磁気スイッチング素子

【課題】低消費電力でありながら、磁化方向の高速スイッチングが可能な磁気スイッチング素子を提供する。
【解決手段】この磁気スイッチング素子１００は、磁性酸化物層３０と、上記磁性酸化物層３０の一方面側に位置する非磁性電極層４０と、上記磁性酸化物層３０の他方面側に位置する磁性金属層２０と、上記非磁性電極層４０と上記磁性金属層２０との間に正逆電圧を印加するための電極と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気スイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の磁気スイッチング素子は、たとえば、ＭＲＡＭの書き込み駆動素子として利用される。たとえば、特許文献１に開示された従来のスイッチング素子は、電圧印加により磁性半導体層が常磁性から強磁性に転移し、磁性的に近接して設けられた強磁性層の固定された磁化方向に応じて磁性半導体層の磁化方向が決まるものである。
【０００３】
この従来の磁気スイッチング素子は、上記から明らかなように、磁性半導体層の磁化方向は強磁性層に応じるため、磁性半導体層の磁性状態を比較的高速で切り換えることはできても、磁性半導体層の磁化方向を切り換えることはできない。
【０００４】
一方、ＭＲＡＭにおいて、フリー層の磁化方向を反転させることが望ましいが、一般的なＭＲＡＭにおいては、フリー層の磁化方向を反転させるために大きな電流密度が必要であるため、消費電力が大きくなるという難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５８３１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、低消費電力でありながら、磁化方向の高速スイッチングが可能な磁気スイッチング素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、磁性酸化物層と、上記磁性酸化物層の一方面側に位置する非磁性電極層と、上記磁性酸化物層の他方面側に位置する磁性金属層と、上記非磁性電極層と上記磁性金属層との間に正逆電圧を印加するための電極と、を備える磁気スイッチング素子が提供される。上記非磁性電極層は酸化性であることが好ましく、上記磁性金属層は非酸化性であることが好ましい。
【０００８】
たとえば、磁性酸化物層と磁性金属層の磁気結合状態が反平行結合状態（静磁気結合エネルギが支配的な状態）である場合、非磁性電極層に正電圧を印加することにより磁性酸化物層中の酸素イオンが非磁性電極層に引き寄せられる。この酸素イオンが非磁性電極層における磁性酸化物層との境界を酸化させ、この反応に由来する電子が外部回路を介して磁性金属層に注入される。この電子は、磁性酸化物層と磁性金属層との境界における磁性酸化物層中の磁性の発現に寄与するイオンの価数を変化させる。このようなイオンの価数の変化により、磁性酸化物層と磁性金属層との磁気的結合状態を反平行結合から平行結合に切り換えることができる。逆に、磁性金属層に正電圧を印加すると、上記のように価数が変化したイオンから電子が引き抜かれ、イオンの価数が元にもどり、上記のように切り換えられていた磁性酸化物層と磁性金属層との磁気結合状態がもとに戻る。
【発明の効果】
【０００９】
このように、本発明に係る磁気スイッチング素子によれば、これにより、電圧駆動により、磁性酸化物層もしくは磁性金属層の磁化方向を高速で切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る磁気スイッチング素子の第１の実施形態の模式的断面図である。
【図２】図１に示す磁気スイッチング素子の作動状態説明図である。
【図３】本発明に係る磁気スイッチング素子の第２の実施形態の模式的断面図である。
【図４】図３に示す磁気スイッチング素子の作動状態説明図である。
【図５】本発明に係る磁気スイッチング素子を利用した磁気ヘッドの模式的断面図である。
【図６】図５に示した磁気ヘッドの作動状態説明図である。
【図７】本発明に係る磁気スイッチング素子を利用したＭＲＡＭの模式的断面図である。
【図８】図７に示したＭＲＡＭの作動状態説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態として、図面を参照して具体的に説明する。
【００１２】
