(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極および第２電極と、
スイッチング金属部と、
前記第１電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つＰ型半導性を有する第１酸化物部と、
前記第２電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つＰ型半導性を有する第２酸化物部と、を備え、
前記第１電極及び前記第２電極に、第１電圧印加方向に電圧が印加されることにより前記スイッチング金属部内に第１分極状態に分極が誘起され、前記第１電極及び前記第２電極に前記第１電圧印加方向とは逆の第２電圧印加方向に電圧が印加されることにより前記スイッチング金属部内に前記第１分極状態とは異なる方向の第２分極状態に分極が誘起されるスイッチング素子。
【請求項２】
前記第１および第２酸化物部は、前記第１および第２電極と前記スイッチング金属部との間に位置する単一の酸化物層内に含まれる、請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記第１および第２電極は、前記スイッチング金属部よりも酸化しやすい材料よりなる、請求項１または２に記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記スイッチング金属部は、Ｐｔ、Ａｕ、およびＰｄから選択される金属を含んでなる、請求項１から３のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記スイッチング金属部は、磁性金属または磁性半導体よりなる、請求項１から４のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二状態間を切り替わることが可能なスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性メモリの技術分野においては、ＲｅＲＡＭ（resistive RAM）が注目を集めている。ＲｅＲＡＭは、抵抗状態の異なる二状態間を切り替わることが可能なスイッチング素子であり、一般に、一対の電極と、当該電極対間に印加される電圧に応じて高抵抗状態および低抵抗状態の間を選択的に切り替わることが可能な記録膜とを有する。ＲｅＲＡＭでは、記録膜の抵抗状態の選択的な切り替わりを利用して、情報の記録ないし書き換えが実行され得る。このようなＲｅＲＡＭないしスイッチング素子に関しては、例えば下記の特許文献１〜４に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７３６１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１９１３号公報
【特許文献３】特開２００５−１２３３６１号公報
【特許文献４】特開２００５−２０３４６３号公報
【０００４】
ＲｅＲＡＭは、電気的特性の観点からバイポーラ型とユニポーラ型に大別される。バイポーラ型のＲｅＲＡＭでは、記録膜を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向と、記録膜を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向とが異なる。すなわち、バイポーラ型のＲｅＲＡＭでは、２種類の抵抗状態変化ないし切り替わりにおいて、異なる極性の電圧が利用される。一方、ユニポーラ型のＲｅＲＡＭでは、記録膜を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向と、記録膜を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向とは同じである。すなわち、ユニポーラ型のＲｅＲＡＭでは、二種類の抵抗状態変化において、同じ極性の電圧が利用される。
【０００５】
バイポーラ型のＲｅＲＡＭは、一般に、ユニポーラ型ＲｅＲＡＭよりも高速に動作することができる。バイポーラ型ＲｅＲＡＭとしては、例えば、ＰｒＣａＭｎＯ3よりなる記録膜を具備する所定のＲｅＲＡＭや、Ｃｒが添加されたＳｒＺｒＯ3よりなる記録膜を具備する所定のＲｅＲＡＭなどが報告されている。しかしながら、これらＲｅＲＡＭについては、バイポーラ型の動作が可能であるという事実は知られているが、抵抗状態の異なる二状態間の切り替わりがどのようにして生じるかなどの動作原理が特定されていないものがある。ＲｅＲＡＭなどのスイッチング素子では、動作原理が不明であると、素子各部についての材料選択や設計寸法等の最適化の指針が定まらず、素子設計における最適化が困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような事情の下で考え出されたものであり、所定の動作原理においてバイポーラ型の状態スイッチング動作が可能なスイッチング素子を提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面によるとスイッチング素子が提供される。このスイッチング素子は、第１電極と、第２電極と、スイッチング金属部と、第１電極およびスイッチング金属部の間に位置し且つＰ型半導性を有する第１酸化物部と、第２電極およびスイッチング金属部の間に位置し且つＰ型半導性を有する第２酸化物部とを備える。スイッチング金属部は、純金属よりなる部位、または、金属的導電性を示す材料よりなる部位である。
【０００８】
このような構成を有する本スイッチング素子については、スイッチング金属部内での分極方向を選択的に切り替えることができる。
【０００９】
本スイッチング素子の第１および第２電極を各々正極および負極として当該電極間に電圧を印加すると、第１酸化物部には、第１電極およびスイッチング金属部を各々正極および負極として分圧がかかり、第２酸化物部には、第２電極およびスイッチング金属部を各々負極および正極として分圧がかかる。そして、第１および第２電極を各々正極および負極として当該電極間に所定電圧を所定時間にわたって印加し、電界作用により、第１酸化物部内に酸素イオンを発生させ且つ当該酸素イオンを第１電極へと移動させると、第１電極は部分的に酸化して当該酸素イオンを取り込む。このとき、酸素イオンは電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオンとして第１電極へと放出する第１酸化物部には、正電荷を伴う酸素空孔が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、Ｐ型半導性の第１酸化物部への第１電極からのホール（キャリア）の供給および第１酸化物部内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、第１酸化物部の抵抗値は上昇し、第１酸化物部は高抵抗状態に至る（第１酸化物部の高抵抗化）。
