(57)【要約】【課題】素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子、磁気抵抗効果素子およびメモリ素子を提供する。【解決手段】基板と、前記基板上に立設された複数のカーボンナノチューブと、前記各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、前記各カーボンナノチューブの基端と前記基板との間に形成された複数の導電層と、を備えて構成され、前記導電層間に電位差を生じさせることにより前記カーボンナノチューブまたは前記カーボンナノチューブの先端に配置された前記磁性体粒子同士を接触させ、前記カーボンナノチューブまたは前記磁性体粒子同士が接触した状態において該カーボンナノチューブ間に電流を流すことにより該カーボンナノチューブを離間させてスイッチ動作を実行する。【選択図】        図１−１
2007049084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に立設された複数のカーボンナノチューブと、
前記各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、
前記各カーボンナノチューブの基端と前記基板との間に形成された複数の導電層と、
を備えて構成され、
前記導電層間に電位差を生じさせることにより前記カーボンナノチューブまたは前記カーボンナノチューブの先端に配置された前記磁性体粒子同士を接触させ、前記カーボンナノチューブまたは前記磁性体粒子同士が接触した状態において該カーボンナノチューブ間に電流を流すことにより該カーボンナノチューブを離間させてスイッチ動作を実行すること
を特徴とするスイッチ素子。
【請求項２】
前記磁性体粒子が、鉄粒子、ニッケル粒子またはコバルト粒子であること
を特徴とする請求項１に記載のスイッチ素子。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板の表層部に不純物がドープされた半導体導電層と、
前記半導体導電層上に立設された複数のカーボンナノチューブと、
前記各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、
前記カーボンナノチューブの基端と前記半導体伝導層との間に該半導体導電層と絶縁状態に形成された導電層と、
前記他のカーボンナノチューブの基端と前記半導体導電層との間に前記導電層と絶縁状態に形成された、磁化方向が固定された磁性導電層と、
を備えて構成され、
前記導電層と前記磁性導電層との間に電位差を生じさせることにより前記カーボンナノチューブまたは前記カーボンナノチューブの先端に配置された前記磁性体粒子同士を接触させ、前記カーボンナノチューブまたは前記磁性体粒子同士が接触した状態において該カーボンナノチューブ間に電流を流すことにより該カーボンナノチューブを離間させてスイッチ動作を実行すること
を特徴とするスイッチ素子。
【請求項４】
前記半導体基板がシリコン基板であり、
前記半導体導電層と前記磁性導電層との間に該磁性導電層のシリサイド化を防止する導電性の保護層を備えること
を特徴とする請求項３に記載のスイッチ素子。
【請求項５】
前記磁性導電層または保護層と、前記半導体導電層と、によりショットキーダイオードが形成されていること
を特徴とする請求項３または請求項４に記載のスイッチ素子。
【請求項６】
前記磁性体粒子が、鉄粒子、ニッケル粒子またはコバルト粒子であること
を特徴とする請求項３に記載のスイッチ素子。
【請求項７】
請求項１〜請求項６記載のスイッチ素子を複数配置することによって構成されること
を特徴とするメモリ素子。
【請求項８】
外部磁場を検出する磁気抵抗効果素子であって、
基板と、
前記基板上に立設された複数のカーボンナノチューブと、
前記各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、
前記各カーボンナノチューブの基端と前記基板との間に形成された複数の導電層と、
前記各カーボンナノチューブ間に介在する絶縁層と、
を備えて構成され、
前記絶縁層を介して前記導電層間に流れるトンネル電流を検知することにより外部磁場の変化を検出すること
を特徴とする磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ素子、メモリ素子および磁気抵抗効果素子に関するものであり、特に、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子、メモリ素子および磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、簡単には、中空部分を持つグラファイトの円筒であることが最も大きな特徴であり、一本棒の単層カーボンナノチューブ（Single-Walled CNT ; SWCNT）と、同心円で入れ子構造になっている多層カーボンナノチューブ（Multi-Walled CNT ; MWCNT）と、の二つに大きく分けることができる。基本的には、直径が異なる点がこれらの大きな違いであり、単層カーボンナノチューブの直径は数ｎｍ以下であり、多層カーボンナノチューブの直径は数ｎｍ以上数十ｎｍ以下である。さらに、多層カーボンナノチューブの内径は、一般的には外径の約３分の１程度であるが、単層カーボンナノチューブの領域に近づく程、内径と外径の比率は１に近づく。
【０００３】
単層カーボンナノチューブの特徴としては、その構造の違いにより金属的性質または半導体的性質を有するものが存在する点が挙げられる。また、単層カーボンナノチューブにおいては、バンドギャップを制御し、電気的性質の異なる単層カーボンナノチューブ同士の接合を作製することにより、ナノスケールのトランジスタを実現する試みも行われている。
【０００４】
一方、多層カーボンナノチューブは、基本的に金属的性質を示す。さらに、カーボンナノチューブは一般的に、内部に存在する欠陥や不純物による散乱の影響が小さく、その電気抵抗は金属の銅よりも低いことが分かっている。このため、カーボンナノチューブは、抵抗の低いｎｍ径のＬＳＩ配線としても期待されている。
【０００５】
以上説明したように、カーボンナノチューブの応用の一つとして、電子デバイス応用は非常に有力である。しかしながら、この応用を実現するために解決するべき大きな問題として、以下の２点を挙げることができる。
【０００６】
一つ目は、カーボンナノチューブで作製した素子から配線を取るために必要な、カーボンナノチューブ−金属間のコンタクトの問題である。通常、カーボンナノチューブに蒸着法で金属を付けると、その間の接触抵抗が非常に大きくなる。そして、素子自体が小さくなると、接触抵抗の中に素子全体の抵抗が埋もれてしまい、素子特性が著しく劣化する。このため、カーボンナノチューブとの間で良好なコンタクトが実現される金属を選定することは、工業上非常に重要な課題の一つとなっている。
【０００７】
さらに、二つ目としては、カーボンナノチューブで作製された単体の電子デバイスが実現されたとしても、これらを集積するためには、カーボンナノチューブの大量生産を実現することが重要な問題となる。現状においてカーボンナノチューブを製造する主な方法としては、アーク放電法と化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition: CVD）との二つの方法が行われている。
【０００８】
アーク放電法は、単純には電極に用いた炭素棒を放電により蒸発させ、回収した煤の中からカーボンナノチューブを取り出す方法である。この方法は、一般的に純度が高いカーボンナノチューブを取り出すことが可能であるが、炭素棒の交換などの工程が必要であり、量産性には向かないという欠点を持っている。
【０００９】
一方、化学気相成長法は、金属触媒（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなど）上で炭化水素ガスを分解させることによりカーボンナノチューブを作製する方法である。この方法は、アーク放電法に比較すると純度は落ちるものの、量産性という観点からは優れている。
【００１０】
しかしながら、現状では特定の構造を有するカーボンナノチューブを選択的に成長させる方法も、製造されたカーボンナノチューブの中から特定の構造を有するカーボンナノチューブのみを選択的に取り出す方法も、開発されていない。このため、単層カーボンナノチューブを用いたトランジスタを量産するための大きな障害となっている。すなわち、カーボンナノチューブを用いた電子デバイスを工業的に応用するためには、上記の製造上の課題を解決するか、または特定の構造を有するカーボンナノチューブを選択する必要のないデバイスを考案する必要がある。
【００１１】
【非特許文献１】Thomas Rueckes,et al, "Carbon Nanotube-Based Nonvolatile Random Access Memory for Molecular Computing", Science, vol.289,94-97,7 Jury 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、カーボンナノチューブは、機械的強度が高い点でも注目されており、Ｙｏｕｎｇ率は１ＴＰａ程度であることが知られている。このため、この強度を利用して走査型プローブ顕微鏡の探針として利用する試みも行われてきた。また最近では、このカーボンナノチューブの強度を利用するメモリ素子も提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【００１３】
このメモリ素子において１ビットの素子は、基本的にはカーボンナノチューブの束を二つの電極の間に挟み込む構造から構成されている。原理的には、カーボンナノチューブの束といずれか一方の電極（電極１）との間に電圧を印加することによって生じる静電引力によって、カーボンナノチューブと電極１とを接触させ、お互いのvan der Waales力でその状態を保持させることで、メモリ機能を有するスイッチ動作を実現させている。
【００１４】
さらに、もう一方の電極（電極２）とカーボンナノチューブとの間に電圧を印加すると、その間の静電引力によって電極１とカーボンナノチューブの束とを引き離し、メモリの消去を行うことが可能である。また、電極１とカーボンナノチューブとの間の抵抗を測定することによって、状態の読み込みを行うことも可能である。この素子が、カーボンナノチューブの接触引き離しの繰り返し動作に対して高い耐久性（機械的強度）を有することを利用していることは言うまでもない。また、基本的には、任意の構造を有するカーボンナノチューブの束を作製すれば良いので、上記量産性の課題も回避することが可能である。
【００１５】
