(57)【要約】【課題】  三端子型磁気抵抗効果素子に関し、一次元線状巨大磁気抵抗素子の特性や磁壁の移動を外部から制御する。【解決手段】  第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを設ける。【選択図】          図１
2012019073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と
を有する三端子型磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記非磁性体層の膜厚の変化が、テーパ状に単調変化する請求項１に記載の三端子型磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで情報を記憶する三端子型磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御した状態で外部磁場を検出する三端子型磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することでインピーダンス整合を行う三端子型磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、
前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、
前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで発振を行う三端子型磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電極に印加するゲート電極により磁壁ポテンシャルの形状を制御する三端子型磁気抵抗効果素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性メモリとして期待されている磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や磁気シフトレジスタ、トランスなどでは、磁化反転をどのように制御するかが重要な課題になっている。
【０００３】
磁化反転機構としては、回転磁化と磁壁移動という２つの過程がある。回転磁化は、磁気モーメントが印加された磁場方向に磁化反転する過程である。一方、強磁性体は、通常、磁気構造を安定に保つために磁区構造を形成していることが多い。
【０００４】
磁区構造は、磁区と磁壁という領域から成り立っている。ここで、磁区とは、磁気モーメントが同じ方向に揃った領域であり、磁壁とは隣接する磁区の間に存在する磁気モーメントの空間的な遷移領域である。磁化が反転するとは、磁壁が移動することによっても実現する。磁化反転を制御するとは、回転磁化と磁壁移動のどちらか、あるいは両方を制御することになる。
【０００５】
磁化反転を制御することができれば、スイッチやインピーダンス変化が起きるため、様々な素子への応用が期待される。磁化反転の様々な制御や素子応用について、例えば、強磁性／非磁性／強磁性という多層構造を作製することで、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ： ＧＭＲ効果）が起きることがグリュンベルグ、フェルトらによって発見され（例えば、非特許文献１或いは非特許文献２参照）、わずか１０年でハードディスク（ＨＤＤ）の読み取りヘッドとして応用され、ハードディスクの記録密度を何億倍と向上させることに成功した。
【０００６】
ＭＲＡＭという新しい素子も、基本的には巨大磁気抵抗効果による原理が基礎になっている。この巨大磁気抵抗効果は、巨大な磁気抵抗だけではなく、非磁性層を挟んだ強磁性層に対して、層間結合という効果を発揮する。層間結合のほうが、むしろ巨大磁気抵抗効果の原理になっている。
【０００７】
層間結合は、２つの強磁性層を平行・反平行状態にする力を有しており、非磁性層の厚みによって、その大きさを変えることが発見された。非磁性層の厚みによって、強磁性層の磁気状態を制御できることが分かったので、それと反強磁性体との組み合わせを利用して、強力な磁化固着層を形成できるようになった。しかし、磁壁移動を制御することは報告されていない。
【０００８】
磁壁を用いたシフトレジスタやＭＲＡＭには、磁壁を人工的にピン（留める）あるいはデピン（留めない）させる機構が必要不可欠である。そこで、よく用いられる方法としては、静磁エネルギーの変化を用いた手法である。
【０００９】
静磁エネルギーは、磁性体の形状を操作することによって、古典的な電磁気のエネルギーから計算されるエネルギーである（例えば、特許文献１参照）。例えば、図５のような形状を操作する手法では、磁壁構造が途中で変化したり、電流による磁壁駆動を行う際に線幅が細くなった領域で電流集中によるジュール加熱などで細線が切れてしまう虞がある。
【００１０】
また、静磁エネルギーは、作製時の水平面における加工精度に大きく依存する。このような強磁性体そのものの形状操作による磁壁移動の制御は、信頼性を低下させるばかりか製造や素子構造の作りこみが難しいなど困難なことが多い。