【００１０】
一方、酸素イオンから電子が放出された第１電極と、第２電極および第２酸化物部を介したスイッチング金属部との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、第１電極から外部の電源回路を経て第２電極まで流れ、第２電極とＰ型半導性の第２酸化物部との界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして第２酸化物部内を流れ、そして、第２酸化物部とスイッチング金属部との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、スイッチング金属部内において、第１酸化物部側へ（即ち、スイッチング金属部と第１酸化物部との接合界面に向かって）移動するが、スイッチング金属部とＰ型半導性の第１酸化物部との界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。第１酸化物部が、ホール移動や第１電極からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、スイッチング金属部と第１酸化物部との界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
【００１１】
そのため、スイッチング金属部内における、第１酸化物部との界面近傍には、電子が蓄積される（この蓄積電子と、正電荷を伴って第１酸化物部内に存在する上述の酸素空孔との間には、静電引力が生じる）。その結果、スイッチング金属部内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、スイッチング金属部内において所定方向の分極が誘起される（スイッチング金属部の第１分極状態化）。第１および第２電極間の印加電圧を消滅させても、第１酸化物部の上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って第１酸化物部内に存在する上述の酸素空孔とスイッチング金属部内の上述の蓄積電子とは引き合い、従って、スイッチング金属部の第１分極状態は維持される。
【００１２】
本スイッチング素子においては、第１分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で第１および第２電極の間に所定電圧を印加することによって、以下ようにスイッチング金属部の分極方向を反転させることができる。
【００１３】
第１酸化物部が高抵抗状態にあり且つスイッチング金属部が第１分極状態にある本スイッチング素子の第１および第２電極を各々負極および正極として当該電極間に電圧を印加すると、第１酸化物部には、第１電極およびスイッチング金属部を各々負極および正極として分圧がかかり、第２酸化物部には、第２電極およびスイッチング金属部を各々正極および負極として分圧がかかる。そして、第１および第２電極を各々負極および正極として当該電極間に所定電圧を所定時間にわたり印加して、電界作用により、第１電極内の上述の部分酸化領域に酸素イオンを発生させ且つ当該酸素イオンを第１酸化物部へと移動させると、当該酸素イオンを受容した第１酸化物部では、正電荷を伴う上述の酸素空孔が電気的に中和され、当該酸素空孔の存在に起因する内部電場は消滅する。これにより、第１酸化物部の抵抗値は低下し、第１酸化物部は低抵抗状態に至る（第１酸化物部の低抵抗化）。低抵抗状態にあるＰ型半導性の第１酸化物部に対しては第１電極およびスイッチング金属部からホールが供給されやすく、且つ、当該第１酸化物部内ではホールは移動しやすい。
【００１４】
これに対し、第１および第２電極を各々負極および正極として当該電極間に所定電圧を所定時間にわたって印加して、電界作用により、第２酸化物部内に酸素イオンを発生させ且つ当該酸素イオンを第２電極へと移動させると、第２電極は部分的に酸化して当該酸素イオンを取り込む。このとき、酸素イオンは電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオンとして第２電極へと放出する第２酸化物部には、正電荷を伴う酸素空孔が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、Ｐ型半導性の第２酸化物部への第２電極からのホール（キャリア）の供給および第２酸化物部内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、第２酸化物部の抵抗値は上昇し、第２酸化物部は高抵抗状態に至る（第２酸化物部の高抵抗化）。
【００１５】
一方、酸素イオンから電子が放出された第２電極と、第１電極および第１酸化物部を介したスイッチング金属部との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、第２電極から外部の電源回路を経て第１電極まで流れ、第１電極とＰ型半導性の第１酸化物部との界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして第１酸化物部内を流れ、そして、第１酸化物部とスイッチング金属部との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、スイッチング金属部内において、第２酸化物部側へ（即ち、スイッチング金属部と第２酸化物部との接合界面に向かって）移動するが、スイッチング金属部とＰ型半導性の第２酸化物部との界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。第２酸化物部が、ホール移動や第２電極からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、スイッチング金属部と第２酸化物部との界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
【００１６】
そのため、スイッチング金属部内における、第２酸化物部との界面近傍には、電子が蓄積される（この蓄積電子と、正電荷を伴って第２酸化物部内に存在する上述の酸素空孔との間には、静電引力が生じる）。その結果、スイッチング金属部内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、スイッチング金属部内において、上述の第１分極状態とは異なる方向の分極が誘起される（スイッチング金属部の第２分極状態化）。第１および第２電極間の印加電圧を消滅させても、第２酸化物部の上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って第２酸化物部内に存在する上述の酸素空孔とスイッチング金属部内の上述の蓄積電子とは引き合い、従って、スイッチング金属部の第２分極状態は維持される。