しかしながら、基板に電極１を作製し、その上にカーボンナノチューブの束を設置すると、３次元的に電極２を浮かして作製する必要があり、これは非常に困難である。さらに集積性を高めるため、１ビットの素子を小さくしようとすると、カーボンナノチューブの束自体も小さくする必要が出てくる。このような状況においては、すべての素子において、カーボンナノチューブの束を均一にする必要があり、現状の技術では、ナノレベルでの実現は非常に困難である。さらには、カーボンナノチューブ自体の強度のために、電極と接触させるための駆動電圧が上昇し、素子特性自体の劣化につながるという問題を生じる。
【００１６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子、メモリ素子および磁気抵抗効果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】
【００１７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるスイッチ素子は、基板と、基板上に立設された複数のカーボンナノチューブと、各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、各カーボンナノチューブの基端と基板との間に形成された複数の導電層と、を備えて構成され、導電層間に電位差を生じさせることによりカーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子同士を接触させ、カーボンナノチューブまたは磁性体粒子同士が接触した状態において該カーボンナノチューブ間に電流を流すことにより該カーボンナノチューブを離間させてスイッチ動作を実行することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかるスイッチ素子は、半導体基板と、半導体基板の表層部に不純物がドープされた半導体導電層と、半導体導電層上に立設された複数のカーボンナノチューブと、各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、カーボンナノチューブの基端と半導体伝導層との間に該半導体導電層と絶縁状態に形成された導電層と、他のカーボンナノチューブの基端と半導体導電層との間に導電層と絶縁状態に形成された、磁化方向が固定された磁性導電層と、を備えて構成され、導電層と磁性導電層との間に電位差を生じさせることによりカーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子同士を接触させ、カーボンナノチューブまたは磁性体粒子同士が接触した状態において該カーボンナノチューブ間に電流を流すことにより該カーボンナノチューブを離間させてスイッチ動作を実行することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかるメモリ素子は、上記の発明にかかるスイッチ素子を複数配置することによって構成されることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかる磁気抵抗効果素子は、外部磁場を検出する磁気抵抗効果素子であって、基板と、基板上に立設された複数のカーボンナノチューブと、各カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子と、各カーボンナノチューブの基端と基板との間に形成された複数の導電層と、各カーボンナノチューブ間に介在する絶縁層と、を備えて構成され、絶縁層を介して導電層間に流れるトンネル電流を検知することにより外部磁場の変化を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかるスイッチ素子によれば、導電層間に電位差を生じさせることによりカーボンナノチューブに生じる静電引力の他に、磁性体粒子間に働く磁気双極子モーメント相互作用を利用してスイッチのオン、オフ（カーボンナノチューブの接触、離間）の動作切り替えを行うため、確実にスイッチ動作を行うことができる、という効果を奏する。
【００２２】
また、電極を基板に配置する構成とされており、３次元的に電極を配置する必要がないため、簡略な構造でスイッチ素子を構成することができる、という効果を奏する。また、素子を小さくする場合においても、最少で２本のカーボンナノチューブによりスイッチ素子を構成することが可能であり、また均一なカーボンナノチューブの束を作製する必要がなく、任意の構造を有するカーボンナノチューブを用いることができるため生産性に優れる、という効果を奏する。また、少ない本数のカーボンナノチューブで構成可能であるため、電極と接触させるための駆動電圧が小さく設定可能であり、駆動電圧の上昇に起因した素子特性自体の劣化を効果的に防止することができる、という効果を奏する。
【００２３】
したがって、本発明にかかるスイッチ素子によれば、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子を提供することができる、という効果を奏する。
【００２４】
また、本発明にかかるスイッチ素子よれば、導電層間に電位差を生じさせることによりカーボンナノチューブに生じる静電引力の他に、磁性体粒子間に働く磁気双極子モーメント相互作用を利用してスイッチのオン、オフ（カーボンナノチューブの接触、離間）の動作切り替えを行うため、確実にスイッチ動作を行うことができる。
【００２５】
また、電極を基板に配置する構成とされており、３次元的に電極を配置する必要がないため、簡略な構造でスイッチ素子を構成することができる、という効果を奏する。また、素子を小さく場合においても、最少で２本のカーボンナノチューブによりスイッチ素子を構成することが可能であり、また均一なカーボンナノチューブの束を作製する必要がなく、任意の構造を有するカーボンナノチューブを用いることができるため生産性に優れる、という効果を奏する。また、少ない本数のカーボンナノチューブで構成可能であるため、電極と接触させるための駆動電圧が小さく設定可能であり、駆動電圧の上昇に起因した素子特性自体の劣化を効果的に防止することができる、という効果を奏する。
【００２６】
また、カーボンナノチューブの一端と基板の間に作製された導電層として、導電性を有するとともに磁化方向が固定されている導電性磁化固定層を有する磁性積層膜をそなえる。これにより、カーボンナノチューブの接触、引き離しの繰り返しを行う際の誤動作確率を低減することが可能である。
【００２７】
また、磁性積層膜と高ドープ半導体導電層（配線）との間にショットキーダイオードが形成されているため、印加する電圧の幅を広げることができ、スイッチ素子自体を小型化することも可能である。そして、このスイッチ素子をメモリ素子として集積する際に、ショットキーダイオードを選択素子として利用することも可能であり、専用の選択素子が不要となるため、メモリ素子の構成の簡略化、小型化が実現できる。
【００２８】
したがって、本発明にかかるスイッチ素子によれば、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子を提供することができる、という効果を奏する。
【００２９】
また、本発明にかかるメモリ素子によれば、上記の発明にかかるスイッチ素子を複数配置することによって構成されるため、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたメモリ素子を提供することができる、という効果を奏する。
【００３０】
また、本発明にかかる磁気抵抗効果素子によれば、カーボンナノチューブ同士の間の絶縁層を介して磁性体粒子間を流れるトンネル電流が外部磁場に対して変化する（磁気抵抗変化を生じる）ため、これを検知することにより外部磁場のセンシングを行うことが可能である。
【００３１】
また、素子を小さくする場合においても、最少で２本のカーボンナノチューブによりスイッチ素子を構成することが可能であり、また均一なカーボンナノチューブの束を作製する必要がなく、任意の構造を有するカーボンナノチューブを用いることができるため生産性に優れる、という効果を奏する。また、少ない本数のカーボンナノチューブで構成可能であるため、電極と接触させるための駆動電圧が小さく設定可能であり、駆動電圧の上昇に起因した素子特性自体の劣化を効果的に防止することができる、という効果を奏する。
【００３２】
これにより、この磁気抵抗効果素子によれば、微細で、且つ、非常に高い磁気抵抗比が得られる磁気抵抗効果素子を実現することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるスイッチ素子、磁気抵抗効果素子およびメモリ素子の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図１−１は、本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子１の概略構成を示す断面図である。図１−２に示すように、本実施の形態にかかるスイッチ素子１はカーボンナノチューブを用いたスイッチ素子であり、基板１１と、基板１１上に立設された一対のカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂと、各カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの先端に配置された磁性体粒子１３ａ、１３ｂと、各カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの基端と基板１１との間において互いに絶縁状態に形成された導電層１４ａ、１４ｂと、を備えて構成される。
【００３５】
基板１１は、絶縁体基板または半導体基板を用いることができ、たとえばシリコン基板を用いることができる。カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂは、基板１１上に立設、すなわち該基板１１の面内方向と略垂直方向に成長させた単層または多層カーボンナノチューブから構成される。なお、カーボンナノチューブ１２の基板の面内方向に対する角度は、スイッチ素子として機能可能な範囲で許容される。また、以下においては、カーボンナノチューブを総称してカーボンナノチューブ１２と呼ぶ場合がある。
【００３６】
磁性体粒子１３ａ、１３ｂは、カーボンナノチューブを成長させるための触媒金属であり、また、カーボンナノチューブ同士の接触を保持するための手段でもあり、たとえば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等の金属粒子を用いることができる。なお、以下においては、磁性体粒子を総称して磁性体粒子１３と呼ぶことがある。導電層１４ａ、１４ｂは、高ドープ半導体導電層や金属層など、配線として利用できる層であれば何を用いても良い。
【００３７】
