WO2005069368A1 - 電流注入磁壁移動素子 - Google Patents

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WO2005069368A1
WO2005069368A1 PCT/JP2005/000336 JP2005000336W WO2005069368A1 WO 2005069368 A1 WO2005069368 A1 WO 2005069368A1 JP 2005000336 W JP2005000336 W JP 2005000336W WO 2005069368 A1 WO2005069368 A1 WO 2005069368A1
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magnetic
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current injection
current
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PCT/JP2005/000336
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Hideo Ohno
Fumihiro Matsukura
Daichi Chiba
Michihiko Yamanouchi
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Japan Science And Technology Agency
Tohoku University
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic semiconductor device, and more particularly, to a current injection domain wall motion device.
  • Patent Document 1 JP-A-2003-272114
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-272112
  • Non-Patent Document l Science Vol. 301, pp. 943-945 (August 15, 2003).
  • Miniaturization of memory cells is indispensable for increasing the integration density of magnetic nonvolatile solid-state memories.
  • the increase in the contribution of demagnetizing fields due to force miniaturization increases the external magnetic field required for magnetization reversal of ferromagnetic materials. This leads to an increase in power consumption required for generating a magnetic field. Therefore, a new scheme of the magnetic reversal method of the minute magnetic material is required.
  • an object of the present invention is to provide a current injection domain wall motion element that eliminates an external magnetic field required for magnetization reversal of a ferromagnetic material and can save power consumption. .
  • the present invention provides:
  • a current injection domain wall motion element having a first magnetic body and a second magnetic body having antiparallel magnetization directions, and sandwiched between the first magnetic body and the second magnetic body.
  • the domain wall moves in the current direction or in the opposite direction due to the interaction between this current and the domain wall, and the magnetization of the element is magnetized. It is characterized by controlling the direction.
  • the first magnetic body and the second magnetic body having the antiparallel magnetization directions are formed by film formation in a magnetic field. It is characterized by the following.
  • the first magnetic body and the second magnetic body having the antiparallel magnetization directions are separated by utilizing a coercive force difference. It is characterized by being formed by applying an external magnetic field after film formation.
  • the first magnetic body and the second magnetic body are made of the same material, and an antiferromagnetic material is formed on the second magnetic film.
  • a film is formed and magnetically coupled to the second magnetic film, thereby providing a coercive force difference between the first magnetic material and the second magnetic material.
  • the first magnetic body and the second magnetic body are made of the same material, and the first magnetic body and the second magnetic body are used.
  • a difference in coercive force is provided between the first magnetic material and the second magnetic material.
  • the first magnetic body and the second magnetic body are made of the same kind of material, and the first magnetic body and the second magnetic body A feature is that a difference in coercive force is provided between the first magnetic body and the second magnetic body due to a difference in shape between the magnetic body and the shape anisotropy.
  • the first magnetic body and the second magnetic body have antiparallel magnetization directions. Domain walls existing between the second magnetic body and the second magnetic body are more likely to be located at the bonding interface between the first magnetic body and the third magnetic body and at the bonding interface between the second magnetic body and the third magnetic body.
  • the third magnetic body is formed from the first magnetic body and the second magnetic body. The third feature is to reduce energy loss due to the formation of domain walls in the magnetic body.
  • the first magnetic body and the second magnetic body have antiparallel magnetization directions. Domain walls existing between the second magnetic body and the second magnetic body are more likely to be located at the bonding interface between the first magnetic body and the third magnetic body and at the bonding interface between the second magnetic body and the third magnetic body.
  • the first magnetic material and the second magnetic material are used. It is characterized in that energy loss due to domain wall formation in the third magnetic body is reduced more than in the magnetic body.
  • the first magnetic body and the second magnetic body have antiparallel magnetization directions. Domain walls existing between the second magnetic body and the second magnetic body are more likely to be located at the bonding interface between the first magnetic body and the third magnetic body and at the bonding interface between the second magnetic body and the third magnetic body. As described above, a constriction is provided at the joining interface between the first magnetic body and the third magnetic body and the joining interface between the second magnetic body and the third magnetic body, and the domain wall is trapped at the standing of the constriction. It is characterized by being easily performed. [18] The current injection domain wall motion element according to the above [1], wherein the magnetization direction of the element can be read.
  • the magnetization state of the third magnetic body is determined by a case where a domain wall exists at an interface between the first magnetic body and the third magnetic body.
  • a small current is applied to the same terminal as the current injection terminal, so that the domain wall does not move. It is characterized in that it is read out by measuring.
