クラスタ電極１とトンネル電極層２のスピンの向きは、反並行であるために、トンネル磁気抵抗値は高い状態であり、前記回路の電気抵抗値は、ほとんど変化せず高い値を示す。
【００１１】
しかし、トンネル電極層のスピンの向きと並行の、弱い外部磁場が加わると、クラスタ電極１のスピンの向きは、反転し、トンネル電極層２のスピンの向きと等しくなる。すると、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、相変態層の一部で生じ、電気抵抗の低下が起きる。磁気相変態が生じていない相変態層の部分は、電子はトンネリングによって伝導する。クラスタ電極とトンネル電極層のスピンの向きが並行であるために、トンネル磁気抵抗も低下し、前記回路の抵抗値は、トンネル磁気抵抗変化のみの場合よりも大きく低下する。もし、相変態層全体で磁気変態が生じた場合、トンネル現象はなくなり、磁気変態による相変態層の電気抵抗低下と、クラスタ電極とトンネル電極層のスピンの向きが、並行であることによる、磁気抵抗低下が生じる。（弱い外部磁場によって、相変態層全体で磁気相変態が起きることは、ほとんどない。）
【００１２】
トンネル電極層２―相変態層―トンネル電極層１の回路(請求項１)と、トンネル電極層２―相変態層―クラスタ電極１の回路(請求項３)を比較すると、即ち、トンネル電極層１と―クラスタ電極１を比較すると、回路を流れる電子のスピンの向きを決めるという意味では、両者は同じ役割をはたす。しかし、クラスタ電極のスピンの向きは、クラスタ電極のサイズが小さいために、弱い外部磁場の影響を受けやすい、即ち、トンネル電極層のスピンよりも、変化しやすいという特性を持っている。
【００１３】
本発明では、請求項１において、B成分からなる非磁性体の絶縁基板（９０）上に，永久磁石（英語では、permanent magnet）と等しい特性、すなわち、硬強磁性（hard ferromagnetic）特性、あるいは反強磁性（anti-ferromagnetic）特性を持つＦ成分からなる、強制層１（１０）を、モレキュラー・ビーム・エピタキシ（Molecular-Beam Epitaxy : MBE）法およびリソグラフィ法により作成する第１ａの工程、これと同じ水準で、Ｃ成分からなる絶縁層１（４０）を挟んで、高周波特性の優れた軟強磁性特性（soft ferromagnetic）を持つＤ成分からなる増感層１（３０）を作成する第２ａの工程、非磁性体のＧ成分からなるスペイサー１、２（５０、５１）を増感層１（３０）と強制層１（１０）の上に、それぞれ、作成する第３ａの工程、分極率の大きいＡ成分からなるトンネル電極層１、２（１、２）の薄膜を、同じくＭＢＥ法とリソグラフィ法により、幅S１のＨ成分からなる相変態層１（７０）を挟んで作成する第４ａの工程；ここで、S１は磁気媒体等の弱い磁場が印加されたときに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が容易に生じる厚さである。これらの上に、Ｃ成分からなる絶縁保護膜（４５）を、ＭＢＥ法およびリソグラフィ法を用いて形成する第５ａの工程、良導体のＥ成分からなる電極１、２（８０、８１）を形成する第６の工程を含むことを特徴とする，トンネル効果と磁気誘起相変態を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（英語では、Tunneling and Phase Transition Magnetoresistance:ＴＰＭＲ）素子の構造およびそれを作製する方法を示している。
製作時、あるいは、製作後、図１（ａ）の平面図の下から上方に、温度を上下させる熱処理を加えながら、大きな外部磁場を加える。強制層１が反強磁性体の場合；強制層１の方角が固定され、それに対して平行にトンネル電極層２と増感層１のスピンが外部磁場のスピンと等しい方向に固定される：強制層１が強磁性体の場合；強制層１のスピンは外部磁場の方向に固定される。トンネル電極層２と増感層１のスピンは、交換相互作用により、強制層１のスピンに対して、反平行にセットされる。トンネル電極層１のスピンは、自動的に、トンネル電極層２のスピンと反平行になる。磁気媒体等の弱い外部磁場が、図１（ａ）の平面図で、下から上に、垂直方向に加えられるとき、トンネル電極層１のスピンは、容易に１８０度回転し、トンネル電極層１、２のスピンの方向は一致し、トンネル効果による、磁気抵抗値が低下するとともに、相変態層１の相変態が生じて、これによる磁気抵抗低下も生じる。電極１、２間に一定の電流を流しておくと、弱い磁場の印加により、大きな電圧低下が生じる。以後、図１に示す構造を、「構造１」と呼ぶ。Ｄ成分からなる遮蔽層（１００）をＴＰＭＲ素子に組み込んだ場合の形態は、図１０に示されている。
【００１４】