【００１７】
また、第２分極状態にあるスイッチング金属部については、第２分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で第１および第２電極の間に所定電圧を印加して、再び第１分極状態に切り替えることが可能である。具体的には、第１酸化物部を再び高抵抗化し、且つ、第２分極状態化の際に第１酸化物部を低抵抗化させたのと同様に第２酸化物部を低抵抗化することによって、スイッチング金属部を再び第１分極状態に切り替えることが可能である。
【００１８】
以上のように、本スイッチング素子は、スイッチング金属部が第１分極状態にある第１状態と、スイッチング金属部が第２分極状態にある第２状態との間を、選択的に切り替えることが可能である。
【００１９】
本スイッチング素子では、第１状態から第２状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向と、第２状態から第１状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向とは異なる。すなわち、本素子は、二状態間をバイポーラ型の動作でスイッチング可能なのである。また、本スイッチング素子は、このような状態スイッチングを利用して情報の記録ないし書き換えを実行する不揮発性記憶素子として用いることが可能である。
【００２０】
好ましくは、第１および第２酸化物部は、第１および第２電極とスイッチング金属部との間に位置する単一の酸化物層内に含まれる。このような構成によると、第１および第２酸化物部を個別に形成する必要はない。
【００２１】
好ましくは、第１および第２電極は、スイッチング金属部よりも酸化しやすい材料よりなる。このような構成は、上述の状態スイッチング動作の過程において第１および第２電極を適切に酸化させるうえで、好ましい。第１電極および／または第２電極は、好ましくは、Ｔｉ、Ｔａ、およびＡｌから選択される金属を含んでなる。
【００２２】
好ましくは、スイッチング金属部は、Ｐｔ、Ａｕ、およびＰｄから選択される金属を含んでなる。このような構成は、上述の状態スイッチング動作の過程においてスイッチング金属部が不当に酸化するのを回避するうえで好適である。
【００２３】
好ましくは、スイッチング金属部は、磁性金属または磁性半導体よりなる。また、スイッチング金属部はハーフメタルよりなる。このハーフメタルは、例えば、ＬａＮｉＭｎＯ3（例えばＬａＮｉ0.5Ｍｎ0.5Ｏ3）、ＬａＳｒＭｎＯ3（例えばＬａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3）、Ｆｅ3Ｏ4、またはＳｒＲｕＯ3である。これらの構成は、スイッチング金属部において、分極状態の切り替わりとともに磁性状態の切り替わりを生じさせるのに好適である。スイッチング金属部の磁性状態を切り替え可能な場合、上述の第１分極状態においてスイッチング金属部に生ずる第１磁性状態と、上述の第２分極状態においてスイッチング金属部に生ずる第２磁性状態との間の状態スイッチングを利用して、本素子を不揮発性記憶素子として用いることが可能である。
【００２４】
好ましくは、第１酸化物部および／または第２酸化物部は、ＰｒＣａＭｎＯ3（例えばＰｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3）またはＬａＳｒＣｏＯ3（例えばＬａ0.7Ｓｒ0.3ＣｏＯ3）よりなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング素子Ｘ１の断面図である。スイッチング素子Ｘ１は、基板Ｓと、一対の電極１，２と、金属層３と、酸化物層４とを備え、金属層３内での分極方向を選択的に切り替えることができるように構成されている。
【００２６】
基板Ｓは、例えばシリコン基板や酸化物基板である。シリコン基板の表面には、熱酸化膜が形成されていてもよい。酸化物基板としては、例えば、ＭｇＯ基板、ＳｒＴｉＯ3(ＳＴＯ)基板、Ａｌ2Ｏ3基板、石英基板、およびガラス基板が挙げられる。
【００２７】
電極１，２は、酸化しやすい酸化性の導電材料よりなり、好ましくは金属層３より酸化しやすい材料よりなる。電極１，２の構成材料としては、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択される金属、または当該金属を含む合金を採用することができる。電極１，２は、同一の材料により構成してもよいし、異なる材料により構成してもよい。電極１，２の厚さは、例えば２０〜２００ｎｍである。
【００２８】
金属層３は、本発明におけるスイッチング金属部であり、酸化しにくい非酸化性の導電材料よりなる。金属層３の構成材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、またはこれらから選択される金属を含む合金を採用することができる。金属層３の厚さは、例えば５〜３０ｎｍである。
【００２９】
酸化物層４は、酸化物部４ａ，４ｂを含み、Ｐ型半導性を有する酸化物よりなる。酸化物部４ａは、酸化物層４において実質的に金属層３と電極１の間に介在する部位である。酸化物部４ｂは、酸化物層４において実質的に金属層３と電極２の間に介在する部位である。このような酸化物層４は、例えば、ペロブスカイト構造型酸化物、スピネル構造型酸化物、蛍石構造型酸化物、パイロクロア構造型酸化物、タングステンブロンズ構造型酸化物、またはブラウンミラライト構造型酸化物よりなる。ペロブスカイト構造型酸化物としては、ＰｒＣａＭｎＯ3（例えばＰｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3）およびＬａＳｒＣｏＯ3（例えばＬａ0.7Ｓｒ0.3ＣｏＯ3）などを採用することができる。これら材料には、必要に応じて、アルカリ土類元素などが添加される。酸化物層４の厚さは例えば２０〜２００ｎｍである。
【００３０】
このような構造を有するスイッチング素子Ｘ１の製造においては、例えば、まず、基板Ｓ上に、金属層３を構成するための材料、酸化物層４を構成するための材料、および、電極１，２を構成するための材料を順次成膜する。成膜手法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、またはＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法を採用することができる。次に、これら材料膜について、順次、エッチング処理によりパターニングする。例えばこのようにして、スイッチング素子Ｘ１を製造することができる。
