磁気抵抗素子
【課題】少ない電力消費で磁気抵抗素子を動作させる方法を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子（２１）は、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域（２２）とこの強磁性領域（２２）に容量的に結合するゲート（２３）とを含む。この方法は、電界パルス（２９）を強磁性領域（２２）に与えることにより、磁気異方性の配向を変えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。
【解決手段】磁気抵抗素子（２１）は、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域（２２）とこの強磁性領域（２２）に容量的に結合するゲート（２３）とを含む。この方法は、電界パルス（２９）を強磁性領域（２２）に与えることにより、磁気異方性の配向を変えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、いくつかの点でフラッシュ・メモリなどの他のタイプの不揮発性メモリより優れている。例えば、ＭＲＡＭは一般に電力消費が少なく、またデータの読取りおよび書込みが速い。またＭＲＡＭは、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）などのいくつかの形の揮発性メモリに代わるものとして有望である。
従来技術のＭＲＡＭセルは一般に、非磁気層により分離された１対の強磁性層を有する磁気抵抗素子を含む。一方の強磁性層は比較的低い飽和保磁力を有し、他方の強磁性層は比較的高い飽和保磁力を有する。一般に、飽和保磁力が低い層を「自由」層、飽和保磁力が高い層を固着（ｐｉｎｎｅｄ）層と呼ぶ。
【０００３】
セル内にデータを記憶するには、外部磁界を与えて自由層の磁化の向きを定める。磁界を取り去った後も、磁化の向きは保持される。
セルからデータを読み取るときは素子を通して電流を流す。素子の磁気抵抗は、層の磁化が逆平行（ＡＰ）に配列されている場合は比較的高く、層の磁化が平行（Ｐ）に配列されている場合は比較的低い。したがって、セルの状態は素子の磁気抵抗を測定することにより決定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
外部磁界は素子の近くを走る少なくとも１本の導線に電流を流すことにより生成する。しかしこの配置では、セルの寸法が減少するに従って自由層を切り換えるのに必要な磁界が増加し、したがって電力消費も増加するという問題がある。
外部磁界を与える別の方法はスピン・トランスファ切換え（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を用いることである。これは、Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの「磁気多層の電流駆動励磁（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ）、ｐ．９３５３、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、Ｖｏｌ．５４（１９９６）に提示されている。また、Ｗ．Ｃ．Ｊｅｏｎｇ他の「磁界支援の電流誘導による切換えを用いる拡張性の高いＭＲＡＭ（Ｈｉｇｈｌｙ ｓｃａｌａｂｌｅ ＭＲＡＭ ｕｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」、ｐ．１８４、２００５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ、を参照していただきたい。
【０００５】
スピン・トランスファ切換えでは、磁気素子を通して電流を層の界面に垂直に流す。これにより、固着層を通って流れる電子により（電流を自由層から固着層に流すとき）、または固着層から拡散する電子により（電流を固着層から自由層に流すとき）、スピン偏極電子（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）が自由層内に注入される。スピン偏極電子が自由層内に注入されるとき、電子は自由層と相互作用してそのスピン角運動量の一部を自由層の磁気モーメントに移す。スピン偏極電流が十分大きい場合は、このために自由層の磁化が切り換わる。
【０００６】
しかしスピン・トランスファ切換えの欠点は、反転プロセスをトリガするのに高い電流密度（例えば、１０８Ａｃｍ−２程度）が必要なことである。
切換え電流パルスを与える前に直流予備充電電流を与えることにより電流を減らすことができる。これについては、Ｔ．Ｄｅｖｏｌｄｅｒ他の「ナノ秒以下にスピン・トランスファ切換えを加速させるための予備充電方式（Ｐｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｂｅｌｏｗ ｔｈｅ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌｕｍｅ８６、ｐａｇｅ０６２５０５（２００５）、に記述されている。切換え電流パルスの電力消費は減少するが、全体の電力消費（すなわち、予備充電電流の電力消費を含む）はまだ非常に大きい。
【０００７】
しかし、切換え電流パルスを与える直前にまたは同時に、自由層の磁化困難軸に沿って短い（例えば、＜５ｎｓの）外部磁界パルスを与えて歳差運動切換えを起こすことにより電流を減らすことができる。これについては、Ｋ．Ｉｔｏ他の「磁化困難軸磁界からの歳差運動と組み合わせたスピン・トランスファ・トルク切換えの微小磁気シミュレーション（Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｈａｒｄ ａｘｉｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌｕｍｅ８９、ｐａｇｅ２５２５０９（２００６）、に記述されている。
【０００８】
この方法は、スピン・トランスファ電流を大幅に減らすことはできるが、線に電流を流して外部磁界を与える必要がある。これは拡張性と電力消費の削減の可能性を制限する。
本発明はこの問題を改善するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切換えることができる強磁性領域とこの強磁性領域に容量的に結合するゲートとを含む磁気抵抗素子を動作させる方法を提供する。この方法は、電界パルスを強磁性領域に与えることにより、磁化異方性の配向を変えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。したがって、磁界パルスを生成するための導線を有する素子より少ない電力を用いて歳差運動支援の磁化切換えをトリガすることができる。
【００１０】
この方法は、電界パルスを強磁性領域に排他的に与えて、強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切換えることを含んでよい。この方法は、磁界パルスを与えずに強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切換えるようにすることを含んでよい。電界パルスだけを用いて強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切換え、または磁界パルスを用いずに切換えを支援することにより、電力消費を最小にすることができる。
【００１１】
この素子は、磁界パルスを生成するための強磁性領域の近くを走る導電経路を更に含む。この方法は更に、電界パルスを与えると共に磁界パルスを強磁性領域に与えて、電界パルスの間の異方性磁界と与えた磁界とを含む有効磁界の配向の変化を強化して、磁化を第１と第２の配向の間に切換えることを含む。この方法は、磁界パルスの前縁を与える前に電界パルスの前縁を与えることを含んでよい。
【００１２】
この素子は、強磁性層より高い飽和保持力を有しかつトンネル障壁層により分離される別の強磁性領域を更に含む。この方法は更に、電界パルスを与えると共に強磁性領域を通るスピン・トランスファ電流パルスを与えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。
【００１３】
この方法は、スピン・トランスファ電流パルスの前縁を与える前に電界パルスの前縁を与えることを更に含む。強磁性領域は不均一なひずみ分布を有する強磁性半導体を含んでよく、またこの方法は十分な大きさの電界パルスを与えて電荷キャリヤの分布を不均一なひずみ分布に対して変えることを含む。
不均一なひずみ分布は圧縮ひずみの領域および引っ張りひずみの領域を含む。強磁性半導体は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを含んでよい。
【００１４】
この方法は、
【数１】
で示すｔｐｒｅｃｅｓｓの四分の一の倍数である継続時間ｔを有する電界パルスを与えることを含んでよい。ただし、γは回転磁気定数で
ＢＡは強磁性半導体の磁気異方性磁界である。この方法は、０ｎｓと５ｎｓの間の継続時間ｔを有するパルスを与えることを含んでよい。
【００１５】
この方法は更に、電界パルスを与えることとは独立に磁界を強磁性領域に与えて強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切り換えるのを支援することを含む。
この方法は応力を強磁性領域に与え、応力を与えると共に電界パルスを与えることを含んでよい。
【００１６】
本発明の第２の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法を提供する。この方法は、応力パルスを強磁性領域に与えることにより、磁化異方性の配向を変えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。したがって、磁界パルスを生成するための導線を有する素子より少ない電力で歳差運動または歳差運動支援の磁化切換えをトリガすることができる。
【００１７】
この素子は強磁性領域に機械的に結合する圧電領域を含んでよく、また応力パルスを与えることは圧電領域全体に電圧パルスを与えることを含む。
この方法は、応力パルスを強磁性領域に与えると共に電界パルスを強磁性領域に与えることを含んでよい。
【００１８】
本発明の第３の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、この方法に従って素子を動作させることができる回路とを含む装置を提供する。
【００１９】
本発明の第４の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向との間に切換えることができる強磁性領域と、第１の電気入力に応じて応力を強磁性領域に与える手段と、第２の電気入力に応じて電界を強磁性領域に与える手段とを含む磁気抵抗素子を提供する。
応力を与える手段は強磁性領域に結合する圧電領域を含んでよく、また電界を与える手段は少なくとも１つのゲート電極を含んでよい。
【実施例】
【００２０】
電界パルスで誘導する磁化の反転
図１は、本発明に係る磁気抵抗素子の強磁性素子１を示す。強磁性素子１は均一に分布した磁化を有すると仮定する。ただしこれは必ずしも必要ではない。
強磁性素子１は磁化容易軸２を定義する磁気異方性を示す。磁気異方性は、とりわけ、素子および／または結晶構造の形の結果として生じてよい。例えば、素子１は細長くてよく、磁化容易軸２は長さ軸に沿って整列してよい。
素子１の磁化３は磁化容易軸２に沿って整列する。
【００２１】
外部磁界５を随意に与えて、歳差運動切換えを支援しまた配向に依存して磁化３の配向変更を安定させてよい。例えば、外部磁界５は強磁性素子（強磁性素子１はその１つ）の配列に全体的に与えてよい。外部磁界５を磁化困難軸に沿って固定することにより、歳差運動切換えを容易にして（すなわち支援して）よい（例えば永久磁石を用いて）。
図１に示すように、磁化容易軸２に沿う最初の磁化に逆平行に外部磁界５を整列させて、磁化３の配向変更を安定させる。しかし外部磁界５は磁化容易軸２に沿って整列させる必要はなく、磁化困難軸（図１に示す配置では磁化容易軸２に垂直に配置される）を含む他の角度に向いてよい。
外部磁界５は可変でよく、また導電トラック（図示せず）を通して電流を流して生成してよい。
【００２２】
異方性磁界および随意の外部磁界５は有効磁界６を作る。すなわち、
【数２】
ただし、
は磁化３に作用する有効磁界６、
は異方性磁界、
は外部磁界５である（ベクトル表示）。
後で説明するが、電界パルス７を層の面に例えば垂直に与えて、強磁性素子１内の磁気異方性を一時的に変えて磁化３の歳差運動の配向変更をトリガしてよい。
【００２３】
電界パルス７を与える前（言い換えるとｔ＜０かつＶ＝Ｖ０（例えばＶ０＝０）のとき、ただし、ｔは時間、Ｖはゲート（図示せず）に与えるバイアス）は、磁化３
は有効磁界６の方向に向いている（ここでは正のｘ方向に平行とする）。或る実施の形態では、２個以上のゲート（図示せず）を用いてよい。
次に電界パルス７を与えると磁界異方性が変わり、したがって磁化３は回転して、変化した有効磁界の回りに歳差運動を始める。
【００２４】
したがって、パルス７が始まると（すなわちｔ＝０かつＶ＝Ｖｃ）異方性磁界２が変わって有効磁界６が回転し、すなわち、
【数３】
となり、磁化３は有効磁界６の軸の回りに
減衰歳差運動を開始する。
磁化３が歳差運動を半分行うと電界７をオフにしてよく、磁化３は磁化容易軸２に沿って安定化し始める（逆平行に）。
したがって、パルス７が終わると（ｔ＝Δｔ１８０°かつＶ＝Ｖｃ）、異方性磁界および有効磁界６は、図１の（ｃ）に示すように負のｘ成分を持つ。
【００２５】
パルス７が終わった後すぐに（ｔ＝Δｔ１８０°＋δ（ただしδ＞０）かつＶＧ＝Ｖ０のとき）、異方性磁界２は反転してその元の配向に（ｘ方向に平行に）逆平行に整列し、すなわち、
【数４】
となり、磁化３は有効磁界６の軸の回りに
減衰歳差運動を続ける。
ｔ＞＞Δｔ１８０°かつＶＧ＝Ｖ０のとき磁化３は平衡に達して、有効磁界（−ｘ方向に平行、すなわち
に沿って整列する。
磁化の反転は、配向に依存する磁化３のエネルギーを考えれば理解することができる。例えばＶ０では、ｘ軸に沿う磁化容易軸２はポテンシャル障壁で隔離された２つのエネルギー最小値に対応する。磁化３が磁化困難軸に沿って整列する場合は、障壁の高さはエネルギー増加に対応する。
【００２６】
磁化の反転（すなわち１８０°の磁化の配向変更）を、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）素子や、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や、切換え層と固定基準層との間の相対的配向が素子の抵抗を決定する他の同様のタイプの読取り素子に用いてよい。
ゲート電圧パルス７により元の磁化容易軸４から４５°乃至９０°回転する新しい磁化容易軸ができる場合は、支援磁化を用いずに磁化の反転を達成することができる。
【００２７】
これは、高いキャリヤ密度のＧａ１−ｘＭｎｘＡｓ（例えばｘ＞０．０３のとき）で、例えば素子１内のひずみを引っ張りひずみのときの位置（磁気異方性は層の面に垂直に向いている）から圧縮ひずみのときの位置（磁気異方性は層の面内に向いている）まで空間的に変えることにより行うことができる。磁化容易軸の回転も、ひずんだ構成内のキャリヤ密度を変えることにより行うことができる。
低ドープのＧａ１−ｘＭｎｘＡｓ（ｘ＜０．０２のとき）では、磁気異方性の変化は逆向きに起こってよい。例えば、素子が圧縮ひずみの位置では磁気異方性は面に垂直に向き、素子が引っ張りひずみの位置では磁化異方性は面内に向いてよい。
【００２８】
系の特定の磁気異方性によっては完全な磁化の反転は必要ない。言い換えると、磁化の向きを１８０°変更する必要はない。例えば、磁化容易軸が、パルス長さが長い（例えば、歳差運動パルスの半分）とき角の回転が２２．５°以下であり、パルス長さが短い（例えば、歳差運動パルスの四分の一）とき角の回転がより大きくて９０°以下の場合は、立方磁化異方性を示す素子は９０°の磁気配向変更を行うことができる。観察によると、これは〜０．０１％程度の格子定数の変化により非常に小さなひずみの変動が起こるＧａ１−ｘＭｎｘＡｓで起こることがある。この場合は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）や、トンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）や、クーロン妨害異方性磁気抵抗（ＣＢＡＭＲ）などの異方性磁気抵抗効果を用いて磁化配向を読み出すこともできる。
【００２９】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ素子における磁気結晶異方性の局所制御
図２の（ａ）および図２の（ｂ）は、リソグラフィーで形成された溝９から起こるひずみ緩和を用いて、磁気結晶異方性を調整して制御する素子８を示す。磁気結晶異方性はスピン軌道結合により誘導される。素子８内のバルクＧａＭｎＡｓとひずみ緩和の効果の両方の磁気異方性の特徴付けを助けるため、ファン・デル・ポー（Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ）素子１０を素子８に近接してウェーハ１１内に形成する。
素子８はチャネル１１を有するホール・バー（Ｈａｌｌ ｂａｒ）の形である。チャネル１１は平面図が「Ｌ」の形で、
方向に沿って直交して整列する第１および第２のアーム１１１，１１２を含む。アームは１μｍの（横の）幅（ｗ）と２０μｍの（縦の）長さ（ｌ）を有する。
【００３０】
特に図２の（ｃ）を参照して、素子８は、ＧａＡｓ基板１４上に［００１］結晶軸に沿って成長させた２５ｎｍの厚さを有するＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピタキシャル成長層１３（すなわち、エピ層）を含む層構造１２を有するウェーハ内に形成する。チャネル１１は電子ビームリソグラフィーおよび反応イオンビーム・エッチングを用いて形成する。溝９は２００ｎｍの（横の）幅（Ｗ）および７０ｎｍの深さ（ｄ）を有する。
【００３１】
図３の（ａ）から図３の（ｄ）は、素子８と同じ構成を有する別の素子（図示せず）および素子８の電気的特性を示す。別の素子（図示せず）と素子８とはホール・バーの寸法が異なる。別の素子（図示せず）では、アーム（図示せず）は幅４μｍ、長さ８０μｍである。図２の（ａ）および図２の（ｂ）に示す素子８では、アーム１１１および１１２は幅１μｍ、長さ２０μｍである。
これらの素子８は面内磁気結晶異方性を示し、約５０ｍＴの飽和磁化Ｍｓを有する。これは形状異方性ではなくひずみ緩和の効果により起こる。例えば、素子８の形状異方性磁界は１ｍＴより小さく、この大きさは磁化結晶異方性磁界より１ケタ小さい。したがって、磁化容易軸は形状異方性ではなく磁気結晶異方性により形成する。
【００３２】
異常ホールでのアロット（Ａｒｒｏｔ）プロットを用いて１００°Ｋのキュリー温度（Ｔｃ）を推定した。高磁界ホール測定値からホール密度は５ｘ１０２０ｃｍ−３と推定した。このドーピングで、ＧａＡｓ基板１５上に成長させたＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３内の圧縮ひずみは強い磁気結晶異方性を作る。これは磁化ベクトルを磁気エピ層１３の面に平行に整列させる。
個々のマイクロバー素子８内の磁化配向は、面内回転磁界（図示せず）の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）の縦および横の成分を測定することにより局所で監視する。
【００３３】
図３の（ａ）および図３の（ｂ）は飽和磁界での磁化回転プロットを示し、面内ＡＭＲが次の形に厳密に従うことを示す。すなわち、
ΔρＬ＝Ａｃｏｓ（２φ） （２ａ）
ΔρＴ＝Ａｓｉｎ（２φ） （２ｂ）
ただし、ρＬは縦の抵抗率、ρＴは横の抵抗率、Ａは定数（各ホール・バーのものだけでなく、ファン・デル・ポー素子１０のものも）、φは磁化と電流の間の角である。
は全角の平均である。
【００３４】
図３の（ｃ）および図３の（ｄ）は外部磁界スイープの磁気抵抗プロットを示す。
軸から測定した磁界角θは一定である。