  • FIG. 1 is a schematic view of a current injection domain wall motion device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of an element (part 1) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an example of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view of an element (part 2) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an example of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic view of an element (part 3) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an example of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view of an element (part 4) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an example of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of an element (part 1) formed in a lateral arrangement of a magnetic material by a perpendicular magnetization film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of an element formed in a lateral arrangement of a magnetic body using a perpendicular magnetization and a magnetic semiconductor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of a magnetic element arranged laterally according to an example of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a horizontal magnetic element using a vertical magnetic film according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a magnetic body laterally arranged element made of a magnetic semiconductor by perpendicular magnetization showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic view of a magnetic element arranged laterally by a magnetic element formed by a vertical magnet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of a current injection domain wall motion device (sample) showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a magnetic domain structure of a current injection domain wall motion device (sample) observed by a Ken: effect polarization microscope.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a current injection domain wall motion device (with a ferromagnetic transition temperature of about 100 K) formed with a two-step structure in a (Ga, Mn) As layer having a structure similar to that of FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example observed by the abnormal Hall effect according to the present invention (terminal pair 25 of the third magnetic body 23 in FIG. 14).
  • a current injection domain wall motion element which has two magnetic bodies 1 and 2 having antiparallel magnetization directions and a magnetic junction 3 sandwiched between them, and a pulse crossing the micro junction interface.
  • a current current density of 10 4 -10 7 AZcm 2
  • the domain wall is moved in the current direction or in the opposite direction by the interaction between the pulse current and the domain wall, and the magnetization direction of the element is controlled.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a current injection domain wall motion device according to the present invention.
  • 1 is a first magnetic body
  • 2 is a second magnetic body having a direction parallel to the first magnetic body
  • 3 is a first magnetic body 1 and a second magnetic body.
  • the third magnetic body sandwiched between the two magnetic bodies 2 and 4 and 5 are current sources.
  • first magnetic body 1 and a second magnetic body 2 having antiparallel magnetic directions (arrows in the drawing) and a third magnetic body sandwiched between them Prepare 3 micro junctions.
  • the magnetic materials may be joined in a layered manner or in the element surface.
  • the magnetic material 13 may use the same material or different materials.
  • a force for previously forming the anti-parallel magnetization by film formation in a magnetic field or the like is used.
  • antiparallel magnetization is prepared by an external magnetic field after film formation.
  • the coercive force difference of the original material itself can be used.For the same kind of material, it is used in a spin valve structure.
  • the first magnetic body 1 and the first magnetic body 1 are formed by various methods, such as using a pinned layer, using shape anisotropy with a difference in shape, changing the film thickness, or applying an external electric field when the material is a magnetic semiconductor. It is possible to give a coercive force difference to the magnetic body 2 of FIG.
  • the first magnetic material 3 is made of a different material having a smaller magnetization than that of the first magnetic material 1 and the second magnetic material 2 or a similar material whose magnetic resistance is reduced by application of an external electric field or the like.
  • the first magnetic body 1, the third magnetic body 3, and the second magnetic body 3 reduce the energy loss due to the domain wall formation in the third magnetic body 3 as compared with the magnetic body 1 and the second magnetic body 2. This can be realized by providing a constriction at the joint interface between the body 2 and the third magnetic body 3 so that the domain wall is easily trapped at the constricted position.
  • the joint between the magnetic bodies may be formed in a layered manner (vertical arrangement) or may be formed in the element surface.
  • FIG. 2 is a schematic view of a device (part 1) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an embodiment of the present invention (corresponding to the invention of claim 7).
  • a first magnetic film 11 is formed on a substrate 10, and a magnetic field M is applied in the direction of arrow A during the formation of the first magnetic film 11. Is applied. Then, the first magnetic film
  • the direction of magnetic film 11 is in the direction of arrow A.
  • a third magnetic film 13 is formed.
  • a second magnetic film 12 is formed on the third magnetic film 13.
  • a magnetic field M is applied by an arrow opposite to the above-mentioned arrow A direction.
  • the device of the present invention is completed by performing fine processing.
  • the first magnetic film 11, the third magnetic film 13, and the second magnetic film 12 are formed on the substrate 10, and the first magnetic film 11, the second magnetic film A layered (vertical arrangement) element in which the body film 12 is magnetized in the opposite direction can be obtained.
