(57)【要約】  強磁性体の磁化反転に必要な外部磁場をなくし、消費電力の省力化を図ることができる電流注入磁壁移動素子を提供する。  電流注入磁壁移動素子であって、反平行の磁化方向を持つ二つの磁性体（第１の磁性体１と第２の磁性体２）と、それらに挟まれた第３の磁性体３の微小接合を有し、この微小接合界面を横切るパルス電流（電流密度が、１０4−１０7Ａ／ｃｍ2）を流すことにより、このパルス電流と磁壁との相互作用により電流方向もしくは逆方向に磁壁を移動させ、素子の磁化方向を制御する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに反平行の磁化方向を持つ第１の磁性体と第２の磁性体と、該第１の磁性体と第２の磁性体に挟まれた第３の磁性体の微小接合を有し、該微小接合界面を横切る電流を流すことにより、該電流と磁壁との相互作用により電流方向もしくは逆方向に磁壁を移動させ、素子の磁化方向を制御することを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項２】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性体が磁性半導体であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項３】
請求項２記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性半導体が（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓからなる強磁性半導体であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項４】
請求項２記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性半導体が（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓからなる強磁性半導体であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載の電流注入磁壁移動素子において、前記電流がパルス電流であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項６】
請求項５記載の電流注入磁壁移動素子において、前記パルス電流の電流密度が１０4−１０7Ａ／ｃｍ2であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項７】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記互いに反平行の磁化方向を持つ第1の磁性体と第２の磁性体を、磁場中成膜によって形成することを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項８】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記互いに反平行の磁化方向を持つ第1の磁性体と第２の磁性体を、保磁力差を利用して成膜後に外部磁場を印加することにより形成することを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項９】
請求項８記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第1の磁性体と第２の磁性体が異種材料であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１０】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第1の磁性体と第２の磁性体が同種材料であって、前記第２の磁性体膜上に反強磁性膜を形成し、前記第２の磁性体膜と磁気的に結合させることにより、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１１】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第1の磁性体と第２の磁性体が同種材料であって、前記第１の磁性体と第２の磁性体との膜厚を変えることにより、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１２】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体が同種材料であって、前記第１の磁性体と、前記第２の磁性体とに形状差をつけ形状異方性の差により、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１３】