【００１１】
現在、磁性体を用いた不揮発性メモリは、書き込み技術に電流を用いる点で、書き込み耐性や反応速度、省エネ化という点で問題があり、ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）を置き換えるまでは至っていない。
【００１２】
それに対して、本発明者は巨大磁気抵抗効果素子を構成する非磁性層の厚さを非対称にすることによって、対向する強磁性層間に働く磁気的な層間結合力が膜厚により振動する可能性を提案している（例えば、非特許文献３或いは非特許文献４参照）。
【００１３】
巨大磁気抵抗効果を呈する強磁性（Ｆ１）／非磁性（Ｎ）／強磁性（Ｆ２）複合多層膜は、Ｎ層膜厚によって、Ｆ１とＦ２が自発的に平行・反平行状態をとることがよく知られており、この結合はｓｉｎ（ｋＦｔＮ）／ｋＦｔＮに比例すると言われている。ここでｋＦとｔＮはＮ層のフェルミ波長（フェルミ面の形状によって変化する）と膜厚である。
【００１４】
その結果、Ｆ１層とＦ２層の間に働く磁気的な層間結合力は、Ｎ層の膜厚によって図６のように振動する。今、Ｆ２層の磁化方向を一定にして、Ｆ１層の磁化反転を行うと、Ｆ１層内では磁壁（ＤＷ）と呼ばれる磁気モーメントの方向遷移領域が移動する。
【００１５】
この時、磁壁（ＤＷ）は層間結合の空間変化によって生まれた振動ポテンシャルの井戸内に閉じ込められることになる。図６のような位置に磁壁がある場合、熱揺らぎが十分小さく、そこに交流磁場等の対称な外部入力があると、磁壁は障壁ポテンシャルの小さい方向にのみ移動すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際公開パンフレット  ＷＯ  ２００６／０４６５９１
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｇｒｕｎｂｅｒｇ，Ｐ．ｅｔ．ａｌ．， Ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｆｏｒ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ Ｆｅ Ｌａｙｅｒｓ ａｃｒｏｓｓ Ｃｒ Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｓ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５７，２４４２−２４４５（１９８６）
【非特許文献２】Ｂａｉｂｉｃｈ，Ｍ．Ｎ．ｅｔ．ａｌ．，Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｆ（００１）Ｆｅ／（００１）Ｃｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ.６１，ｐｐ．２４７２−２４７５（１９８８）
【非特許文献３】物理学会講演予稿集  ｐ．４０４，１８ａＰＳ−１３  （２００７）
【非特許文献４】物理学会講演予稿集  ｐ．３１８，２３ａＰＳ−１８  （２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明者等は上述の非磁性層は非対称な巨大磁気抵抗効果素子について、鋭意研究を進めた結果、非磁性層の膜厚が勾配をもつ非磁性層を挟んだ多層膜中を進行する磁壁の移動が非対称的なラチェット運動をすることを発見した。このラチェット効果は、強磁性細線中を移動する磁壁にとっては力として作用することから、非磁性層中に形成された量子干渉効果によるポテンシャルエネルギーの空間微分によって発現していると考えられる。
【００１９】
特性がよく分かっているＦｅ１９Ｎｉ８１Ｆｅ／Ａｕ／Ｆｅ１９Ｎｉ８１について磁気抵抗効果のＡｕ膜厚依存性を測定した。磁気抵抗効果の測定は、磁気抵抗比と反転磁場がＡｕ層、即ち、Ｎ層膜厚の関数として振舞っているかを実験的に確認した。なお、磁気抵抗比（ＭＲ比）は、フリー層とピン層が平行と反平行の時の磁気抵抗をそれぞれＲＰ，ＲＡＰと記述すると、ＭＲ比は、〔（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ〕×１００％と記述できる。
【００２０】
図７は、実験に用いた試料形状の説明図であり、リフトオフ法を用いて、厚さが５０ｎｍのＦｅ１９Ｎｉ８１層４１上に非磁性体層として、厚さｄを異なった値にしたＡｕ層４２を設け、その上に厚さが１０ｎｍのＦｅ１９Ｎｉ８１層４３を積層したＦ１／Ｎ／Ｆ２構造を形成し、幅が５００ｎｍで長さが５００μｍの細線状試料を作製した。
【００２１】
図８は、ＭＲ比と反転磁場ＨｓのＡｕ層の膜厚依存性の説明図であり、図８（ａ）に示すようにＭＲ比はＡｕ層の膜厚の増加とともに振動している。なお、上図における組込図は、左図はＡｕ層の膜厚を３．７ｎｍにした場合のＭＲ比の外部磁場依存性であり、右図はＡｕ層の膜厚を５．５ｎｍにした場合のＭＲ比の外部磁場依存性である。
【００２２】