  • a magnetic film having a magnetic field oriented in the direction of the magnetic field is formed even with a weak magnetic field of lmT or less. After the formation of the magnetic film, even if a magnetic field weaker than the coercive force of the magnetic film is applied, the magnetic direction is not affected and the magnetic direction is not changed.
  • FIG. 3 is a schematic view of a device (part 2) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an embodiment of the present invention (corresponding to the inventions of claims 8, 9, 11, and 12).
  • a first magnetic film (small coercive force) 21 is formed on a substrate 20, and a third magnetic material is formed on the first magnetic film 21. A film 23 is formed. Next, the third magnetic film 2
  • a second magnetic film (large coercive force) 22 is formed on 3.
  • the first magnetic film 21, the third magnetic film 23, and the second magnetic film 2 are formed on the substrate 20.
  • a coercive force difference is made between the first magnetic film 21 and the second magnetic film 22.
  • the coercive force of the second magnetic film 22 is made larger than the coercive force of the first magnetic film 21.
  • the magnitude of the coercive force may be reversed.
  • an external magnetic field larger than the coercive force of the second magnetic film 22 is applied in the direction of arrow B, and the first magnetic film 21
  • the magnetization direction of the second magnetic film 22 is aligned with the external magnetic field direction B.
  • an external magnetic field smaller than the coercive force of the second magnetic film 22 and larger than the coercive force of the first magnetic film 21 is applied as shown in FIG. 3 (b). Applied in the direction of arrow A opposite to the direction of arrow B. Then, only the magnetization direction of the first magnetic film 21 changes its direction and is directed to the applied magnetic field direction A.
  • a layered (vertical arrangement) composed of the first magnetic film 21, the second magnetic film 22, and the third magnetic film 23 is formed by microfabrication.
  • An element can be obtained.
  • the difference in coercive force between the first magnetic film 21 and the second magnetic film 22 may be caused by providing a difference in crystal magnetic anisotropy by using a different kind of magnetic material, or during film growth. It can be realized by giving a difference in growth induced magnetic anisotropy depending on whether or not a magnetic field is applied, or by giving a difference in shape (for example, film thickness) and giving a difference in shape magnetic anisotropy.
  • a difference due to shape magnetic anisotropy it is preferable to reverse the process.
  • FIG. 4 is a schematic view of a layered element (vertical arrangement) (part 3) showing an example of the present invention (corresponding to claim 10).
  • a first magnetic film 31 is formed on a substrate 30, and a third magnetic film 33 is formed on the first magnetic film 31. .
  • a second magnetic film 32 is formed on the third magnetic film 33.
  • the first magnetic film 31 and the second magnetic film 32 on the substrate 30 are formed of the same magnetic material.
  • an antiferromagnetic film 34 is formed on the second magnetic film 32.
  • the magnetization of the second magnetic film 32 is magnetically strongly coupled with the magnetization of the antiferromagnetic film 34 by the exchange force to produce a pinning effect, and the protection of the second magnetic film 32 is maintained.
  • the magnetic force is effectively larger than the coercive force of the first magnetic film 31.
  • FIG. 5 is a schematic view of a device (part 4) formed in a layered shape (vertical arrangement) showing an embodiment of the present invention (corresponding to the invention of claim 11).
  • a first magnetic film (small film thickness) 41 is formed on a substrate 40, and a third magnetic film 41 is formed on the first magnetic film 41.
  • a body film 43 is formed.
  • a second magnetic film (large thickness) 42 is formed on the third magnetic film 43. That is, the first magnetic film 41 on the substrate 40 is formed so as to have a smaller film thickness than the second magnetic film 42.
  • the coercive force changes due to shape magnetic anisotropy or other reasons due to composition distribution, and the second magnetic film having a large film thickness
  • the body film 42 has a larger coercive force. That is, a difference in coercive force can be imparted by forming the first magnetic film 41 and the second magnetic film 42 from the same material with different thicknesses. it can. Although the thickness of the second magnetic body 42 is made larger in FIG. 5, the thickness may be reversed.
  • FIG. 6 is a schematic view (corresponding to the invention of claim 12) of an element (part 1) formed in a lateral arrangement of a magnetic material by a perpendicular magnetization film according to an embodiment of the present invention (corresponding to the invention of claim 12). Is a side view, and FIG. 6 (b) is a plan view.
  • a first magnetic body (magnetization M) 51 As shown in these figures, a first magnetic body (magnetization M) 51, a third magnetic body (magnetization M) 53,
  • the second magnetic body (Magnerida M) 52 is arranged in the lateral direction.