請求項２、３又は４記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性半導体からなる第１の磁性体と第２の磁性体にそれぞれ異なる外部電界を加えることにより、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１４】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、前記第３の磁性体の断面積を減らして前記第１の磁性体及び第２の磁性体内より前記第３の磁性体内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らすことを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１５】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、前記第３の磁性体として前記第１の磁性体及び第２の磁性体より磁化の小さい異種材料を用いて、前記第１の磁性体及び第２の磁性体内より前記第３の磁性体内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らすことを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１６】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、外部電界の印加により前記第３の磁性体として前記第１の磁性体及び第２の磁性体より磁化を小さくした同種材料を用いて、前記第１の磁性体及び第２の磁性体内より前記第３の磁性体内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らすことを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１７】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面、及び第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面にくびれを設け、該くびれ位置に磁壁がトラップされやすくすることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１８】
請求項１記載の電流注入磁壁移動素子において、前記素子の磁化方向の読み出しを可能にすることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項１９】
請求項１８記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第３の磁性体の磁化状態を、前記第１の磁性体と第３の磁性体の界面に磁壁がある場合と第２の磁性体と第３の磁性体の界面に磁壁がある場合に生じる素子の抵抗差を用いて、電流注入端子と同じ端子に磁壁が移動しない程度の微小電流を流して素子抵抗を計測することで読み出すことを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【請求項２０】
請求項１９記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合部と前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合部との構造を非対称にすることにより前記素子の抵抗差を生じ易くしたことを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性半導体素子に係り、特に、電流注入磁壁移動素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、記憶媒体等に利用される磁性体の磁化反転には、外部磁場の印加が必要とされてきた。
【特許文献１】特開２００３−２７２１１４号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２１１２号公報
【非特許文献１】Ｓｉｃｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．３０１，ｐｐ．９４３−９４５（２００３年８月１５）．
【発明の開示】
【０００３】
磁性体不揮発固体メモリの集積密度向上にはメモリ・セルの微細化が不可欠であるが、微細化による反磁場の寄与の増大は強磁性体の磁化反転に必要な外部磁場を増大し、磁場発生に要する消費電力の増大をもたらす。従って、微小磁性体の磁化反転手法の新しいスキームが求められている。
【０００４】