また、図８（ｂ）に示すように、Ｆｅ１９Ｎｉ８１層４３の反転磁場もＡｕ層の膜厚の増加とともに、ＭＲ比と同様な振動を示している。以上の結果を踏まえて非磁性層の膜厚を傾斜させた試料を作製した。
【００２３】
図９は、非磁性層の膜厚を傾斜させた試料の構成説明図であり、図９（ａ）は概念的斜視図であり、図９（ｂ）は概念的断面図である。試料は幅を１μｍとし、４端子測定のための電圧端子４４１,４４２との間の間隔を５ｍｍとし、その外側に電流端子４５１，４５２を設けている。また、一方の端部はテーパ状としている。なお、試料としては、直線導入による成膜時遮蔽板移動蒸着によってＡｕ層４２の膜厚が１ｎｍから１０ｎｍへと変化する試料１と、１ｎｍから５ｎｍに変化する試料２の２つの試料を作製した。
【００２４】
図９（ｃ）は、層間交換結合ポテンシャルの非磁性層膜厚依存性の概念図であり、層間結合距離、即ち、非磁性層の膜厚の変化が磁壁の運動に対して振動ポテンシャルとして作用していることを示したものである。Ｆｅ１９Ｎｉ８１層４１に磁壁４６が導入されると、振動ポテンシャルの極小値のところに閉じ込められることになる。
【００２５】
図１０は、作製した試料１における磁壁移動の測定結果の説明図であり、図１０（ａ）は、膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図であり、図１０（ｂ）は膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図である。
【００２６】
図１０（ａ）に示すように、膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合には、磁化の方向がいずれの場合もある値の外部磁場が印加されるまで磁壁の移動は起こらず、それ以上の外部磁界で磁壁の移動が急速に起こることを示している。
【００２７】
図１０（ｂ）に示すように、膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合には、磁化の方向がいずれの場合もある値の外部磁場が印加されるまで磁壁の移動は起こらず、それ以上の外部磁場を印加した場合には２段階の停止状態を示す階段状（ラチェット状）の変化を示す。このように、巨大磁気抵抗効果を細線に適用した場合は、Ｆｅ１９Ｎｉ８１層４３とＦｅ１９Ｎｉ８１層４１の磁化の方向が平行な場合には磁気抵抗は低抵抗になり、反平行である場合には、高抵抗になるので、磁気抵抗の変化が磁壁位置の情報にそのまま変換されることになる。
【００２８】
図１１は試料２について膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図であり、膜厚の傾斜が緩くなると、１段階の停止状態を示す階段状（ラチェット状）の変化を示す。
【００２９】
次に、比較のために膜厚が１３ｎｍで一定の試料について同様の実験を行った。図１２に示すように、どちらの方向に磁壁を移動させた場合にもラチェット効果を示さないことがわかる。
【００３０】
次に、解析的に現象を理解するために、図１３を参照して、既知の一次元の磁壁移動モデルに、交換結合を磁場に変換して、空間変調を行った磁場を導入した場合の計算結果を説明する。この一次元の磁壁移動モデルは、Ｘを磁壁の位置、φを磁壁中心にある磁気モーメントの細線面内からの立ち上がり角度（仰俯角）、Ｍｓを飽和磁化、γを回転磁気係数、Δを磁壁の幅、αをＧｉｌｂｅｒｔ減衰パラメータ、Ｈｅｘｔを外部磁場を含む実効磁場、Ｈｅｘを層間交換結合による実効磁場とすると、下記の式（１）及び式（２）の連立方程式であらわされる。
【数１】
2012019073.tif 000003
【００３１】
図１３（ａ）は、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合の磁壁の位置Ｘの外部磁場依存性の説明図であり、また、図１３（ｂ）は、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合の磁壁面からの仰俯角φの外部磁場依存性の説明図である。なお、また、図１３の組込図は解析モデルの構成説明図であり、図１３（ｂ）の組込図は、上述の図１３（ｃ）と同様の層間交換結合ポテンシャルの非磁性層膜厚依存性の説明図である。
【００３２】
図１３（ａ）に示すように、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合には、磁壁の位置ＸはＸ＝１ｍｍの位置（ポテンシャル井戸の深い位置）にとどまったままで、外部磁界が２０〔Ｏｅ〕以上になるとＸ＝１ｍｍの位置から移動を始める。
【００３３】
また、図１３（ｂ）に示すように、非磁性層の膜厚が増加する方向に磁壁を移動させた場合には、磁壁の移動に対応する仰俯角φは、外部磁場が２０〔Ｏｅ〕以上になるまでφ＝０°であり、磁壁が移動しないことを示している。
【００３４】
一方、図１３（ｃ）は、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合の磁壁の位置Ｘの外部磁場依存性の説明図であり、また、図１３（ｄ）は、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合の仰俯角φの外部磁場依存性の説明図である。