図に示すように、磁気抵抗はθの値に強く依存する。これは磁化回転の結果である。高い磁界では磁気抵抗は純粋に等方性になる、すなわち、異なる角θの抵抗間の差は外部磁界の大きさに関係なくなる。この性質と、低い磁界の異方性磁気抵抗に比べて等方性磁気抵抗の大きさが非常に小さいことにより、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に示す高磁界測定値を用いて、低磁界抵抗の変化と磁化配向の変化との間の１対１対応を決定することができる。両方の抵抗成分を同時に測定する場合は、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に示す縦および横のＡＭＲトレースの間の４５°の移相を用いて磁化角の変化を決定することができる。
【００３５】
固定θの磁気抵抗測定値を用いて、個々のマイクロバー内の局所の磁気異方性をまず決定してよい。磁化容易軸方向に対応するθの値では磁気抵抗は最小である。磁化容易軸方向に対応しないθの値では、磁化は低い磁界で（部分的に）連続的に回転して異なる配向になり、したがって、飽和および残留磁気で異なる測定抵抗になる。この方法を用いると、磁化容易軸方向を±１°以内で決定することができる。
【００３６】
ひずみの空間的変動を導入することの磁気異方性への影響を図４の（ａ）および図４の（ｂ）に示す。
バルク材料では、ファン・デル・ポー素子１０（図２の（ａ））を用いて測定すると磁化角３０°は磁化容易軸に対応するが、７°および５５°はかなり磁化困難である。しかし図２の（ａ）に示す素子８では、７°は
バーで磁化容易軸であり、５５°は［１１０］バーで磁化容易軸である。
【００３７】
次の表１は、「Ａ」で示す他の素子（図示せず）、「Ｂ」で示す素子８、およびバルク材料（すなわちファン・デル・ポー素子１０）に見られる磁化容易軸のリストである。
【表１】
バルク材料は、下側の閃亜鉛鉱形構造から生じる立方異方性と、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓエピ層１３であることから生じる追加の一軸の
異方性とを有する。このため、２つの磁化容易軸は［１００］および［０１０］立方縁から
の方に１５±傾く。
マイクロ素子（すなわち、他の素子（図示せず）および素子８）では、磁化容易軸は、バルク材料内で占められている角からアーム１１１，１１２の方に内向きに回転する。アーム１１１，１１２の幅が減少するに従って回転の程度は増加する。
【００３８】
磁化結晶異方性内の局所の変化は次のように理解してよい。
図２の（ａ）に戻って、ＧａＡｓ基板１５上に成長させたＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３は（００１）面内で圧縮してひずみ、このひずみパラメータの代表的な値は
【数５】
ただし、ａＧａＡｓおよびａＧａＭｎＡｓはそれぞれ、立方晶系の完全に緩和されたＧａＡｓおよび（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの格子パラメータである。上の式（３）とａＧａＡｓおよびａＧａＭｎＡｓの値とを用いると、
である。
【００３９】
バー１１に沿う溝９内の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ材料を取り除くと、格子は横方向に緩和して、対応する伸びはほぼｆｔ／ｗ〜０．０１と推定することができる。ただし、ｔは（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ薄膜の厚さ（この場合は２５ｎｍ）、ｗはバー幅である。
量的なレベルでは、マイクロバー内の格子緩和の強さは現実的なサンプル形状の数値弾性理論シミュレーションを用いて得ることができる。弾性定数のＧａＡｓ値はＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３を含む全ウェーハについて考慮する。
【００４０】
図５は、素子１１（図２ａ）の［１−１０］バー１１２についての格子緩和の強さの数値シミュレーションを示す。
図５の（ａ）は、完全に緩和された立方ＧａＡｓの格子パラメータに関する成長方向［００１］軸に沿うひずみ成分を示す。すなわち、
ｅ［００１］≡（ａ［００１］−ａＧａＡｓ）／ａＧａＡｓ （４）
ひずみ成分はｆと共に直線的に変わるので、ｅ［００１］／ｆをプロットすることができる。
図５は成長誘導の格子整合ひずみを示す。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ格子は面内圧縮なので、弾性媒体はａＧａＡｓに比べて格子パラメータを成長方向に伸ばして反応する。すなわち、ｅ［００１］／ｆ＞１である。
【００４１】
エピ層１３の面内では、格子はマイクロバー配向に垂直な方向にだけ緩和することができる。再びＧａＡｓに関して計算した対応するひずみ成分を、図５の（ｂ）では素子１１の全断面についてプロットし、図５の（ｃ）および図５の（ｄ）では［００１］−［１１０］面を通る種々の断面についてプロットする。バーの中央では面内緩和は比較的弱い（すなわち、格子パラメータはＧａＡｓ基板１５のものと同じ）が、バー１１の縁の近くでは格子は強く緩和される。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓバーの全断面について平均すると、相対的な面内格子緩和は数百分の一パーセント（すなわち、式ｆｔ／ｗによる推定と同程度）であることが分かる。後で説明する微細な磁気結晶エネルギー計算は、これらの外見上小さな格子ひずみが強くスピン軌道結合した（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ内の観測された磁化容易軸回転を説明できることを確認する。
【００４２】
磁化角に依存する全エネルギーの微細な計算は、ＧａＡｓホスト価電子帯の６帯ｋ・ｐ記述と、局所ＭｎＧａｄ５モーメントへの結合の動的交換モデルとの組合せに基づいて行う。この理論は価電子帯のトップのスピン軌道結合現象（その分光組成および関係する対称性は、普通のＧａＡｓホストの場合のようにＡｓ部分格子のｐ軌道により支配される）の記述に適している。またｋ・ｐモデリングは（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ帯構造上の格子ひずみの効果を説明する直接的な手段である。上の微細なシミュレーションの場合と同様に、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ内の弾性定数はＧａＡｓの場合と同じ値を有すると仮定する。調整可能な自由パラメータを用いないこの理論は、圧縮ひずみおよび引っ張りひずみの下に成長させた同様の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓエピ層内の面内と面外の容易磁化配向の間の観測された移行を説明し、また対応するＡＭＲ効果の符号および大きさを矛盾なく説明する。
【００４３】
マイクロバーの磁化結晶エネルギーのモデル化のために、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層内では微細なシミュレーションで得られるｅ［００１］の平均値に対応する均一なひずみを仮定してよい。微細な計算の入力パラメータは、次式
【数６】
で与えられる［１００］−［０１０］−［００１］（ｘ−ｙ−ｚ）座標系内の完全に緩和された立方（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ格子に関係するひずみ成分である。ただし、±は
バーおよび［１１０］バーにそれぞれ対応する。
【００４４】
図６の（ａ）は他の「Ｌ」形素子１５および「Ｌ」形素子８の
バーおよび［１１０］バー内の磁化容易軸の配向を示す。矢印１６はパターン化誘導の格子緩和の方向および強さを示す。
図６の（ｂ）は、計算された磁化結晶エネルギーを、ｆ＝０．３と、ゼロ（面内格子緩和なし）から
バー（ｅｘｙ＞０）および［１１０］バー（ｅｘｙ＜０）についての予想される代表的な値までの範囲のｅｘｙとについて、面内磁化角の関数としてプロットしたものである。詳しく述べると、［１１０］軸に沿う格子延長に対応するｅｘｙ＝０．００４，．．．，０．０２％と
軸に沿う格子延長に対応するｅｘｙ＝−０．００４，．．．，−０．０２％とについて、ゼロせん断ひずみ（黒線）の面内磁化角の関数としてエネルギーをプロットする。磁化容易軸はｅｘｙ＝０と、０．０２％と、−０．０２％にある。微細な磁化結晶エネルギー・プロフィールの
対称性を破る格子変形を、［１１０］バー（下部のダイアモンド）では［１１０］軸に沿って伸びる、また［１１０］バー（右側のダイアモンド）では［１１０］軸に沿って伸びる、ダイアモンド状のユニット・セルにより示す。
【００４５】
実験と一致して、ｅｘｙ＝０のときの［１００］および［０１０］での最小値は、［１１０］方向に沿う格子伸張（ｅｘｙ＞０）では
方向に向かって動き、また
方向に沿う格子伸張（ｅｘｙ＜０）では［１１０］方向に向かって動く。２つのバー内の実験的な磁化容易軸回転の間の非対称性はバルク材料内にすでに存在する［１１０］一軸成分（その微細な起源は分からない）のためであるが、固有の（微小パターン化により誘導されたものでない）ひずみｅｂｕｌｋｘｙ〜＋０．０１％によりモデル化することができる。
【００４６】
上に述べた素子は、圧縮ひずみの下で成長させた面内磁化異方性を持つＧａＭｎＡｓからのストライプの微小パターン化により誘導される相互ひずみ緩和を用いる。他方で、垂直磁化異方性を持つ引っ張りひずみのＧａＭｎＡｓからパターン化されるワイヤはその格子定数を小さくすることにより緩和する。この場合は、微小パターン化すると引っ張りひずみのＧａＭｎＡｓバルク層に比べて垂直磁化異方性は弱くなる。
【００４７】
また強磁性材料の磁化結晶異方性は局所ひずみに敏感に依存する。平衡格子にひずみがあれば局所異方性が変わる。極薄膜では、ひずみは表面上の成長により誘導される。したがって、ＧａＭｎＡｓと同様に、ＧａＡｓ［００１］基板上にエピタキシャル成長させたコバルト（Ｃｏ）または鉄（Ｆｅ）の極薄層は、バルクの立方磁気異方性と、界面からの一軸の寄与を示す。
【００４８】
電荷キャリヤ密度の変動による磁気異方性
図７は、第１のキャリヤ密度ｐ＝８ｘ１０２０ｃｍ−３と第２のキャリヤ密度ｐ＝６ｘ１０２０ｃｍ−３について、ｅ０＝−０．２％の圧縮ひずみとｅｘｙ＝−０．０２％の
に沿う格子変形（伸張）の下でＧａＡｓ［００１］上に成長させた横に歪んだＧａ０．９６Ｍｎ０．０４Ａｓの磁気結晶エネルギー・プロフィールを示す。第１および第２の矢印１７，１８は第１および第２のキャリヤ密度についての磁化容易軸の配向をそれぞれ示す。
【００４９】
図７に示すように、キャリヤ密度が変化すると、歪んだＧａＭｎＡｓ内の磁化異方性が変動することがある。スクリーニング長さが短いために高ドープ（〜１０２０−１０２１ｃｍ−３）のバルク半導体内でのキャリヤ密度を変えるのは困難であるが、十分に（電気的に）絶縁されたナノ構造内ではかなりのキャリヤ密度の変更が実現される。
上に図６の（ｂ）で示したのと同様な理論的計算によると、磁化異方性はキャリヤ密度に敏感に依存する。図７に示すように、キャリヤ濃度が〜２５％減少すると、磁化容易軸は
の結晶配向まで約９０°変わる。
【００５０】
電界誘導による磁化異方性の変動を実現する本発明の別の実施の形態について以下に説明する。これらは、歪んだ強磁性半導体内の電荷キャリヤ密度を変えることと、不均一に歪んだ強磁性半導体系内の最大キャリヤ濃度の中心をシフトすることと、強磁性層に圧電層を付加することにより、または例えばＧａＭｎＡｓ（従来のようにドープされたＧａＡｓと同様の圧電特性を有する）内で可能なように強磁性材料自身の圧電特性を利用することにより、強磁性層内のひずみを変えることを含む。
【００５１】
更なる磁気抵抗素子
本発明に係る磁気抵抗素子の更なる実施の形態について以下に説明する。
まず、電界パルスを与えると強磁性領域内の電荷キャリヤ密度が変わり、これにより磁化異方性が変わり、これにより磁化が歳差運動を開始する磁化抵抗素子を説明する。
図８の（ａ）および図８の（ｂ）は第１および第２の磁気抵抗素子２１１，２１２を示す。第２の素子２１２は第１の素子２１１の変形である。
各素子２１１，２１２はひずみの下にある強磁性領域２２（ここでは強磁性「島」とも呼ぶ）を含む。これらの例では、強磁性領域２２は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓなどの強磁性半導体を含む。しかし、異なる強磁性半導体を用いてよい。
【００５２】
強磁性領域２２の磁化の配向は、強磁性領域２２に容量的に結合するゲート２３を用いて短い電界パルスを与えることにより変えることが、または変えるのを助けることができる。電界パルスを与えると強磁性領域２２内の電荷キャリヤ密度が変わり、これにより磁化異方性が変わり、これにより磁化は歳差運動を開始する。強磁性領域２２は十分小さくて、所定の動作温度（４．２°Ｋなど）で充電効果を示してよい。例えば、強磁性領域２２は１ｎｍまたは１０ｎｍ程度の寸法（層の厚さおよび横の直径）を有してよい。しかし、強磁性領域２２はより大きくてよい（例えば、１００ｎｍ、１μｍ、またはそれ以上の程度の寸法）。
【００５３】
強磁性領域２２は第１および第２のリード２４，２５の間に配置され、それぞれのトンネル障壁２６，２７によりリード２４，２５に弱く結合する。或る実施の形態では、１つ以上の強磁性材料の島があってよい（例えば鎖状に配置された）。
磁化の配向変更は電圧パルス２９をゲート２３に与えるパルス発生器２８を用いてトリガする。
【００５４】
配向の方向は種々の方法で測定してよい。
例えば第１の素子２１１では、電圧源３０および電流検出器３１を用いてトンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）を測定することにより磁化の配向を決定してよい。第１および／または第２のリード２４，２５が強磁性の場合は、電圧源３０および電流検出器３１を用いてトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を測定することにより磁化の配向を決定してよい。いずれの場合も、測定は電圧を与えて電流を流して、電流を測定することを含む。
第２の素子２１２では、電圧源３０および電流検出器３１を用いてＴＭＲを測定することにより磁化の配向を決定してよい。しかし、第１のリード２４と第３のリード３２（強磁性島２２からトンネル障壁３４で分離されるピン強磁性領域３３に接続する）との間にバイアスを与えて、その電流を測定する。認識されるように、異なる測定構成を用いてよい。
【００５５】
図９は第１の素子２１１を更に詳細に示す。
第１の素子２１１は細長い導電チャネル３６を有し、ゲート２３はチャネル３６の側面に配置する（すなわち、側面ゲート構成）。チャネル３６および側面ゲート２３は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓのパターン化層３７内に溝絶縁により形成する。ＡｌＡｓの層３８はチャネル３６および側面ゲート２３をＧａＡｓ基板３９から電気的に絶縁する。チャネル３６は広い部分の間に形成したくびれ４０を含む。広い部分はくびれ４０へのリード２４，２５を形成する。
【００５６】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層３７は２％のＭｎを含み（すなわち、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓ）、５ｎｍの厚さを有する。ただし、表面酸化のために有効厚さは約３ｎｍであろう。くびれ４０は幅３０ｎｍ、長さ３０ｎｍである。チャネル３６は幅２μｍである。チャネル３６とゲート２３は約３０ｎｍ離す。
くびれ４０の領域では、不規則から生じるポテンシャル変動により少なくとも１つの導電島２２および少なくとも１対のトンネル障壁２６，２７が生成されて、島２２とリード２４，２５および／または隣接する島２２とを弱く結合する。
【００５７】
図１０の（ａ）から図１０の（ｃ）を参照して第１の素子２２１の特性を説明する。
図１０の（ａ）は、ゲート電圧および面内の電流に平行な磁界に対するチャネル・コンダクタンスのグレースケール・プロットである。点線４１はゲート・バイアスに依存する臨界配向変更磁界（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）ＢＣをハイライトする。臨界配向変更磁界ＢＣは、ＶＧ＝−１Ｖでの約４０ｍＴからＶＧ＝＋１Ｖでの約２０ｍＴ以下まで減少する。
【００５８】
島２２が円板形と仮定すると、実験的に得られた電荷エネルギーの値を用いて、有効円板直径は約１０ｎｍと推定できる。したがって、島２２には約４０マンガン・アクセプタが存在する。キャリヤ密度の約４０％の減少に対応してＶＧが−１Ｖから＋１Ｖまで変化する場合は、約１６クーロン振動が観測される。臨界配向変更磁界ＢＣは、ＶＧ＝−１Ｖでの約５０ｍＴからＶＧ＝＋１Ｖでの約２０ｍＴ以下まで減少する。
【００５９】
図１０の（ｂ）は、島２２が或る磁化Ｍ０に留まるＢ０＝０と、島２２が飽和磁化Ｍ１に留まるＢ０＝−１００ｍＴでの、ＶＧ＝−１ＶとＶＧ＝＋１Ｖの間のゲート電圧範囲のクーロン・ブロッケイド振動（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｂｌｏｃｋａｄｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ）のプロットである。中間の磁界Ｂ０＝−３５ｍＴでのコンダクタンスの測定値は、約−０．５Ｖの限界ゲート電圧でＭ０からＭ１に移行することを示す。
【００６０】
図１０の（ｃ）は、ＶＧ＝−１ＶとＶＧ＝＋１Ｖの間のゲート・バイアスＶＧに対する臨界配向変更磁界ＢＣの依存性を示すプロットである。これは、振幅ＶＧ≧２．５Ｖのゲート電圧パルスはＢ０＝０で磁化の切換えをトリガできることを示す。認識されるように、異なる素子構造および／または材料を用いた場合でも同様のプロットが得られ、これを用いて、磁化の切換えをトリガするのに必要なバイアスを見つけることができる。
【００６１】
図１１の（ａ）および図１１の（ｂ）に示すように、第２の素子２１２は第１の素子２１１の変形である。
素子２１２を形成するには、ＧａＡｓ基板３９上にＡｌＡｓ３８’の層を成長させ、次に（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの層（図示せず）を成長させ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓをパターン化して固着層３２と第３の電極３３とを１つの片として含む下側の電極構造４２を形成し、次にパターン化した基板の上に別のＡｌＡｓの層４３および別の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの層を成長させ、別の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの層をパターン化してチャネル３７’およびゲート２３を形成する。
【００６２】
下側の電極構造の代わりに上側の電極構造を用いてもよい。例えば、電極を形成するＡｌＡｓ層および（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層は、チャネルおよびゲートを形成した後に成長させて、パターン化して固着層および第３の電極を含む電極を形成してよい。または、ＳｉｘＮｙなどの薄いゲート誘電体およびＣｏなどの強磁性材料を堆積させて、リフトオフまたはドライ・エッチングを用いてパターン化してよい。
【００６３】
図１２は第１および第２の素子２１１、２１２の書込みおよび読取りサイクルを示す。
後でより詳細に示すが、素子２１１、２１２は４つの状態Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を示すことができる。しかし、素子２１１、２１２はより少ない状態（例えば、逆平行の２つの状態）またはより多くの状態（例えば、面内の二軸異方性および垂直の一軸異方性を利用した６つの状態）を示すことができる。更に、素子２１１、２１２が例えば４つの状態Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を示すことができる場合でも、例えばソースおよび／またはドレン領域が強磁性であるかどうかに従って、全ての状態を区別できることもあるし、またはいくつかの状態を区別ができないこともある。
【００６４】
以下に、２つのタイプの書込みパルスを説明する。書込みパルスにより、強磁性島２２の磁化４４は、１つのタイプのパルス（いわゆる「ｔ１８０」パルス）では２つの状態の間に切り換わり、別のタイプのパルス（いわゆる「ｔ９０」パルスでは４つの状態の中の２つの「隣接」状態の間に切り換わる。