本発明は、上記状況に鑑みて、強磁性体の磁化反転に必要な外部磁場をなくし、消費電力の省力化を図ることができる電流注入磁壁移動素子を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕電流注入磁壁移動素子であって、互いに反平行の磁化方向を持つ第１の磁性体と第２の磁性体と、これらの第１の磁性体と第２の磁性体に挟まれた第３の磁性体の微小接合を有し、この微小接合界面を横切る電流を流すことにより、この電流と磁壁との相互作用により電流方向もしくは逆方向に磁壁を移動させ、素子の磁化方向を制御することを特徴とする。
【０００６】
〔２〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性体が磁性半導体であることを特徴とする。
【０００７】
〔３〕上記〔２〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性半導体が（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓからなる強磁性半導体であることを特徴とする。
【０００８】
〔４〕上記〔２〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性半導体が（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓからなる強磁性半導体であることを特徴とする。
【０００９】
〔５〕上記〔１〕から〔４〕のいずれか一項記載の電流注入磁壁移動素子において、前記電流がパルス電流であることを特徴とする。
【００１０】
〔６〕上記〔５〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記パルス電流の電流密度が１０4−１０7Ａ／ｃｍ2であることを特徴とする。
【００１１】
〔７〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記互いに反平行の磁化方向を持つ第１の磁性体と第２の磁性体を、磁場中成膜によって形成することを特徴とする。
【００１２】
〔８〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記互いに反平行の磁化方向を持つ第１の磁性体と第２の磁性体を、保磁力差を利用して成膜後に外部磁場を印加することにより形成することを特徴とする。
【００１３】
〔９〕上記〔８〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体が異種材料であることを特徴とする。
【００１４】
〔１０〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体が同種材料であって、前記第２の磁性体膜上に反強磁性膜を形成し、前記第２の磁性体膜と磁気的に結合させることにより、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする。
【００１５】
〔１１〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体が同種材料であって、前記第１の磁性体と第２の磁性体との膜厚を変えることにより、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする。
【００１６】
〔１２〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体が同種材料であって、前記第１の磁性体と、前記第２の磁性体とに形状差をつけ形状異方性の差により、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする。
【００１７】
〔１３〕上記〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記磁性半導体からなる第１の磁性体と第２の磁性体にそれぞれ異なる外部電界を加えることにより、前記第１の磁性体と第２の磁性体に保磁力差をつけることを特徴とする。
【００１８】
〔１４〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、前記第３の磁性体の断面積を減らして前記第１の磁性体及び第２の磁性体内より前記第３の磁性体内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らすことを特徴とする。
【００１９】
〔１５〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、前記第３の磁性体として前記第１の磁性体及び第２の磁性体より磁化の小さい異種材料を用いて、前記第１の磁性体及び第２の磁性体内より前記第３の磁性体内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らすことを特徴とする。
【００２０】