請求項２において、Ｂ成分からなる非磁性体の絶縁基板（９０）の上に、中央に、高周波特性の優れた、軟磁性特性を持つＤ成分からなる増感層１（３０）を形成する第１ｂの工程、硬強磁性、あるいは、反強磁性特性を持つＦ成分からなる、右側の強制層１（１０）、左側の強制層２（１１）を、形成する第２ｂの工程、および、それらの間に、Ｃ成分からなる絶縁層１、２（４０、４１）を形成する第３ｂの工程、それらの上に、Ｇ成分からなるスペイサー１、２および３（５０、５１および５２）を形成する第４ｂの工程、分極率の大きなＡ成分からなる、トンネル電極層１（１）、トンネル電極層２（２）およびトンネル電極層３（３）を、間隔Ｓ１およびＳ２で形成する第５ｂの工程、ここで、Ｓ１およびＳ２は、トンネル現象、ならびに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、弱い外部磁場が作用することにより、容易に発現する厚さであり、大きな磁気抵抗変化率が得られる距離である）、それらの間に、Ｈ成分からなる相変態層１、２（７０、７１）を形成する第６ｂの工程、その上に、Ｃ成分からなる絶縁保護膜（４５）を形成する第７ｂの工程を含み、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とする、トンネル効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、２つのトンネル回路を有する、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態およびその作製方法を示している。
製作時、あるいは、製作後、図２（ａ）の平面図の下から上方に大きな外部磁場を加える。強制層１、２が反強磁性体の場合；強制層１、２の方角が固定され、増感層１とトンネル電極層２、３のスピンは、強制層１、２の方角に対して平行あるいは反平行にセットされる：強制層１が強磁性体の場合；強制層１、２のスピンは外部磁場の方向に固定される。増感層１とトンネル電極層２、３のスピンは、交換相互作用により、強制層１のスピンに対して、それぞれ、反平行にセットされる。トンネル電極層２、３に挟まれたトンネル電極層１のスピンは、自動的に、トンネル電極層２、３のスピンと反平行になる。磁気媒体等の弱い外部磁場が、図２（ａ）の平面図で垂直方向に加えられるとき、トンネル電極層１のスピンは、容易に１８０度回転し、トンネル電極層１、２、３のスピンの方向は一致し、トンネル効果による、磁気抵抗値が低下するとともに、相変態層１、２の相変態が生じて、これによる磁気抵抗低下も生じる。電極１、２および電極１、３間に一定の電流を流しておくと、弱い磁場の印加により、大きな電圧低下が生じる。この構造のもう一つの特徴は、トンネル回路を２つ持つことにある。トンネル電極層１−２とトンネル電極層１−３間にそれぞれトンネル回路を持つために、並列あるいは直列に回路を接続することにより、全回路の電気抵抗値を大きくしたり、小さくしたりして、抵抗値の調整ができる。各回路の特性を違えて作製すると、望む片方の回路を使用することにより、使用条件の範囲を広くすることも可能である。また、片方が故障した場合、あるいは、欠陥がある場合にも、他方を使用することにより、使用期間の延長が計れる等の利点がある。なお、磁気抵抗変化率は、回路を並列あるいは直列に接続しても、大きくは変化せず、ほぼ、１つの特性に近い値を示す。以後、図２に示した構造を「構造２」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ場合の素子構造は、図１０に示されている。
【００１５】
請求項３において、直径Ｇおよび厚さＴの形状を持ち、Ａ成分からなるクラスタ電極１（５）、および、同じくＡ成分からなるトンネル電極層２（２）、ならびに、Ｆ成分からなる強制層１（１０）、Ｄ成分からなる増感層１（３０）、Ｈ成分からなる相変態層１（７０）、Ｃ成分からなる絶縁層１（４０）および絶縁保護膜（４５）、Ｅ成分からなる電極１、２（８０、８１）およびＢ成分からなる絶縁基板（９０）によって構成されており、Ｓ１は、トンネル現象とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する厚さであり、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とする、トンネル効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態およびその作製方法を示す。製作時あるいは製作後、熱処理を加えながら、平面図の下から上方に強力な外部磁場を加えることにより、クラスタ電極１とトンネル電極層２のスピンを、互いに、反平行にセットする。磁気媒体等の弱い磁場を平面図の下から上方に印加するとき、クラスタ電極１のスピンの方向が１８０度回転し、トンネル電極２のスピンの方向と一致し、電極間のトンネル磁気抵抗値の低下が生じる。これに加えて、相変態層１の磁気誘起相変態によっても、電気抵抗低下が生じる。これら両者の効果によって、磁気誘起の大きな電圧低下を発現できる。この構造を、「構造３」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ素子形態は、図１０に示されている。