【００３１】
図２は、スイッチング素子Ｘ１の動作原理を表す。図２（ａ）に示すようにスイッチング素子Ｘ１の電極１を正極とし且つ電極２を負極として電極１，２間に電圧を印加すると、酸化物部４ａには、電極１を正極とし且つ金属層３を負極として分圧がかかり、酸化物部４ｂには、電極２を負極とし且つ金属層３を正極として分圧がかかる。そして、電極１，２を各々正極および負極として電極１，２間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物層４の酸化物部４ａ内に酸素イオン５が発生し、当該酸素イオン５は電極１へと移動する。すると、電極１は部分的に酸化して当該酸素イオン５を取り込む（即ち、電極１内に部分酸化領域１ａが生ずる）。このとき、酸素イオン５は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン５として電極１へと放出する酸化物部４ａには、正電荷を伴う酸素空孔６が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、Ｐ型半導性の酸化物部４ａへの電極１からのホール（キャリア）の供給および酸化物部４ａ内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部４ａの抵抗値は上昇し、酸化物部４ａは高抵抗状態に至る（酸化物部４ａの高抵抗化）。
【００３２】
一方、酸素イオン５から電子が放出された電極１と、電極２および酸化物部４ｂを介した金属層３との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極１から外部の電源回路を経て電極２まで流れ、電極２とＰ型半導性の酸化物部４ｂとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部４ｂ内を流れ、そして、酸化物部４ｂと金属層３との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、金属層３内において酸化物部４ａ側へ（即ち、金属層３と酸化物部４ａとの接合界面に向かって）移動するが、金属層３とＰ型半導性の酸化物部４ａとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部４ａが、ホール移動や電極１からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、金属層３と酸化物部４ａとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
【００３３】
そのため、図２（ａ）に示すように、金属層３内における酸化物部４ａとの界面近傍には電子７が蓄積される（この蓄積電子７と、正電荷を伴って酸化物部４ａ内に存在する酸素空孔６との間には、静電引力が生じる）。その結果、金属層３内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、金属層３内において所定方向の分極が誘起される（金属層３の第１分極状態化）。電極１，２間の印加電圧を消滅させても、酸化物部４ａの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部４ａ内に存在する酸素空孔６と金属層３内の蓄積電子７とは引き合い、従って、金属層３の図２（ａ）に示す第１分極状態は維持される。この第１分極状態では、金属層３における酸化物部４ａ側の部位３ａと、金属層３における酸化物部４ｂ側の部位３ｂとの間に誘起電圧Ｖ１が生じる。この誘起電圧Ｖ１を検出することにより、金属層３の第１分極状態を検知することができる。
【００３４】
スイッチング素子Ｘ１においては、第１分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で電極１，２間に所定電圧を印加することによって、以下ように金属層３の分極方向を反転させることができる。
【００３５】
酸化物部４ａが高抵抗状態にあり且つ金属層３が第１分極状態にあるスイッチング素子Ｘ１の電極１を負極とし且つ電極２を正極として電極１，２間に図２（ｂ）に示すように電圧を印加すると、酸化物部４ａには、電極１を負極とし且つ金属層３を正極として分圧がかかり、酸化物部４ｂには、電極２を正極とし且つ金属層３を負極として分圧がかかる。そして、電極１，２を各々負極および正極として電極１，２間に所定電圧を所定時間にわたり印加すると、電界作用により、電極１内の部分酸化領域１ａに酸素イオン５が発生し、当該酸素イオン５は酸化物部４ａへと移動する。すると、当該酸素イオン５を受容した酸化物部４ａでは、正電荷を伴う酸素空孔６が電気的に中和され、酸素空孔６の存在に起因する内部電場は減弱し、遂には消滅する。これにより、酸化物部４ａの抵抗値は低下し、酸化物部４ａは低抵抗状態に至る（酸化物部４ａの低抵抗化）。低抵抗状態にあるＰ型半導性の酸化物部４ａに対しては電極１および金属層３からホールが供給されやすく、且つ、当該酸化物部４ａ内ではホールは移動しやすい。
【００３６】
これに対し、電極１を負極とし且つ電極２を正極として電極１，２間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物部４ｂ内に酸素イオン５が発生し、当該酸素イオン５は電極２へと移動する。すると、電極２は部分的に酸化して当該酸素イオン５を取り込む。これにより、電極２内に部分酸化領域２ａが生じる。このとき、酸素イオン５は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン５として電極２へと放出する酸化物部４ｂには、正電荷を伴う酸素空孔６が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、Ｐ型半導性の酸化物部４ｂへの電極２からのホール（キャリア）の供給および酸化物部４ｂ内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部４ｂの抵抗値は上昇し、酸化物部４ｂは高抵抗状態に至る（酸化物部４ｂの高抵抗化）。
【００３７】