〔１６〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、外部電界の印加により前記第３の磁性体として前記第１の磁性体及び第２の磁性体より磁化を小さくした同種材料を用いて、前記第１の磁性体及び第２の磁性体内より前記第３の磁性体内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らすことを特徴とする。
【００２１】
〔１７〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第２の磁性体の磁化方向が反平行であるために前記第１の磁性体と第２の磁性体との間に存在する磁壁が、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面及び前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面に位置し易くなるように、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合界面、及び第２の磁性体と第３の磁性体の接合界面にくびれを設け、このくびれ位置に磁壁がトラップされやすくすることを特徴とする。
【００２２】
〔１８〕上記〔１〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記素子の磁化方向の読み出しを可能にすることを特徴とする。
【００２３】
〔１９〕上記〔１８〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第３の磁性体の磁化状態を、前記第１の磁性体と第３の磁性体の界面に磁壁がある場合と第２の磁性体と第３の磁性体の界面に磁壁がある場合に生じる素子の抵抗差を用いて、電流注入端子と同じ端子に磁壁が移動しない程度の微小電流を流して素子抵抗を計測することで読み出すことを特徴とする。
【００２４】
〔２０〕上記〔１９〕記載の電流注入磁壁移動素子において、前記第１の磁性体と第３の磁性体の接合部と前記第２の磁性体と第３の磁性体の接合部との構造を非対称にすることにより前記素子の抵抗差を生じ易くしたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の電流注入磁壁移動素子の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その１）の模式図である。
【図３】本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その２）の模式図である。
【図４】本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その３）の模式図である。
【図５】本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その４）の模式図である。
【図６】本発明の実施例を示す垂直磁化膜による磁性体横配置に形成される素子（その１）の模式図である。
【図７】本発明の実施例を示す垂直磁化、磁性体半導体による磁性体横配置に形成される素子の模式図である。
【図８】本発明の実施例を示す磁性体横配置素子の模式図である。
【図９】本発明の実施例を示す垂直磁化膜による磁性体横配置素子の模式図である。
【図１０】本発明の実施例を示す垂直磁化による磁性体半導体による磁性体横配置素子の模式図である。
【図１１】本発明の実施例を示す垂直磁化による磁性体による磁性体横配置素子の模式図である。
【図１２】本発明の実施例を示す電流注入磁壁移動素子（試料）の構成図である。
【図１３】Ｋｅｒｒ効果偏光顕微鏡によって観察した電流注入磁壁移動素子（試料）の磁区構造を示す図である。
【図１４】図１２と同様の構造を持つ（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層に二段階の段差をつけて形成した電流注入磁壁移動素子（強磁性転移温度１００Ｋ前後）の模式図である。
【図１５】本発明にかかる異常ホール効果〔図１４の第３の磁性体２３部分の端子対２５〕で観測した例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
電流注入磁壁移動素子であって、反平行の磁化方向を持つ二つの磁性体１と２と、それらに挟まれた磁性体３の微小接合を有し、この微小接合界面を横切るパルス電流（電流密度が１０4−１０7Ａ／ｃｍ2）を流すことにより、このパルス電流と磁壁との相互作用により電流方向もしくは逆方向に磁壁を移動させ、素子の磁化方向を制御する。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。【００２８】
図１は本発明の電流注入磁壁移動素子の模式図である。【００２９】
この図において、１は第１の磁性体、２はその第１の磁性体１と反平行の磁化方向をもつ第２の磁性体、３は第１の磁性体１と第２の磁性体２に挟まれた第３の磁性体、４，５は電流源である。【００３０】