【００１６】
請求項４において、Ｂ成分からなる絶縁基板（９０）上に、Ｄ成分からなる増感層１（３０）、その上に、下から順に、Ｇ成分からなるスペイサー１（５０）、直径Ｇおよび厚さＴの形状を持ち、Ａ成分からなるクラスタ電極１（５）およびＥ成分からなる電極１（８０）、ならびに、Ｆ成分からなる強制層１、２（１０、１１）と、それらの上に、Ｇ成分からなるスペイサー２、３（５１、５２）、同じくＡ成分からなるトンネル電極層２、３（２、３）とが、それぞれ積層し、クラスタ電極−トンネル電極間に、Ｈ成分からなる相変態層１、２（７０、７１）をそれぞれ挟み、その上に、Ｃ成分からなる絶縁保護膜（４５）で覆われた形状を持ち、Ｅ成分からなる電極２および３（８１、８２）が、トンネル電極３（３）の左と、トンネル電極２（２）の右に、それぞれ位置し、増感層１、強制層１、２間に、絶縁層１、２（４０、４１）を挟み、Ｓ１およびＳ２は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離であることを特徴とする、トンネル回路を２回路有する、トンネル効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態、および、ＭＢＥ法、リソグラフィ法および熱処理を組合せて作製するその作製方法を示す。製作時あるいは製作後、熱処理を加えながら、平面図の下から上方に強力な外部磁場を加えることにより、クラスタ電極１とトンネル電極層２、３のスピンを、互いに、反平行にセットする。この構造を、「構造４」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ素子形態は、図１０に示されている。
【００１７】
請求項５において、絶縁基板（Ｂ成分；９０）の上に、強制層２（Ｆ成分；１０，１１）を、長手方向が互いに直角になるように形成し、その間に絶縁層１（Ｃ成分；４０）を設ける。強制層２（Ｃ成分；１１）の上に接した形でクラスタ電極２（Ａ成分；６）を、強制層１（成分；１０）の上には、適切な空間を空けて、クラスタ電極１（Ａ成分；５）を形成する。クラスタ電極１、２の間には、図５（ｂ）の正面図に示すように、相変態層１（Ｈ成分；７０）を形成する。クラスタ電極１、２と相変態層１の上には、絶縁保護膜（Ｃ成分；４５）を形成する。クラスタ電極１の右脇に電極１（Ｅ成分；８０）を、クラスタ電極２の左脇に電極２（Ｅ成分；８１）を形成する。また、クラスタ電極１、２間の距離Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する厚さであり、スピンバルブライクな素子構造を持ち、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とする、トンネル効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の構造およびその作製方法を示す。
相変態層１に反強磁性体を使用した場合、強制層２と相変態層１のスピン方向を、熱処理と強力な外部磁場により、（ａ）の平面図の水平方向、すなわち、電極１、２の方向に向かせる。強制層１のスピン方向は、形状効果により、自然に長手方向に向く。クラスタ電極２のスピンの方向は、接しているために、強制層１のスピンの方向と平行になる。磁気媒体等の外部磁場が存在しないとき、クラスタ電極１、２のスピンは互いに９０度回転した状態で弱く安定化する。平面図で水平に、電極１の右から左に向けて、弱い外部磁場が加わるとき、クラスタ電極１のスピンは、容易に９０度回転し、外部磁場の方向をむき、クラスタ電極２のスピンの方向と一致する。このとき、スピン依存トンネル磁気抵抗効果に加えて、磁気誘起相変態効果も発現するために、回路の電気抵抗値は、大きく低下する。この構造を「構造５」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ形態を、図１１に示す。
【００１８】
請求項６において、絶縁基板（Ｂ成分；９０）の上に、強制層１（Ｆ成分；１０）と、絶縁層１（Ｃ成分；４０）を挟んで、スピン伝達層（Ｄ成分；６０）を形成し、強制層１の上に接してクラスタ電極２（Ａ成分；６）を、その隣に、相変態層１（Ｈ成分；７０）を挟んで、スピン伝達層から浮いた状態でクラスタ電極１（Ａ成分；５）を形成し、クラスタ電極１、２と相変態層１の上は、絶縁保護膜（Ｃ成分；４５）で覆い、クラスタ電極１の右に電極１（Ｅ成分；８０）を、クラスタ電極２の左に電極２（Ｅ成分；８１）を形成し、クラスタ電極１、２間の距離Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現する厚さであり、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とする、トンネル効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の構造と、それを製作する方法を示す。