【００３５】
図１３（ｃ）に示すように、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合には、磁壁の位置Ｘは２段階で移動することを示している。また、図１３（ｄ）に示すように、非磁性層の膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合には、仰俯角φは、外部磁場が２０〔Ｏｅ〕以上になるまでの間に２段階のφ＝０°の停止状態が生じることを示している。これらの解析結果を、上記の図１０に示した実験結果と対比すると、理論と実験との良好な一致が見られた。
【００３６】
このような非磁性層の膜厚が傾斜した一次元線状巨大磁気抵抗効果素子は、磁壁の移動方向によりラチェット効果が現れるが、特性は、膜厚及び材質により規定されるため、外部的力により特性や磁壁の移動を制御することができないという問題がある。
【００３７】
したがって、本発明は、一次元線状巨大磁気抵抗効果素子の特性や磁壁の移動を外部から制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上記課題を解決するために、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有することを特徴とする。
【００３９】
このように、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けることによって、量子干渉性の境界条件をゲート電圧によって制御することができ、それによって、第２の強磁性体層中の磁壁が変化するので、この磁壁の位置の変化を抵抗値の変化とすることによって電界効果型トランジスタとして機能させることができる。
【００４０】
この場合の非磁性体層の膜厚の変化は、テーパ状に単調変化するものであっても或いは階段状に増減一方向に変化するものでも良いが、量子干渉性の境界条件の制御性を高めるためにはテーパ状であることが望ましい。
【００４１】
また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで情報を記憶することを特徴とする。
【００４２】
このように、第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御して情報を記憶することによって、メモリとして動作させることができる。
【００４３】
また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御した状態で外部磁場を検出することを特徴とする。
【００４４】
このように、第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御した状態で電流を流して、磁気抵抗の変化、典型的にはラチェット特性を検出することによって、三端子型磁気抵抗効果素子に印加されている外部磁界の強度及び方向を検出することができる。
【００４５】
また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することでインピーダンス整合を行うことを特徴とする。
【００４６】
このように、第１の強磁性体層中の磁壁の位置により抵抗が変化するので、可変抵抗素子、即ち、インピーダンス整合器として使用することができる。
【００４７】
また、本発明は、三端子型磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層より保磁力の大きな第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間に設けられた膜厚が単調に変化する非磁性体と、前記第１の強磁性体層上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを有し、前記ゲート電極に印加する電圧により前記第１の強磁性体層と前記第２の強磁性体層との間の交換結合エネルギーを制御して、前記第１の強磁性体層中の磁壁の位置を制御することで発振を行うことを特徴とする。
【００４８】
このように、第１の強磁性体層中の磁壁を直流電流によるスピン角運動量移行或いはエルステッド磁場によって動かすことによって、素子の電気抵抗が時間的に変化するので、発振素子として使用することができる。
【発明の効果】
【００４９】
開示した三端子型磁気抵抗効果素子によれば、ゲート電圧により線状巨大磁気抵抗効果素子の特性や磁壁の移動を外部から制御することが可能になり、それによって、電界効果型トランジスタ、メモリ、磁気センサ、インピーダンス整合器或いは発振素子として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態の三端子型磁気抵抗効果素子の概念的構成図である。