まず、反平行の磁化方向（図中矢印）を持つ二つの磁性体（第１の磁性体１と第２の磁性体２）と、それらに挟まれた第３の磁性体３の微小接合を用意する。磁性体同士の接合は、層状に形成しても素子面内に接合を形成してもよい。また、磁性体１−３は同材料を用いても、異なる材料を用いてもよい。但し、第１の磁性体１と第２の磁性体２の磁化方向は反平行である必要があるので、磁場中成膜等によって反平行の磁化をあらかじめ作り込むか、第１の磁性体１と第２の磁性体２の保磁力差を利用して、成膜後に外部磁場により反平行の磁化を用意する。外部磁場により反平行状態を用意する際、第１の磁性体１と第２の磁性体２が異種材料の場合は元々の材料自体の保磁力差を利用可能であるが、同種材料の場合はスピンバルブ構造で使われているようなピン層を用いる、形状差をつけて形状異方性を用いる、膜厚を変える、材料が磁性半導体の場合は外部電界を加えるなど、様々な手法により第１の磁性体１と第２の磁性体２に保磁力差をつけることが可能である。【００３１】
第１の磁性体１と第２の磁性体２の磁化が反平行であるためには、二つの磁性体１と２との間のどこかに磁壁が存在しなければならない。そこで、その磁壁が第１の磁性体１と第３の磁性体３の接合界面及び第２の磁性体２と第３の磁性体３の接合界面に位置し易くなるようにする。これは、（１）第３の磁性体３の断面積を減らして第１の磁性体１，第２の磁性体２内より第３の磁性体３内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らす、（２）第３の磁性体３に第１の磁性体１、第２の磁性体２より磁化の小さい異種材料、もしくは外部電界の印加等により磁化を小さくした同種材料を用いて第１の磁性体１、第２の磁性体２内より第３の磁性体３内の磁壁形成によるエネルギー損失を減らす、（３）第１の磁性体１と第３の磁性体３及び第２の磁性体２と第３の磁性体３の接合界面にくびれを設け、くびれ位置に磁壁がトラップされやすくする、等の手法を採用することにより実現できる。【００３２】
以下、本発明の素子の形成について詳細に説明する。【００３３】
上記したように、磁性体同士の接合は、層状（縦配置）に形成しても、素子面内に接合を形成してもよい。【００３４】
図２は本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その１）の模式図である（請求項７の発明に対応）。【００３５】
まず、図２（ａ）に示すように、基板１０上に第１の磁性体膜１１を形成して、その第１の磁性体膜１１の成膜中に磁場ＭF1を矢印Ａ方向に印加する。すると、第１の磁性体膜（面内磁化膜）１１の磁化の向きは矢印Ａ方向となる。【００３６】
次に、図２（ｂ）に示すように、第３の磁性体膜１３を形成する。【００３７】
次に、図２（ｃ）に示すように、第３の磁性体膜１３上に第２の磁性体膜１２を形成して、その第２の磁性体膜１２の成膜中に磁場ＭF2を、上記した矢印Ａ方向とは逆の矢印Ｂ方向に印加する。すると、第２の磁性体膜（面内磁化膜）１２の磁化の向きは矢印Ｂ方向となる。【００３８】
次いで、図２（ｄ）に示すように、微細加工を行うことにより、本発明の素子が完成する。【００３９】
このようにして基板１０上に第１の磁性体膜１１と第３の磁性体膜１３と第２の磁性体膜１２が形成され、第１の磁性体膜１１と第２の磁性体膜１２が逆方向に磁化された層状（縦配置）の素子を得ることができる。【００４０】
このように磁場印加下でスパッタ法などにより磁性体膜を成膜すると、１ｍＴ以下の弱い磁場でもその磁場の方向に磁化方向が向いた磁性体膜が形成される。磁性体膜の形成後は、その磁性体膜の保磁力より弱い磁場が印加されても磁化方向は影響を受けず、磁化方向が変わることはない。【００４１】
図３は本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その２）の模式図である（請求項８，９，１１，１２の発明に対応）。【００４２】
まず、図３（ａ）に示すように、基板２０上に第１の磁性体膜（保磁力小）２１を形成し、その第１の磁性体膜２１上に第３の磁性体膜２３を形成する。次に、第３の磁性体膜２３上に第２の磁性体膜（保磁力大）２２を形成する。【００４３】
このように、基板２０上に第１の磁性体膜２１、第３の磁性体膜２３、第２の磁性体膜２２を順次成膜する。その場合、第１の磁性体膜２１と第２の磁性体膜２２に保磁力差をつける。例えば、第２の磁性体膜２２の保磁力を第１の磁性体膜２１の保磁力より大とする。なお、保磁力の大小は逆でもよい。【００４４】
次に、図３（ｂ）に示すように、成膜後、第２の磁性体膜２２の保磁力より大きな外部磁場を矢印Ｂ方向に印加し、第１の磁性体膜２１と第２の磁性体膜２２の磁化方向を外部磁場方向Ｂに揃える。【００４５】
次いで、図３（ｃ）に示すように、第２の磁性体膜２２の保磁力より小さく、かつ第１の磁性体膜２１の保磁力より大きな外部磁場を図３（ｂ）の矢印Ｂ方向と逆向きの矢印Ａ方向に印加する。すると、第１の磁性体膜２１の磁化方向のみが向きを変え印加磁場方向Ａを向く。【００４６】