以上のように構成された本実施の形態にかかるスイッチ素子１では、導電層１４ａ、１４ｂ間に電位差を生じさせることによって、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させることができ、または接触した状態のカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間に電流を流すことによってこれらを引き離すことができ、これらの動作によりスイッチング動作を行うことが可能とされている。
【００３８】
すなわち、２本の導電層１４ａ、１４ｂ間に電圧を印加すれば、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間に静電引力が働く。そして、この静電引力がカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力より大きくなれば、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させることが可能となる。このカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士の接触時に、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの先端に配置された磁性体粒子１３ａ、１３ｂ同士も接触させるように配置する方が好ましい。一旦、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ同士が十分に近づけば、図１−１に示したように初期状態において同方向を向いていた磁性体粒子１３ａの磁化方向Ｍ１と、磁性体粒子１３ｂの磁化方向Ｍ２とが、図１−２に示したように逆向きになって安定する。
【００３９】
さらに、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂおよび磁性体粒子１３ａ、１３ｂに帯電していた電荷は接触した瞬間に消えてしまうものの、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間に働く磁気双極子モーメント相互作用（引力）がカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力より大きければ、接触した状態が保持されることになる。
【００４０】
逆に、接触した状態で導電層１４ａ、１４ｂ間に電圧を印加すると、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂに電流が流れ、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間でスピン注入が生じ、磁性体粒子１３ａ、１３ｂの磁化方向Ｍ１およびＭ２が揃う。このため、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間の磁気双極子モーメント相互作用（引力）が反発的となり、さらには、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力が働くため、２つのカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂは引き離されることになる。
【００４１】
以上が、本実施の形態にかかるカーボンナノチューブを用いたスイッチ素子１の動作原理である。ここで、本実施の形態にかかるカーボンナノチューブを用いたスイッチ素子１を実現するためには、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力よりも大きい静電引力を生じさせる電圧を、導電層１４ａ、１４ｂ間に印加する必要がある。言うまでも無く、単層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブの構造によって、その弾性力は大きく異なる。
【００４２】
一般に、図２に示すように、一端が固定されているカーボンナノチューブＴの他端に力ＦCNTをかけた時のたわみ（変位）をｙで表すと、ｙとＦCNTの関係は以下の数式（１）で表される（Nature, vol.381, 678, (1996)）。
【００４３】
【数１】
2007049084.tif 000003
【００４４】
上記数式（１）において、＜ｙ2＞は二乗平均、ｋBはＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数（＝１．３８×１０-23ＪＫ-1）、Ｔは絶対温度（＝３００Ｋ）、ＹはカーボンナノチューブのＹｏｕｎｇ率（＝１ＴＰａ）、ｌはカーボンナノチューブの長さを表す。
【００４５】
また、図３はカーボンナノチューブの径方向における断面図である。図３に示すようにカーボンナノチューブの外径ａおよび内径ｂは、多層カーボンナノチューブの場合には一般に外径ａが内径ｂの約３倍程度になっていることが知られている。
【００４６】
さらに変位ｙは、一般的に以下の数式（２）に示す曲げのモーメント
【００４７】
【数２】
2007049084.tif 000004
【００４８】
を用いて以下の数式（３）のように表される。
【００４９】
【数３】
2007049084.tif 000005
【００５０】
そして、数式（１）〜数式（３）より、カーボンナノチューブの弾性力ＦCNTは、カーボンナノチューブの構造定数のみを用いて、以下の数式（４）で表されることになる。
【００５１】
【数４】
2007049084.tif 000006
【００５２】
また、二つの磁性体粒子間に生じる電位差Ｖに対して、静電引力ＦELEは、以下の数式（５）によって表される。
【００５３】
【数５】
2007049084.tif 000007
【００５４】
上記数式（５）において、ε0は、真空の誘電率を表し、８．８５×１０-12Ｆ／ｍである。
【００５５】
ここで、ＦELEがＦCNTよりも大きくなる電圧Ｖを導電層１４ａ、１４ｂ間に印加すれば、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させることが可能であり、本発明においては、この電圧をＶthとして表す。
【００５６】
つぎに、本実施の形態にかかるスイッチ素子１を実現するためには、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士が接触した状態を保持させる必要がある。このカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士が接触した状態を保持させる保持力は、異なる磁化方向を有する磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間に働く磁気双極子モーメント相互作用ＦSPINである。これは、一般に、以下の数式（６）を用いて表すことができる。
【００５７】
【数６】
2007049084.tif 000008
【００５８】
上記数式（６）において、ｍは磁気双極子モーメントであり、磁性体粒子が有する磁化Ｍと体積との積によって表される。磁化Ｍの値は、コバルトであれば、１．７９Ｗ／ｍ2、ニッケルであれば０．６９Ｗ／ｍ2である。また、μ0は、真空中の透磁率（＝１．２６×１０-6Ｈ／ｍ）、ｒは磁性体粒子間の距離を表す。
【００５９】
ところで、カーボンナノチューブ上に配置された磁性体粒子は、ＦＩＢ−ＣＶＤ（Focused Ion Beam-Chemical Vapor Deposition）法を用いて作製することにより、基本的に任意の形状に作製することが可能である。しかしながら、本実施の形態にかかるスイッチ素子１を作製する上では、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる方が好ましい。ＣＶＤ法の触媒としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの磁性金属を用いることが可能である。これら磁性金属の粒子を基板上に配置し、または基板中に磁性層を作製し、ＣＶＤ法によりこれらから成長させると、先端に磁性体粒子が埋まった状態でカーボンナノチューブが成長する（Appl.Phys.Lett., vol.76, No.13, 1777(2000)）。また、カーボンナノチューブに埋まった磁性体粒子は、先端付近ではカーボンナノチューブの外径とほぼ同程度の大きさであり、カーボンナノチューブの奥の方では内径に埋まった状態になる。本発明では、この点を踏まえ、カーボンナノチューブの先端に配置された磁性体粒子の磁気双極子モーメントを以下の数式（７）で表す。
【００６０】
【数７】
2007049084.tif 000009
【００６１】
上記数式（７）においては、磁性体粒子を円柱として近似し、カーボンナノチューブの高さｈを２０ｎｍとした。このとき、ＦCNTよりもＦSPINが大きくなる磁気双極子モーメントｍを磁性体粒子が持てば、磁性体粒子同士が接触した状態を保持することが可能となる。
【００６２】
さらに、本実施の形態にかかるスイッチ素子１を実現するためには、接触保持されているカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を引き離すことが必要である。そのために、本発明では、導電層１４ａ、１４ｂ間に電流を流すことによって、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間にスピン注入を行う。スピン注入を行うことにより磁性体粒子１３ａ、１３ｂの磁化方向が揃うため、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間に反発的な磁気双極子モーメント相互作用が生じ、さらには、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力によって、接触保持されていたカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を引き離すことが可能となる。このスピン注入を起こすのに必要な電流密度は、磁性体の大きさ、保持力の強さによっても異なるが、一般には１０6Ａ/ｃｍ2以上必要である。逆に、それ以下の電流密度では、磁性体粒子間にスピン注入は起きないと考えられている。
【００６３】
上述した数式（４）〜数式（７）を踏まえて、本実施の形態にかかるスイッチ素子１の動作を可能とするカーボンナノチューブの構造を設計することが可能となる。本実施の形態では、図１−１および図１−２に従い、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士が接触している状態を「１」の状態、離れた状態を「０」の状態と定義する。
【００６４】
また、「１」の状態にすることを「入力」と定義し、「入力」を行う電圧を「Ｖ1」とすれば、いうまでも無く、Ｖ1＞Ｖthを満足しなければならない。一方、「０」の状態にすることを「消去」と定義し、「消去」を行う電圧を「Ｖ2」で表す。
【００６５】