【図２】本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図４】本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子の図３以降の製造工程の説明図である。
【図５】細線形状操作による磁壁の移動制御の説明図である。
【図６】層間結合の空間変化によって生まれた振動ポテンシャルの説明図である。
【図７】実験に用いた試料形状の説明図である。
【図８】ＭＲ比と反転磁場ＨｓのＡｕ層の膜厚依存性の説明図である。
【図９】非磁性層の膜厚を傾斜させた試料の構成説明図である。
【図１０】作製した試料１における磁壁移動の測定結果の説明図である。
【図１１】試料２について膜厚が減少する方向に磁壁を移動させた場合のＭＲ比の外部磁場依存性の説明図である。
【図１２】比較のための膜厚が一定の試料の測定結果の説明図である。
【図１３】一次元モデルによる解析結果の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の三端子型磁気抵抗効果素子を説明する。図１は、本発明の実施の形態の三端子型磁気抵抗効果素子の概念的構成図であり、図１（ａ）はゲート電圧を正電圧にした場合の概念的構成図であり、図１（ｂ）はゲート電圧を負電圧にした場合の概念的構成図である。
【００５２】
第１の強磁性体層１１上に、膜厚がテーパ状に変化する非磁性体層１２を設け、その上に第２の強磁性体層１３を設け、さらに、第２の強磁性体層１３の上にゲート絶縁膜１４を介してゲート電極１５を設ける。なお、ここでは、基板の図示を省略しているが、基板としては、ガラス基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ基板等を用いる。
【００５３】
この場合、第１の強磁性体層１１の保磁力は第２の強磁性体層１３の保磁力より大きくする。そのためには、第１の強磁性体層１１としては相対的に保磁力の大きな材料を用いるか、或いは、同じ材料を用いた場合には、膜厚を相対的に厚く形成すれば良い。例えば、第１の強磁性体層１１としてはＦｅ１９Ｎｉ８１等のＦｅＮｉ合金を用い、第２の強磁性体層１３としては、ＦｅやＦｅ１９Ｎｉ８１等のＦｅＮｉ合金を用いる。
【００５４】
また、非磁性体層１２としては、非磁性金属であればなんでも良いが、作製容易性や耐酸化性等の観点からＡｕが望ましい。また、ゲート絶縁膜１４としては、ＳｉＯ２やＳｉＮ等を用い、その厚さは、０．１ｎｍ〜３０ｎｍとする。またゲート電極１５の材料も任意であるが、ＩＴＯ，Ａｕ、Ｃｕ等が好適である。
【００５５】
また、この三端子型磁気抵抗効果素子の平面サイズは、幅が１０μｍ以下、好適には１μｍ以下とし、長さは、幅より長くすれば良く、典型的には１μｍ〜１００μｍとする。また、第１の強磁性体層１１の厚さは１ｎｍ〜５０ｎｍとし、第２の強磁性体層１３の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍとする。非磁性体層１２の厚さは、０．１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で、テーパ状に単調変化する厚さであれば良く、両端部の厚さの比は１倍〜２０倍の範囲であれば良い。
【００５６】
このような三端子型磁気抵抗効果素子のゲート電極１５に正電圧、例えば、１Ｖの電圧を印加すると図１（ａ）に示すように、無バイアスの場合に比べて非磁性体層１２中のポテンシャルが変調し、第１の強磁性体層１１中に導入した磁壁１６は、ポテンシャルの変調とともに移動して、最も近い低エネルギー状態の位置に閉じ込められる。
【００５７】
一方、三端子型磁気抵抗効果素子のゲート電極１５に負電圧、例えば、−１Ｖの電圧を印加すると図１（ｂ）に示すように、正バイアスの場合に比べて非磁性体層１２中のポテンシャルが変調し、第１の強磁性体層１１中に導入した磁壁１６は、ポテンシャルの変調とともに移動して、最も近い低エネルギー状態の位置に閉じ込められる。
【００５８】
この三端子型磁気抵抗効果素子の抵抗値は第１の強磁性体層１１と対向する第２の強磁性体層の磁化方向における反平行／平行の割合、したがって、磁壁１６の位置で決まるのでゲート電圧によって素子の抵抗値を制御することができる。
【００５９】
或いは、磁壁は直流電流によるスピン角運動量移行或いはエルステッド磁場によって動かすことが可能であり、磁壁が電流で移動するとポテンシャルの影響を受けて元の位置に戻ろうとする。即ち、閾電流値を超えると、磁壁が動く→ポテンシャルの影響で元の位置に戻る→磁壁が動く・・・と繰り返して、素子の電気抵抗が時間的に変化する、即ち、発振する。この時、ゲート電圧を印加することによって、ポテンシャルの形状を変化させることによって、電圧制御型の発振素子として動作することが可能である。
【００６０】
したがって、このような、特性は電界効果型トランジスタ、メモリ、磁気センサ、インピーダンス変換素子或いは発振素子として用いることができる。なお、実施の形態の説明においては、非磁性層の膜厚の変化をテーパ状としているが、階段的に単調変化させても良いものである。
【実施例１】
【００６１】