  • the first magnetic material (magnetic magnetic material) having the same kind of material force that magnetically magnetizes in the direction perpendicular to the surface is used.
  • the wider first magnetic body 51 has a larger coercive force than the second magnetic body 52, but the width may be reversed.
  • FIG. 7 is a schematic view of an element formed in a lateral arrangement of a magnetic body made of a perpendicular magnetization and a magnetic semiconductor showing an embodiment of the present invention (corresponding to the invention of claim 13), and FIG. Is a side view showing the structure of the element, and FIG. 7 (b) is an overall configuration diagram thereof.
  • a first magnetic body 61 and a second magnetic body 62 are made of a magnetic semiconductor.
  • a third magnetic body 63 is formed, and electrodes 66 and 67 are formed on the first magnetic body 61 and the second magnetic body 62 via insulating films 64 and 65.
  • the first magnetic body 61 and the second magnetic body Body 62 has a different coercivity.
  • the coercive force decreases when a positive electric field is applied, and increases when a negative electric field is applied.
  • 68 and 69 are DC power supplies (batteries) for applying an electric field.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a magnetic laterally arranged element showing an embodiment of the present invention (corresponding to the invention of claim 14), and FIG. 8 (a) shows the structure of the element of the first example.
  • FIG. 8 (b) is a perspective view showing the structure of the element of the second example.
  • the first magnetic body 71, the second magnetic body 72, and the third magnetic body 73 have the same depth width, but have different heights, So that the cross sections are different Yes.
  • the height of the third magnetic body 73 is reduced so that the side surface cross-sectional area is reduced.
  • the first magnetic body 81, the second magnetic body 82, and the third magnetic body 83 have the same height, but have the respective depth widths. And the cross-sectional area is different. In particular, the depth width of the third magnetic body 83 is reduced so that the planar sectional area is reduced.
  • FIG. 9 is a schematic view of a horizontal magnetic element using a perpendicular magnetic film according to an embodiment of the present invention (corresponding to the invention of claim 15).
  • a first magnetic body (Magneri M) 91 As shown in FIG. 9, a first magnetic body (Magneri M) 91, a second magnetic body (Magi M) 92,
  • the third magnetic material (Magnerida M) 93 is formed.
  • the size of the magnetic material M of the third magnetic material 93 is shown.
  • FIG. 10 is a schematic view of a magnetic laterally-arranged element made of a magnetic semiconductor with perpendicular magnetization, showing an embodiment of the present invention (corresponding to claim 16).
  • the third magnetic body 96 is interposed via the insulating film 97.
  • An external electric field is applied to the electrode 98 so that the magnetization of the third magnetic body 96 is smaller than that of the first magnetic body 94 and the second magnetic body 95.
  • Reference numeral 99 denotes a DC power supply (battery) for applying an external electric field.
  • FIG. 11 is a schematic view of a laterally-arranged magnetic body element made of a magnetic body with perpendicular magnetization showing an embodiment of the present invention (corresponding to the seventeenth aspect).
  • the constriction 1 is formed at the joining interface between the first magnetic body 101 and the third magnetic body 103.
  • a constriction 105 is formed at the joint interface between the second magnetic body 102 and the third magnetic body 103.
  • the domain walls are easily trapped in the constrictions 104 and 105, and the joining interface between the first magnetic body 101 and the third magnetic body 103 and the second magnetic body 102 and the third magnetic body 102 are trapped.
  • the domain wall is easily located at the joint interface with the magnetic body 103.
  • the direction of the current or the opposite direction is determined by the interaction between the current and the domain wall.
  • the relative relationship between the current direction and the domain wall motion direction depends on the sign of the interaction between current and magnetization, and therefore depends on the material).
  • the domain wall at the interface between the third magnetic body 3 and the third magnetic body 3 can be moved to the interface between the second magnetic body 2 and the third magnetic body 3, and vice versa by changing the direction of the current. That is, as shown in FIGS. 1A and 1B, the direction of the current of the third magnetic body 3 can be controlled by the direction of the current.
  • the magnetized state of the third magnetic body 3 is determined by the case where there is a domain wall at the interface between the first magnetic body 1 and the third magnetic body 3 and the interface between the second magnetic body 2 and the third magnetic body 3. using resistance difference elements which occurs when there is a domain wall, to measure the device resistance by flowing a degree of minute current domain wall in the same terminal as the current injection terminal does not move ( ⁇ 1 0 4 a / cm 2) that the Can be read.