以上の点を踏まえ、カーボンナノチューブの長さｌを１００ｎｍ、ａ＝３ｂ（ａ：カーボンナノチューブの外径、ｂ：カーボンナノチューブの内径）、Ｖth＝０．５Ｖ、Ｖ1＝１．５Ｖとした場合に、カーボンナノチューブの弾性力ＦCNT、磁気双極子モーメント相互作用ＦSPIN、静電引力ＦELEが、カーボンナノチューブの外径ａに対する変化を計算した結果を図４に示す。
【００６６】
図４から分かるように、カーボンナノチューブの外径を「ａ１〜ａ２」の範囲に設定すれば、電圧Ｖ1で接触させたカーボンナノチューブ同士を、磁気双極子モーメント相互作用によって保持することが可能となる。さらに、たとえば、Ｖ2（消去を行う電圧）＝１Ｖにすれば、１０6Ａ／ｃｍ2以上の電流密度がカーボンナノチューブを介して磁性体粒子に流れるので、スピン注入を起こすことも可能となる。
【００６７】
上述した本実施の形態にかかるスイッチ素子によれば、カーボンナノチューブの高い機械的強度を利用しているため、カーボンナノチューブの接触引き離しの繰り返し動作に対して高い耐久性を有し、耐久性に優れたスイッチ素子が実現されている。
【００６８】
また、本実施の形態にかかるスイッチ素子によれば、導電層間に電位差を生じさせることによりカーボンナノチューブに生じる静電引力の他に、磁性体粒子間に働く磁気双極子モーメント相互作用を利用してスイッチのオン、オフ（カーボンナノチューブの接触、離間）の動作切り替えを行うため、確実にスイッチ動作を行うことができる。
【００６９】
また、本実施の形態にかかるスイッチ素子によれば、電極を基板に配置する構成とされており、３次元的に電極を配置する必要がないため、簡略な構造でスイッチ素子を構成することができる。そして、このスイッチ素子によれば、素子を小さくする場合においても、最少で２本のカーボンナノチューブによりスイッチ素子を構成することが可能であり、また均一なカーボンナノチューブの束を作製する必要がなく、任意の構造を有するカーボンナノチューブを用いることができるため生産性に優れたスイッチ素子が実現されている。さらに、このスイッチ素子によれば、少ない本数のカーボンナノチューブで構成可能であるため、電極と接触させるための駆動電圧が小さく設定可能であり、駆動電圧の上昇に起因した素子特性自体の劣化が効果的に防止することができる。
【００７０】
したがって、本発明にかかるスイッチ素子によれば、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子を提供することができる、という効果を奏する。
【００７１】
なお、上記においてはスイッチ素子を単層の２本のカーボンナノチューブにより構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多層カーボンナノチューブを用いても良く、また、さらに多くの本数のカーボンナノチューブを用いても良い。ただし、上記のように少なくとも２本のカーボンナノチューブを用いることにより、本発明にかかるスイッチ素子を実現することが可能である。
【００７２】
つぎに、本実施の形態にかかるスイッチ素子１の製造方法について説明する。本実施の形態におけるカーボンナノチューブの製造方法においては、ＣＶＤ法を用いて基板１１上に複数のカーボンナノチューブを成長させることが可能である。以下の説明に用いる図面においては、複数のカーボンナノチューブを作製する場合について記載してある。
【００７３】
＜導電層の形成＞
まず、基板１１としてたとえばシリコン基板を用意し、既存のエッチング技術により所定の間隔および深さで基板１１の除去を行い、図５−１に示すように導電層１４を形成するための領域（溝部）２１を形成する。そして、該領域（溝部）２１に導電層材料としてたとえばアルミニウム（Ａｌ）を埋め込んで、図５−２に示すように導電層１４を形成する。
【００７４】
＜基板上への触媒金属粒子の配置＞
本実施の形態にかかるスイッチ素子１の形成においては、基板１１上に成長したカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの位置および直径を制御する必要がある。このため、本実施の形態においては、半導体製造工程に用いられている既存の電子線ビームリソグラフィ技術により、触媒金属粒子を形成、配置する。
【００７５】
そこで、触媒金属原料としてたとえばコバルト微粒子を用意し、該コバルト微粒子をネガ型レジストに混入する。つぎに、該コバルト微粒子を含んだネガ型レジスト２２を、図５−３に示すように導電層１４を形成した基板１１上に塗布する。さらに電子線露光・現像を行うことにより図５−４に示すように微細なレジストパターン２３を形成する。ここで、レジストパターンは、導電層１４上に形成し、レジストパターン２３同士の間隔はたとえば３０ｎｍ程度である。このようにレジストパターン２３同士の間隔を制御することにより、触媒金属粒子の位置の制御が可能である。図５−４は微細なレジストパターンを形成した基板を上面から見た上面図である。
【００７６】
その後、加熱処理を行うことによって図５−５に示すように微細なレジストパターン２３中においてコバルト微粒子を凝集させ、直径を制御し、所定の直径を有する触媒金属粒子としてコバルト粒子２４を形成する。そして、不要なレジストを既存のエッチング技術により除去することで、図５−６に示すように基板１１上にたとえば直径１５ｎｍ程度のコバルト粒子２４が配置される。これにより、基板１１上に於ける配置位置および直径が制御されて配置された触媒金属微粒子である磁性体粒子を備えた基板が形成されたことになる。ここで、図５−６は凝集したコバルト粒子を配置した基板を上面から見た上面図である。
【００７７】
＜カーボンナノチューブの成長＞
上記のようにしてコバルト粒子２４を配置した基板１１に対して、ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブの成長に用いるＣＶＤ装置の反応炉の構成の一例を図６に示す。図６に示したＣＶＤ装置を用いてカーボンナノチューブを成長させるには、石英管などから構成された反応炉３１の内部に上記の基板１１を設置し、反応炉３１に設けられた原料ガス導入口３２より原料ガスとしてたとえばエタノールのガスを流すとともに排気口３３から排気を行いながら、ヒータ３４により基板１１を加熱する。
【００７８】
このときのカーボンナノチューブ１２の成長方向は、成長方向に所定の電圧、たとえば２００Ｖを印加することで制御可能である。電圧印加下でのカーボンナノチューブの成長過程状態を示す模式図を図５−７に示す。このとき、基板１１は陰極側に配置される。基板１１は分解したエタノールガスに対して負にバイアスされ、電界の方向にカーボンナノチューブ１２が成長することになる。
【００７９】
以上により、成長核であるコバルト粒子２４の直径と略同等の直径を有する複数のカーボンナノチューブ１２が基板１１表面に略垂直に成長し、図１に示すような本実施の形態にかかるスイッチ素子１を形成することができる。
【００８０】
なお、上記においては、１つのスイッチング素子を例に説明したが、複数の単層または多層カーボンナノチューブを形成することにより、複数のスイッチング素子を同時に形成することができる。
【００８１】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態においては、第１の実施の形態において説明したスイッチ素子の変形例について説明する。したがって、本実施の形態にかかるスイッチ素子においても、基本的な動作原理、設計原理は第１の実施の形態の場合と同様である。
【００８２】
上記の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子１において、接触、引き離しの繰り返しを行うためには、カーボンナノチューブ１２の一端に配置された磁性体粒子１３の一方の磁化が固定されていることが、誤動作確率を減らすという観点から好ましい。この観点から、カーボンナノチューブ１２の一端と基板１１の間に作製された導電層１４が、磁化方向の固定された磁性積層膜から構成されていることが好ましい。
【００８３】
図７−１は、第２の実施の形態にかかるスイッチ素子２の概略構成を示す断面図である。図７−１に示すように、本実施の形態にかかるスイッチ素子２は、基板（半導体基板）１１と、基板１１の表層部に形成された高ドープ半導体導電層（配線）４１と、高ドープ半導体導電層（配線）４１上に立設された一対のカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂと、各カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの先端に配置された磁性体粒子１３ａ、１３ｂと、高ドープ半導体導電層（配線）４１上に形成された絶縁層４２と、カーボンナノチューブ１２ａの基端と高ドープ半導体導電層（配線）４１との間に該高ドープ半導体導電層（配線）４１と絶縁状態に形成された導電層４３と、高ドープ半導体導電層（配線）４１上においてカーボンナノチューブ１２ｂの基端と該高ドープ半導体導電層（配線）４１との間に形成された磁性積層膜４４と、を備えて構成される。
【００８４】
なお、理解の容易のため、第１の実施の形態にかかるスイッチ素子１と同様の部材については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８５】
以上のように構成された本実施の形態にかかるスイッチ素子２では、導電層４３、磁性積層膜４４間に電位差を生じさせることによって、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させることができ、または接触した状態のカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間に電流を流すことによってこれらを引き離すことができ、これらの動作によりスイッチング動作を行うことが可能とされている。
【００８６】
すなわち、導電層４３、磁性積層膜４４間に電圧を印加すれば、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間に静電引力が働く。そして、この静電引力がカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力より大きくなれば、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させることが可能となる。この時、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士の接触時に、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの先端に配置された磁性体粒子１３ａ、１３ｂ同士も接触させるように配置する方が好ましい。一旦、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ同士が十分に近づけば、図７−１に示したように初期状態において同方向を向いていた磁性体粒子１３ａの磁化方向Ｍ１と、磁性体粒子１３ｂの磁化方向Ｍ２とが、図７−２に示したように逆向きになって安定する。