次に、図２乃至図４を参照して、本発明の実施例１の三端子型磁気抵抗効果素子を説明する。なお、各図における左図は平面図であり、右図は断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板２１上に電子線レジスト２２を塗布したのち、図２（ｂ）に示すように、幅が１μｍで長さが５ｍｍの開口部を形成するために、電子線２３を照射する。
【００６２】
次いで、図２（ｃ）に示すように、現像することによってストライプ状の開口部２４を形成する。次いで、図２（ｄ）に示すように、蒸着法を用いて厚さが５０ｎｍのＦｅ１９Ｎｉ８１からなる第１の強磁性体層２５を形成する。
【００６３】
次いで、図３（ｅ）乃至図３（ｇ）に示すように、直線導入機２６を用いて直線導入機２６を開口部２４の長手方向に移動させながらＡｕ２７を蒸着することによって、厚さが１０ｎｍから１ｎｍにテーパ状に単調変化する傾斜非磁性層２８を形成する。なお、図３（ｅ）乃至図３（ｇ）は、図３（ａ）乃至図４（ｄ）の図面上の縦方向を横方向に変換するとともに、ガラス基板２１を反転させて下側から蒸着する様子を示している。次いで、図３（ｈ）に示すように、蒸着法を用いて厚さが１０ｎｍのＦｅ１９Ｎｉ８１からなる第２の強磁性体層２９を形成する。
【００６４】
次いで、図４（ｉ）に示すように、電子線レジスト２２を除去することによって、電子線レジスト２２上に堆積したＦｅ１９Ｎｉ８１／Ａｕ／Ｆｅ１９Ｎｉ８１を除去することによって線状巨大磁気抵抗効果素子３０が得られる。
【００６５】
次いで、図４（ｊ）に示すように、再び、電子線レジスト３１を塗布して、露光・現像することによって、線状巨大磁気抵抗効果素子３０の中央部に１μｍ×１０μｍの開口部３２を形成する。次いで、図４（ｋ）に示すように、スパッタ法を用いて厚さが２ｎｍのＳｉＯ２膜からなるゲート絶縁膜３３を形成したのち、蒸着法を用いた厚さが５０ｎｍのＡｕ膜を蒸着してゲート電極３４を形成する。
【００６６】
次いで、図４（ｌ）に示すように、電子線レジスト３１を除去することによって、電子線レジスト３１上に堆積したＳｉＯ２／Ａｕを除去する。以降は、図示は省略するがゲート電極３４に対してゲート引出電極を形成するとともに、第２の強磁性体層２９の両端に電極を形成することによって、三端子型磁気抵抗効果素子２０の基本構成が完成する。
【００６７】
この三端子型磁気抵抗効果素子２０の第１の強磁性体層２５及び第２の強磁性体層２９に例えば、１０００〔Ｏｅ〕の外部磁場を印加して一方向に磁化させたのち、例えば、４０〔Ｏｅ〕の逆方向の外部磁場を印加して第２の強磁性体層２９の磁化方向を反転させる。この時、保磁力の大きな第１の強磁性体層２５に磁壁が導入され、ポテンシャルの小さな位置に閉じ込められる。なお、このような外部磁場の印加は、従来の書込線を利用した磁場書込型ＭＲＡＭと同様に、配線層に流す電流に起因する磁界或いはスピントランスファートルクを用いた電流による磁壁移動により書き込みを行えば良い。
【００６８】
このような状態において、ゲート電極３４にゲート電圧を印加すると、印加されたゲート電圧の大きさに基づいてポテンシャルの形状が変化して、ポテンシャルの極小値の位置が変わるので、磁壁もポテンシャルの極小値の位置に移動する。磁壁が移動すると第１の強磁性体層２２と第２の強磁性体層２９とが平行な領域と反平行な領域の割合が変化するので、電極間の抵抗値が変化することになる。したがって、この三端子型磁気抵抗効果素子２０の素子抵抗はゲート電圧で制御することができることになる。
【００６９】
このように、本発明の実施例１においては、線状巨大磁気抵抗効果素子３０の中央部にゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４を形成しているので、従来は素子構造により規定されていた素子特性や磁壁の移動を外部から制御することが可能になる。
【符号の説明】
【００７０】
１１  第１の強磁性体層
１２  非磁性体層
１３  第２の強磁性体層
１４  ゲート絶縁膜
１５  ゲート電極
１６  磁壁
２０  三端子型磁気抵抗効果素子
２１  ガラス基板
２２  電子線レジスト
２３  電子線
２４  開口部
２５  第１の強磁性体層
２６  直線導入機
２７  Ａｕ
２８  傾斜非磁性層
２９  第２の強磁性体層
３０  線状巨大磁気抵抗効果素子
３１  電子線レジスト
３２  開口部
３３  ゲート絶縁膜
３４  ゲート電極
４１  Ｆｅ１９Ｎｉ８１層
４２  Ａｕ層
４３  Ｆｅ１９Ｎｉ８１層
４４１,４４２  電圧端子
４５１,４５２  電流端子
４６  磁壁
【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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【図１２】
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【図１３】
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