製作時、あるいは、製作後、強力な外部磁場を、平面図の右から左に向けて、水平方向に加えるとき、クラスタ電極１、２のスピンの向きは、互いに反平行に向く。磁気媒体等の弱い外部磁場が、平面図の右から左に向けて、水平に印加するとき、クラスタ電極１のスピンは、容易に１８０度回転し、クラスタ電極２のスピンと等しい方向を向き、トンネル効果の発現に伴う、電気抵抗値の低下を生じる。このとき、相変態も同時に起きるために、それによる電気抵抗低下も加えて生じる。その結果、大きな電圧低下が発現する。この構造を「構造６」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ形態は、図１１に示す。
【００１９】
請求項７において、絶縁基板（Ｂ成分；９０）の上に、強制層１（Ｆ成分；１０）を形成し、その上に、長円形の形状をした、クラスタ電極２（Ａ成分；６）と、その右隣に、相変態層１（Ｈ成分；７０）を挟んで、クラスタ電極２の長軸に対して、直角な方向に長軸を持つ、長円形のクラスタ電極１（Ａ成分；５）を形成し、クラスタ電極１、２と相変態層１の上は、絶縁保護膜（Ｃ成分；４５）で覆い、クラスタ電極１、２の右および左に、電極１、２（Ｅ成分；８０、８１）を、それぞれ、形成し、クラスタ電極１、２間の距離Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離であり、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とし、トンネル効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の構造およびその製作方法を示す。
製作時、平面図の右から左に向けて、水平方向に強い外部磁場を加えて、強制層１とクラスタ電極２（反強磁性体からなる相変態層１の場合は相変態層も共に）のスピンの方向を固定する。クラスタ電極１のスピンの向きは、形状効果により、平面図において、垂直方向に、すなわち、クラスタ電極１の長手方向に向く。平面図の右から左に、磁気媒体等の弱い外部磁場が加わるとき、クラスタ電極１のスピンは容易に９０度回転し、クラスタ電極１、２のスピンが平行になるとともに、相変態層１においても、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が生じる。このために、大きな磁気抵抗変化が生じる。この構造を「構造７」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ素子形態を図１１に示す。
【００２０】
請求項８において、絶縁基板（Ｂ成分；９０）の上に、強制層１（Ｆ成分；１０）、および、絶縁層１（Ｃ成分；４０）を挟んで、交換相互作用が十分働く距離離れた位置に、スピン伝達層（Ｄ成分；６０）を形成し、強制層１の上に、接してクラスタ電極２（Ａ成分；６）を、その右隣に相変態層１（Ｈ成分；７０）を挟んで、クラスタ電極１（Ａ成分；５）を形成し、これらの上に、絶縁保護膜（Ｃ成分；４５）を作成して、クラスタ電極１の右隣とクラスタ電極２の左隣に、それぞれ電極１および２（Ｅ成分；８０および８１）を形成し、クラスタ電極１、２間の距離Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離であり、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とする、トンネル効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態およびその製作方法を示す。
製作時あるいは、製作後、強力な外部磁場を平面図の垂直方向に加えて、クラスタ１、２のスピンが、互いに反平行を向くように、設定する。磁気媒体等の弱い外部磁場が、平面図の下から上方に加わるとき、クラスタ電極１のスピンは、スピン伝達層のスピンとともに、容易に反転し、クラスタ電極２のスピンと平行になる。このとき、トンネル効果とともに、磁気誘起相変態効果も発現し、大きな電気抵抗低下、ひいては、電圧低下を生じる。この構造を「構造８」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ素子形態は図１０に、それぞれ示されている。
【００２１】
請求項９において、絶縁基板（Ｂ成分；９０）の上に、強制層１（Ｆ成分；１０）の右に、絶縁層１（Ｃ成分；４０）を挟んで、交換相互作用が十分働く距離離れた位置に、スピン伝達層（Ｄ成分；６０）を形成し、強制層１の上に、接して長円形の形状のクラスタ電極２（Ａ成分；６）を、その右隣に相変態層１（Ｈ成分；７０）を挟んで、クラスタ電極１（Ａ成分；５）を形成し、これらの上に、絶縁保護膜（Ｃ成分；４５）を作成して、クラスタ電極１の右隣とクラスタ電極２の左隣に、それぞれ電極１および２（Ｅ成分；８０および８１）を形成し、相変態層１の幅Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に生じる距離であり、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理により作製することを特徴とする、トンネル効果および磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の形態およびその製作方法を示す。