図１２に示す磁化４４のプロットは磁化のエネルギーを表すのではなく、単に異なる状態を表すことに注意していただきたい。或る実施の形態では、これらは角依存性０°，９０°，１８０°，２７０°を表してよい。
以下に、いわゆる「トグル」切換えを説明する。「ｔ１８０」パルス２９を繰返し与えると磁化４４は２つの状態（例えば、「０」を表すＭ１と「１」を表すＭ３）の間に「切り換わる（ｔｏｇｇｌｅ）」。しかし「ｔ９０」パルス２９を繰り返し与えると磁化４５は１つの状態から隣の状態に漸進的に「回転する」。
【００６５】
例えば、「０」状態と「１」状態との間にまたはその逆に切り換えて素子２１１、２１２にデータを書き込むには、電圧パルス２９をゲート２３に与える。
パルス２９は歳差運動の周期ｔｐｒｅｃｅｓｓの半分の継続時間ｔ１８０を有する。歳差運動の周期ｔｐｒｅｃｅｓｓは次式で与えられる。
【数７】
ただし、γは回転磁気定数
ＢＡは磁気異方性磁界であって、例えばサンプル、グレーン、ドメイン壁、または他のタイプの障壁での磁化内の発散により作られる消磁磁界を含んでよく、異方性を生じる。この例では、ｔｐｒｅｃｅｓｓは約１ｎｓである。ｔｐｒｅｃｅｓｓの値は一般に１００ｐｓから１０ｎｓの範囲内にあってよい（Ｂａが１００ｍＴから１ｍＴの場合）。
電圧パルスの大きさ｜ＶＧ｜は１Ｖから１０Ｖ程度である。
【００６６】
前に説明したように、外部磁界を与えて磁化の安定化を助けまたは歳差運動を促進してよい。外部磁界は永久磁石（図示せず）でまたは導電トラック（図示せず）で与えてよく、その大きさは好ましくは異方性磁界と同程度かまたはより小さい（例えば、１ｍＴから１００ｍＴ程度）。
或る実施の形態では、外部磁界および／またはスピン・トランスファ・トルク電流を用いて磁化４４を特定の方向に向けることにより、特定の状態を書き込んでよい（状態間を切り換えるのとは異なり）。ここでは、これを「直接書込み」と呼ぶ。
【００６７】
磁気抵抗素子が、絶縁層により分離されたピン強磁性層および自由強磁性層を有する実施の形態では、電界パルスを与えると同時にまたは少し後に、スピン・トランスファ・トルク（ＳＴＴ）電流パルスを与えることにより磁化の配向変更を行ってよい。「少し後に」とは、電界パルスを与えた後に磁化がまだ歳差運動を行っていてまだ減衰していない時間内を意味する。一般にこの時間は０ｎｓと５ｎｓの間である。
素子２１１、２１２からデータを読み取るには、素子２１１、２１２のソース２４とドレン２５の間にバイアス・パルス４５を与えて、電流３１（ｉ）を測定する。電流の大きさは素子のトンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）および／またはトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）に依存し、これはまた「０」および「１」の状態を表す強磁性領域２２の磁化の配向４４に依存する。
【００６８】
前に説明したように、３つ以上の状態の配向は、ＡＭＲ、ＴＡＭＲ、ＣＢＡＭＲなどの異方性磁気抵抗効果を測定することにより、またはリード３２と基準（例えば、接地）との間の横のホール電圧（面に垂直な磁化容易軸に沿う状態に対する異常ホール効果から生じる）を測定することにより、決定することができる。
【００６９】
図１３の（ａ）、図１３の（ｂ）、および図１３の（ｃ）を参照して、第１の素子２１１の製作について以下に説明する。
図１３の（ａ）を参照すると、素子２１１は、低温分子ビーム・エピタキシ（ＬＴ−ＭＢＥ）によりＧａＡｓ基板３９上のＡｌＡｓ３８”バッファ層上の［００１］結晶軸に沿って成長させた極薄（５ｎｍ）のＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピ層３７”から製作する。これについては、Ｒ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ，Ｋ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ，Ｌ．Ｘ，Ｚｈａｏ，Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎ，Ｂ．Ｌ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，Ｃ．Ｒ．Ｓｔａｄｄｏｎの「砒素ダイマーと共に成長させた高品質ＧａＭｎＡｓ薄膜（Ｈｉｇｈ−ｑｕａｌｉｔｙ ＧａＭｎＡｓ ｆｉｌｍｓ ｇｒｏｗｎ ｗｉｔｈ ａｒｓｅｎｉｃ ｄｉｍｅｒｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌｕｍｅ２４７，ｐ４３（２００３）を参照していただきたい。
【００７０】
ＧａＭｎＡｓは光学リソグラフィーに用いるアルカリ現像液に対して強く反応するので、ホール・バー１４は、２５℃でメチル・イソブチル・ケトン／イソプロパノールの１：３混合内で超音波を用いて現像したポリ・メチル・メタクリ酸メチル（ＰＭＭＡ）レジストを用いて、電子ビームリソグラフィーを用いて形成する。
２０ｎｍと６０ｎｍの厚さをそれぞれ有する熱蒸発させた高電子コントラストＣｒ／Ａｕレジストレーション・マーク（図示せず）を、１μｍ厚さのレジスト（図示せず）および〜２５０ｎｍの電子ビーム直径を用いたリフトオフによりパターン化する。蒸発の前に１０％ＨＣｌ溶液内に３０ｓディップして、ＧａＭｎＡｓを過度に損なわずに金属の接着を助ける。
【００７１】
〜２００ｎｍ厚さのレジスト層（図示せず）をＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピ層３７の表面Ｓに与える。最も微細な部分は、〜１５ｎｍのビーム直径と〜５ｐＡの電流を有する電子ビーム（図示せず）を用いて、近接したレジストレーション・マークでオンチップ集束により形成する。重要度の低い領域（図示せず）は〜２５０ｎｍビームにより〜１ｎＡで同じレジスト内に形成する。高分解能領域はできるだけ小さくなるように配置して、書込み時間およびパターン・ドリフトを最小にする。
図１３の（ｂ）では、レジストを現像して、パターン化したレジスト層Ｍをエッチ・マークとして残す。
【００７２】
図１３の（ｃ）では、反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）を溝の絶縁に用いる。ＲＩＥによる導電率の低下があっても、ＧａＭｎＡｓの高い導電率と比べると非常に小さいと予想される。ＲＩＥ室（図示せず）内の圧力は２０ｍＴｏｒｒであり、ＳｉＣｌ４およびＡｒの流れは２０ｓｃｃｍで、ＧａＡｓおよびマンガンを除去するのに適した必要な物理的および化学的エッチングの混合が得られる。１００Ｗで１０−１５ｓの一般的なエッチを行うと、２０−３０ｎｍの深さを有しかつＧａＭｎＡｓ層を安全に通る溝Ｔが得られる。
【００７３】
Ｃｒ／Ａｕ（２０ｎｍ／３００ｎｍ）結合パッドを熱蒸発させる。再び、その前にＨＣｌ溶液内で接着ディップを行う。結合パッドはＧａＭｎＡｓ層への低抵抗の電気接触子を形成するので別個の抵抗金属皮膜は必要ない。
この例では、素子は［１１０］方向に沿って整列したホール・バー・レイアウトに配置され、くびれのどちらかの側に、２μｍ幅のチャネルと、５００ｎｍ幅で１０μｍ間隔の３対のホール・センサ端子とを有する。しかし、他の配列を用いてもよい。
【００７４】
第２の素子２１２を作るには上に説明した製作プロセスを変更する。
より厚いＧａＭｎＡｓ層（例えば、厚さ２５ｎｍ）を有する異なる最初の層構造を用いる。電子ビームリソグラフィーおよびＲＩＥを用いて層構造をパターン化して、下側の電極構造４２（図１１の（ａ））を形成する。次に、上に述べたＬＴ−ＭＢＥにより、別のＡｌＡｓ層（３ｎｍの厚さを有する）およびＧａＭｎＡｓの層を成長させる。この構造をパターン化して第１の素子２１１と同様の方法でチャネルを形成する。
下側の電極構造４２（図１１の（ａ））のパターン化とＡｌＡｓ層およびＧａＭｎＡｓ層の成長の間の汚染を最小にするためのいくつかの方法を用いてよい。例えば、最初の層構造を成長させた直後にイオン・ビーム・ミリングを用いて下側の電極構造４２（図１１の（ａ））をパターン化し、次に真空を破らずに追加の層を成長させてよい。
【００７５】
図８の（ｃ）は第３の磁気抵抗素子２１３を示す。
第３の素子２１３は第１および第２のリード２４，２５の間に配置された強磁性領域２２を有する２端子素子で、トンネル障壁２６により一方のリード２４に、また半導体強磁性領域２２およびリード２５により形成される空乏領域が作る調整可能な障壁３５により他方のリード２５に、弱く結合する。
この例では、強磁性領域２２はｐ型半導体（例えば、Ｇａ（Ｍｎ，Ａｓ））で構成しまたリード２５はｎ型半導体（例えば、ＳｉをドープしたＧａＡｓ）で構成するので、調整可能な障壁３５は逆バイアスのｐ−ｎ接合である。しかし、リードは金属でよいので、調整可能な障壁３５はショットキー障壁でよい。
【００７６】
図１４の（ａ）および図１４の（ｂ）は第３の素子２１３を更に詳細に示す。
素子２１３は基板４８から直立した柱４７を含む。柱４７は、１−１０ｘ１０１８ｃｍ−３程度の濃度にドープしかつ（エッチングしていない）２００ｎｍの厚さを有するＧａＡｓの層２５と、約５ｎｍの厚さを有するｐ型Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓの層２２と、２５ｎｍの厚さを有するＡｌＡｓの層２６と、約１０ｎｍの厚さを有するＡｕの層とを含む。
素子はＧａＡｓ基板（図示せず）上に成長させた層構造（図示せず）から製作し、順に、２００ｎｍの厚さのｎ型ＧａＡｓ（図示せず）の層と、５ｎｍの厚さのＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓの層と、２５ｎｍの厚さのＡｌＡｓの層とで構成する。Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓは低温分子ビーム・エピタキシ（ＬＴ−ＭＢＥ）により成長させる。
【００７７】
電子ビームリソグラフィーおよび熱蒸発を用いて、１０ｎｍ程度の厚さを有する金（Ａｕ）のパッドを層構造（図示せず）の表面上に形成し、またＳｉＣｌ４／ＡｒのＲＩＥを用いて柱４７を形成する。
柱４７の頂部に接触させるため、例えばポリイミドを用いて柱を平らにし、金の接触パッドを堆積させてよい。
基板に接触させるには非磁気抵抗接触子を用いる。
【００７８】
図１５は第３の素子２１３の書込みおよび読取りサイクルを示す。
前に述べた第１および第２の素子２１１、２１２と同様に、第３の素子２１３は４つの状態Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を示すことができる。
第３の素子２１３が異なる点は、書込みパルスか読取りパルスかは電圧パルス２９の極性が決定することである。
【００７９】
データを素子２１３に書き込むには、固定のトンネル障壁に隣接するリード２４に他方のリード２５に対して負の電圧パルス２９を与えてｐ−ｎ接合３５のバイアスを反転させ、空乏領域の幅を拡げて空乏を増やして強磁性領域２２内のキャリヤ密度またはキャリヤ密度分布を変えることにより、歳差運動を起こす。前に説明したように、パルスの継続時間を用いて、言い換えるとｔ９０およびｔ１８０パルスを用いて、２つの状態の間にまたは３つ以上の状態の間に切り替えることができる。
データを読み取るには、固定のトンネル障壁に隣接するリード２４に他方のリード２５に対して正の電圧パルス２９を与えて、磁化配向に依存する電流４６（ｉ）を測定する。
【００８０】
図１６の（ａ）、図１６の（ｂ）、図１６の（ｃ）を参照して磁気抵抗素子５１を説明する。この場合は、電界パルスを与えることにより、不均一に歪んだ強磁性半導体内の最大キャリヤ濃度をシフトさせ、これにより磁化異方性を変えて磁化の歳差運動を開始させる。
素子５１は、一般に細長くて約１μｍの幅（ｗ）と約２０μｍの長さ（ｌ）とを有するホール・バー５２を含む。ホール・バー５２は第１および第２の端末リード５３，５４と、バー５２の対抗する側に対に配置された第１、第２、第３、第４の側面リード５５，５６，５７，５８とを有する。ホール・バー５２は下側および上側の電極５９，６０（以後それぞれ、「下部」および「上部」電極と呼ぶ）の間に挟まれる。
【００８１】
図に示すように、パルス発生器６１を用いて上部および下部電極５９，６０の間に電圧パルス６２を与える。電流源６３を用いて、第１および第２の端末リード５３，５４の間のホール・バーを通して読取り電流（ｉｒｅａｄ）を与える。第１および第２の電圧計６４，６５は第１および第２のリード５５，５６の間と第２および第４の側面リード５６，５８の間のバイアスを測定して、縦および横の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）をそれぞれ決定する。また第２および第３の側面リード５６，５７の間で測定したバイアスを用いて、異常ホール効果（ＡＨＥ）抵抗を測定することができる。
ＡＭＲ測定値を用いて、ＶＧ＝Ｖ０（例えば、Ｖ０＝０）で二軸の面内異方性を示す強磁性層内で磁化の回転が１８０°より小さい（例えば、９０°）ときの２つの状態の間を区別することができる。
ＡＨＥ測定値を用いて、ＶＧ＝Ｖ０で垂直異方性を持つ系内の上と下の状態の間を区別することができる。
【００８２】
特に図１６の（ｂ）および図１６の（ｃ）では、下部電極５９として働くインジウム・ガリウム砒素（Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ）基板６６上にホール・バー５２を形成する。ホール・バー５２は、ＩｎＧａＡｓ基板６６の上側のＡｌＡｓで形成するベース障壁層６７と、段階的（ｇｒａｄｅｄ）ＩｎＧａＭｎＡｓで形成する不均一に歪んだ強磁性層６８と、ＡｌＡｓで形成する頂部障壁層６９とを含む。頂部ゲート電極６０はＡｌで形成する。
【００８３】
強磁性層６８内の格子定数を制御して変えて、層６８内に不均一なひずみを作る。Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓの格子定数はＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓの格子定数より大きいのでＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ上に成長させた次のＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓは引っ張りひずみを有する。更に、インジウムを再び導入してＩｎＧａＭｎＡｓを形成する。ＩｎＧａＭｎＡｓの格子定数がＩｎＧａＡｓ基板の格子定数より大きくなるまでインジウム濃度を上げて圧縮ひずみを得る。
素子５１は、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ）基板６６’（ｙ＝５％）と、〜２０ｎｍの厚さを有するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）の層６７’と、インジウム・ガリウム・マンガン砒素（ＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ）６８’ の段階層（これはＧａＭｎＡｓ６８１’のベース層を含み、〜１０ｎｍの厚さを有する）とを含むウェーハ７０から製作する。
【００８４】
図１７では、引っ張りひずみを与えながらＧａ１−ｘＭｎｘＡｓの層６８１’をＡｌＡｓ層６７’の上にエピタキシャル成長させ、層６７’をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板６６’上に成長させる。この例では、マンガンの濃度は５％（すなわち、ｘ＝０．０５）であり、インジウムの濃度はｚ＝０から１０％まで増加する。
ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板６６’の一層広い格子定数をＧａ１−ｘＭｎｘＡｓ層６８１’に移す（ｔｒａｎｓｍｉｔ）と引っ張りひずみを導入する。ＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ６８’を更に成長させる間にインジウムを導入して格子定数を更に大きくして、４元素合金ＩｎＧａＭｎＡｓを形成する。層６８１のベース７１からの距離（ｄ）が大きくなるとインジウム濃度［Ｉｎ］は増加する。
【００８５】
異なるひずみプロフィールを用いてよい。例えば、強磁性層６８内のひずみが、基板に一層近いところで引っ張りひずみになり基板から一層遠いところで圧縮ひずみに変わるのではなく、圧縮から引っ張りに変わってよい。これは、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板ではなくガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を有するウェーハから製作し、インジウム（Ｉｎ）ではなく燐（Ｐ）を導入してガリウム・マンガン燐砒素（Ｇａ１−ｙＭｎｘＰｚＡｓ１−ｚ）の段階層を形成することにより得られる。燐濃度が高くなるに従って格子定数は小さくなる。
【００８６】
図１８では、強磁性層６８の形を変えることによりひずみも変えることができる。例えば、強磁性層６８の幅は、層６８のベース７１では狭くし（幅ｗ１を有する）、ベース７１から離れたところでは広く（幅ｗ２＞ｗ１を有する）してよい。したがって、層６８の一層厚い上部より層６８の一層薄い下部の方が、格子はより緩和される。強磁性層６８は均一にドープしてよい。
【００８７】
図１９の（ａ）および図１９の（ｂ）では、２つのゲート５９，６０の間にゲート・パルス６２を与えると電界７２を生成して電荷キャリヤ（ここでは多数キャリヤである正孔だけを示す）をシフトして、下側の引っ張りひずみ領域７４内および上側の圧縮ひずみ領域７５内の電荷キャリヤ濃度を変える。詳しく述べると、パルスはキャリヤ７３を下側の引っ張りひずみ領域７４から上側の圧縮ひずみ領域７５に引っ張って、上側の圧縮ひずみ領域７５内の電荷キャリヤ濃度を上げる。
【００８８】
下の表２ではひずみおよびキャリヤ濃度で磁気異方性の配向を識別する。
【表２】
磁気層６８の磁気異方性７６は、層６８の面に垂直な（すなわち、軸７８に沿う）第１の位置７７１の向きから層６８の面に沿う（すなわち、軸７９に沿う）第２の位置７７２の向きに変わる。したがって有効異方性磁界ＢＡは９０°回転する。これにより磁化８０は歳差運動を開始し、π／２パルスで配向を９０°変える。
【００８９】
後でより詳細に説明するが、別の同一のパルス６２を与えると、有効異方性磁界ＢＡは再び９０°回転するので磁化は更に９０°の歳差運動を続ける。したがって、有効異方性磁界ＢＡは再び面外軸７７に沿う向きになるが、磁化は第１の配向７７１に対して逆平行の第３の配向７７３になる。それにもかかわらず、第１および第３の状態（すなわち、磁化８０がこれらの第１および第３の配向７７１、７７３に整列する）の磁気抵抗は同じである。これは、前に説明したように、同一線上になければ、ＡＭＲ測定値は最初と最後の磁化の状態を区別することができるからである。ＡＨＥ測定値は面に垂直な２つの逆の磁化配向を区別することができる。ＴＭＲ測定値は固定の基準層に関して平行および逆平行の配向を区別することができる。
【００９０】
書込みおよび読取りサイクルは前に述べた図１２に示すものと同様である。しかし、読取りサイクルでは、ソース・ドレン・バイアスを与えて電流を測定するのではなく、素子を通して電流を流して、リード５５，５６，５７，５８の間に生じる電位差を測定する。
素子５１は、第１の素子２１１を製作するための前に説明したのと同様の方法を用いて製作する。例えば、前に説明したのと同様の方法で層構造を成長させ、電子ビームリソグラフィーおよびＲＩＥを用いてパターン化する。
【００９１】
図２０の（ａ）および図２０の（ｂ）を参照して第４の磁気抵抗素子８１について以下に説明する。これは、ひずみパルスを与えると磁気異方性が変わって磁化の歳差運動を開始する。
素子８１は、第１および第２の接触リード８４，８５を有する圧電層８３上に取り付けた積層構造８２を含む。層構造８２に電気的に接触させるために第１および第２の接点８６，８７を用いる。
積層構造８２は約１μｍの幅（Ｗ）と約１μｍの長さ（Ｌ）とを有する。
図に示すように、パルス発生器８８を用いて圧電接触リード８４，８５の間に電圧パルス８９を与える。電圧源９０を用いて接点８６，８７の間にバイアスを与え、また電流計９１を用いて積層構造８２を通って流れる電流を測定する。
【００９２】