一方、酸素イオン５から電子が放出された電極２と、電極１および酸化物部４ａを介した金属層３との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極２から外部の電源回路を経て電極１まで流れ、電極１とＰ型半導性の酸化物部４ａとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部４ａ内を流れ、そして、酸化物部４ａと金属層３との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、金属層３内において酸化物部４ｂ側へ（即ち、金属層３と酸化物部４ｂとの接合界面に向かって）移動するが、金属層３とＰ型半導性の酸化物部４ｂとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部４ｂが、ホール移動や電極２からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、金属層３と酸化物部４ｂとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
【００３８】
そのため、金属層３内における酸化物部４ｂとの界面近傍には電子７が蓄積される（この蓄積電子７と、正電荷を伴って酸化物部４ｂ内に存在する酸素空孔６との間には、静電引力が生じる）。その結果、金属層３内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、金属層３内において、上述の第１分極状態とは異なる方向の分極が誘起される（金属層３の第２分極状態化）。電極１，２間の印加電圧を消滅させても、酸化物部４ｂの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部４ｂ内に存在する酸素空孔６と金属層３内の蓄積電子７とは引き合い、従って、金属層３の図２（ｂ）に示す第２分極状態は維持される。この第２分極状態では、金属層３における酸化物部４ａ側の部位３ａと、金属層３における酸化物部４ｂ側の部位３ｂとの間に誘起電圧Ｖ２が生じる。この誘起電圧Ｖ２を検出することにより、金属層３の第２分極状態を検知することができる。
【００３９】
また、第２分極状態にある金属層３については、第２分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で電極１，２間に所定電圧を印加して、再び第１分極状態に切り替えることが可能である。具体的には、酸化物部４ａを再び高抵抗化し、且つ、第２分極状態化の際に酸化物部４ａを低抵抗化させたのと同様に酸化物部４ｂを低抵抗化することによって、金属層３を再び第１分極状態に切り替えることが可能である。
【００４０】
以上のように、スイッチング素子Ｘ１は、金属層３が第１分極状態にある第１状態と、金属層３が第２分極状態にある第２状態との間を、選択的に切り替えることが可能である。
【００４１】
スイッチング素子Ｘ１では、第１状態から第２状態へ変化させるための、電極１，２間の電圧印加方向と、第２状態から第１状態へ変化させるための、電極１，２間の電圧印加方向とは異なる。すなわち、本素子は、二状態間をバイポーラ型の動作でスイッチング可能なのである。また、スイッチング素子Ｘ１は、このような状態スイッチングを利用して情報の記録ないし書き換えを実行する不揮発性記憶素子として用いることが可能である。
【００４２】
本実施形態のスイッチング素子Ｘ１においては、酸化物部４ａ，４ｂは単一の酸化物層４内に含まれるが、酸化物部４ａ，４ｂは、金属層３上において分離していてもよい。
【００４３】
図３は、本発明の第２の実施形態に係るスイッチング素子Ｘ２の断面図である。スイッチング素子Ｘ２は、基板Ｓと、一対の電極１，２と、導電磁性層８と、酸化物層４とを備え、導電磁性層８内の磁性状態を選択的に切り替えることができるように構成されている。スイッチング素子Ｘ２は、金属層３に代えて導電磁性層８を備える点において、スイッチング素子Ｘ１と異なる。
【００４４】
導電磁性層８は、部位８ａ，８ｂを含み、を電子密度の変化によってキュリー温度や、磁気異方性、磁化方向などの磁性が変化する磁性金属または磁性半導体よりなる。部位８ａは、導電磁性層８において酸化物層４の酸化物部４ａに対向する領域であり、部位８ｂは、導電磁性層８において酸化物層４の酸化物部４ｂに対向する領域である。電子密度の変化によって磁性が変化する磁性材料としては、例えばハーフメタルが挙げられる。本発明において、ハーフメタルとしては、ＬａＮｉＭｎＯ3（例えばＬａＮｉ0.5Ｍｎ0.5Ｏ3）、ＬａＳｒＭｎＯ3（例えばＬａ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3）、Ｆｅ3Ｏ4（スピネル構造のマグネタイト）、またはＳｒＲｕＯ3を採用することができる。ハーフメタルでは、フェルミエネルギー準位にある電子は片方のスピンバンド（アップスピンバンドおよびダウンスピンバンドのいずれか）のみを占めており、片方のスピンバンドのみを占める電子群の密度が変化することによって磁性が変化しやすい。
【００４５】
図４は、スイッチング素子Ｘ２の動作原理を表す。図４（ａ）に示すようにスイッチング素子Ｘ２の電極１を正極とし且つ電極２を負極として電極１，２間に電圧を印加すると、酸化物部４ａには、電極１を正極とし且つ導電磁性層８を負極として分圧がかかり、酸化物部４ｂには、電極２を負極とし且つ導電磁性層８を正極として分圧がかかる。そして、電極１，２を各々正極および負極として電極１，２間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物層４の酸化物部４ａ内に酸素イオン５が発生し、当該酸素イオン５は電極１へと移動する。すると、電極１は部分的に酸化して当該酸素イオン５を取り込む（即ち、電極１内に部分酸化領域１ａが生ずる）。このとき、酸素イオン５は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン５として電極１へと放出する酸化物部４ａには、正電荷を伴う酸素空孔６が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、Ｐ型半導性の酸化物部４ａへの電極１からのホール（キャリア）の供給および酸化物部４ａ内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部４ａの抵抗値は上昇し、酸化物部４ａは高抵抗状態に至る（酸化物部４ａの高抵抗化）。
【００４６】