図１、図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気スイッチング素子１００を示している。図中、１０はＭｇＯ単結晶や熱酸化膜が形成されたＳｉウエハなどからなる基板を、２０は基板１０上に形成された磁性金属層を、３０は磁性金属層２０上に形成された磁性酸化物層を、４０は磁性酸化物層３０上に形成された非磁性電極層を、それぞれ示す。
【００１３】
非磁性電極層４０は、常温で非磁性を示し、かつ、酸化性であることが好ましく、たとえば、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｉｎ、Ｓｎ、もしくはこれらの合金が用いられる。
【００１４】
磁性酸化物層３０は、常温で強磁性を示し、導電性をもつ酸化物層であり、結晶であると非結晶であるとは問われず、たとえば、Ｆｅ₃Ｏ₄などの鉄酸化物、ＬａＳｒＭｎＯ₃やＬａＮｉＭｎＯ₃などのＭｎ酸化物が用いられ、Ｐ型伝導性の磁性材料であることが好ましい。
【００１５】
磁性金属層２０は、常温で強磁性を示し、導電性をもつ層であり、非酸化性であることが望ましく、たとえば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、もしくはこれらの合金が用いられる。
【００１６】
磁性金属層２０、磁性酸化物層３０および非磁性電極層４０は、スパッタリング等の薄膜形成プロセスによって基板１０上に順次積層して形成され、これらの各層２０，３０，４０の厚みは、数ｎｍ〜数十ｎｍとされる。なお、磁性酸化物層３０と非磁性電極層４０とは、ともに磁性を示す層であるため、これらは磁気的に結合することになる。これらの層の界面における磁性金属層２０の酸化を防止するため、磁気的結合に影響を及ぼさない範囲で、たとえば、Ｐｔ極薄膜やＣ極薄膜などの非酸化性・非磁性膜を介在させてもよい。
【００１７】
この磁気スイッチング素子１００においては、電極２０ａ，４０ａを介して、非磁性電極層４０と磁性金属層２０との間にたとえば３Ｖ程度の正逆の電圧を印加しうる外部回路５０が接続される。
【００１８】
次に、図１、図２を参照し、この磁気スイッチング素子１００の作動メカニズムを説明する。
【００１９】
磁性酸化物層３０と磁性金属層２０とは、ともに磁性を示すことから、反平行結合状態（静磁気結合エネルギが支配的な状態）もしくは平行結合状態（交換結合エネルギが支配的な状態）にある。反平行に結合するか、平行に結合するかは、両層２０，３０を構成する物質の物性や膜厚等により、両層２０，３０間に静磁気エネルギが支配的に作用するか、交換結合エネルギが支配的に作用するかに依る。
【００２０】
この実施形態の場合、図１に示す初期状態においては、磁性酸化物層３０と磁性金属層２０とは反平行に結合している。すなわち、この状態において、磁性酸化物層３０と磁性金属層２０間には、交換結合エネルギよりも静磁気エネルギが支配的に作用していることになる。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、非磁性電極層４０に正電圧を印加すると、磁性酸化物層３０中の酸素イオン（陰イオン）が非磁性電極層４０に引き寄せられ、この酸素イオンが非磁性電極層４０との界面部３０ａにおいて、非磁性電極層４０を酸化させる。このときに放出される電子は、外部回路５０を介して磁性金属層２０に注入される。磁性酸化物層３０がＰ型伝導性の磁性体であると、この磁性酸化物層３０に電子が入り込みにくい。また、磁性酸化物層３０がＰ型伝導性の磁性体ではないにせよ、酸化物層であるがゆえにインピーダンスが磁性金属層２０よりも大きい。このようなことから、上記の電子は、磁性酸化物層３０と磁性金属層２０との界面部３０ｂに滞留し、この電子により、磁性酸化物層３０において磁性の発現に寄与するイオンの価数を変化させる。
【００２２】
より具体的には、磁性酸化物層３０が、Ｍｎ酸化物で構成されているとすると、界面部３０ｂには、Ｍｎ⁴⁺とＭｎ³⁺とが混在するが、上記のように界面部３０ｂに滞留する電子の作用により、Ｍｎ⁴⁺の一部がＭｎ³⁺に変化する。これにより、上記界面部３０ｂにおける磁性酸化物層３０の強磁性が弱められ、すなわち、静磁気エネルギが弱められ、交換結合エネルギが支配的に作用する状態に変化する。その結果、磁性酸化物層３０の磁化方向が反転させられる。こうしていったん磁性酸化物層３０の磁化方向が反転させられると、非磁性電極層４０への正電圧の印加を停止しても、その状態が維持される。
【００２３】