  • the first magnetic body 1, the third magnetic body 3, and the second magnetic body 3 Add a function to change the element resistance depending on the domain wall position by making the structure asymmetric, such as by making a difference in the bonding area between the second and third magnetic bodies 3 or changing the size of the constriction provided at the bonding interface. It is possible. Further, by adding a ferromagnetic layer having a fixed magnetization direction via a non-magnetic layer and using a giant magnetoresistance effect or a tunnel magnetoresistance effect, reading with an increased output becomes possible. In addition, a measurement terminal is provided on the third magnetic body 3 so that it is possible to measure the state of magnetism in the third magnetic body 3 by a transverse current magnetic effect such as an abnormal Hall effect or an in-plane Hall effect. .
  • the current injection domain wall motion device can control and read the direction of magnetization of an electric magnetic body without applying an external magnetic field, it can be applied to a wide range of applications including a memory device. It is.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of a current injection domain wall motion device (sample) showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 (a) is a structural diagram of the current injection domain wall motion device, and
  • FIG. FIG. 12C shows a photograph of the device, and
  • FIG. 12C is a cross-sectional view of FIG.
  • 111 is a GaAs substrate
  • 112 is a GaAs layer (500 A) formed on the GaAs substrate 111
  • 113 is an (InGa) As layer formed on the GaAs layer 112 (5000
  • A) and 114 are ferromagnetic semiconductors formed on the (InGa) As layer 113 (Ga). Mn) As layer (200 A).
  • the current injection domain wall motion element was manufactured from the ferromagnetic semiconductor (Ga, Mn) As having an easy-to-plane axis [(In, Mn) As layer may be used instead].
  • the (Ga, Mn) As layer 114 a part of the sample surface is etched.
  • a metal electrode is deposited on a part of the surface via an insulating film, and an external electric field is applied. Is applied (Non-Patent Document 1 above) to form junctions of the same kind of magnetic material having different coercive forces in the plane.
  • This current injection domain wall motion element has a hole-bar shape, and the right half was etched by about 50 A as shown in FIG. 12 (c). Since the ferromagnetic transition temperature of the (Ga, Mn) As layer 114 in FIG. 12A is about S60K, the measurement was performed at a temperature lower than that. First, an anti-parallel arrangement of magnetization was formed using the difference in coercive force of the (Ga, Mn) As layer 114 in the left half and the right half.
  • FIG. 14 is a schematic view of a current injection domain wall motion device (with a ferromagnetic transition temperature of about 100 K) formed with a two-step structure in a (Ga, Mn) As layer having a structure similar to that of FIG. .
  • 121 is a first magnetic body (corresponding to the first magnetic body 1 in FIG. 1)
  • 122 is a second magnetic body (corresponding to the second magnetic body 2 in FIG. 1)
  • 123 Is a third magnetic body (corresponding to the third magnetic body 3 in FIG. 1).
  • the width of each magnetic body is uniform, and their height is equal to that of the first magnetic body 121.
  • 124 is a terminal pair formed on the first magnetic body 121
  • 125 is a terminal pair formed on the third magnetic body 123
  • 126 is a second magnetic body 122
  • the arrow is the direction of the current.
  • FIG. 15 shows an example in which this is electrically observed by the abnormal Hall effect (the terminal pair 125 of the third magnetic body 123 in FIG. 14).
  • the pulse current value I 350
  • A (corresponding to current density of about 10 5 AZcm 2 ), pulse width 0.1 sec, temperature 83 K, external magnetic field zero.
  • the direction of magnetization of the third magnetic body 123 is detected using the abnormal Hall effect using the hole terminal pair 125 of the third magnetic body 123 in FIG. Since the sign of the Hall voltage is reversed by applying the positive and negative current pulses, the magnetization direction in FIG. 13 can be reversibly and freely controlled by applying the current, and reading in that direction is possible. There is something to do.
  • the present invention it is possible to eliminate an external magnetic field required for reversing the magnetization of the ferromagnetic material of the magnetic semiconductor element, and to save power consumption.