次いで、図３（ｄ）に示すように、微細加工により、第１の磁性体膜２１と第２の磁性体膜２２と第３の磁性体膜２３からなる層状（縦配置）の素子を得ることができる。【００４７】
なお、第１の磁性体膜２１と第２の磁性体膜２２との保磁力の差は、異種磁性材料を用いることで結晶磁気異方性に差を付与する、あるいは膜成長時に磁場印加の有無により成長誘導磁気異方性の差を付与する、あるいは、形状（例えば膜厚）に差をつけ、形状磁気異方性の差を付与することにより実現できる。なお、磁性体膜に磁場を印加する工程〔図３（ｂ），（ｃ）〕と微細加工する工程〔図３（ｄ）〕の順序は入れ替えてもよい。特に、形状磁気異方性による差を付与する場合には工程を逆にする方が好ましい。【００４８】
図４は本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その３）の模式図である（請求項１０の発明に対応）。【００４９】
まず、図４（ａ）に示すように、基板３０上に第１の磁性体膜３１を形成し、その第１の磁性体膜３１上に第３の磁性体膜３３を形成する。次に、第３の磁性体膜３３上に第２の磁性体膜３２を形成する。ここでは、基板３０上の第１の磁性体膜３１、第２の磁性体膜３２は同一の磁性材料にて形成する。【００５０】
次に、図４（ｂ）に示すように、第２の磁性体膜３２上に反強磁性膜３４を成膜する。ここで、第２の磁性体膜３２の磁化は反強磁性膜３４の磁化と交換力で磁気的に強く結合し、ピンする効果を生じ、第２の磁性体膜３２の保磁力は実効的に第１の磁性体膜３１の保磁力より大きくなる。以下、図示しないが、図３（ｂ）〜図３（ｄ）と同様の工程を施す。【００５１】
図５は本発明の実施例を示す層状（縦配置）に形成される素子（その４）の模式図である（請求項１１の発明に対応）。【００５２】
この実施例では、図５に示すように、基板４０上に第１の磁性体膜（膜厚小）４１を形成し、その第１の磁性体膜４１上に第３の磁性体膜４３を形成する。次に、第３の磁性体膜４３上に第２の磁性体膜（膜厚大）４２を形成する。すなわち、基板４０上の第１の磁性体膜４１の膜厚は第２の磁性体膜４２の膜厚よりは小さくなるように成膜する。【００５３】
このように、磁性体膜の膜厚を変えると、形状磁気異方性により、あるいはその他の組成分布などに起因する理由などにより保磁力が変化し、膜厚の大きい第２の磁性体膜４２の方が保磁力が大きくなる。つまり、第１の磁性体膜４１と第２の磁性体膜４２を同一材料でその膜厚に差をつけて形成することにより保磁力の差を付与することができる。なお、図５では第２の磁性体４２の膜厚の方を大きくしたが、膜厚の大小は逆であってもよい。【００５４】
図６は本発明の実施例を示す垂直磁化膜による磁性体横配置に形成される素子（その１）の模式図であり（請求項１２の発明に対応）、図６（ａ）はその側面図、図６（ｂ）はその平面図である。【００５５】
これらの図に示すように、第１の磁性体（磁化Ｍ）５１、第３の磁性体（磁化Ｍ3）５３、第２の磁性体（磁化Ｍ）５２を横方向に配置する。ここでは、第１の磁性体（磁化Ｍ）５１は幅広く形成している。【００５６】
この実施例では、面に垂直方向に磁化する同種材料からなる第１の磁性体（磁化Ｍ）５１と第２の磁性体（磁化Ｍ）５２に形状差を設け、その形状異方性により第１の磁性体（磁化Ｍ）５１と第２の磁性体（磁化Ｍ）５２の保磁力差を付けるようにしている。なお、図６では幅の広い第１の磁性体５１の方が第２の磁性体５２より保磁力が大きくなっているが、幅の大小は逆でもよい。【００５７】
図７は本発明の実施例を示す垂直磁化、磁性体半導体による磁性体横配置に形成される素子の模式図であり（請求項１３の発明に対応）、図７（ａ）はその素子の構造を示す側面図、図７（ｂ）はその全体構成図である。【００５８】
まず、図７（ａ）に示すように、磁性半導体により、第１の磁性体６１、第２の磁性体６２、第３の磁性体６３を形成し、第１の磁性体６１と第２の磁性体６２に絶縁膜６４，６５を介して電極６６，６７を形成する。【００５９】
次に、図７（ｂ）に示すように、第１の磁性体６１と第２の磁性体６２に異なった電界を印加することにより、第１の磁性体６１と第２の磁性体６２は異なった保磁力となる。正の電界印加で保磁力は減少し、負の電界印加で保磁力は増大する。なお、６８，６９は電界を印加するための直流電源（電池）である。【００６０】
図８は本発明の実施例を示す磁性体横配置素子の模式図であり（請求項１４の発明に対応）、図８（ａ）はその第１例の素子の構造を示す斜視図、図８（ｂ）はその第２例の素子の構造を示す斜視図である。【００６１】
図８（ａ）の例では、第１の磁性体７１、第２の磁性体７２、第３の磁性体７３のそれぞれの奥行き幅は等しいが、それぞれの高さを異ならせ、側面断面積が異なるようにしている。特に、第３の磁性体７３の高さを低くし、側面断面積が小さくなるようにしている。【００６２】