一方、酸素イオン５から電子が放出された電極１と、電極２および酸化物部４ｂを介した導電磁性層８との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極１から外部の電源回路を経て電極２まで流れ、電極２とＰ型半導性の酸化物部４ｂとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部４ｂ内を流れ、そして、酸化物部４ｂと導電磁性層８との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、導電磁性層８内において酸化物部４ａ側へ（即ち、導電磁性層８と酸化物部４ａとの接合界面に向かって）移動するが、導電磁性層８とＰ型半導性の酸化物部４ａとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部４ａが、ホール移動や電極１からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、導電磁性層８と酸化物部４ａとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
【００４７】
そのため、図４（ａ）に示すように、導電磁性層８内における酸化物部４ａとの界面近傍すなわち部位８ａには電子７が蓄積される（この蓄積電子７と、正電荷を伴って酸化物部４ａ内に存在する酸素空孔６との間には、静電引力が生じる）。その結果、導電磁性層８内で電子密度分布に偏りが生じる。そして、このような電子密度の偏りに基づき、導電磁性層８内で磁性状態に偏りが生じる。このようにして、導電磁性層８内において所定の磁性状態が誘起される(導電磁性層８の第１磁性状態化)。また、導電磁性層８内においては所定方向の分極も誘起される（導電磁性層８の第１分極状態化）。電極１，２間の印加電圧を消滅させても、酸化物部４ａの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部４ａ内に存在する酸素空孔６と導電磁性層８内の蓄積電子７とは引き合い、従って、導電磁性層８の図４（ａ）に示す第１磁性状態は維持される(第１分極状態も維持される)。この第１磁性状態は、導電磁性層８における酸化物部４ａ側ないし部位８ａ側と、導電磁性層８における酸化物部４ｂ側ないし部位８ｂ側との間の誘起電圧や電流を測定することによって、検知することができる。また、基板Ｓとして透明基板を採用したうえで、図５に示すように基板Ｓ側から導電磁性層８の部位８ａ，８ｂにレーザ光Ｌを照射してその反射光のカー回転角を測定することによって、部位８ａ，８ｂのカー回転角の差に基づき導電磁性層８の第１磁性状態を検出することも可能である。
【００４８】
スイッチング素子Ｘ２においては、第１磁性状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向に電極１，２間に所定電圧を印加することによって、以下ように導電磁性層８の磁性状態を変化させることができる。
【００４９】
酸化物部４ａが高抵抗状態にあり且つ導電磁性層８が第１磁性状態にあるスイッチング素子Ｘ１の電極１を負極とし且つ電極２を正極として電極１，２間に図４（ｂ）に示すように電圧を印加すると、酸化物部４ａには、電極１を負極とし且つ導電磁性層８を正極として分圧がかかり、酸化物部４ｂには、電極２を正極とし且つ導電磁性層８を負極として分圧がかかる。そして、電極１，２を各々負極および正極として電極１，２間に所定電圧を所定時間にわたり印加すると、電界作用により、電極１内の部分酸化領域１ａに酸素イオン５が発生し、当該酸素イオン５は酸化物部４ａへと移動する。すると、当該酸素イオン５を受容した酸化物部４ａでは、正電荷を伴う酸素空孔６が電気的に中和され、酸素空孔６の存在に起因する内部電場は消滅する。これにより、酸化物部４ａの抵抗値は低下し、酸化物部４ａは低抵抗状態に至る（酸化物部４ａの低抵抗化）。この低抵抗状態にあるＰ型半導性の酸化物部４ａに対しては電極１および導電磁性層８からホールが供給されやすく、且つ、当該酸化物部４ａ内ではホールは移動しやすい。
【００５０】
これに対し、電極１を負極とし且つ電極２を正極として電極１，２間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物部４ｂ内に酸素イオン５が発生し、当該酸素イオン５は電極２へと移動する。すると、電極２は部分的に酸化して当該酸素イオン５を取り込む。これにより、電極２内に部分酸化領域２ａが生じる。このとき、酸素イオン５は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン５として電極２へと放出する酸化物部４ｂには、正電荷を伴う酸素空孔６が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、Ｐ型半導性の酸化物部４ｂへの電極２からのホール（キャリア）の供給および酸化物部４ｂ内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部４ｂの抵抗値は上昇し、酸化物部４ｂは高抵抗状態に至る（酸化物部４ｂの高抵抗化）。
【００５１】
一方、酸素イオン５から電子が放出された電極２と、電極１および酸化物部４ａを介した導電磁性層８との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極２から外部の電源回路を経て電極１まで流れ、電極１とＰ型半導性の酸化物部４ａとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部４ａ内を流れ、そして、酸化物部４ａと導電磁性層８との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、導電磁性層８内において、酸化物部４ｂ側へ（即ち、導電磁性層８と酸化物部４ｂとの接合界面に向かって）移動するが、導電磁性層８とＰ型半導性の酸化物部４ｂとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部４ｂが、ホール移動や電極２からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、導電磁性層８と酸化物部４ｂとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
【００５２】