特に図２０の（ｂ）を参照すると、圧電ストレッサ８３に接着剤９３で取り付けたガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板９２の上に積重ね層構造８２を形成する。圧電ストレッサは鉛・ジルコン酸塩・チタン酸塩（ＰＺＴ）から形成する。積層構造８２は、（非強磁性）ｎ＋−ＧａＡｓを含む底部接触層９４と、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含みかつ５ｎｍの厚さを有する比較的低い飽和保磁力を有する強磁性層（すなわち、「自由」層）９５と、２５ｎｍの厚さを有するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）を含むトンネル障壁層９６と、５０ｎｍの厚さを有するＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含む比較的高い飽和保磁力を有する強磁性層（すなわち、「固着」層）９７と、（非強磁性）金を含む頂部接触層９８とを含む。
【００９３】
他の配列および他の材料を用いてよい。例えば、圧電ストレッサ８３は基板９２と一体的に形成してよい。例えばＧａＡａは［１１０］軸に沿う圧電層でよい。
認識されるように、第４の素子８１の強磁性層は半導体である必要はなくて金属でよく、またＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどの強磁性金属、または金属合金ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ、または他の適当な遷移金属／貴金属合金を含んでよい。
書込みおよび読取りサイクルは前に述べた図１２に示したものと同様である。
積重ね層構造を用いる必要はない。代わりに、「面内」移送（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）構造（例えば、図９に示したものと同様な）を用いてよい。例えば、図９に示す構造を圧電ストレッサ８３上に取り付けてよい。
【００９４】
図２１の（ａ）および図２１の（ｂ）を参照して第５の磁気抵抗素子１０１について以下に説明する。これは、電気パルスと共にひずみを与えると磁気異方性が変わって磁化の歳差運動を開始する。
素子１０１は強磁性材料のチャネル１０３を形成する十字形メサ１０２を含む。これは、この場合はＧａＡｓの層１０４内に埋め込まれたＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓのデルタ・ドープ層であって基板１０５で支持される。第１、第２、第３、第４の接点１０６，１０７，１０８，１０９はチャネル１０３の遠端の接点で、表面頂部ゲート１１０を用いて磁気異方性を制御する。基板１０５は第１および第２の接点１１２，１１３を有する圧電層１１１上に取り付ける。これらの接点は、強磁性チャネル１０３に事前応力を与えるために圧電層１１１内に電界を生成するのに用いる。
チャネル１０３の各アームは約２μｍの幅と約２０μｍの長さを有する。
【００９５】
図に示すように、第１のパルス発生器１１４を用いて、圧電接触リード１１２，１１３の間に電圧パルス１１５を与えてチャネル１０３に事前応力を与える。第２のパルス発生器１１６を用いて、電圧パルス１１７を表面ゲート１１０に与えて磁気異方性の歳差運動を起こす。
電圧源１１８を用いて第１および第２の接点１０６，１０７の間にバイアス１１９を与え、電流計１２０を用いて第３および第４の接点１０８，１０９の間を流れる電流１２１を測定する。
特に図２１ｂでは、基板１０５を接着剤層１２２により圧電層１１１に取り付ける。
【００９６】
書込みおよび読取りサイクルは前に述べた図１２に示すものと同様である。しかし図２２に示すように、電圧パルス１１５はｔ１８０またはｔ９０パルスの間与える。
これまで説明した実施の形態では、素子へのデータの書込みおよび読取りは２つの状態だけを有するかのように素子を処理することに基づき、素子毎に１ビットの情報だけを記憶する。しかし二軸の面内異方性および一軸の面に垂直な異方性を利用することにより、パルスおよび反転パルスという２つのタイプの組合せを用いて、６つの残存磁気配向にアクセスして、３ビット以上（すなわち、６つの異なる状態に対応する
を符号化することができる。
【００９７】
図２３では、強磁性層２２，６８，９５，１０３は６つの残存磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６を示す。
強磁性層２２，６８，９５，１０３は２つの領域で動作することができる。すなわち、ゼロｄｃバイアス・オフセット（すなわち、ＶＧ＝Ｖ０）に関して２つのタイプのパルスを与える二軸の面内異方性領域と、反転バイアス・パルスを与える（すなわち、非ゼロｄｃバイアス・オフセット（すなわち、ＶＧ＝Ｖｃ）に関してバイアス・パルスを与える）垂直異方性領域とである。
ＶＧ＝Ｖ０では、異なるパルス長さを持つ高速ゲート電圧パルスによりトリガされる歳差運動切換えは、層面内の２つの二軸の磁化容易軸に沿う４つの残存状態１３１，１３２，１３３，１３４の間に磁化ベクトルを回転させる。
【００９８】
図２４を参照すると、或る意味で、隣接する磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４に、９０°回転させるゲート・パルス２９，６２，９１を用いて別の第１、第２、第３、第４の磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４からアクセスすることができる。このタイプのパルスをここでは「ｐ９０°パルス」または「ｔ９０パルス」と呼ぶ。
逆の意味で、隣接する磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４に、２７０°回転させるゲート・パルス（図示せず）を用いて別の第１、第２、第３、第４の磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４からアクセスすることができる。
【００９９】
また第１、第２、第３、第４の磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４に、１８０°回転させるゲート・パルス１３８（以後「ｐ１８０°パルス」または「ｔ１８０パルス」と呼ぶ）を用いて同一線上の配向１３１，１３２，１３３，１３４からアクセスすることができる。したがって、第１の磁化配向１３１はｐ１８０°パルス１３８を用いて第３の磁化配向１３３からアクセスすることができる。
二軸の面内異方性領域と一軸の面に垂直な異方性領域の間の変更は、散逸減衰を利用する「断熱」磁化配向変更により行うことができる。例えば、ゲート・バイアスがＶ０からＶＣに変わった後で、磁化ベクトルＭは変更された異方性磁界ＢＡ（ＶＣ）の回りで歳差運動を始め、散逸減衰により磁化ベクトルは変更された異方性磁界ＢＡ（ＶＣ）に向けてらせん形を描く。最終的に、磁化ベクトルＭは変更された異方性に対応する磁化容易軸の１つに沿って整列する（熱変動内で）。
【０１００】
領域変更はゲート・バイアス・ステップ変更１３９，１４０により行う。これらを以後それぞれ「ｐｄａｍｐｉｎｇパルス」および「反転ｐｄａｍｐｉｎｇパルス」と呼ぶ。
第５および第６の磁化配向１３５，１３６には１８０°回転を起こすゲート・パルス１４１を用いてアクセスすることができる。しかしパルス１４１はｐ１８０°パルス１０８に関して反転しており、以後「反転ｐ１８０°パルス」と呼ぶ。
【０１０１】
図２５の（ａ）および図２５の（ｂ）は、ｐ９０°パルス１３７および反転ｐ１８０°パルス１４１を与える効果を示す。
図２５の（ａ）はＶＧ＝Ｖ０での二軸の面内異方性領域内の歳差運動の９０°切換えを示す。図に示すように、磁気異方性はＶＧ＝ＶＣでゲート電圧パルス１３７の間に面内から面に垂直に変わり、磁化ベクトルＭが９０°回転を終わった後、元のＶ０に切り換わる。
【０１０２】
図２５の（ｂ）は、面に垂直な異方性領域内で反転パルスが１８０°反転をトリガすることを示す。
ＡＨＥ測定値により、面に垂直な配向に沿う２つの一軸の磁化状態を区別することができる。また横および縦のＡＭＲの測定値により、面内の４つの二軸の磁化状態を明確に区別することができる。
【０１０３】
認識されるように、上に述べた実施の形態に多くの変更を行うことができる。例えば、強磁性層は、例えば５ｎｍから２０ｎｍの間の異なる厚さを有してよい。素子は電子または正孔の移動に基づいて動作してよい。ＧａＭｎＡｓ層を保護するのにキャッピング層を用いてよい。磁気抵抗素子は磁気トンネル接合部またはスピン・バルブなどの多層構造を有してよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
添付の図面を参照して、例により本発明の実施の形態を説明する。
【図１】本発明に従って電界パルスを強磁性素子に与えて磁気異方性の配向を変えることにより磁化を切り換えることを示す。
【図２】（ａ）は、リソグラフィー誘導のひずみ緩和により磁気異方性の配向が変わる素子と、ひずみが変わらないファン・デル・ポー素子の走査電子顕微鏡写真である。（ｂ）は（ａ）に示す素子の拡大図である。（ｃ）は（ａ）に示す素子およびファン・デル・ポー素子を製作するのに用いる層構造の断面図である。
【図３】（ａ）は、固定の磁界の大きさ（Ｂ＝４Ｔ）を有する磁界を、角を［１１０］軸から測定して回転させるときの、図２の（ａ）に示す素子のアームの４．２°Ｋでの縦の異方性磁気抵抗のプロットを示す。（ｂ）は、固定の磁界の大きさ（Ｂ＝４Ｔ）を有する磁界を、角を測定して回転させるときの、図２の（ａ）に示す素子および図２の（ａ）に示すファン・デル・ポー素子のアームの４．２°Ｋでの横の磁気抵抗のプロットを示す。（ｃ）は、図２の（ａ）に示すものと同様であるが変化する磁界内の異なる角でより広くまたより長いチャネルを有する素子の、［１１０］向きのアームの４．２°Ｋでの縦の異方性磁気抵抗のプロットを示す。（ｄ）は、固定角で変化する磁界内の図２の（ａ）に示す素子の［１１０］向きのアームの４．２°Ｋでの縦の異方性磁気抵抗のプロットを示す。
【図４】（ａ）は、図２の（ａ）に示すファン・デル・ポー素子の４．２°Ｋでの横の抵抗測定値のプロットを示す。（ｂ）は、図２の（ａ）に示す素子の４．２°Ｋでの横の抵抗測定値のプロットを示す。
【図５】（ａ）は、図２の（ａ）に示す素子の横の断面の［００１］軸に沿う歪の数値シミュレーション値の２次元プロットを示す。（ｂ）は、図２の（ａ）に示す素子の横の断面の［１１０］軸に沿う歪の数値シミュレーション値のプロットを示す。（ｃ）は、図２の（ａ）に示す素子の［００１］面を通る異なる断面のひずみのシミュレーション値のプロットを示す。（ｄ）は、図２の（ａ）に示す素子の［１１０］面を通る異なる断面のひずみのシミュレーション値のプロットを示す。
【図６】（ａ）は、図２の（ａ）に示すものと同様の素子および図２の（ａ）に示す素子の向きのアームの磁化容易軸の配向を示す。（ｂ）は、理論的磁気結晶エネルギー値のプロットを、異なる歪でのまた異なる方向に沿う面内磁化角の関数として示す。
【図７】２つの異なるキャリヤ濃度について圧縮ひずみの下で［００１］向きのＧａＡｓ上に成長させたＧａ０．９６Ｍｎ０．０４Ａｓの磁気結晶エネルギー・プロフィールを示す。
【図８】（ａ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第１の素子の略図である。（ｂ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第２の素子の略図である。（ｃ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第３の素子の略図である。
【図９】図８の（ａ）に示す第１の素子の斜視図である。
【図１０】（ａ）は、図９に示す素子のゲート電圧および面内の電流に平行な磁界に対するチャネル・コンダクタンスのプロットである。（ｂ）は、図９に示す素子のクーロン封鎖振動を示す。（ｃ）は、図９に示す素子のゲート電圧に対する臨界配向変更磁界のプロットを示す。
【図１１】（ａ）は、図８の（ｂ）に示す第２の素子の平面図である。（ｂ）は、図１１の（ａ）に示す第２の素子の線Ａ−Ａ’に沿う断面図である。
【図１２】図８の（ａ）および図８の（ｂ）に示す素子の書込みおよび読取りサイクルを示す。
【図１３】（ａ）は、図８の（ａ）に示す素子の異なる段階での製作を示す。（ｂ）は、図８の（ａ）に示す素子の異なる段階での製作を示す。（ｃ）は、図８の（ａ）に示す素子の異なる段階での製作を示す。
【図１４】（ａ）は、図８の（ｃ）に示す第３の素子の斜視図である。（ｂ）は、第３の素子の線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。
【図１５】図８の（ｃ）に示す素子の書込みおよび読取りサイクルを示す。
【図１６】（ａ）は、本発明に係る強磁性素子の磁気異方性の配向を変えることができる別の素子の平面図である。（ｂ）は、図１６の（ａ）に示す素子の線Ｃ−Ｃ’に沿う縦断面図である。（ｃ）は、図１６の（ａ）に示す素子の線Ｄ−Ｄ’に沿う横断面図である。
【図１７】図１５に示す素子を製作するのに用いる層構造を示す。
【図１８】図１６の（ａ）に示す素子の変形の横断面図である。
【図１９】（ａ）は、強磁性半導体での変化するキャリヤ分布の略図を示す。（ｂ）は、磁気異方性の配向変更を示す。
【図２０】（ａ）は、本発明に係る強磁性半導体内の磁気異方性の配向を変えることができる第４の素子の平面図である。（ｂ）は、図２０の（ａ）に示す素子の線Ｅ−Ｅ’に沿う断面図である。
【図２１】（ａ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第５の素子の平面図である。（ｂ）は、図２１の（ａ）に示す素子の線Ｆ−Ｆ’に沿う断面図である。
【図２２】図２１の（ａ）に示す素子の書込みおよび読取りサイクルを示す。
【図２３】６つの残存磁化配向を有する強磁性素子を示す。
【図２４】本発明に係る図２３に示す残存磁化配向の間の切換えを示す。
【図２５】（ａ）は、図２３に示す強磁性素子に電界パルスを与えて、本発明に従って磁化異方性の配向を変更しまた磁化を切り換えることを示す。（ｂ）は、図２３に示す強磁性素子に電界パルスを与えて、本発明に従って磁化異方性の配向を変更しまた磁化を切り換えることを示す。
【符号の説明】
【０１０５】
２１ 磁気抵抗素子
２２ 強磁性領域
２３ ゲート
２９ 電界パルス
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、いくつかの点でフラッシュ・メモリなどの他のタイプの不揮発性メモリより優れている。例えば、ＭＲＡＭは一般に電力消費が少なく、またデータの読取りおよび書込みが速い。またＭＲＡＭは、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）などのいくつかの形の揮発性メモリに代わるものとして有望である。
従来技術のＭＲＡＭセルは一般に、非磁気層により分離された１対の強磁性層を有する磁気抵抗素子を含む。一方の強磁性層は比較的低い飽和保磁力を有し、他方の強磁性層は比較的高い飽和保磁力を有する。一般に、飽和保磁力が低い層を「自由」層、飽和保磁力が高い層を固着（ｐｉｎｎｅｄ）層と呼ぶ。
【０００３】
セル内にデータを記憶するには、外部磁界を与えて自由層の磁化の向きを定める。磁界を取り去った後も、磁化の向きは保持される。
セルからデータを読み取るときは素子を通して電流を流す。素子の磁気抵抗は、層の磁化が逆平行（ＡＰ）に配列されている場合は比較的高く、層の磁化が平行（Ｐ）に配列されている場合は比較的低い。したがって、セルの状態は素子の磁気抵抗を測定することにより決定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
外部磁界は素子の近くを走る少なくとも１本の導線に電流を流すことにより生成する。しかしこの配置では、セルの寸法が減少するに従って自由層を切り換えるのに必要な磁界が増加し、したがって電力消費も増加するという問題がある。
外部磁界を与える別の方法はスピン・トランスファ切換え（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を用いることである。これは、Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの「磁気多層の電流駆動励磁（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ）、ｐ．９３５３、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、Ｖｏｌ．５４（１９９６）に提示されている。また、Ｗ．Ｃ．Ｊｅｏｎｇ他の「磁界支援の電流誘導による切換えを用いる拡張性の高いＭＲＡＭ（Ｈｉｇｈｌｙ ｓｃａｌａｂｌｅ ＭＲＡＭ ｕｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」、ｐ．１８４、２００５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ、を参照していただきたい。
【０００５】
スピン・トランスファ切換えでは、磁気素子を通して電流を層の界面に垂直に流す。これにより、固着層を通って流れる電子により（電流を自由層から固着層に流すとき）、または固着層から拡散する電子により（電流を固着層から自由層に流すとき）、スピン偏極電子（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）が自由層内に注入される。スピン偏極電子が自由層内に注入されるとき、電子は自由層と相互作用してそのスピン角運動量の一部を自由層の磁気モーメントに移す。スピン偏極電流が十分大きい場合は、このために自由層の磁化が切り換わる。
【０００６】
しかしスピン・トランスファ切換えの欠点は、反転プロセスをトリガするのに高い電流密度（例えば、１０８Ａｃｍ−２程度）が必要なことである。
切換え電流パルスを与える前に直流予備充電電流を与えることにより電流を減らすことができる。これについては、Ｔ．Ｄｅｖｏｌｄｅｒ他の「ナノ秒以下にスピン・トランスファ切換えを加速させるための予備充電方式（Ｐｒｅｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｂｅｌｏｗ ｔｈｅ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌｕｍｅ８６、ｐａｇｅ０６２５０５（２００５）、に記述されている。切換え電流パルスの電力消費は減少するが、全体の電力消費（すなわち、予備充電電流の電力消費を含む）はまだ非常に大きい。
【０００７】
しかし、切換え電流パルスを与える直前にまたは同時に、自由層の磁化困難軸に沿って短い（例えば、＜５ｎｓの）外部磁界パルスを与えて歳差運動切換えを起こすことにより電流を減らすことができる。これについては、Ｋ．Ｉｔｏ他の「磁化困難軸磁界からの歳差運動と組み合わせたスピン・トランスファ・トルク切換えの微小磁気シミュレーション（Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｈａｒｄ ａｘｉｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌｕｍｅ８９、ｐａｇｅ２５２５０９（２００６）、に記述されている。
【０００８】
この方法は、スピン・トランスファ電流を大幅に減らすことはできるが、線に電流を流して外部磁界を与える必要がある。これは拡張性と電力消費の削減の可能性を制限する。
本発明はこの問題を改善するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切換えることができる強磁性領域とこの強磁性領域に容量的に結合するゲートとを含む磁気抵抗素子を動作させる方法を提供する。この方法は、電界パルスを強磁性領域に与えることにより、磁化異方性の配向を変えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。したがって、磁界パルスを生成するための導線を有する素子より少ない電力を用いて歳差運動支援の磁化切換えをトリガすることができる。
【００１０】
この方法は、電界パルスを強磁性領域に排他的に与えて、強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切換えることを含んでよい。この方法は、磁界パルスを与えずに強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切換えるようにすることを含んでよい。電界パルスだけを用いて強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切換え、または磁界パルスを用いずに切換えを支援することにより、電力消費を最小にすることができる。