また、図８（ｂ）の例では、第１の磁性体８１、第２の磁性体８２、第３の磁性体８３のそれぞれの高さは等しいが、それぞれの奥行き幅を異ならせ、平面断面積が異なるようにしている。特に、第３の磁性体８３の奥行き幅を小さくし、平面断面積が小さくなるようにしている。【００６３】
図９は本発明の実施例を示す垂直磁化膜による磁性体横配置素子の模式図である（請求項１５の発明に対応）。【００６４】
この図９に示すように、第１の磁性体（磁化Ｍ1）９１、第２の磁性体（磁化Ｍ2）９２、第３の磁性体（磁化Ｍ3）９３を形成する。ここでは、第３の磁性体９３の磁化Ｍ3の大きさが第１の磁性体９１の磁化Ｍ1、第２の磁性体９２の磁化Ｍ2より小さいような磁性材料により構成するようにしている。【００６５】
図１０は本発明の実施例を示す垂直磁化による磁性体半導体による磁性体横配置素子の模式図である（請求項１６の発明に対応）。【００６６】
この実施例では、同一の磁性体半導体からなる第1の磁性体９４、第２の磁性体９５、第３の磁性体９６のうち、第３の磁性体９６に絶縁膜９７を介して電極９８に外部電界を印加し、第３の磁性体９６の磁化を第１の磁性体９４と第２の磁性体９５の磁化より小さくなるように構成している。なお、９９は外部電界を印加するための直流電源（電池）である。【００６７】
図１１は本発明の実施例を示す垂直磁化による磁性体による磁性体横配置素子の模式図である（請求項１７の発明に対応）。【００６８】
この図に示すように、第１の磁性体１０１と第３の磁性体１０３との接合界面にくびれ１０４を、第２の磁性体１０２と第３の磁性体１０３との接合界面にくびれ１０５を形成するように構成している。【００６９】
このようにすることにより、くびれ１０４，１０５に磁壁がトラップされやすくなり、第１の磁性体１０１と第３の磁性体１０３との接合界面及び第２の磁性体１０２と第３の磁性体１０３との接合界面に磁壁が位置しやすくなる。【００７０】
以上のように構成した本発明の素子に接合界面を横切る（パルス）電流（電流密度１０4−１０7Ａ／ｃｍ2）を流した場合、電流と磁壁との相互作用により電流方向もしくは逆方向に磁壁を移動させることが可能であるので（電流方向と磁壁移動方向の相対関係は電流と磁化の相互作用の符号に依存するため材料に依存）、元々第1の磁性体１と第３の磁性体３の界面にあった磁壁を第２の磁性体２と第３の磁性体３の界面に移動でき、電流の向きを変えることによってその逆も可能となる。つまり、図１（ａ）と図１（ｂ）に示すように、電流の向きによって第３の磁性体３の磁化方向の制御が可能となる。第３の磁性体３の磁化状態は、第１の磁性体１と第３の磁性体３の界面に磁壁がある場合と第２の磁性体２と第３の磁性体３の界面に磁壁がある場合に生じる素子の抵抗差を用いて、電流注入端子と同じ端子に磁壁が移動しない程度の微小電流（＜１０4Ａ／ｃｍ2）を流して素子抵抗を計測することで読み出し可能である。第１の磁性体１と第３の磁性体３に全く同じ材料を用いた場合、この抵抗差は生じ難いが、第１の磁性体１と第３の磁性体３及び第２の磁性体２と第３の磁性体３の接合面積に差をつける、もしくは接合界面に設けるくびれの大きさを変える等、構造を非対称にすることにより、磁壁位置依存の素子抵抗変化機能を付加することが可能である。さらに、非磁性層を介して磁化方向が固定された強磁性層を付加し、巨大磁気抵抗効果もしくはトンネル磁気抵抗効果を用いることで出力を上げた読み出しも可能となる。また、第３の磁性体３に計測用の端子を設け、異常ホール効果や面内ホール効果等の横電流磁気効果によっても第３の磁性体３内の磁化状態の計測が可能である。【００７１】
このように、この電流注入磁壁移動素子では外部磁場を印加することなく、電気的な磁性体の磁化方向の制御、読み出しが可能であるので、メモリ素子を含め広範囲な応用が可能である。【００７２】
次に、本発明の主要部となる電流注入磁壁移動の実際の計測例について説明する。【００７３】
図１２は本発明の実施例を示す電流注入磁壁移動素子（試料）の構成図であり、図１２（ａ）はその電流注入磁壁移動素子の構造図、図１２（ｂ）はその素子の写真を示す図、図１２（ｃ）は図１２（ｂ）の断面図である。【００７４】
図１２（ａ）において、１１１はＧａＡｓ基板、１１２はそのＧａＡｓ基板１１１上に形成されるＧａＡｓ層（５００Å）、１１３はそのＧａＡｓ層１１２上に形成される（Ｉｎ0.2Ｇａ0.8）Ａｓ層（５０００Å）、１１４はその（Ｉｎ0.2Ｇａ0.8）Ａｓ層１１３上に形成される、強磁性半導体である（Ｇａ0.967Ｍｎ0.033）Ａｓ層（２００Å）である。【００７５】
このように、電流注入磁壁移動素子は面直容易軸を持つ強磁性半導体（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓから作製した〔（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓ層を代わりに用いてもよい〕。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層１１４の場合は試料表面の一部をエッチングすることで、（Ｉｎ，Ｍｎ）Ａｓ層の場合は、表面の一部に絶縁膜を介して金属電極を蒸着し外部電界を印加すること（上記非特許文献１）で、面内に保磁力の違う同種磁性体の接合を形成する。【００７６】