作成時、あるいは作成後、平面図の下から上方に向けて、強力な外部磁場を加えると、クラスタ電極１、２のスピンは互いに反平行にセットされる。磁気媒体等の弱い外部磁場が、平面図の下から、上方に加わるとき、クラスタ電極１のスピンは、容易に１８０度回転し、クラスタ電極２のスピンと平行になる。このとき、スピン依存トンネル効果とともに、相変態も発現し、これら両者の効果により、電気抵抗値の大きな低下、ひいては、大きな電圧低下を生じる。この構造を「構造９」と呼ぶ。遮蔽層（Ｄ成分；１００）を組み込んだ素子形態は図１０に、それぞれ示されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子は、トンネル効果と磁気誘起相変態効果を原理とするために、両者の効果が加算的に出現し、電気抵抗変化が、トンネル効果、或いは磁気誘起相変態効果のみの場合よりも、より大きくなる。
【００２３】
本発明は，クラスタ電極の形状、サイズ、及び、トンネル電極層・トンネル電極層間あるいはクラスタ電極・トンネル電極層間の距離、並びに、強制層、増感層、スペイサー、相変態層、絶縁層および電極の位置及び厚さに加えて、スピン方向を、精密に制御して磁気抵抗素子を作製したので、磁気媒体に相当する極めて小さな磁場をかけることにより、トンネル電極層のスピンの反転を容易に生じさせ、トンネル効果及び磁気誘起相変態効果を原理とする大きな抵抗減少を観測した。
【００２４】
トンネル電極層２の電子スピンと反並行の、弱い外部磁場が加わると、クラスタ電極１のスピンの向きは、トンネル電極層２のスピンの向きと反並行になる。この場合、反並行スピンのトンネル電極層２とクラスタ電極１が近接して存在するために、相変態層１の磁気相変態は、ほとんど生じない。従って、磁気相変態による電気抵抗変化も、ほとんど生じず、電気抵抗値は高いままである。クラスタ電極１とトンネル電極層２のスピンの向きは、反並行であるために、トンネル磁気抵抗値は高い状態である。このとき、前記回路の電気抵抗値は、ほとんど変化せず高い値を示す。トンネル電極層のスピンの向きと並行の、弱い外部磁場が加わると、クラスタ電極１のスピンの向きは、反転し、トンネル電極層２のスピンの向きと等しくなる。すると、反強磁性⇒磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が、相変態層の一部で生じ、電気抵抗の低下が起きる。磁気相変態が生じていない相変態層の部分は、電子はトンネリングによって伝導する。クラスタ電極とトンネル電極層のスピンの向きが並行であるために、トンネル磁気抵抗も低下し、前記回路の抵抗値は、トンネル磁気抵抗変化のみの場合よりも大きく低下する。もし、相変態層全体で磁気変態が生じた場合、トンネル現象はなくなり、磁気変態による相変態層の電気抵抗低下と、クラスタ電極とトンネル電極層のスピンの向きが、並行であることによる、磁気抵抗低下が生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
弱い外部磁場の変化により、素子の電気抵抗変化を、より大きくするという目的を、次のようにすることで実現した。固定側のトンネル電極層２のスピンの向きは、強制層の働きにより、より強く固定し、変動可能なトンネル電極層１は、増感層、及び、増感保護膜などの助けにより、より容易に変動することが重要である。そのために、場合によっては、変動可能なトンネル電極層１を、クラスタ電極１に置き換えた形態がより効果的である。相変態層は、弱い外部磁場の変化により、より容易に磁気相変態を生じさせるために、相変態層の幅、長さ及び厚さを小さくして、また、増感層などで強められた磁場変化を、相変態層の近くで生じさせた。
【００２６】
具体的には，第１に、トンネル電極層・トンネル電極層間、或いは、クラスタ電極・トンネル電極層間の距離、ならびに、相変態層あるいは絶縁層、増感層、強制層及び電極の位置及びサイズを精密に制御すること、第２に、クラスタ電極の形状及びサイズを精密に制御することが、トンネル相変態磁気抵抗値の増減を精密に制御するために重要である。これにより、小さな外部磁場の変化を、大きな電気抵抗変化に変換する、いわゆるトンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子を作製できる。
【実施例１】
【００２７】