【００１１】
この素子は、磁界パルスを生成するための強磁性領域の近くを走る導電経路を更に含む。この方法は更に、電界パルスを与えると共に磁界パルスを強磁性領域に与えて、電界パルスの間の異方性磁界と与えた磁界とを含む有効磁界の配向の変化を強化して、磁化を第１と第２の配向の間に切換えることを含む。この方法は、磁界パルスの前縁を与える前に電界パルスの前縁を与えることを含んでよい。
【００１２】
この素子は、強磁性層より高い飽和保持力を有しかつトンネル障壁層により分離される別の強磁性領域を更に含む。この方法は更に、電界パルスを与えると共に強磁性領域を通るスピン・トランスファ電流パルスを与えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。
【００１３】
この方法は、スピン・トランスファ電流パルスの前縁を与える前に電界パルスの前縁を与えることを更に含む。強磁性領域は不均一なひずみ分布を有する強磁性半導体を含んでよく、またこの方法は十分な大きさの電界パルスを与えて電荷キャリヤの分布を不均一なひずみ分布に対して変えることを含む。
不均一なひずみ分布は圧縮ひずみの領域および引っ張りひずみの領域を含む。強磁性半導体は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを含んでよい。
【００１４】
この方法は、
【数１】
で示すｔｐｒｅｃｅｓｓの四分の一の倍数である継続時間ｔを有する電界パルスを与えることを含んでよい。ただし、γは回転磁気定数で
ＢＡは強磁性半導体の磁気異方性磁界である。この方法は、０ｎｓと５ｎｓの間の継続時間ｔを有するパルスを与えることを含んでよい。
【００１５】
この方法は更に、電界パルスを与えることとは独立に磁界を強磁性領域に与えて強磁性領域の磁化を第１と第２の配向の間に切り換えるのを支援することを含む。
この方法は応力を強磁性領域に与え、応力を与えると共に電界パルスを与えることを含んでよい。
【００１６】
本発明の第２の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法を提供する。この方法は、応力パルスを強磁性領域に与えることにより、磁化異方性の配向を変えて磁化を第１と第２の配向の間に切り換えることを含む。したがって、磁界パルスを生成するための導線を有する素子より少ない電力で歳差運動または歳差運動支援の磁化切換えをトリガすることができる。
【００１７】
この素子は強磁性領域に機械的に結合する圧電領域を含んでよく、また応力パルスを与えることは圧電領域全体に電圧パルスを与えることを含む。
この方法は、応力パルスを強磁性領域に与えると共に電界パルスを強磁性領域に与えることを含んでよい。
【００１８】
本発明の第３の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、この方法に従って素子を動作させることができる回路とを含む装置を提供する。
【００１９】
本発明の第４の態様では、磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向との間に切換えることができる強磁性領域と、第１の電気入力に応じて応力を強磁性領域に与える手段と、第２の電気入力に応じて電界を強磁性領域に与える手段とを含む磁気抵抗素子を提供する。
応力を与える手段は強磁性領域に結合する圧電領域を含んでよく、また電界を与える手段は少なくとも１つのゲート電極を含んでよい。
【実施例】
【００２０】
電界パルスで誘導する磁化の反転
図１は、本発明に係る磁気抵抗素子の強磁性素子１を示す。強磁性素子１は均一に分布した磁化を有すると仮定する。ただしこれは必ずしも必要ではない。
強磁性素子１は磁化容易軸２を定義する磁気異方性を示す。磁気異方性は、とりわけ、素子および／または結晶構造の形の結果として生じてよい。例えば、素子１は細長くてよく、磁化容易軸２は長さ軸に沿って整列してよい。
素子１の磁化３は磁化容易軸２に沿って整列する。
【００２１】
外部磁界５を随意に与えて、歳差運動切換えを支援しまた配向に依存して磁化３の配向変更を安定させてよい。例えば、外部磁界５は強磁性素子（強磁性素子１はその１つ）の配列に全体的に与えてよい。外部磁界５を磁化困難軸に沿って固定することにより、歳差運動切換えを容易にして（すなわち支援して）よい（例えば永久磁石を用いて）。
図１に示すように、磁化容易軸２に沿う最初の磁化に逆平行に外部磁界５を整列させて、磁化３の配向変更を安定させる。しかし外部磁界５は磁化容易軸２に沿って整列させる必要はなく、磁化困難軸（図１に示す配置では磁化容易軸２に垂直に配置される）を含む他の角度に向いてよい。
外部磁界５は可変でよく、また導電トラック（図示せず）を通して電流を流して生成してよい。
【００２２】
異方性磁界および随意の外部磁界５は有効磁界６を作る。すなわち、
【数２】
ただし、
は磁化３に作用する有効磁界６、
は異方性磁界、
は外部磁界５である（ベクトル表示）。
後で説明するが、電界パルス７を層の面に例えば垂直に与えて、強磁性素子１内の磁気異方性を一時的に変えて磁化３の歳差運動の配向変更をトリガしてよい。
【００２３】
電界パルス７を与える前（言い換えるとｔ＜０かつＶ＝Ｖ０（例えばＶ０＝０）のとき、ただし、ｔは時間、Ｖはゲート（図示せず）に与えるバイアス）は、磁化３
は有効磁界６の方向に向いている（ここでは正のｘ方向に平行とする）。或る実施の形態では、２個以上のゲート（図示せず）を用いてよい。
次に電界パルス７を与えると磁界異方性が変わり、したがって磁化３は回転して、変化した有効磁界の回りに歳差運動を始める。
【００２４】
したがって、パルス７が始まると（すなわちｔ＝０かつＶ＝Ｖｃ）異方性磁界２が変わって有効磁界６が回転し、すなわち、
【数３】
となり、磁化３は有効磁界６の軸の回りに
減衰歳差運動を開始する。
磁化３が歳差運動を半分行うと電界７をオフにしてよく、磁化３は磁化容易軸２に沿って安定化し始める（逆平行に）。
したがって、パルス７が終わると（ｔ＝Δｔ１８０°かつＶ＝Ｖｃ）、異方性磁界および有効磁界６は、図１の（ｃ）に示すように負のｘ成分を持つ。
【００２５】
パルス７が終わった後すぐに（ｔ＝Δｔ１８０°＋δ（ただしδ＞０）かつＶＧ＝Ｖ０のとき）、異方性磁界２は反転してその元の配向に（ｘ方向に平行に）逆平行に整列し、すなわち、
【数４】
となり、磁化３は有効磁界６の軸の回りに
減衰歳差運動を続ける。
ｔ＞＞Δｔ１８０°かつＶＧ＝Ｖ０のとき磁化３は平衡に達して、有効磁界（−ｘ方向に平行、すなわち
に沿って整列する。
磁化の反転は、配向に依存する磁化３のエネルギーを考えれば理解することができる。例えばＶ０では、ｘ軸に沿う磁化容易軸２はポテンシャル障壁で隔離された２つのエネルギー最小値に対応する。磁化３が磁化困難軸に沿って整列する場合は、障壁の高さはエネルギー増加に対応する。
【００２６】
磁化の反転（すなわち１８０°の磁化の配向変更）を、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）素子や、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や、切換え層と固定基準層との間の相対的配向が素子の抵抗を決定する他の同様のタイプの読取り素子に用いてよい。
ゲート電圧パルス７により元の磁化容易軸４から４５°乃至９０°回転する新しい磁化容易軸ができる場合は、支援磁化を用いずに磁化の反転を達成することができる。
【００２７】
これは、高いキャリヤ密度のＧａ１−ｘＭｎｘＡｓ（例えばｘ＞０．０３のとき）で、例えば素子１内のひずみを引っ張りひずみのときの位置（磁気異方性は層の面に垂直に向いている）から圧縮ひずみのときの位置（磁気異方性は層の面内に向いている）まで空間的に変えることにより行うことができる。磁化容易軸の回転も、ひずんだ構成内のキャリヤ密度を変えることにより行うことができる。
低ドープのＧａ１−ｘＭｎｘＡｓ（ｘ＜０．０２のとき）では、磁気異方性の変化は逆向きに起こってよい。例えば、素子が圧縮ひずみの位置では磁気異方性は面に垂直に向き、素子が引っ張りひずみの位置では磁化異方性は面内に向いてよい。
【００２８】
系の特定の磁気異方性によっては完全な磁化の反転は必要ない。言い換えると、磁化の向きを１８０°変更する必要はない。例えば、磁化容易軸が、パルス長さが長い（例えば、歳差運動パルスの半分）とき角の回転が２２．５°以下であり、パルス長さが短い（例えば、歳差運動パルスの四分の一）とき角の回転がより大きくて９０°以下の場合は、立方磁化異方性を示す素子は９０°の磁気配向変更を行うことができる。観察によると、これは〜０．０１％程度の格子定数の変化により非常に小さなひずみの変動が起こるＧａ１−ｘＭｎｘＡｓで起こることがある。この場合は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）や、トンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）や、クーロン妨害異方性磁気抵抗（ＣＢＡＭＲ）などの異方性磁気抵抗効果を用いて磁化配向を読み出すこともできる。
【００２９】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ素子における磁気結晶異方性の局所制御
図２の（ａ）および図２の（ｂ）は、リソグラフィーで形成された溝９から起こるひずみ緩和を用いて、磁気結晶異方性を調整して制御する素子８を示す。磁気結晶異方性はスピン軌道結合により誘導される。素子８内のバルクＧａＭｎＡｓとひずみ緩和の効果の両方の磁気異方性の特徴付けを助けるため、ファン・デル・ポー（Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ）素子１０を素子８に近接してウェーハ１１内に形成する。
素子８はチャネル１１を有するホール・バー（Ｈａｌｌ ｂａｒ）の形である。チャネル１１は平面図が「Ｌ」の形で、
方向に沿って直交して整列する第１および第２のアーム１１１，１１２を含む。アームは１μｍの（横の）幅（ｗ）と２０μｍの（縦の）長さ（ｌ）を有する。
【００３０】
特に図２の（ｃ）を参照して、素子８は、ＧａＡｓ基板１４上に［００１］結晶軸に沿って成長させた２５ｎｍの厚さを有するＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピタキシャル成長層１３（すなわち、エピ層）を含む層構造１２を有するウェーハ内に形成する。チャネル１１は電子ビームリソグラフィーおよび反応イオンビーム・エッチングを用いて形成する。溝９は２００ｎｍの（横の）幅（Ｗ）および７０ｎｍの深さ（ｄ）を有する。
【００３１】
図３の（ａ）から図３の（ｄ）は、素子８と同じ構成を有する別の素子（図示せず）および素子８の電気的特性を示す。別の素子（図示せず）と素子８とはホール・バーの寸法が異なる。別の素子（図示せず）では、アーム（図示せず）は幅４μｍ、長さ８０μｍである。図２の（ａ）および図２の（ｂ）に示す素子８では、アーム１１１および１１２は幅１μｍ、長さ２０μｍである。
これらの素子８は面内磁気結晶異方性を示し、約５０ｍＴの飽和磁化Ｍｓを有する。これは形状異方性ではなくひずみ緩和の効果により起こる。例えば、素子８の形状異方性磁界は１ｍＴより小さく、この大きさは磁化結晶異方性磁界より１ケタ小さい。したがって、磁化容易軸は形状異方性ではなく磁気結晶異方性により形成する。
【００３２】
異常ホールでのアロット（Ａｒｒｏｔ）プロットを用いて１００°Ｋのキュリー温度（Ｔｃ）を推定した。高磁界ホール測定値からホール密度は５ｘ１０２０ｃｍ−３と推定した。このドーピングで、ＧａＡｓ基板１５上に成長させたＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３内の圧縮ひずみは強い磁気結晶異方性を作る。これは磁化ベクトルを磁気エピ層１３の面に平行に整列させる。
個々のマイクロバー素子８内の磁化配向は、面内回転磁界（図示せず）の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）の縦および横の成分を測定することにより局所で監視する。
【００３３】
図３の（ａ）および図３の（ｂ）は飽和磁界での磁化回転プロットを示し、面内ＡＭＲが次の形に厳密に従うことを示す。すなわち、
ΔρＬ＝Ａｃｏｓ（２φ） （２ａ）
ΔρＴ＝Ａｓｉｎ（２φ） （２ｂ）
ただし、ρＬは縦の抵抗率、ρＴは横の抵抗率、Ａは定数（各ホール・バーのものだけでなく、ファン・デル・ポー素子１０のものも）、φは磁化と電流の間の角である。
は全角の平均である。
【００３４】
図３の（ｃ）および図３の（ｄ）は外部磁界スイープの磁気抵抗プロットを示す。
軸から測定した磁界角θは一定である。
図に示すように、磁気抵抗はθの値に強く依存する。これは磁化回転の結果である。高い磁界では磁気抵抗は純粋に等方性になる、すなわち、異なる角θの抵抗間の差は外部磁界の大きさに関係なくなる。この性質と、低い磁界の異方性磁気抵抗に比べて等方性磁気抵抗の大きさが非常に小さいことにより、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に示す高磁界測定値を用いて、低磁界抵抗の変化と磁化配向の変化との間の１対１対応を決定することができる。両方の抵抗成分を同時に測定する場合は、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に示す縦および横のＡＭＲトレースの間の４５°の移相を用いて磁化角の変化を決定することができる。
【００３５】
固定θの磁気抵抗測定値を用いて、個々のマイクロバー内の局所の磁気異方性をまず決定してよい。磁化容易軸方向に対応するθの値では磁気抵抗は最小である。磁化容易軸方向に対応しないθの値では、磁化は低い磁界で（部分的に）連続的に回転して異なる配向になり、したがって、飽和および残留磁気で異なる測定抵抗になる。この方法を用いると、磁化容易軸方向を±１°以内で決定することができる。
【００３６】
ひずみの空間的変動を導入することの磁気異方性への影響を図４の（ａ）および図４の（ｂ）に示す。
バルク材料では、ファン・デル・ポー素子１０（図２の（ａ））を用いて測定すると磁化角３０°は磁化容易軸に対応するが、７°および５５°はかなり磁化困難である。しかし図２の（ａ）に示す素子８では、７°は
バーで磁化容易軸であり、５５°は［１１０］バーで磁化容易軸である。
【００３７】
次の表１は、「Ａ」で示す他の素子（図示せず）、「Ｂ」で示す素子８、およびバルク材料（すなわちファン・デル・ポー素子１０）に見られる磁化容易軸のリストである。
【表１】
バルク材料は、下側の閃亜鉛鉱形構造から生じる立方異方性と、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓエピ層１３であることから生じる追加の一軸の
異方性とを有する。このため、２つの磁化容易軸は［１００］および［０１０］立方縁から
の方に１５±傾く。
マイクロ素子（すなわち、他の素子（図示せず）および素子８）では、磁化容易軸は、バルク材料内で占められている角からアーム１１１，１１２の方に内向きに回転する。アーム１１１，１１２の幅が減少するに従って回転の程度は増加する。
【００３８】
磁化結晶異方性内の局所の変化は次のように理解してよい。
図２の（ａ）に戻って、ＧａＡｓ基板１５上に成長させたＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３は（００１）面内で圧縮してひずみ、このひずみパラメータの代表的な値は
【数５】
ただし、ａＧａＡｓおよびａＧａＭｎＡｓはそれぞれ、立方晶系の完全に緩和されたＧａＡｓおよび（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの格子パラメータである。上の式（３）とａＧａＡｓおよびａＧａＭｎＡｓの値とを用いると、
である。
【００３９】
バー１１に沿う溝９内の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ材料を取り除くと、格子は横方向に緩和して、対応する伸びはほぼｆｔ／ｗ〜０．０１と推定することができる。ただし、ｔは（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ薄膜の厚さ（この場合は２５ｎｍ）、ｗはバー幅である。
量的なレベルでは、マイクロバー内の格子緩和の強さは現実的なサンプル形状の数値弾性理論シミュレーションを用いて得ることができる。弾性定数のＧａＡｓ値はＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓエピ層１３を含む全ウェーハについて考慮する。
【００４０】
図５は、素子１１（図２ａ）の［１−１０］バー１１２についての格子緩和の強さの数値シミュレーションを示す。
図５の（ａ）は、完全に緩和された立方ＧａＡｓの格子パラメータに関する成長方向［００１］軸に沿うひずみ成分を示す。すなわち、
ｅ［００１］≡（ａ［００１］−ａＧａＡｓ）／ａＧａＡｓ （４）
ひずみ成分はｆと共に直線的に変わるので、ｅ［００１］／ｆをプロットすることができる。
図５は成長誘導の格子整合ひずみを示す。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ格子は面内圧縮なので、弾性媒体はａＧａＡｓに比べて格子パラメータを成長方向に伸ばして反応する。すなわち、ｅ［００１］／ｆ＞１である。
【００４１】
エピ層１３の面内では、格子はマイクロバー配向に垂直な方向にだけ緩和することができる。再びＧａＡｓに関して計算した対応するひずみ成分を、図５の（ｂ）では素子１１の全断面についてプロットし、図５の（ｃ）および図５の（ｄ）では［００１］−［１１０］面を通る種々の断面についてプロットする。バーの中央では面内緩和は比較的弱い（すなわち、格子パラメータはＧａＡｓ基板１５のものと同じ）が、バー１１の縁の近くでは格子は強く緩和される。（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓバーの全断面について平均すると、相対的な面内格子緩和は数百分の一パーセント（すなわち、式ｆｔ／ｗによる推定と同程度）であることが分かる。後で説明する微細な磁気結晶エネルギー計算は、これらの外見上小さな格子ひずみが強くスピン軌道結合した（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ内の観測された磁化容易軸回転を説明できることを確認する。
【００４２】
磁化角に依存する全エネルギーの微細な計算は、ＧａＡｓホスト価電子帯の６帯ｋ・ｐ記述と、局所ＭｎＧａｄ５モーメントへの結合の動的交換モデルとの組合せに基づいて行う。この理論は価電子帯のトップのスピン軌道結合現象（その分光組成および関係する対称性は、普通のＧａＡｓホストの場合のようにＡｓ部分格子のｐ軌道により支配される）の記述に適している。またｋ・ｐモデリングは（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ帯構造上の格子ひずみの効果を説明する直接的な手段である。上の微細なシミュレーションの場合と同様に、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ内の弾性定数はＧａＡｓの場合と同じ値を有すると仮定する。調整可能な自由パラメータを用いないこの理論は、圧縮ひずみおよび引っ張りひずみの下に成長させた同様の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓエピ層内の面内と面外の容易磁化配向の間の観測された移行を説明し、また対応するＡＭＲ効果の符号および大きさを矛盾なく説明する。
【００４３】
マイクロバーの磁化結晶エネルギーのモデル化のために、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層内では微細なシミュレーションで得られるｅ［００１］の平均値に対応する均一なひずみを仮定してよい。微細な計算の入力パラメータは、次式
【数６】
で与えられる［１００］−［０１０］−［００１］（ｘ−ｙ−ｚ）座標系内の完全に緩和された立方（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ格子に関係するひずみ成分である。ただし、±は
バーおよび［１１０］バーにそれぞれ対応する。
【００４４】
図６の（ａ）は他の「Ｌ」形素子１５および「Ｌ」形素子８の