次に、図２（ａ）の状態から、図２（ｂ）の状態のように、電圧の印加状態を磁性金属層２０に正電圧を印加するように切り換えると、界面部３０ｂから電子が引き抜かれ、Ｍｎ³⁺がＭｎ⁴⁺に戻り、界面部３０ｂの静磁気エネルギが強められて支配的となる状態に戻る。これにより、磁性酸化物層３０の磁化方向が再び反転させられる。外部回路５０を介して非磁性電極層４０に流入した電子は、非磁性電極層４０と磁性酸化膜層３０との界面部３０ａにおける酸化を還元する。こうして、元の状態に戻り、この状態は、磁性金属層２０への正電圧の印加を停止しても、維持される。
【００２４】
このようにして、この実施形態の磁気スイッチング素子は、電圧駆動により、磁性酸化物層３０の磁化方向を高速で切り換えることができる。
【００２５】
図３、４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気スイッチング素子１００Ａを示している。この磁気スイッチング素子１００Ａにおいても、基板１０、磁性金属層２０、磁性酸化物層３０および非磁性電極層４０を図１、２に示した実施形態と同様に備えており、各層２０，３０，４０を構成するべき材質もまた、図１、２を参照して上記したのと同様である。ただし、この磁気スイッチング素子１００Ａにおいては、初期状態における磁性酸化物層３０と磁性金属層２０との磁気結合状態は、平行結合となっている。すなわち、この実施形態では、磁性酸化物層３０と磁性金属層２０の間には、静磁気エネルギよりも交換結合エネルギが支配的に作用している。なお、このような静磁気エネルギよりも交換結合エネルギが支配的に作用する状態は、代表的には、磁性酸化物層３０の静磁気エネルギが磁性金属層２０の静磁気エネルギよりも大きい場合に出現する。
【００２６】
次に、図３、図４を参照し、この磁気スイッチング素子１００Ａの作動メカニズムを説明する。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、非磁性電極層４０に正電圧を印加すると、磁性酸化物層３０中の酸素イオン（陰イオン）が非磁性電極層４０に引き寄せられ、この酸素イオンが非磁性電極層４０との界面部３０ａにおいて、非磁性電極層３０を酸化させる。このときに放出される電子は、外部回路５０を介して磁性金属層２０に注入される。磁性酸化物層３０がＰ型伝導性の磁性体であると、この磁性酸化物層３０に電子が入り込みにくい。あるいは、磁性酸化物層３０がＰ型伝導性の磁性体ではないにせよ、酸化物層であるがゆえにインピーダンスが磁性金属層２０よりも大きい。このようなことから、上記の電子は、磁性酸化物層３０と磁性金属層２０との界面部３０ｂに滞留し、この電子により、磁性酸化物層３０において磁性の発現に寄与するイオンの価数を変化させる。
【００２８】
より具体的には、磁性酸化物層３０が、Ｍｎ酸化物で構成されているとすると、界面部３０ｂには、Ｍｎ⁴⁺とＭｎ³⁺とが混在するが、上記のように界面部３０ｂに滞留する電子の作用により、Ｍｎ⁴⁺の一部がＭｎ³⁺に変化する。これにより、上記界面部３０ｂにおける磁性酸化物層３０の強磁性が弱められ、すなわち、静磁気エネルギが弱められる結果、磁性酸化物層３０の静磁気エネルギと磁性金属層２０の静磁気エネルギとが同等となり、界面部３０ｂでの静磁気エネルギの利得が大きくなる。その結果、磁性金属層２０の磁化方向が反転させられる。こうしていったん磁性金属層２０の磁化方向が反転させられると、非磁性電極層４０への正電圧の印加を停止しても、その状態が維持される。
【００２９】
次に、図４（ａ）の状態から、図４（ｂ）の状態のように、電圧の印加状態を磁性金属層２０に正電圧を印加するように切り換えると、界面部３０ｂから電子が引き抜かれ、Ｍｎ³⁺がＭｎ⁴⁺に戻り、磁性酸化物層３０の静磁気エネルギが磁性金属層２０の静磁気エネルギよりも大きくなる。その結果、交換結合エネルギが支配的となり、磁性金属層２０の磁化方向が再び反転させられる。外部回路５０を介して非磁性電極層４０に流入した電子は、非磁性電極層４０と磁性酸化膜層３０との界面部３０ａにおける酸化を還元する。こうして、元の状態に戻り、この状態は、磁性金属層２０への正電圧の印加を停止しても、維持される。
【００３０】
このようにして、この実施形態の磁気スイッチング素子１００Ａにおいても、電圧駆動により、磁性金属層２０の磁化方向を高速で切り換えることができる。
【００３１】
図５、図６は、本発明に係る磁気スイッチング素子１００Ａを磁気媒体に対する書き込みヘッド２００として応用した例を示す。この書き込みヘッド２００を構成するスイッチング素子１００Ａは、たとえば、ＣｏＦｅＢからなる磁性金属層２０と、その上に積層されたＦｅ₃Ｏ₄からなる磁性酸化物層３０と、さらにその上に積層されたＴａからなる非磁性電極層４０を有しており、磁性金属層２０の端部を突出させている。
【００３２】