トンネル相変態磁気抵抗素子を作製中あるいは、作製後外部から強力な磁場を加えて、硬強磁性体からなる強制層１、２（１０、１１）のスピンの方向を固定する。例えば、図１において、強制層１（１０）が硬強磁性体からなっている場合には、軟強磁性体からなる増感層１（３０）のスピンの方向は、交換相互作用により、系のエネルギを下げようとして、反強磁性的に、強制層１と反対方向にスピンが固定される。（強制層１が反磁性体からなっている場合、製作時加える外部磁場により、強制層のスピンの方角を固定するだけでなく、トンネル電極層２のスピンの方向も固定する必要がある。）前記の交換相互作用により、増感層１（３０）は、強制層１（１０）と反対方向のスピンを持つ。トンネル電極層１（１）のスピンは、増感層１の反平行となる。トンネル電極層２（２）のスピンは、強制層１（１０）と反平行であるから、トンネル電極１、２のスピンの方向は、互いに逆向きになる。磁性媒体の弱い磁場が、図１の平面図において、素子の下側から上方向に加わる時、トンネル電極層１側のスピンを逆転させ、トンネル電極層２側のスピンと同じ方向となり、トンネル電極層間の電気抵抗値の大きな低下が生じ、それと同時に、磁気誘起相変態による電気抵抗値の低下が加わり、より大きな電圧低下として観測される。
【００２８】
図２に示すように、トンネル電極層１、２（１、２）のみならず、トンネル電極３（３）を設けた場合には、等しいスピン方向を持つ強制層１、２（１０、１１）の働きにより、トンネル電極層２、３（２、３）のスピンの方向は、強制層１、２（１０、１１）のスピンと反平行に固定される。間に挟まれた増感層１（３０）およびトンネル電極層１（１）のスピンの方向は、交換相互作用により、強制層１、２およびトンネル電極層２、３（２、３）の、それぞれ、反対方向となる。図２の（ａ）平面図において、素子の下側から上方向に磁性媒体等の弱い磁場が加わるとき、トンネル電極層１（１）のスピンは、容易に逆転して、トンネル電極層２、３（２、３）のスピンの方向と等しくなる。１対のトンネル電極層のスピンが反対方向から同方向へ反転すると、スピン依存トンネル電気抵抗値は、大きく低下する。また、相変態層１、２が、反強磁性⇒強磁性、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態を起こすことにより、磁気誘起相変態に基づく電気抵抗値の大きな低下を引き起こす。これは、［課題を解決するための手段］に記載したのと同じ理由で、大きな電圧低下を発生させる。図２に示すＴＰＭＲ素子は、トンネル電極層１−トンネル電極層２間、および、トンネル電極層１−トンネル電極層３間に２組のトンネル回路を持っている。２つのトンネル回路を、並列結合、あるいは、直列結合させることにより、電気抵抗値を加減できる。このとき、結合回路の全抵抗変化率は、１組の回路のそれにほぼ等しい。２組のトンネル回路の抵抗特性を変化させて作成すると、希望する特性を持つ側の回路を使用できる利点もある。また、片方の回路に欠陥あるいは特性劣化が発生した場合においても、他方の回路を使用することで、より長時間の使用が可能となる。このように、図２に示した、トンネル回路が２組組み込まれた形態は、強制層を２つ持つために、磁気媒体等の弱い外部磁場に対して、より磁場敏感性が増すことと、回路を２組もつために、より幅広い使用が可能になるという利点を持つ。
【００２９】
図３において、製作時あるいは製作後、熱処理を加えながら、平面図の下から上方に強力な外部磁場を加えることにより、クラスタ電極１とトンネル電極層２のスピンを、互いに、反平行にセットする。磁気媒体等の弱い磁場を平面図の下から上方に印加するとき、クラスタ電極１のスピンの方向が１８０度回転し、トンネル電極２のスピンの方向と一致し、電極間のトンネル磁気抵抗値の低下が生じる。これに加えて、相変態層１の磁気誘起相変態によっても、電気抵抗低下が生じる。これら両者の効果によって、磁気誘起の大きな電圧低下を発現できる。
【００３０】
図４において、製作時あるいは製作後、熱処理を加えながら、平面図の下から上方に強力な外部磁場を加えることにより、クラスタ電極１とトンネル電極層２、３のスピンを、互いに、反平行にセットする。図４に示すＴＰＭＲ素子は、クラスタ電極１−トンネル電極層２間、および、クラスタ電極１−トンネル電極層３間に２組のトンネル回路を持っている。２つのトンネル回路を、並列結合、あるいは、直列結合させることにより、電気抵抗値を加減できる。このとき、結合回路の全抵抗変化率は、１組の回路のそれにほぼ等しい。２組のトンネル回路の抵抗特性を変化させて作成すると、希望する特性を持つ側の回路を使用できる利点もある。また、片方の回路に欠陥あるいは特性劣化が発生した場合においても、他方の回路を使用することで、より長時間の使用が可能となる。このように、トンネル回路が２組組み込まれた形態は、強制層を２つ持つために、磁気媒体等の弱い外部磁場に対して、より磁場敏感性が増すことと、回路を２組もつために、より幅広い使用が可能になるという利点を持つ。
【００３１】