バーおよび［１１０］バー内の磁化容易軸の配向を示す。矢印１６はパターン化誘導の格子緩和の方向および強さを示す。
図６の（ｂ）は、計算された磁化結晶エネルギーを、ｆ＝０．３と、ゼロ（面内格子緩和なし）から
バー（ｅｘｙ＞０）および［１１０］バー（ｅｘｙ＜０）についての予想される代表的な値までの範囲のｅｘｙとについて、面内磁化角の関数としてプロットしたものである。詳しく述べると、［１１０］軸に沿う格子延長に対応するｅｘｙ＝０．００４，．．．，０．０２％と
軸に沿う格子延長に対応するｅｘｙ＝−０．００４，．．．，−０．０２％とについて、ゼロせん断ひずみ（黒線）の面内磁化角の関数としてエネルギーをプロットする。磁化容易軸はｅｘｙ＝０と、０．０２％と、−０．０２％にある。微細な磁化結晶エネルギー・プロフィールの
対称性を破る格子変形を、［１１０］バー（下部のダイアモンド）では［１１０］軸に沿って伸びる、また［１１０］バー（右側のダイアモンド）では［１１０］軸に沿って伸びる、ダイアモンド状のユニット・セルにより示す。
【００４５】
実験と一致して、ｅｘｙ＝０のときの［１００］および［０１０］での最小値は、［１１０］方向に沿う格子伸張（ｅｘｙ＞０）では
方向に向かって動き、また
方向に沿う格子伸張（ｅｘｙ＜０）では［１１０］方向に向かって動く。２つのバー内の実験的な磁化容易軸回転の間の非対称性はバルク材料内にすでに存在する［１１０］一軸成分（その微細な起源は分からない）のためであるが、固有の（微小パターン化により誘導されたものでない）ひずみｅｂｕｌｋｘｙ〜＋０．０１％によりモデル化することができる。
【００４６】
上に述べた素子は、圧縮ひずみの下で成長させた面内磁化異方性を持つＧａＭｎＡｓからのストライプの微小パターン化により誘導される相互ひずみ緩和を用いる。他方で、垂直磁化異方性を持つ引っ張りひずみのＧａＭｎＡｓからパターン化されるワイヤはその格子定数を小さくすることにより緩和する。この場合は、微小パターン化すると引っ張りひずみのＧａＭｎＡｓバルク層に比べて垂直磁化異方性は弱くなる。
【００４７】
また強磁性材料の磁化結晶異方性は局所ひずみに敏感に依存する。平衡格子にひずみがあれば局所異方性が変わる。極薄膜では、ひずみは表面上の成長により誘導される。したがって、ＧａＭｎＡｓと同様に、ＧａＡｓ［００１］基板上にエピタキシャル成長させたコバルト（Ｃｏ）または鉄（Ｆｅ）の極薄層は、バルクの立方磁気異方性と、界面からの一軸の寄与を示す。
【００４８】
電荷キャリヤ密度の変動による磁気異方性
図７は、第１のキャリヤ密度ｐ＝８ｘ１０２０ｃｍ−３と第２のキャリヤ密度ｐ＝６ｘ１０２０ｃｍ−３について、ｅ０＝−０．２％の圧縮ひずみとｅｘｙ＝−０．０２％の
に沿う格子変形（伸張）の下でＧａＡｓ［００１］上に成長させた横に歪んだＧａ０．９６Ｍｎ０．０４Ａｓの磁気結晶エネルギー・プロフィールを示す。第１および第２の矢印１７，１８は第１および第２のキャリヤ密度についての磁化容易軸の配向をそれぞれ示す。
【００４９】
図７に示すように、キャリヤ密度が変化すると、歪んだＧａＭｎＡｓ内の磁化異方性が変動することがある。スクリーニング長さが短いために高ドープ（〜１０２０−１０２１ｃｍ−３）のバルク半導体内でのキャリヤ密度を変えるのは困難であるが、十分に（電気的に）絶縁されたナノ構造内ではかなりのキャリヤ密度の変更が実現される。
上に図６の（ｂ）で示したのと同様な理論的計算によると、磁化異方性はキャリヤ密度に敏感に依存する。図７に示すように、キャリヤ濃度が〜２５％減少すると、磁化容易軸は
の結晶配向まで約９０°変わる。
【００５０】
電界誘導による磁化異方性の変動を実現する本発明の別の実施の形態について以下に説明する。これらは、歪んだ強磁性半導体内の電荷キャリヤ密度を変えることと、不均一に歪んだ強磁性半導体系内の最大キャリヤ濃度の中心をシフトすることと、強磁性層に圧電層を付加することにより、または例えばＧａＭｎＡｓ（従来のようにドープされたＧａＡｓと同様の圧電特性を有する）内で可能なように強磁性材料自身の圧電特性を利用することにより、強磁性層内のひずみを変えることを含む。
【００５１】
更なる磁気抵抗素子
本発明に係る磁気抵抗素子の更なる実施の形態について以下に説明する。
まず、電界パルスを与えると強磁性領域内の電荷キャリヤ密度が変わり、これにより磁化異方性が変わり、これにより磁化が歳差運動を開始する磁化抵抗素子を説明する。
図８の（ａ）および図８の（ｂ）は第１および第２の磁気抵抗素子２１１，２１２を示す。第２の素子２１２は第１の素子２１１の変形である。
各素子２１１，２１２はひずみの下にある強磁性領域２２（ここでは強磁性「島」とも呼ぶ）を含む。これらの例では、強磁性領域２２は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓなどの強磁性半導体を含む。しかし、異なる強磁性半導体を用いてよい。
【００５２】
強磁性領域２２の磁化の配向は、強磁性領域２２に容量的に結合するゲート２３を用いて短い電界パルスを与えることにより変えることが、または変えるのを助けることができる。電界パルスを与えると強磁性領域２２内の電荷キャリヤ密度が変わり、これにより磁化異方性が変わり、これにより磁化は歳差運動を開始する。強磁性領域２２は十分小さくて、所定の動作温度（４．２°Ｋなど）で充電効果を示してよい。例えば、強磁性領域２２は１ｎｍまたは１０ｎｍ程度の寸法（層の厚さおよび横の直径）を有してよい。しかし、強磁性領域２２はより大きくてよい（例えば、１００ｎｍ、１μｍ、またはそれ以上の程度の寸法）。
【００５３】
強磁性領域２２は第１および第２のリード２４，２５の間に配置され、それぞれのトンネル障壁２６，２７によりリード２４，２５に弱く結合する。或る実施の形態では、１つ以上の強磁性材料の島があってよい（例えば鎖状に配置された）。
磁化の配向変更は電圧パルス２９をゲート２３に与えるパルス発生器２８を用いてトリガする。
【００５４】
配向の方向は種々の方法で測定してよい。
例えば第１の素子２１１では、電圧源３０および電流検出器３１を用いてトンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）を測定することにより磁化の配向を決定してよい。第１および／または第２のリード２４，２５が強磁性の場合は、電圧源３０および電流検出器３１を用いてトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を測定することにより磁化の配向を決定してよい。いずれの場合も、測定は電圧を与えて電流を流して、電流を測定することを含む。
第２の素子２１２では、電圧源３０および電流検出器３１を用いてＴＭＲを測定することにより磁化の配向を決定してよい。しかし、第１のリード２４と第３のリード３２（強磁性島２２からトンネル障壁３４で分離されるピン強磁性領域３３に接続する）との間にバイアスを与えて、その電流を測定する。認識されるように、異なる測定構成を用いてよい。
【００５５】
図９は第１の素子２１１を更に詳細に示す。
第１の素子２１１は細長い導電チャネル３６を有し、ゲート２３はチャネル３６の側面に配置する（すなわち、側面ゲート構成）。チャネル３６および側面ゲート２３は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓのパターン化層３７内に溝絶縁により形成する。ＡｌＡｓの層３８はチャネル３６および側面ゲート２３をＧａＡｓ基板３９から電気的に絶縁する。チャネル３６は広い部分の間に形成したくびれ４０を含む。広い部分はくびれ４０へのリード２４，２５を形成する。
【００５６】
（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層３７は２％のＭｎを含み（すなわち、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓ）、５ｎｍの厚さを有する。ただし、表面酸化のために有効厚さは約３ｎｍであろう。くびれ４０は幅３０ｎｍ、長さ３０ｎｍである。チャネル３６は幅２μｍである。チャネル３６とゲート２３は約３０ｎｍ離す。
くびれ４０の領域では、不規則から生じるポテンシャル変動により少なくとも１つの導電島２２および少なくとも１対のトンネル障壁２６，２７が生成されて、島２２とリード２４，２５および／または隣接する島２２とを弱く結合する。
【００５７】
図１０の（ａ）から図１０の（ｃ）を参照して第１の素子２２１の特性を説明する。
図１０の（ａ）は、ゲート電圧および面内の電流に平行な磁界に対するチャネル・コンダクタンスのグレースケール・プロットである。点線４１はゲート・バイアスに依存する臨界配向変更磁界（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｒｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）ＢＣをハイライトする。臨界配向変更磁界ＢＣは、ＶＧ＝−１Ｖでの約４０ｍＴからＶＧ＝＋１Ｖでの約２０ｍＴ以下まで減少する。
【００５８】
島２２が円板形と仮定すると、実験的に得られた電荷エネルギーの値を用いて、有効円板直径は約１０ｎｍと推定できる。したがって、島２２には約４０マンガン・アクセプタが存在する。キャリヤ密度の約４０％の減少に対応してＶＧが−１Ｖから＋１Ｖまで変化する場合は、約１６クーロン振動が観測される。臨界配向変更磁界ＢＣは、ＶＧ＝−１Ｖでの約５０ｍＴからＶＧ＝＋１Ｖでの約２０ｍＴ以下まで減少する。
【００５９】
図１０の（ｂ）は、島２２が或る磁化Ｍ０に留まるＢ０＝０と、島２２が飽和磁化Ｍ１に留まるＢ０＝−１００ｍＴでの、ＶＧ＝−１ＶとＶＧ＝＋１Ｖの間のゲート電圧範囲のクーロン・ブロッケイド振動（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｂｌｏｃｋａｄｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ）のプロットである。中間の磁界Ｂ０＝−３５ｍＴでのコンダクタンスの測定値は、約−０．５Ｖの限界ゲート電圧でＭ０からＭ１に移行することを示す。
【００６０】
図１０の（ｃ）は、ＶＧ＝−１ＶとＶＧ＝＋１Ｖの間のゲート・バイアスＶＧに対する臨界配向変更磁界ＢＣの依存性を示すプロットである。これは、振幅ＶＧ≧２．５Ｖのゲート電圧パルスはＢ０＝０で磁化の切換えをトリガできることを示す。認識されるように、異なる素子構造および／または材料を用いた場合でも同様のプロットが得られ、これを用いて、磁化の切換えをトリガするのに必要なバイアスを見つけることができる。
【００６１】
図１１の（ａ）および図１１の（ｂ）に示すように、第２の素子２１２は第１の素子２１１の変形である。
素子２１２を形成するには、ＧａＡｓ基板３９上にＡｌＡｓ３８’の層を成長させ、次に（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの層（図示せず）を成長させ、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓをパターン化して固着層３２と第３の電極３３とを１つの片として含む下側の電極構造４２を形成し、次にパターン化した基板の上に別のＡｌＡｓの層４３および別の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの層を成長させ、別の（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓの層をパターン化してチャネル３７’およびゲート２３を形成する。
【００６２】
下側の電極構造の代わりに上側の電極構造を用いてもよい。例えば、電極を形成するＡｌＡｓ層および（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ層は、チャネルおよびゲートを形成した後に成長させて、パターン化して固着層および第３の電極を含む電極を形成してよい。または、ＳｉｘＮｙなどの薄いゲート誘電体およびＣｏなどの強磁性材料を堆積させて、リフトオフまたはドライ・エッチングを用いてパターン化してよい。
【００６３】
図１２は第１および第２の素子２１１、２１２の書込みおよび読取りサイクルを示す。
後でより詳細に示すが、素子２１１、２１２は４つの状態Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を示すことができる。しかし、素子２１１、２１２はより少ない状態（例えば、逆平行の２つの状態）またはより多くの状態（例えば、面内の二軸異方性および垂直の一軸異方性を利用した６つの状態）を示すことができる。更に、素子２１１、２１２が例えば４つの状態Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を示すことができる場合でも、例えばソースおよび／またはドレン領域が強磁性であるかどうかに従って、全ての状態を区別できることもあるし、またはいくつかの状態を区別ができないこともある。
【００６４】
以下に、２つのタイプの書込みパルスを説明する。書込みパルスにより、強磁性島２２の磁化４４は、１つのタイプのパルス（いわゆる「ｔ１８０」パルス）では２つの状態の間に切り換わり、別のタイプのパルス（いわゆる「ｔ９０」パルスでは４つの状態の中の２つの「隣接」状態の間に切り換わる。
図１２に示す磁化４４のプロットは磁化のエネルギーを表すのではなく、単に異なる状態を表すことに注意していただきたい。或る実施の形態では、これらは角依存性０°，９０°，１８０°，２７０°を表してよい。
以下に、いわゆる「トグル」切換えを説明する。「ｔ１８０」パルス２９を繰返し与えると磁化４４は２つの状態（例えば、「０」を表すＭ１と「１」を表すＭ３）の間に「切り換わる（ｔｏｇｇｌｅ）」。しかし「ｔ９０」パルス２９を繰り返し与えると磁化４５は１つの状態から隣の状態に漸進的に「回転する」。
【００６５】
例えば、「０」状態と「１」状態との間にまたはその逆に切り換えて素子２１１、２１２にデータを書き込むには、電圧パルス２９をゲート２３に与える。
パルス２９は歳差運動の周期ｔｐｒｅｃｅｓｓの半分の継続時間ｔ１８０を有する。歳差運動の周期ｔｐｒｅｃｅｓｓは次式で与えられる。
【数７】
ただし、γは回転磁気定数
ＢＡは磁気異方性磁界であって、例えばサンプル、グレーン、ドメイン壁、または他のタイプの障壁での磁化内の発散により作られる消磁磁界を含んでよく、異方性を生じる。この例では、ｔｐｒｅｃｅｓｓは約１ｎｓである。ｔｐｒｅｃｅｓｓの値は一般に１００ｐｓから１０ｎｓの範囲内にあってよい（Ｂａが１００ｍＴから１ｍＴの場合）。
電圧パルスの大きさ｜ＶＧ｜は１Ｖから１０Ｖ程度である。
【００６６】
前に説明したように、外部磁界を与えて磁化の安定化を助けまたは歳差運動を促進してよい。外部磁界は永久磁石（図示せず）でまたは導電トラック（図示せず）で与えてよく、その大きさは好ましくは異方性磁界と同程度かまたはより小さい（例えば、１ｍＴから１００ｍＴ程度）。
或る実施の形態では、外部磁界および／またはスピン・トランスファ・トルク電流を用いて磁化４４を特定の方向に向けることにより、特定の状態を書き込んでよい（状態間を切り換えるのとは異なり）。ここでは、これを「直接書込み」と呼ぶ。
【００６７】
磁気抵抗素子が、絶縁層により分離されたピン強磁性層および自由強磁性層を有する実施の形態では、電界パルスを与えると同時にまたは少し後に、スピン・トランスファ・トルク（ＳＴＴ）電流パルスを与えることにより磁化の配向変更を行ってよい。「少し後に」とは、電界パルスを与えた後に磁化がまだ歳差運動を行っていてまだ減衰していない時間内を意味する。一般にこの時間は０ｎｓと５ｎｓの間である。
素子２１１、２１２からデータを読み取るには、素子２１１、２１２のソース２４とドレン２５の間にバイアス・パルス４５を与えて、電流３１（ｉ）を測定する。電流の大きさは素子のトンネリング異方性磁気抵抗（ＴＡＭＲ）および／またはトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）に依存し、これはまた「０」および「１」の状態を表す強磁性領域２２の磁化の配向４４に依存する。
【００６８】
前に説明したように、３つ以上の状態の配向は、ＡＭＲ、ＴＡＭＲ、ＣＢＡＭＲなどの異方性磁気抵抗効果を測定することにより、またはリード３２と基準（例えば、接地）との間の横のホール電圧（面に垂直な磁化容易軸に沿う状態に対する異常ホール効果から生じる）を測定することにより、決定することができる。
【００６９】
図１３の（ａ）、図１３の（ｂ）、および図１３の（ｃ）を参照して、第１の素子２１１の製作について以下に説明する。
図１３の（ａ）を参照すると、素子２１１は、低温分子ビーム・エピタキシ（ＬＴ−ＭＢＥ）によりＧａＡｓ基板３９上のＡｌＡｓ３８”バッファ層上の［００１］結晶軸に沿って成長させた極薄（５ｎｍ）のＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピ層３７”から製作する。これについては、Ｒ．Ｐ．Ｃａｍｐｉｏｎ，Ｋ．Ｗ．Ｅｄｍｏｎｄｓ，Ｌ．Ｘ，Ｚｈａｏ，Ｋ．Ｙ．Ｗａｎｇ，Ｃ．Ｔ．Ｆｏｘｏｎ，Ｂ．Ｌ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，Ｃ．Ｒ．Ｓｔａｄｄｏｎの「砒素ダイマーと共に成長させた高品質ＧａＭｎＡｓ薄膜（Ｈｉｇｈ−ｑｕａｌｉｔｙ ＧａＭｎＡｓ ｆｉｌｍｓ ｇｒｏｗｎ ｗｉｔｈ ａｒｓｅｎｉｃ ｄｉｍｅｒｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌｕｍｅ２４７，ｐ４３（２００３）を参照していただきたい。
【００７０】
ＧａＭｎＡｓは光学リソグラフィーに用いるアルカリ現像液に対して強く反応するので、ホール・バー１４は、２５℃でメチル・イソブチル・ケトン／イソプロパノールの１：３混合内で超音波を用いて現像したポリ・メチル・メタクリ酸メチル（ＰＭＭＡ）レジストを用いて、電子ビームリソグラフィーを用いて形成する。
２０ｎｍと６０ｎｍの厚さをそれぞれ有する熱蒸発させた高電子コントラストＣｒ／Ａｕレジストレーション・マーク（図示せず）を、１μｍ厚さのレジスト（図示せず）および〜２５０ｎｍの電子ビーム直径を用いたリフトオフによりパターン化する。蒸発の前に１０％ＨＣｌ溶液内に３０ｓディップして、ＧａＭｎＡｓを過度に損なわずに金属の接着を助ける。
【００７１】
〜２００ｎｍ厚さのレジスト層（図示せず）をＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓエピ層３７の表面Ｓに与える。最も微細な部分は、〜１５ｎｍのビーム直径と〜５ｐＡの電流を有する電子ビーム（図示せず）を用いて、近接したレジストレーション・マークでオンチップ集束により形成する。重要度の低い領域（図示せず）は〜２５０ｎｍビームにより〜１ｎＡで同じレジスト内に形成する。高分解能領域はできるだけ小さくなるように配置して、書込み時間およびパターン・ドリフトを最小にする。
図１３の（ｂ）では、レジストを現像して、パターン化したレジスト層Ｍをエッチ・マークとして残す。
【００７２】
図１３の（ｃ）では、反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）を溝の絶縁に用いる。ＲＩＥによる導電率の低下があっても、ＧａＭｎＡｓの高い導電率と比べると非常に小さいと予想される。ＲＩＥ室（図示せず）内の圧力は２０ｍＴｏｒｒであり、ＳｉＣｌ４およびＡｒの流れは２０ｓｃｃｍで、ＧａＡｓおよびマンガンを除去するのに適した必要な物理的および化学的エッチングの混合が得られる。１００Ｗで１０−１５ｓの一般的なエッチを行うと、２０−３０ｎｍの深さを有しかつＧａＭｎＡｓ層を安全に通る溝Ｔが得られる。
【００７３】
Ｃｒ／Ａｕ（２０ｎｍ／３００ｎｍ）結合パッドを熱蒸発させる。再び、その前にＨＣｌ溶液内で接着ディップを行う。結合パッドはＧａＭｎＡｓ層への低抵抗の電気接触子を形成するので別個の抵抗金属皮膜は必要ない。
この例では、素子は［１１０］方向に沿って整列したホール・バー・レイアウトに配置され、くびれのどちらかの側に、２μｍ幅のチャネルと、５００ｎｍ幅で１０μｍ間隔の３対のホール・センサ端子とを有する。しかし、他の配列を用いてもよい。
【００７４】
第２の素子２１２を作るには上に説明した製作プロセスを変更する。
より厚いＧａＭｎＡｓ層（例えば、厚さ２５ｎｍ）を有する異なる最初の層構造を用いる。電子ビームリソグラフィーおよびＲＩＥを用いて層構造をパターン化して、下側の電極構造４２（図１１の（ａ））を形成する。次に、上に述べたＬＴ−ＭＢＥにより、別のＡｌＡｓ層（３ｎｍの厚さを有する）およびＧａＭｎＡｓの層を成長させる。この構造をパターン化して第１の素子２１１と同様の方法でチャネルを形成する。