【００８７】
さらに、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂおよび磁性体粒子１３ａ、１３ｂに帯電していた電荷は接触した瞬間に消えてしまうものの、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間に働く磁気双極子モーメント相互作用（引力）がカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力より大きければ、接触した状態が保持されることになる。
【００８８】
逆に、接触した状態で導電層４３、磁性積層膜４４間に電圧を印加すると、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂに電流が流れ、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間でスピン注入が生じ、磁性体粒子１３ａ、１３ｂの磁化方向Ｍ１およびＭ２が揃う。このため、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間の磁気双極子モーメント相互作用（引力）が反発的となり、さらには、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの弾性力が働くため、２つのカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂは引き離されることになる。
【００８９】
以上が、本実施の形態にかかるカーボンナノチューブを用いたスイッチ素子の動作原理である。ここで、本実施の形態にかかるスイッチ素子２では、カーボンナノチューブ１２ｂと基板１１との間に作製した導電層の一方に磁性積層膜４４を用いている。磁性積層膜４４としては、たとえば、図７−１に示したように、導電性を有するとともに磁化方向が固定されている導電性磁化固定層としてのコバルト層４４ａと、該コバルト層４４ａと高ドープ半導体導電層（配線）４１との間に形成された保護層としてのアルミニウム層４４ｂと、からなる磁性積層膜を挙げることができる。
【００９０】
ここで、アルミニウム層４４ｂは、高ドープ半導体導電層（配線）４１上に磁性積層膜４４を作製後、カーボンナノチューブを成長させるためのＣＶＤ法を行う際の温度上昇によるコバルト層４４ａのシリサイド化を防止し、コバルト層４４ａを保護するために設けられている。なお、この保護層であるアルミニウム層４４ｂは、導電性磁化固定層としてのコバルト層４４ａを覆うように形成しても良い。
【００９１】
さらに、アルミニウム層４４ｂは、該アルミニウム層４４ｂと高ドープ半導体導電層（配線）４１との間にショットキーダイオードを形成させる役目も持っており、このショットキーダイオードは、以下の観点から重要である。すなわち、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ同士の接触の時に印加する電圧に対してカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間に電流が流れないようにするためである。これは、印加した電圧に対してスピン注入が起きると、磁性体粒子１３ａ、１３ｂが接触した瞬間に磁化がそろってしまい、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ同士の接触状態を保持させることができなくなってしまうからである。
【００９２】
そのためには、接触のために印加する電圧においてカーボンナノチューブ間を流れる電流密度が、スピン注入に必要となる電流密度以下となるように、導電層４３、磁性積層膜４４間の抵抗を設定する、またはダイオードを挿入する必要がある。これによりスイッチ素子は動作可能となる。
【００９３】
しかしながら、このスイッチ素子２のように、ショットキーダイオードを、磁性積層膜４４と高ドープ半導体導電層（配線）４１との間に作りこめば、印加する電圧の幅を広げることが可能となるだけでなく、スイッチ素子自体を小型化することも可能であり、非常に有用である。さらには、磁性積層膜４４中の磁性層としてたとえばコバルト層４４ａを作製することにより、ＣＶＤ法に用いる触媒としても利用することが可能であり、作製上も有用となる。また、このスイッチ素子をメモリ素子として集積する際に、選択素子として利用することも可能となり、工業的にも重要である。
【００９４】
本実施の形態においても、図７−１、図７−２に従い、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士が接触している状態を「１」の状態、離れた状態を「０」の状態と定義する。また、「１」の状態にすることを「入力」と定義し、「入力」を行う電圧を「Ｖ1」とすれば、いうまでも無く、Ｖ1＞Ｖthを満足しなければならない。一方、「０」の状態にすることを「消去」と定義し、「消去」を行う電圧を「Ｖ2」で表す。
【００９５】
また、本実施の形態にかかるスイッチ素子２の場合には、上述したように磁性積層膜４４と高ドープ半導体導電層（配線）４１の間にショットキー接合が形成されているので、ショットキー障壁の高さより高い消去電圧Ｖ2を印加する必要がある。通常、アルミニウム層と１０19程度の不純物ドープを行ったシリコン層との間のショットキー接合であれば、ショットキー障壁の高さは０．４ｅＶ程度になると考えられる。したがって、このスイッチ素子２においては、同様の条件の場合にはＶ2はおおよそ０．４Ｖ以上に設定されるべきである。
【００９６】
上述した本実施の形態にかかるスイッチ素子によれば、上述した第１の実施の形態にかかるスイッチ素子と同様に、カーボンナノチューブの高い機械的強度を利用しているため、カーボンナノチューブの接触引き離しの繰り返し動作に対して高い耐久性を有し、耐久性に優れたスイッチ素子が実現されている。
【００９７】
また、本実施の形態にかかるスイッチ素子によれば、上述した第１の実施の形態にかかるスイッチ素子と同様に、導電層間に電位差を生じさせることによりカーボンナノチューブに生じる静電引力の他に、磁性体粒子間に働く磁気双極子モーメント相互作用を利用してスイッチのオン、オフ（カーボンナノチューブの接触、離間）の動作切り替えを行うため、確実にスイッチ動作を行うことができる。
【００９８】
また、本実施の形態にかかるスイッチ素子によれば、上述した第１の実施の形態にかかるスイッチ素子と同様に、電極を基板に配置する構成とされており、３次元的に電極を配置する必要がないため、簡略な構造でスイッチ素子を構成することができる。そして、このスイッチ素子によれば、素子を小さくする場合においても、最少で２本のカーボンナノチューブによりスイッチ素子を構成することが可能であり、また均一なカーボンナノチューブの束を作製する必要がなく、任意の構造を有するカーボンナノチューブを用いることができるため生産性に優れたスイッチ素子が実現されている。さらに、このスイッチ素子によれば、少ない本数のカーボンナノチューブで構成可能であるため、電極と接触させるための駆動電圧が小さく設定可能であり、駆動電圧の上昇に起因した素子特性自体の劣化が効果的に防止することができる。
【００９９】
また、このスイッチ素子によれば、カーボンナノチューブ１２の一端と基板１１の間に作製された導電層として、導電性を有するとともに磁化方向が固定されている導電性磁化固定層を有する磁性積層膜をそなえる。これにより、カーボンナノチューブの接触、引き離しの繰り返しを行う際の誤動作確率を低減することが可能である。
【０１００】
また、このスイッチ素子によれば、磁性積層膜と高ドープ半導体導電層（配線）との間にショットキーダイオードが形成されているため、印加する電圧の幅を広げることが可能となるだけでなく、スイッチ素子自体を小型化することも可能である。また、このスイッチ素子をメモリ素子として集積する際に、選択素子として利用することも可能となり、専用の選択素子が不要となり、メモリ素子の構成の簡略化、小型化が実現できる。
【０１０１】
したがって、本発明にかかるスイッチ素子によれば、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたスイッチ素子を提供することができる、という効果を奏する。
【０１０２】
つぎに、上述したような本実施の形態にかかるスイッチ素子２の製造方法について説明する。
【０１０３】
＜基板の作製＞
まず、図８−１に示すように、基板１１としてのたとえばシリコン基板を用意し、該シリコン基板にインプラで不純物を５×１０19ｃｍ-3程度に導入し、高ドープ半導体導電層（配線）４１を形成する。このときのインプライオン種としては、たとえばＡｓ（ヒ素）を用いる。つぎに、図８−２に示すように、高ドープ半導体導電層（配線）４１上に絶縁層４２としてたとえばシリコン酸化膜を形成する。
【０１０４】
つぎに、既存のエッチング技術により所定の間隔および深さで絶縁層４２の除去を行い、図８−３に示すように、導電層４３を形成するための領域（溝部）５１を形成する。そして、該領域（溝部）５１に導電層材料としてたとえばアルミニウム（Ａｌ）を埋め込んで、図８−４に示すように導電層４３を形成する。つぎに、第１の実施の形態の場合と同様に触媒金属としてたとえばコバルト微粒子をネガ型レジストに混入し、該コバルト微粒子を含んだネガ型レジストを絶縁層４２および導電層４３上に塗布する。
【０１０５】
その後、既存の写真製版技術およびエッチング技術によりレジストをパターニングし、該パターニングされたレジストパターン５２をマスクとして導電層４３間の所定の領域の絶縁層４２の除去を行って、図８−５に示すように磁性積層膜４４を形成するための領域（溝部）５３を形成する。
【０１０６】
さらに、既存の技術により、アルミニウムとコバルトをこの順で堆積し、図８−６に示すように領域（溝部）５３に保護層としてのアルミニウム層４４ｂと、導電性磁化固定層としてのコバルト層４４ａと、が積層された磁性積層膜４４を形成する。
【０１０７】
その後、加熱処理を行うことによって図８−７に示すようにレジストパターン５２中においてコバルト微粒子を凝集させ、直径を制御し、所定の直径を有する触媒金属粒子としてコバルト粒子５４を形成する。そして、不要なコバルト層、アルミニウム層およびレジストパターン５２を既存のエッチング技術により除去することで、図８−８に示すように基板１１上にたとえば直径１５ｎｍ程度のコバルト粒子５４が配置される。これにより、基板１１上に於ける配置位置および直径が制御されて配置された触媒金属微粒子である磁性体粒子を備えた基板が形成されたことになる。
【０１０８】
＜カーボンナノチューブの成長＞