  • the current injection domain wall motion element of the present invention can control and read out the direction of the magnetization of an electric magnetic body without applying an external magnetic field, and thus can be applied to a wide range of applications including a memory element. is there.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

　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。

Description

明 細 書
電流注入磁壁移動素子
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 されてさた。
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 l : 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 力 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、微小磁性体の磁ィ匕 反転手法の新 、スキームが求められて 、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、互いに反平行の磁ィ匕方向を持つ第 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!、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!、て、前記磁性半導体が（Ga, M n) 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!、て、前記磁性半導体が (In, M n) 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 104-107AZcm2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ィ匕 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ィ匕 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 磁性体の磁ィ匕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 磁性体の磁ィ匕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の磁性体より磁ィ匕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 磁性体の磁ィ匕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の磁性体より磁ィ匕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 磁性体の磁ィ匕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 立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ィ匕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ィ匕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]Ken: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 104-107AZcm2)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と反平行の磁ィ匕方向を 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、反平行の磁ィ匕方向（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の磁ィ匕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ィ匕 をあらかじめ作り込む力 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力 同種材料の場合はスピンバルブ構造で使われて ヽるよ 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の磁ィ匕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ィ匕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〖こより実現できる。
[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 M を矢印 A方向に印加する。すると、第 1の磁性体膜
F1
(面内磁ィ匕膜） 11の磁ィ匕の向きは矢印 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 M を、上記した矢印 A方向とは逆の矢印
F2
B方向に印加する。すると、第 2の磁性体膜 (面内磁ィ匕膜） 12の磁ィ匕の向きは矢印 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、 lmT以下の 弱い磁場でもその磁場の方向に磁ィ匕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ィ匕方向は影 響を受けず、磁ィ匕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 2
3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 2
2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の磁ィ匕方向を 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の保磁力より小さぐかつ第 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の磁ィ匕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の磁ィ匕は反強磁性膜 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 (磁ィ匕 M) 51、第 3の磁性体 (磁化 M ) 53、
3 第 2の磁性体 (磁ィ匕 M) 52を横方向に配置する。ここでは、第 1の磁性体 (磁ィ匕 M) 5
1は幅広く形成している。
[0056] この実施例では、面に垂直方向に磁ィ匕する同種材料力もなる第 1の磁性体 (磁ィ匕
M) 51と第 2の磁性体 (磁ィ匕 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 (磁ィ匕 M) 51と第 2の磁性体 (磁ィ匕 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 つているが、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ィ匕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 (磁ィ匕 M ) 91、第 2の磁性体 (磁ィ匕 M ) 92、第
1 2
3の磁性体 (磁ィ匕 M ) 93を形成する。ここでは、第 3の磁性体 93の磁ィ匕 Mの大きさ
3 3 が第 1の磁性体 91の磁ィ匕 M、第 2の磁性体 92の磁ィ匕 Mより小さいような磁性材料
1 2
により構成するようにして 、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力もなる第 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の磁ィ匕を第 1の磁性体 94と第 2の磁性体 95の磁ィ匕より小 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 1
04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 104-107AZcm2)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の磁ィ匕方向の制御が可能となる 。第 3の磁性体 3の磁ィ匕状態は、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（< 1 04A/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 性層を介して磁ィ匕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内の磁ィ匕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ぐ電気的 な磁性体の磁ィ匕方向の制御、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（500 A)、 113はその GaAs層 112上に形成される（In Ga ) As層（5000
0.2 0.8
A)、 114はその（In Ga ) As層 113上に形成される、強磁性半導体である（Ga Mn ) As層（200 A)である。
0.033
[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 50 Aエッチングした。図 12(a)の（Ga, Mn) As層 114の強磁性転移温度 力 S60K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力 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 分の磁ィ匕を、第 1の磁性体 121の磁化と平行の状態力も第 2の磁性体 122の磁ィ匕と 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 I =350
pulse
A (電流密度 105AZcm2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の磁ィ匕方向を検出する。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 であることが分力ゝる。
[0083] なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなぐ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ぐ電気的な磁性 体の磁ィ匕方向の制御、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。

Claims

請求の範囲
[1] 互いに反平行の磁ィヒ方向を持つ第 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。
[2] 請求項 1記載の電流注入磁壁移動素子にお!、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。
[3] 請求項 2記載の電流注入磁壁移動素子にお 、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。
[4] 請求項 2記載の電流注入磁壁移動素子にお 、て、前記磁性半導体が (In, Mn) A s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。
[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。
[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— 107AZcm2であることを特徴とする電流注入磁壁移動素子。
[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。
[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。
[9] 請求項 8記載の電流注入磁壁移動素子にお 、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。
[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。
[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。
[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。
[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。
[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 体の磁ィ匕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。
[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 体の磁ィ匕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の磁性体より磁ィ匕の小さ 、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。
[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 体の磁ィ匕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の磁性体より磁ィ匕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。
[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 体の磁ィ匕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。
[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。
[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の磁性体の磁ィ匕状態 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。
[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
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