そのため、導電磁性層８内における酸化物部４ｂとの界面近傍には電子７が蓄積される（この蓄積電子７と、正電荷を伴って酸化物部４ｂ内に存在する酸素空孔６との間には、静電引力が生じる）。その結果、導電磁性層８内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、導電磁性層８内において、上述の第１磁性状態とは異なる磁性状態が誘起される（導電磁性層８の第２磁性状態化）。また、導電磁性層８内においては上述の第１分極状態とは反対方向の分極も誘起される（導電磁性層８の第２分極状態）。電極１，２間の印加電圧を消滅させても、酸化物部４ｂの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部４ｂ内に存在する酸素空孔６と導電磁性層８内の蓄積電子７とは引き合い、従って、導電磁性層８の図４（ｂ）に示す第２磁性状態は維持される(第２分極状態も維持される)。この第２磁性状態は、導電磁性層８における酸化物部４ａ側ないし部位８ａ側と、導電磁性層８における酸化物部４ｂ側ないし部位８ｂ側との間の誘起電圧や電流を測定することによって、検知することができる。また、上述したように、基板Ｓとして透明基板を採用したうえで、図５に示すように基板Ｓ側から導電磁性層８の部位８ａ，８ｂにレーザ光Ｌを照射してその反射光のカー回転角を測定することによって、部位８ａ，８ｂのカー回転角の差に基づき導電磁性層８の第２磁性状態を検出することも可能である。
【００５３】
また、第２分極状態にある導電磁性層８については、第２磁性状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で電極１，２間に所定電圧を印加して、再び第１分極状態に切り替えることが可能である。具体的には、酸化物部４ａを再び高抵抗化し、且つ、第２分極状態化の際に酸化物部４ａを低抵抗化させたのと同様に酸化物部４ｂを低抵抗化することによって、導電磁性層８を再び第１分極状態に切り替えることが可能である。
【００５４】
以上のように、スイッチング素子Ｘ２は、導電磁性層８が第１磁性状態にある第１状態と、導電磁性層８が第２磁性状態にある第２状態との間を、選択的に切り替えることが可能である。
【００５５】
スイッチング素子Ｘ２では、第１状態から第２状態へ変化させるための、電極１，２間の電圧印加方向と、第２状態から第１状態へ変化させるための、電極１，２間の電圧印加方向とは異なる。すなわち、本素子は、二状態間をバイポーラ型の動作でスイッチング可能なのである。また、スイッチング素子Ｘ２は、このような状態スイッチングを利用して情報の記録ないし書き換えを実行する不揮発性記憶素子として用いることが可能である。
【００５６】
本実施形態のスイッチング素子Ｘ２においては、酸化物部４ａ，４ｂは単一の酸化物層４内に含まれるが、酸化物部４ａ，４ｂは、導電磁性層８上において分離していてもよい。
【実施例１】
【００５７】
図６に示す構成を有するサンプル素子を、上述のスイッチング素子Ｘ１の実施例として作製した。
【００５８】
本サンプル素子の作製においては、まず、スパッタリング法により、ＭｇＯ基板の上にＰｔを３０ｎｍの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてＡｒガス（０.５Ｐａ）を用い、Ｐｔターゲットを用い、ＤＣ放電とし、投入電力を１.０ｋＷとし、温度条件を４００℃とした。
【００５９】
次に、スパッタリング法により、当該Ｐｔ膜上にＰｒＣａＭｎＯ3（Ｐｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3）を２００ｎｍの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてＡｒとＯ2の混合ガス（０.５Ｐａ，酸素濃度１５vol％）を用い、Ｐｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3ターゲットを用い、ＲＦ放電とし、投入電力を１.０ｋＷとし、温度条件を４００℃とした。
【００６０】
次に、スパッタリング法により、ＰｒＣａＭｎＯ3膜上にＴｉを２００ｎｍの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてＡｒガス（０.５Ｐａ）を用い、Ｔｉターゲットを用い、ＤＣ放電とし、投入電力を１.０ｋＷとし、温度条件を室温とした。
【００６１】
次に、上記の各材料膜に対してフォトリソグラフィ技術を利用してパターニングを施した。電極１，２の直径は２００μｍとした。電極１，２間の間隔は１ｍｍとした。以上のようにして本実施例のサンプル素子を作製した。
【００６２】
本サンプル素子について、状態スイッチングの有無を調べた。具体的には、本サンプル素子に対し、第１条件での電圧印加およびその後の第２条件での電圧印加を複数回繰り返し、各電圧印加後に金属層３の両端の部位３ａ，３ｂの間の誘起電圧を測定した。第１条件では、電極１は正極であり、電極２は負極であり、電極１，２間の印加電圧は、最大値を５Ｖとして掃引されたＤＣ電圧である。第２条件では、電極１は負極であり、電極２は正極であり、電極１，２間の印加電圧は、最大値を５Ｖとして掃引されたＤＣ電圧である。第１条件での各電圧印加後には、部位３ｂを正および部位３ａを負として約０.１ｍＶの誘起電圧が検出された（第１分極状態の検出）。また、第２条件での各電圧印加後には、部位３ａを正および部位３ｂを負として約０.１ｍＶの誘起電圧が検出された（第２分極状態の検出）。このように、本サンプル素子については、金属層３が第１分極状態にある第１状態と、金属層３が第２分極状態にある第２状態との間を、選択的に切り替えることができた。
【実施例２】
【００６３】
図７に示す構成を有するサンプル素子を、上述のスイッチング素子Ｘ２の実施例として作製した。
【００６４】
本サンプル素子の製造においては、まず、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法により、透明なＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）基板の（１００）面上に基板温度７００℃の条件でＬａＮｉ0.5Ｍｎ0.5Ｏ3（ＬＮＭＯ）を３０ｎｍの厚さに成膜した。基板構成材料たるＳＴＯがＬＮＭＯと同様にペロブスカイト構造を有するので、本工程では、当該ＳＴＯ基板上にＬＮＭＯを適切にエピタキシャル成長させることができた。
【００６５】
次に、スパッタリング法により、当該ＬＮＭＯ膜上にＰｒＣａＭｎＯ3（Ｐｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3）を２００ｎｍの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてＡｒとＯ2の混合ガス（０.５Ｐａ，酸素濃度１５vol％）を用い、Ｐｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3ターゲットを用い、ＲＦ放電とし、投入電力を１.０ｋＷとし、温度条件を４００℃とした。
【００６６】
次に、スパッタリング法により、ＰｒＣａＭｎＯ3（Ｐｒ0.7Ｃａ0.3ＭｎＯ3）膜上にＴｉを２００ｎｍの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてＡｒガス（０.５Ｐａ）を用い、Ｔｉターゲットを用い、ＤＣ放電とし、投入電力を１.０ｋＷとし、温度条件を室温とした。