つぎに、第１の実施の形態の場合と同様に、たとえば図６に示したＣＶＤ装置を用いてＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる。すなわち、石英管などから構成された反応炉３１の内部に上記の基板１１を設置し、反応炉に設けられた原料ガス導入口３２より原料ガスとしてたとえばエタノールのガスを流すとともに排気口３３から排気を行いながら、ヒータ３４により基板１１を加熱する。
【０１０９】
このときのカーボンナノチューブ１２の成長方向は、成長方向に所定の電圧、たとえば２００Ｖを印加することで制御可能である。このとき、基板１１は陰極側に配置される。基板１１は分解したエタノールガスに対して負にバイアスされ、電界の方向にカーボンナノチューブが成長することになる。
【０１１０】
以上により、成長核であるコバルト粒子５４の直径と略同等の直径を有する複数のカーボンナノチューブ１２が基板１１表面に垂直に成長し、図７−１に示すような本実施の形態にかかるスイッチ素子を形成することができる。
【０１１１】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態においては、本発明にかかるメモリ素子について説明する。本実施の形態にかかるメモリ素子は、第２の実施の形態にかかるスイッチ素子２を複数配列することによって構成されている。したがって、本実施の形態にかかるスイッチ素子においても、基本的な動作原理、設計原理は第１の実施の形態の場合と同様である。
【０１１２】
図９および図１０は、本実施の形態にかかるメモリ素子を示す図であり、図９は本実施の形態にかかるメモリ素子の構成を示す断面図であり、図１０は本実施の形態にかかるメモリ素子の基板を上から見たときの上面図である。なお、理解の容易のため、第１の実施の形態および第２に実施の形態にかかるスイッチ素子１およびスイッチ素子２と同様の部材については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１１３】
上述した本実施の形態にかかるメモリ素子によれば、上述した第２の実施の形態にかかるスイッチ素子２を複数配列することにより構成されるため、上述した第２の実施の形態にかかるスイッチ素子２の有する効果を備えたメモリ素子が実現されており、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、カーボンナノチューブを用いたメモリ素子が実現されている。
【０１１４】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態においては、第１の実施の形態にかかるスイッチ素子１を応用して構成した磁気抵抗効果素子について説明する。したがって、本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子においても、基本的な動作原理、設計原理は第１の実施の形態の場合と同様である。
【０１１５】
図１１は、本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子３の構成を示す断面図である。図１１に示すように、本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子３は、外部磁場を検出する磁気抵抗効果素子であって、基板１１と、基板１１上に立設された一対のカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂと、各カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの先端に配置された磁性体粒子１３ａ、１３ｂと、各カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの基端と基板１１との間に形成された一対の導電層１４ａ、１４ｂと、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間を埋めるとともに磁性体粒子１３ａ、１３ｂが接触した状態で固定する絶縁層６１と、を備えて構成される。
【０１１６】
なお、理解の容易のため、第１の実施の形態にかかるスイッチ素子１と同様の部材については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。また、本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子においては、磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間は非常に薄い絶縁層６１により埋められているが、図１１においては磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間の絶縁層６１の存在をわかりやすくするために磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間を比較的広めに記載している。
【０１１７】
以上のように構成された本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子３は、導電層１４ａ、１４ｂ間に電流を流すことによって外部磁場を感知することを特徴としている。この磁気抵抗効果素子３においては、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士の間を埋めた絶縁層６１を介して磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間を流れるトンネル電流が外部磁場に対して変化する（磁気抵抗変化を生じる）という原理に基づき、センシングを行う。すなわち、磁気抵抗効果素子３近傍の外部磁場が変化すると磁性体粒子１３ａ、１３ｂ間を流れるトンネル電流が変化するため、このトンネル電流の変化を検知することにより磁場の変化を検出することができる。これにより、この磁気抵抗効果素子によれば、微細で、且つ、非常に高い磁気抵抗比が得られる磁気抵抗効果素子を実現することが可能である。
【０１１８】
上述した本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子によれば、上述した第１の実施の形態にかかるスイッチ素子２を複数配列することにより構成されるため、上述した第１の実施の形態にかかるスイッチ素子１の有する効果を備えた磁気抵抗効果素子が実現されており、素子の小型化による特性の劣化が簡略な構造により防止された、また、微細で、且つ、非常に高い磁気抵抗比が得られる、カーボンナノチューブを用いた磁気抵抗効果素子が実現されている。
【０１１９】
上述したような本実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子３は、実施の形態１にかかるスイッチ素子においてカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士が所定の間隔で引きつけあった状態で、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂおよび磁性体粒子１３ａ、１３ｂを絶縁体材料により固定することにより形成することができる。
【０１２０】
上記では、カーボンナノチューブ２本より構成される場合を示したが、複数本のカーボンナノチューブの束を用いても良い。
【実施例】
【０１２１】
以下、具体的な実施例により本発明をより詳細に説明する。なお、以下の図面においては、理解の容易のため上述した第１の実施の形態〜第４の実施の形態において用いた図面の符号を用いる。
【０１２２】
（実施例１）
＜実施例１のスイッチ素子の作製＞
実施例１では、上述した実施の形態１にかかるスイッチ素子に対応するスイッチ素子を上記において説明した方法に従ってスイッチ素子を形成した。まず、基板（シリコン基板）１１上に、インプラで不純物を５×１０19ｃｍ-3程度に導入した高ドープ半導体導電層（配線）４１を厚さ３０ｎｍ、ｘ方向に幅１５ｎｍ、間隔１５ｎｍで作製した。このときのインプライオン種としてＡｓ（ヒ素）を用いた。つぎに、その上に絶縁層４２として厚み２０ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。
【０１２３】
つぎに、４５ｎｍ間隔で深さ１０ｎｍまで既存のエッチング技術で除去を行い、導電層形成用の溝を形成し、図１２に示すようにスパッタリング法により該溝部にアルミニウム層を形成することで導電層４３を形成した。つぎに、触媒金属原料としてコバルト微粒子を用意し、該コバルト微粒子をネガ型レジストに混入する。そして、該コバルト微粒子を含んだネガ型レジストを、導電層４３を形成した基板１１上に塗布し、さらに電子線露光・現像を行うことにより図１３に示すように微細なレジストパターン５２を形成した。その後、図１３に示すように不要な絶縁層４２（シリコン酸化膜）を既存のエッチング技術により除去した。
【０１２４】
さらに、図１４に示すように絶縁層４２（シリコン酸化膜）を除去した領域に膜厚２０ｎｍのアルミニウム層をスパッタ法によって形成し、アルミニウム層４４ｂを形成した。その後、加熱処理によって微細レジストパターン５２中にコバルト微粒子を凝集させ、レジストパターン５２を既存のエッチング技術により除去することで、基板１１上に直径１５ｎｍ程度のコバルト粒子を配置した。
【０１２５】
つぎに、図６に示したＣＶＤ装置を用いて上記の基板１１上にカーボンナノチューブを成長させた。すなわち、石英管などから構成された反応炉３１の内部に上記の基板１１を設置し、反応炉に設けられた原料ガス導入口３２より原料ガスとしてエタノールのガスを流すとともに排気口３３から排気を行いながら、ヒータ３４により基板１１を加熱した。
【０１２６】
ここで、基板１１の加熱温度は５００℃とし、気相成長を１分間行った。このときのカーボンナノチューブの成長方向は、成長方向に電圧を印加することで制御した。このとき、基板１１を陰極側に配置することで基板１１は分解したエタノールガスに対して負にバイアスされ、電界の方向にカーボンナノチューブが成長することになる。
【０１２７】
以上により、成長核であるコバルト粒子の直径と略同等の直径を有する複数のカーボンナノチューブ１２を基板１１表面に垂直に成長させ、図１５に示すようなカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂを有してなる実施例１にかかるスイッチ素子を形成した。
【０１２８】
そして、作製したスイッチ素子について、成長したカーボンナノチューブ１２の長さが約１００ｎｍでほぼ均一になっている点、および、コバルト粒子がカーボンナノチューブの先端に配置されている点を、ＴＥＭ観察により確認した。
【０１２９】
なお、本実施例１にかかるスイッチ素子と後述する実施例２にかかるスイッチ素子との違いは、一方のカーボンナノチューブ１２ｂの下部に磁化方向が固定されているコバルト層が形成されているか否かという点である。
【０１３０】