下側の電極構造４２（図１１の（ａ））のパターン化とＡｌＡｓ層およびＧａＭｎＡｓ層の成長の間の汚染を最小にするためのいくつかの方法を用いてよい。例えば、最初の層構造を成長させた直後にイオン・ビーム・ミリングを用いて下側の電極構造４２（図１１の（ａ））をパターン化し、次に真空を破らずに追加の層を成長させてよい。
【００７５】
図８の（ｃ）は第３の磁気抵抗素子２１３を示す。
第３の素子２１３は第１および第２のリード２４，２５の間に配置された強磁性領域２２を有する２端子素子で、トンネル障壁２６により一方のリード２４に、また半導体強磁性領域２２およびリード２５により形成される空乏領域が作る調整可能な障壁３５により他方のリード２５に、弱く結合する。
この例では、強磁性領域２２はｐ型半導体（例えば、Ｇａ（Ｍｎ，Ａｓ））で構成しまたリード２５はｎ型半導体（例えば、ＳｉをドープしたＧａＡｓ）で構成するので、調整可能な障壁３５は逆バイアスのｐ−ｎ接合である。しかし、リードは金属でよいので、調整可能な障壁３５はショットキー障壁でよい。
【００７６】
図１４の（ａ）および図１４の（ｂ）は第３の素子２１３を更に詳細に示す。
素子２１３は基板４８から直立した柱４７を含む。柱４７は、１−１０ｘ１０１８ｃｍ−３程度の濃度にドープしかつ（エッチングしていない）２００ｎｍの厚さを有するＧａＡｓの層２５と、約５ｎｍの厚さを有するｐ型Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓの層２２と、２５ｎｍの厚さを有するＡｌＡｓの層２６と、約１０ｎｍの厚さを有するＡｕの層とを含む。
素子はＧａＡｓ基板（図示せず）上に成長させた層構造（図示せず）から製作し、順に、２００ｎｍの厚さのｎ型ＧａＡｓ（図示せず）の層と、５ｎｍの厚さのＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓの層と、２５ｎｍの厚さのＡｌＡｓの層とで構成する。Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓは低温分子ビーム・エピタキシ（ＬＴ−ＭＢＥ）により成長させる。
【００７７】
電子ビームリソグラフィーおよび熱蒸発を用いて、１０ｎｍ程度の厚さを有する金（Ａｕ）のパッドを層構造（図示せず）の表面上に形成し、またＳｉＣｌ４／ＡｒのＲＩＥを用いて柱４７を形成する。
柱４７の頂部に接触させるため、例えばポリイミドを用いて柱を平らにし、金の接触パッドを堆積させてよい。
基板に接触させるには非磁気抵抗接触子を用いる。
【００７８】
図１５は第３の素子２１３の書込みおよび読取りサイクルを示す。
前に述べた第１および第２の素子２１１、２１２と同様に、第３の素子２１３は４つの状態Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を示すことができる。
第３の素子２１３が異なる点は、書込みパルスか読取りパルスかは電圧パルス２９の極性が決定することである。
【００７９】
データを素子２１３に書き込むには、固定のトンネル障壁に隣接するリード２４に他方のリード２５に対して負の電圧パルス２９を与えてｐ−ｎ接合３５のバイアスを反転させ、空乏領域の幅を拡げて空乏を増やして強磁性領域２２内のキャリヤ密度またはキャリヤ密度分布を変えることにより、歳差運動を起こす。前に説明したように、パルスの継続時間を用いて、言い換えるとｔ９０およびｔ１８０パルスを用いて、２つの状態の間にまたは３つ以上の状態の間に切り替えることができる。
データを読み取るには、固定のトンネル障壁に隣接するリード２４に他方のリード２５に対して正の電圧パルス２９を与えて、磁化配向に依存する電流４６（ｉ）を測定する。
【００８０】
図１６の（ａ）、図１６の（ｂ）、図１６の（ｃ）を参照して磁気抵抗素子５１を説明する。この場合は、電界パルスを与えることにより、不均一に歪んだ強磁性半導体内の最大キャリヤ濃度をシフトさせ、これにより磁化異方性を変えて磁化の歳差運動を開始させる。
素子５１は、一般に細長くて約１μｍの幅（ｗ）と約２０μｍの長さ（ｌ）とを有するホール・バー５２を含む。ホール・バー５２は第１および第２の端末リード５３，５４と、バー５２の対抗する側に対に配置された第１、第２、第３、第４の側面リード５５，５６，５７，５８とを有する。ホール・バー５２は下側および上側の電極５９，６０（以後それぞれ、「下部」および「上部」電極と呼ぶ）の間に挟まれる。
【００８１】
図に示すように、パルス発生器６１を用いて上部および下部電極５９，６０の間に電圧パルス６２を与える。電流源６３を用いて、第１および第２の端末リード５３，５４の間のホール・バーを通して読取り電流（ｉｒｅａｄ）を与える。第１および第２の電圧計６４，６５は第１および第２のリード５５，５６の間と第２および第４の側面リード５６，５８の間のバイアスを測定して、縦および横の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）をそれぞれ決定する。また第２および第３の側面リード５６，５７の間で測定したバイアスを用いて、異常ホール効果（ＡＨＥ）抵抗を測定することができる。
ＡＭＲ測定値を用いて、ＶＧ＝Ｖ０（例えば、Ｖ０＝０）で二軸の面内異方性を示す強磁性層内で磁化の回転が１８０°より小さい（例えば、９０°）ときの２つの状態の間を区別することができる。
ＡＨＥ測定値を用いて、ＶＧ＝Ｖ０で垂直異方性を持つ系内の上と下の状態の間を区別することができる。
【００８２】
特に図１６の（ｂ）および図１６の（ｃ）では、下部電極５９として働くインジウム・ガリウム砒素（Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ａｓ）基板６６上にホール・バー５２を形成する。ホール・バー５２は、ＩｎＧａＡｓ基板６６の上側のＡｌＡｓで形成するベース障壁層６７と、段階的（ｇｒａｄｅｄ）ＩｎＧａＭｎＡｓで形成する不均一に歪んだ強磁性層６８と、ＡｌＡｓで形成する頂部障壁層６９とを含む。頂部ゲート電極６０はＡｌで形成する。
【００８３】
強磁性層６８内の格子定数を制御して変えて、層６８内に不均一なひずみを作る。Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓの格子定数はＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓの格子定数より大きいのでＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓ上に成長させた次のＧａ０．９５Ｍｎ０．０５Ａｓは引っ張りひずみを有する。更に、インジウムを再び導入してＩｎＧａＭｎＡｓを形成する。ＩｎＧａＭｎＡｓの格子定数がＩｎＧａＡｓ基板の格子定数より大きくなるまでインジウム濃度を上げて圧縮ひずみを得る。
素子５１は、インジウム・ガリウム砒素（ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ）基板６６’（ｙ＝５％）と、〜２０ｎｍの厚さを有するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）の層６７’と、インジウム・ガリウム・マンガン砒素（ＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ）６８’ の段階層（これはＧａＭｎＡｓ６８１’のベース層を含み、〜１０ｎｍの厚さを有する）とを含むウェーハ７０から製作する。
【００８４】
図１７では、引っ張りひずみを与えながらＧａ１−ｘＭｎｘＡｓの層６８１’をＡｌＡｓ層６７’の上にエピタキシャル成長させ、層６７’をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板６６’上に成長させる。この例では、マンガンの濃度は５％（すなわち、ｘ＝０．０５）であり、インジウムの濃度はｚ＝０から１０％まで増加する。
ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板６６’の一層広い格子定数をＧａ１−ｘＭｎｘＡｓ層６８１’に移す（ｔｒａｎｓｍｉｔ）と引っ張りひずみを導入する。ＩｎｚＧａ１−ｘ−ｚＭｎｘＡｓ６８’を更に成長させる間にインジウムを導入して格子定数を更に大きくして、４元素合金ＩｎＧａＭｎＡｓを形成する。層６８１のベース７１からの距離（ｄ）が大きくなるとインジウム濃度［Ｉｎ］は増加する。
【００８５】
異なるひずみプロフィールを用いてよい。例えば、強磁性層６８内のひずみが、基板に一層近いところで引っ張りひずみになり基板から一層遠いところで圧縮ひずみに変わるのではなく、圧縮から引っ張りに変わってよい。これは、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ基板ではなくガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を有するウェーハから製作し、インジウム（Ｉｎ）ではなく燐（Ｐ）を導入してガリウム・マンガン燐砒素（Ｇａ１−ｙＭｎｘＰｚＡｓ１−ｚ）の段階層を形成することにより得られる。燐濃度が高くなるに従って格子定数は小さくなる。
【００８６】
図１８では、強磁性層６８の形を変えることによりひずみも変えることができる。例えば、強磁性層６８の幅は、層６８のベース７１では狭くし（幅ｗ１を有する）、ベース７１から離れたところでは広く（幅ｗ２＞ｗ１を有する）してよい。したがって、層６８の一層厚い上部より層６８の一層薄い下部の方が、格子はより緩和される。強磁性層６８は均一にドープしてよい。
【００８７】
図１９の（ａ）および図１９の（ｂ）では、２つのゲート５９，６０の間にゲート・パルス６２を与えると電界７２を生成して電荷キャリヤ（ここでは多数キャリヤである正孔だけを示す）をシフトして、下側の引っ張りひずみ領域７４内および上側の圧縮ひずみ領域７５内の電荷キャリヤ濃度を変える。詳しく述べると、パルスはキャリヤ７３を下側の引っ張りひずみ領域７４から上側の圧縮ひずみ領域７５に引っ張って、上側の圧縮ひずみ領域７５内の電荷キャリヤ濃度を上げる。
【００８８】
下の表２ではひずみおよびキャリヤ濃度で磁気異方性の配向を識別する。
【表２】
磁気層６８の磁気異方性７６は、層６８の面に垂直な（すなわち、軸７８に沿う）第１の位置７７１の向きから層６８の面に沿う（すなわち、軸７９に沿う）第２の位置７７２の向きに変わる。したがって有効異方性磁界ＢＡは９０°回転する。これにより磁化８０は歳差運動を開始し、π／２パルスで配向を９０°変える。
【００８９】
後でより詳細に説明するが、別の同一のパルス６２を与えると、有効異方性磁界ＢＡは再び９０°回転するので磁化は更に９０°の歳差運動を続ける。したがって、有効異方性磁界ＢＡは再び面外軸７７に沿う向きになるが、磁化は第１の配向７７１に対して逆平行の第３の配向７７３になる。それにもかかわらず、第１および第３の状態（すなわち、磁化８０がこれらの第１および第３の配向７７１、７７３に整列する）の磁気抵抗は同じである。これは、前に説明したように、同一線上になければ、ＡＭＲ測定値は最初と最後の磁化の状態を区別することができるからである。ＡＨＥ測定値は面に垂直な２つの逆の磁化配向を区別することができる。ＴＭＲ測定値は固定の基準層に関して平行および逆平行の配向を区別することができる。
【００９０】
書込みおよび読取りサイクルは前に述べた図１２に示すものと同様である。しかし、読取りサイクルでは、ソース・ドレン・バイアスを与えて電流を測定するのではなく、素子を通して電流を流して、リード５５，５６，５７，５８の間に生じる電位差を測定する。
素子５１は、第１の素子２１１を製作するための前に説明したのと同様の方法を用いて製作する。例えば、前に説明したのと同様の方法で層構造を成長させ、電子ビームリソグラフィーおよびＲＩＥを用いてパターン化する。
【００９１】
図２０の（ａ）および図２０の（ｂ）を参照して第４の磁気抵抗素子８１について以下に説明する。これは、ひずみパルスを与えると磁気異方性が変わって磁化の歳差運動を開始する。
素子８１は、第１および第２の接触リード８４，８５を有する圧電層８３上に取り付けた積層構造８２を含む。層構造８２に電気的に接触させるために第１および第２の接点８６，８７を用いる。
積層構造８２は約１μｍの幅（Ｗ）と約１μｍの長さ（Ｌ）とを有する。
図に示すように、パルス発生器８８を用いて圧電接触リード８４，８５の間に電圧パルス８９を与える。電圧源９０を用いて接点８６，８７の間にバイアスを与え、また電流計９１を用いて積層構造８２を通って流れる電流を測定する。
【００９２】
特に図２０の（ｂ）を参照すると、圧電ストレッサ８３に接着剤９３で取り付けたガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板９２の上に積重ね層構造８２を形成する。圧電ストレッサは鉛・ジルコン酸塩・チタン酸塩（ＰＺＴ）から形成する。積層構造８２は、（非強磁性）ｎ＋−ＧａＡｓを含む底部接触層９４と、Ｇａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含みかつ５ｎｍの厚さを有する比較的低い飽和保磁力を有する強磁性層（すなわち、「自由」層）９５と、２５ｎｍの厚さを有するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）を含むトンネル障壁層９６と、５０ｎｍの厚さを有するＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓを含む比較的高い飽和保磁力を有する強磁性層（すなわち、「固着」層）９７と、（非強磁性）金を含む頂部接触層９８とを含む。
【００９３】
他の配列および他の材料を用いてよい。例えば、圧電ストレッサ８３は基板９２と一体的に形成してよい。例えばＧａＡａは［１１０］軸に沿う圧電層でよい。
認識されるように、第４の素子８１の強磁性層は半導体である必要はなくて金属でよく、またＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどの強磁性金属、または金属合金ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ、または他の適当な遷移金属／貴金属合金を含んでよい。
書込みおよび読取りサイクルは前に述べた図１２に示したものと同様である。
積重ね層構造を用いる必要はない。代わりに、「面内」移送（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）構造（例えば、図９に示したものと同様な）を用いてよい。例えば、図９に示す構造を圧電ストレッサ８３上に取り付けてよい。
【００９４】
図２１の（ａ）および図２１の（ｂ）を参照して第５の磁気抵抗素子１０１について以下に説明する。これは、電気パルスと共にひずみを与えると磁気異方性が変わって磁化の歳差運動を開始する。
素子１０１は強磁性材料のチャネル１０３を形成する十字形メサ１０２を含む。これは、この場合はＧａＡｓの層１０４内に埋め込まれたＧａ０．９８Ｍｎ０．０２Ａｓのデルタ・ドープ層であって基板１０５で支持される。第１、第２、第３、第４の接点１０６，１０７，１０８，１０９はチャネル１０３の遠端の接点で、表面頂部ゲート１１０を用いて磁気異方性を制御する。基板１０５は第１および第２の接点１１２，１１３を有する圧電層１１１上に取り付ける。これらの接点は、強磁性チャネル１０３に事前応力を与えるために圧電層１１１内に電界を生成するのに用いる。
チャネル１０３の各アームは約２μｍの幅と約２０μｍの長さを有する。
【００９５】
図に示すように、第１のパルス発生器１１４を用いて、圧電接触リード１１２，１１３の間に電圧パルス１１５を与えてチャネル１０３に事前応力を与える。第２のパルス発生器１１６を用いて、電圧パルス１１７を表面ゲート１１０に与えて磁気異方性の歳差運動を起こす。
電圧源１１８を用いて第１および第２の接点１０６，１０７の間にバイアス１１９を与え、電流計１２０を用いて第３および第４の接点１０８，１０９の間を流れる電流１２１を測定する。
特に図２１ｂでは、基板１０５を接着剤層１２２により圧電層１１１に取り付ける。
【００９６】
書込みおよび読取りサイクルは前に述べた図１２に示すものと同様である。しかし図２２に示すように、電圧パルス１１５はｔ１８０またはｔ９０パルスの間与える。
これまで説明した実施の形態では、素子へのデータの書込みおよび読取りは２つの状態だけを有するかのように素子を処理することに基づき、素子毎に１ビットの情報だけを記憶する。しかし二軸の面内異方性および一軸の面に垂直な異方性を利用することにより、パルスおよび反転パルスという２つのタイプの組合せを用いて、６つの残存磁気配向にアクセスして、３ビット以上（すなわち、６つの異なる状態に対応する
を符号化することができる。
【００９７】
図２３では、強磁性層２２，６８，９５，１０３は６つの残存磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６を示す。
強磁性層２２，６８，９５，１０３は２つの領域で動作することができる。すなわち、ゼロｄｃバイアス・オフセット（すなわち、ＶＧ＝Ｖ０）に関して２つのタイプのパルスを与える二軸の面内異方性領域と、反転バイアス・パルスを与える（すなわち、非ゼロｄｃバイアス・オフセット（すなわち、ＶＧ＝Ｖｃ）に関してバイアス・パルスを与える）垂直異方性領域とである。
ＶＧ＝Ｖ０では、異なるパルス長さを持つ高速ゲート電圧パルスによりトリガされる歳差運動切換えは、層面内の２つの二軸の磁化容易軸に沿う４つの残存状態１３１，１３２，１３３，１３４の間に磁化ベクトルを回転させる。
【００９８】
図２４を参照すると、或る意味で、隣接する磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４に、９０°回転させるゲート・パルス２９，６２，９１を用いて別の第１、第２、第３、第４の磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４からアクセスすることができる。このタイプのパルスをここでは「ｐ９０°パルス」または「ｔ９０パルス」と呼ぶ。
逆の意味で、隣接する磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４に、２７０°回転させるゲート・パルス（図示せず）を用いて別の第１、第２、第３、第４の磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４からアクセスすることができる。
【００９９】
また第１、第２、第３、第４の磁化配向１３１，１３２，１３３，１３４に、１８０°回転させるゲート・パルス１３８（以後「ｐ１８０°パルス」または「ｔ１８０パルス」と呼ぶ）を用いて同一線上の配向１３１，１３２，１３３，１３４からアクセスすることができる。したがって、第１の磁化配向１３１はｐ１８０°パルス１３８を用いて第３の磁化配向１３３からアクセスすることができる。
二軸の面内異方性領域と一軸の面に垂直な異方性領域の間の変更は、散逸減衰を利用する「断熱」磁化配向変更により行うことができる。例えば、ゲート・バイアスがＶ０からＶＣに変わった後で、磁化ベクトルＭは変更された異方性磁界ＢＡ（ＶＣ）の回りで歳差運動を始め、散逸減衰により磁化ベクトルは変更された異方性磁界ＢＡ（ＶＣ）に向けてらせん形を描く。最終的に、磁化ベクトルＭは変更された異方性に対応する磁化容易軸の１つに沿って整列する（熱変動内で）。
【０１００】
領域変更はゲート・バイアス・ステップ変更１３９，１４０により行う。これらを以後それぞれ「ｐｄａｍｐｉｎｇパルス」および「反転ｐｄａｍｐｉｎｇパルス」と呼ぶ。
第５および第６の磁化配向１３５，１３６には１８０°回転を起こすゲート・パルス１４１を用いてアクセスすることができる。しかしパルス１４１はｐ１８０°パルス１０８に関して反転しており、以後「反転ｐ１８０°パルス」と呼ぶ。
【０１０１】
図２５の（ａ）および図２５の（ｂ）は、ｐ９０°パルス１３７および反転ｐ１８０°パルス１４１を与える効果を示す。
図２５の（ａ）はＶＧ＝Ｖ０での二軸の面内異方性領域内の歳差運動の９０°切換えを示す。図に示すように、磁気異方性はＶＧ＝ＶＣでゲート電圧パルス１３７の間に面内から面に垂直に変わり、磁化ベクトルＭが９０°回転を終わった後、元のＶ０に切り換わる。
【０１０２】
図２５の（ｂ）は、面に垂直な異方性領域内で反転パルスが１８０°反転をトリガすることを示す。
ＡＨＥ測定値により、面に垂直な配向に沿う２つの一軸の磁化状態を区別することができる。また横および縦のＡＭＲの測定値により、面内の４つの二軸の磁化状態を明確に区別することができる。