このスイッチング素子１００Ａは、図３、４を参照して説明したものと同様、初期状態において磁性酸化物層３０と磁性金属層２０とが平行に結合したものである。このスイッチング素子１００Ａは、非磁性金属層４０に正電圧を印加すると磁性金属層２０の磁化が反転し（図６（ａ））、磁性金属層２０に正電圧を印加すると磁性金属層２０の磁化が再反転して元の状態に戻る（図６（ｂ））、という作動をする。
【００３３】
上記から理解できるように、この磁気スイッチング素子１００Ａを応用した書き込みヘッド２００によれば、電圧駆動により、磁性金属層２０の磁化を高速で反転させることができる。したがって、磁性金属層２０の端部からの漏れ磁界により、とりわけ、熱アシスト磁気記録方式を用いる適当な磁気媒体に対し、磁性体の垂直磁化を反転させることによる書き込みを高速・高密度で行うことが可能となる。
【００３４】
図７、図８は、本発明に係る磁気スイッチング素子１００ＡをＭＲＡＭ３００の駆動手段として応用した例を示す。
【００３５】
このＭＲＡＭ３００は、ＣｏＦｅＢからなる固定層６０と、その上に積層されたＭｇＯからなる極薄絶縁層７０と、その上に積層されたＣｏＦｅＢからなるフリー層兼磁性金属層２０Ａと、その上に積層されたＦｅ₃Ｏ₄からなる磁性酸化物層３０と、その上に積層されたＴａからなる非磁性電極層４０とを有する。
【００３６】
固定層６０、極薄絶縁層７０およびフリー層兼磁性金属層２０ＡがＭＲＡＭ３００の本体３００Ａを構成し、フリー層兼磁性金属層２０Ａ、磁性酸化物層３０および非磁性電極層４０が本発明に係る磁気スイッチング素子１００Ａ、とりわけ、図３、４に示した構成の磁気スイッチング素子１００Ａを構成する。また、このＭＲＡＭ３００には、非磁性電極層４０とフリー層兼磁性金属層２０Ａとの間に正逆の電圧を印加するとともに、フリー層兼磁性金属層２０Ａと固定層６０との間の抵抗を検知するための外部回路５０Ａが付設されている。
【００３７】
初期状態においては、磁性酸化物層３０とフリー層兼磁性金属層２０Ａとは、平行結合している。非磁性電極層４０に正電圧を印加すると、上記したのと同様にして、フリー層兼磁性金属層２０Ａの磁化が反転する（図８（ａ））。逆に、フリー層兼磁性金属層２０Ａに正電圧を印加すると、フリー層兼磁性金属層２０Ａの磁化が再反転して元の状態にもどる（図８（ｂ））。
【００３８】
図８（ａ）の状態と図８（ｂ）の状態では、フリー層兼磁性金属層２０Ａと固定層６０との間の抵抗値が異なるので、図８(ａ)の状態と図８（ｂ）の状態の相違を読み出すことができる。
【００３９】
このようなことから、図７、８に示すＭＲＡＭ３００が、書き込み、読み出し、消去可能なメモリとして機能することを意味する。また、非磁性電極層４０とフリー層兼磁性金属層２０Ａ間に正逆の電圧を印加しないかぎり、フリー層兼磁性金属層２０Ａの磁化が変化しないので、このメモリは、不揮発性メモリとして機能する。さらには、このＭＲＡＭ３００は、電圧駆動によって書き込み、消去することができるので、消費電力を劇的に低減することができるとともに、高速書き込み、消去が可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１００，１００Ａ磁気スイッチング素子
１０基板
２０磁性金属層
２０Ａフリー層兼磁性金属層
３０磁性酸化物層
４０非磁性電極層
５０，５０Ａ外部回路
６０固定層
７０極薄絶縁層
２００磁気ヘッド
３００ＭＲＡＭ
３００ＡＭＲＡＭ本体

【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性酸化物層と、
上記磁性酸化物層の一方面側に位置する非磁性電極層と、
上記磁性酸化物層の他方面側に位置する磁性金属層と、
上記非磁性電極層と上記磁性金属層との間に正逆電圧を印加するための電極と、
を備える、磁気スイッチング素子。
【請求項２】
基板の一面に、上記磁性金属層、上記磁性酸化物層、および上記非磁性電極層がこの順に積層されている、請求項１に記載の磁気スイッチング素子。
【請求項３】
上記非磁性電極層は、酸化性である、請求項１または２に記載の磁気スイッチング素子。
【請求項４】
上記磁性金属層は、非酸化性である、請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気スイッチング素子。
【請求項５】
磁性酸化物層と、
上記磁性酸化物層の一方面側に位置する非磁性電極層と、
上記磁性酸化物層の他方面側に位置する磁性金属層と、
上記非磁性電極層と上記磁性金属層との間に正逆電圧を印加する電源と、
を備える、磁気印加装置。

【図１】