図５において、相変態層１に反強磁性体を使用した場合、強制層２と相変態層１のスピン方向を、熱処理と強力な外部磁場により、（ａ）の平面図の水平方向、すなわち、電極１、２の方向に向かせる。強制層１のスピン方向は、形状効果により、自然に長手方向に向く。クラスタ電極２のスピンの方向は、接しているために、強制層１のスピンの方向と平行になる。磁気媒体等の外部磁場が存在しないとき、クラスタ電極１、２のスピンは互いに９０度回転した状態で弱く安定化する。平面図で水平に、電極１の右から左に向けて、弱い外部磁場が加わるとき、クラスタ電極１のスピンは、容易に９０度回転し、外部磁場の方向をむき、クラスタ電極２のスピンの方向と一致する。このとき、スピン依存トンネル磁気抵抗効果に加えて、磁気誘起相変態効果も発現するために、回路の電気抵抗値は、大きく低下する。
【００３２】
図６において、製作時、あるいは、製作後、強力な外部磁場を、平面図の右から左に向けて、水平方向に加えるとき、クラスタ電極１、２のスピンの向きは、互いに反平行に向く。磁気媒体等の弱い外部磁場が、平面図の右から左に向けて、水平に印加するとき、クラスタ電極１のスピンは、容易に１８０度回転し、クラスタ電極２のスピンと等しい方向を向き、トンネル効果の発現に伴う、電気抵抗値の低下を生じる。このとき、相変態も同時に起きるために、それによる電気抵抗低下も加えて生じる。その結果、大きな電圧低下が発現する。
【００３３】
図７において、製作時、平面図の右から左に向けて、水平方向に強い外部磁場を加えて、強制層１とクラスタ電極２（反強磁性体からなる相変態層１の場合は相変態層も共に）のスピンの方向を固定する。クラスタ電極１のスピンの向きは、形状効果により、平面図において、垂直方向に、すなわち、クラスタ電極１の長手方向に向く。平面図の右から左に、磁気媒体等の弱い外部磁場が加わるとき、クラスタ電極１のスピンは容易に９０度回転し、クラスタ電極１、２のスピンが平行になるとともに、相変態層１においても、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態が生じる。このために、大きな磁気抵抗変化が生じる。
【００３４】
図８において、製作時あるいは、製作後、強力な外部磁場を平面図の垂直方向に加えて、クラスタ１、２のスピンが、互いに反平行を向くように、設定する。磁気媒体等の弱い外部磁場が、平面図の下から上方に加わるとき、クラスタ電極１のスピンは、スピン伝達層のスピンとともに、容易に反転し、クラスタ電極２のスピンと平行になる。このとき、トンネル効果とともに、磁気誘起相変態効果も発現し、大きな電気抵抗低下、ひいては、電圧低下を生じる。
【００３５】
図９において、作成時、あるいは作成後、平面図の下から上方に向けて、強力な外部磁場を加えると、クラスタ電極１、２のスピンは互いに反平行にセットされる。磁気媒体等の弱い外部磁場が、平面図の下から、上方に加わるとき、クラスタ電極１のスピンは、容易に１８０度回転し、クラスタ電極２のスピンと平行になる。このとき、スピン依存トンネル効果とともに、相変態も発現し、これら両者の効果により、電気抵抗値の大きな低下、ひいては、大きな電圧低下を生じる。
【００３６】
相変態層を形成するＦ成分が、バルクでかつ単体で存在する場合には、相変態温度が、例えば、２００Ｋ程度の低温であったとしても、薄膜にして、他の材料（他の成分）で挟んで、均一な格子ひずみを加えることにより、相変態温度を、３５０〜４００Ｋに変化させることが可能である。このように、薄膜にすることの効果に加えて、他の材料でサンドイッチにして、外部から格子ひずみを加えることにより、相変態発現温度を変化させ、望みの使用温度で、弱い外部磁場の印加により相変態を発現させることができる。
【００３７】
図７および図９に示したクラスタは、長軸Ｇｙと短軸Ｇｘ（ここで、Ｇｙ＞Ｇｘ）を持つ長円形の形状である。長円形にすることで、外部磁場のない状態で、形状効果によりスピンの向きを、自然にコントロールできる。また、磁気媒体等の弱い外部磁場が、短軸方向に加わる場合に、Ｇｙ／Ｇｘ比を変化させることにより、スピンの方向が短軸方向に向く、容易さをコントロールできる。このことは、円形のクラスタを使用している、他の構造についても同様に言える。すなわち、円形のクラスタを、長円形のクラスタに置き換えることで、スピンの準安定方向を、より容易にコントロールでき、２つのトンネル電極間のスピンを９０度互いに回転した位置から、より弱い外部磁場で、平行位置に変化させることが、可能になる。
【００３８】