また、カーボンナノチューブを成長させる前に、高ドープ半導体導電層（配線）４１とアルミニウム層４４ｂとの間に良好なショットキー接合が形成されているかどうか確認するため、高ドープ半導体導電層（配線）４１とアルミニウム層４４ｂに電極を取って、電流電圧特性を測定した。測定結果を図１６に示す。高ドープ半導体導電層（配線）４１は５×１０19ｃｍ-3の高ドープを行っているため、ショットキー接合はオーミック的になっていることがわかる。すなわち、電流密度は０．４２Ｖ程度の低い電圧から急激に立ち上がり、１Ｖ付近で２．０×１０6Ａ／ｃｍ2の電流密度にまで達していることが分る。
【０１３１】
＜実施例１のスイッチ素子の動作確認＞
本実施例では、外径１５ｎｍ程度のコバルト粒子を用いて、１００ｎｍ程度の長さを有するカーボンナノチューブを作製した。したがって、この作製条件は、図４に示したように接触させたカーボンナノチューブ同士を磁気双極子モーメント相互作用によって保持することが可能な外径の条件である「ａ１〜ａ２」の範囲に属していると考えられる。そこで、入力電圧Ｖ1を１．５Ｖ、消去電圧Ｖ2を１Ｖに設定することにした。
【０１３２】
また、０．４５Ｖ（＝Ｖ3）の電圧をスイッチ素子に印加した時に、電流が流れるかどうかによって、スイッチ素子の状態を読み込んだ。ショットキー接合の電流電圧特性の測定結果では、０．４５Ｖにおける電流密度は１０5Ａ/ｃｍ2以下であるので、この電圧を印加することによってスピン注入が起こらないと考えられる。また、この電圧はＶthよりも小さいので、この電圧を印加することによって、カーボンナノチューブ同士が接触せず、スイッチ素子自体の状態を壊すことはないと考えられる。
【０１３３】
まず、作製したスイッチ素子全体に磁場を印加し、図１５に示したように、カーボンナノチューブの先端に付いたコバルト粒子の磁化を揃えた。さらに、図１５に示した左側のカーボンナノチューブ１２ａに関しては導電層４３（アルミニウム層）を、右側のカーボンナノチューブ１２ｂ（アルミニウム層）に関しては高ドープ半導体導電層（配線）４１を配線として利用し、電圧を印加した。
【０１３４】
最初に、消去電圧Ｖ2を印加し、スイッチが開いた状態にした後に入力を行った。入力を行った後に読み込みを行ったところ、０．２μＡの電流を観測し、スイッチ素子が閉じた状態になっていることを確認することができた。さらに、入力電圧を下げて同様の実験を行ったところ、０．５２Ｖ以下の電圧では、スイッチが開いたままになることが分かった。すなわち、Ｖth＝０．５２Ｖであり、Ｖ1およびＶ2の設定に問題がないことが確認された。
【０１３５】
つぎに、消去を行った後に読み込みを行ったところ、電流は流れず、スイッチ素子が開いた状態になっていることを確認することができた。このことにより第１の実施の形態に係るスイッチ素子の正当性を確認することができた。しかしながら、入力と消去の繰り返しを１００００回以上行ったところ、入力したにもかかわらずスイッチ素子が開いた状態になっている場合があることが分った。これは、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂの先端に配された磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂのどちらも磁化方向を固定していないので、スピン注入による消去を繰り返し行っているうちに、磁化方向が直交する方向へ向いてしまい、磁気双極子モーメント相互作用による保持力が弱まってしまったと考えられる。
【０１３６】
（実施例２）
＜実施例２のスイッチ素子の作製＞
実施例２では、上述した第２の実施の形態にかかるスイッチ素子に対応するスイッチ素子を実施例１と同様にして形成した。なお、本実施例にかかるスイッチ素子の製造においては、図１７に示すように高ドープ半導体導電層（配線）４１上に絶縁層４２として厚み２０ｎｍのシリコン酸化膜を形成した（実施例１では２０ｎｍ）。また、絶縁層４２（シリコン酸化膜）を除去した領域に保護層として膜厚１０ｎｍのアルミニウム層４４ｂと、磁化方向が固定されている導電性磁化固定層として膜厚２０ｎｍのコバルト層４４ａと、をスパッタ法によって形成した。これにより、図１８に示すようなカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂを有してなる実施例２にかかるスイッチ素子を形成した。
【０１３７】
なお、本実施例２にかかるスイッチ素子と前述の実施例１にかかるスイッチ素子との違いは、一方のカーボンナノチューブ１２ｂの下部に磁化方向が固定されているコバルト層が形成されているか否かという点である。
【０１３８】
また、実施例１の場合と同様に、カーボンナノチューブを成長させる前に、高ドープ半導体導電層（配線）４１とコバルト層４４ｂとの間に良好なショットキー接合が形成されているかどうか確認するため、高ドープ半導体導電層（配線）４１とコバルト層４４ｂに電極を取って、電流電圧特性を測定したところ、実施例１の場合と同様に結果が得られた。
【０１３９】
＜実施例２のスイッチ素子の動作確認＞
一方、作製した実施例２のスイッチ素子に関しても実施例１と同様の実験を行った。入力後に流れる電流は、実施例１のスイッチ素子とほぼ同等であり、スイッチ動作の正常性を十分確認することができた。さらに、入力と消去の繰り返しを１００００回以上行っても誤動作することがないことが確認された。これは、消去を行う際に、磁化方向が固定されたコバルト層４４ｂからスピン注入されるため、消去の際にコバルト粒子の磁化方向をそろえることができ、つぎに入力を行っても、同じ面内で磁化の反転が起きていると考えられる。このため、磁気双極子モーメント相互作用による保持力も低下しないと結論付けられた。このことにより第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の有効性を確認することができた。
【０１４０】
さらに、この実験により、磁性体粒子（触媒粒子）の磁化方向のピン止めを強くすれば、誤動作確率の低減につながるという結論が得られた。そして、実施例１のスイッチ素子の改善するために、磁性体粒子（触媒粒子）としてコバルト粒子の代わりに保持力の強い鉄粒子を用いて実験を行ったところ、１００００回以上の繰り返しに対しても誤動作しないことが確認された。
【０１４１】
（実施例３）
＜実施例３のスイッチ素子の作製＞
実施例３では、上述した実施の形態３にかかるメモリ素子に対応するメモリ素子として、上記の実施例２のスイッチ素子を図９、図１０に示すように複数配列することによってメモリ素子を構成した。
【０１４２】
＜実施例３のメモリ素子の動作確認＞
実施例２のスイッチ素子を、スイッチおよびダイオードの記号で表すと、図１９に示すような等価回路によって、メモリ素子を表すことが可能である。ただし、Ｖ4＝０．５Ｖである。このとき、図１９に示す様な電圧を、特定のセルＳへの入力、消去、読み込みをするために印加することによって、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）として動作することを確認することができた。
【０１４３】
（実施例４）
＜実施例４の磁気抵抗効果素子の作製＞
実施例４では、上述した第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子に対応する磁気抵抗効果素子を以下に示す方法により作製した。
【０１４４】
実施例１にかかるスイッチ素子と同様にして、基板１１との間に導電層１４ａ、１４ｂとしてアルミニウム層を形成し、先端にコバルト粒子が配されたカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂを２本作製した。実施例１にかかるスイッチ素子とは、高ドープ半導体導電層（配線）４１を備えないため、高ドープ半導体導電層（配線）４１との間にショットキー接合を形成していない点と、両方のカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂともにアルミニウム層を配線として用いている点で異なっている。
【０１４５】
そして、実施例１にかかるスイッチ素子と同様、電位差０．６Ｖ（＞Ｖth）を、両方のアルミニウム層（導電層１４ａ、１４ｂ）間に印加すると、二つのカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させることが可能なことを、最初に確認した。その後、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間を埋める絶縁層の作製を行った。絶縁層としては酸化チタン（ＴｉＯ2）を用いた。
【０１４６】
実施例４の磁気抵抗効果素子に関しては、以下のゾルゲル法を用いて絶縁層６１を形成した。まず、市販のテトライソプロポキシチタン（１５．０ｇ）、アセチル酢酸エチル（２０．０ｇ）、水（２．５ｇ）の混合物を６０℃で１時間加熱後急冷し、アセチル酢酸エチル（２０．０ｇ）を加えてゾル液を合成した。その後、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間に電圧０．６Ｖを印加し、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させた状態で、上記ゾル溶液を塗布し、酸化を防ぐためにアルゴン雰囲気中で、１６０℃の加熱温度で２分間の乾燥を行った。そして、乾燥後の塗布厚が３００ｎｍになるように調整した。
【０１４７】
その後、さらに、３００℃まで加熱温度を上げて、１０分間の乾燥を行い、生成した絶縁層６１である酸化チタン（ＴｉＯ2）でカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間を埋めた。カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ同士を接触させて上記作業を行ったのは、塗布した時にゾル溶液がカーボンナノチューブおよびコバルト粒子間に自然に染み込み、磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂ間に非常に薄い絶縁層６１を作製することが可能となるからである。
【０１４８】
以上の方法により、図２０に示す実施例４にかかる磁気抵抗効果素子を作製した。なお、図２０においては、磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂ間の絶縁層６１の存在をわかりやすく示すために磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂ間を比較的広めに記載している。
【０１４９】
＜実施例４の磁気抵抗効果素子の動作確認＞