両方の材料に対する作用効果は同様であるので、ここでは、図１２に示すように、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層に対する構造を中心に説明する。【００７７】
この電流注入磁壁移動素子はホール・バー形状を持ち、図１２（ｃ）に示すように、右半分を略５０Åエッチングした。図１２（ａ）の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層１１４の強磁性転移温度が６０Ｋ程度であるため、計測はそれ以下の温度で行った。まず、左半分と右半分の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層１１４の保磁力差を利用して、磁化の反平行配置を形成した。【００７８】
これは、図１３（ａ）に示すように、Ｋｅｒｒ効果偏光顕微鏡のコントラストの差によって観察可能であるが、図１２（ｂ）に示されたホール端子対（ａ），（ｂ）と（ｃ），（ｄ）で異常ホール効果の符号が反転していることから電気的にも計測可能である。図１３（ｂ）に示すように、電流注入磁壁移動素子の下から上にパルス電流を印加した場合、磁壁が電流と逆方向に移動し、電流注入磁壁移動素子下半分の磁化が反転している様子が分かる。これは、四対のホール端子電圧の符号がすべて同じになることから電気的にも計測可能である。パルス電流を逆に素子の上から下に印加した場合、接合面に磁壁がトラップされ、電流注入磁壁移動素子の磁区構造に変化は現れない。【００７９】
図１４は図１２と同様の構造を持つ（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層に二段階の段差をつけて形成した電流注入磁壁移動素子（強磁性転移温度１００Ｋ前後）の模式図である。【００８０】
この図において、１２１は第１の磁性体（図１の第１の磁性体１に対応）、１２２は第２の磁性体（図１の第２の磁性体２に対応）、１２３は第３の磁性体（図１の第３の磁性体３に対応）であり、ここでは、それぞれの磁性体の幅は一様であり、それらの高さは、第１の磁性体１２１の高さ＞第２の磁性体１２２の高さ＞第３の磁性体１２３の高さの順となっており、二段階の段差が形成されている。１２４は第１の磁性体１２１に形成される端子対、１２５は第３の磁性体１２３に形成される端子対、１２６は第２の磁性体１２２に形成される端子対、矢印は電流の方向である。【００８１】
外部磁場を用い、図１の第１の磁性体１と第２の磁性体２に相当する両端部分の磁化の反平行初期配置を用意した。これにより、第３の磁性体１２３に相当する中心部分の磁化を、第１の磁性体１２１の磁化と平行の状態から第２の磁性体１２２の磁化と平行の状態へ、またはその逆へと、パルス電流印加方向により可逆的に自在に操ることが可能である。これを電気的に異常ホール効果〔図１４の第３の磁性体１２３部分の端子対１２５〕で観測した例が図１５である。図１５の例ではパルス電流値Ｉpulse＝３５０μＡ（電流密度１０5Ａ／ｃｍ2程度に相当）、パルス幅０．１秒で、温度８３Ｋ、外部磁場はゼロにおいて測定した。【００８２】
この図１５に示すように、図１４の第３の磁性体１２３部分のホール端子対１２５により、異常ホール効果を用いて、第３の磁性体１２３の磁化方向を検出する。正負の電流パルスを印加することで、ホール電圧の符号が反転することから、図１３の磁化方向を電流印加により可逆的に自在に制御することができ、かつその方向の読み出しが可能であることが分かる。【００８３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。【００８４】
本発明によれば、磁性半導体素子の強磁性体の磁化反転に必要な外部磁場をなくし、消費電力の省力化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の電流注入磁壁移動素子は、外部磁場を印加することなく、電気的な磁性体の磁化方向の制御、読み出しが可能であるので、メモリ素子を含め広範囲な応用が可能である。
【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１４】
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【図１５】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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