表１に、実施例番号、素子構造、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ，ＧおよびＨ成分の材料、ならびに、結果を示す。素子構造１、２、３、４、５、６、７、８および９は、それぞれ、請求項１、２、３、４、５、６、７、８および９に記載した構造である。結果に記載されている、「良好」は１９６Ｋで１０〜２０％、「優良」は１９６Ｋで２０〜３０％、および、「最良」は１９６Ｋで３０〜４０％の磁気抵抗変化率を表わす。分極率の大きい強磁性特性を持つクラスタ電極−トンネル電極層間、あるいは、トンネル電極層−トンネル電極層間の間隔を埋める相変態層の幅、クラスタ電極のサイズ及び形状、各層の位置、ならびに、各層のスピン構造を、ＭＢＥ法、リソグラフィ法、強力な外部磁場の印加および熱処理の組合せにより、精密に制御して作成した。相変態層の幅Ｓ１は、トンネル効果とともに、反強磁性⇒強磁性変態、あるいは、絶縁体あるいは半導体⇒金属変態を、磁気媒体等の弱い外部磁場により、容易に発現させる距離であるために、特にそのサイズの制御が重要である。磁気媒体等の弱い磁場を加えないときには、大きなトンネル抵抗値を持つ状態であるが、磁気媒体等の弱い磁気が加わると、増感層の存在が、クラスタ電極あるいはトンネル電極層のスピンの反転を容易に生じさせて、トンネル抵抗値の低下とともに、磁気誘起相変態による電気抵抗値の低下を引き起こす。作製したＴＰＭＲ素子は、いずれも最良と優良の範囲内の良い結果が得られた。
【００３９】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００４０】
スピンを変化させる側の、トンネル電極層のスピン、或いは、クラスタ電極のスピンを、より容易に変化させることのできる素子構造、並びに、磁気相変態がより容易に起きる、相変態層、及び、相変態層周囲の増感層その他からなる素子構造は、素子のサイズが極めて小さく作ることが肝要であるために、２世代後のハードディスクの読み取り素子を製造可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明における、トンネル電極層１、２間に、相変態層１を挟み、トンネル効果と磁気誘起相変態効果の原理に基づく、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子の構造を示す。この構造を素子構造１と呼ぶ。（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】２つのトンネル回路を有する、トンネル効果と磁気誘起相変態効果を原理とする、トンネル相変態磁気抵抗（ＴＰＭＲ）素子構造を示す。この構造を素子構造２と呼ぶ。（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図３】クラスタ電極１と細線形状のトンネル電極層を有し、トンネル効果と磁気誘起相変態効果の原理に基づく素子構造を示す。この構造を素子構造３と呼ぶ。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図４】クラスタ電極１が、２つのトンネル電極層２、３の間に置かれた構造のトンネル相変態磁気抵抗素子（素子構造４）を示す。２つのトンネル回路を有する。（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図である。
【図５】クラスタ電極１、２の間に、相変態層１を有する、素子構造５を示す。（ａ）は平面図および（ｂ）は正面図である。
【図６】クラスタ電極１、２の間に、相変態層１を有する、素子構造６を示す。（ａ）は平面図および（ｂ）は正面図である。
【図７】長円形の形状のクラスタ電極１、２の間に、相変態層１を有する、素子構造７を示す。（ａ）は平面図および（ｂ）は正面図である。
【図８】クラスタ電極１、２の間に、相変態層１を有する、素子構造８を示す。（ａ）は平面図および（ｂ）は正面図である。
【図９】長円形の形状のクラスタ電極１、２の間に、相変態層１を有する、素子構造９を示す。（ａ）は平面図および（ｂ）は正面図である。
【図１０】素子構造を示す図において、平面図の垂直方向に、磁気媒体等の弱い外部磁場が加わるとき、遮蔽層（１００）を組み込んだ場合の素子形態を示めす。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図（１）および（ｃ）は（ｂ）に示した遮蔽層とＴＰＭＲ素子の関係に対して、９０度反時計方向にＴＰＭＲ素子が回転した場合の正面図（２）である。
【図１１】遮蔽層（１００）を組み込んだ素子形態を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図の右側面図である。この面に磁気媒体等の磁場が加わる。（ｃ）は正面図の下方向から見た側面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：トンネル電極層１
２：トンネル電極層２
３：トンネル電極層３
５：クラスタ電極１
６：クラスタ電極２
１０：強制層１
１１：強制層２
３０：増感層１
４０：絶縁層１
４１：絶縁層２
４５：絶縁保護膜
５０：スペイサー１
５１：スペイサー２
５２：スペイサー３
７０：相変態層１
７１：相変態層２
８０：電極１
８１：電極２
８２：電極３
９０：絶縁基板
１００：遮蔽層
【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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