【０１０３】
認識されるように、上に述べた実施の形態に多くの変更を行うことができる。例えば、強磁性層は、例えば５ｎｍから２０ｎｍの間の異なる厚さを有してよい。素子は電子または正孔の移動に基づいて動作してよい。ＧａＭｎＡｓ層を保護するのにキャッピング層を用いてよい。磁気抵抗素子は磁気トンネル接合部またはスピン・バルブなどの多層構造を有してよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
添付の図面を参照して、例により本発明の実施の形態を説明する。
【図１】本発明に従って電界パルスを強磁性素子に与えて磁気異方性の配向を変えることにより磁化を切り換えることを示す。
【図２】（ａ）は、リソグラフィー誘導のひずみ緩和により磁気異方性の配向が変わる素子と、ひずみが変わらないファン・デル・ポー素子の走査電子顕微鏡写真である。（ｂ）は（ａ）に示す素子の拡大図である。（ｃ）は（ａ）に示す素子およびファン・デル・ポー素子を製作するのに用いる層構造の断面図である。
【図３】（ａ）は、固定の磁界の大きさ（Ｂ＝４Ｔ）を有する磁界を、角を［１１０］軸から測定して回転させるときの、図２の（ａ）に示す素子のアームの４．２°Ｋでの縦の異方性磁気抵抗のプロットを示す。（ｂ）は、固定の磁界の大きさ（Ｂ＝４Ｔ）を有する磁界を、角を測定して回転させるときの、図２の（ａ）に示す素子および図２の（ａ）に示すファン・デル・ポー素子のアームの４．２°Ｋでの横の磁気抵抗のプロットを示す。（ｃ）は、図２の（ａ）に示すものと同様であるが変化する磁界内の異なる角でより広くまたより長いチャネルを有する素子の、［１１０］向きのアームの４．２°Ｋでの縦の異方性磁気抵抗のプロットを示す。（ｄ）は、固定角で変化する磁界内の図２の（ａ）に示す素子の［１１０］向きのアームの４．２°Ｋでの縦の異方性磁気抵抗のプロットを示す。
【図４】（ａ）は、図２の（ａ）に示すファン・デル・ポー素子の４．２°Ｋでの横の抵抗測定値のプロットを示す。（ｂ）は、図２の（ａ）に示す素子の４．２°Ｋでの横の抵抗測定値のプロットを示す。
【図５】（ａ）は、図２の（ａ）に示す素子の横の断面の［００１］軸に沿う歪の数値シミュレーション値の２次元プロットを示す。（ｂ）は、図２の（ａ）に示す素子の横の断面の［１１０］軸に沿う歪の数値シミュレーション値のプロットを示す。（ｃ）は、図２の（ａ）に示す素子の［００１］面を通る異なる断面のひずみのシミュレーション値のプロットを示す。（ｄ）は、図２の（ａ）に示す素子の［１１０］面を通る異なる断面のひずみのシミュレーション値のプロットを示す。
【図６】（ａ）は、図２の（ａ）に示すものと同様の素子および図２の（ａ）に示す素子の向きのアームの磁化容易軸の配向を示す。（ｂ）は、理論的磁気結晶エネルギー値のプロットを、異なる歪でのまた異なる方向に沿う面内磁化角の関数として示す。
【図７】２つの異なるキャリヤ濃度について圧縮ひずみの下で［００１］向きのＧａＡｓ上に成長させたＧａ０．９６Ｍｎ０．０４Ａｓの磁気結晶エネルギー・プロフィールを示す。
【図８】（ａ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第１の素子の略図である。（ｂ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第２の素子の略図である。（ｃ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第３の素子の略図である。
【図９】図８の（ａ）に示す第１の素子の斜視図である。
【図１０】（ａ）は、図９に示す素子のゲート電圧および面内の電流に平行な磁界に対するチャネル・コンダクタンスのプロットである。（ｂ）は、図９に示す素子のクーロン封鎖振動を示す。（ｃ）は、図９に示す素子のゲート電圧に対する臨界配向変更磁界のプロットを示す。
【図１１】（ａ）は、図８の（ｂ）に示す第２の素子の平面図である。（ｂ）は、図１１の（ａ）に示す第２の素子の線Ａ−Ａ’に沿う断面図である。
【図１２】図８の（ａ）および図８の（ｂ）に示す素子の書込みおよび読取りサイクルを示す。
【図１３】（ａ）は、図８の（ａ）に示す素子の異なる段階での製作を示す。（ｂ）は、図８の（ａ）に示す素子の異なる段階での製作を示す。（ｃ）は、図８の（ａ）に示す素子の異なる段階での製作を示す。
【図１４】（ａ）は、図８の（ｃ）に示す第３の素子の斜視図である。（ｂ）は、第３の素子の線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。
【図１５】図８の（ｃ）に示す素子の書込みおよび読取りサイクルを示す。
【図１６】（ａ）は、本発明に係る強磁性素子の磁気異方性の配向を変えることができる別の素子の平面図である。（ｂ）は、図１６の（ａ）に示す素子の線Ｃ−Ｃ’に沿う縦断面図である。（ｃ）は、図１６の（ａ）に示す素子の線Ｄ−Ｄ’に沿う横断面図である。
【図１７】図１５に示す素子を製作するのに用いる層構造を示す。
【図１８】図１６の（ａ）に示す素子の変形の横断面図である。
【図１９】（ａ）は、強磁性半導体での変化するキャリヤ分布の略図を示す。（ｂ）は、磁気異方性の配向変更を示す。
【図２０】（ａ）は、本発明に係る強磁性半導体内の磁気異方性の配向を変えることができる第４の素子の平面図である。（ｂ）は、図２０の（ａ）に示す素子の線Ｅ−Ｅ’に沿う断面図である。
【図２１】（ａ）は、本発明に係る強磁性素子内の磁気異方性の配向を変えることができる第５の素子の平面図である。（ｂ）は、図２１の（ａ）に示す素子の線Ｆ−Ｆ’に沿う断面図である。
【図２２】図２１の（ａ）に示す素子の書込みおよび読取りサイクルを示す。
【図２３】６つの残存磁化配向を有する強磁性素子を示す。
【図２４】本発明に係る図２３に示す残存磁化配向の間の切換えを示す。
【図２５】（ａ）は、図２３に示す強磁性素子に電界パルスを与えて、本発明に従って磁化異方性の配向を変更しまた磁化を切り換えることを示す。（ｂ）は、図２３に示す強磁性素子に電界パルスを与えて、本発明に従って磁化異方性の配向を変更しまた磁化を切り換えることを示す。
【符号の説明】
【０１０５】
２１ 磁気抵抗素子
２２ 強磁性領域
２３ ゲート
２９ 電界パルス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域と前記強磁性領域に容量的に結合するゲートとを含む磁気抵抗素子を動作させる方法であって、
電界パルスを前記強磁性領域に与えることにより、磁気異方性の配向を変えて磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを含む磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項２】
前記電界パルスを前記強磁性領域に排他的に与えて、前記強磁性領域の磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項３】
磁界パルスを与えずに前記強磁性領域の磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換えるよう配置する、
ことを含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項４】
前記素子は磁界パルスを生成するための前記強磁性領域の近くを走る導電経路を更に含み、前記方法は、
前記電界パルスを与えると共に磁界パルスを前記強磁性領域に与えて、異方性磁界と与えた磁界とを含む有効磁界の配向の変化を強化して、前記磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを更に含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項５】
前記磁界パルスの前縁を与える前に前記電界パルスの前縁を与える、
ことを含む請求項４記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項６】
前記素子は前記強磁性層より高い飽和保磁力を有しかつトンネル障壁層により分離される別の強磁性領域を更に含み、前記方法は、
前記電界パルスを与えると共に強磁性領域を通るスピン・トランスファ電流パルスを与えて前記磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを更に含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項７】
前記スピン・トランスファ電流パルスの前縁を与える前に前記電界パルスの前縁を与える、
ことを含む請求項６記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項８】
前記強磁性領域は不均一なひずみ分布を有する強磁性半導体を含み、前記方法は、
十分な大きさの電界パルスを与えて電荷キャリヤの分布を前記不均一なひずみ分布に対して変える、
ことを含む請求項１〜７のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項９】
前記不均一なひずみ分布は圧縮ひずみの領域および引っ張りひずみの領域を含む、請求項８記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１０】
前記強磁性半導体は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを含む、請求項８または９記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１１】
【数１】
で示すｔｐｒｅｃｅｓｓの四分の一の倍数である継続時間ｔを有する電界パルスを与えることを含む、ただし、γは回転磁気定数で
ＢＡは強磁性半導体の磁気異方性磁界である、
請求項１〜１０のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１２】
０ｎｓと５ｎｓの間の継続時間ｔを有するパルスを与えることを含む、請求項１１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１３】
前記電界パルスを与えることとは独立に磁界を前記強磁性領域に与えて前記強磁性領域の前記磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換えるのを支援する、
ことを更に含む請求項１〜１２のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１４】
応力を前記強磁性領域に与え、前記応力を与えると共に前記電界パルスを与える、
ことを含む請求項１〜１３のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１５】
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法であって、
応力パルスを前記強磁性領域に与えることにより、磁気異方性の配向を変えて磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを含む磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１６】
前記素子は前記強磁性領域に機械的に結合する圧電領域を含み、また前記応力パルスを与えることは前記圧電領域全体に電圧パルスを与えることを含む、請求項１５記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１７】
前記応力パルスを前記強磁性領域に与えると共に電界パルスを前記強磁性領域に与える、
ことを更に含む請求項１５または１６記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１８】
装置であって、
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、
先行請求項のいずれかに従って素子を動作させる回路と、
を含む装置。
【請求項１９】
磁気抵抗素子であって、
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域と、
第１の電気入力に応じて応力を前記強磁性領域に与える手段と、
第２の電気入力に応じて電界を前記強磁性領域に与える手段と、
を含む磁気抵抗素子。
【請求項２０】
応力を与える手段は前記強磁性領域に結合する圧電領域を含み、また電界を与える前記手段は少なくとも１つのゲート電極を含む、請求項１９記載の磁気抵抗素子。
【請求項１】
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域と前記強磁性領域に容量的に結合するゲートとを含む磁気抵抗素子を動作させる方法であって、
電界パルスを前記強磁性領域に与えることにより、磁気異方性の配向を変えて磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを含む磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項２】
前記電界パルスを前記強磁性領域に排他的に与えて、前記強磁性領域の磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項３】
磁界パルスを与えずに前記強磁性領域の磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換えるよう配置する、
ことを含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項４】
前記素子は磁界パルスを生成するための前記強磁性領域の近くを走る導電経路を更に含み、前記方法は、
前記電界パルスを与えると共に磁界パルスを前記強磁性領域に与えて、異方性磁界と与えた磁界とを含む有効磁界の配向の変化を強化して、前記磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを更に含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項５】
前記磁界パルスの前縁を与える前に前記電界パルスの前縁を与える、
ことを含む請求項４記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項６】
前記素子は前記強磁性層より高い飽和保磁力を有しかつトンネル障壁層により分離される別の強磁性領域を更に含み、前記方法は、
前記電界パルスを与えると共に強磁性領域を通るスピン・トランスファ電流パルスを与えて前記磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを更に含む請求項１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項７】
前記スピン・トランスファ電流パルスの前縁を与える前に前記電界パルスの前縁を与える、
ことを含む請求項６記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項８】
前記強磁性領域は不均一なひずみ分布を有する強磁性半導体を含み、前記方法は、
十分な大きさの電界パルスを与えて電荷キャリヤの分布を前記不均一なひずみ分布に対して変える、
ことを含む請求項１〜７のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項９】
前記不均一なひずみ分布は圧縮ひずみの領域および引っ張りひずみの領域を含む、請求項８記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１０】
前記強磁性半導体は（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓを含む、請求項８または９記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１１】
【数１】
で示すｔｐｒｅｃｅｓｓの四分の一の倍数である継続時間ｔを有する電界パルスを与えることを含む、ただし、γは回転磁気定数で
ＢＡは強磁性半導体の磁気異方性磁界である、
請求項１〜１０のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１２】
０ｎｓと５ｎｓの間の継続時間ｔを有するパルスを与えることを含む、請求項１１記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１３】
前記電界パルスを与えることとは独立に磁界を前記強磁性領域に与えて前記強磁性領域の前記磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換えるのを支援する、
ことを更に含む請求項１〜１２のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１４】
応力を前記強磁性領域に与え、前記応力を与えると共に前記電界パルスを与える、
ことを含む請求項１〜１３のいずれか一項記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１５】
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子を動作させる方法であって、
応力パルスを前記強磁性領域に与えることにより、磁気異方性の配向を変えて磁化を前記第１と第２の配向の間に切り換える、
ことを含む磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１６】
前記素子は前記強磁性領域に機械的に結合する圧電領域を含み、また前記応力パルスを与えることは前記圧電領域全体に電圧パルスを与えることを含む、請求項１５記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１７】
前記応力パルスを前記強磁性領域に与えると共に電界パルスを前記強磁性領域に与える、
ことを更に含む請求項１５または１６記載の磁気抵抗素子を動作させる方法。
【請求項１８】
装置であって、
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域を含む磁気抵抗素子と、
先行請求項のいずれかに従って素子を動作させる回路と、
を含む装置。
【請求項１９】
磁気抵抗素子であって、
磁気異方性を示しかつその磁化を少なくとも第１と第２の配向の間に切り換えることができる強磁性領域と、
第１の電気入力に応じて応力を前記強磁性領域に与える手段と、
第２の電気入力に応じて電界を前記強磁性領域に与える手段と、
を含む磁気抵抗素子。
【請求項２０】
応力を与える手段は前記強磁性領域に結合する圧電領域を含み、また電界を与える前記手段は少なくとも１つのゲート電極を含む、請求項１９記載の磁気抵抗素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００９−２１５８６（Ｐ２００９−２１５８６Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０１４２（Ｐ２００８−１７０１４２）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０６３３３３５８）ユニヴェルシテ・パリ・シュド・オーンズ (7)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥ ＰＡＲＩＳ ＳＵＤ ＸＩ
【出願人】（３０４０４４８１８）サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック (9)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（５０６３３３３５８）ユニヴェルシテ・パリ・シュド・オーンズ (7)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥ ＰＡＲＩＳ ＳＵＤ ＸＩ
【出願人】（３０４０４４８１８）サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック (9)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ
【Ｆターム（参考）】
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