上記のようにして作製した実施例４の磁気抵抗効果素子に対して、外部磁場を変化させた時の電流変化を測定した結果を図２１に示す。図２１において電流が最も低い時には、磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂ同士の磁化が、磁気双極子モーメント相互作用により逆向きになっていると考えられる。さらに、磁場を強めると、外部磁場の方向へ磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂの磁化が揃うために、磁性体粒子（コバルト粒子）１３ａ、１３ｂ間のトンネル確率が上昇し、電流が増大すると説明することができる。電流値が最大となる時と最小になる時の比を計算すると、１００％以上の磁気抵抗比が得られたことが分かった。これにより、微細で、且つ、非常に高い磁気抵抗比が得られる磁気抵抗効果素子を実現することができ、第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の有効性を確認することができた。
【０１５０】
（実施例５）
＜実施例５の磁気抵抗効果素子の作製＞
実施例５では、上述した第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子に対応する磁気抵抗効果素子を実施例４と同様にして作製した。なお、本実施例にかかる磁気抵抗効果素子の製造においては、絶縁層６１として、酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用いた。また、ゾル溶液を、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）１５ｇ、１−ブタノール（５．０ｇ）、２−プロパノール（１５．０ｇ）、水（５．０ｇ）、硝酸（０．０６ｇ）の混合物を６０℃で１時間加熱後、急冷し、２−プロパノール（５．０ｇ）、２−ブタノール（１５．０ｇ）を加え、合成した。後は実施例４と同様の作業を行い、カーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂ間を酸化シリコン（ＳｉＯ2）で埋めた。これにより、図２０に示すようなカーボンナノチューブ１２ａ、１２ｂを有してなる実施例５にかかる磁気抵抗効果素子を形成した。
【０１５１】
＜実施例５の磁気抵抗効果素子の動作確認＞
上記のようにして作製した実施例５の磁気抵抗効果素子について、実施例４と同様に、磁気抵抗比の測定を行ったところ、５０％程度の値が得られ、実施例４の磁気抵抗効果素子と比較すると劣ることが分かった。これは、酸化チタン（ＴｉＯ2）と比較して、酸化シリコン（ＳｉＯ2）の方が、コバルトに対してバンド不連続が大きいために、トンネル確率の磁化依存性が小さくなったと推察される。このことにより、実施例４および実施例５で作製した磁気抵抗効果素子では、トンネル現象が支配的であることを確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
以上のように、本発明にかかるスイッチ素子は、高品質および小型化が要求される電子デバイス分野に用いるスイッチ素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１−１】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１−２】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の動作状態を説明する断面図である。
【図２】一方を固定したカーボンナノチューブをたわます場合の条件を説明する概略図である。
【図３】カーボンナノチューブの径方向における断面図である。
【図４】カーボンナノチューブ間に働く力とカーボンナノチューブの外径との関係を示した特性図である。
【図５−１】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図５−２】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図５−３】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図５−４】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する上面図である。
【図５−５】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する上面図である。
【図５−６】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する上面図である。
【図５−７】本発明の第１の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する斜視図である。
【図６】カーボンナノチューブの成長に用いるＣＶＤ装置の反応炉の構成の一例を模式的に示す図である。
【図７−１】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の概略構成を説明する断面図である。
【図７−２】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の動作状態を説明する断面図である。
【図８−１】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−２】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−３】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−４】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−５】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−６】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−７】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図８−８】本発明の第２の実施の形態にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態にかかるメモリ素子の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかるメモリ素子を上から見た上面図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明の実施例１にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図１３】本発明の実施例１にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図１４】本発明の実施例１にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図１５】本発明の実施例１にかかるスイッチ素子の概略構成を説明する断面図である。
【図１６】本発明の実施例１にかかるスイッチ素子の基板に形成されたショットキー接合の電流電圧特性（電流電圧）の測定結果を示す特性図である。
【図１７】本発明の実施例２にかかるスイッチ素子の製造方法を説明する断面図である。
【図１８】本発明の実施例２にかかるスイッチ素子の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図１９】本発明の実施例３にかかるメモリ素子の等価回路を示す図である。
【図２０】本発明の実施例４にかかる磁気抵抗効果素子の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図２１】本発明の実施例４にかかる磁気抵抗効果素子における磁場と電流との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１５４】
１  スイッチ素子
２  スイッチ素子
３  磁気抵抗効果素子
１１  基板
１２  カーボンナノチューブ
１２ａ  カーボンナノチューブ
１２ｂ  カーボンナノチューブ
１３  磁性体粒子
１３ａ  磁性体粒子
１３ｂ  磁性体粒子
１４  導電層
１４ａ  導電層
１４ｂ  導電層
２１  溝部
２２  ネガ型レジスト
２３  レジストパターン
２４  コバルト粒子
３１  反応炉
３２  原料ガス導入口
３３  排気口
３４  ヒータ
４１  高ドープ半導体導電層（配線）
４２  絶縁層
４３  導電層
４４  磁性積層膜
４４ａ  コバルト層
４４ｂ  アルミニウム層
５１  溝部
５２  レジストパターン
５３  溝部
５４  コバルト粒子
６１  絶縁層
ａ  カーボンナノチューブの外径
ｂ  カーボンナノチューブの内径
Ｍ  磁化
Ｍ１  磁化方向
Ｍ２  磁化方向
Ｓ  セル
Ｔ  カーボンナノチューブ
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
2007049084.tif 000016
【図５−３】
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【図５−４】
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【図５−５】
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【図５−６】
2007049084.tif 000020
【図５−７】
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【図６】
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【図７−１】
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【図７−２】
2007049084.tif 000024
【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図８−４】
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【図８−５】
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【図８−６】
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【図８−７】
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【図８−８】
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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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