【００６７】
次に、上記の各材料膜に対してフォトリソグラフィ技術を利用してパターニングを施した。電極１，２の直径は２００μｍとした。電極１，２間の間隔は１ｍｍとした。以上のようにして本実施例のサンプル素子を作製した。このようにして作製されたサンプル素子における導電磁性層８は、磁性を有するハーフメタルたるＬＮＭＯよりなるところ、そのキュリー温度は約２８０Ｋ（７℃）である。したがって、下記の電圧印加より前の状態において、室温（２９６Ｋ，２３℃）では、本サンプル素子の導電磁性層８は全体にわったって常磁性を示す。
【００６８】
本サンプル素子について、状態スイッチングの有無を調べた。具体的には、本サンプル素子に対し、第１条件での電圧印加およびその後の第２条件での電圧印加を複数回繰り返し、各電圧印加後に導電磁性層８の部位８ａ，８ｂの各々について磁気カー効果測定を行った。第１条件では、電極１は正極であり、電極２は負極であり、電極１，２間の印加電圧は、最大値を５Ｖとして掃引されたＤＣ電圧である。第２条件では、電極１は負極であり、電極２は正極であり、電極１，２間の印加電圧は、最大値を５Ｖとして掃引されたＤＣ電圧である。磁気カー効果測定では、室温（２９６Ｋ，２３℃）で、導電磁性層８に対して垂直方向に磁場をかけて当該磁場を±１０ｋＯｅの範囲で掃引しつつ、測定対照箇所（部位８ａ，８ｂ）に対して基板Ｓ側からレーザ光（波長６３３ｎｍ，ビーム直径１００μｍ）を照射してその反射光のカー回転角を測定した。第１条件での各電圧印加後には、部位８ａの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループが観測されたのに対し、部位８ｂの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループは観測されなかった。すなわち、第１条件での各電圧印加後には、本サンプル素子の導電磁性層８内において部位８ａが強磁性を示すとともに部位８ｂが常磁性を示す状態が検出された（第１磁性状態の検出）。一方、第２条件での各電圧印加後には、部位８ａの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループが観測されなかったのに対し、部位８ｂの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループは観測された。すなわち、第２条件での各電圧印加後には、本サンプル素子の導電磁性層８内において部位８ａが常磁性を示すとともに部位８ｂが強磁性を示す状態が検出された（第２磁性状態の検出）。第１条件での電圧印加およびその後の第２条件での電圧印加の繰返しによって、部位８ａは強磁性と常磁性との間で磁性が切り替わるとともに、部位８ｂは常磁性と強磁性との間で磁性が切り替わったのである。このように、本サンプル素子について、導電磁性層８が第１磁性状態にある第１状態と、導電磁性層８が第２磁性状態にある第２状態との間を、選択的に切り替えることができた。
【００６９】
以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
【００７０】
（付記１）第１電極および第２電極と、
スイッチング金属部と、
前記第１電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つＰ型半導性を有する第１酸化物部と、
前記第２電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つＰ型半導性を有する第２酸化物部と、を備えるスイッチング素子。
（付記２）前記第１および第２酸化物部は、前記第１および第２電極と前記スイッチング金属部との間に位置する単一の酸化物層内に含まれる、付記１に記載のスイッチング素子。
（付記３）前記第１および第２電極は、前記スイッチング金属部よりも酸化しやすい材料よりなる、付記１または２に記載のスイッチング素子。
（付記４）前記第１電極および／または前記第２電極は、Ｔｉ、Ｔａ、およびＡｌから選択される金属を含んでなる、付記１から３のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
（付記５）前記スイッチング金属部は、Ｐｔ、Ａｕ、およびＰｄから選択される金属を含んでなる、付記１から４のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
（付記６）前記スイッチング金属部は、磁性金属または磁性半導体よりなる、付記１から５のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
（付記７）前記スイッチング金属部はハーフメタルよりなる、付記１から５のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
（付記８）前記ハーフメタルは、ＬａＮｉＭｎＯ3、ＬａＳｒＭｎＯ3、Ｆｅ3Ｏ4、またはＳｒＲｕＯ3である、付記７に記載のスイッチング素子。
（付記９）前記第１酸化物部および／または前記第２酸化物部は、ＰｒＣａＭｎＯ3またはＳｒＲｕＯ3よりなる、付記１から８のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るスイッチング素子の断面図である。
【図２】図２は、図１に示すスイッチング素子の動作原理を表す。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係るスイッチング素子の断面図である。
【図４】図４は、図３に示すスイッチング素子の動作原理を表す。
【図５】図５は、磁性変化検出方法の一例としてカー効果を利用した手法を表す。
【図６】図６は、実施例１のサンプル素子の構成を表す。
【図７】図７は、実施例２のサンプル素子の構成を表す。
【００７２】
Ｘ１，Ｘ２      スイッチング素子
Ｓ      基板
１，２      電極
１ａ，２ａ      部分酸化領域
３      金属層
４      酸化物層
４ａ，４ｂ      酸化物部
５      酸化イオン
６      酸素空孔
７      電子
８      導電磁性層                                                                                
【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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